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碳酸钙晶型调控及机理研究

马在强  
【摘要】:碳酸钙作为最重要的矿物之一,在生物矿化和油田矿化过程中都有着十分重要的地位,碳酸钙的晶型和表观形貌决定着其性能和应用,其可控合成方法为无机功能材料的制备提供了新思路。同时,碳酸钙垢是三元复合驱技术带来的油田副产物,油田垢的形成是导致采出液处理困难,原油品质下降的直接原因,严重威胁油田的正常生产。因此,研究油田碳酸钙垢的结晶行为和生长机理,能够为彻底解决油田结垢难题提供理论依据,具有重要的科学意义和应用价值。论文首先介绍了碳酸钙的基本概念、结构及物性,晶体生长理论、碳酸钙结晶理论以及水体系和乳液体系有机添加剂对碳酸钙结晶行为的调控作用,由此引出本论文的研究内容。本文通过一步沉淀法,分别研究了在水体系和不同比例原油乳液体系中,0.5代聚酰胺-胺(G0.5 PAMAM)、聚丙烯酰胺(HPAM)以及重烷基苯磺酸盐(HABS)对碳酸钙的结晶行为的影响,探讨了添加剂在溶液中与成垢离子之间的相互作用以及与晶体之间的相互作用,从而引出了不同晶型碳酸钙稳定形成的机理。主要研究内容和结果如下:(1)实现了水体系G0.5 PAMAM对无定形碳酸钙(ACC)可控合成,PAMAM作为晶型诱导剂,其分子结构中的酯基与溶液中的钙离子发生螯合作用,延缓ACC的结晶转化过程。此外,表面张力和树枝状效应的存在使ACC的动力学成核、长大过程得以稳定,包括:一次成核、二次成核、快速生长和慢速生长。(2)此外,在原油乳液体系实现了HPAM-HABS对高分散球霞石型碳酸钙的可控合成,HABS不仅有利于形成稳定的乳液,而且其端基的磺酸根吸引钙离子,使得碳酸钙在油水界面上成核、长大,有利于诱导亚稳态碳酸钙的形成。另一方面,HPAM链状的分子结构增大了空间位阻,阻碍了碳酸钙的聚集。提出了球霞石的界面成核、长大机理:钙离子定向聚集、碳酸根离子定向移动、聚离子团簇以及ACC形成、球霞石的成核、长大。(3)之后又实现了水体系HPAM-HABS对迷宫表面方解石型碳酸钙的可控合成,HABS在水体系形成胶束,吸引钙离子,成为碳酸钙的成核位点,表面吸附的HABS降低了碳酸钙表面的活性,抑制了亚稳态碳酸钙进一步结晶转化。结合非经典结晶理论,提出了方解石“台阶式”生长机理:HPAM吸附在碳酸钙晶体生长的台阶或扭结处,HABS稳定的ACC选择性的吸附在方解石生长位点上,溶解长大形成方解石晶体。文末,作者总结了前三章中的研究内容、目的与意义,扩展了人们对于不同晶型碳酸钙可控合成的认识,为其它无机功能材料的可控制备提供了新思路。


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