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有机阻垢缓蚀剂作用机理的理论研究

张曙光  
【摘要】:运用量子化学(QC)、分子动力学(MD)方法研究了循环冷却水常用阻垢缓蚀剂的作用机理,共分两大部分。第一部分,结合实验结果及理论模型,确定了方解石、硬石膏、羟基磷灰石这三种常见的成垢晶体作为底物,采用量子化学、分子动力学方法系统地考察了羧酸类均聚及共聚物、多胺基多醚基亚甲基膦酸的阻垢机理,有机膦酸的阻垢缓蚀机理;第二部分,研究了吡啶及其衍生物对铝、BTA及其羧基烷基酯衍生物对铜、咪唑及咪唑啉类衍生物对铁的缓蚀机理。 运用MD方法对聚羧酸类阻垢分散剂与方解石、硬石膏、羟基磷灰石晶体的相互作用进行了动态模拟。发现6种聚羧酸分子阻方解石垢的能力强弱依次为AA-MA>HPMA>AA-HPA>PAA>AA-MAE>PMAA,且对其(1(?)0)面生长的抑制居主导地位,由体系对关联函数分析得到了同样的结论;阻硬石膏垢的能力强弱依次为AA-MA>HPMA>AA-HPA>AA-MAE>PMAA>PAA,阻羟基磷灰石垢的能力强弱依次为AA-HPA>AA-MA>HPMA>PAA>AA-MAE>PMAA。聚羧酸与三种垢晶体的结合能主要来自于体系库仑作用的贡献;聚羧酸分子在结合过程中发生了强烈的扭曲变形,三种垢晶体中的Ca~(2+)与聚羧酸中羰基O原子之间形成了离子键;聚羧酸分子中的链端羧基比中部羧基抑制垢晶体生长的能力弱。 对有机膦酸分子的DFT研究表明,功能基团原子间的距离与方解石晶面钙离子对间距的匹配程度决定了其阻垢性能强弱。运用周期性边界条件下的DFT方法,得到有机膦酸与方解石(104)晶面间结合能的排序为ATMP>EDTMP>HEDP>GDMP>AEDP>MADMP,膦羧基、羧基上的O原子与晶面Ca~(2+)之间的强静电相互作用使得两者紧密结合在一起。从分子轨道能隙、前线轨道系数以及电子轨道布居等方面分析,得有机膦酸缓蚀性能强弱顺序为GDMP>HDTMP>EDTMP>ATMP>MADMP。对有机瞵酸与垢晶体相互作用的MD模拟结果表明,阻方解石垢的能力强弱依次为EDTMP>HDTMP>HEDP>ATMP>GDMP>AEDP>MADMP,且对其(1(?)0)面生长的抑制居主导地位;阻硬石膏垢的能力强弱依次为EDTMP>HDTMP>MADMP>ATMP>GDMP>HEDP>AEDP,且对其(010)面生长的抑制居主导地位;阻羟基磷灰石垢的能力强弱依次为EDTMP>HDTMP>ATMP>GDMP>HEDP>AEDP>MADMP。体系的结合能E_(bind)主要来自库仑作用的贡献。在与垢晶体结合过程中,有机膦酸分子发生了扭曲变形,且三种垢晶面上的Ca~(2+)与膦酸分子中羰基O原子之间形成了离子键。 以端氨基聚醚、亚磷酸、甲醛、浓盐酸为原料合成了多氨基多醚基亚甲基膦酸,并对产品进行了表征。MD研究表明,PAPEMP(n=1~8)分子与方解石(1(?)0)晶面的结合能排序为(按聚合度)5>6>4>3>8>2>7>1。对体系各种相互作用以及对关联函数g(r)


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