聚天冬氨酸阻碳酸钙垢的机理研究进展_李贵民

聚天冬氨酸阻碳酸钙垢的机理研究进展李贵民1,贾慧吉力2,王洪亮3(1.呼和浩特市公用事业管理局;2.内蒙古工业大学化工学院;3.内蒙古化工职业学院,内蒙古呼和浩特010051)摘要:本文从聚天冬氨酸的结构特点、碳酸钙晶体的性质及阻垢剂的基本阻垢机理三方面介绍,综述聚天冬氨酸对碳酸钙垢阻垢机理的研究情况,并在此基础上提出了有待进一步研究的几个方向。关键词:水处理剂;聚天冬氨酸;碳酸钙;阻垢机理聚天冬氨酸(Polyasparticacid,简称PASP),是近年受海洋动物代谢启发而研制成功的一种生物高分子,具有优异的阻垢分散性能和良好的可生物降解性,是公认的绿色聚合物和水处理剂的更新换代产品。同时,聚天冬氨酸作为绿色水处理剂,还具有很好的热稳定性,是一种可应用于高温水系统的水处理剂。随着可持续发展战略的提出,人们环保意识的增强,聚天冬氨酸有着不可估量的前景。1聚天冬氨酸的结构特点聚天冬氨酸的分子结构如图1所示。聚天冬氨酸大分子主链是由α、β型酰胺键组成。酰胺键的化学稳定性较高,高温不易分解;另一方面α型酰胺键也是肽键,它具有生物活性。大分子中含有丰富的-COOH、-NHCO-等极性基因,说明聚天冬氨酸具有很好的亲水性和水溶性。聚合物大分子侧链上的羧基-COOH,在水溶液中很容易电离形成羧基负离子-COO-,它能与多种离子发生络合反应,使得聚天冬氨酸在水溶液中具有很高的化学活性[1]。图1聚天冬氨酸结构式2碳酸钙晶体的性质碳酸钙CaCO3是自然界存在十分广泛的矿物质。它的存在形式可以分为:无定形碳酸钙(ACC)、六水合碳酸钙(也称六水碳钙石)、一水合碳酸钙、球霰石(也称六方碳钙石、六方球方解石)、文石(也称霰石)和方解石等。无定形碳酸钙和六水合碳酸钙、一水合碳酸钙都是非常不稳定的物种,都是稳态碳酸钙的前体。在常温条件下,它们会逐渐失水并转化成较稳定的无水碳酸钙。而后三种晶型属于同质异象,三种晶型可以在一定条件下相互转化。球霰石是一种亚稳态的碳酸钙晶型。文石是一种存在稀少的碳酸钙晶型,它是许多动物贝壳、珍珠的主要物质成分,在自然界中常与其它矿物质伴生。方解石是热力学最稳定的碳酸钙晶型,因而其存在范围也最广泛。自然界中的许多矿物的主要成分都是方解石。它是各种碳酸钙晶型在溶液中转变的终态产物[2-4]。Gal[5]等用下式表述了这些转变过程:式中,CaCO3h0表示水合离子对。各晶型间是通过溶解、再沉淀而转变的。3阻垢剂的基本阻垢机理阻垢剂的阻垢机理比较复杂,随着沉淀过程动力学、成垢预测模型和各种阻垢技术的大量研究,使成垢机理的研究和结垢的控制有了很大的进展。阻垢剂的阻垢机理主要有以下几种:3.1晶格畸变碳酸钙微晶成长时按照一定的晶格排列,结晶致密而坚硬。加入阻垢剂后,阻垢剂吸附在晶体上并掺杂在晶格的点阵中,对无机构的结晶形成了干扰,使晶体发生畸变,或使大晶体内部的应力增大,从而使晶体易于破裂,阻碍了垢的生长[6]。当溶液中不加入阻垢剂时,碳酸钙晶体是正常晶体。它的生长是按照严格顺序的,由带正电荷的Ca2+和带负电荷的CO32-相碰撞才能够彼此结合,并按照一定的方向20内蒙古石油化工2009年第19期收稿日期:2009-05-17生长。当在水中加入阻垢剂时,它们会吸附到碳酸钙晶体的活性生长点上,并与Ca2+螯合,抑制晶格向一定的方向成长,因此使晶格歪曲,也就是说晶体被有机膦酸类阻垢剂的分子包围而失去活性。3.2分散增溶作用除严格的阻垢剂外,另外还有一种用来阻碍晶体生长和正常聚集的水处理剂称之为分散剂,二者统称为阻垢剂。它们一般为阴离子或非离子型的聚合物,加入水中后电离,吸附在晶体颗粒表面,形成双电层,改变颗粒表面原来的荷电状态,使其表面带有相同的负电荷。在静电作用下,颗粒相互排斥,避免了颗粒碰撞长大,使颗粒分散在水中。分散剂不仅能够吸附于颗粒表面,改变颗粒之间、颗粒与作用面之间的作用力,而且能吸附在设备和管线的接触面上,形成一个吸附层,阻止了颗粒在接触面上的沉积。从颗粒分散度对溶解度的影响角度看,晶粒细小也就意味着碳酸钙的溶解度增大[6]。3.3凝聚与螯合阴离子型阻垢剂,在水中解离生成的阴离子在与碳酸钙微晶的碰撞时,会发生生物化学吸附现象,使微晶粒的表面形成双电层,使之带负电。因阻垢剂的链状结构可吸附多个相同电荷的微晶,静电斥力可阻止微晶相互碰撞,从而避免了大晶体的形成。在吸附产物碰到其他阻垢剂分子时,将以吸附的晶体转移过去,出现晶粒均匀分散现象,从而阻碍了晶粒间和晶粒与金属表面的碰撞,减少了溶液中的晶核数,将碳酸钙稳定在溶液中[7]。3.4再生-自解脱膜假说聚丙烯酸类阻垢剂能在金属传热面上形成一种与无机晶体颗粒共同沉淀的膜,当这种膜增加到一定厚度后,在传热面上破裂,并带一定大小的垢层离开传热面。由于这种膜的不断形成和破裂,使垢层的生长受