方解石有機(jī)阻垢劑分子設(shè)計(jì)研究及程序?qū)崿F(xiàn)方法.pdf

1、有機(jī)阻垢劑分子設(shè)計(jì)始于上世紀(jì)90年代。1991年，Black和Bromley等人用分子設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)和合成了控制硫酸鋇晶體生長(zhǎng)的阻垢劑，并在近海油田獲得成功應(yīng)用，成為水處理劑分子設(shè)計(jì)的第一個(gè)成功實(shí)例。硫酸鋇阻垢劑分子設(shè)計(jì)主要基于“幾何匹配”理論,即當(dāng)有機(jī)分子中的有效阻垢基團(tuán)間距與硫酸鋇晶體表面上的鋇離子間距相等時(shí)，有機(jī)分子就具有阻垢效果。MSI公司在此基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)了可用于阻垢劑分子設(shè)計(jì)的商業(yè)軟件，該軟件可以用來(lái)研究有機(jī)阻垢劑分子在

2、無(wú)機(jī)晶體表面的幾何匹配性。然而B(niǎo).Bendiksen和J.S.Gill在96年Corrosion年會(huì)上的報(bào)告認(rèn)為“幾何匹配”理論無(wú)法完全解釋碳酸鈣阻垢劑的分子模擬計(jì)算結(jié)果。困難在于當(dāng)孤立考慮有機(jī)阻垢劑分子結(jié)構(gòu)和水垢晶體表面結(jié)構(gòu)時(shí)，無(wú)法深入探討阻垢劑在晶體表面的吸附特征。本文在“幾何匹配”的基礎(chǔ)上，用分子模擬方法對(duì)有機(jī)阻垢劑分子在水垢晶體表面的平衡兒何結(jié)構(gòu)和吸附位置進(jìn)行優(yōu)化，獲得了全新的吸附圖像。由于把阻垢劑和晶面聯(lián)系在一起考

3、慮，我們可以分析阻垢劑在晶面的吸附細(xì)節(jié)。 我們采用了分子力學(xué)方法來(lái)優(yōu)化計(jì)算阻垢劑分子在晶體表面吸附時(shí)的幾何結(jié)構(gòu)。計(jì)算過(guò)程中，晶體中所有原子的三維坐標(biāo)位置是固定的。而有機(jī)阻垢劑分子處于水解狀態(tài)的，即其功能基團(tuán)如膦酸基團(tuán)上的兩個(gè)氫已經(jīng)離解。由于功能基團(tuán)上的氧原子是負(fù)電性的，會(huì)與晶面上帶正電的陽(yáng)離子，如鈣離子發(fā)生強(qiáng)烈的靜電吸引。這些強(qiáng)烈相互吸引的鈣-氧對(duì)我們稱(chēng)之為吸附點(diǎn)。對(duì)HEDP(羥基乙叉二膦酸)在方解石{104}面的幾何

4、結(jié)構(gòu)和吸附位置的優(yōu)化結(jié)果表明，HEDP上兩個(gè)瞵酸基團(tuán)中各兩個(gè)氧原子，即共四個(gè)氧原子分別與方解石{104}面上的四個(gè)鈣離子很接近，相互之間具有強(qiáng)烈的靜電吸引作用。這一庫(kù)侖勢(shì)能是有機(jī)阻垢劑得以吸附到品體表面的主要貢獻(xiàn)者。這樣，四對(duì)鈣-氧形成了四點(diǎn)吸附的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。我們稱(chēng)這種吸附模式為“四點(diǎn)匹配吸附”。原子力顯微鏡實(shí)驗(yàn)觀察到方解石{104}面上存在單分子臺(tái)階。因此，我們也計(jì)算了HEDP在方解石{104}面臺(tái)階的吸附位置和吸附形態(tài)。吸

5、附圖像顯示這時(shí)的吸附形成了“五點(diǎn)匹配”的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。而HEDP在方解石{104}面臺(tái)階扭折點(diǎn)的吸附則形成了“六點(diǎn)匹配”的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。HEDP在上述三種位置的吸附能分別約為-5eV,-7eV和-20eV，說(shuō)明在“多點(diǎn)匹配”模型中，匹配點(diǎn)越多，吸附能越大。我們的計(jì)算結(jié)果說(shuō)明HEDP更易于吸附到方解石{104}面臺(tái)階扭折點(diǎn)處，這與原子力顯微鏡實(shí)驗(yàn)觀察到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相一致。影響“多點(diǎn)匹配”的因素非常復(fù)雜，包括有機(jī)阻垢劑分子的功能基團(tuán)類(lèi)型、