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

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

2、無機晶體表面的幾何匹配性。然而B.Bendiksen和J.S.Gill在96年Corrosion年會上的報告認為“幾何匹配”理論無法完全解釋碳酸鈣阻垢劑的分子模擬計算結(jié)果。困難在于當孤立考慮有機阻垢劑分子結(jié)構(gòu)和水垢晶體表面結(jié)構(gòu)時，無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，用分子模擬方法對有機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節(jié)。 我們采用了分子力學方法來優(yōu)化計算阻垢劑分子在晶體表面吸附時的幾何結(jié)構(gòu)。計算過程中，晶體中所有原子的三維坐標位置是固定的。而有機阻垢劑分子處于水解狀態(tài)的，即其功能基團如膦酸基團上的兩個氫已經(jīng)離解。由于功能基團上的氧原子是負電性的，會與晶面上帶正電的陽離子，如鈣離子發(fā)生強烈的靜電吸引。這些強烈相互吸引的鈣-氧對我們稱之為吸附點。對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上兩個瞵酸基團中各兩個氧原子，即共四個氧原子分別與方解石{104}面上的四個鈣離子很接近，相互之間具有強烈的靜電吸引作用。這一庫侖勢能是有機阻垢劑得以吸附到品體表面的主要貢獻者。這樣，四對鈣-氧形成了四點吸附的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。我們稱這種吸附模式為“四點匹配吸附”。原子力顯微鏡實驗觀察到方解石{104}面上存在單分子臺階。因此，我們也計算了HEDP在方解石{104}面臺階的吸附位置和吸附形態(tài)。吸

5、附圖像顯示這時的吸附形成了“五點匹配”的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。而HEDP在方解石{104}面臺階扭折點的吸附則形成了“六點匹配”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，說明在“多點匹配”模型中，匹配點越多，吸附能越大。我們的計算結(jié)果說明HEDP更易于吸附到方解石{104}面臺階扭折點處，這與原子力顯微鏡實驗觀察到的實驗結(jié)果相一致。影響“多點匹配”的因素非常復雜，包括有機阻垢劑分子的功能基團類型、