探究阻垢劑作用機(jī)制與多元分類及體系發(fā)展應(yīng)用

中圖分類號： TQ085⁺.4 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號：1001-5922（2025）10-0090-04

Explore themechanism of action of scale inhibitors and multivariate classification and system development and application

ZHAO Jingbo，XIA Hongwei，LI Yang，ZHU Jiaming，WAN Qijun，LUO Chunyu （Anhui Special Equipment Inspection Institute，Hefei 230O51，China）

Abstract：Asacore functional material inthe fieldof industrial water treatment，scale inhibitors playa keyrole in ensuring theheat transfer eficiencyandoperation stabilityofequipmentby inhibiting the crystallzationand depositionof inorganicsaltsandregulating the dispersion of microcrystaline.This studysystematically expounds the chemical definition，interface mechanismand scientific clasificationsystemof scale inhibitors from the perspective of material science，and focuses on its innovative application practice in industrial circulating coling water system， boiler water treatment and other scenarios.Through the evolutionanalysis of the developmentcontext of scale nhibitors，thestatic scale inhibitionrate test and dynamic simulationexperiment method areused toreveal the performance optimization path from the two dimensions of molecular structure design and compound synergistic effect. Based on the principle of green chemistryand intellgent monitoring technology，the development trend of new scale inhibition system is discussed.

Keywords：scaleinhibitor;chelation;lattice distortion;performance evaluation

在工業(yè)運(yùn)行場景中，水垢的沉積不僅顯著削弱設(shè)備傳熱性能，還可能誘發(fā)連鎖性安全風(fēng)險(xiǎn)與運(yùn)營成本激增。阻垢劑通過化學(xué)或物理作用維持成垢離子的溶解態(tài)或懸浮態(tài)，從而避免因結(jié)垢導(dǎo)致的傳熱效率下降、設(shè)備腐蝕及能源浪費(fèi)。本研究從材料科學(xué)角度系統(tǒng)闡述阻垢劑的化學(xué)定義、界面作用機(jī)理及其科學(xué)分類體系，重點(diǎn)論證其在工業(yè)循環(huán)冷卻水系統(tǒng)、鍋爐水處理等場景中的創(chuàng)新應(yīng)用實(shí)踐。通過阻垢劑發(fā)展脈絡(luò)的演進(jìn)分析，運(yùn)用靜態(tài)阻垢率測試與動(dòng)態(tài)模擬實(shí)驗(yàn)方法，從分子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與復(fù)配協(xié)同效應(yīng)兩個(gè)維度揭示其性能優(yōu)化路徑，并基于綠色化學(xué)原理與智能監(jiān)測技術(shù)探討新型阻垢體系的發(fā)展趨勢。

1阻垢劑在工業(yè)體系中的關(guān)鍵價(jià)值

在工業(yè)運(yùn)行場景中，水垢的沉積不僅顯著削弱設(shè)備傳熱性能，還可能誘發(fā)連鎖性安全風(fēng)險(xiǎn)與運(yùn)營成本激增2]。以典型熱能設(shè)備工業(yè)鍋爐為例，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明：水垢厚度每增加 1mm ，燃料利用率下降 5%～8% ；若長期未采取阻垢措施，局部過熱引發(fā)的爆管事故可導(dǎo)致單次損失超百萬元。阻垢劑通過以下多維路徑實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)性風(fēng)險(xiǎn)控制。

1.1 經(jīng)濟(jì)性優(yōu)化

阻垢劑通過延緩成垢離子（如 Ca²⁺，CO₃^2- 的結(jié)晶動(dòng)力學(xué)過程，降低垢層在傳熱表面的沉積速率。根據(jù)熱力學(xué)-動(dòng)力學(xué)耦合理論，阻垢劑的吸附可提高成垢反應(yīng)的活化能，使系統(tǒng)更傾向于維持離子溶解態(tài)而非沉淀態(tài)。這一機(jī)制顯著減少了因垢層增厚導(dǎo)致的傳熱效率衰減（符合傅里葉定律 q=-kAΔT/Δx ，其中 q 是熱流量， k 是熱導(dǎo)率， ΔT/Δx 是溫度梯度 ，A 是傳熱面積），從而降低維持額定熱負(fù)荷所需的能源輸人。

1.2設(shè)備耐久性增強(qiáng)

阻垢劑通過阻隔腐蝕性離子（如 Cl^-，SO₄^2-， 在金屬表面的富集，延緩電化學(xué)腐蝕進(jìn)程。工業(yè)案例顯示，規(guī)范使用阻垢劑的鍋爐系統(tǒng)，其服役周期可延長 30% 250% ，大幅降低設(shè)備更換投入。

1.3 生態(tài)友好性提升

傳統(tǒng)磷系阻垢劑（如HEDP因生物降解性差，易引發(fā)水域富營養(yǎng)化問題。以聚天冬氨酸（PASP）為代表的綠色阻垢劑，依托可降解分子結(jié)構(gòu)減少環(huán)境負(fù)荷。國際監(jiān)管層面，歐盟《水框架指令》2000/60/EC）已將磷系藥劑納入限用清單，倒逼行業(yè)向環(huán)保技術(shù)轉(zhuǎn)型。

2 阻垢劑的作用機(jī)理

垢的產(chǎn)生主要是因?yàn)槌晒鸽x子在溶液中達(dá)到了過飽和狀態(tài)，然后形成晶核并長大聚集，最終沉積結(jié)垢。成垢離子在溶液中達(dá)到過飽和狀態(tài)后成為熱力學(xué)不穩(wěn)定狀態(tài)，有成垢趨勢，這一過程中溫度、濃度、pH等都有關(guān)系。在過飽和溶液中，離子通過隨機(jī)碰撞形成小尺寸的晶核，分為均相成核和異相成核，前者自發(fā)成核，需要克服較高的能量壁壘。晶核將在晶體表面定向生長（如碳酸鈣按104晶面生長），晶體生長達(dá)到一定尺寸后，將在設(shè)備內(nèi)部表面流速較低的位置沉積，形成水垢。

阻垢劑的作用機(jī)理，就是破壞垢的以上結(jié)垢過程，如抑制過飽和現(xiàn)象、降低成核趨勢、阻止晶體生長、影響沉積結(jié)垢速度。

2.1 螯合作用

螯合作用是阻垢劑最基礎(chǔ)的機(jī)理之一，是絡(luò)合的一種特殊的形式，在配位體與中心原子或離子通過配位鍵絡(luò)合的基礎(chǔ)上，發(fā)展為多個(gè)配位體縫合同一個(gè)中心原子或離子，從而形成一個(gè)穩(wěn)定的環(huán)形結(jié)構(gòu)。當(dāng)阻垢劑溶于水時(shí)，其分子鏈上的官能團(tuán)（如羧酸基、麟酸基）發(fā)生電離，生成帶負(fù)電荷的活性基團(tuán)。這些基團(tuán)與 Ca²⁺ Mg²⁺ 等離子通過配位鍵結(jié)合，形成穩(wěn)定的水溶性絡(luò)合物。例如，HEDP（羥基亞乙基二麟酸）的麟酸基團(tuán)與 Ca²⁺ 形成六元環(huán)螯合物，使CaCO3的溶度積提高10倍以上。然而，合作用受水質(zhì)硬度與pH值的顯著影響。在低硬度水體中，該機(jī)制效果顯著；但在高硬度條件下，阻垢效果明顯下降，需結(jié)合晶格畸變或分散作用以增強(qiáng)阻垢效果。

2.2 晶格畸變作用

晶格畸變4是阻垢劑抑制晶體生長的關(guān)鍵機(jī)制。阻垢劑分子通過吸附作用覆蓋在晶核或微晶表面，阻礙晶面的擴(kuò)展與有序排列。我們以（2-麟酸基-1，2，4-三羧酸丁烷）（PBTCA為例，對加PBTCA與不加PBTCA生成的碳酸鈣晶體進(jìn)行了XRD（如圖1所示）和SEM（如圖2所示）分析對比。

圖2SEM圖譜對比Fig.2Comparison of SEM patterns

試驗(yàn)顯示，沒有加入PBTCA阻垢劑的空白組其生成的碳酸鈣晶體以（104）晶面為主，加入PBTCA后其生成的碳酸鈣晶體以（112）和（114）晶面為主，（104）晶面顯著減少。添加PBTCA后CaCO3晶體（圖2b）的平均尺寸相對于未添加PBTCA的 CaCO₃ 晶體（圖2a）降低明顯，疏松度增加。PBTCA其分子鏈上的羧酸基團(tuán)與 CaCO₃ 晶體的（104）晶面結(jié)合，導(dǎo)致晶體生長方向紊亂，最終形成松散的球霰石型結(jié)構(gòu)而非致密的方解石。此外，晶格畸變還能降低垢層的附著力，使其易于脫落，減少設(shè)備維護(hù)成本。

2.3 分散作用

阻垢劑分子吸附于微晶或顆粒表面，通過以下2種方式維持其分散狀態(tài)：

靜電斥力：電離或極性基團(tuán)（如磺酸基、羧酸基）賦予微粒表面負(fù)電荷，同性電荷間的斥力阻止晶粒聚集；

空間位阻：長鏈聚合物包裹微粒，通過物理阻礙防止碰撞結(jié)合。

例如：羧酸鹽-磺酸鹽-丙烯酸酯三元共聚物AA/AMPS/HPA同時(shí)含有羧酸基（-COOH）磺酸基（ -SO₃H， 和非離子基團(tuán)，這些基團(tuán)的協(xié)同效應(yīng)具有強(qiáng)阻垢分散性：可高效抑制碳酸鈣、磷酸鈣、鋅垢、氧化鐵及泥沙的沉積，尤其對磷酸鈣的阻垢效果突出，使CaSO4微晶表面帶負(fù)電荷，借助靜電斥力維持其穩(wěn)定分散。

3.阻垢劑的分類與最新進(jìn)展

3.1 有機(jī)麟系列阻垢劑[8]

以ATMP（氨基三亞甲基膦酸）和HEDP（羥基亞乙基二膦酸）為核心，其特點(diǎn)包括：

強(qiáng)螯合與緩蝕協(xié)同：麟酸基團(tuán)與 Ca²⁺ Fe+形成穩(wěn)定絡(luò)合物，合容量可達(dá) 300mg/g（pH=7-9） ，同時(shí)與鋅鹽復(fù)配可降低碳鋼腐蝕速率至 0.05mm/a 以下；

高溫穩(wěn)定性：HEDP在 80^qC 以下保持穩(wěn)定，適用于循環(huán)冷卻水系統(tǒng)；ATMP則在高溫鍋爐水中通過晶格畸變抑制CaSO4結(jié)晶；

環(huán)保限制：含磷特性易導(dǎo)致水體富營養(yǎng)化，歐盟《REACH法規(guī)》嚴(yán)格限制其排放濃度，推動(dòng)無磷阻垢劑研發(fā)。

3.2 有機(jī)麟酸鹽阻垢劑

膦酸的鈉/鉀鹽形式（如ATMP ?_{Na4，HEDP?Na4}， ，優(yōu)勢包括：

高溶解性與堿性適應(yīng)性：鈉鹽形式在 pHgt;9 的高堿度水質(zhì)中仍有效，且 0.5mg/L 即可抑制 CaCO₃ 沉積，溶限效應(yīng)顯著；

復(fù)配增效：與聚羧酸復(fù)配可減少 30% 磷酸鹽用量，適用于火力發(fā)電廠閉式循環(huán)水系統(tǒng)。

3.3 聚羧酸類阻垢分散劑

聚羧酸類阻垢分散劑是一類以羧酸基團(tuán)（-CO0H）為核心功能基團(tuán)的高分子聚合物，包括聚丙烯酸（PAA）、聚環(huán)氧琥珀酸（PESA）、聚天冬氨酸（PASP）等。其分子結(jié)構(gòu)靈活、功能多樣，在水處理領(lǐng)域具有顯著特點(diǎn)與優(yōu)勢：

環(huán)保優(yōu)勢：PESA和PASP符合OECD301B生物降解標(biāo)準(zhǔn)，無生態(tài)毒性；

廣譜阻垢性：PAA對 CaCO₃，CaSO₄，BaSO₄ 均有高效分散作用；PESA在 下阻垢率 595% 適用于高壓鍋爐；

耐高溫高壓性能卓越：在 極端條件下（如鍋爐、地?zé)嵯到y(tǒng)），PESA阻垢率仍保持 95% 以上，分子結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，遠(yuǎn)超傳統(tǒng)阻垢劑的耐溫極限（通常 ? 100^°C） 。

3.4 復(fù)合阻垢劑

通過多機(jī)制協(xié)同（合 + 晶格畸變 i₊ 分散）提升阻垢率 15%～20%

典型配方：HEDP與水解聚馬來酸酐（HPMA）復(fù)配，適用于高硬度、高堿度的油田回注水系統(tǒng)；

耐溫性強(qiáng)化：有機(jī)麟酸與聚羧酸復(fù)配在 150^°C 下仍保持高效，適應(yīng)地?zé)岷蜔捰蛷U水處理。

3.5 反滲透（RO）專用阻垢劑

反滲透（RO）專用阻垢劑是針對膜分離系統(tǒng)設(shè)計(jì)的特種藥劑，通過抑制微晶沉積、分散膠體顆粒及優(yōu)化膜表面狀態(tài)，保障膜通量、延長膜壽命并提高系統(tǒng)回收率：

（1）延長膜壽命：抑制 CaSO₄，SiO₂ 等硬垢沉積，減少化學(xué)清洗頻率）。分散膠體顆粒，膜通量衰減率降低；

（2）提高系統(tǒng)回收率：在海水淡化中，阻垢劑使系統(tǒng)回收率提升，降低濃水排放量及能耗。

3.6綠色阻垢劑（新型類別）

綠色阻垢劑是一類環(huán)境友好型水處理藥劑，以無磷、可生物降解、低生態(tài)毒性為核心特性，旨在減少傳統(tǒng)阻垢劑（如有機(jī)麟酸類）對水體的污染風(fēng)險(xiǎn)。

聚羧酸類：如聚環(huán)氧琥珀酸（PESA）聚天冬氨酸（PASP），可完全生物降解。

天然高分子類：磺化木質(zhì)素、殼聚糖，來源可再生但需改性提升性能。

生物基聚合物：如微生物合成的聚谷氨酸（PGA），由谷氨酸單體通過y-酰胺鍵連接而成，兼具阻垢與緩蝕功能。

4.阻垢劑性能的研究和評價(jià)方法

4.1靜態(tài)法

靜態(tài)法通過模擬硬水在恒溫條件下的結(jié)垢過程，測定阻垢率。例如，將含 Ca²⁺（300mg/L） 和 HCO₃^- 中 600mg/L） 的水樣與阻垢劑混合， 80^qC 下靜置 24h 后過濾稱重。該方法操作簡便，但無法反映動(dòng)態(tài)流動(dòng)條件下的真實(shí)效果。

4.2 動(dòng)態(tài)法

動(dòng)態(tài)法[12采用循環(huán)裝置模擬工業(yè)換熱器工況，通過監(jiān)測垢層厚度與傳熱系數(shù)變化評估阻垢效果。

4.3 其他分析方法

掃描電鏡（SEM）：觀察阻垢劑對晶體形貌的影響[13]，如方解石向文石的轉(zhuǎn)變。

X射線衍射（XRD）：分析晶型變化，驗(yàn)證晶格畸變機(jī)制[14]。

電位測定：量化微晶表面電荷，解釋靜電斥力作用[15]。

分子動(dòng)力學(xué)（MD）模擬：模擬了阻垢劑與 CaCO₃ 晶體表面的相互作用，計(jì)算了相互作用能和徑向分布函數(shù)（RDF）[16]。

密度泛函理論（DFT）計(jì)算：計(jì)算阻垢劑與CaCO3晶體相互作用能和徑向分布函數(shù)（RDF）[17]。

5 阻垢劑的發(fā)展趨勢

5.1 綠色環(huán)保化

全球環(huán)境意識的不斷增強(qiáng)以及環(huán)保法規(guī)的日益嚴(yán)格，綠色環(huán)保型阻垢劑成為未來發(fā)展的重要方向。傳統(tǒng)阻垢劑如含磷類阻垢劑，雖然阻垢性能良好，但大量排放會(huì)導(dǎo)致水體富營養(yǎng)化等環(huán)境問題。因此，研發(fā)無磷、低毒、可生物降解的阻垢劑迫在眉睫。例如，以聚天冬氨酸為代表的生物聚合物阻垢劑，其原料來源于天然生物質(zhì)，具有良好的生物相容性和可降解性，能有效減少對環(huán)境的危害。此外，一些基于天然高分子材料如殼聚糖、淀粉衍生物等開發(fā)的阻垢劑也逐漸嶄露頭角，它們在實(shí)現(xiàn)高效阻垢的同時(shí)，極大地降低了對生態(tài)系統(tǒng)的潛在風(fēng)險(xiǎn)。

5.2 多功能化

單一功能的阻垢劑已難以滿足復(fù)雜的工業(yè)生產(chǎn)和水處理需求。未來，阻垢劑將朝著多功能化方向發(fā)展，集阻垢、緩蝕、殺菌、分散等多種性能于一體。例如，在一些工業(yè)循環(huán)冷卻水中，不僅需要防止水垢的形成，還需抑制金屬設(shè)備的腐蝕以及控制微生物的滋生。具備阻垢與緩蝕雙重功效的藥劑，能在阻正水垢沉積的同時(shí)，在金屬表面形成保護(hù)膜，降低腐蝕速率；而兼具阻垢和殺菌功能的產(chǎn)品，可在抑制結(jié)垢的過程中殺滅水中的細(xì)菌和藻類，防止生物粘泥的產(chǎn)生，保障系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，減少設(shè)備維護(hù)成本。

5.3 高性能化

為適應(yīng)更為苛刻的水質(zhì)條件和更高的生產(chǎn)要求，阻垢劑的性能將不斷提升。一方面，研發(fā)具有更高阻垢效率的產(chǎn)品，能夠在更低的劑量下實(shí)現(xiàn)對多種難溶鹽垢的有效抑制。例如，通過分子設(shè)計(jì)合成的新型聚合物阻垢劑，對鈣離子、鋇離子等成垢離子具有更強(qiáng)的螯合和分散能力，顯著提高了阻垢效果。另一方面，提高阻垢劑對極端溫度、高pH值、高硬度水質(zhì)等惡劣環(huán)境的適應(yīng)性。如在高溫高壓的油田注水系統(tǒng)以及高堿度的工業(yè)廢水處理中，需要阻垢劑在復(fù)雜條件下仍能保持穩(wěn)定且高效的性能。

6結(jié)語

阻垢劑技術(shù)歷經(jīng)從天然提取到合成設(shè)計(jì)、從高磷到無磷的跨越式發(fā)展，其核心目標(biāo)始終是平衡高效阻垢與環(huán)境保護(hù)。未來，結(jié)合區(qū)域水質(zhì)特性與智能監(jiān)測技術(shù)，阻垢劑將在工業(yè)節(jié)水、能源節(jié)約及生態(tài)保護(hù)中發(fā)揮更深遠(yuǎn)的作用。綠色化學(xué)與納米技術(shù)的融合，有望推動(dòng)阻垢劑向更高性能、更低環(huán)境負(fù)荷的方向持續(xù)進(jìn)化

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