针对反渗透海水淡化系统钙垢的绿色高效阻垢剂分子设计

Effective control of the scale on the membrane surface is the key issue for the application of reverse osmosis(RO) desalination.In this project, the scaling and inhibition mechanism of calcium scale on the RO surface will be investigated by using theoretical combined experimental method. Firstly, the nuclation and growth mechanism of calcium carbonate,calcium sulfate and calcium phosphate on the RO surface will be studied. Then, the effect of polyaspartic acid(PASP) on the shape,crystal form and growth model of calcium scale will be evaluated. And the solution properties such as pH、ion concentration and the amount of PASP addition were also considered. To discover the inhibition mechanism of PASP molecule on the RO system, the electronic transfer,geometry and stereohindrance effects among the RO membrane,PASP inhibitor and calcium sacle will be analyzed. Lastly, the effect of the molecule weight, monomer structure, functional group(sulfo，hydroxy and carboxyl) and distribution on the inhibition performance of PASP will be investigated, and the environmental friendly and efficient PASP inhibitor will be designed. In this study, the scaling and inhibiting mechanism of PASP inhibitor to the calsium scale on the RO membrane will be investigated by considering the interface interaction among scale-inhibitor-RO membrane.This study will provide a new way for the design of green inhibitor materials, which is beneficial to the green chemical process in the fields of chemicial, petrolium as well as water treatment industries.

有效控制膜表面污垢是反渗透膜应用领域的关键问题，本申请采用分子模拟和实验结合的方式，系统研究碳酸钙、硫酸钙和磷酸钙等钙垢在反渗透膜表面的异相成核生长过程，考察聚天冬氨酸阻垢剂对钙垢种类、晶型、生长模式的影响，分析膜-阻垢剂-钙垢三者间的电荷转移、几何匹配及空间位阻情况，同时考察溶液pH、离子浓度、阻垢剂剂量等对阻垢性能的影响，从原子层面揭示聚天冬氨酸阻垢机理，进一步研究聚天冬氨酸类阻垢剂分子量分布、单体构型、活性基团（磺酸基、羧基、羟基）分布对阻垢性能的影响规律，优选设计出抑制钙垢能力强的绿色高效聚天冬氨酸类阻垢剂。本项目以界面作用为切入点，通过研究反渗透膜-阻垢剂-垢三元体系间的相互作用，从分子层面揭示反渗透膜表面成垢及阻垢剂阻垢机理，为绿色高效阻垢剂的设计开发提供了一种新途径，将对化工、石油、水处理等行业绿色化学过程产生积极影响。

反渗透淡化是当前市场占有规模最大、增长最快、研究最热的淡化技术之一。据国际脱盐协会IDA统计，截止2014年，全球反渗透淡化规模已达5000万吨/日以上，而且还保持着15%的增长速度。有效控制膜表面的结垢一直以来都是反渗透膜应用面临的重要挑战之一。本课题通过采用分子模拟和实验结合的方式，系统研究了碳酸钙、硫酸钙和磷酸钙等典型钙垢、反渗透膜和聚天冬氨酸阻垢剂三者之间的作用方式，主要开展了以下研究工作：（1）研究了碳酸钙、硫酸钙和磷酸钙3种钙垢与反渗透膜表面的作用，通过分析二者之间的电荷转移、构型匹配等，发现三者与PI反渗透膜表面的作用强弱依次为: 碳酸钙> 硫酸钙> 磷酸钙；（2）研究了碳酸钙、硫酸钙和磷酸钙与天冬氨酸之间的相互作用，发现天冬氨酸与碳酸钙的有效作用晶面为（104）（102）（201），其作用强弱顺序依次为（104）>（102）>（201），天冬氨酸的存在可以有效抑制CaSO4、CaCO3和Ca3(PO4)2晶面的快速生长。（3）通过静态阻垢实验验证了PASP阻垢剂的阻垢性能，考察了溶液性质、阻垢剂添加量对阻垢性能的影响，分析了垢样形貌、粒径分布等，发现PASP的存在可以使垢粒尺寸从原来的5-8µm降至2µm，并且形成圆形、椭圆形、条状等不规则形貌的垢粒，而非立方体、六面体垢。本研究实验很好的验证了分子模拟的结果，对于绿色阻垢剂的开发具有一定的指导意义。