静电场对碳酸钙溶液结晶影响的分子动力学研究

论文摘要

水垢沉积给工业及民用设备带来许多经济、技术问题。化学控垢措施不仅易造成环境污染,而且极易腐蚀设备,缩短使用寿命。而采用静电水处理技术作为控垢措施,由于具有易操作、无污染、结构简单、效果显著、运行费用低等优点,在国内外日渐兴起,成为水处理的发展方向之一。但是由于水系统本身比较复杂,水的结构众说纷纭,因此在对静电作用机理进行理论解释时遇到了一些困难。目前,静电水处理技术的研究及评定工作多依赖于实验或理论推测,易造成时间、人力、物力的浪费,加上实验手段误差大,未能得到一种较完整的能解释静电作用效果的机理分析,迫切需要引入新的研究方法进行分析。本文用分子动力学模拟的方法,从微观上分析探讨了静电水处理技术的作用机理,为静电水处理技术的研究提供理论依据。鉴于水垢主要附着沉积于各种水管、冷却装置内面的陈垢层上,本文主要计算了静电处理前后,方解石晶面及铁晶面上成垢过程的各项参数,对吸附能、对关联函数、自扩散系数的变化做了详细讨论。结果表明,静电处理能有效地阻止游离态Ca 2+、CO3 2?离子在成垢晶面上的吸附过程,吸附能降幅高达120%,达到了阻垢的效果;方解石晶面上的Ca 2+与水系统中O原子的对关联函数的出峰位均在0.23nm附近,表明二者形成离子键,垢体分子容易水解;自扩散系数的变化导致水溶液的各向异性明显增强,各方向活性的不同使垢晶不能按晶体生长动力学理论通过台阶产生的运动正常生长,堆积状态发生变化,从而对垢体的形状产生影响。随着环境保护形势的日益严峻和水资源的日渐紧缺,静电水处理技术将得到愈来愈广泛的重视,对此进行系统研究具有重要意义。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 前言
• 1.1 垢的分类
• 1.1.1 颗粒污垢
• 1.1.2 析晶污垢
• 1.1.3 化学反应污垢
• 1.1.4 腐蚀污垢
• 1.1.5 生物污垢
• 1.1.6 凝固污垢
• 1.2 垢的危害
• 1.3 常见物理控垢措施简介
• 1.3.1 静电水处理技术
• 1.3.2 磁场水处理技术
• 1.3.3 电子水处理技术
• 1.3.4 变频电磁场水处理技术
• 1.3.5 超声波控垢技术
• 1.4 常见化学控垢措施简介
• 1.4.1 软化法
• 1.4.2 离子交换树脂法
• 1.4.3 化学清洗法
• 1.4.4 投加阻垢剂
• 1.5 静电水处理技术的国内外研究进展
• 1.6 小结
• 第二章 分子动力学模拟简介
• 2.1 前言
• 2.2 分子动力学模拟的基本原理
• 2.2.1 牛顿运动方程的数值解法
• 2.2.2 分子动力学模拟的计算流程
• 2.2.3 边界条件
• 2.3 力场
• 2.4 分子动力学模拟技术在水系统中的应用
• 2.5 本章小结
• 第三章 Material Studio 简介
• 3.1 Material Visualizer 模块
• 3.1.1 构建方解石晶面
• 3.1.2 测量结构信息
• 3.2 Amorphous Cell 模块
• 3.3 Discover 模块
• 3.3.1 基本设置
• 3.3.2 结构优化
• 3.3.3 分子动力学模拟
• 3.3.4 结果分析
• 3.4 本章小结
• 第四章 温度对碳酸钙溶液结晶的影响
• 4.1 前言
• 4.2 模型的构建与模拟方法
• 4.3 计算结果与讨论
• 4.3.1 体系相互作用的平衡
• 4.3.2 方解石晶面的吸附能
• 4.3.3 自扩散系数
• 4.3.4 结论
• 4.4 本章小结
• 第五章 电场对碳酸钙溶液结晶的影响
• 5.1 模型的构建与模拟方法
• 5.2 模拟结果与讨论
• 5.2.1 方解石晶面上成垢体系的平衡
• 5.2.2 方解石晶面上的吸附能
• 5.2.3 体系的对关联函数分析
• 5.2.4 方解石晶面上的形变
• 5.2.5 自扩散系数探讨
• 5.2.6 结论
• 5.3 本章小结
• 第六章 铁（001）晶面上结垢过程的探讨
• 6.1 温度对铁（001）晶面上结垢过程的影响
• 6.1.1 模型的构建与计算方法
• 6.1.2 计算结果与讨论
• 6.2 静电处理对铁（001）晶面上碳酸钙溶液结晶的研究
• 6.2.1 分子动力学计算与铁（001）晶面上成垢体系的平衡
• 6.2.2 铁（001）晶面上的吸附能
• 6.2.3 体系的对关联函数分析
• 6.2.4 铁（001）晶面上的形变分析
• 6.2.5 自扩散系数
• 6.2.6 结论
• 6.3 本章小结
• 结论与展望
• 参考文献
• 致谢