用分子动力学方法模拟高压电场对碳酸钙结晶过程的影响

论文摘要

在工业生产和日常生活中,水系统的结垢不仅能造成巨额经济损失,还能引发严重的安全事故。近几十年来,人们已经开发出很多防垢方法,高压电场防垢就是一种比较适用的物理方法。与其它方法相比,它有便于操作、效果好、节能等优点。但是,目前人们对高压电场防垢机理的认识尚不成熟,这在一定程度上阻碍了其应用的效果。为了从微观上更深入地研究高压电场防垢机理,为高压电场防垢的实际应用提供理论支持,本文采用了分子动力学方法模拟了受高压电场影响的碳酸钙水溶液体系。计算结果表明:①高压电场能破坏水分子间的氢键作用,增大水分子的扩散系数,活性增大的水分子会在一定程度上阻碍溶液中Ca2+和CO32-结合反应;②一定强度的高压电场能降低溶液中Ca2+和CO32-的扩散系数,增大它们的水合度,这表明高压电场能减小Ca2+和CO32-结合反应的概率。③高压电场能降低Ca2+和CO32-与晶体生长面的结合能,使碳酸钙晶体难以继续生长。④高压电场能促使碳酸钙晶体表面上的Ca2+与水分子间氧原子形成离子键,所以高压电场能促进陈垢溶解。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 前言
• 1.1 结垢的原理和垢的危害
• 1.1.1 结垢的原理
• 1.1.2 垢的分类
• 1.1.3 结垢的危害
• 1.2 防垢法简介
• 1.2.1 化学防垢法简介
• 1.2.2 物理防垢法简介
• 1.3 小结
• 第二章 分子动力学模拟方法
• 2.1 分子动力学模拟的基本思想
• 2.2 势能模型与分子力场
• 2.2.1 模型流体势能模型
• 2.2.2 分子力场模型
• 2.3 分子动力学模拟的基本方法
• 2.3.1 牛顿方程
• 2.3.2 牛顿方程的数值算法
• 2.4 周期性边界条件与截断半径
• 2.5 分子动力学模拟的系综
• 2.6 Materials Studio简介
• 2.7 小结
• 第三章 不同温度的碳酸钙水溶液结晶的MD模拟
• 3.1 模型构建与模拟方法
• 3.1.1 模型构建与优化
• 3.1.2 模拟参数设置
• 3.2 计算结果与讨论
• 3.2.1 系统平衡的判定
• 3.2.2 水分子的自扩散系数
• 2+和CO₃^2-的扩散系数'>3.2.3 Ca²⁺和CO₃^2-的扩散系数
• 3.2.4 离子与晶面的结合能
• 3.3 小结
• 第四章 MD模拟高压电场对碳酸钙结晶的影响
• 4.1 模型构建与模拟方法
• 4.1.1 模型的构建与优化
• 4.1.2 模拟参数设置
• 4.2 结果与讨论
• 4.2.1 系统平衡的判定
• 4.2.2 高压电场对水分子扩散性质的影响
• 2+和CO₃^2-扩散性质的影响'>4.2.3 高压电场对Ca²⁺和CO₃^2-扩散性质的影响
• 2+和CO₃^2-与表面结合能的影响'>4.2.4 高压电场对Ca²⁺和CO₃^2-与表面结合能的影响
• 4.2.5 高压电场对溶液中粒子运动特性的影响
• 4.3 小结
• 第五章 含不同方解石生长面的碳酸钙水溶液结晶研究
• 5.1 模型构建与模拟方法
• 5.1.1 模型的构建与优化
• 5.1.2 分子动力学模拟参数设置
• 5.2 结果与讨论
• 5.2.1 系统平衡的判定
• 5.2.2 晶面对水分子扩散性质的影响
• 2+和CO₃^2-扩散性质的影响'>5.2.3 晶面对Ca²⁺和CO₃^2-扩散性质的影响
• 2+和CO₃^2-与两晶面结合能的比较'>5.2.4 Ca²⁺和CO₃^2-与两晶面结合能的比较
• 2+和CO₃^2-相互反应的比较'>5.2.5 两模型中Ca²⁺和CO₃^2-相互反应的比较
• 5.3 小结
• 第六章 高压电场对两碳酸钙水溶液模型结垢的影响
• 6.1 模型构建与模拟方法
• 6.1.1 模型的构建与优化
• 6.1.2 分子动力学模拟
• 6.2 结果与讨论
• 6.2.1 系统平衡的判定
• 6.2.2 高压电场对两模型中离子与表面结合能的影响
• 2+和CO₃^2-扩散性质的影响'>6.2.3 高压电场对两模型中Ca²⁺和CO₃^2-扩散性质的影响
• 6.2.4 高压电场对两模型中粒子运动特性的影响
• 6.2.5 高压电场对两模型中水分子配位分布的影响
• 6.2.6 高压电场对两模型中离子水合度的影响
• 6.3 小结
• 研究结果与前景展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间取得的学术成果
• 致谢