地热水环境中高效防腐阻垢涂层的研究

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雅宝题库解析：
本文基于金属管道和设备在地热水环境中存在的严重腐蚀与结垢题目，采用扫描电子显微镜（SEM），能谱仪（EDS），X射线衍射仪（XRD），电化学测试、疏水角测试等方法研究了金属锌离子对CaCO3垢结晶行为的影响，结合CaCO3的结晶行为特点和电化学腐蚀机理，设计制备了Zn-C和Ni-Cu-Al的高性能阻垢耐蚀复合涂层，利用CaCO3垢结晶特点，在地热水中自组装具有微纳米结构的粗糙CaCO3超疏水涂层，为制备高性能阻垢涂层和低成本的超疏水表面制备技术提供了新的思路。本文从晶型形貌、晶核数量和形核诱导时间三个角度探讨了Zn2+对CaCO3垢结晶行为的影响。当50℃结垢性盐离子过饱和溶液中的Zn2+¬¬¬浓度在0.2~0.3mg/L范围时，CaCO3垢从方解石晶型向文石晶型转变；Zn2+的存在可增加体系中CaCO¬3垢晶核的数量，并延长CaCO¬3垢的形核时间。研究的由Ni，Cu，Zn和C等8种金属粉搭配和环氧有机硅树脂制备的合金复合涂层都有较好的阻垢性能。在模拟地热水中，相比不锈钢基材和环氧有机硅树脂涂层，CaCO3垢不易在Zn-C复合涂层和Ni-Cu-Al复合涂层表面形核和生长。其中Zn-C复合涂层的表面结垢量仅为304不锈钢基材的6%，CaCO3为结构疏松的文石晶型；在浸泡7d后，Ni-Cu-Al复合涂层表面仅有少量单条针状的CaCO3垢附着。复合涂层可以有效影响结垢物质在地热水环境中的结晶生长。研究并提出了合金复合涂层的阻垢机理模型：在模拟地热水环境中，涂覆在钢铁管材表面的合金涂层发生电偶腐蚀并释放金属离子，使得液层中高浓度的金属离子富集并对Ca2+有强的静电斥力作用，从而强烈抑制CaCO3垢的结晶形核及长大；地热水溶液本体中的金属离子与地热水中的CO32-可形成[M(CO3)]n-配合物，作为CaCO3垢的形核点，金属离子对CaCO3晶体的特性吸附使垢转向结构疏松的针状文石晶型。因此，CaCO3垢更易在地热水本体中结晶并长大，降低了CaCO3垢在复合涂层表面结晶形核的几率，合金复合涂层具有好的防腐蚀与阻垢性能。具有微纳米结构的CaCO3垢层所需的模拟地热水最佳的温度为50℃，适宜pH为6~7。经形核前处理并在模拟地热水中浸泡时间48h后，不锈钢表面获得一个纳米、微米级粗糙结构的CaCO¬3垢层，在经硬脂酸钠的疏水化处理后，垢层的疏水角为158.9°，滚动角为2°，垢层呈现较好的超疏水特性。并且超疏水垢层的制备方法简便、成本低廉。