スケール阻害剤の分類と作用機序

スケーリングは、特に油田の水注入、循環冷却水システム、トンネル排水パイプラインにおいて、産業生産やエネルギー開発において一般的な問題です。スケールの堆積は、設備効率の低下、パイプラインの閉塞、さらには安全上の危険を引き起こします。スケール阻害剤は、キレート可溶化、格子歪み、分散を通じてスケーリング過程を抑制し、最も経済的かつ効果的な解決策の1つになっています。しかし、従来のスケール阻害剤(有機ホスフィンなど)には、環境汚染や耐温性の低さなどの問題があります。環境に優しいスケール阻害剤や多機能複合材料の開発は、研究のホットスポットとなっています。

主なタイプ:

スケール阻害剤は、その化学構造に応じて以下のカテゴリーに分けることができる。

有機ホスフィンスケール阻害剤、例えばaminotrimethylenephosphonic酸(ATMP)。主な作用機序はキレート誘起格子歪みであり、ホスホン酸基はCa 2+をキレートすることによって結晶核形成を阻害し、表面吸着効果によって結晶成長経路が変化します。アニオン性HEDPは静電気反発によって立体障害効果を生み出し、微結晶凝集を効果的に抑制します。高温安定性が著しいです。HEDPは250°Cの環境でも安定しています。C-P結合の特殊な構造により、材料は優れた加水分解耐性を持っています。このタイプの化合物には複数の機能があります。炭素鋼の表面にFe-HEDP複合保護膜を形成するだけでなく、炭酸塩スケール阻害の相乗的制御も達成できます。実用上の二重制約があります。Ca 3(PO 4) 2のスケール阻害効率はわずか40%ー50%であり、効果を高めるためにポリアクリル酸などの同時に、環境残留物の問題も引き起こします。逆浸透システムで濃縮されたHEDPは、排水中の総リンが標準を超えるため、活性炭吸着またはオゾン酸化によって深く処理する必要があります。

2.ポリマースケール阻害剤、カルボン酸スケール阻害剤は通常、アクリル酸(AA)やマレイン酸(MA)などのカルボン酸モノマーを中心としており、ホモ重合または共重合によって形成されます。カルボン酸ポリマーはカルボン酸基(-COOH)が豊富で、分子構造が調整可能です。これらの要因により、金属イオンのキレート、結晶成長の抑制、微結晶粒子の分散に効果的です。リンや窒素を含まないだけでなく、環境に優しく、カルシウムに対する耐性が低いです。スルホン酸共重合体スケール阻害剤は、スルホン酸基(-SO 3 H)を導入したポリマーの一種であり、工業用水処理の分野で広く使用されています。その主な利点は、スルホン酸基の強い親水性と、高原子価金属イオンに対する安定したキレート能力にあります。スルホン酸基は、CaCO 3またはCa 3(PO 4) 2結晶の成長方向に干渉して、緩い構造を形成する可能性があります。スルホン酸基の親水性は、粒子表面の負の電荷を増強し、微結晶の凝集と沈着を防止します;

3.グリーンで環境に優しいスケール抑制剤グリーンで環境に優しいスケール抑制剤は、主に植物、動物、微生物からの高分子物質に基づく天然高分子スケール抑制剤であり、化学修飾または配合技術によってスケール抑制性能が向上します。代表的な物質には、植物抽出物(タンニン酸、リグニン誘導体)、キトサン、でんぷん、セルロースが含まれます。合成グリーンスケール抑制剤は、制御可能な化学合成過程を経て調製され、高効率スケール抑制性能と環境保護特性の両方を持っています。代表的な物質には、ポリアスパラギン酸(PASP)とポリエポキシコハク酸(PESA)が含まれます。生分解性と高効率スケール抑制能力の両方を持っています[6]。多機能複合スケール抑制剤多機能複合スケール抑制剤は、化学配合または分子構造設計によるスケール抑制、腐食抑制、滅菌、分散などの複数の機能を持つ一種の水処理剤を指します。その中心組成物には通常、腐食抑制、スケール抑制、滅菌機能を持つイミダゾリン腐食およびスケール抑制剤(MZ-P)が含まれています。チームは多機能固体腐食およびスケール抑制剤(SPCI-1)を開発しました。この剤は、腐食抑制、スケール抑制、脱酸化、滅菌機能を組み合わせています。これは、修飾イミダゾリン腐食抑制剤(腐食抑制率86%)、有機ホスフィンスケール抑制剤(CaCO 3スケール抑制率93.3%、CaSO 4スケール抑制率98.9%)、1227殺菌剤、アスコルビン酸脱酸素剤を用いた溶融過程によって形成されます。粒子体格は4ー8 mmで、密度は1.20ー1.50 g/cm3です。

スケール抑制メカニズム

スケール抑制剤は、スケール結晶の核形成、成長、または沈着過程に干渉することによってスケール抑制効果を達成します。その中心的なメカニズムには、格子歪み、キレーション、分散が含まれます。

キレーション可溶化:キレーション機構の核心は、イオン錯化反応の化学バランスを調節することです。DTPAやEDTAなどの多重配位子は、複数の配位サイトによってCa 2+やMg 2+などのスケール形成イオンと結合し、熱力学的に安定した環状キレートを形成します。この過程により、液相中の遊離カルシウムイオンの有効濃度が著しく低下し、イオン濃度生成物が溶解生成物閾値以下にとどまるようになり、結晶核形成過程が抑制されます。

格子歪み:格子歪みは、結晶成長中に起こる分子レベルの変化です。スケール阻害剤の介入により、結晶構造に変化が生じます。スケール阻害剤の効果の鍵は、結晶核の表面や結晶面の端など、主要な結晶成長活性部位にしっかりと吸着できることです。格子歪みは、結晶の秩序ある配列の破壊として現れます。カルボキシル基やスルホン酸基などの極性基は、スケール阻害に重要な役割を果たします。これらの極性基は、カルシウムイオンやバリウムイオンなどの結晶表面イオンと配位結合を形成し、結晶表面にしっかりと吸着します。クリスタルの元の整然とした外観はもはや存在せず、クリスタル面のエネルギーの分布が完全に破壊され、クリスタルが無秩序に成長する原因となります。最終製品は、緩い構造と全体に孔を持つ非密度構造になります。

分散:分散の主なメカニズムは静電気反発と立体障害です。負に帯電した基(-SO 3-など)のイオン化後のポテンシャルの絶対値とそれに伴う二重層反発は重要な方法です。別の方法として、ポリアスパラギン酸(PASP)やポリアクリル酸(PAA)などの高分子は、粒子の表面に長い鎖を吸着し、鎖セグメントを伸ばすことで立体障害を構築し、粒子の凝集を防止することもできます。高分子鎖の粒子表面への吸着と負の電荷の蓄積は非常に重要です。静電気反発と立体障害は、粒子同士が引き合うのを防ぐことができます。