1. 研究目的与意义（文献综述包含参考文献）

文 献 综 述

近年来，随着我国水资源的短缺、人口数量的增加和工业生产的迅速发展^[1]，用水量在急剧增加，如何节约用水或有效利用现有水资源已成为人们生活和工业发展所要考虑的问题。

在工业生产中，有80 %的工业用水被用于工业设备的降温冷却。由于工业用水多采用地下水，其一般属于高含盐量、高硬度、高碱度的三高水质，其中Ca² 、Mg² 等腐蚀性离子随着水温和pH值的变化在设备表面析出沉积^[2]，产生严重的结垢现象，对设备产生腐蚀，不仅影响了系统的正常运行，也造成了循环水用量大量提高。

对于设备结垢现象的处理，人们探索出了许多防垢除垢的方法。如下表1-1：

表1-1 各种除垢防垢方法^[3]

Table 1-1 Various antiscale method

阻垢剂是具有能分散、鳌合水中的难溶性无机盐、阻止或干扰难溶性无机盐在金属表面的沉淀、结垢等效果的一类药剂。和其他除垢防垢方法相比，向水体中投加阻垢剂能有效分散水中的难溶性无机盐，不腐蚀设备，处理水量大，操作简单，达到节水节能减排的目的，所以被广泛应用于阻垢行业。而近年来，随着循环冷却水使用频率和浓缩倍数的不断增加，水质趋向高硬度、高pH和高温的方向发展^[6]，故阻垢剂的开发已成为循环水处理技术的关键问题。

水垢的产生是因为水体系中微溶性盐浓度积在外部条件的影响下，超过其热力学溶度积Ksp，从而生成晶核，而晶核进一步生长得到沉淀^[7]。可以看出，晶体成长的每个过程都相互关联的，所以我们可以利用阻垢剂在不同阶段对水垢的产生加以控制：1）降低形成沉淀的某离子浓度，避免达到过饱和状态（螯合增溶作用）；2）在晶核生长过程加入阻垢剂占据晶核活性中心，组织晶核生长或使其无法以正常顺序生长（晶格畸变作用）；3）在晶核产生后，分散晶核，阻止二次成核的发生^[8]（凝聚分散作用）。

阻垢剂的开发经历了天然聚合物阻垢剂、有机膦酸类缓蚀阻垢剂、羧酸类聚合物和绿色型阻垢剂等阶段。天然聚合物由于来源丰富,价格便宜,并且能够被生物降解而得到了迅速的发展，但是天然聚合物阻垢剂在水处理应用的过程中,存在着用量大,高温下不稳定等缺点,逐渐被新合成的阻垢剂所取代,目前天然聚合物已很少使用^[9]。有机膦酸类缓蚀阻垢剂具有良好的化学稳定性，使用时用量少且成本低，对CaCO₃、CaSO₄、BaSO₄等阻垢的效果较好^[10]，且一定条件下和其他水处理剂复合使用，能表现出理想的协同效应，兼具缓蚀和阻垢的作用，故被广泛应用于工业生产中，但含磷的水处理药剂，在使用过程中会产生大量的绿藻青苔，阻止了该类阻垢剂的发展。羧酸类聚合物阻垢剂一般以马来酸或其酸酐、丙烯酸为主要单体,在引发剂作用下,与其它单体共聚而形成的一类水溶性高分子物质，其中的#8212;COOH基团对Ca² 、Mg² 、Ba² 等离子具有较强的螯合能力，不但具有分散作用,而且还有凝聚作用,干扰晶格的正常排列,从而能够起到阻垢的作用^[11]，但羧酸基团本身具有较低的钙容忍度，在高钙体系下会形成白色絮状的钙凝胶，大大限制了其应用体系。而随着对环境保护的重视和可持续发展的要求，阻垢剂在生物可降解性和绿色化方面有了更高的要求，因此开发出很多绿色可降解性阻垢剂^{[12, 13]}，主要通过对植物提取物的改性接枝，合成具有阻垢性能的有机聚合物，此类阻垢剂可生物降解，阻垢率高，但是其阻垢效果单一，高温易分解且投加量较大，无法广泛用于工业生产中^[14]。因此研发一种适用于高温、高离子浓度体系下仍具高效的阻垢剂已成为阻垢剂发展的主要方向。

超支化聚合物是一种具有高度支化三维空间结构的树形高分子，其分子表面含有大量官能团，并具有良好的吸附能力，近年来受到学术界和工业界的广泛关注^[15,16]。超支化聚合物不同于线性聚合物，两者在结构上有较大的区别。线性聚合物中线性部分占大多数，支化点较少；而超支化聚合物结构中主要是支化部分，支化点较多，支化部分呈指数增长。超支化聚合物是一种高度支化的三维空间结构的树状高分子，分子表面含有大量可以改性的端基，同时具有分子间较少缠结、溶解性好、黏度低、易成膜和反应活性高等优点，使其在各个领域具有广阔的应用前景^[17]。

考虑到超支化聚合物独特的分子内部的纳米级微孔不仅可以螯合相关金属离子，同时能吸附小分子；分子内部支链较多，空间位阻效应减少了分子之间相互缠绕的可能性，宏观表现粘度变低，溶解性能增加；聚合物外围存在大量的末端基团，可以通过端基改性来获得阻垢效果，故将超支化聚合物设计为阻垢分子^[18]，据此推测超支化聚合物应当具有良好的阻垢、防垢能力。

目前已有文献对超支化聚合物阻垢方面进行了研究，但主要集中于聚酰胺胺树枝状聚合物用于硅垢抑制和碳酸钙晶体改性上^[19]，而对于冷却循环水中常见的钙垢的抑制上还鲜有报道，故将改性超支化聚合物用于循环冷却水中的阻垢上，应对新型阻垢剂的开发具有较为积极的意义^[20]。

参考文献

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2. 研究的基本内容、问题解决措施及方案

本课题要研究的问题：

针对高温高离子浓度体系下，磷系阻垢剂难降解易污染，聚羧酸阻垢剂阻垢率低且生成絮状钙凝胶，天然阻垢剂稳定性差且投加量大这一问题，引入超支化聚合物三维结构的优势，制备一种高效并能适用于高温高浓度体系的新型阻垢剂，并以此为基础探究不同水体条件对新型阻垢剂阻垢率的影响，系统地考察阻垢剂的阻垢性能并探究其阻垢机理。

本课题拟采用的研究手段：