羟基乙叉二磷酸（HEDP）对碳酸钙晶体生长过程影响的原子力显微镜（AFM）研究.pdfVIP

维普资讯 第l9卷第8期 精 细 化 工 Voll9 No 3 2002年 3月 FINE eltEM ICALS M且L 2 002 羟基乙叉二膦酸 (HEDP)对碳酸钙晶体生长过程 影响的原子力显微镜 (AFM)研究 徐 敬，方 键，李 杰 (同济大学 物理系 环境物理研究室．上海 2OO092 摘要：用原子力显微镜(AFM)观测了添加羟基乙叉二膦酸(HEDP)后的碳酸钙晶粒的表面形貌 变化。纯碳酸钙过饱和溶液析出的碳酸钙晶体有两种主要的形态：薄片状菱形晶体和类似立方 体的菱方体晶体。AFM图像显示舔加HEDP后菱方体晶体的形貌发生了根本性的变化，呈现一 种类似多晶的表面结构；而薄片状菱形晶体在添加HEDP前后测量不到生长变化。实验结果表 明HEDP对薄片状菱形晶体有阻垢赦果，而对菱方体晶体的生长无抑制作用或较差。 关键词：非化学配比阻垢剂；原子力显微镜 ；阻垢；羟基zl叉二膦酸；碳酸钙 中图分类号：TQ085 文献标识码：A 文章编号；1003—5214(2002)03—0146—03 工业冷却水循环系统一般希望在一定的浓缩倍 微米和更小尺度上的表面三维形貌极其有效的工 数下运行，以节约 日益短缺的水资源。但随着浓缩 具。利用AFM观察水垢的生长过程可以给阻垢机 倍数的提高，碳酸钙、镁等微溶盐类会沉积生垢。为 理的研究提供直观和清晰的物理图像 ，也为以后的 了控制水垢的生成，人们设计和研究了各种各样的 阻垢剂分子模拟设计提供重要帮助。 化学阻垢药剂，在实际的工程应用中取得了令人满 碳酸钙是水垢的主要成分之一，从纯碳酸钙过 意的效果：。 饱和溶液中沉淀出来的碳酸钙晶体在光学显微镜下 目前特别有效的一类阻垢剂是非化学配比的阻 显示两种主要的形态：薄片状菱形晶体和立方体状 垢剂。这一类阻垢剂在本身浓度只是溶液中钙离子 的菱方体晶体(图1)。 浓度的几分之一甚至百分之几的情况下，就能达到 明显的阻垢效果。相反，自然界中存在的磷酸根离 子和镁、锌等离子抑制方解石晶体生长时，其效果直 接和浓度成正比 。长期 以来，对非化学配比阻垢 剂的阻垢效果，人们提出了多种理论模型，例如晶体 成核抑制 、生长位置吸附 、表面电荷变化 等 _ 模型。但是，验证上述理论模型的实验事实还很欠 缺，特别是缺少能直接反映阻垢过程的微观形貌变 图1 人工生长的碳酸钙晶体的光学图像 化的实验图像。 作者用AFM实验手段，研究了这两种不同形态 原子力显微镜 (AFM)的出现，使得直接观察碳 的碳酸钙晶体的生长过程。AFM图像显示，不管有 酸钙晶体的表面三维形貌成为可能。AFM图像的 无添加羟基乙叉二膦酸 (HEDP，一种具有简单分子 获得是基于针尖和样品表面的极其微小的原子力作 表达式的非化学配比阻垢剂)，薄片状菱形晶体没 用，一般不会影响样品表面的形貌和界面周围的化 有明显的形貌和结构变化 (图2、3)；菱方体晶体的 学反应环境；由于AFM具有原子分辨率，甚至可 以