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六方氮化硼對礦物結垢的超高抵抗力

信息來源：本站 | 發布日期： 2022-11-29 08:46:10 | 瀏覽量：634458

摘要：

材料表面礦物垢的形成對廣泛的自然過程以及工業應用具有深遠的影響。然而，具體的材料表面特性如何影響礦物表面的相互作用和隨后的礦物垢形成還沒有很好的了解。在這里，我們報告了六方氮化硼(hBN)不僅與普通金屬和聚合物表面相比，與高度抗結垢的石墨烯相比，具有優異的…

材料表面礦物垢的形成對廣泛的自然過程以及工業應用具有深遠的影響。然而，具體的材料表面特性如何影響礦物表面的相互作用和隨后的礦物垢形成還沒有很好的了解。在這里，我們報告了六方氮化硼(hBN)不僅與普通金屬和聚合物表面相比，與高度抗結垢的石墨烯相比，具有優異的抗礦物結垢能力，這使得hBN可能是迄今為止報道的最抗結垢的材料。實驗和模擬結果表明，這種超高的抗結垢性歸因于hBN的原子級光滑表面、由于極性硼-氮鍵引起的面內原子能波紋以及其原子間距和水分子尺寸之間的緊密匹配。后兩種性質導致與水的強極性相互作用，因此形成致密的水合層，這強烈阻礙礦物離子和晶體的接近，降低表面異質成核和晶體附著。

介紹

二維(2D)材料具有原子級光滑的表面，并因其在界面相互作用起著關鍵作用的過程中的潛在應用而吸引了極大的興趣。例如，石墨烯被證明能有效地抑制非水相中金屬和金屬氧化物成核。對水面相互作用以及相關的現象，如超快速的水傳輸，除冰、和防污的理論和實驗研究也表明，原子級光滑形態在防止粘連中起重要作用。然而，目前還沒有研究水溶液中2D納米材料如石墨烯和六方氮化硼(hBN)表面的標度行為，特別是異相成核。此外，盡管2D材料具有原子級光滑度的共同特征，但它們的表面化學差異很大:石墨烯由排列在蜂窩晶格納米結構中的單層碳原子組成，具有小晶格常數、低面內極性和高疏水性；hBN，另一種重要的2D材料，其晶格結構和晶格常數類似于石墨烯，由于硼-氮鍵而具有高的面內極性和比石墨烯更高的親水性。尚不清楚表面化學的這種差異如何影響這些原子級光滑表面上的礦物垢形成。

這里，我們研究了石墨烯和hBN表面上的礦物結垢，并將其與通常用于高結垢可能性應用的金屬(即鈦(Ti))和聚合物(即聚偏二氟乙烯(PVDF))表面上的礦物結垢進行了比較。使用實時、原位測量以及非原位表征方法研究了這些表面上的表面誘導異質成核。我們還直接量化了從表面誘導異相成核生長的礦物晶體的結合力。實驗測量結合密度泛函理論(DFT)闡明了表面化學對水合層形成的影響及其在礦物離子-表面相互作用中的關鍵作用。非常重要的是，我們發現了hBN優異的防垢性能，并展示了它作為防垢涂層在實際工程系統中的潛在應用。

結果和討論

hBN的抗結垢行為

將生長在平坦的Cu基底上的石墨烯和hBN納米涂層浸入過飽和的CaSO4溶液(50mmol L-1，飽和指數(SI)為3.28)中，并使用攝像機表征220分鐘(圖1A)。作為CaSO4在該濃度下均勻成核的誘導時間(<40分鐘)比操作時間短得多，由于均勻成核的本體沉淀和表面誘導的非均勻成核都有助于結垢。如圖1B所示，20分鐘后在原始銅表面發現CaSO4晶體，220分鐘后觀察到嚴重的結垢(0.123±0.014mg mm2)。在石墨烯表面，40分鐘后出現CaSO4晶體，并在實驗結束時增加到0.015±0.008mg mm2(圖1C)。然而，在220分鐘的實驗過程中，除了hBN納米涂層因樣品切割而受損的邊緣，hBN涂層銅表面幾乎沒有形成水垢(0.001±0.001mg mm2)(圖1B)。

圖1.由表面誘導的非均相成核和通過均相成核在本體溶液中形成的礦物晶體的附著引起的石墨烯和hBN的縮放行為。A 原始銅、石墨烯涂層(Gra@Cu)的和暴露于過飽和CaSO4溶液的hBN涂覆的Cu (hBN@Cu)的實驗裝置和B視頻快照。比例尺的長度為3毫米；C暴露220分鐘后在三個樣品上形成的CaSO4沉淀的量。誤差線代表降水量的標準偏差。

防垢應用

除了平坦的銅襯底之外，我們使用化學氣相沉積(CVD)方法在不銹鋼(SS)管的內外表面上生長hBN涂層(圖5A)，并通過管道泵送從德克薩斯州石油和天然氣生產現場收集的實際產出水，評估原始和hBN涂層不銹鋼管道的結垢行為(圖5B)。這些實驗代表了hBN涂層在復雜溶液中在更真實的基底上的性能。如圖5C所示，在運行7天之后，在原始SS管內部出現顯著的結垢，并且在運行14天之后，其有效內徑減小了~17.2%，導致水通道的橫截面積減小了31.3%。相比之下，涂有hBN的不銹鋼管僅在出口處受到產出水中有機物的輕微污染(圖5D)在整個管道中沒有可測量的水垢形成。這些結果證明了hBN納米涂層對于真實的水和廢水應用的優異的防垢潛力。

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