摘要：随着纳米合成技术的成熟，新型绿色环保阻垢剂-碳纳米粒子阻垢剂应用性能的相关研究也逐渐开展。因此，本文对碳纳米粒子绿色环保阻垢剂的合成、改性研究进展及技术难点进行归纳，并分别对未来的发展方向做出展望，以期为水处理领域中绿色环保阻垢剂的选择提供一定的理论指导和参考。
关键词：水处理；绿色环保阻垢剂；研究进展
纳米流体的概念由Choi于1997年提出，是指通过在碱液中分散纳米颗粒获得的新的流体，相对于传统的流体其表现出优异的导热性。纳米流体在工业热交换系统中具有广阔的应用前景，因为它们可以显著提高传热和传质效率。目前，对纳米流体的研究主要集中于碳纳米颗粒、碳纳米管和碳量子点，均具有绿色环保且优异的阻垢性能。
1 研发进展与技术难点
1.1 碳纳米颗粒
粒径约在20 nm的碳纳米颗粒在水溶液中具有优异的阻CaCO3垢性能；钙硬度为600 mg/L时，添加100 mg/L碳纳米粒子，阻CaCO3率为97%。其阻垢机理为：碳纳米颗粒改变了CaCO3的晶体形式，如图1，将稳定的方解石结构转变为不稳定的文石，从而使其难以吸附在热交换表面。壳聚糖纳米颗粒可以将CaCO3的晶体形式从方解石变为球霰石。制备了基于二亚乙基三胺五(亚甲基膦酸酯)(DTPMP)的纳米阻垢剂Ca-DTPMP，研究了其在海水水质背景下对CaCO3晶体生长的影响，认为Ca-DTPMP纳米阻垢剂可以增加溶液中Ca2+的溶解度并干扰方解石晶体的形成。
1.2 碳纳米管(CNTs)
碳纳米管的强吸附力使阻垢剂具有更长的保留时间和更高的吸附浓度。利用CNTs作为载体吸附阻垢剂聚膦酸羧酸(PPCA)，使PPCA表现出更好的阻垢性能。同时，PPCA羟基化的单壁碳纳米管促进了无定形CaCO3的形成并减少了CaCO3在固体表面上的吸附，将CaCO3的主要晶体形式从方解石转变为文石。表面活化的多壁碳纳米管(MWCNT)可以用作硅酸钙生长的载体，添加MWCNT可以控制由CaCO3和硅酸形成的Ca2SiO4形态。
1.3 碳量子点(CQDs)
碳量子点(CQDs)也是一种有前途的纳米材料，因为它们具有较小的粒径和亲水性含氧基团(例如羟基(—OH)和羧基(—COOH))，使其具有出色的生物相容性。至今为止，所有对碳量子点毒性的评估都表明碳量子点无毒性，对细胞生长无影响。通过一种简单的柠檬酸热分解方法，合成了一种新型的绿色阻垢剂羧基碳量子点(CCQDs)。在热解温度80℃和热解时间30 h的条件下，得到的CCQDs羧基含量最高，其对CaSO4和BaSO4具有优异的阻垢性能。静态阻垢实验表明，在CCQD添加剂含量为25 mg/L时，阻垢效果可以达到95%。适用于pH值碱性条件大于8，且具有很高的Ca2+容忍度。Ca2+浓度为5 g/L，仍有高于90%的阻垢率，且溶液保持澄清。根据XRD衍射谱(图2),CCQDs的投加使无水CaSO4垢转变为了半水合硫酸钙垢。CCQDs的阻垢机理如图3所示，CCQDs吸附在无机盐的微晶上，增加了颗粒之间的排斥力，阻碍了其聚集；同时，布朗运动使碳量子点的快速移动加剧了CaSO4晶体的破坏，导致CaSO4晶体异常生长而发生晶格畸变。
图1 空白和含有100 mg/L碳纳米颗粒的结垢溶液中形成的CaSO3晶体的SEM像
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图2 不同CCQDs投加量下的硫酸钙垢的XRD谱
图3 羧基碳量子点(CCQDs)阻垢剂对CaSO4阻垢机理图
虽然将碳量子点首次应用于阻垢方面，为绿色环保阻垢剂的研制提供了一个全新的视野，也拓宽了碳量子点的应用范围。但也存在诸多技术难点，如在高温条件下羧基修饰碳量子点阻垢剂要想达到较好的阻垢效果其用量会比较多。在动态放大实验以及其他水质背景下的阻垢性能实验还需要进一步探究。
2 未来发展方向
以碳纳米粒子作为绿色阻垢剂的载体，其优势在于阻垢和分散性能更加优于传统的绿色环保阻垢剂；同时，更加适应高硬度水质条件的阻垢作用。未来的研究方向建议将更多种类的阻垢剂引入到碳纳米粒子中，探究其阻垢分散机理和性能；研究不同水质背景下，碳纳米粒子的阻垢分散适应性，并进行动态放大实验。
4 总结与展望
随着人类环保意识的不断提高，绿色高效阻垢剂的合成与应用已成为水处理领域研究的发展趋势。聚天冬胺酸(PASP)和聚环氧琥珀酸(PESA)因具有无毒、高效、可生物降解的特点而被广泛利用，但存在对高碱度、高硬度水质条件适应性较差，阻垢性能较单一等缺点，抑制了其广泛应用。因此，通过对PESA和PASP进行开环改性和共聚改性，引入阻垢功能性基团和改变分子空间结构来使其阻垢更加具有针对性、多功能性和复杂水质的适应性，这已是近几年的研究热点以及未来的研发方向。同时，植物提取物及其化学改性的衍生物因具有出色的阻垢性能、易生物降解性能和资源丰富、价格低的优势，已成为目前新型绿色环保阻垢剂的研究方向。但植物提取物主要存在投加量大、适应性较差等问题，同时其阻垢机理尚不十分明了，还有待后续更进一步的研究。以纳米颗粒作为阻垢剂载体的新型纳米粒子阻垢剂是一种新型的绿色环保阻垢剂，具有优于合成绿色阻垢剂的阻垢、分散性能，具有较大的应用潜力和价值，但目前以纳米粒子作为新型绿色环保阻垢剂的研究才刚刚起步，工业化应用及其适应性还有待进一步探究。
参考文献
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