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六方氮化硼对矿物结垢的超高抵抗力

信息来源:本站 | 发布日期: 2022-11-29 08:46:10 | 浏览量:51299

摘要:

材料表面矿物垢的形成对广泛的自然过程以及工业应用具有深远的影响。然而,具体的材料表面特性如何影响矿物表面的相互作用和随后的矿物垢形成还没有很好的了解。在这里,我们报告了六方氮化硼(hBN)不仅与普通金属和聚合物表面相比,与高度抗结垢的石墨烯相比,具有优异的…

材料表面矿物垢的形成对广泛的自然过程以及工业应用具有深远的影响。然而,具体的材料表面特性如何影响矿物表面的相互作用和随后的矿物垢形成还没有很好的了解。在这里,我们报告了六方氮化硼(hBN)不仅与普通金属和聚合物表面相比,与高度抗结垢的石墨烯相比,具有优异的抗矿物结垢能力,这使得hBN可能是迄今为止报道的最抗结垢的材料。实验和模拟结果表明,这种超高的抗结垢性归因于hBN的原子级光滑表面、由于极性硼-氮键引起的面内原子能波纹以及其原子间距和水分子尺寸之间的紧密匹配。后两种性质导致与水的强极性相互作用,因此形成致密的水合层,这强烈阻碍矿物离子和晶体的接近,降低表面异质成核和晶体附着。
介绍
二维(2D)材料具有原子级光滑的表面,并因其在界面相互作用起着关键作用的过程中的潜在应用而吸引了极大的兴趣。例如,石墨烯被证明能有效地抑制非水相中金属和金属氧化物成核。对水面相互作用以及相关的现象,如超快速的水传输,除冰、和防污的理论和实验研究也表明,原子级光滑形态在防止粘连中起重要作用。然而,目前还没有研究水溶液中2D纳米材料如石墨烯和六方氮化硼(hBN)表面的标度行为,特别是异相成核。此外,尽管2D材料具有原子级光滑度的共同特征,但它们的表面化学差异很大:石墨烯由排列在蜂窝晶格纳米结构中的单层碳原子组成,具有小晶格常数、低面内极性和高疏水性;hBN,另一种重要的2D材料,其晶格结构和晶格常数类似于石墨烯,由于硼-氮键而具有高的面内极性和比石墨烯更高的亲水性。尚不清楚表面化学的这种差异如何影响这些原子级光滑表面上的矿物垢形成。
这里,我们研究了石墨烯和hBN表面上的矿物结垢,并将其与通常用于高结垢可能性应用的金属(即钛(Ti))和聚合物(即聚偏二氟乙烯(PVDF))表面上的矿物结垢进行了比较。使用实时、原位测量以及非原位表征方法研究了这些表面上的表面诱导异质成核。我们还直接量化了从表面诱导异相成核生长的矿物晶体的结合力。实验测量结合密度泛函理论(DFT)阐明了表面化学对水合层形成的影响及其在矿物离子-表面相互作用中的关键作用。非常重要的是,我们发现了hBN优异的防垢性能,并展示了它作为防垢涂层在实际工程系统中的潜在应用。

结果和讨论
hBN的抗结垢行为

将生长在平坦的Cu基底上的石墨烯和hBN纳米涂层浸入过饱和的CaSO4溶液(50mmol L-1,饱和指数(SI)为3.28)中,并使用摄像机表征220分钟(图1A)。作为CaSO4在该浓度下均匀成核的诱导时间(<40分钟)比操作时间短得多,由于均匀成核的本体沉淀和表面诱导的非均匀成核都有助于结垢。如图1B所示,20分钟后在原始铜表面发现CaSO4晶体,220分钟后观察到严重的结垢(0.123±0.014mg mm2)。在石墨烯表面,40分钟后出现CaSO4晶体,并在实验结束时增加到0.015±0.008mg mm2(图1C)。然而,在220分钟的实验过程中,除了hBN纳米涂层因样品切割而受损的边缘,hBN涂层铜表面几乎没有形成水垢(0.001±0.001mg mm2)(图1B)。

图1.由表面诱导的非均相成核和通过均相成核在本体溶液中形成的矿物晶体的附着引起的石墨烯和hBN的缩放行为。A 原始铜、石墨烯涂层(Gra@Cu)的和暴露于过饱和CaSO4溶液的hBN涂覆的Cu (hBN@Cu)的实验装置和B视频快照。比例尺的长度为3毫米;C暴露220分钟后在三个样品上形成的CaSO4沉淀的量。误差线代表降水量的标准偏差。

防垢应用
除了平坦的铜衬底之外,我们使用化学气相沉积(CVD)方法在不锈钢(SS)管的内外表面上生长hBN涂层(图5A),并通过管道泵送从德克萨斯州石油和天然气生产现场收集的实际产出水,评估原始和hBN涂层不锈钢管道的结垢行为(图5B)。这些实验代表了hBN涂层在复杂溶液中在更真实的基底上的性能。如图5C所示,在运行7天之后,在原始SS管内部出现显著的结垢,并且在运行14天之后,其有效内径减小了~17.2%,导致水通道的横截面积减小了31.3%。相比之下,涂有hBN的不锈钢管仅在出口处受到产出水中有机物的轻微污染(图5D)在整个管道中没有可测量的水垢形成。这些结果证明了hBN纳米涂层对于真实的水和废水应用的优异的防垢潜力。

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