海水资源利用中钙的沉积特性及调控

The project focuses on the character and control of calcium deposition in the utilization process of seawater with high calcium and salt concentration. Introduce the supermolecular chemistry and molecular self-assembly theory in crystal design and take the interaction between solvent and solute at molecular level into consideration. Build up the moleuclar packing by Monte Carlo method, and use the simulated annealing algorithm for fast optimization. Simulate and predict the crystal structure by the correction calculation of the surface energy of various crystal surface. Establish the interface layer model and employ the multi-level and multi-scale methods to study the molecular cluster aggregation. Combine the surface energy with crystal growth and dissolution kinetics and consider the chemical properties of the druse near the solid-liquid interface to reveal the mechnisms of nucleation phase interface of molecular single-double diffusion and the intragranular diffusion similarities and differences within the unit cell in the nanoscale constraints. Investigate the effects of the microenvironmental disturbance at the solid-liquid interface on the nucleation, crystal structure, morphology and particle size. Tune the crystal structure, morphology and crystalization kinetics by adding seeds/additives and outfield intensification. Use an integrated nanofiltration-crystallization process to simultaneously remove the dirt-ions and promote the calcium precipitation, thus reducing its supersaturation to ensure water quality stability by inhibiting calcium deposition in the working section, so as to develop an effective new control method of calcium scale.

针对海水高钙、高盐复杂水盐体系利用中钙的结晶成垢问题，研究钙的沉积特性及调控方法。将超分子化学和分子自组装等理论引入晶体设计，从分子层次考虑溶液与溶质分子/离子间相互作用；建立晶体界面层模型，将表面能与晶体生长、溶解动力学相结合，考虑晶簇附近固液相界面吸附层、立体效应等，在介观尺度上揭示晶核相界面分子单双向扩散及晶胞内原子晶界或晶内扩散的影响；建立自适应输入层的前馈式神经网络，利用小波变换方法分析结晶非线性行为；采用在线检测等技术研究固液相界面微环境瞬时细微变化对成核、晶体结构、形貌及粒子尺寸的影响规律；添加晶种/添加剂或施加外场以实现多晶型和动力学调控；通过计算化学与实验相结合的方法，进一步阐明钙的结晶机理；将膜与结晶过程集成，设置膜结晶预处理段，纳滤膜截留钙离子，使浓缩液在结晶段通过诱导结晶促进钙的析出，消耗其过饱和度，则工作段水质稳定使钙不易结晶成垢，从而开发一种有效控制钙垢新方法。

针对海水浓缩过程中钙的结晶成垢问题，本项目研究了钙沉积特性及其机理，考虑溶液与溶质间相互作用；模拟修正计算各晶面的表面能，将表面能与晶体生长、溶解动力学相结合，在介观尺度上揭示晶核相界面分子单双向扩散及晶胞内原子晶界或晶内扩散的异同及其驱动制约因素；提出了一种自适应动态搜索算法来预测水盐体系的溶解度，提出的方法从热力学基础较详细讨论，通过该算法的迭代计算并进行误差定量研究。计算结果和实验溶解度数据比较，与牛顿迭代算法等其他算法相比该算法证明其高的精度和效率。它在水盐体系溶解中具有一定相平衡计算的潜力；利用在线跟踪检测技术研究固液相界面微环境扰动对成核、晶体结构、形貌及粒子尺寸的影响规律；添加晶种/添加剂、模板以改变晶面表面能实现晶体结构、形貌和动力学调控；将膜分离与结晶过程耦合，采用部分软化技术去除成垢离子，保证工作段水质稳定达到钙不结晶析出，从而开发一种有效控制钙垢的新方法。开发的阻垢方法可用于工业循环冷却水处理水质稳定处理。.作者已在DESALINATION，Journal of Agricultural and Food Chemistry, Journal of Membrane Science, Separation and Purification Technology, Powder Technology, RSC Advances, Chemical Engineering & Technology，Fluid Phase Equilibria等国内外高水平期刊等发表文章专利等37篇，其中有26篇被SCI/EI收录，申请12项发明专利，软件著作权3项，而且将有进一步的成果发表。负责人多次作为BIWIC国际会议大会科学委员会成员参加了在法国、德国、丹麦本行业高水平国际会议，成果获国际同行认可和关注；德国著名结晶专家Joachim Ulrich 教授、美国Zoltan Nagy教授、法国Gerard Conquerel教授、日本早稻田大学Izumi Hirisawa教授等多次来校访问学术交流，申请人担任大会共同主席主办了第十九届BIWIC国际会议首次在华召开，加强了国际合作和交流、扩大了中国学者在结晶领域的影响。