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无磷水处理剂在水处理中有重要应用,无磷化是未来水处理剂的发展方向。本论文对一些常用无磷阻垢缓蚀剂与晶体相互作用进行了分子动力学(MD)模拟,通过比较无水条件下和水溶液中的结合能、形变能和对关联函数等,研究了它们的阻垢和缓蚀作用机理,揭示了溶剂化效应对阻垢缓蚀作用影响的本质,为新型阻垢缓蚀剂的研发提供了理论指导。全文大体包括两部分内容：一是模拟研究常见无磷阻垢剂的阻垢作用机理。在无水(真空)条件下和水溶液中对四种常用聚合物阻垢剂,即聚丙烯酸(PAA)、水解聚马来酸酐(HPMA)、聚环氧琥珀酸(PESA)和聚天冬氨酸(PASP),分别与方解石(CA)(104)与(110)面、硬石膏(AD)(001)与(020)面和羟基磷灰石(HA)(001)与(110)面所形成的48种阻垢作用模型采用COMPASS力场进行NVT系综MD模拟。发现无水条件下和水溶液中4种聚合物阻垢剂均能阻止钙垢的生长,但水溶液中的模拟结果与实验结果更一致。两种情况下4种聚合物阻垢剂与各钙垢晶面相互作用时均能发生明显的形变。分析对关联函数g(r)Total、g(r)Ca(Crystal)-O(-C=O)、 g(r)Ca(Crystal)-O(-OH)、g(r)Ca(Crystal)-O(Water)、g(r)H(Polymer)-O(Water)和g(r)H(Polymer)-O(Crystal)均表明无水条件下和水溶液中聚合物阻垢剂与成垢晶体在近程区域有成键(含氢键)作用,在远程区易形成非键作用。在模拟体系中各物质之间的相互作用主要由非键作用提供。根据各聚合物重复单元在B3LYP/6-31G*水平下的自然电荷,发现聚合物O原子易与成垢晶体中的Ca原子形成库仑作用。对碳酸钙垢,水溶液中4种聚合物阻垢剂与CA(104)和(110)面相互作用的结合能大小排序均为：PESA> PASP> HPMA> PAA,同一聚合物阻垢剂与CA(110)面的结合能大于与(104)面的结合能。水分子的存在使聚合物阻垢剂与方解石晶体之间的结合能减小了。对硫酸钙垢,水溶液中聚合物阻垢剂与AD(001)面的模拟结果更接近实验结果。水溶液中4种聚合物阻垢剂与AD(001)和(020)面相互作用的结合能大小排序均为：PESA> PASP> HPMA> PAA,同一聚合物阻垢剂与AD(001)面的结合能小于与(020)面的结合能,与实验结果比较吻合。水分子的存在使聚合物阻垢剂与AD(001)面之间的结合能大大减小了,而使其与AD(020)面的结合能增大了。水分子的存在削弱了HPMA和PAA的形变,而使PASP和PESA的形变加剧了。对磷酸钙垢,水溶液中聚合物阻垢剂与HA(001)面的模拟结果更接近实验结果。聚合物阻垢剂与HA相互作用的温度或能量的波动比CaCO3剧烈,但与硬石膏相当。水溶液中4种聚合物阻垢剂与HA(001)相互作用的结合能大小排序为：HPMA> PASP>PESA>PAA;同一聚合物阻垢剂与HA两晶面的结合能相差不大,与实验结果比较吻合。无水条件下结合能的排序不符合实验结果,水分子的存在使HPMA和PESA的形变削弱,而使PASP和PAA的形变加剧。水分子的存在使得聚合物阻垢剂并不能直接与成垢晶体发生相互作用,而主要是通过水分子间接进行。用MD模拟研究水溶液中阻垢剂的阻垢机理时水分子的存在非常重要,即在构建相互作用的模型时水分子不能被忽略。二是模拟研究了无磷缓蚀剂对金属的缓蚀作用机理。对碳钢,在无水条件和水溶液中对聚合物缓蚀剂水解聚马来酸酐(HPMA)、聚环氧琥珀酸(PESA)和聚天冬氨酸(PASP)与Fe(001)和(110)面的缓蚀作用进行分子动力学(MD)模拟研究。结果发现,对同一聚合物缓蚀剂来说,与Fe不同晶面的结合能均有Ebind(001)<ind(110)(PESA除外),且水溶液中和无水条件下聚合物缓蚀剂的结合能大小排列均为PASP>HPMA>PESA,同时,水溶液中聚合物与Fe晶体的结合能比无水时的结合能要小得多。聚合物缓蚀剂在克服自身的形变而与Fe晶面紧密结合,从而阻止腐蚀介质与碳钢的结合,起到了缓蚀的作用。聚合物缓蚀剂并不能完全突破水结构而吸附于铁表面,使得缓蚀效果不佳,即水分子的存在影响了聚合物缓蚀剂与Fe晶体的相互作用。水分子的存在影响了聚合物缓蚀剂分子的形变程度。从对关联函数的分析,可知聚合物缓蚀剂分子和水分子中的O原子分别与Fe晶体中的Fe原子之间形成了非键作用。溶剂化效应在模型构建中存在着不可忽略的影响。对铜表面的缓蚀作用,围绕着苯并三氮唑母体(BTA)用羟基进行修饰,一共得到6种无磷缓蚀剂苯并三氮唑及其衍生物。运用MD模拟方法对该6种缓蚀剂与Cu20(001)面的相互作用在无水条件下和水溶液中进行研究,发现后者与实验结果更吻合。同一温度下水溶液中6种BTA及其羟基衍生物与Cu20(001)晶面相互作用的结合能大小排序为：1-OH-BTA>4-OH-BTA>7-OH-BTA>BTA>5-OH-BTA>6-OH-BTA。水分子的存在对缓蚀剂分子与Cu20晶体相互作用的结合能有着重要的影响。水溶液中分子结构不同导致温度对苯并三氮唑及其衍生物的缓蚀作用不同。不同温度下1-OH-BTA与Cu20(001)晶面的结合能排序为343K>323K>333K,而BTA与Cu20(001)晶面的结合能强弱为323K>333K>343K。从非键作用能和对关联函数可知,缓蚀剂分子与Cu20晶体相互作用体系的结合能Ebind主要来自库仑能变(包括离子键)的贡献。发现呈负电性的功能团能与难溶铜盐表面上带正电的铜离子通过库仑相互作用而产生较强的吸附行为,从而阻止腐蚀介质与金属铜的进一步作用,即防止了金属的腐蚀。1-OH-BTA/200H2O/Cu2O(001)体系中部分水分子与Cu20晶体和1-OH-BTA均存在着化学键或氢键作用,即用分子动力学研究时水分子是不能被忽略的。总之,本文对无磷阻垢缓蚀剂的结构-性能关系进行了系统的分子动力学模拟研究,解释了其作用机理,揭示了溶剂化效应对阻垢缓蚀性能影响的本质,做出了具有开拓和创新性的工作。