高钙镁气田水中碳酸钙结垢行为研究与趋势预测

张 利， 马小龙， 李 平， 宋兴福

（1. 华东理工大学资源过程工程教育部工程中心，上海 200237；2. 青海盐湖海纳化工有限公司，西宁 811600）

页岩气是一种重要的天然气资源，其开采过程中使用的水力压裂技术容易产生大量具有高矿化度、高浊度以及高氯根离子和高钙镁离子含量等特点的废水，在这些废水的处理过程中结垢尤其是碳酸钙的结垢问题尤为显著。碳酸钙晶型的多样性使其结垢过程趋向复杂化，人们通过实验研究[1-3]和计算机模拟验证[4-5]等方法确定了具有溶质特性且稳定性较高的预成核团簇是碳酸钙成核前驱体。团簇稳定性由体系决定，在热力学上与其能量最接近的碳酸钙晶型将会优先成核，即碳酸钙结晶过程遵循Ostwald分步结晶规则[6]。

由于目前的结垢预测方法所指代的实际碳酸钙形态不明，其预测结果的准确度往往不高[7]。Elfil等[7-9]提出一水碳酸钙的溶度积可能是导致自发成核的下限，并将一水碳酸钙的朗格利尔指数[10]用于实际水的结垢预测，提高了准确度。Peña 等[11]在研究反渗透淡化海水过程中的碳酸钙结垢问题时，发现球霰石饱和指数与国标Davis-Stiff 饱和指数(SDSI)有相似的预测能力，可作为其替代方法，但至今鲜有人用实验方法验证碳酸钙结垢晶型形貌，也很少探讨杂质离子可能对结垢晶型和结垢预测模型产生的影响。

本文通过研究在镁离子、硫酸根离子和环境pH 影响下碳酸钙结垢晶型形貌变化，建立碳酸钙结垢预测模型，并用于实际水结垢预测以验证该模型的可行性。……