作为传热中尚未解决的主要问题之一,结垢现象广泛存在于水的淡化工艺、冷却水系统、碱液蒸发器系统、地热系统、发电厂锅炉系统和乳制品工艺中。工业结垢过程是一个比较复杂的过程,受结晶过程动力学和平衡热力学等因素影响。因此,结合理论模型探究不同影响因素对结晶过程动力学和平衡热力学的影响成为现阶段亟需解决的问题之一。结垢给实际的工业生产带来了许多问题,其中主要包括降低传热系数和危害设备安全等。为解决这些问题,工业上主要采用物理、工艺和化学法阻垢。但目前物理法除垢技术不成熟且会造成换热器和管道壁面的损坏,工艺法技术要求高,且初始投资较大。由于投资小、防结垢效果好,化学法常被认为是现阶段最好的防结垢方法。在化学药剂中,共聚物阻垢剂由于优异的阻垢性能和稳定性,成为当前研究的重要方向之一。针对以上问题,本论文通过等温结晶实验和化学势梯度模型建模分析相结合,系统研究了硫酸钙的结晶动力学以及不同温度、搅拌速度等操作条件对硫酸钙结晶的影响机制。此外,本论文设计并合成了一种新型的聚合物阻垢剂,对硫酸钙垢具有良好的抑制效果。本论文的主要研究内容和研究结果总结如下:1.探究不同影响因素对硫酸钙结晶动力学的影响。采用等温结晶法测定了二水硫酸钙在不同温度、搅拌速度、pH值和聚合物浓度下的结晶动力学。研究发现随着结晶温度的升高,二水硫酸钙的结晶速率显著提高。与温度的影响相比,搅拌速率和溶液pH值的增加对结晶速率影响较小。随着聚丙烯酸浓度的增加,二水硫酸钙的结晶速率呈下降趋势。此外,聚丙烯酸会和溶液中的钙离子鳌合,从而达到对二水硫酸钙的增溶作用。2.结合基于非平衡热力学原理的三个化学势梯度模型和扩展的Debye-Hückel模型,对结晶过程进行建模研究。结果表明,与其他两个模型相比,由黏附生长机制计算和预测的结晶动力学与实验数据吻合得最好。进一步分析不同影响因素对二水硫酸钙结晶速率常数kt（动力学）和化学势梯度Δμ（热力学推动力）的影响。结果表明,温度对结晶速率常数kt和热力学推动力Δμ的影响较大,温度是二水硫酸钙结晶速率的关键影响因素。同时,发现pH对速率常数kt和推动力Δμ无明显影响,而搅拌速度和阻垢剂聚合物的浓度分别主要影响速率常数kt和热力学推动力Δμ。此外,研究表明,二水硫酸钙晶体生长机制属于黏附生长机制。通过构建kt与温度、pH和聚丙烯酸浓度之间的线性函数关系,成功地预测了二水硫酸钙晶体的生长动力学。3.设计并合成了一种含有羧基、磺酸基和酰胺基的新型三元聚合物阻垢剂。通过单因素实验,对聚合反应过程进行优化,并确定了最佳的合成条件:聚合单体质量配比为1:1:1,反应温度为90℃,APS含量为聚合单体总质量的10%,IPA含量为聚合单体总质量的4%,聚合时间为3 h。采用红外光谱、核磁共振氢谱、热重分析、凝胶色谱分析等表征手段,对合成的聚合物阻垢剂进行表征。4.采用静态阻垢法,对合成的聚合物阻垢剂抑制硫酸钙垢的效率进行评价。结果显示,该聚合物阻垢剂具有良好的稳定性、耐热性和耐盐性,当聚合物浓度为16 mg/L时,合成的阻垢剂对硫酸钙垢的抑制效率接近于100%。在添加相同的聚合物浓度条件下,聚合物PIA-SAS-AM对硫酸钙垢的抑制效率要远大于聚丙烯酸对硫酸钙垢的抑制效率。对静态评价后产物的XRD分析结果显示,产物均为二水硫酸钙。对静态评价后产物的SEM分析结果显示,没有添加聚合物的二水硫酸钙的晶体形态为规则的片状和棒状晶体,而随着聚合物浓度的增加,晶体表面开始出现缺陷。此外,阻垢机理分析结果表明,三元聚合物PIA-SAS-AM具有鳌合作用、凝聚和分散作用以及晶格畸变作用。