Forskere afslører molekylære mysterier for at kontrollere silica-skalering i vandbehandling

"Ved at arbejde tæt sammen med vores kolleger hos ORNL var vi i stand til at fastslå, at variationerne skyldtes polymerernes specifikke fysiske og kemiske egenskaber," sagde Yales Masashi Kaneda. "Tilgangen og resultatet er bemærkelsesværdigt, fordi vi gav en forståelse af de mekanismer, der er involveret i at afbøde silicaskalering gennem brugen af ​​polymere antiskaleringsmidler i vandbehandlingsprocesser."

En polymer er et stort molekyle sammensat af gentagne enheder, kaldet monomerer, der er forbundet med kemiske bindinger for at danne en strukturel kæde eller rygrad. Efterhånden som monomerer, der indeholder funktionelle grupper, indgår i en polymerisationsreaktion, smelter de sammen til en større polymer, hvilket giver den resulterende strukturelle kæde distinkte funktionaliteter.

Vandopløselige kemiske forbindelser kaldet aminer og amider er inkorporeret i polymerer for at danne antiskaleringsmidler på grund af deres evne til at stabilisere og suspendere silica. Når en positivt ladet hydrogenion tilsættes til et aminmolekyle, siges aminen at være protoneret. Protonering kan øge molekylets vandopløselighed og reaktivitet.

I Yale-ORNL-undersøgelsen opdagede forskerne, at polymerer med ladet amin og uladede amidgrupper i deres rygrad udviser overlegen silicaskalahæmningsevne, idet de bevarer op til 430 ppm reaktiv silica intakt i otte timer under neutrale pH-forhold. Imidlertid udviste monomerer af disse amin- og amidholdige polymerer sammen med polymerer, der kun indeholder amin- og amidfunktionaliteter, en ubetydelig hæmning.

"Vi var nødt til at svare på, hvorfor de polymerer, vi designede til eksperimentet, virkede, mens monomererne ikke gjorde det," sagde ORNL's Deng Dong. "For at identificere designparametrene udførte vi simuleringer af molekylær dynamik, som vi troede ville sætte os i stand til at forstå mekanismerne bag fænomenerne."

Simuleringerne afslørede stærk binding mellem den deprotonerede kiselsyre og en polymer, når amingrupperne i polymeren blev protoneret.

"ORNL's bidrag gjorde os i stand til at opdage, at visse funktionelle grupper i polymerkæden bidrager synergistisk til skælhæmningsprocessen," sagde Yales Mingjiang Zhong.

Zhong tilføjede, at silica-skalering er ret forskellig fra andre skaleringsprocesser.

"Selvom den nuværende indsats er fokuseret på at løse silicaskalaproblemet gennem vandbehandlingsprocessen, vil det ideelle tilfælde være at tilføje en type antiskaleringsmiddel for at hæmme alle typer af skaladannelse, ikke kun silica," sagde Zhong. "Men, så vidt vi ved, er der indtil videre ikke noget sådant antiskaleringsmiddel. Den molekylære forståelse, vi har opnået fra vores forskning, vil guide os mod at opdage en universel løsning."

Flere oplysninger: Masashi Kaneda et al., Molecular Design of Functional Polymers for Silica Scale Inhibition, Environmental Science &Technology (2023). DOI:10.1021/acs.est.3c06504

Journaloplysninger: Miljøvidenskab og -teknologi

Leveret af Oak Ridge National Laboratory