Samarbetsforskning som kombinerade experiment vid Yale University och simuleringar av molekylär dynamik vid Department of Energys Oak Ridge National Laboratory ger nya insikter om att lösa ett stort tekniskt hinder för effektiv och hållbar industriell verksamhet.
Kisel är det näst vanligaste grundämnet i jordskorpan, och i naturliga vattenkällor finns det vanligtvis i form av löst kiselsyra.
Under vissa pH- och temperaturförhållanden i industriellt matarvatten kan syran bli övermättad och olöslig, vilket fäller ut ett ämne som kallas kiseldioxidskala som täcker utrustningen. Denna oönskade beläggning smutsar ner ytorna på olika tekniska system, såsom membran för avsaltning av omvänd osmos, vattenbehandlingsmembran, värmeväxlarkomponenter och anläggningsrörledningar.
"Ett sätt att bekämpa kiseldioxiden är att justera vattnets pH, men denna process är ganska dyr och gör andra former av oorganiska avlagringar, såsom gips och kalcit, värre", säger ORNL:s Vyacheslav "Slava" Bryantsev.
"Nyligen har människor använt kiseldioxidhämmande polymerer, eller antiskalningsmedel, som alla är patentskyddade. Vi vet att dessa antiskaleringsmedel möjligen är en klass av system av polyamintyp som något hindrar kiseldioxidavlagring, men hur de fungerar och hur de kan förbättra sina befintliga fastigheter har fått dålig förståelse."
Tidigare studier på prestandan hos polymera kiseldioxidantiskaleringsmedel har varierat mycket från att hindra till att accelerera bildandet av kiseldioxidavlagringar. "Vårt var den första systematiska undersökningen av rollen av molekylära strukturer och funktionella grupper av polymera antiskalningsmedel för att stabilisera övermättade kiselsyralösningar," sa Bryantsev.
En artikel med titeln "Molecular Design of Functional Polymers for Silica Scale Inhibition", publicerad i Environmental Science &Technology , ger information om studien.
Yale-forskarna syntetiserade en serie kvävehaltiga polymerer som kiseldioxidantiskaleringsmedel och testade deras prestanda i en övermättad kiselsyralösning. De upptäckte enorma skillnader i effektivitet mellan liknande typer av antiscalants.
"Närt vi arbetade med våra kollegor på ORNL kunde vi fastställa att variationerna berodde på polymerernas specifika fysikaliska och kemiska egenskaper," sa Yales Masashi Kaneda. "Tillvägagångssättet och resultatet är anmärkningsvärt eftersom vi gav en förståelse för de mekanismer som är involverade i att mildra kiselavlagringar genom användning av polymera antiskaleringsmedel i vattenbehandlingsprocesser."
En polymer är en stor molekyl som består av upprepade enheter, kallade monomerer, som är sammanlänkade genom kemiska bindningar för att bilda en strukturell kedja eller ryggrad. När monomerer som innehåller funktionella grupper deltar i en polymerisationsreaktion smälter de samman till en större polymer, vilket ger distinkta funktionaliteter till den resulterande strukturkedjan.
Vattenlösliga kemiska föreningar som kallas aminer och amider införlivas i polymerer för att bilda antiskaleringsmedel på grund av deras förmåga att stabilisera och suspendera kiseldioxid. När en positivt laddad vätejon tillsätts till en aminmolekyl sägs aminen vara protonerad. Protonering kan öka molekylens vattenlöslighet och reaktivitet.
I Yale-ORNL-studien upptäckte forskarna att polymerer med laddad amin och oladdade amidgrupper i sina ryggrader uppvisar överlägsen kiseldioxidskalehämmande prestanda, och behåller upp till 430 ppm reaktiv kiseldioxid intakt i åtta timmar under neutrala pH-förhållanden. Monomerer av dessa amin- och amidinnehållande polymerer, tillsammans med polymerer som endast innehåller amin- och amidfunktioner, uppvisade emellertid obetydlig hämning.
"Vi behövde svara på varför polymererna vi designade för experimentet fungerade medan monomererna inte gjorde det", säger ORNL:s Deng Dong. "För att identifiera designparametrarna genomförde vi simuleringar av molekylär dynamik som vi trodde skulle göra det möjligt för oss att förstå mekanismerna bakom fenomenen."
Simuleringarna avslöjade stark bindning mellan den deprotonerade kiselsyran och en polymer när amingrupperna i polymeren protonerades.
"ORNL:s bidrag gjorde det möjligt för oss att upptäcka att vissa funktionella grupper i polymerkedjan synergistiskt bidrar till skalinhiberingsprocessen", säger Yales Mingjiang Zhong.
Zhong tillade att kiselskalning skiljer sig ganska mycket från andra skalningsprocesser.
"Även om nuvarande ansträngningar är fokuserade på att lösa problemet med kiseldioxidskala genom vattenbehandlingsprocessen, kommer det idealiska fallet att vara att lägga till en typ av antiskalningsmedel för att hämma alla typer av beläggningsbildning, inte bara kiseldioxid", sa Zhong. "Men, så vitt vi vet, finns det hittills inget sådant antiscalant. Den molekylära förståelse vi fått från vår forskning kommer att vägleda oss mot att upptäcka en universell lösning."
Mer information: Masashi Kaneda et al, Molecular Design of Functional Polymers for Silica Scale Inhibition, Environmental Science &Technology (2023). DOI:10.1021/acs.est.3c06504
Journalinformation: Miljövetenskap och teknik
Tillhandahålls av Oak Ridge National Laboratory
