Forskare avslöjar molekylära mysterier för att kontrollera kiselavlagringar vid vattenrening

Silica scaling in industrial water treatment systems occurs when dissolved silica precipitates out, forming solid deposits that reduce equipment efficiency and life span, increase maintenance costs and risk system failures. Credit: Adam Malin/U.S. Dept. of Energy
Silica scaling in industrial water treatment systems occurs when dissolved silica precipitates out, forming solid deposits that reduce equipment efficiency and life span, increase maintenance costs and risk system failures. Credit: Adam Malin/U.S. Dept. of Energy

Ett forskningssamarbete som kombinerade experiment vid Yale University och molekylärdynamiska simuleringar vid Department of Energy’s Oak Ridge National Laboratory ger nya insikter om hur man kan 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 upplöst kiselsyra.

Under vissa pH- och temperaturförhållanden i industriellt matarvatten kan syran bli övermättad och olöslig, vilket fäller ut ett ämne som kallas kiseldioxidavlagringar som lägger sig som en hinna på utrustningen. Denna oönskade beläggning smutsar ner ytorna på olika tekniska system, t.ex. membran för vattenbehandling vid avsaltning med omvänd osmos, värmeväxlarkomponenter och rörledningar i anläggningen.

”Ett sätt att bekämpa kiseldioxid är att justera pH-värdet i vattnet, men denna process är ganska dyr och gör andra former av oorganiska beläggningar, som gips och kalcit, värre”, säger Vyacheslav ”Slava” Bryantsev från ORNL.

”På senare tid har man använt kiseldioxidhämmande polymerer, så kallade antiscalants, som alla är patentskyddade. Vi vet att dessa antiskalanter möjligen är en klass av system av polyamintyp som i viss mån hindrar kiseldioxidskalning, men hur de fungerar och hur man kan förbättra deras befintliga egenskaper har varit dåligt känt.”

Tidigare studier av polymera kiseldioxidantiscalanters prestanda har varierat kraftigt från att hindra till att påskynda bildandet av kiseldioxidavlagringar. ”Vår studie var den första systematiska undersökningen av hur molekylära strukturer och funktionella grupper i polymera antikalkmedel påverkar stabiliseringen av övermättade kiselsyralösningar”, säger Bryantsev.

En artikel med titeln ”Molecular Design of Functional Polymers for Silica Scale Inhibition”, publicerad i Environmental Science & Technology, ger detaljer om studien.

Forskarna från Yale syntetiserade en serie kväveinnehållande polymerer som antiskalningsmedel för kiseldioxid och testade deras prestanda i en övermättad kiselsyralösning. De upptäckte enorma skillnader i effektivitet mellan liknande typer av antikalkmedel.

Denna illustration visar attraktionen mellan kiseldioxid (orangefärgade diamanter), eller kiselsyra, och ett polymeriskt antikalkmedel. De kemiska interaktionerna, som involverar så kallad laddningsassisterad vätebindning, hämmar kiseldioxidens skalning. Kredit: Masashi Kaneda/Yale University
Denna illustration visar attraktionen mellan kiseldioxid (orangefärgade diamanter), eller kiselsyra, och ett polymeriskt antikalkmedel. De kemiska interaktionerna, som involverar så kallad laddningsassisterad vätebindning, hämmar kiseldioxidens skalning. Kredit: Masashi Kaneda/Yale University

”I nära samarbete med våra kollegor på ORNL kunde vi fastställa att variationerna berodde på polymerernas specifika fysiska och kemiska egenskaper”, säger Masashi Kaneda från Yale. ”Metoden och resultatet är anmärkningsvärda eftersom vi har skapat en förståelse för de mekanismer som är inblandade i att minska kiseldioxidskalning genom användning av polymera antiskalningsmedel i vattenbehandlingsprocesser.”

En polymer är en stor molekyl som består av repeterande enheter, så kallade monomerer, som är sammanlänkade med 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 och ger den resulterande strukturella kedjan distinkta funktionaliteter.

Vattenlösliga kemiska föreningar som kallas aminer och amider införlivas i polymerer för att bilda antiscalants 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 laddade amin- och oladdade amidgrupper i sina ryggrader uppvisar överlägsen prestanda när det gäller hämning av kiselavlagringar och håller upp till 430 miljondelar av reaktiv kisel intakt under åtta timmar under neutrala pH-förhållanden. Monomerer av dessa amin- och amidinnehållande polymerer, tillsammans med polymerer som endast innehåller amin- och amidfunktionaliteter, uppvisade dock en obetydlig inhibering.

”Vi behövde få svar på varför de polymerer vi designade för experimentet fungerade medan monomererna inte gjorde det”, säger Deng Dong från ORNL. ”För att identifiera designparametrarna genomförde vi molekyldynamiska simuleringar som vi trodde skulle göra det möjligt för oss att förstå mekanismerna bakom fenomenen.”

Simuleringarna visade på en 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 den skalinhiberande processen”, säger Mingjiang Zhong från Yale.

Zhong tillade att skalning av kiseldioxid skiljer sig ganska mycket från andra skalningsprocesser.

”Även om de nuvarande ansträngningarna är inriktade på att lösa problemet med kiseldioxidavlagringar genom vattenbehandlingsprocessen, skulle det ideala vara att tillsätta en typ av antikalkmedel för att hämma alla typer av avlagringar, inte bara kiseldioxid”, säger Zhong. ”Men så vitt vi vet finns det hittills inget sådant antikalkmedel. Den molekylära förståelse vi fått från vår forskning kommer att vägleda oss mot att upptäcka en universell lösning.”

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

Bli först med att kommentera

Lämna ett svar

Din e-postadress kommer inte att publiceras.