La ricerca collaborativa che ha combinato esperimenti presso l'Università di Yale e simulazioni di dinamica molecolare presso l'Oak Ridge National Laboratory del Dipartimento dell'Energia fornisce nuove informazioni sulla risoluzione di un importante ostacolo tecnico a operazioni industriali efficienti e sostenibili.
Il silicio è il secondo elemento più abbondante nella crosta terrestre e nelle fonti d'acqua naturali si trova comunemente sotto forma di acido silicico disciolto.
In determinate condizioni di pH e temperatura nell'acqua di alimentazione industriale, l'acido può diventare sovrasaturo e insolubile, facendo precipitare una sostanza chiamata incrostazione di silice che incrosta le apparecchiature. Questo rivestimento indesiderato sporca le superfici di vari sistemi tecnici, come le membrane per il trattamento dell'acqua per la desalinizzazione a osmosi inversa, i componenti degli scambiatori di calore e le tubazioni degli impianti.
"Un modo per combattere la silice è regolare il pH dell'acqua, ma questo processo è piuttosto costoso e peggiora altre forme di incrostazioni inorganiche, come gesso e calcite", ha affermato Vyacheslav "Slava" Bryantsev dell'ORNL.
"Recentemente, le persone hanno utilizzato polimeri che inibiscono la silice, o antincrostanti, che sono tutti brevettati. Sappiamo che questi antincrostanti sono probabilmente una classe di sistemi di tipo poliamminico che in qualche modo impediscono la formazione di incrostazioni di silice, ma come funzionano e come migliorarli le proprietà esistenti sono state capite male."
Precedenti studi sulle prestazioni degli antincrostanti di silice polimerica variavano ampiamente dall'ostacolo all'accelerazione della formazione di incrostazioni di silice. "La nostra è stata la prima indagine sistematica sul ruolo delle strutture molecolari e dei gruppi funzionali degli antincrostanti polimerici nella stabilizzazione delle soluzioni di acido silicico sovrasature", ha affermato Bryantsev.
Un articolo intitolato "Molecular Design of Functional Polymers for Silica Scale Inhibition", pubblicato su Environmental Science &Technology , fornisce i dettagli dello studio.
Gli scienziati di Yale hanno sintetizzato una serie di polimeri contenenti azoto come antincrostanti la silice e ne hanno testato le prestazioni in una soluzione di acido silicico sovrasatura. Hanno scoperto enormi differenze nell'efficacia tra tipi simili di antincrostanti.
"Lavorando a stretto contatto con i nostri colleghi dell'ORNL, siamo stati in grado di determinare che le variazioni erano dovute alle proprietà fisiche e chimiche specifiche dei polimeri", ha affermato Masashi Kaneda di Yale. "L'approccio e il risultato sono notevoli perché abbiamo fornito una comprensione dei meccanismi coinvolti nella mitigazione delle incrostazioni di silice attraverso l'uso di antincrostanti polimerici nei processi di trattamento dell'acqua."
Un polimero è una grande molecola composta da unità ripetitive, chiamate monomeri, che sono collegate insieme da legami chimici per formare una catena strutturale o spina dorsale. Quando i monomeri contenenti gruppi funzionali partecipano a una reazione di polimerizzazione, si fondono in un polimero più grande, conferendo funzionalità distinte alla catena strutturale risultante.
I composti chimici solubili in acqua chiamati ammine e ammidi vengono incorporati nei polimeri per formare antincrostanti grazie alla loro capacità di stabilizzare e sospendere la silice. Quando uno ione idrogeno carico positivamente viene aggiunto a una molecola di ammina, si dice che l'ammina viene protonata. La protonazione può aumentare la solubilità in acqua e la reattività della molecola.
Nello studio Yale-ORNL, gli scienziati hanno scoperto che i polimeri con gruppi ammidici carichi e gruppi ammidici non carichi nella loro struttura principale mostrano prestazioni superiori di inibizione della scala di silice, mantenendo intatte fino a 430 parti per milione di silice reattiva per otto ore in condizioni di pH neutro. Tuttavia, i monomeri di questi polimeri contenenti ammine e ammidi, insieme ai polimeri contenenti solo funzionalità amminiche e ammidiche, presentavano un'inibizione insignificante.
"Dovevamo rispondere al motivo per cui i polimeri che abbiamo progettato per l'esperimento funzionavano mentre i monomeri no", ha affermato Deng Dong dell'ORNL. "Per identificare i parametri di progettazione, abbiamo condotto simulazioni di dinamica molecolare che credevamo ci avrebbero consentito di comprendere i meccanismi alla base dei fenomeni."
Le simulazioni hanno rivelato un forte legame tra l'acido silicico deprotonato e un polimero quando i gruppi amminici nel polimero venivano protonati.
"Il contributo di ORNL ci ha permesso di scoprire che alcuni gruppi funzionali nella catena polimerica contribuiscono sinergicamente al processo di inibizione delle incrostazioni", ha affermato Mingjiang Zhong di Yale.
Zhong ha aggiunto che il ridimensionamento della silice è molto diverso dagli altri processi di ridimensionamento.
"Sebbene gli sforzi attuali siano concentrati sulla risoluzione del problema delle incrostazioni di silice attraverso il processo di trattamento dell'acqua, l'ideale sarebbe aggiungere un tipo di antincrostante per inibire tutti i tipi di formazione di incrostazioni, non solo la silice", ha affermato Zhong. "Tuttavia, per quanto ne sappiamo, finora non esiste un antincrostante di questo tipo. La comprensione molecolare che abbiamo acquisito dalla nostra ricerca ci guiderà verso la scoperta di una soluzione universale."
Ulteriori informazioni: Masashi Kaneda et al, Progettazione molecolare di polimeri funzionali per l'inibizione della scala di silice, Scienze e tecnologie ambientali (2023). DOI:10.1021/acs.est.3c06504
Informazioni sul giornale: Scienze e tecnologie ambientali
Fornito da Oak Ridge National Laboratory
