"Door nauw samen te werken met onze collega's bij ORNL konden we vaststellen dat de variaties te wijten waren aan de specifieke fysische en chemische eigenschappen van de polymeren", aldus Masashi Kaneda van Yale. "De aanpak en het resultaat zijn opmerkelijk omdat we inzicht hebben gegeven in de mechanismen die betrokken zijn bij het verminderen van silica-aanslag door het gebruik van polymere anti-scalants in waterbehandelingsprocessen."

Een polymeer is een groot molecuul dat bestaat uit zich herhalende eenheden, monomeren genaamd, die door chemische bindingen met elkaar zijn verbonden om een ​​structurele keten of ruggengraat te vormen. Terwijl monomeren die functionele groepen bevatten, een polymerisatiereactie aangaan, versmelten ze tot een groter polymeer, waardoor verschillende functionaliteiten aan de resulterende structurele keten worden verleend.

In water oplosbare chemische verbindingen, aminen en amiden genoemd, worden in polymeren opgenomen om antiscalanten te vormen vanwege hun vermogen om silica te stabiliseren en te suspenderen. Wanneer een positief geladen waterstofion aan een aminemolecuul wordt toegevoegd, wordt gezegd dat het amine geprotoneerd is. Protonering kan de wateroplosbaarheid en reactiviteit van het molecuul verhogen.

In de Yale-ORNL-studie ontdekten de wetenschappers dat polymeren met geladen amine- en ongeladen amidegroepen in hun ruggengraat superieure prestaties op het gebied van silica-schaalremming vertonen, waarbij tot 430 delen per miljoen reactieve silica gedurende acht uur intact blijven onder neutrale pH-omstandigheden. Monomeren van deze amine- en amidebevattende polymeren vertoonden echter, samen met polymeren die alleen amine- en amidefunctionaliteiten bevatten, een onbeduidende remming.

"We moesten antwoorden waarom de polymeren die we voor het experiment hadden ontworpen, werkten en de monomeren niet", zegt Deng Dong van ORNL. "Om de ontwerpparameters te identificeren, hebben we moleculaire dynamica-simulaties uitgevoerd waarvan we dachten dat ze ons in staat zouden stellen de mechanismen achter de verschijnselen te begrijpen."

De simulaties onthulden een sterke binding tussen het gedeprotoneerde kiezelzuur en een polymeer wanneer de aminegroepen in het polymeer werden geprotoneerd.

"De bijdrage van ORNL stelde ons in staat te ontdekken dat bepaalde functionele groepen in de polymeerketen synergetisch bijdragen aan het schaalremmingsproces", zegt Mingjiang Zhong van Yale.

Zhong voegde eraan toe dat de schaalvergroting door silica heel anders is dan andere schaalprocessen.

"Hoewel de huidige inspanningen gericht zijn op het oplossen van het silica-aanslagprobleem door middel van het waterbehandelingsproces, zal het ideale geval zijn om één type antiscalant toe te voegen om alle soorten kalkvorming te remmen, niet alleen silica," zei Zhong. "Voor zover ons bekend bestaat er tot nu toe echter niet zo'n antiscalant. Het moleculaire inzicht dat we uit ons onderzoek hebben verkregen, zal ons begeleiden naar het ontdekken van een universele oplossing."

Meer informatie: Masashi Kaneda et al, Moleculair ontwerp van functionele polymeren voor remming van silica-schaal, Milieuwetenschappen en -technologie (2023). DOI:10.1021/acs.est.3c06504

Journaalinformatie: Milieuwetenschappen en -technologie

Geleverd door Oak Ridge National Laboratory