Une recherche collaborative combinant des expériences à l'Université de Yale et des simulations de dynamique moléculaire au laboratoire national d'Oak Ridge du ministère de l'Énergie fournit de nouvelles informations sur la résolution d'un obstacle technique majeur à des opérations industrielles efficaces et durables.

Le silicium est le deuxième élément le plus abondant dans la croûte terrestre, et dans les sources d'eau naturelles, on le trouve couramment sous forme d'acide silicique dissous.

Dans certaines conditions de pH et de température dans l’eau d’alimentation industrielle, l’acide peut devenir sursaturé et insoluble, précipitant une substance appelée tartre de silice qui incruste les équipements. Ce revêtement indésirable encrasse les surfaces de divers systèmes d'ingénierie, tels que les membranes de traitement de l'eau de dessalement par osmose inverse, les composants des échangeurs de chaleur et les canalisations des usines.

"Une façon de lutter contre la silice est d'ajuster le pH de l'eau, mais ce processus est assez coûteux et aggrave d'autres formes de tartre inorganique, comme le gypse et la calcite", a déclaré Vyacheslav "Slava" Bryantsev de l'ORNL.

« Récemment, les gens ont utilisé des polymères inhibiteurs de la silice, ou antitartre, qui sont tous exclusifs. Nous savons que ces antitartre sont peut-être une classe de systèmes de type polyamine qui empêchent quelque peu le tartre de la silice, mais comment ils fonctionnent et comment améliorer leur efficacité. les propriétés existantes ont été mal comprises."

Les études antérieures sur les performances des antitartres à base de silice polymère ont varié considérablement, allant d'un obstacle à une accélération de la formation de tartre de silice. "Il s'agit de la première enquête systématique sur le rôle des structures moléculaires et des groupes fonctionnels des antitartres polymères dans la stabilisation des solutions d'acide silicique sursaturées", a déclaré Bryantsev.

Un article intitulé "Molecular Design of Functional Polymers for Silica Scale Inhibition", publié dans Environmental Science &Technology , fournit des détails sur l'étude.

Les scientifiques de Yale ont synthétisé une série de polymères contenant de l'azote comme antitartre à base de silice et ont testé leurs performances dans une solution d'acide silicique sursaturée. Ils ont découvert d'énormes différences d'efficacité entre des types similaires d'antitartre.

"En travaillant en étroite collaboration avec nos collègues de l'ORNL, nous avons pu déterminer que les variations étaient dues aux propriétés physiques et chimiques spécifiques des polymères", a déclaré Masashi Kaneda de Yale. "L'approche et les résultats sont remarquables car nous avons permis de comprendre les mécanismes impliqués dans l'atténuation du tartre de silice grâce à l'utilisation d'agents antitartre polymères dans les processus de traitement de l'eau."

Un polymère est une grosse molécule composée d’unités répétitives, appelées monomères, qui sont liées entre elles par des liaisons chimiques pour former une chaîne structurelle ou un squelette. Lorsque les monomères contenant des groupes fonctionnels s'engagent dans une réaction de polymérisation, ils fusionnent en un polymère plus grand, conférant des fonctionnalités distinctes à la chaîne structurelle résultante.

Des composés chimiques hydrosolubles appelés amines et amides sont incorporés dans des polymères pour former des antitartre en raison de leur capacité à stabiliser et à suspendre la silice. Lorsqu’un ion hydrogène chargé positivement est ajouté à une molécule d’amine, on dit que l’amine est protonée. La protonation peut augmenter la solubilité et la réactivité de la molécule dans l'eau.

Dans l'étude Yale-ORNL, les scientifiques ont découvert que les polymères comportant des groupes amine chargés et amide non chargés dans leur squelette présentent des performances supérieures d'inhibition du tartre de silice, conservant jusqu'à 430 parties par million de silice réactive intactes pendant huit heures dans des conditions de pH neutre. Cependant, les monomères de ces polymères contenant des amines et des amides, ainsi que les polymères contenant uniquement des fonctionnalités amine et amide, présentaient une inhibition insignifiante.

"Nous devions comprendre pourquoi les polymères que nous avions conçus pour l'expérience fonctionnaient alors que les monomères ne fonctionnaient pas", a déclaré Deng Dong de l'ORNL. "Pour identifier les paramètres de conception, nous avons effectué des simulations de dynamique moléculaire qui, selon nous, nous permettraient de comprendre les mécanismes à l'origine du phénomène."

Les simulations ont révélé une forte liaison entre l'acide silicique déprotoné et un polymère lorsque les groupes amine du polymère étaient protonés.

"La contribution d'ORNL nous a permis de découvrir que certains groupes fonctionnels de la chaîne polymère contribuent de manière synergique au processus d'inhibition du tartre", a déclaré Mingjiang Zhong de Yale.

Zhong a ajouté que le détartrage de la silice est assez différent des autres processus de détartrage.

« Bien que les efforts actuels soient concentrés sur la résolution du problème du tartre par le processus de traitement de l'eau, le cas idéal serait d'ajouter un type d'antitartre pour inhiber tous les types de formation de tartre, pas seulement la silice », a déclaré Zhong. "Cependant, à notre connaissance, il n'existe pas encore d'antitartre de ce type. La compréhension moléculaire que nous avons acquise grâce à nos recherches nous guidera vers la découverte d'une solution universelle."

Plus d'informations : Masashi Kaneda et al, Conception moléculaire de polymères fonctionnels pour l'inhibition du tartre de silice, Science et technologie de l'environnement (2023). DOI :10.1021/acs.est.3c06504

Informations sur le journal : Sciences et technologies environnementales

Fourni par le Laboratoire national d'Oak Ridge