La investigación colaborativa que combinó experimentos en la Universidad de Yale y simulaciones de dinámica molecular en el Laboratorio Nacional Oak Ridge del Departamento de Energía proporciona nuevos conocimientos para resolver un obstáculo técnico importante para las operaciones industriales eficientes y sostenibles.
El silicio es el segundo elemento más abundante en la corteza terrestre y, en las fuentes naturales de agua, se encuentra comúnmente en forma de ácido silícico disuelto.
Bajo ciertas condiciones de pH y temperatura en el agua de alimentación industrial, el ácido puede sobresaturarse y volverse insoluble, precipitando una sustancia llamada incrustaciones de sílice que incrusta los equipos. Este recubrimiento no deseado ensucia las superficies de diversos sistemas de ingeniería, como membranas de tratamiento de agua de desalinización por ósmosis inversa, componentes de intercambiadores de calor y tuberías de plantas.
"Una forma de combatir la sílice es ajustar el pH del agua, pero este proceso es bastante caro y empeora otras formas de incrustaciones inorgánicas, como el yeso y la calcita", dijo Vyacheslav "Slava" Bryantsev de ORNL.
"Recientemente, la gente ha estado usando polímeros inhibidores de la sílice o antiincrustantes, todos los cuales son patentados. Sabemos que estos antiincrustantes son posiblemente una clase de sistemas de tipo poliamina que de alguna manera impiden la incrustación de sílice, pero cómo funcionan y cómo mejorar su Las propiedades existentes no se han comprendido bien."
Estudios previos sobre el rendimiento de los antiincrustantes de sílice poliméricos han variado ampliamente, desde obstaculizar hasta acelerar la formación de incrustaciones de sílice. "La nuestra fue la primera investigación sistemática sobre el papel de las estructuras moleculares y los grupos funcionales de los antiincrustantes poliméricos en la estabilización de soluciones de ácido silícico sobresaturadas", afirmó Bryantsev.
Un artículo titulado "Diseño molecular de polímeros funcionales para la inhibición de la escala de sílice", publicado en Environmental Science &Technology , proporciona detalles del estudio.
Los científicos de Yale sintetizaron una serie de polímeros que contienen nitrógeno como antiincrustantes de sílice y probaron su rendimiento en una solución de ácido silícico sobresaturada. Descubrieron enormes diferencias en la eficacia entre tipos similares de antiincrustantes.
"Trabajando estrechamente con nuestros colegas de ORNL, pudimos determinar que las variaciones se debían a las propiedades físicas y químicas específicas de los polímeros", dijo Masashi Kaneda de Yale. "El enfoque y el resultado son notables porque brindamos una comprensión de los mecanismos involucrados en la mitigación de la incrustación de sílice mediante el uso de antiincrustantes poliméricos en los procesos de tratamiento de agua".
Un polímero es una molécula grande compuesta de unidades repetidas, llamadas monómeros, que están unidas por enlaces químicos para formar una cadena estructural o columna vertebral. A medida que los monómeros que contienen grupos funcionales participan en una reacción de polimerización, se fusionan en un polímero más grande, impartiendo distintas funcionalidades a la cadena estructural resultante.
Los compuestos químicos solubles en agua llamados aminas y amidas se incorporan a los polímeros para formar antiincrustantes debido a su capacidad para estabilizar y suspender la sílice. Cuando se añade un ion hidrógeno cargado positivamente a una molécula de amina, se dice que la amina está protonada. La protonación puede aumentar la solubilidad en agua y la reactividad de la molécula.
En el estudio de Yale-ORNL, los científicos descubrieron que los polímeros con grupos amina cargada y amida sin carga en sus cadenas principales exhiben un rendimiento superior de inhibición de incrustaciones de sílice, reteniendo hasta 430 partes por millón de sílice reactiva intacta durante ocho horas en condiciones de pH neutro. Sin embargo, los monómeros de estos polímeros que contienen aminas y amidas, junto con los polímeros que contienen sólo funcionalidades amina y amida, presentaron una inhibición insignificante.
"Necesitábamos responder por qué los polímeros que diseñamos para el experimento funcionaban mientras que los monómeros no", dijo Deng Dong de ORNL. "Para identificar los parámetros de diseño, realizamos simulaciones de dinámica molecular que creíamos que nos permitirían comprender los mecanismos detrás de los fenómenos".
Las simulaciones revelaron una fuerte unión entre el ácido silícico desprotonado y un polímero cuando los grupos amina del polímero estaban protonados.
"La contribución de ORNL nos permitió descubrir que ciertos grupos funcionales en la cadena polimérica contribuyen sinérgicamente al proceso de inhibición de incrustaciones", dijo Mingjiang Zhong de Yale.
Zhong añadió que el escalado de sílice es bastante diferente de otros procesos de escalado.
"Aunque los esfuerzos actuales se centran en resolver el problema de las incrustaciones de sílice mediante el proceso de tratamiento del agua, el caso ideal será agregar un tipo de antiincrustante para inhibir todos los tipos de formación de incrustaciones, no sólo la sílice", afirmó Zhong. "Sin embargo, hasta donde sabemos, hasta el momento no existe tal antiincrustante. La comprensión molecular que obtuvimos de nuestra investigación nos guiará hacia el descubrimiento de una solución universal".
Más información: Masashi Kaneda et al, Diseño molecular de polímeros funcionales para la inhibición de incrustaciones de sílice, Ciencia y tecnología ambientales (2023). DOI:10.1021/acs.est.3c06504
Información de la revista: Ciencia y tecnología ambientales
Proporcionado por el Laboratorio Nacional de Oak Ridge
