科学家揭示了控制水处理中二氧化硅结垢的分子奥秘

耶鲁大学的实验与能源部橡树岭国家实验室的分子动力学模拟相结合的合作研究为解决高效和可持续工业运营的主要技术障碍提供了新的见解。

硅是地壳中第二丰富的元素，在天然水源中，它通常以溶解的硅酸的形式存在。

在工业给水的特定pH值和温度条件下，酸会变得过饱和且不溶，从而沉淀出一种称为硅垢的物质，该物质会在设备上结壳。这种不需要的涂层会污染各种工程系统的表面，例如反渗透海水淡化水处理膜、热交换器组件和工厂管道。

橡树岭国家实验室的维亚切斯拉夫·“斯拉瓦”·布莱恩采夫(Vyacheslav"Slava"Bryantsev)表示：“对抗二氧化硅的一种方法是调整水的pH值，但这一过程非常昂贵，并且会使石膏和方解石等其他形式的无机结垢变得更糟。”

“最近，人们一直在使用二氧化硅抑制聚合物或阻垢剂，所有这些都是专有的。我们知道这些阻垢剂可能是一类聚胺型系统，在一定程度上阻碍二氧化硅结垢，但它们是如何工作的以及如何改进它们的性能人们对现有的属性知之甚少。”

先前对聚合二氧化硅阻垢剂性能的研究有很大不同，从阻碍到加速硅垢的形成。“我们首次系统地研究了聚合物阻垢剂的分子结构和官能团在稳定过饱和硅酸溶液中的作用，”Bryantsev说。

发表在《环境科学与技术》上的一篇题为“抑制二氧化硅垢的功能聚合物的分子设计”的论文提供了该研究的详细信息。

耶鲁大学的科学家合成了一系列含氮聚合物作为二氧化硅阻垢剂，并测试了它们在过饱和硅酸溶液中的性能。他们发现相似类型的阻垢剂的有效性存在巨大差异。

耶鲁大学的MasashiKaneda说：“通过与橡树岭国家实验室的同事密切合作，我们能够确定这些变化是由于聚合物的特定物理和化学性质造成的。”“该方法和结果值得注意，因为我们了解了通过在水处理过程中使用聚合物阻垢剂来减轻二氧化硅结垢的机制。”

聚合物是由重复单元(称为单体)组成的大分子，这些重复单元通过化学键连接在一起形成结构链或主链。当含有官能团的单体参与聚合反应时，它们合并成更大的聚合物，从而赋予所得结构链不同的官能团。

称为胺和酰胺的水溶性化合物被掺入聚合物中形成阻垢剂，因为它们具有稳定和悬浮二氧化硅的能力。当带正电的氢离子添加到胺分子中时，胺被质子化。质子化可以增加分子的水溶性和反应性。

在耶鲁大学-橡树岭国家实验室的研究中，科学家们发现，主链中带有带电胺基和不带电酰胺基团的聚合物表现出优异的硅垢抑制性能，在中性pH条件下8小时内可完整保留百万分之430的活性二氧化硅。然而，这些含胺和酰胺的聚合物的单体，以及仅含胺和酰胺官能团的聚合物，表现出不显着的抑制作用。

“我们需要回答为什么我们为实验设计的聚合物有效，而单体却无效，”橡树岭国家实验室的邓东说。“为了确定设计参数，我们进行了分子动力学模拟，我们相信这将使我们能够了解现象背后的机制。”

模拟显示，当聚合物中的胺基被质子化时，去质子化的硅酸和聚合物之间存在很强的结合。

“橡树岭国家实验室的贡献使我们发现聚合物链中的某些官能团可以协同促进阻垢过程，”耶鲁大学的钟明江说。

钟补充说，二氧化硅结垢与其他结垢工艺有很大不同。

“虽然目前的努力集中在通过水处理过程解决硅垢问题，但理想的情况是添加一种类型的阻垢剂来抑制所有类型的水垢形成，而不仅仅是二氧化硅，”钟说。“然而，据我们所知，到目前为止，还没有这样的阻垢剂。我们从研究中获得的分子理解将指导我们发现一种通用的解决方案。”