A pesquisa colaborativa que combinou experimentos na Universidade de Yale e simulações de dinâmica molecular no Laboratório Nacional de Oak Ridge do Departamento de Energia fornece novos insights para resolver um grande obstáculo técnico para operações industriais eficientes e sustentáveis.



O silício é o segundo elemento mais abundante na crosta terrestre e, em fontes naturais de água, é comumente encontrado na forma de ácido silícico dissolvido.

Sob certas condições de pH e temperatura na água de alimentação industrial, o ácido pode tornar-se supersaturado e insolúvel, precipitando uma substância chamada incrustação de sílica que incrusta o equipamento. Este revestimento indesejado suja as superfícies de vários sistemas de engenharia, como membranas de dessalinização de tratamento de água por osmose reversa, componentes de trocadores de calor e tubulações de plantas.

“Uma maneira de combater a sílica é ajustar o pH da água, mas esse processo é bastante caro e piora outras formas de incrustações inorgânicas, como gesso e calcita”, disse Vyacheslav “Slava” Bryantsev, do ORNL.

"Recentemente, as pessoas têm usado polímeros inibidores de sílica, ou anti-incrustantes, todos eles proprietários. Sabemos que esses anti-incrustantes são possivelmente uma classe de sistemas do tipo poliamina que impedem de alguma forma a incrustação de sílica, mas como eles funcionam e como melhorar sua propriedades existentes foram mal compreendidas."

Estudos anteriores sobre o desempenho de anti-incrustantes de sílica polimérica variaram amplamente, desde dificultar até acelerar a formação de incrustações de sílica. "A nossa foi a primeira investigação sistemática sobre o papel das estruturas moleculares e grupos funcionais de anti-incrustantes poliméricos na estabilização de soluções supersaturadas de ácido silícico", disse Bryantsev.

Um artigo intitulado "Projeto molecular de polímeros funcionais para inibição de escala de sílica", publicado em Environmental Science &Technology , fornece detalhes do estudo.

Os cientistas de Yale sintetizaram uma série de polímeros contendo nitrogênio como anti-incrustantes de sílica e testaram seu desempenho em uma solução supersaturada de ácido silícico. Eles descobriram enormes diferenças na eficácia entre tipos semelhantes de anti-incrustantes.

"Trabalhando em estreita colaboração com nossos colegas do ORNL, fomos capazes de determinar que as variações se deviam às propriedades físicas e químicas específicas dos polímeros", disse Masashi Kaneda, de Yale. "A abordagem e o resultado são notáveis ​​porque fornecemos uma compreensão dos mecanismos envolvidos na mitigação da incrustação de sílica através do uso de anti-incrustantes poliméricos em processos de tratamento de água."

Um polímero é uma grande molécula composta de unidades repetidas, chamadas monômeros, que estão ligadas entre si por ligações químicas para formar uma cadeia estrutural ou espinha dorsal. À medida que os monômeros contendo grupos funcionais participam de uma reação de polimerização, eles se fundem em um polímero maior, conferindo funcionalidades distintas à cadeia estrutural resultante.

Compostos químicos solúveis em água chamados aminas e amidas são incorporados aos polímeros para formar anti-incrustantes devido à sua capacidade de estabilizar e suspender a sílica. Quando um íon hidrogênio carregado positivamente é adicionado a uma molécula de amina, diz-se que a amina está protonada. A protonação pode aumentar a solubilidade e a reatividade da molécula em água.

No estudo Yale-ORNL, os cientistas descobriram que polímeros com grupos amina carregados e grupos amida não carregados em suas estruturas apresentam desempenho superior de inibição da incrustação de sílica, retendo até 430 partes por milhão de sílica reativa intacta por oito horas sob condições de pH neutro. No entanto, os monómeros destes polímeros contendo amina e amida, juntamente com polímeros contendo apenas funcionalidades amina e amida, apresentaram inibição insignificante.

“Precisávamos responder por que os polímeros que projetamos para o experimento funcionavam e os monômeros não”, disse Deng Dong, do ORNL. “Para identificar os parâmetros do projeto, conduzimos simulações de dinâmica molecular que acreditamos que nos permitiriam compreender os mecanismos por trás dos fenômenos”.

As simulações revelaram forte ligação entre o ácido silícico desprotonado e um polímero quando os grupos amina no polímero foram protonados.

"A contribuição do ORNL nos permitiu descobrir que certos grupos funcionais na cadeia polimérica contribuem sinergicamente para o processo de inibição de incrustações", disse Mingjiang Zhong, de Yale.

Zhong acrescentou que a incrustação de sílica é bastante diferente de outros processos de incrustação.

"Embora os esforços atuais estejam focados em resolver o problema da incrustação de sílica através do processo de tratamento de água, o caso ideal será adicionar um tipo de anti-incrustante para inibir todos os tipos de formação de incrustações, não apenas a sílica", disse Zhong. "No entanto, até onde sabemos, até o momento, não existe tal anti-incrustante. A compreensão molecular que obtivemos com nossa pesquisa nos guiará na descoberta de uma solução universal."

Mais informações: Masashi Kaneda et al, Projeto Molecular de Polímeros Funcionais para Inibição de Escala de Sílica, Ciência e Tecnologia Ambiental (2023). DOI:10.1021/acs.est.3c06504
Informações do diário: Ciência e Tecnologia Ambiental

Fornecido pelo Laboratório Nacional de Oak Ridge