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Inhibition of Silica Scaling with Functional Polymers: Role of Ionic Strength, Divalent Ions, and Temperature

二价 离子强度 离子 缩放比例 化学 离子键合 聚合物 无机化学 化学工程 材料科学 水溶液 有机化学 几何学 数学 工程类
作者
Masashi Kaneda,Tianchi Cao,Dengpan Dong,Xiaowei Zhang,Yinan Chen,Junwei Zhang,Vyacheslav S. Bryantsev,Mingjiang Zhong,Menachem Elimelech
出处
期刊:Water Research [Elsevier]
卷期号:: 121705-121705
标识
DOI:10.1016/j.watres.2024.121705
摘要

High concentrations of dissolved silica in saline industrial wastewaters and brines cause silica scale formation, significantly hampering the efficacy of diverse engineered systems. Applying functional polymers as scale inhibitors in process feedwater is a common strategy to mitigate silica scaling. However, feedwater characteristics often vary widely, depending on the specific processes, making the inhibition of silica scaling challenging and complex. In this study, we systematically investigate the role of ionic composition, specifically ionic strength and divalent ions, and solution temperature, in inhibiting silica scaling using molecularly designed amine/amide polymers. The inhibitor demonstrates effective stabilization of silicic acid, with inhibition efficiency of 74 and 55% in the absence and presence of 20,000 ppm NaCl, respectively. However, further increasing the ionic strength of oversaturated silicic acid solutions significantly diminishes inhibition performance, rendering it ineffective at 180,000 ppm NaCl. Divalent inorganic cations exhibit a stronger impact on reducing inhibition efficiency compared to sodium ions. Molecular dynamics simulations reveal a competition mechanism between anionic silicic acid reactants (i.e., H3SiO4−) and chlorides for binding to ammonium groups within the polymeric inhibitor. Additionally, cations form clusters with H3SiO4− ions, hindering their stabilization with polymeric inhibitor. Notably, at elevated temperatures, the inhibitor achieves near-perfect inhibition for 500 ppm silicic acid solutions. This comprehensive assessment provides important insights into the effectiveness of silica scaling inhibitors under solution conditions relevant to real-world applications, addressing the challenges posed by varying solution parameters in diverse industrial processes.

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