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Which Surface Is More Scaling Resistant? A Closer Look at Nucleation Theories for Heterogeneous Gypsum Nucleation in Aqueous Solutions

缩放比例 石膏 成核 润湿 水溶液 化学物理 表面能 材料科学 基质(水族馆) 化学工程 化学 物理化学 复合材料 地质学 几何学 数学 有机化学 工程类 海洋学
作者
Yiming Yin,Tianshu Li,Kuichang Zuo,Xitong Liu,Shihong Lin,Yiqun Yao,Tiezheng Tong
出处
期刊:Environmental Science & Technology [American Chemical Society]
卷期号:56 (22): 16315-16324 被引量:39
标识
DOI:10.1021/acs.est.2c06560
摘要

Developing engineered surfaces with scaling resistance is an effective means to inhibit surface-mediated mineral scaling in various industries including desalination. However, contrasting results have been reported on the relationship between scaling potential and surface hydrophilicity. In this study, we combine a theoretical analysis with experimental investigation to clarify the effect of surface wetting property on heterogeneous gypsum (CaSO4·2H2O) formation on surfaces immersed in aqueous solutions. Theoretical prediction derived from classical nucleation theory (CNT) indicates that an increase of surface hydrophobicity reduces scaling potential, which contrasts our experimental results that more hydrophilic surfaces are less prone to gypsum scaling. We further consider the possibility of nonclassical pathway of gypsum nucleation, which proceeds by the aggregation of precursor clusters of CaSO4. Accordingly, we investigate the affinity of CaSO4 to substrate surfaces of varied wetting properties via calculating the total free energy of interaction, with the results perfectly predicting experimental observations of surface scaling propensity. This indicates that the interactions between precursor clusters of CaSO4 and substrate surfaces might play an important role in regulating heterogeneous gypsum formation. Our findings provide evidence that CNT might not be applicable to describing gypsum scaling in aqueous solutions. The fundamental insights we reveal on gypsum scaling mechanisms have the potential to guide rational design of scaling-resistant engineered surfaces.
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