Les mystères moléculaires pour contrôler l’entartrage de la silice dans le traitement de l’eau

La recherche collaborative entre l’Université de Yale et le Laboratoire National d’Oak Ridge du Département de l’Énergie des États-Unis ouvre de nouvelles perspectives pour surmonter un obstacle technique majeur à des opérations industrielles efficaces et durables. L’étude approfondit notre compréhension de la lutte contre l’entartrage siliceux, un fléau pour de nombreux systèmes d’ingénierie.

Le silicium, élément abondant dans la croûte terrestre, se retrouve souvent sous forme d’acide silicique dissous dans les sources d’eau naturelles. Dans certaines conditions de pH et de température, cet acide peut devenir sursaturé et insoluble, formant une substance appelée entartrage siliceux qui encrasse les équipements. Ce revêtement indésirable affecte les surfaces de divers systèmes d’ingénierie, notamment les membranes de traitement d’eau par osmose inverse, les composants des échangeurs de chaleur et les pipelines des usines.

La lutte contre cet entartrage représente un défi majeur. « L’une des méthodes pour combattre la silice consiste à ajuster le pH de l’eau, mais ce processus est assez coûteux et aggrave d’autres formes d’entartrage inorganique, comme le gypse et la calcite », explique Vyacheslav « Slava » Bryantsev de l’ORNL.

Récemment, l’utilisation de polymères inhibiteurs de silice, ou antitartres, tous propriétaires, a été explorée. Bien que ces antitartres soient potentiellement une classe de systèmes de type polyamine qui entravent quelque peu l’entartrage siliceux, leur fonctionnement et les moyens d’améliorer leurs propriétés existantes étaient mal compris.

Découvertes clés et implications

Les scientifiques de Yale ont synthétisé une série de polymères contenant de l’azote comme antitartres siliceux et ont testé leur performance dans une solution d’acide silicique sursaturée. Ils ont découvert d’énormes différences d’efficacité parmi des types similaires d’antitartres. « En travaillant étroitement avec nos collègues de l’ORNL, nous avons pu déterminer que les variations étaient dues aux propriétés physiques et chimiques spécifiques des polymères », indique Masashi Kaneda de Yale.

Un polymère est une grande molécule composée d’unités répétitives, appelées monomères, liées entre elles par des liaisons chimiques pour former une chaîne structurelle. Les composés chimiques solubles dans l’eau appelés amines et amides sont incorporés dans les polymères pour former des antitartres en raison de leur capacité à stabiliser et suspendre la silice.

Dans l’étude Yale-ORNL, les scientifiques ont découvert que les polymères avec des groupes amine chargés et des groupes amide non chargés dans leur structure présentent une performance supérieure d’inhibition de l’entartrage siliceux, retenant jusqu’à 430 parties par million de silice réactive intacte pendant huit heures dans des conditions de pH neutres.

Les simulations de dynamique moléculaire ont révélé une forte liaison entre l’acide silicique déprotoné et un polymère lorsque les groupes amine dans le polymère étaient protonés. « La contribution de l’ORNL nous a permis de découvrir que certains groupes fonctionnels dans la chaîne polymère contribuent de manière synergique au processus d’inhibition de l’entartrage », ajoute Mingjiang Zhong de Yale.

Cette recherche ne se contente pas de proposer une solution au problème de l’entartrage siliceux mais ouvre également la voie à la découverte d’une solution universelle capable d’inhiber tous les types de formation de tartre, pas seulement la silice. .

Légende illustration : L’entartrage de la silice dans les systèmes de traitement des eaux industrielles se produit lorsque la silice dissoute précipite, formant des dépôts solides qui réduisent l’efficacité et la durée de vie des équipements, augmentent les coûts de maintenance et risquent de provoquer des défaillances du système. Crédit : Adam Malin/U.S. Dept. of Energy

Article : « Molecular Design of Functional Polymers for Silica Scale Inhibition » – DOI: 10.1021/acs.est.3c06504