Хімічний склад та молекулярні механізми дії антискалантів для систем зворотного осмосу: фундаментальні аспекти

Abstract

UK: Постановка проблеми. Стрімкий розвиток технологій зворотного осмосу у системах водопідготовки та опріснення води підвищує актуальність ефективних методів запобігання накипоутворенню. Мінеральні відкладення, що формуються на поверхні напівпроникних мембран, призводять до зниження продуктивності систем на 10–15 % протягом перших шести місяців експлуатації, збільшення гідравлічного опору, погіршення якості пермеату, а також до зростання енергоспоживання на 15–30 % та експлуатаційних витрат. Традиційна парадигма прямої адсорбції антискалантів на поверхні кристалів сьогодні переглядається у зв'язку з відкриттям ключової ролі наночастинок як центрів гетерогенної нуклеації, що пояснює надзвичайно низькі робочі концентрації інгібіторів (0,5–20 мг/л). Мета дослідження. Метою даної роботи є встановлення взаємозв'язку між хімічною будовою антискалантів і механізмами їх інгібуючої дії у системах зворотного осмосу. Особливу увагу приділено взаємодії функціональних груп фосфонатних і полімерних антискалантів із зародками кристалів та наночастинками, які виконують роль центрів гетерогенної нуклеації. Отримані результати мають створити теоретичну основу для раціонального дизайну антискалантів наступного покоління. Результати. У роботі проаналізовано структурні та фізико-хімічні властивості фосфонатних антискалантів, зокрема PBTC, ATMP та HEDP, а також полімерних антискалантів на основі поліакрилової кислоти (PAA), для якої виявлено три режими інгібуючої дії залежно від молекулярної маси (пороговий механізм при 2000–3000 Да та інші режими для більших мас). Встановлено, що ефективність фосфонатних інгібіторів визначається оптимальним поєднанням хелатуючих властивостей, адсорбційної здатності та молекулярної стабільності; критичною є відстань між функціональними групами 2,5–4,0 Å, що відповідає геометрії кристалічної решітки кальциту. Показано, що ключовим механізмом дії антискалантів є не пряма адсорбція на поверхні кристалів, а селективне блокування наночастинок розміром 10–100 нм, які слугують центрами гетерогенної нуклеації; для ефективного інгібування достатньо заблокувати лише 5–10 % таких наночастинок. Розглянуто математичні моделі, що описують термодинамічні та кінетичні аспекти інгібування кристалізації (модифіковане рівняння Гіббса – Томсона та рівняння Кабрери – Вермілі). Отримані результати створюють теоретичну основу для розроблення антискалантів нового покоління та оптимізації їх застосування у системах зворотного осмосу.

EN: Problem Statement. The rapid development of reverse osmosis technologies in water treatment and desalination systems increases the relevance of effective methods for preventing scale formation. Mineral deposits formed on the surface of semi-permeable membranes lead to a 10–15 % reduction in system productivity within the first six months of operation, increased hydraulic resistance, deterioration of permeate quality, as well as a 15–30 % increase in energy consumption and operating costs. The traditional paradigm of direct antiscalant adsorption on crystal surfaces is currently being revised in connection with the discovery of the key role of nanoparticles as centers of heterogeneous nucleation, which explains the extremely low operating concentrations of inhibitors (0.5–20 mg/L). Purpose of the study. The purpose of this work is to establish the relationship between the chemical structure of antiscalants and the mechanisms of their inhibitory action in reverse osmosis systems. Special attention is paid to the interaction of functional groups of phosphonate and polymeric antiscalants with crystal nuclei and nanoparticles, which serve as centers of heterogeneous nucleation. The obtained results are intended to create a theoretical basis for the rational design of next-generation antiscalants. Results. The structural and physicochemical properties of phosphonate antiscalants, in particular PBTC, ATMP, and HEDP, as well as polymeric antiscalants based on polyacrylic acid (PAA), have been analyzed; for PAA, three modes of inhibitory action depending on molecular weight have been identified (threshold mechanism at 2000–3000 Da and other modes for higher masses). It has been established that the effectiveness of phosphonate inhibitors is determined by the optimal combination of chelating properties, adsorption capacity, and molecular stability; the critical distance between functional groups is 2.5–4.0 Å, which corresponds to the geometry of the calcite crystal lattice. It has been shown that the key mechanism of antiscalant action is not direct adsorption on crystal surfaces, but selective blocking of nanoparticles with a size of 10–100 nm, which serve as centers of heterogeneous nucleation; for effective inhibition, it is sufficient to block only 5–10 % of such nanoparticles. Mathematical models describing the thermodynamic and kinetic aspects of crystallization inhibition (modified Gibbs –Thomson equation and Cabrera – Vermilyea equation) have been considered. The obtained results create a theoretical basis for the development of new-generation antiscalants and optimization of their application in reverse osmosis systems.