I. Poliakrilamid Nedir?

Poliakrilamid (PAM), kimyasal olarak, moleküler formülü (C₃H₅NO)n olan akrilamid (AM) monomerlerinin serbest radikal başlatılmış polimerizasyonuyla oluşan suda çözünen doğrusal bir polimerdir. Oda sıcaklığında sert, camsı bir katı olarak görünür, ancak pratik uygulamalarda genellikle kolloidal sıvılar, lateksler, beyaz toz, yarı saydam boncuklar ve pullar gibi formlarda karşılaşırız.

Poliakrilamidin iki önemli yapısal parametresi vardır: moleküler ağırlık ve iyonik özellik. Moleküler ağırlığa göre düşük moleküler ağırlık, orta moleküler ağırlık, yüksek moleküler ağırlık ve ultra yüksek moleküler ağırlık olarak ayrılabilir. İyonik özelliğe göre, yani sulu çözeltideki iyonlaşma özelliklerine göre iyonik olmayan, anyonik, katyonik ve amfoterik iyonik tiplere ayrılabilir. Farklı poliakrilamid tipleri yapısal farklılıklar nedeniyle farklı özellikler sergiler ve böylece çeşitli uygulama senaryolarına uyum sağlar.

II. Poliakrilamidin Özellikleri

(I) Benzersiz Fiziksel Özellikler

Çözünürlük: Herhangi bir oranda suda çözünebilir ve homojen ve şeffaf bir sulu çözelti oluşturabilir. Bu özellik, suyla karıştırılması gereken birçok senaryoda son derece kullanışlı olmasını sağlar. Ancak uzun süreli depolamadan sonra, özellikle depolama ve taşıma koşulları zayıf olduğunda, polimerin yavaş bozunması nedeniyle çözeltinin viskozitesi azalacaktır.

Viskozite: Poliakrilamid sulu çözeltisinin viskozitesi konsantrasyonla yakından ilişkilidir; konsantrasyon arttıkça viskozite de buna bağlı olarak artar. Ayrıca, aynı konsantrasyonda, yüksek molekül ağırlıklı poliakrilamid çözeltisinin viskozitesi nispeten daha yüksektir. Bu arada, çözeltinin pH değeri de viskoziteyi etkiler. Yüksek pH çözeltilerinde, hidroliz nedeniyle moleküllerde karboksilat anyonları üretilir ve moleküler zincirler elektrostatik itme nedeniyle gerilir, böylece çözeltinin viskozitesi artar.

Flokülasyon: Yüksek moleküler ağırlıklı poliakrilamid mükemmel flokülasyon performansına sahiptir. Moleküler zincirleri, adsorbe edilen parçacıklar arasında "bridges" oluşturarak birkaç veya düzinelerce parçacığı birbirine bağlayabilir, flokların hızlı oluşumunu teşvik edebilir ve parçacıkların sedimantasyon hızını büyük ölçüde hızlandırabilir. Moleküler zincirlerde taşınan yükler parçacıklar üzerinde elektrostatik çekim uygulayabilir ve moleküllerin uzunluğu iyi adsorpsiyon performansı ve hidrojen bağlarıyla bağlanma yerleri sağlar. Bu faktörler flokülasyon etkisini daha da optimize etmek için birlikte çalışır.

(II) Zengin Kimyasal Özellikler

Hidroliz Reaksiyonu: Poliakrilamid, amid gruplarının hidrolizi yoluyla karboksil grupları içeren bir polimere dönüştürülebilir ve ürüne kısmen hidrolize poliakrilamid denir. Asidik koşullarda, hidroliz reaksiyonu asit tarafından artırılsa da, hız alkali hidrolizden çok daha yavaştır ve genellikle daha yüksek bir sıcaklık gerektirir.

Hidroksimetilasyon Reaksiyonu: Formaldehit ile reaksiyona girerek hidroksimetillenmiş poliakrilamid oluşturabilir. Bu reaksiyon hem asidik hem de alkali koşullar altında ilerleyebilir, ancak reaksiyon hızı alkali koşullar altında daha hızlıdır. Asidik koşullarda, formaldehit çoğunlukla zincir formunda bulunduğundan, etkili konsantrasyon azalır ve bu da daha yavaş bir reaksiyon hızıyla sonuçlanır.

Sülfometilasyon Reaksiyonu: Bu reaksiyon alkali koşullar altında gerçekleştirilir ve iki besleme yöntemi vardır. Birincisi, poliakrilamidin alkali koşullar altında doğrudan sodyum bisülfit ve formaldehit ile reaksiyona girerek anyonik türev - sülfometillenmiş poliakrilamid üretmesidir; diğeri ise, sodyum bisülfitin önce metillenmiş poliakrilamid çözeltisine eklenmesi ve ikinci reaksiyondan sonra sülfometillenmiş poliakrilamidin elde edilmesidir. Bu reaksiyon pH değerine karşı son derece hassastır. pH değeri 10'dan düşük olduğunda, reaksiyon 70°C'de çok yavaştır; pH değeri 10'dan büyük olduğunda, reaksiyon hızı önemli ölçüde artar.

Aminometilasyon Reaksiyonu: Mannich reaksiyonu olarak da bilinen poliakrilamid, dimetilamin ve formaldehit, bu reaksiyon yoluyla dimetilamin - N - metilpropenil o-fenilendiamin polimeri üretebilir. Bu, katyonik poliakrilamid hazırlamak için yaygın bir yöntemdir ve elde edilen ürün, moleküler zincirdeki aktif grup yan zincirleri nedeniyle, flokülant olarak kullanıldığında atık suyun berraklaştırma oranını iyileştirebilir.

Hofmann Bozunma Reaksiyonu: Poliakrilamid, alkali koşullar altında sodyum hipoklorit veya sodyum hipobromit gibi hipohalitlerle reaksiyona girerek katyonik polivinilamin oluşturabilir.

Çapraz Bağlanma Reaksiyonu: Poliakrilamidin sulu çözeltisi asidik koşullar altında ısıtıldığında çözünmeyen çapraz bağlı poliakrilamid jeli oluşturacaktır. Ek olarak, glioksal, üre-formaldehit reçinesi, melamin reçinesi, fenolik reçine vb. ile çapraz bağlanma reaksiyonlarına da girebilir. Hidrolize poliakrilamid ve akrilamid kopolimerinin sulu çözeltisi, jeller oluşturmak için alüminyum tuzları, krom tuzları, zirkonyum tuzları, manganez tuzları ve titanyum tuzları gibi yüksek metal iyonları tarafından üretilen polinükleer hidroksil köprülü iyonlarla da çapraz bağlanma reaksiyonlarına girebilir.

III. Poliakrilamidin Hazırlanma Yöntemleri

(I) Sulu Çözelti Polimerizasyonu

Bu, güvenli üretim ve ekonomi avantajlarına sahip olan poliakrilamid üretmek için kullanılan en eski yöntemdir ve poliakrilamid için önemli bir üretim yoludur. Başlatıcı sistem, ortam pH değeri, katkı maddelerinin türü ve dozu, çözücü ve polimerizasyon sıcaklığı gibi reaksiyon koşullarını değiştirerek, polimerizasyon reaksiyonu özellikleri ve ürün özellikleri üzerindeki etki araştırılabilir. Ancak, çözücü olarak su kullanılması nedeniyle, sistemdeki safsızlık içeriği düşüktür, sulu çözeltideki monomerlerin zincir transfer sabiti düşüktür ve işlem koşullarıyla sınırlıdır, sulu çözeltideki polimerizasyon ürünlerinin katı içeriği düşüktür ve imidizasyon reaksiyonu jel oluşturmak için meydana gelmeye meyillidir, bu da yüksek bağıl molekül ağırlıklı poliakrilamid elde etmeyi zorlaştırır.

(II) Çökelme Polimerizasyonu

Elde edilen polimer aseton ve etanol gibi çözücülerde çözünemediğinde, polimer reaksiyon ilerledikçe çözeltiden sürekli çökecektir, dolayısıyla bu polimerizasyon yönteminin adı budur. Bu yöntemle hazırlanan poliakrilamid nispeten yüksek bir molekül ağırlığına ve iyi bir homojenliğe sahiptir.

(III) Dispersiyon Polimerizasyonu

Dispersiyon polimerizasyonu, toplu polimerizasyona benzer kinetik davranışa sahip bir tür serbest radikal polimerizasyonudur ve özel bir çökelme polimerizasyonu türü olarak kabul edilebilir. Prensibi, monomerleri belirli bir konsantrasyonda sulu bir çözelti oluşturmak için suya dağıtmak ve ardından polimerizasyon için bir başlatıcı eklemektir. Polimerizasyon işlemi sırasında, önceden polimerize edilmiş monomerler ve başlatıcı, homojen bir sistem oluşturmak için reaksiyon ortamında çözünür; oluşan polimer, reaksiyon ortamında kolayca çözünmediği için çöker ve çöken polimer birbirleriyle toplanır ve bir stabilizatörün etkisi altında, reaksiyon çözeltisinde ince parçacıklar halinde kararlı bir şekilde süspanse olur ve heterojen bir dispersiyon oluşturur. Bu dispersiyon polimerizasyon sistemi yüksek katı içeriğine, düşük viskoziteye ve iyi kayma kararlılığına sahiptir.

IV. Poliakrilamidin Uygulama Alanları

(I) Su Arıtma Alanı

Ham Su Arıtma: Ham su arıtma sürecinde poliakrilamid, evsel suda asılı parçacıkları pıhtılaştırmak ve berraklaştırmak için aktif karbon ve diğer maddelerle birlikte kullanılır. İnorganik flokülantlarla karşılaştırıldığında, organik flokülant poliakrilamid kullanımı, çökelme tankını değiştirmeden bile su arıtma kapasitesini %20'den fazla artırabilir.

Atıksu Arıtımı: Poliakrilamid atıksu arıtımında önemli bir rol oynar. Sadece su geri dönüşümünün yeniden kullanım oranını artırmakla kalmaz, aynı zamanda çamur susuzlaştırma maddesi olarak da kullanılabilir. Dahası, inorganik flokülantlarla birlikte kullanıldığında, su kalitesini önemli ölçüde iyileştirebilir ve flokülantların dozajını azaltabilir. Aynı zamanda, poliakrilamid tarafından oluşturulan floklar yüksek mukavemete ve iyi sedimantasyon performansına sahiptir, bu da katı-sıvı ayırma hızını etkili bir şekilde iyileştirebilir ve çamur susuzlaştırmayı kolaylaştırabilir.

Endüstriyel Su Arıtma: Endüstriyel su arıtımında poliakrilamid önemli bir formül maddesidir. Kullanımı inorganik flokülantların dozajını büyük ölçüde azaltabilir, ekipman yüzeyinde inorganik maddelerin birikmesini önleyebilir ve böylece ekipmanın korozyonunu ve kireçlenmesini yavaşlatabilir. Poliakrilamidin küresel toplam çıktısının %37'sinin atık su arıtımında kullanıldığı bildirilmektedir ve su arıtımı alanındaki önemi kendiliğinden anlaşılmaktadır.

(II) Petrol Çıkarma Sahası

Poliakrilamid, sondaj, kuyu çimentolama, tamamlama, işleme, kırma, asitleme, su enjeksiyonu, su tıkama ve profil kontrolü ve üçüncül petrol geri kazanımı gibi birçok petrol çıkarma işleminde yaygın olarak kullanılan çok yönlü bir petrol sahası kimyasal işlem maddesidir, özellikle sondaj, su tıkama ve profil kontrolü ve üçüncül petrol geri kazanımında. Sulu çözeltisi yüksek viskoziteye ve mükemmel kalınlaştırma, flokülasyon ve reolojik ayarlama etkilerine sahiptir. Petrol çıkarma işleminin orta ve sonraki aşamalarında, petrol geri kazanımını iyileştirmek için Çin esas olarak polimer taşma ve ASP (alkali-yüzey aktif madde-polimer) taşma teknolojilerini teşvik etmektedir. Poliakrilamid sulu çözeltisi enjekte edilerek, petrol-su akış hızı oranı iyileştirilebilir ve üretilen sıvıdaki ham petrol içeriği artırılabilir. Üçüncül petrol geri kazanımına poliakrilamid eklemek, petrol yer değiştirme kapasitesini artırabilir, petrol tabakasının kırılmasını önleyebilir ve böylece petrol rezervuarının geri kazanım oranını iyileştirebilir. Çin'in petrol endüstrisi, poliakrilamidin en büyük kullanıcısıdır.

(III) Kağıt Üretim Alanı

Kağıt yapım alanında poliakrilamid, tutma yardımcısı, drenaj yardımcısı ve tekdüzelik maddesi olarak yaygın olarak kullanılır. Kağıdın kalitesini iyileştirebilir, hamurun susuzlaştırma performansını artırabilir, ince liflerin ve dolgu maddelerinin tutma oranını artırabilir ve hammadde tüketimini ve çevre kirliliğini azaltabilir. Bir dağıtıcı olarak, kağıdın tekdüzeliğini de iyileştirebilir. Özellikle, poliakrilamidin kağıt yapım endüstrisindeki uygulaması esas olarak iki yönden yansıtılır: biri, dolgu maddelerinin, pigmentlerin vb. tutma oranını iyileştirerek hammadde kaybını ve çevre kirliliğini azaltmaktır; diğeri, kuru mukavemet ve ıslak mukavemet dahil olmak üzere kağıdın mukavemetini artırmaktır. Aynı zamanda, poliakrilamidin kullanımı kağıdın yırtılma direncini ve gözenekliliğini de iyileştirebilir, kağıdın görsel ve baskı performansını artırabilir ve ayrıca gıda ve çay paketleme kağıdında kullanılır.

(IV) Diğer Alanlar

Tekstil Endüstrisi: Poliakrilamid, kumaşların kırılma oranını etkili bir şekilde azaltabilen ve kumaş yüzeyini pürüzsüz hale getirebilen, istikrarlı boyutlandırma performansı ve daha az boyutlandırma kaybı ile tekstil boyutlandırma maddesi olarak kullanılabilir.

Tıbbi Malzemeler: Poliakrilamid jel, protrombin olmayan granülasyon ajanları, cerrahi malzemeler, kontakt lensler için ham maddeler, mikrokapsüller için dış kaplama malzemeleri vb. üretmek için kullanılabilir ve ayrıca yüksek kaliteli hemostatik tıkaçlar, kadın hijyenik pedleri ve bebek bezleri haline getirilebilir. Uygun parçacık boyutuna sahip poliakrilamid, ayırma, tuzdan arındırma, proteinlerin ve diğer maddelerin konsantrasyonu için kromatografik paketleme olarak kullanılabilir.

Gıda Endüstrisi: Kamış şekeri ve pancar şekeri üretiminde poliakrilamid, meyve suyu berraklaştırma ve şurup flotasyon ekstraksiyonu için kullanılabilir. Ayrıca enzim hazırlama fermantasyon suyu flokülasyonunda ve berraklaştırılmasında ve yem proteininin geri kazanılmasında kullanılır ve geri kazanılan protein tozunun tavukların hayatta kalma oranı, kilo alımı ve yumurta üretimi üzerinde olumsuz bir etkisi yoktur.

İnşaat Sektörü: Poliakrilamid, inşaat harç malzemelerinin su tıkamasında, yapı malzemeleri sektöründe çimento kalitesinin iyileştirilmesinde, inşaat yapıştırıcılarında, derz onarımında ve su tıkama maddelerinde rol oynayabilir.

Toprak İyileştirme: Poliakrilamid, toprağın rüzgar erozyonuna ve su erozyonuna karşı direnç yeteneğini iyileştirebilir ve toprak iyileştirmede belirli bir uygulama değerine sahiptir. Ayrıca, bebek bezlerinde su emici malzemelerde de kullanılır.