I. Apakah Poliakrilamida?

Poliakrilamida (PAM), secara kimia, ialah polimer linear larut air yang dibentuk oleh pempolimeran monomer akrilamida (AM) yang dimulakan oleh radikal bebas, dengan formula molekul (C₃H₅NO)n. Ia kelihatan sebagai pepejal berkaca keras pada suhu bilik, tetapi dalam aplikasi praktikal, kita sering menemuinya dalam bentuk seperti cecair koloid, lateks, serbuk putih, manik lut sinar dan kepingan.

Poliakrilamida mempunyai dua parameter struktur penting: berat molekul dan sifat ionik. Berdasarkan berat molekul, ia boleh dibahagikan kepada berat molekul rendah, berat molekul sederhana, berat molekul tinggi, dan berat molekul ultra tinggi. Mengikut sifat ionik, iaitu ciri-ciri pengionan dalam larutan akueus, ia boleh dikelaskan kepada jenis ionik bukan ionik, anionik, kationik dan amfoterik. Jenis poliakrilamida yang berbeza mempamerkan sifat yang berbeza disebabkan oleh perbezaan struktur, dengan itu menyesuaikan diri dengan pelbagai senario aplikasi.

II. Ciri-ciri Poliakrilamida

(I) Sifat Fizikal yang Unik

Keterlarutan: Ia boleh larut dalam air dalam sebarang perkadaran, membentuk larutan akueus yang seragam dan telus. Hartanah ini menjadikannya sangat mudah dalam banyak senario yang memerlukan pencampuran dengan air. Walau bagaimanapun, selepas penyimpanan jangka panjang, kelikatan larutan akan berkurangan disebabkan oleh degradasi polimer yang perlahan, terutamanya apabila keadaan penyimpanan dan pengangkutan kurang baik.

Kelikatan: Kelikatan larutan akueus polyacrylamide berkait rapat dengan kepekatan; apabila kepekatan meningkat, kelikatan meningkat dengan sewajarnya. Selain itu, pada kepekatan yang sama, kelikatan larutan poliakrilamida berat molekul tinggi secara relatifnya lebih tinggi. Manakala, nilai pH larutan juga mempengaruhi kelikatan. Dalam larutan pH tinggi, disebabkan oleh hidrolisis, anion karboksilat dijana dalam molekul, dan rantai molekul meregang akibat tolakan elektrostatik, dengan itu meningkatkan kelikatan larutan.

Pemberbukuan: Polyacrylamide berat molekul tinggi mempunyai prestasi pemberbukuan yang sangat baik. Rantai molekulnya dengan bijak boleh membentuk "bridges" antara zarah terjerap, menghubungkan beberapa atau bahkan berdozen zarah bersama-sama, menggalakkan pembentukan flok yang cepat dan mempercepatkan kadar pemendapan zarah. Caj yang dibawa pada rantai molekul boleh menimbulkan daya tarikan elektrostatik pada zarah, dan panjang molekul memberikan prestasi penjerapan yang baik dan tapak mengikat dengan ikatan hidrogen. Faktor-faktor ini bekerjasama untuk mengoptimumkan lagi kesan pemberbukuan.

(II) Sifat Kimia yang Kaya

Tindak balas Hidrolisis: Poliakrilamida boleh ditukar kepada polimer yang mengandungi kumpulan karboksil melalui hidrolisis kumpulan amida, dan produk itu dipanggil poliakrilamida terhidrolisis separa. Dalam keadaan berasid, walaupun tindak balas hidrolisis dipertingkatkan oleh asid, kadarnya jauh lebih perlahan daripada hidrolisis alkali dan biasanya memerlukan suhu yang lebih tinggi.

Tindak balas Hidroksimetilasi: Ia boleh bertindak balas dengan formaldehid untuk membentuk poliakrilamida hidroksimetilasi. Tindak balas ini boleh diteruskan dalam kedua-dua keadaan berasid dan beralkali, tetapi kadar tindak balas adalah lebih cepat dalam keadaan beralkali. Dalam keadaan berasid, kerana formaldehid kebanyakannya wujud dalam bentuk rantai, kepekatan berkesan berkurangan, menyebabkan kadar tindak balas yang lebih perlahan.

Tindak balas Sulfometilasi: Tindak balas ini dijalankan dalam keadaan beralkali dan mempunyai dua kaedah pemakanan. Satu ialah poliakrilamida bertindak balas secara langsung dengan natrium bisulfit dan formaldehid di bawah keadaan beralkali untuk menjana terbitan anionik - poliakrilamida sulfometilasi; yang lain ialah natrium bisulfit mula-mula ditambah kepada larutan poliakrilamida metilasi, dan poliakrilamida sulfometilasi diperoleh selepas tindak balas kedua. Tindak balas ini sangat sensitif terhadap nilai pH. Apabila nilai pH kurang daripada 10, tindak balas adalah sangat perlahan pada 70°C; apabila nilai pH lebih besar daripada 10, kadar tindak balas meningkat dengan ketara.

Tindak balas Aminometilasi: Juga dikenali sebagai tindak balas Mannich, poliakrilamida, dimetilamina, dan formaldehid boleh menghasilkan polimer dimetilamina - N - metilpropenil o-phenylenediamine melalui tindak balas ini. Ini adalah kaedah biasa untuk menyediakan polyacrylamide kationik, dan produk yang terhasil, disebabkan oleh rantai sisi kumpulan aktif pada rantai molekul, boleh meningkatkan kadar penjelasan air sisa apabila digunakan sebagai flokulan.

Tindak balas Degradasi Hofmann: Poliakrilamida boleh bertindak balas dengan hipohalit seperti natrium hipoklorit atau natrium hipobromit di bawah keadaan beralkali untuk menghasilkan polivinilamin kationik.

Tindak balas Pautan Silang: Larutan berair poliakrilamida akan membentuk gel poliakrilamida terpaut tidak larut apabila dipanaskan dalam keadaan berasid. Di samping itu, ia juga boleh mengalami tindak balas silang silang dengan glyoxal, resin urea-formaldehid, resin melamin, resin fenolik, dll. Larutan akueus poliakrilamida terhidrolisis dan kopolimer akrilamida juga boleh mengalami tindak balas silang silang dengan ion terjembatan hidroksil polinuklear yang dihasilkan oleh ion logam garam tinggi, saltonium seperti garam mangan, dan garam titanium untuk membentuk gel.

III. Kaedah Penyediaan Poliakrilamida

(I) Pempolimeran Larutan Berair

Ini adalah kaedah tertua untuk menghasilkan polyacrylamide, dengan kelebihan pengeluaran dan ekonomi yang selamat, dan merupakan laluan pengeluaran penting untuk polyacrylamide. Dengan menukar keadaan tindak balas seperti sistem pemula, nilai pH sederhana, jenis dan dos bahan tambahan, pelarut, dan suhu pempolimeran, pengaruh ke atas ciri tindak balas pempolimeran dan sifat produk boleh diterokai. Walau bagaimanapun, disebabkan penggunaan air sebagai pelarut, kandungan kekotoran dalam sistem adalah rendah, pemalar pemindahan rantai monomer dalam larutan akueus adalah rendah, dan dihadkan oleh keadaan proses, kandungan pepejal produk pempolimeran dalam larutan akueus adalah rendah, dan tindak balas imidisasi terdedah kepada berlaku untuk membentuk gel, menjadikannya sukar untuk mendapatkan poliakrilamida berat molekul relatif tinggi.

(II) Pempolimeran Kerpasan

Apabila polimer yang terhasil tidak boleh larut dalam pelarut seperti aseton dan etanol, polimer akan terus memendakan daripada larutan apabila tindak balas berjalan, maka nama kaedah pempolimeran ini. Poliakrilamida yang disediakan dengan kaedah ini mempunyai berat molekul yang agak tinggi dan keseragaman yang baik.

(III) Pempolimeran Serakan

Pempolimeran penyebaran ialah sejenis pempolimeran radikal bebas, dengan kelakuan kinetik serupa dengan pempolimeran pukal, dan boleh dianggap sebagai pempolimeran kerpasan khas. Prinsipnya adalah untuk menyebarkan monomer ke dalam air untuk membentuk larutan akueus dengan kepekatan tertentu, dan kemudian menambah pemula untuk pempolimeran. Semasa proses pempolimeran, monomer dan pemula prapolimer terlarut dalam medium tindak balas untuk membentuk sistem homogen; polimer yang dijana memendakan kerana ia tidak mudah larut dalam medium tindak balas, dan polimer termendak berkumpul antara satu sama lain, dan di bawah tindakan penstabil, terampai secara stabil dalam larutan tindak balas dalam bentuk zarah halus, membentuk penyebaran heterogen. Sistem pempolimeran penyebaran ini mempunyai kandungan pepejal yang tinggi, kelikatan rendah, dan kestabilan ricih yang baik.

IV. Bidang Aplikasi Poliakrilamida

(I) Medan Rawatan Air

Rawatan Air Mentah: Dalam proses rawatan air mentah, polyacrylamide digunakan bersama-sama dengan karbon teraktif dan bahan lain untuk menggumpal dan menjelaskan zarah terampai dalam air domestik. Berbanding dengan flokulan bukan organik, penggunaan polyacrylamide flokulan organik boleh meningkatkan kapasiti penulenan air lebih daripada 20% walaupun tanpa mengubah suai tangki pemendapan.

Rawatan Air Sisa: Poliakrilamida memainkan peranan penting dalam rawatan air sisa. Ia bukan sahaja boleh meningkatkan kadar penggunaan semula kitar semula air tetapi juga digunakan sebagai agen penyahair enapcemar. Selain itu, apabila digunakan dalam kombinasi dengan flokulan bukan organik, ia boleh meningkatkan kualiti air dengan ketara dan mengurangkan dos flokulan. Pada masa yang sama, floc yang dibentuk oleh polyacrylamide mempunyai kekuatan tinggi dan prestasi pemendapan yang baik, yang boleh meningkatkan kelajuan pengasingan pepejal-cecair dengan berkesan dan memudahkan penyahairan enapcemar.

Rawatan Air Perindustrian: Dalam rawatan air industri, polyacrylamide ialah ejen formula yang penting. Penggunaannya boleh mengurangkan dos flokulan bukan organik, mengelakkan pemendapan bahan bukan organik pada permukaan peralatan, dengan itu memperlahankan kakisan dan penskalaan peralatan. Dilaporkan bahawa 37% daripada jumlah keluaran global poliakrilamida digunakan untuk rawatan air sisa, dan kepentingannya dalam bidang rawatan air adalah jelas.

(II) Medan Perahan Minyak

Polyacrylamide ialah agen rawatan kimia medan minyak yang serba boleh, digunakan secara meluas dalam banyak operasi pengekstrakan minyak seperti penggerudian, penyimenan telaga, penyiapan, kerja-kerja patah, pengasidan, suntikan air, palam air dan kawalan profil, dan pemulihan minyak tertier, terutamanya dalam penggerudian, palam air dan kawalan profil, dan pemulihan minyak tertier. Larutan berairnya mempunyai kelikatan yang tinggi dan kesan penebalan, pemberbukuan, dan reologi yang sangat baik. Pada peringkat pertengahan dan akhir pengekstrakan minyak, untuk meningkatkan pemulihan minyak, China terutamanya menggalakkan banjir polimer dan teknologi banjir ASP (alkali-surfaktan-polimer). Dengan menyuntik larutan akueus polyacrylamide, nisbah kadar aliran minyak-air boleh dipertingkatkan, dan kandungan minyak mentah dalam cecair yang dihasilkan boleh ditingkatkan. Menambah poliakrilamida dalam pemulihan minyak tertiari boleh meningkatkan kapasiti anjakan minyak, menghalang penembusan lapisan minyak, dan dengan itu meningkatkan kadar pemulihan takungan minyak. Industri petroleum China ialah pengguna terbesar poliakrilamida.

(III) Bidang Pembuatan Kertas

Dalam bidang pembuatan kertas, polyacrylamide digunakan secara meluas sebagai bantuan pengekalan, bantuan saliran, dan agen keseragaman. Ia boleh meningkatkan kualiti kertas, meningkatkan prestasi penyahairan pulpa, meningkatkan kadar pengekalan gentian halus dan pengisi, dan mengurangkan penggunaan bahan mentah dan pencemaran alam sekitar. Sebagai penyebar, ia juga boleh meningkatkan keseragaman kertas. Khususnya, penggunaan polyacrylamide dalam industri pembuatan kertas terutamanya dicerminkan dalam dua aspek: satu adalah untuk meningkatkan kadar pengekalan pengisi, pigmen, dll., mengurangkan kehilangan bahan mentah dan pencemaran alam sekitar; yang lain adalah untuk meningkatkan kekuatan kertas, termasuk kekuatan kering dan kekuatan basah. Pada masa yang sama, penggunaan polyacrylamide juga boleh meningkatkan rintangan koyakan dan keliangan kertas, meningkatkan prestasi visual dan percetakan kertas, dan ia juga digunakan dalam kertas pembungkusan makanan dan teh.

(IV) Bidang Lain

Industri Tekstil: Poliakrilamida boleh digunakan sebagai ejen saiz tekstil, dengan prestasi saiz yang stabil, kehilangan saiz yang kurang, yang boleh mengurangkan kadar pecah fabrik dengan berkesan dan menjadikan permukaan fabrik licin.

Bahan Perubatan: Gel poliakrilamida boleh digunakan untuk mengeluarkan agen granulasi bukan protrombin, bekalan pembedahan, bahan mentah untuk kanta sentuh, bahan salutan luar untuk mikrokapsul, dsb., dan juga boleh dijadikan palam hemostatik berkualiti tinggi, tuala wanita dan lampin bayi. Poliakrilamida dengan saiz zarah yang sesuai boleh digunakan sebagai pembungkusan kromatografi untuk pengasingan, penyahgaraman, kepekatan protein dan bahan lain.

Industri Makanan: Dalam pengeluaran gula tebu dan gula bit, polyacrylamide boleh digunakan untuk penjelasan jus dan pengekstrakan pengapungan sirap. Ia juga digunakan dalam pemberbukuan dan penjelasan sup penapaian penyediaan enzim dan pemulihan protein makanan, dan serbuk protein yang dipulihkan tidak mempunyai kesan buruk terhadap kadar kemandirian, penambahan berat badan, dan pengeluaran telur ayam.

Industri Pembinaan: Poliakrilamida boleh memainkan peranan dalam penyumbatan air bahan grouting awam, meningkatkan kualiti simen dalam industri bahan binaan, pelekat pembinaan, pembaikan sendi dan agen penyumbat air.

Pembaikan Tanah: Poliakrilamida boleh meningkatkan keupayaan tanah untuk menahan hakisan angin dan hakisan air, dan mempunyai nilai aplikasi tertentu dalam pembaikan tanah. Selain itu, ia juga digunakan dalam bahan penyerap air dalam lampin bayi.