I. Что такое полиакриламид?

Полиакриламид (ПАМ), с химической точки зрения, представляет собой водорастворимый линейный полимер, образованный полимеризацией, инициированной свободными радикалами, мономеров акриламида (АМ) с молекулярной формулой (C₃H₅НЕТ)n. При комнатной температуре он выглядит как твердое стекловидное вещество, но на практике мы часто сталкиваемся с ним в таких формах, как коллоидные жидкости, латексы, белый порошок, полупрозрачные шарики и хлопья.

Полиакриламид имеет два важных структурных параметра: молекулярный вес и ионные свойства. В зависимости от молекулярного веса его можно разделить на низкомолекулярный, среднемолекулярный, высокомолекулярный и сверхвысокомолекулярный. В зависимости от ионных свойств, то есть характеристик ионизации в водном растворе, его можно разделить на неионные, анионные, катионные и амфотерные ионные типы. Различные типы полиакриламида проявляют различные свойства из-за структурных различий, таким образом адаптируясь к различным сценариям применения.

II.Характеристики полиакриламида

(I) Уникальные физические свойства

Растворимость: Может растворяться в воде в любой пропорции, образуя однородный и прозрачный водный раствор. Это свойство делает его чрезвычайно удобным во многих сценариях, требующих смешивания с водой. Однако после длительного хранения вязкость раствора снизится из-за медленной деградации полимера, особенно при плохих условиях хранения и транспортировки.

Вязкость: Вязкость водного раствора полиакриламида тесно связана с концентрацией; с увеличением концентрации вязкость соответственно увеличивается. Более того, при той же концентрации вязкость раствора полиакриламида с высокой молекулярной массой относительно выше. Между тем, значение рН раствора также влияет на вязкость. В растворах с высоким рН в результате гидролиза в молекулах образуются карбоксилат-анионы, а молекулярные цепи растягиваются из-за электростатического отталкивания, тем самым увеличивая вязкость раствора.

Флокуляция: Высокомолекулярный полиакриламид обладает превосходной флокуляционной эффективностью. Его молекулярные цепи могут искусно образовывать "мосты" между адсорбированными частицами, соединяя несколько или даже десятки частиц вместе, способствуя быстрому образованию хлопьев и значительно ускоряя скорость осаждения частиц. Заряды, переносимые молекулярными цепями, могут оказывать электростатическое притяжение на частицы, а длина молекул обеспечивает хорошую адсорбционную эффективность и места связывания с водородными связями. Эти факторы работают вместе для дальнейшей оптимизации эффекта флокуляции.

(II) Богатые химические свойства

Реакция гидролиза: Полиакриламид может быть преобразован в полимер, содержащий карбоксильные группы, посредством гидролиза амидных групп, и продукт называется частично гидролизованным полиакриламидом. В кислых условиях, хотя реакция гидролиза усиливается кислотой, ее скорость намного ниже, чем у щелочного гидролиза, и обычно требует более высокой температуры.

Реакция гидроксиметилирования: может реагировать с формальдегидом с образованием гидроксиметилированного полиакриламида. Эта реакция может протекать как в кислых, так и в щелочных условиях, но скорость реакции выше в щелочных условиях. В кислых условиях, поскольку формальдегид в основном существует в цепной форме, эффективная концентрация уменьшается, что приводит к более медленной скорости реакции.

Реакция сульфометилирования: эта реакция проводится в щелочных условиях и имеет два способа подачи. Один из них заключается в том, что полиакриламид напрямую реагирует с бисульфитом натрия и формальдегидом в щелочных условиях, образуя анионное производное - сульфометилированный полиакриламид; другой заключается в том, что бисульфит натрия сначала добавляется к раствору метилированного полиакриламида, и сульфометилированный полиакриламид получается после второй реакции. Эта реакция чрезвычайно чувствительна к значению рН. Когда значение рН меньше 10, реакция идет очень медленно при 70 °C; когда значение рН больше 10, скорость реакции значительно увеличивается.

Реакция аминометилирования: также известная как реакция Манниха, полиакриламид, диметиламин и формальдегид могут генерировать полимер диметиламина - N - метилпропенил о-фенилендиамина посредством этой реакции. Это распространенный метод получения катионного полиакриламида, и полученный продукт, благодаря активным боковым цепям группы на молекулярной цепи, может улучшить скорость осветления сточных вод при использовании в качестве флокулянта.

Реакция разложения Хофмана: полиакриламид может реагировать с гипогалогенитами, такими как гипохлорит натрия или гипобромит натрия, в щелочных условиях с образованием катионного поливиниламина.

Реакция сшивания: Водный раствор полиакриламида образует нерастворимый сшитый полиакриламидный гель при нагревании в кислых условиях. Кроме того, он также может вступать в реакции сшивания с глиоксалем, карбамидоформальдегидной смолой, меламиновой смолой, фенольной смолой и т. д. Водный раствор гидролизованного полиакриламида и сополимера акриламида также может вступать в реакции сшивания с многоядерными гидроксильными мостиковыми ионами, генерируемыми ионами высоких металлов, такими как соли алюминия, соли хрома, соли циркония, соли марганца и соли титана, с образованием гелей.

III. Методы получения полиакриламида

(I) Полимеризация в водном растворе

Это старейший метод получения полиакриламида с преимуществами безопасного производства и экономичности, и является важным производственным маршрутом для полиакриламида. Изменяя условия реакции, такие как система инициатора, значение рН среды, тип и дозировка добавок, растворитель и температура полимеризации, можно исследовать влияние на характеристики реакции полимеризации и свойства продукта. Однако из-за использования воды в качестве растворителя содержание примесей в системе низкое, константа переноса цепи мономеров в водном растворе низкая и ограничена условиями процесса, содержание твердого вещества в продуктах полимеризации в водном растворе низкое, а реакция имидизации склонна происходить с образованием гелей, что затрудняет получение полиакриламида с высокой относительной молекулярной массой.

(II) Полимеризация осаждением

Когда полученный полимер не может раствориться в таких растворителях, как ацетон и этанол, полимер будет непрерывно выпадать в осадок из раствора по мере протекания реакции, отсюда и название этого метода полимеризации. Полиакриламид, полученный этим методом, имеет относительно высокую молекулярную массу и хорошую однородность.

(III) Дисперсионная полимеризация

Дисперсионная полимеризация является типом свободнорадикальной полимеризации с кинетическим поведением, аналогичным полимеризации в массе, и может рассматриваться как особый вид полимеризации осаждением. Ее принцип заключается в диспергировании мономеров в воде для образования водного раствора определенной концентрации, а затем добавлении инициатора для полимеризации. В процессе полимеризации предварительно полимеризованные мономеры и инициатор растворяются в реакционной среде, образуя гомогенную систему; образовавшийся полимер осаждается, поскольку он нелегко растворяется в реакционной среде, а осажденный полимер агломерируется друг с другом и под действием стабилизатора стабильно суспендируется в реакционном растворе в виде мелких частиц, образуя гетерогенную дисперсию. Эта система дисперсионной полимеризации имеет высокое содержание твердого вещества, низкую вязкость и хорошую устойчивость к сдвигу.

IV.Области применения полиакриламида

(I) Область очистки воды

Обработка сырой воды: В процессе обработки сырой воды полиакриламид используется в сочетании с активированным углем и другими веществами для коагуляции и осветления взвешенных частиц в бытовой воде. По сравнению с неорганическими флокулянтами, использование органического флокулянта полиакриламида может повысить производительность очистки воды более чем на 20% даже без модификации отстойника.

Очистка сточных вод: полиакриламид играет важную роль в очистке сточных вод. Он может не только увеличить скорость повторного использования воды при рециркуляции, но и использоваться в качестве агента для обезвоживания осадка. Более того, при использовании в сочетании с неорганическими флокулянтами он может значительно улучшить качество воды и снизить дозировку флокулянтов. В то же время хлопья, образованные полиакриламидом, обладают высокой прочностью и хорошими седиментационными характеристиками, что может эффективно улучшить скорость разделения твердого вещества и жидкости и облегчить обезвоживание осадка.

Промышленная очистка воды: В промышленной очистке воды полиакриламид является важным формульным агентом. Его использование может значительно снизить дозировку неорганических флокулянтов, избежать осаждения неорганических веществ на поверхности оборудования, тем самым замедляя коррозию и образование накипи на оборудовании. Сообщается, что 37% от общего мирового производства полиакриламида используется для очистки сточных вод, и его важность в области очистки воды очевидна.

(II) Месторождение нефти

Полиакриламид — универсальный агент для химической обработки нефтяных месторождений, широко используемый во многих операциях по добыче нефти, таких как бурение, цементирование скважин, заканчивание, капитальный ремонт, гидроразрыв пласта, кислотная обработка, закачка воды, закупорка водой и контроль профиля, а также третичная добыча нефти, особенно при бурении, закупорке водой и контроле профиля, а также третичная добыча нефти. Его водный раствор обладает высокой вязкостью и отличными эффектами загущения, флокуляции и реологической корректировки. На средних и поздних стадиях добычи нефти для улучшения добычи нефти Китай в основном продвигает технологии полимерного заводнения и заводнения АСП (щелочь-поверхностно-активное вещество-полимер). За счет закачки водного раствора полиакриламида можно улучшить соотношение расхода нефти и воды, а также увеличить содержание сырой нефти в добываемой жидкости. Добавление полиакриламида при третичном извлечении нефти может повысить нефтевытесняющую способность, предотвратить прорыв нефтяного слоя и, таким образом, повысить скорость извлечения нефтяного пласта. Нефтяная промышленность Китая является крупнейшим потребителем полиакриламида.

(III) Бумажное производство

В области производства бумаги полиакриламид широко используется в качестве удерживающей добавки, дренажной добавки и однородного агента. Он может улучшить качество бумаги, улучшить обезвоживание целлюлозы, увеличить скорость удержания тонких волокон и наполнителей, а также сократить потребление сырья и загрязнение окружающей среды. Как диспергатор он также может улучшить однородность бумаги. В частности, применение полиакриламида в бумажной промышленности в основном отражается в двух аспектах: один заключается в улучшении скорости удержания наполнителей, пигментов и т. д., что снижает потери сырья и загрязнение окружающей среды; другой заключается в повышении прочности бумаги, включая прочность в сухом и влажном состоянии. В то же время использование полиакриламида может также улучшить сопротивление разрыву и пористость бумаги, улучшить визуальные и печатные характеристики бумаги, а также он используется в пищевой и чайной упаковочной бумаге.

(IV) Другие области

Текстильная промышленность: полиакриламид может использоваться в качестве текстильного проклеивающего вещества, демонстрируя стабильные характеристики проклеивания, меньшие потери проклеивания, что может эффективно снизить уровень обрывности тканей и сделать поверхность ткани гладкой.

Медицинские материалы: Полиакриламидный гель может использоваться для производства непротромбиновых гранулирующих агентов, хирургических принадлежностей, сырья для контактных линз, материалов внешнего покрытия для микрокапсул и т. д., а также может быть использован для изготовления высококачественных кровоостанавливающих пробок, женских гигиенических салфеток и детских подгузников. Полиакриламид с соответствующим размером частиц может использоваться в качестве хроматографической насадки для разделения, опреснения, концентрирования белков и других веществ.

Пищевая промышленность: При производстве тростникового и свекловичного сахара полиакриламид может использоваться для осветления сока и флотационной экстракции сиропа. Он также используется при флокуляции и осветлении ферментационного бульона ферментных препаратов и восстановлении кормового белка, а восстановленный белковый порошок не оказывает отрицательного воздействия на выживаемость, прирост веса и яйценоскость кур.

Строительная промышленность: полиакриламид может играть роль в предотвращении попадания воды в строительные материалы для затирки, улучшая качество цемента в промышленности строительных материалов, строительных клеях, средствах для ремонта швов и предотвращении попадания воды.

Улучшение почвы: полиакриламид может улучшить способность почвы противостоять ветровой и водной эрозии и имеет определенную прикладную ценность в улучшении почвы. Кроме того, он также используется в водопоглощающих материалах в детских подгузниках.