پلی اکریل امید‌های آنیونی چیست؟
پلی اکریل امیدها یک دسته از ترکیبات شیمیایی هستند که در فرآیندهای صنعتی مختلف، به ویژه در تصفیه آب و فرآوری مواد معدنی، نقش حیاتی ایفا میکنند. این دسته از پلیمر ها با بار منفی خود به ایجاد فلاک ( لخته های ) بزرگ کمک میکنند که به طور موثر ذرات را از مایعات جدا میکنند. در این فرایند ته نشین سازی با استفاده از فلوکولانت‌ها توسط مکانیزهای مخصوص این پلیمر ها ذرات به هم چسبیده و لخته های بزرگی ایجاد میکنند که با بزرگتر شدن فلاک‌ها ته نشین شدن آن‌ها سریع‌تر خواهد شد.
ساختار شیمی پلی اکریل امید‌های آنیونی
ساختار شیمی پلی اکریل امید‌های آنیونی معمولاً از زنجیره‌های بلند واحدهای تکراری مونومر با گروه‌های عاملی دارای بار منفی تشکیل شده‌اند. رایج‌ترین مونومرهای استفاده شده در سنتز پلی اکریل امید‌های آنیونی عبارتند از:
اکریل‌آمید: یک ترکیب آلی محلول در آب که ستون فقرات بسیاری از پلی اکریل امید‌های آنیونی را تشکیل می‌دهند.
اسید اکریلیک: یک اسید آلی که گروه‌های کربوکسیل (COOH) به زنجیره پلیمر اضافه می‌کند و بار منفی را به آن می‌دهد.
نسبت این مونومرها و وزن مولکولی کلی پلیمر می‌تواند برای دستیابی به ویژگی‌های عملکردی خاص تنظیم شود. بار منفی پلی اکریل امید‌های آنیونی ناشی از یونیزاسیون گروه‌های کربوکسیل در آب است که یون‌های هیدروژن (H+) را آزاد میکنند و یون‌های کربوکسیلات با بار منفی باقی می‌گذارند.
به‌طور دقیق‌تر پلی اکریل امید‌های آنیونی معمولاً پلیمرهایی با گروه‌های عاملی دارای بار منفی در طول زنجیره‌های مولکولی خود هستند. این گروه‌ها، عمدتاً کربوکسیلات‌ها (-COO-) یا سولفونات‌ها (-SO3-)، به پلی اکریل امیدها اجازه می‌دهند تا با ذرات معلق دارای بار مثبت در آب تعامل کرده و آن‌ها را تجمع دهند.
عوامل مهم در ساختار پلی الکترولیت آنیونی
- پلیمر پایه: پلیمر پایه غالب برای فلوکولانت‌های آنیونی پلی‌آکریل‌آمید (PAM) است. PAM پلیمر محلول در آب است که به خاطر وزن مولکولی بالا و آسانی اصلاح‌شدن شناخته شده است.
- مونومرهای آنیونی: برای دادن خاصیت آنیونی مورد نظر به PAM، هم‌مونومرهایی که گروه‌های عاملی آنیونی دارند در طی فرآیند پلیمریزاسیون معرفی می‌شوند. نمونه‌های رایج شامل اسید اکریلیک (AA) و آکریلات سدیم (NaA) هستند.
- درجه هیدرولیز: در زمینه پلی الکترولیت‌های آنیونی مبتنی بر PAM، درجه هیدرولیز به درصد گروه‌های آمید (-CONH2) در زنجیره PAM اشاره دارد که به گروه‌های کربوکسیلات (-COO-) تبدیل شده‌اند. این پارامتر به‌طور قابل‌توجهی بر چگالی بار و عملکرد پلی اکریل امید تأثیر می‌گذارد.
- وزن مولکولی: وزن مولکولی پلی الکترولیت آنیونی نقش حیاتی در اثربخشی آن ایفا می‌کند. وزن مولکولی بالاتر معمولاً منجر به افزایش پل‌سازی و کارآیی فلاکولاسیون می‌شود به‌دلیل این‌که زنجیره‌های طولانی‌تر پلیمر می‌توانند با ذرات بیشتری تعامل کنند. با این حال، وزن مولکولی بسیار بالا می‌تواند منجر به افزایش ویسکوزیته شود و تأثیر منفی بر حمل و حل شدن داشته باشد.
- چگالی بار: تعداد گروه‌های آنیونی به ازای واحد جرم پلیمر چگالی بار آن را تعیین می‌کند. چگالی بار بالاتر به‌طور کلی منجر به تعاملات الکترواستاتیکی قوی‌تر با ذرات با بار مثبت می‌شود و فلاکولاسیون را بهبود می‌بخشد.
از بین پارامترهای مربوط به ساختار پلی اکریل امیدها می‌توان به وزن مولکولی و چگالی بار یونی (شارژ یونی) به عنوان حیاتی‌ترین پارامترهای فلوکولامنت نام برد. این دو پارامتر کلیدی بیشترین تاثیر بر میزان جذب و سرعت و نیز کیفیت لخته ها و نیز کیفیت اب پاکسازی شده دارد.
وزن مولکولی (MW) :
به اندازه زنجیره پلیمر اشاره دارد و به‌طور مستقیم بر توانایی آن در ایجاد پل و ارتباط بین ذرات تاثیر می‌گذارد.
پلی الکترولیت‌های با MW پایین:
- زنجیره‌های کوتاه‌تر، ظرفیت ایجاد پل محدود.
- عمدتاً از طریق خنثی‌سازی بار عمل میکنند و بار سطحی ذرات را برای تسهیل تجمع خنثی میکنند.
- مناسب برای ذرات کوچک‌تر و سیستم‌های با غلظت جامدات کمتر.
پلی اکریل امید‌های با MW بالا:
- زنجیره‌های بلندتر، ظرفیت ایجاد پل گسترده.
- می‌توانند به‌طور همزمان به چندین ذره جذب شوند و فلوک‌های بزرگتر و قوی‌تر را تشکیل دهند.
- موثر برای ذرات بزرگتر و غلظت‌های بالاتر جامدات.
- می‌توانند ویسکوزیته محلول را افزایش داده و اختلاط را دشوار کرده و نیاز به انرژی بیشتر داشته باشند.
- ۲. چگالی بار (CD)
تعداد گروه‌های باردار در واحد جرم پلیمر را نشان می‌دهد و بر قدرت تعاملات الکترواستاتیکی تاثیر می‌گذارد.
فلوکولانت‌های با CD پایین:
- جذب الکترواستاتیکی ضعیف‌تر به ذرات با بار مخالف.
- ممکن است به دوزهای بالاتری برای دستیابی به فلاکولاسیون موثر نیاز داشته باشند.
- مناسب برای سیستم‌هایی با بار سطحی کم یا زمانی که هدف کاهش جذب پلیمر است.
فلوکولانت‌های با CD بالا:
- جذب الکترواستاتیکی قوی‌تر و ترویج فلاکولاسیون سریع.
- می‌توانند به‌طور موثر ذرات با بار بالا را خنثی کنند.
- ممکن است در صورت کنترل نادرست به دوز بالاتر و باز‌پایداری منجر شوند.
با توجه به نوع فعالیت اندازه ذرات می‌توان نوع پلی اکریل امید را انتخاب کرد. از همین رو در جهت انتخاب فلوکولانت بهینه و نسبت جرم مولکولی و بار یونی برخی مهندسان به عوامل زیر توجه میکنند.
- ذرات کوچک، کدورت کم: پلی اکریل امید‌های با MW پایین و CD بالا ممکن است برای خنثی‌سازی بار و ته‌نشینی موثر کافی باشند.
- ذرات بزرگ، کدورت بالا: فلوکولانت‌های با MW بالا و CD متوسط برای ایجاد پل موثر و تشکیل فلوک‌های قوی مناسب هستند.
- تعلیق‌های رقیق: پلی اکریل امید‌های با MW پایین ممکن است برای جلوگیری از ایجاد پل بیش از حد و حفظ قابلیت ته‌نشینی خوب کافی باشند.
- تعلیق‌های غلیظ: فلوکولانت‌های با MW بالا برای ایجاد پل موثر و مدیریت تعاملات ذرات افزایش‌یافته ضروری هستند.
مکانیزم‌های عملکرد پلی اکریل امید‌های آنیونی TFLOC سری در فلاکولاسیون:
فلاکولانت‌های آنیونی ابزارهای اساسی در فرآیندهای صنعتی مختلف، به ویژه در تصفیه آب و فاضلاب هستند که به دلیل توانایی بی‌نظیرشان در ایجاد فلاکولاسیون مورد استفاده قرار می‌گیرند. فلاکولاسیون، فرآیند تجمع ذرات معلق ریز به فلوک‌های بزرگتر و قابل ته‌نشین شدن است که به شدت بر مکانیزم‌های پیچیده این پلیمرهای با بار منفی متکی است. بیایید به بررسی مکانیزم‌های اصلی که پلی اکریل امید‌های آنیونی از طریق آن‌ها به این فرآیند دست می‌یابند بپردازیم:
- خنثی‌سازی بار بسیاری از ذرات معلق در آب، مانند رس‌ها، مواد معدنی دارای بار سطحی مثبت هستند. فلاکولانت‌های آنیونی با داشتن گروه‌های عاملی با بار منفی فراوان (معمولاً یون‌های کربوکسیلات)، به عنوان یون‌های متقابل برای این ذرات باردار مثبت عمل میکنند. پس از معرفی، مولکول‌های پلی اکریل امید با بار منفی به سطح ذرات جذب شده و بار سطحی آن‌ها را به‌طور موثری خنثی میکنند. این خنثی‌سازی نیروهای دافعه الکترواستاتیکی بین ذرات را کاهش داده و به آن‌ها اجازه می‌دهد که به یکدیگر نزدیک‌تر شوند.
- ایجاد پل: پلی اکریل امید‌های آنیونی معمولاً پلیمرهایی با وزن مولکولی بالا و زنجیره‌های بلند هستند. این زنجیره‌های بلند می‌توانند به‌طور همزمان به چندین ذره جذب شده و پل‌هایی بین آن‌ها تشکیل دهند. این مکانیزم پل‌سازی تجمعات یا فلوک‌های بزرگتری ایجاد می‌کند که اندازه و وزن آن‌ها افزایش یافته و بنابراین نرخ ته‌نشینی آن‌ها بهبود می‌یابد. کارآیی پل‌سازی به عواملی مانند وزن مولکولی فلاکولانت، چگالی بار و غلظت ذرات بستگی دارد.
- جذب پلیمر جذب پلی اکریل امید‌های آنیونی به سطح ذرات یک فرآیند پیچیده است که تحت تاثیر عوامل مختلفی قرار می‌گیرد، از جمله:
- تعاملات الکترواستاتیکی: نیروی اصلی محرک جذب، جذب الکترواستاتیکی بین فلاکولانت با بار منفی و سطح ذرات با بار مثبت است.
- پیوند هیدروژنی: پیوندهای هیدروژنی می‌توانند بین فلاکولانت و سطح ذره تشکیل شده و جذب را تقویت کنند.
- نیروهای واندروالسی: این نیروهای جاذبه ضعیف به فرآیند کلی جذب کمک میکنند.
تشکیل لخته
تشکیل و رشد لخته یا فلاک پس از جذب اولیه و خنثی‌سازی بار، ذرات شروع به تجمع کرده و میکرولخته‌ها تشکیل می‌شوند. این میکرولخته‌ها از طریق مکانیزم‌های پل‌سازی و سایر مکانیزم‌ها با هم برخورد کرده و ترکیب می‌شوند و منجر به رشد لخته‌های بزرگتر می‌شوند. این فرآیند تا زمانی که یک ساختار لخته ای پایدار شکل بگیرد، ادامه می‌یابد و تعادل بین نیروهای جاذبه (پل‌سازی، واندروالسی) و نیروهای دافعه (هیدرودینامیکی) را حفظ می‌کند.
عوامل موثر بر کارآیی فلاکولاسیون چندین عامل بر اثربخشی پلی اکریل امید‌های آنیونی در فلاکولاسیون تاثیر می‌گذارند:
- ویژگی‌های فلاکولانت: وزن مولکولی، چگالی بار و ساختار شیمیایی فلاکولانت نقش حیاتی دارند.
- ویژگی‌های ذرات: اندازه ذرات، بار سطحی و غلظت بر فرآیند فلاکولاسیون تاثیر می‌گذارند.
- شرایط محلول: pH، قدرت یونی و دمای محلول می‌توانند به‌طور قابل‌توجهی بر کارآیی فلاکولاسیون تاثیر بگذارند.
- شرایط اختلاط: اختلاط کافی برای توزیع یکنواخت پلی اکریل امید و برخورد ذرات ضروری است، اما اختلاط بیش از حد می‌تواند فلوک‌ها را شکسته و اندازه آن‌ها را کاهش دهد.
مکانیزم‌های پیشرفته علاوه بر خنثی‌سازی بار و پل‌سازی، مکانیزم‌های دیگری نیز می‌توانند به فلاکولاسیون با فلاکولانت‌های آنیونی کمک کنند:
- فلاکولاسیون تخلیه‌ای: این اتفاق زمانی رخ می‌دهد که غلظت‌های بالایی از پلیمرهای غیرجذب‌کننده وجود داشته باشند که با ایجاد یک گرادیان فشار اسمزی ذرات را به تجمع وادار میکنند.
- فلاکولاسیون وصله‌ای: این مکانیزم شامل جذب پلی الکترولیت‌ها به مناطق خاص یا نواحی روی سطح ذره است که منجر به خنثی‌سازی بار محلی و پل‌سازی می‌شود.
- فلاکولاسیون جاروبی: زمانی اتفاق می‌افتد که یک منعقدکننده (مثلاً آلوم) برای تشکیل رسوبات نامحلول استفاده می‌شود که ذرات را از محلول “جارو” میکنند. اگرچه به‌طور مستقیم به MW و CD پلی اکریل امید مرتبط نیست، این مکانیسم می‌تواند تحت تاثیر اندازه و ساختار فلوک‌های تشکیل شده توسط پلی الکترولیت قرار گیرد.
پلی اکریل امید‌های آنیونی از طریق ترکیبی از مکانیزم‌های پیچیده، عمدتاً خنثی‌سازی بار و پل‌سازی، فلاکولاسیون را ایجاد میکنند. درک این مکانیزم‌ها و عوامل موثر بر آن‌ها برای بهینه‌سازی فرآیندهای فلاکولاسیون در کاربردهای مختلف ضروری است. با انتخاب دقیق پلی الکترولیت آنیونی مناسب و کنترل پارامترهای عملیاتی، صنایع می‌توانند جداسازی جامد-مایع کارآمد، بهبود کیفیت محصولات و کاهش تاثیرات محیطی را به دست آورند.
ملاحظات عملی
- دوز بالا: دوز بیش از حد پلی الکترولیت می‌تواند به باز‌پایداری ذرات و کاهش کارایی ته‌نشینی منجر شود.
- اختلاط: اختلاط کافی برای توزیع یکنواخت پلی الکترولیت و برخورد موثر ذرات ضروری است.
- شیمی آب: pH، قدرت یونی و حضور مواد حل‌شده دیگر می‌تواند بر عملکرد پلی الکترولیت تاثیر بگذارد و باید در انتخاب MW و CD مناسب در نظر گرفته شود.
کاربردهای فلوکولانت انیونی سری TFLOC A در صنایع مختلف
این سری فلوکولانت ها با توانایی تجمع ذرات معلق و تسهیل جداسازی جامد-مایع، در طیف گسترده‌ای از فرآیندهای صنعتی جایکزین نمونه های وارداتی شده اند که برگ برنده استفاده از انها در کنای تنوع بسیار بالا و قدرت بالای تلیدات مرقون به صرفه بودن این سری فلوکولانت شرک شیمی ایی تصفیه میباشد.
- کاربرد پلی اکریل امید انیونی در تصفیه آب سری ۹۰۰
تصفیه فاضلاب شهری: این پلی الکترولیت‌های پلی‌آکریل‌آمید آنیونی به طور گسترده در تصفیه‌خانه‌های فاضلاب برای حذف جامدات معلق، کاهش کدورت و بهبود کارآیی فرآیندهای ته‌نشینی و فیلتراسیون استفاده می‌شوند. آن‌ها به طور موثری انواع آلاینده‌ها از جمله مواد آلی، لای و باکتری‌ها را فلاکوله کرده و منجر به تخلیه پاک‌تر فاضلاب می‌شوند.
تصفیه فاضلاب صنعتی: صنایع متعددی مانند نساجی، فرآوری مواد غذایی و تولید شیمیایی فاضلاب‌هایی حاوی آلاینده‌های مختلف تولید میکنند. پلی الکترولیت‌های آنیونی برای تصفیه این فاضلاب‌ها استفاده می‌شوند و جامدات معلق، فلزات سنگین و سایر آلاینده‌ها را قبل از تخلیه یا بازیافت حذف میکنند.
تصفیه آب آشامیدنی: هرچند کمتر رایج از تصفیه فاضلاب، پلی الکترولیت‌های آنیونی می‌توانند در تصفیه آب آشامیدنی برای بهبود حذف کدورت و مواد ذره‌ای استفاده شوند و شفافیت و کیفیت آب را بهبود بخشند.
- کاربرد پلی اکریل امید انیونی درفرآوری مواد معدنی سری ۹۰۰ و ۸۰
ته‌نشینی و شفاف‌سازی: پلی الکترولیت‌های آنیونی به طور گسترده در فرآوری مواد معدنی برای بهبود ته‌نشینی و شفاف‌سازی دوغاب‌های معدنی استفاده می‌شوند. این کارآیی جداسازی جامد-مایع را افزایش داده و امکان بازیابی بهتر مواد معدنی ارزشمند و کاهش مصرف آب را فراهم می‌کند.
فیلتراسیون: با ترویج تشکیل فلوک‌های بزرگتر، پلی الکترولیت‌های آنیونی به بهبود نرخ‌های فیلتراسیون و کاهش محتوای رطوبت کیک فیلتر در عملیات مختلف فرآوری مواد معدنی کمک میکنند.
مدیریت پسماندهای معدنی: فلاکولانت‌های آنیونی در مدیریت پسماندهای معدنی، مواد زائد تولید شده در حین معدن‌کاری، استفاده می‌شوند. آن‌ها به آب‌زدایی پسماندها کمک کرده و حجم آن‌ها را کاهش داده و دفع یا بازیافت آن‌ها را تسهیل میکنند.
- کاربرد پلی اکریل امید انیونی در صنعت کاغذسازی سری ۹۰۰ و ۸۰
نگهداری و تخلیه: فلاکولانت‌های آنیونی در فرآیند کاغذسازی برای بهبود نگهداری ذرات ریز و مواد پرکننده استفاده می‌شوند که از اجزای ضروری کاغذ هستند. این کار کیفیت و استحکام کاغذ را افزایش داده و با کاهش از دست دادن این مواد در فاضلاب، تأثیرات محیطی را کاهش می‌دهد.
شفاف‌سازی آب سفید: فلاکولانت‌های آنیونی با حذف جامدات معلق به شفاف‌سازی آب سفید، فاضلاب تولید شده در کاغذسازی، کمک میکنند و قابلیت بازیافت آن را بهبود می‌بخشند.
- کاربرد پلی اکریل امید انیونی در صنعت نفت و گاز سری ۹۰۰ شل اینهیبیتور
تصفیه گل حفاری: پلی الکترولیت‌های آنیونی در مایعات حفاری برای کنترل از دست دادن مایعات، بهبود پایداری چاه‌ها و افزایش حذف برش‌های حفاری استفاده می‌شوند.
تصفیه آب تولید شده: فلاکولانت‌های آنیونی به تصفیه آب تولید شده، فاضلاب تولید شده در حین استخراج نفت و گاز، کمک کرده و قطرات نفت، جامدات معلق و سایر آلاینده‌ها را حذف میکنند.
- کاربرد پلی اکریل امید انیونی در صنعت نساجی:
پلی الکترولیت‌های آنیونی در فرآوری نساجی برای تصفیه فاضلاب، حذف رنگ و بهبود کارآیی عملیات رنگرزی و تکمیل استفاده می‌شوند.
- کاربرد پلی اکریل امید انیونی تصفیه شکر:
فلاکولانت‌های آنیونی در تصفیه شکر برای شفاف‌سازی عصاره نیشکر استفاده می‌شوند و آلاینده‌ها را حذف کرده و کیفیت محصول نهایی را بهبود می‌بخشند.
- کاربرد پلی اکریل امید انیونی در کشاورزی:
پلی الکترولیت‌های آنیونی می‌توانند در کشاورزی برای بهبود ساختار خاک، افزایش نگهداری آب و کاهش فرسایش استفاده شوند.
بصورت کلی TFLOC به عنوان فلاکولانت‌های آنیونی ارزش خود را در طیف وسیعی از صنایع به دلیل اثربخشی در جداسازی جامد-مایع اثبات کرده‌اند. با سخت‌تر شدن قوانین زیست‌محیطی و تلاش صنایع برای یافتن روش‌های پایدارتر، تقاضا برای پلی الکترولیت‌های آنیونی به احتمال زیاد افزایش خواهد یافت. تحقیقات و توسعه بیشتر در این زمینه به احتمال زیاد منجر به کاربردهای جدید و فناوری‌های بهبود یافته فلاکولانت شده و به فرآیندهای صنعتی کارآمدتر و دوست‌دار محیط زیست کمک خواهد کرد.