منعقد کننده چیست؟ | آشنایی با منعقد کننده های پلیمری

منعقد کننده چیست؟ این مواد ترکیبات مختلفی هستند که با خنثی نمودن بار ذرات معلق موجود سبب لخته سازی ذرات می گردند.این ترکیبات در فرایند های تصفیه ی آب به وفور استفاده می شوند. از جمله انواع این مواد می توان به نمک های معدنی مانند آلوم و ترکیبات پلیمری اشاره کرد. در ادامه ی متن قصد داریم تا شما را با این منعقد کننده های پلیمری بیشتر آشنا کنیم پس با ما همراه باشید.

چرا استفاده از منعقد کننده ها مهم است؟

این مواد از جمله ترکیباتی هستند که در فرایند های تصفیه ی آب برای جدا سازی ذرات معلق و حذف فسفر اضافی موجود در آب به وفور استفاده می شوند. این مواد به طور کلی به دو دسته ی آلی و معدنی تقسیم می شوند. معمولا انواع آلی برای جداسازی ذرات جامد و مایع و تولید رسوب استفاده می شوند. از جمله مهم ترین ترکیبات آلی می توان به پلی آمین ها و PolyDADMACs اشاره نمود. این ترکیبات در حالت کاتیونی می توانند سبب خنثی نمودن ذرات معلق با بار منفی و ایجاد میکروفلوک ها شوند. از مزایای استفاده از این مواد می توان به عدم تاثیر گذاری بر pH، تولید رسوب و لجن کمتر و مقادیر کمتر مورد نیاز اشاره نمود

منعقد کننده ی پلیمری چیست؟

این مواد دسته ای از منعقد کننده ها هستند که ساختاری پلیمری و تکرار گونه دارند از همین رو چگالی بار بالایی دارند و در مقایسه با سایر منعقد کننده های رایج می توانند عملکرد مناسبی از خود نشان دهند . اصول کار منعقد کننده ها (یا کواگولانت ها) خنثی کردن ذرات باردار موجود در آب و پساب و آماده کردن آنها برای ته نشینی (به کمک مواد لخته ساز) است.

پلی الکترولیت‌ها پلیمرهایی هستند که گروه‌ هایی به طور جداگانه در آنها تکرار می‌شوند و در صورت حل شدن در آب به یون تجزیه شده و قابلیت انتقال بار الکتریکی در محلول را دارند .این مواد می‌توانند به صورت پلی کاتیون‌ ها، پلی‌آنیون ‎ها و پلی‌ سالت باشند. همانند الکترولیت‌ های معمولی (اسید ها، باز ها و نمک‌ ها ) آنها نیز در محیط‌ های آبی تجزیه شده و با توجه به میزان pH بار آنها تغییر می‌کند .

خواص این نوع از مواد به پلیمر ها و الکترولیت‌ ها در آن واحد شبیه است. به عنوان مثال نمک‌ های تولیدی از واکنش یک پلی اسید یا پلی آنیون با یک واحد مونومری بازی تشکیل پلی سالت‌ها را می‌دهد. همانند سایر نمک‌های معمولی محلول حاوی این نوع از نمک‌ها نیز هادی الکتریکی است و همانند پلیمرها ویسکوزیته آن ها به شدت به وزن مولکولی و غلظت پلیمر بستگی دارد.

برتری منعقد کننده پلیمری در مقایسه با سایر منعقد کننده ها مانند آلوم در این است که منعقد کننده های پلیمری دارای جرم مولکولی بسیار بالایی هستند که می تواند به راحتی موجب ته نشینی شود .

ساختار منعقد کننده ها

رایج ترین گروه های آنیونی مواد منعقد کننده در ساختار پلی الکترولیت‌های آنیونی گروه کربوکسیلات (–COO-) ،گروه فسفنات (–PO3H-, –PO32-) و گروه سولفونات (–SO3-) می‌باشد. در پلی الکترولیت‌های کاتیونی رایج ترین گروه عاملی آمین‌های نوع اول و دو م و چهارم (–NH3+, =NH2+ & ≡N+) می‌باشند.

نوع آنیون موجود در ساختار منعقد کننده های پلیمری و نحوه تکرار آن در ساختار پلیمر نشان دهنده خواص پلی الکترولیتی نظیر حلالیت در آب و سایر محلول‌های قطبی و با پیوند هیدروژنی (مثل الکل )، هدایت الکتریکی و ویسکوزیته محلول می‌باشد. بر خلاف پلی الکترولیت‌های غیر یونی این خصوصیات به شدت به میزان pH و غلظت نمک بستگی دارد. تمامی پلی الکترولیت‌های طبیعی یا سنتزی می‌توانند در مقیاس زیادی تولید شوند. پلی الکترولیت‌های طبیعی مانند پکتین، آلژینات و پلی پپتایدها هستند. نمونه‌هایی از پلی الکترولیت‌های سنتزی نیز پلی آلیل آمین‌ها و نمک هایشان می‌باشد.

از جمله مهمترین پلی الکترولیت های مورد استفاده در تصفیه آب می توان به پلی اکریل آمید اشاره کرد که در ادامه به آن بیشتر خواهیم پرداخت :

پلی اکریل آمید

واژه پلی اکریل آمید به هر پلیمری اطلاق می‌شود که یکی از مونومرهای آن اکریل آمید باشد. اگر بخواهیم با دقت بیشتری راجع به این ماده بررسی کنیم نامگذاری ایوپاک آن، (poly (prop-2-enamide می‌باشد که یک پلیمر قابل حل در آب است و از پلیمریزاسیون مونومرهای اکریل آمید و N, N′-methylenebis) acrylamide) به دست آمده است.

پلی اکریل آمید ها پلیمرهایی متورم شونده هستند که تنها نوع تجاری آن، (poly (2-propenamide می‌باشد که به آن پلی اکریل آمید گفته می شود. این نوع از پلیمرها بسته به نوع کاربریشان می‌توانند به صورت خطی یا اتصال عرضی ساخته شوند. PAM ویسکوزیته آب را افزایش داده و سبب لخته شدن ذرات موجود در آن می‌شود. پلیمرهای اتصال عرضی می‌توانند مقدار خیلی زیادی آب را به علت وجود گروه‌های آمیدی که با آب تشکیل پیوند هیدروژنی می‌دهند را جذب کنند که این نوع از pam ژل نامیده می‌شود. وزن مولکولی پلی اکریل آمید های تجاری از 105 تا بیشتر از 107 می‌باشد.

پلی اکریل آمید با مونومرهای اکریل آمید به تنهایی غیر یونی است. برای حصول پلی اکریل آمید آنیونی نیاز است تا مونومرهای acrylate یا 2- (acrylamido-2-methylpropane sulfonate (AMPS نیز با درصدهای متفاوت در ساختار پلی اکریل آمید موجود باشند.

همچنین در ساختار منعقد کننده ها (coagulants) و لخته ساز های پلی اکریل آمیدهای کاتیونی به جای مونومرهای اکریل آمید دیگر مونومرها از جمله:

dimethyldiallylammonium
(ethanaminium (N, N, N-trimethyl-2-((1-oxo-2-propenyl) oxy
1,2-dimethyl-5-vinylpyridinum

حضور دارند.

کاربرد PAM در محیط زیست

به طور کلی پلی اکریل آمید به طور گسترده در حوزه های محیط زیستی کاربرد دارد از جمله :

1) به عنوان بهبود دهنده ویسکوزیته در ازدیاد برداشت نفت (EOR) و اخیراً نیز به عنوان کاهنده اصطکاک در شکست هیدرولیکی یا HVHF

2) به عنوان منعقد کننده و لخته ساز در تصفیه آب و آب گیری از لجن

3) به عنوان عامل بهبود دهنده خواص خاک در کاربرد های کشاورزی

در جدول زیر شکل ساختاری پلی اکریل آمیدهای مختلف قابل مشاهده است:

ساختار	نام	دسته بندی
	Polyacrylamide	پلی اکریل آمید غیر یونی PAM
	Polyacrylamide-co acrylic acid, hydrolyzed polyacrylamide	پلی اکریل آمید آنیونی APAM
	poly(AM-co (DADMAC	پلی اکریل آمید کاتیونی CPAM

کاربرد های دیگر :

پلی اکریل آمیدهای آنیونی معمولا به عنوان عامل غلظت دهنده ( از طریق افزایش ویسکوزیته) در صنایع غذایی، اتصال دهنده، سوپر جاذب ، بهبود دهنده خواص خاک ، کمک فیلتر ، عامل لخته ساز ، پیوند دهنده اتصال عرضی ، عامل تعلیق ، در روان کننده ها و ازدیاد برداشت نفت استفاده می‌شوند. یکی از بزرگ ترین و مهم ترین کاربردهای این مواد در تصفیه آب و پساب می‌باشد. هنگامی که این ماده به پساب افزوده می‌شود باعث لخته ساز ی و لخته شدن ذرات معلق موجود در سوسپانسیون و سپس ته نشینی آنها می‌شود. (Poly (acrylamide-co-acrylic acid و نمک سدیمی آن پلیمرهای آنیونی هستند که به عنوان لخته ساز و جاذب بسیار موثرند.

در تصفیه پساب شهری و صنعتی این ماده می‌تواند در تصفیه اولیه پساب که شامل فرایند جدا سازی فاز جامد و مایع می‌باشد به کار برده شود. این ماده هم چنین می‌تواند در تصفیه پساب معادن معدنی نیز به کار برده شود. یکی دیگر از کاربردهای رایج پلی اکریل آمیدها در ازدیاد برداشت نفت می‌باشد. زمانی که آب به درون چاه تزریق می‌شود PAM کمک می‌کند تا نفت درون مخازن از طریق افزایش ویسکوزیته آب تزریقی به سمت پمپ هدایت شود. از دیگر کاربردهای پلی اکریل آمید های آنیونی می‌توان به لخته سازی ذرات با بار منفی در واکنش با سایت های کاتیونی جذب مثل Ca²⁺, Mg²⁺, Al³⁺, Fe²⁺ Fe³. اشاره کرد.

منعقد کننده های پلیمری کاتیونی

پلی اکریل آمیدهای کاتیونی نیز به عنوان جداساز های امولسیونی و برای افزایش کارایی فیلتراسیون و آب گیری از لجن کاربرد دارند. همانند منعقد کننده‌ های الی این ماده نیز با خنثی سازی بار سطحی ذرات کلوییدی و سپس ته نشینی آنها کمک به جداسازی مواد جامد می‌کند و از حجم لجن باقی مانده نیز می‌کاهد.

در تصفیه پساب صنایع کاغذ این ماده سرعت ته نشینی را افزایش می دهد. الکتروفورز ژل برای جداسازی ابر مولکول ها نیز یکی از کاربردهای مهم دیگر این مواد است که کمتر از سایر کابرد ها به آن پرداخته شده است، هنگامی که یک جریان الکتریکی از میان ژل پلی اکریل آمید عبور می‌کند پروتئین یا نوکلئیک اسیدها به سمت الکترود مثبت حرکت می‌کنند. از آنجایی که حرکت آنها به بار و اندازه مولکول ها بستگی دارد هر کدام از مولکول ها به سمت مشخصی در ماتریس ژل حرکت می‌کنند. پلی اکریل آمید های غیر یونی برای کاربردهای معدنی و صنایع نساجی نیز مورد استفاده قرار می گیرد.

یکی از کاربردهای پلی اکریل آمید استفاده به عنوان پایدار کننده در لوسیون ها و محصولات دیگر آرایشی و بهداشتی است. اگرچه این ماده به خودی خود مشکل زا و خطرناک نیست اما مونومرهای تشکیل دهنده آن به شدت سرطان زا هستند . اتحادیه اروپا برای محصولاتی که ازپلی اکریل آمید در ساخت آنها استفاده شده است محدودیت میزان مونو اکریل آمیدها را تعیین کرده است اما ایالات متحده امریکا هنوز ممنوعیتی برای استفاده از این ماده تعیین نکرده است. این ماده در محصولات آرایشی و بهداشتی از قبیل مرطوب کننده های صورت، محصولات ضد پیری، لوسیون ها، محصولات مو و ضد افتاب ها کاربرد دارد.

پلیمرهای لخته ساز

در بحث استفاده از این مواد منعقد کننده و لخته ساز در تصفیه آب و پساب باید اشاره کرد که تاثیر فرایند لخته سازی بر اساس کاهش کدورت، TSS ، COD ورنگ بررسی می‌شود و طبق تحقیقات در شرایط بهینه این پارامترها تا 90% کاهش پیدا می کنند. میزان استفاده بسیار بالا از پلیمرها به عنوان لخته ساز به علت راحتی استفاده از آنها و عدم نیاز به تنظیم مداوم pH است. از طرفی مقادیر بسیار کمی از آنها تاثیر بسیار زیادی در حوزه مصرفی مثل تصفیه پساب دارد.

خصوصیات اصلی پلیمرهایی که به عنوان لخته ساز استفاده می شوند می‌تواند به شرح زیر باشد:

گروه بندی		مشخصه
امفوتر/ آنیونی/ کاتیونی/غیر یونی		بار سطحی
1 تا 3 میلیون	کم	وزن مولکولی
3 تا 6 میلیون	متوسط
6 تا 10 میلیون	استاندارد
10 تا 15 میلیون	زیاد
ببشتر از 15 میلیون	خیلی زیاد
1 تا 10 %	کم	بار سطحی
10 تا 40 %	متوسط
40 تا 80 %	زیاد
80 تا 100 %	خیلی زیاد

پلی اکریل آمید به علت اقتصادی بودن و کابری آسان مورد توجه بسیاری قرار گرفته است. این قابلیت نیز وجود دارد که این ماده را به عنوان لخته ساز در وزن های مختلف و چگالی بار های متفاوت و در سه نوع آنیونی، غیر یونی وکاتیونی سنتز کرد . با توجه به نیاز مشتری نوع بار سطحی و میزان وزن مولکولی قابل تغییر است. در شکل زیر نحوه عملکرد این ماده در تصفیه پساب و پل زنی بین ذرات مشاهده می‌شود.

شکل2-مکانیسم عملکرد پلی الکترولیت‌ها در لخته سازی

عملکرد استفاده از لخته سازها در ویدیوهای زیر قابل مشاهده است:

http://www.wet-chem.co.za/coagulants-flocculants

https://www.youtube.com/watch?v=aMcamQJxFHs

https://www.youtube.com/watch?v=5uuQ77vAV_U

لینک های مفید :

گلوتارآلدئید

خرید پلی آلومینیوم کلراید

منابع

https://polymerdatabase.com/polymer%20classes/Polyacrylamide%20type.html

https://www.kemira.com/products/anionic-and-nonionic-polyacrylamides.

http://www.safecosmetics.org/get-the-facts/chemicals-ofconcern/polyacrylamide-2/

Lee, C. S., Robinson, J., & Chong, M. F. (2014). A review on application of flocculants in wastewater treatment. Process Safety and Environmental Protection, 92(6), 489-508.

Xiong, B., Loss, R. D., Shields, D., Pawlik, T., Hochreiter, R., Zydney, A. L., & Kumar, M. (2018). Polyacrylamide degradation and its implications in environmental systems. NPJ Clean Water, 1(1), 17.