مواد منعقد کننده و لخته ساز

مواد منعقد کننده و مواد لخته ساز : مواد منعقد کننده یا پلی الکترولیت‌ها پلیمرهایی هستند که گروه‌هایی به طور جداگانه در آنها تکرار می‌شوند. آنها می‌توانند به صورت  پلی کاتیون‌ها،  پلی‌آنیون‎ها و پلی‌سالت [1] باشند. همانند الکترولیت‌های معمولی (اسیدها، بازها و نمک‌ها ) آنها نیز  در محیط‌های آبی تجزیه شده و با توجه به میزان pH  بار آنها تغییر می‌کند .خواص این نوع از مواد به پلیمرها و الکترولیت‌ها در آن واحد شبیه است. به عنوان مثال نمک‌های 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. 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 مواد منعقد کننده پلی الکترولیت و نحوه تکرار آن در ساختار پلیمر نشان دهنده خواص پلی الکترولیتی نظیر حلالیت درآب 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.

در این بخش پلی اکریل آمید که یک نوع پلی الکترولیت است معرفی شده است:

واژه پلی اکریل آمید به هر پلیمری اطلاق می‌شود که یکی از مونمرهای 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.

شکل1-پلی اکریل آمید های گرید تجاری

مواد منعقد کننده پلی اکریل آمیدها پلیمرهایی متورم شونده [2] هستند تنها پلی اکریل آمید تجاری (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 مونمرهای 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 و لخته ساز های پلی اکریل آمیدهای کاتیونی به جای مونمرهای اکریل آمید دیگر مونمرها از جمله:

dimethyldiallylammonium

(ethanaminium (N, N, N-trimethyl-2-((1-oxo-2-propenyl) oxy

1,2-dimethyl-5-vinylpyridinum

 حضور دارند.

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 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

کاربردها مواد منعقد کننده و لخته ساز پلی اکریل آمید:

پلی اکریل آمیدهای آنیونی معمولا  به عنوان عامل غلظت دهنده ( از طریق افزایش ویسکوزیته) در صنایع غذایی، اتصال دهنده[3] ، سوپر جاذب ، بهبود دهنده خواص خاک ، کمک فیلتر ، عامل لخته ساز ، پیوند دهنده اتصال عرضی[4]، 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 آمیدهای آنیونی می‌توان به لخته سازی ذرات با بار منفی در واکنش با سایت های کاتیونی جذب مثل Ca2+, Mg2+, Al3+, Fe2+  Fe3. اشاره کرد

پلی اکریل آمیدهای کاتیونی نیز به عنوان جداساز های امولسیونی و برای افزایش کارایی فیلتراسیون و آب گیری از لجن کاربرد دارند. همانند منعقد کننده‌های الی این ماده نیز با خنثی سازی بارسطحی 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 فزایش می دهد. الکتروفورز ژل برای جداسازی ابرمولکول ها  نیز  یکی از کاربردهای مهم دیگر این مواد است که کمتر از سایر کابردها 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 آمیدهای غیر یونی برای کاربردهای معدنی و صنایع نساجی نیز مورد استفاه 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 ارایشی و بهداشتی از قبیل مرط.ب کننده های صورت، محصولات ضد پیری، لوسیون ها، محصولات مو و ضد افتاب ها کاربرد دارد.

برای اطلاع از موجودی یا عدم موجودی این ماده در محصولات بهداشتی مورد استفاده می‌توان روی برچسب این محصولات عبارات زیر را جست و جو کرد :

پلی اکریل آمید

اکریل آمید

پلی اکریلات

پلی کواترنیوم

اکریلات

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:

    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

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.

[1] polysalt

[2] swellabe polymers

[3] binders

[4] cross linker