کاربرد پلی الکترولیت در تصفیه آب
کاربرد و نحوه عملکرد پلی الکترولیت ها در تصفیه آبReviewed by 02177641136 on Oct 5Rating: 4.5

پلی الکترولیت (polyelectrolyte) ها پلیمرهای آلی بلند زنجیر هستند که معمولا دارای وزن مولکولی بیش از یک میلیون هستند و به دو صورت سنتزی و طبیعی وجود دارند . یک مولکول پلیمری عبارت است از واحدهای شیمیایی تکرار شونده که با پیوندهای کوالانسی به یکدیگر متصل هستند . اگر واحدهای تکرار شونده همسان باشند به آن هوموپلیمر گفته می شود و اگر تعداد واحدهای تکرار شونده بیش از یکی باشند به آن کوپلیمر گفته می شود .

الکترولیت نیز به ماده ای گفته می شود که هنگام حل شدن در حلال های قطبی مانند آب تجزیه شده و محلول را رسانای الکتریکی می کند . پلی الکترولیت همانگونه که از اسمش پیداست ترکیبی الکترولیتی و پلیمری است و هنگامی که در حلال های قطبی مانند آب حل می شود ، تعداد بسیاری گروه باردار (الکتریکی) دارند که به صورت کوالانسی به آنها چسپیده اند .

 

خواص پلی الکترولیتها

polyelectrolyte همگن تنها یک نوع گروه باردار دارند (مانند گروه کربوکسیلات) . از سویی اگر هر دو گروه مثبت (کاتیونی) و منفی (آنیونی) اتفاق بیفتند ( پس از حل شدن در حلال قطبی ، هر دو گروه ایجاد شوند) به چنین مولکولی پلی آمفولیت گفته می شود .

پلی الکترولیت ها به دلیل خواص دوگانه ای که دارند در حوزه های زیادی از قبیل : تصفیه آب به عنوان عامل لخته ساز ، در لعاب سرامیک به عنوان عامل پخش کننده و در ترکیبات بتنی به عنوان سوپر پلاستی سایزر کاربرد دارند . علاوه بر این بسیاری از شامپوها ، صابون ها و مواد آرایشی بهداشتی حاول PAs هستند . برخی نیز به مواد غذایی افزوده می شوند .

پلی الکترولیت ها در آب محلول هستند اما هنگامی که اتصالات عرضی بین آنها شکل بگیرد در آب نامحلول می شوند و آنهایی که کراس لینک شده اند ( دارای اتصال عرضی با یکدیگر) در آب متورم شده و به عنوان جاذب عمل میکنند که آنها را با نام هیدروژل ها یا پلیمرهای سوپر جاذب می شناسیم . سوپر جاذب ها می توانند بیش از 500 برابر وزن خود و 30-60 برابر حجم خود آب جذب کنند .

 

پلی الکترولیت

 

کاربرد در تصفیه آب

ناخالصی های موجود در آب می توانند شامل مواد آلی طبیعی حل نشده و یا کلوئیدی  به صورت نمک های حل نشده و مواد معلق مانند رس ، سیلیکا ، سلول های میکروبی یا جلبک ها شوند . برای جداسازی و رسوب دادن تمام مواد بالا به ترکیبات بسیار کارآمدی نیاز است . این ترکیبات پلیمری با توجه به بار الکتریکی و جرم مولکولی بالایی که دارند ، می توانند بهترین عملکرد را در لخته کردن این ناخالصی ها و رسوب دادن آنها ایفا کنند . از این رو اصلی ترین کاربرد پلی الکترولیت ها در تصفیه آب استفاده به عنوان فلوکولانت است .

مهمترین مشخصه فلوکولانت های پلیمری جرم مولکولی آنهاست و در مورد پلی الکترولیت ها دانسیته بار نیز اهمیت می یابد . محدوده جرم های مولکولی از چند هزار تا ده ها میلیون است . دسته بندی بر اساس جرم مولکولی به سه دسته ، کوچکتر از 105  ، بین 105 و 106 و بزرگتر از 106 تقسیم می شوند .

پلی الکترولیت های کاتیونی

این پلیمرها عموما و نه همیشه ، دارای گروه های آمونیوم چهارتایی هستند که صرفنظر از pH دارای بار الکتریکی مثبت هستند و به عنوان پلیمرهای الکترولیتی قوی شناخته می شوند . پلیمرهای الکترولیتی ضعیف که در محیط اسیدی خاصیت کاتیونی پیدا می کنند نیز وجود دارند . برخی ترکیبات طبیعی و مشتقاتشان نیز مانند کیتوزان در تصفیه آب مورد استفاده قرار می گیرند .

برخی از PE های کاتیونی عبارتند از : پلی دیالیل دی متیل آمونیوم کلراید ، اپی کلروهیدرین / پلیمرهای دی متیل آمین ، پلی اکریل آمید های کاتیونی و پلیمرهای طبیعی مانند کیتوزان . معروفترین پلیمر این دسته پلی اکریل آمید کاتیونی است که به صورت گسترده ای در تصفیه آب کاربرد دارد .

 

پلی الکترولیت کاتیونی

 

پلی الکترولیت های آنیونی

معمولترین پلیمرهای آنیونی دارای گروه های کربوکسیلیک اسیدی هستند و چگالی بار به pH بستگی دارد .

پلی اکریل آمیدهای آنیونی (PAMs)

پلیمرهای کربوکسیلیک اسید دارای جرم مولکولی بالا که از پلی اکریل آمید مشتق شده اند ، به صورت گسترده به عنوان عامل لخته کننده در آب و سایر فرآیندهای شیمیایی مورد استفاده قرار می گیرد .

پلیمرهای آنیونی طبیعی

بسیاری از پلی ساکاریدهای سولفاته در این دسته قرار می گیرند برخی از این مواد عبارتند از : هپارین ، دکستران سولفات ، mannan sulphate  و chondroitin sulphate که البته بیشتر کاربرد پزشکی دارند . یکی از پلیمرهای طبیعی که برای تصفیه آب استفاده می شود، لیگنین سولفونات طبیعی است .

 

دانسیته بار پلی الکترولیت آنیونی

 

پلی الکترولیت های غیر یونی

این دسته نیز بسته به موقعیت مورد استفاده قرار می گیرند و شامل پلی اکریل آمیدها و پلیمرهای طبیعی هستند .

مکانیسم عمل در تصفیه آب

مکانیسم لخته سازی ذرات توسط پلیمرها را می توان به بخش های زیر تقسیم کرد :

  • پل سازی پلیمری (polymer bridging)
  • خنثی سازی بار (charge neutralization)
  • تقلیل لخته سازی (depletion flocculation)

بخش سوم که تقلیل لخته سازی است به حضور پلیمرهای آزاد جذب نشده بستگی دارد و در تصفیه آب اهمیت بالایی ندارد و در این بخش به آن پرداخته نمی شود . دو مورد اول به جذب پلیمر بر روی سطح ذرات وابسته هستند و این مورد در ابتدا مورد بحث قرار می گیرد .

جذب بروی سطح

اگر بین بخش های پلیمر و سطح ذرات پیوند و قرابتی وجود داشته باشد ، جذب زنجیره های پلیمری ممکن است اتفاق بیافتد . نکته جالب این است که به دلیل وجود نقاط زیاد برای تماس بین سطح و پلیمر ، لزومی ندارد که پیوندها بسیار قوی باشند . در چنین مولکول های بلندی امکان جدا شدن همه واحدها به صورت همزمان بسیار پایین است ، از همین رو این اتصال را غیرقابل برگشت باید در نظر گرفت .

مدل زنجیره ای پلیمری جذب شده مدل پذیرفته شده ای است که در شکل زیر می توان آن را مشاهده کرد .

جذب پلی الکترولیت بر روی سطح

پل زدن پلیمرها

همانگونه که در تصویر بالا قابل مشاهده است ، پلی الکترولیت هایی که به سطح ذرات می چسپند ، دارای دم ها و حلقه هایی آویزان هستند ، این نقاط آویزان شرایطی را فراهم می کنند تا پلیمرهای چسپیده به یک ذره بتواند به سطح ذرات دیگر نیز بچسپند . نکته مهم در این عمل وجود نقاط آزاد کافی بر روی سطح است تا پلیمر بتواند به راحتی به سطح دسترسی داشته باشد . این مکانیسم در شکل زیر نشان داده شده است :

مکانیزم پل زدن پلی الکترولیت ها

خنثی سازی بار

در بسیاری از موارد ذرات ناخالصی موجود در آب دارای بار منفی هستند و از این رو پلی الکترولیت های کاتیونی بسیار مفید هستند . در این سیستم ها پیوند الکترواستاتیک بسیار قوی رخ می دهد ، بار ذره خنثی شده و حتی احتمال برعکس شدن بار ذرات نیز وجود دارد . بنابراین این احتمال وجود دارد که لخته سازی در نتیجه کاهش بار سطحی ذرات و در نتیجه کاهش دافعه بین ذرات رخ می دهد .

 

مراحل لخته سازی از طریق جذب پلی الکترولیت

 

در شکل بالا مراحل لخته سازی را می توان مشاهده کرد . مطالعات نشان داده اند که لخته شدن یا لخته سازی بهینه زمانی اتفاق می افتد که دوز پلی الکترولیت استفاده شده نزدیک به میزان لازم برای خنثی سازی بار ذرات باشد . همچنین معلوم شده است که پلی الکترولیت های دارای چگالی بار (CD) بالاتر موثر تر هستند چون به ازای یک دوز معین بار بیشتری را برای ذرات تامین می کنند .

پلیمرهایی که چگالی بار بالایی دارند عملا به صورت مسطح به ذره متصل می شوند و از این رو قابلیت پل زدن از بین میرود و به این پلیمرها منعقد کننده گفته می شود (مانند poly-DADMAC ) .

منبع

Bolto, B., & Gregory, J. (2007). Organic polyelectrolytes in water treatment. Water research, 41(11), 2301-2324.

https://www.sciencedirect.com/topics/materials-science/polyelectrolyte

موسسه ی مبتکران شیمی

پاسخی بگذارید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *