I. Polyacrylamide là gì?

Polyacrylamide (PAM), xét về mặt hóa học, là một loại polymer tuyến tính tan trong nước được hình thành do quá trình trùng hợp khởi đầu bằng gốc tự do của các monome acrylamide (AM), với công thức phân tử là (C₃H₅NO)n. Ở nhiệt độ phòng, nó xuất hiện dưới dạng rắn thủy tinh cứng, nhưng trong các ứng dụng thực tế, chúng ta thường gặp nó ở các dạng như chất lỏng dạng keo, mủ cao su, bột trắng, hạt trong suốt và vảy.

Polyacrylamide có hai thông số cấu trúc quan trọng: khối lượng phân tử và tính chất ion. Dựa trên khối lượng phân tử, nó có thể được chia thành khối lượng phân tử thấp, khối lượng phân tử trung bình, khối lượng phân tử cao và khối lượng phân tử cực cao. Theo tính chất ion, tức là các đặc điểm ion hóa trong dung dịch nước, nó có thể được phân loại thành các loại ion không ion, anion, cation và lưỡng tính. Các loại polyacrylamide khác nhau thể hiện các tính chất riêng biệt do sự khác biệt về cấu trúc, do đó thích ứng với các tình huống ứng dụng khác nhau.

II. Đặc điểm của Polyacrylamide

(I) Tính chất vật lý độc đáo

Độ hòa tan: Có thể hòa tan trong nước theo bất kỳ tỷ lệ nào, tạo thành dung dịch nước đồng nhất và trong suốt. Tính chất này làm cho nó cực kỳ tiện lợi trong nhiều trường hợp cần trộn với nước. Tuy nhiên, sau khi lưu trữ lâu dài, độ nhớt của dung dịch sẽ giảm do polyme phân hủy chậm, đặc biệt là khi điều kiện lưu trữ và vận chuyển kém.

Độ nhớt: Độ nhớt của dung dịch nước polyacrylamide có liên quan chặt chẽ với nồng độ; khi nồng độ tăng, độ nhớt cũng tăng theo. Hơn nữa, ở cùng một nồng độ, độ nhớt của dung dịch polyacrylamide có trọng lượng phân tử cao tương đối cao hơn. Trong khi đó, giá trị pH của dung dịch cũng ảnh hưởng đến độ nhớt. Trong dung dịch pH cao, do thủy phân, các anion cacboxylat được tạo ra trong các phân tử và các chuỗi phân tử kéo dài do lực đẩy tĩnh điện, do đó làm tăng độ nhớt của dung dịch.

Kết bông: Polyacrylamide có trọng lượng phân tử cao có hiệu suất kết bông tuyệt vời. Các chuỗi phân tử của nó có thể khéo léo tạo thành các cầu nối "s" giữa các hạt được hấp phụ, kết nối một số hoặc thậm chí hàng chục hạt với nhau, thúc đẩy sự hình thành nhanh chóng của các bông cặn và tăng tốc đáng kể tốc độ lắng đọng của các hạt. Các điện tích mang trên các chuỗi phân tử có thể tạo ra lực hút tĩnh điện lên các hạt và chiều dài của các phân tử cung cấp hiệu suất hấp phụ tốt và các vị trí liên kết với các liên kết hydro. Các yếu tố này hoạt động cùng nhau để tối ưu hóa hơn nữa hiệu ứng kết bông.

(II) Tính chất hóa học phong phú

Phản ứng thủy phân: Polyacrylamide có thể được chuyển đổi thành polyme chứa nhóm carboxyl thông qua quá trình thủy phân nhóm amide và sản phẩm được gọi là polyacrylamide thủy phân một phần. Trong điều kiện axit, mặc dù phản ứng thủy phân được tăng cường bởi axit, nhưng tốc độ chậm hơn nhiều so với thủy phân kiềm và thường đòi hỏi nhiệt độ cao hơn.

Phản ứng hydroxymethyl hóa: Nó có thể phản ứng với formaldehyde để tạo thành polyacrylamide hydroxymethyl hóa. Phản ứng này có thể diễn ra trong cả điều kiện axit và kiềm, nhưng tốc độ phản ứng nhanh hơn trong điều kiện kiềm. Trong điều kiện axit, vì formaldehyde chủ yếu tồn tại ở dạng chuỗi, nồng độ hiệu quả giảm, dẫn đến tốc độ phản ứng chậm hơn.

Phản ứng sulfomethyl hóa: Phản ứng này được thực hiện trong điều kiện kiềm và có hai phương pháp cung cấp. Một là polyacrylamide phản ứng trực tiếp với natri bisulfit và formaldehyde trong điều kiện kiềm để tạo ra dẫn xuất anion - polyacrylamide sulfomethyl hóa; phương pháp còn lại là natri bisulfit trước tiên được thêm vào dung dịch polyacrylamide đã methyl hóa và polyacrylamide sulfomethyl hóa thu được sau phản ứng thứ hai. Phản ứng này cực kỳ nhạy cảm với giá trị pH. Khi giá trị pH nhỏ hơn 10, phản ứng diễn ra rất chậm ở 70°C; khi giá trị pH lớn hơn 10, tốc độ phản ứng tăng đáng kể.

Phản ứng aminomethyl hóa: Còn được gọi là phản ứng Mannich, polyacrylamide, dimethylamine và formaldehyde có thể tạo ra dimethylamine - N - methylpropenyl o-phenylenediamine polymer thông qua phản ứng này. Đây là phương pháp phổ biến để điều chế polyacrylamide cation và sản phẩm thu được, do các chuỗi bên nhóm hoạt động trên chuỗi phân tử, có thể cải thiện tốc độ làm trong của nước thải khi được sử dụng làm chất keo tụ.

Phản ứng phân hủy Hofmann: Polyacrylamide có thể phản ứng với hypohalite như natri hypoclorit hoặc natri hypobromit trong điều kiện kiềm để tạo ra polyvinylamine cation.

Phản ứng liên kết ngang: Dung dịch nước của polyacrylamide sẽ tạo thành gel polyacrylamide liên kết ngang không hòa tan khi đun nóng trong điều kiện axit. Ngoài ra, nó cũng có thể trải qua các phản ứng liên kết ngang với glyoxal, nhựa urê-formaldehyd, nhựa melamin, nhựa phenolic, v.v. Dung dịch nước của polyacrylamide thủy phân và copolymer acrylamide cũng có thể trải qua các phản ứng liên kết ngang với các ion cầu nối hydroxyl đa nhân được tạo ra bởi các ion kim loại cao như muối nhôm, muối crom, muối zirconi, muối mangan và muối titan để tạo thành gel.

III. Phương pháp điều chế Polyacrylamide

(I) Trùng hợp dung dịch nước

Đây là phương pháp lâu đời nhất để sản xuất polyacrylamide, với ưu điểm là sản xuất an toàn và tiết kiệm, và là một tuyến sản xuất quan trọng đối với polyacrylamide. Bằng cách thay đổi các điều kiện phản ứng như hệ thống khởi tạo, giá trị pH môi trường, loại và liều lượng phụ gia, dung môi và nhiệt độ trùng hợp, có thể khám phá ảnh hưởng đến đặc điểm phản ứng trùng hợp và tính chất sản phẩm. Tuy nhiên, do sử dụng nước làm dung môi, hàm lượng tạp chất trong hệ thống thấp, hằng số truyền chuỗi của monome trong dung dịch nước thấp và bị giới hạn bởi các điều kiện quy trình, hàm lượng rắn của các sản phẩm trùng hợp trong dung dịch nước thấp và phản ứng imid hóa dễ xảy ra để tạo thành gel, khiến việc thu được polyacrylamide có trọng lượng phân tử tương đối cao trở nên khó khăn.

(II) Trùng hợp kết tủa

Khi polyme thu được không thể hòa tan trong các dung môi như acetone và ethanol, polyme sẽ liên tục kết tủa từ dung dịch khi phản ứng diễn ra, do đó có tên gọi là phương pháp trùng hợp này. Polyacrylamide được chế tạo theo phương pháp này có trọng lượng phân tử tương đối cao và độ đồng đều tốt.

(III) Trùng hợp phân tán

Trùng hợp phân tán là một loại trùng hợp gốc tự do, có hành vi động học tương tự như trùng hợp khối, và có thể được coi là một loại trùng hợp kết tủa đặc biệt. Nguyên lý của nó là phân tán các monome vào nước để tạo thành dung dịch nước có nồng độ nhất định, sau đó thêm chất khởi tạo để trùng hợp. Trong quá trình trùng hợp, các monome và chất khởi tạo được tiền trùng hợp hòa tan trong môi trường phản ứng để tạo thành một hệ thống đồng nhất; polyme tạo ra kết tủa vì nó không dễ hòa tan trong môi trường phản ứng và các polyme kết tủa kết tụ với nhau và dưới tác dụng của chất ổn định, ổn định huyền phù trong dung dịch phản ứng dưới dạng các hạt mịn, tạo thành một sự phân tán không đồng nhất. Hệ thống trùng hợp phân tán này có hàm lượng chất rắn cao, độ nhớt thấp và độ ổn định cắt tốt.

IV. Các lĩnh vực ứng dụng của Polyacrylamide

(I) Lĩnh vực xử lý nước

Xử lý nước thô: Trong quá trình xử lý nước thô, polyacrylamide được sử dụng kết hợp với than hoạt tính và các chất khác để đông tụ và làm trong các hạt lơ lửng trong nước sinh hoạt. So với chất keo tụ vô cơ, việc sử dụng polyacrylamide keo tụ hữu cơ có thể cải thiện khả năng lọc nước hơn 20% ngay cả khi không cải tạo bể lắng.

Xử lý nước thải: Polyacrylamide đóng vai trò quan trọng trong xử lý nước thải. Nó không chỉ có thể tăng tỷ lệ tái sử dụng nước tái chế mà còn được sử dụng như một tác nhân tách nước bùn. Hơn nữa, khi sử dụng kết hợp với chất keo tụ vô cơ, nó có thể cải thiện đáng kể chất lượng nước và giảm liều lượng chất keo tụ. Đồng thời, các bông cặn hình thành bởi polyacrylamide có độ bền cao và hiệu suất lắng tốt, có thể cải thiện hiệu quả tốc độ tách rắn-lỏng và tạo điều kiện tách nước bùn.

Xử lý nước công nghiệp: Trong xử lý nước công nghiệp, polyacrylamide là một tác nhân công thức quan trọng. Việc sử dụng nó có thể làm giảm đáng kể liều lượng chất keo tụ vô cơ, tránh lắng đọng các chất vô cơ trên bề mặt thiết bị, do đó làm chậm quá trình ăn mòn và đóng cặn của thiết bị. Theo báo cáo, 37% tổng sản lượng polyacrylamide toàn cầu được sử dụng để xử lý nước thải và tầm quan trọng của nó trong lĩnh vực xử lý nước là điều hiển nhiên.

(II) Khai thác dầu mỏ

Polyacrylamide là một tác nhân xử lý hóa chất dầu khí đa năng, được sử dụng rộng rãi trong nhiều hoạt động khai thác dầu như khoan, xi măng giếng, hoàn thiện, sửa chữa, nứt vỡ, axit hóa, phun nước, chặn nước và kiểm soát hồ sơ, và thu hồi dầu bậc ba, đặc biệt là trong khoan, chặn nước và kiểm soát hồ sơ, và thu hồi dầu bậc ba. Dung dịch nước của nó có độ nhớt cao và hiệu ứng làm đặc, kết bông và điều chỉnh lưu biến tuyệt vời. Ở giai đoạn giữa và sau của quá trình khai thác dầu, để cải thiện khả năng thu hồi dầu, Trung Quốc chủ yếu thúc đẩy công nghệ ngập polyme và ngập ASP (kiềm-chất hoạt động bề mặt-polyme). Bằng cách tiêm dung dịch nước polyacrylamide, có thể cải thiện tỷ lệ lưu lượng dầu-nước và có thể tăng hàm lượng dầu thô trong chất lỏng được sản xuất. Thêm polyacrylamide vào thu hồi dầu bậc ba có thể tăng cường khả năng dịch chuyển dầu, ngăn ngừa sự đột phá của lớp dầu và do đó cải thiện tỷ lệ thu hồi của bể chứa dầu. Ngành công nghiệp dầu khí của Trung Quốc là người sử dụng polyacrylamide lớn nhất.

(III) Lĩnh vực sản xuất giấy

Trong lĩnh vực sản xuất giấy, polyacrylamide được sử dụng rộng rãi như một chất hỗ trợ giữ nước, chất hỗ trợ thoát nước và chất đồng nhất. Nó có thể cải thiện chất lượng giấy, tăng cường hiệu suất tách nước của bột giấy, tăng tỷ lệ giữ lại các sợi mịn và chất độn, đồng thời giảm tiêu thụ nguyên liệu thô và ô nhiễm môi trường. Là một chất phân tán, nó cũng có thể cải thiện tính đồng nhất của giấy. Cụ thể, ứng dụng của polyacrylamide trong ngành sản xuất giấy chủ yếu được phản ánh ở hai khía cạnh: một là cải thiện tỷ lệ giữ lại chất độn, chất màu, v.v., giảm thất thoát nguyên liệu thô và ô nhiễm môi trường; hai là tăng cường độ bền của giấy, bao gồm độ bền khô và độ bền ướt. Đồng thời, việc sử dụng polyacrylamide cũng có thể cải thiện khả năng chống rách và độ xốp của giấy, tăng cường hiệu suất thị giác và in ấn của giấy và nó cũng được sử dụng trong giấy bao bì thực phẩm và trà.

(IV) Các lĩnh vực khác

Ngành dệt may: Polyacrylamide có thể được sử dụng làm chất hồ vải, có hiệu suất hồ ổn định, ít bị mất hồ, có thể làm giảm hiệu quả tỷ lệ đứt vải và làm cho bề mặt vải mịn.

Vật liệu y tế: Gel polyacrylamide có thể được sử dụng để sản xuất các tác nhân tạo hạt không prothrombin, vật tư phẫu thuật, nguyên liệu thô cho kính áp tròng, vật liệu phủ ngoài cho vi nang, v.v. và cũng có thể được chế tạo thành nút cầm máu chất lượng cao, băng vệ sinh phụ nữ và tã trẻ em. Polyacrylamide có kích thước hạt thích hợp có thể được sử dụng làm chất đóng gói sắc ký để tách, khử muối, cô đặc protein và các chất khác.

Ngành công nghiệp thực phẩm: Trong sản xuất đường mía và đường củ cải, polyacrylamide có thể được sử dụng để làm trong nước ép và chiết xuất xi-rô nổi. Nó cũng được sử dụng trong quá trình keo tụ và làm trong dịch lên men chế biến enzyme và thu hồi protein thức ăn, và bột protein thu hồi không có tác dụng phụ đối với tỷ lệ sống sót, tăng trọng và sản lượng trứng của gà.

Ngành xây dựng: Polyacrylamide có thể đóng vai trò trong việc chống thấm nước cho vật liệu vữa xây dựng, cải thiện chất lượng xi măng trong ngành vật liệu xây dựng, chất kết dính xây dựng, sửa chữa mối nối và chất chống thấm nước.

Cải tạo đất: Polyacrylamide có thể cải thiện khả năng chống xói mòn của đất do gió và xói mòn của nước, có giá trị ứng dụng nhất định trong cải tạo đất. Ngoài ra, nó còn được sử dụng trong vật liệu thấm nước trong tã trẻ em.