א. מהו פוליאקרילאמיד?

פוליאקרילאמיד (PAM), מבחינה כימית, הוא פולימר ליניארי מסיס במים הנוצר על ידי פילמור של מונומרים של אקרילאמיד (AM) המופעל על ידי רדיקלים חופשיים, עם נוסחה מולקולרית (C₃H₅לֹא)n. הוא מופיע כמוצק זכוכיתי קשה בטמפרטורת החדר, אך ביישומים מעשיים, אנו נתקלים בו לעתים קרובות בצורות כגון נוזלים קולואידים, לטקסים, אבקה לבנה, חרוזים שקופים ופתיתים.

לפוליאקרילאמיד שני פרמטרים מבניים חשובים: משקל מולקולרי ותכונה יונית. בהתבסס על משקל מולקולרי, ניתן לחלק אותו למשקל מולקולרי נמוך, משקל מולקולרי בינוני, משקל מולקולרי גבוה ומשקל מולקולרי גבוה במיוחד. לפי התכונה היונית, כלומר, מאפייני היינון בתמיסה מימית, ניתן לסווג אותו לסוגים יוניים לא יוניים, אניוניים, קטיוניים ואמפוטריים. סוגים שונים של פוליאקרילאמיד מציגים תכונות שונות עקב הבדלים מבניים, ובכך מתאימים את עצמם לתרחישי יישום שונים.

ב'. מאפייני פוליאקרילאמיד

(א) תכונות פיזיקליות ייחודיות

מסיסות: הוא יכול להתמוסס במים בכל פרופורציה, וליצור תמיסה מימית אחידה ושקופה. תכונה זו הופכת אותו לנוח ביותר בתרחישים רבים הדורשים ערבוב עם מים. עם זאת, לאחר אחסון ארוך טווח, צמיגות התמיסה תפחת עקב פירוק איטי של הפולימר, במיוחד כאשר תנאי האחסון וההובלה ירודים.

צמיגות: הצמיגות של תמיסת פוליאקרילאמיד מימית קשורה קשר הדוק לריכוז; ככל שהריכוז עולה, הצמיגות עולה בהתאם. יתר על כן, באותו ריכוז, הצמיגות של תמיסת פוליאקרילאמיד בעלת משקל מולקולרי גבוה גבוהה יחסית. בינתיים, ערך ה-pH של התמיסה משפיע גם הוא על הצמיגות. בתמיסות pH גבוה, עקב הידרוליזה, נוצרים אניונים קרבוקסילטיים במולקולות, ושרשראות המולקולות נמתחות עקב דחייה אלקטרוסטטית, ובכך מגדילות את צמיגות התמיסה.

פלוקולציה: לפוליאקרילאמיד בעל משקל מולקולרי גבוה יש ביצועי פלוקולציה מצוינים. שרשראות המולקולריות שלו יכולות ליצור בצורה חכמה גשרים בין חלקיקים ספוחים, לחבר כמה או אפילו עשרות חלקיקים יחד, לקדם היווצרות מהירה של פלוקים ולהאיץ מאוד את קצב השקיעה של חלקיקים. המטענים הנישאים על שרשראות המולקולריות יכולים להפעיל משיכה אלקטרוסטטית על החלקיקים, ואורך המולקולות מספק ביצועי ספיחה טובים ואתרי קשירה עם קשרי מימן. גורמים אלה פועלים יחד כדי לייעל עוד יותר את אפקט הפלקולציה.

(ב') תכונות כימיות עשירות

תגובת הידרוליזה: ניתן להמיר פוליאקרילאמיד לפולימר המכיל קבוצות קרבוקסיל באמצעות הידרוליזה של קבוצות אמיד, והמוצר נקרא פוליאקרילאמיד שעבר הידרוליזה חלקית. בתנאים חומציים, למרות שתגובת ההידרוליזה משופרת על ידי חומצה, הקצב איטי בהרבה מזה של הידרוליזה בסיסית ובדרך כלל דורש טמפרטורה גבוהה יותר.

תגובת הידרוקסימתילציה: יכולה להגיב עם פורמלדהיד ליצירת פוליאקרילאמיד הידרוקסימתיל. תגובה זו יכולה להתקיים הן בתנאים חומציים והן בתנאים בסיסיים, אך קצב התגובה מהיר יותר בתנאים בסיסיים. בתנאים חומציים, מכיוון שפורמלדהיד קיים בעיקר בצורת שרשרת, הריכוז האפקטיבי יורד, וכתוצאה מכך קצב התגובה איטי יותר.

תגובת סולפומטילציה: תגובה זו מתבצעת בתנאים אלקליים ויש לה שתי שיטות הזנה. האחת היא שפוליאקרילאמיד מגיב ישירות עם נתרן ביסולפיט ופורמלדהיד בתנאים אלקליים ליצירת נגזרת אניונית - פוליאקרילאמיד סולפומטיל; השנייה היא שנתרן ביסולפיט מוסיף תחילה לתמיסת הפוליאקרילאמיד המתיל, ולאחר התגובה השנייה מתקבל פוליאקרילאמיד סולפומטיל. תגובה זו רגישה ביותר לערך ה-pH. כאשר ערך ה-pH נמוך מ-10, התגובה איטית מאוד ב-70°C; כאשר ערך ה-pH גבוה מ-10, קצב התגובה עולה באופן משמעותי.

תגובת אמינומתילציה: הידועה גם כתגובת מניך, פוליאקרילאמיד, דימתילאמין ופורמלדהיד יכולים לייצר את הפולימר דימתילאמין-N-מתילפרופניל o-פנילנדיאמין באמצעות תגובה זו. זוהי שיטה נפוצה להכנת פוליאקרילאמיד קטיוני, והתוצר המתקבל, הודות לשרשראות הצד הפעילות בשרשרת המולקולרית, יכול לשפר את קצב הבהירות של שפכים כאשר משתמשים בו כפלוקולנט.

תגובת פירוק הופמן: פוליאקרילאמיד יכול להגיב עם היפוהליטים כמו נתרן היפוכלוריט או נתרן היפוברומיט בתנאים אלקליים כדי לייצר פוליווינילאמין קטיוני.

תגובת קישור צולב: תמיסה מימית של פוליאקרילאמיד תיצור ג'ל פוליאקרילאמיד צולב בלתי מסיס כאשר היא מחוממת בתנאים חומציים. בנוסף, היא יכולה גם לעבור תגובות קישור צולב עם גליוקסל, שרף אוריאה-פורמלדהיד, שרף מלמין, שרף פנולי וכו'. התמיסה המימית של פוליאקרילאמיד וקופולימר אקרילאמיד שעברו הידרוליזה יכולה גם לעבור תגובות קישור צולב עם יוני גישור הידרוקסיל רב-גרעיניים הנוצרים על ידי יוני מתכת עתירי ריכוז כגון מלחי אלומיניום, מלחי כרום, מלחי זירקוניום, מלחי מנגן ומלחי טיטניום ליצירת ג'לים.

ג. שיטות הכנה של פוליאקרילאמיד

(I) פולימריזציה בתמיסה מימית

זוהי השיטה העתיקה ביותר לייצור פוליאקרילאמיד, עם יתרונות של ייצור בטוח וחסכוני, והיא דרך ייצור חשובה לפוליאקרילאמיד. על ידי שינוי תנאי תגובה כגון מערכת היוזם, ערך ה-pH של המדיום, סוג ומינון התוספים, ממס וטמפרטורת הפילמור, ניתן לחקור את ההשפעה על מאפייני תגובת הפילמור ותכונות המוצר. עם זאת, עקב השימוש במים כממס, תכולת הטומאה במערכת נמוכה, קבוע העברת השרשרת של מונומרים בתמיסה מימית נמוך, ומוגבלת על ידי תנאי התהליך, תכולת המוצקים של תוצרי פילמור בתמיסה מימית נמוכה, ותגובת אימידיזציה נוטה להתרחש ליצירת ג'לים, מה שמקשה על קבלת פוליאקרילאמיד בעל משקל מולקולרי יחסי גבוה.

(ב') פולימריזציה של משקעים

כאשר הפולימר המתקבל אינו יכול להתמוסס בממסים כגון אצטון ואתנול, הפולימר ישקע ברציפות מהתמיסה ככל שהתגובה מתקדמת, ומכאן שמה של שיטת פילמור זו. לפוליאקרילאמיד המוכן בשיטה זו יש משקל מולקולרי גבוה יחסית ואחידות טובה.

(ג') פולימריזציה של פיזור

פולימריזציה באמצעות פיזור היא סוג של פולימריזציה באמצעות רדיקלים חופשיים, בעלת התנהגות קינטית דומה לפולימריזציה בצובר, וניתן להתייחס אליה כאל סוג מיוחד של פולימריזציה באמצעות משקעים. העיקרון שלה הוא פיזור מונומרים במים ליצירת תמיסה מימית בריכוז מסוים, ולאחר מכן הוספת יוזם לפולימריזציה. במהלך תהליך הפולימריזציה, המונומרים המפולמרים מראש והיוזם מתמוססים במדיום התגובה ליצירת מערכת הומוגנית; הפולימר שנוצר שוקע מכיוון שאינו מסיס בקלות במדיום התגובה, והפולימר המשוקע מצטבר זה עם זה, ותחת פעולת מייצב, מרחף ביציבות בתמיסת התגובה בצורת חלקיקים עדינים, ויוצר פיזור הטרוגני. למערכת פולימריזציה באמצעות פיזור זו תכולת מוצקים גבוהה, צמיגות נמוכה ויציבות גזירה טובה.

ד'. תחומי יישום של פוליאקרילאמיד

(א) שדה טיפול במים

טיפול במים גולמיים: בתהליך טיפול במים גולמיים, משתמשים בפוליאקרילאמיד בשילוב עם פחם פעיל וחומרים אחרים כדי לקריש ולהבהיר חלקיקים מרחפים במי בית. בהשוואה לחומרי הקשחת אנאורגניים, השימוש בחומרי הקשחת אורגניים מסוג פוליאקרילאמיד יכול לשפר את קיבולת טיהור המים ביותר מ-20% גם ללא שינוי במיכל השיקוע.

טיפול בשפכים: פוליאקרילאמיד ממלא תפקיד חשוב בטיפול בשפכים. הוא יכול לא רק להגדיל את שיעור השימוש החוזר במים, אלא גם לשמש כחומר להסרת בוצה. יתר על כן, כאשר משתמשים בו בשילוב עם חומרי ניקוי אנאורגניים, הוא יכול לשפר משמעותית את איכות המים ולהפחית את מינון החומרים הניקויים. יחד עם זאת, לסוגי הניקוי הנוצרים על ידי פוליאקרילאמיד יש חוזק גבוה וביצועי שקיעה טובים, מה שיכול לשפר ביעילות את מהירות ההפרדה בין מוצק לנוזל ולהקל על הסרת בוצה.

טיפול במים תעשייתי: בטיפול במים תעשייתי, פוליאקרילאמיד הוא חומר חשוב בפורמולה. השימוש בו יכול להפחית משמעותית את מינון החומרים הפלקולנטים האנאורגניים, למנוע שקיעת חומרים אנאורגניים על פני הציוד, ובכך להאט את הקורוזיה וההתייבשות של הציוד. דווח כי 37% מהתפוקה העולמית הכוללת של פוליאקרילאמיד משמשת לטיפול בשפכים, וחשיבותה בתחום טיפול המים מובנת מאליה.

(ב') שדה הפקת נפט

פוליאקרילאמיד הוא חומר טיפול כימי רב-תכליתי בשדות נפט, הנמצא בשימוש נרחב בפעולות רבות של הפקת נפט כגון קידוח, צמנט בארות, השלמה, עיבוד שבבי, שבירה, חומצה, הזרקת מים, סתימת מים ובקרת פרופיל, והפקת נפט שלישוני, במיוחד בקידוח, סתימת מים ובקרת פרופיל, והפקת נפט שלישוני. לתמיסה המימית שלה צמיגות גבוהה ואפקטים מעולים של עיבוי, פלוקולציה והתאמה ריאולוגית. בשלבים האמצעיים והמאוחרים של הפקת הנפט, כדי לשפר את הפקת הנפט, סין מקדמת בעיקר טכנולוגיות הצפת פולימרים והצפה של אֶפעֶה (פולימר אלקלי-פעיל שטח). על ידי הזרקת תמיסת פוליאקרילאמיד מימית, ניתן לשפר את יחס קצב הזרימה בין שמן למים, ולהגדיל את תכולת הנפט הגולמי בנוזל המיוצר. הוספת פוליאקרילאמיד בהפקת נפט שלישוני יכולה לשפר את קיבולת תזוזת הנפט, למנוע פריצה של שכבת הנפט, ובכך לשפר את קצב ההפקה של מאגר הנפט. תעשיית הנפט של סין היא המשתמשת הגדולה ביותר בפוליאקרילאמיד.

(ג') תחום ייצור הנייר

בתחום ייצור הנייר, פוליאקרילאמיד נמצא בשימוש נרחב כחומר עזר לשמירה, ניקוז וחומר אחידות. הוא יכול לשפר את איכות הנייר, לשפר את ביצועי הסחיטה של ​​העיסה, להגדיל את קצב השמירה של סיבים עדינים וחומרי מילוי, ולהפחית את צריכת חומרי הגלם ואת זיהום הסביבה. כחומר מפזר, הוא יכול גם לשפר את אחידות הנייר. באופן ספציפי, השימוש בפוליאקרילאמיד בתעשיית ייצור הנייר בא לידי ביטוי בעיקר בשני היבטים: האחד הוא שיפור קצב השמירה של חומרי מילוי, פיגמנטים וכו', הפחתת אובדן חומרי הגלם וזיהום הסביבה; השני הוא שיפור חוזק הנייר, כולל חוזק יבש וחוזק רטוב. יחד עם זאת, השימוש בפוליאקרילאמיד יכול גם לשפר את עמידות הקריעה והנקבוביות של הנייר, לשפר את הביצועים הוויזואליים וההדפסה של הנייר, והוא משמש גם בנייר אריזות מזון ותה.

(ד') תחומים אחרים

תעשיית הטקסטיל: ניתן להשתמש בפוליאקרילאמיד כחומר גודל טקסטיל, עם ביצועי גודל יציבים, פחות אובדן גודל, מה שיכול להפחית ביעילות את קצב השבירה של בדים ולהפוך את פני הבד לחלקים.

חומרים רפואיים: ג'ל פוליאקרילאמיד יכול לשמש לייצור חומרים מגרגירים שאינם פרותרומבין, ציוד כירורגי, חומרי גלם לעדשות מגע, חומרי ציפוי חיצוניים למיקרו-קפסולות וכו', וניתן גם לייצר ממנו פקקים המוסטטיים באיכות גבוהה, תחבושות היגייניות לנשים וחיתולים לתינוקות. פוליאקרילאמיד בגודל חלקיקים מתאים יכול לשמש כאריזה כרומטוגרפית להפרדה, התפלה, ריכוז חלבונים וחומרים אחרים.

תעשיית המזון: בייצור סוכר קנים וסוכר סלק, ניתן להשתמש בפוליאקרילאמיד להבהרת מיץ ולחילוץ סירופ. הוא משמש גם בהפתתה והבהרה של ציר תסיסה להכנת אנזימים ולהפקת חלבון מספוא, ואבקת החלבון הממוחזרת אינה משפיעה לרעה על שיעור ההישרדות, עלייה במשקל וייצור הביצים של תרנגולות.

תעשיית הבנייה: פוליאקרילאמיד יכול למלא תפקיד בסתימת מים של חומרי דיוס אזרחיים, שיפור איכות המלט בתעשיית חומרי הבניין, דבקי בנייה, תיקון חיבורים וחומרי סתימת מים.

שיפור קרקע: פוליאקרילאמיד יכול לשפר את יכולתה של הקרקע להתנגד לסחף רוח וסחף מים, ויש לו ערך שימושי מסוים בשיפור קרקע. בנוסף, הוא משמש גם בחומרים סופגי מים בחיתולים לתינוקות.