منعقد کننده پلی الکترولیت چیست؟

با فرآیند لخته شدن و به کارگیری موادی تحت عنوان منعقدکننده های پلی الکترولیت (منعقدکننده های پلیمری) می توان بازده جداسازی ذرات کلوئیدی موجود در محلول های سوسپانسیونی را از طریق افزایش اندازه، دانسیته و بار جاذب ذرات افزایش داد.
منعقدکننده های پلی الکترولیت، پلیمر های آلی خطی یا دارای زنجیره ی شاخه دار هستند که در محلول، یون های کمپلکس تشکیل می دهند. پلی الکترولیت ها دارای وزن مولکولی متوسط  بوده و کاملا در آب محلول هستند. این مواد به چهار گروه کاتیونی، آنیونی، غیر یونی و پلیمرهای طبیعی دسته بندی می شوند. منعقدکننده های پلی الکترولیت به اشکال مختلف از جمله پودر خشک، گرانول، محلول های آبی، ژل های آبی، امولسیو ن های هیدروکربنی تولید می شوند و از آنها در صنایع مختلف از جمله آب و فاضلاب، قند، فرآوری مواد معدنی، نفت، کاغذسازی، نساجی، داروسازی، بهداشتی و … استفاده می شود.

نام تجاری مهم ترین منعقدکننده های پلی الکترولیت مصرفی در ایران عبارت است از: فلوکولانت, آلکالار, سیپاران, تیرول, پراستیل و سوکرژل. این مواد از مشتقات پلی آکریل آمید و پلی آکریل آ مید/ سدیم آکریلات هستند که عمدتا از کشورهای انگلیس، ژاپن، آلمان، چین و کره وارد می شوند. میزان نیاز صنایع پتروشیمی به منعقدکننده های پلیمری ۹۳٫۵، شرکت آلومینای جاجرم ۵۰ ـ ۲۰، صنایع قند در بخش قند چغندری حدود ۲۰ و در بخش قند نیشکری حدود ۲۵ تن در سال گزارش شده است. در حال حاضر در صنعت آب و فاضلاب کشور از دلمه کننده های معدنی مانند کلرو فریک و سولفات آلومینیوم استفاده می شود و کاربرد منعقدکننده های پلیمری چندان شناخته شده نیست.

به ترکیبات پلیمری که در pH خنثی دارای مجموعه ای از بارهای مثبت و یا منفی هستند، پلی الکترولیت گفته می شود. بسیاری از مواد به دلیل داشتن گروه های یونی مثبت یا منفی روی سطح  به عنوان پلی الکترولیت مورد توجه هستند. کمپلکس های پلی الکترولیتی (PEC)  در اثر برهمکنش های الکتروستاتیک میان دو یا چند پلیمر با بارهای مخالف تشکیل می شوند. پلیمرهای استفاده شده برای تهیه کمپلکس های پلی الکترولیتی می توانند دارای منشأ طبیعی یا سنتزی باشند. اکثر پژوهشگران بر این عقيده هستند که تشکیل PEC پديد هاي آنتروپی محور است. رهایش یون های همراه با جرم مولکولی کم (یون های همراه با یون های باردار روی زنجیر پلیمری) همان نیروهای مؤثر برای تشکیل PEC ها در محلول های آبی هستند و موجب افزایش آنتروپی سامانه می شوند. از جمله مزایای کمپلکس های پلی الکترولیتی زیست سازگاری زیاد، زیست تخریب پذیری عالی، عدم سمیت و هزینه و انرژی بری کم تولید آن هاست. عوامل مختلف مانند چگالی بار، جرم مولکولی، غلظت نمک، pH  محیط واکنش، قدرت یونی و نسبت اختلاط در تشکیل کمپلکس های پلی الکترولیتی موثرند. در این مقاله به خواص، سازوکار، برهمکنش های موثر بر تشکیل، مدل های مختلف تشکیل کمپلکس های پلی الکترولیتی، کاربردها و روش های مختلف سنتز آن ها پرداخته شده است. کمپلکس های پلی الکترولیتی به دلیل رهایش کنترل شده دارو در بافت هدف، ماندگاری و تنظیم سرعت رهایش دارو، به عنوان حامل پلیمری در سامانه های دارورسانی بسیار مورد توجه هستند. همچنین از آن ها می توان در رهایش ژن، واکسن و پروتئین، مهندسی بافت و ساخت غشا استفاده کرد.
پلی الکترولیت ها پلیمرهای آلی بلند که اغلب دارای وزن مولکولی بیش از یک میلیون هستند و منشأ طبیعی یا مصنوعی دارند. یک مولکول پلیمری به عنوان یک سری از واحدهای شیمیایی تکرار شده که توسط پیوندهای کووالانسی به هم متصل شده اند، تعریف شده است. اگر واحدهای تکراری، یک ساختار مولکولی مشابه داشته باشند ترکیب، هموپلیمر نامیده می شود. اگر مولکول از بیش از یک نوع واحدهای شیمیایی تکراری تشکیل شده باشد، آن را کوپلیمر می نامند. واحدهای تکرار شونده منفرد که مولکول را تشکیل می دهند، واحدهای مونومر نامیده می شوند. بنابراین وزن مولکولی مولکول پلیمری، مجموع وزن مولکولی واحدهای مونومر منفرد است. تعداد کل واحدهای مونومر به عنوان درجه پلیمریزاسیون اطلاق می شود. پلیمرهای طبیعی شامل نشاسته، ژلاتین، صمغ های گیاهی و پروتئین ها هستند. توانایی چنین پلیمرهای طبیعی به عنوان کمک منعقدکننده ها به مدت طولانی شناخته شده است، اما انواع تجاری در فرآیندهای روشن سازی، سنتزی هستند که لیستی از آنها عبارتند از پلی آمین ها با وزن مولکولی بالا، پلی آکریل آمید ها، پلی اتیلن ایمین ها و پلی آکریلونیتریل. شباهت بین یک پلیمر مشتق شده طبیعی مانند نشاسته و یک پلیمر کاملا مصنوعی مانند اسید پلی اکریلیک این است که در حقیقت هر دو ترکیب به ترتیب واحدهای تکرار شونده گلوکز و اسید اکریلیک دارند و هر یک از واحدهای تکراری شامل گروه های فعال یونی هستند. هیدروکسیل در یک واحد و کربوکسیل در واحد دیگر.
اصطلاح پلی الکترولیت به آن دسته از پلیمرهایی اشاره شده است که توسط برخی از مکانیزم های تولید یون می تواند تبدیل به یک مولکول پلیمری با بار الکتریکی در طول زنجیره خود شود. بارهای الکتریکی ناشی از حضور گروه های عاملی یونیزه شونده در طول زنجیره پلیمری است. پلی الکترولیت ها به این ترتیب الکترولیت های پلیمری هستند، که دارای ویژگی های پلیمر و الکترولیت هستند. هنگامی که گروه های یونیزه کننده تجزیه می شوند، مولکول های پلیمری با توجه به گروه های عاملی خاص موجود به طور مثبت یا منفی باردار می شوند. پلیمرهایی که گروههای عاملی یونیزه کننده آن یک بار خالص مثبت دارند، پلی الکترولیت های کاتیونی نامیده می شوند. پلیمرهایی که دارای بار خالص منفی هستند، به عنوان آنیونی نامیده می شوند و آن هایی که دارای مقدار مساوی از بارهای مثبت و منفی هستند به طوریکه میزان بارخالص صفر است غیریونی نامیده می شوند.

بسیاری از پليمرها يا کوپليمرها به دلیل داشتن گروه های یونی مثبت یا منفی در سطح، به عنوان پلی الکترولیت مورد توجه هستند. پلی الکترولیت ها دارای منشأ طبیعی، سنتزی و نیمه سنتزی هستند. از جمله پلی ساکاریدهای طبیعی با منشأ گیاهی می توان اقاقیا، کتیرا، آلژینیک اسید و پکتین را نام برد که دارای گروه های کربوکسیلیک هستند و در محیط خنثی و به نسبت بازی یونیده می شوند. ساختار مولکولی پلی الکترولیت ها به شکل خطی، شاخه دار و شبکه ای است. ویژگی اصلی پلی الکترولیت ها انحلا ل پذیری و دارابودن برهمکنش الکتروستاتیک است. انحلال پلی الکترولیت ها در آب معمولا به زمان طولانی نیاز دارد. نظریه فلوری رفتار زنجیرهای پلی الکترولیتی در محلو لهای رقیق را توضیح می دهد. طبق این نظریه، برهمکنش های درو ن زنجیری، از جمله برهمکنش های غالب در پلی الکترولیت ها هستند. قدرت برهم کنش الکتروستاتیک با پارامترهای مختلف از جمله ثابت دی الکتریک محلول پلی الکترولیتی، تحت تاثیر قرار می گیرد. شکل زیر نمونه هایی از سه نوع پلی الکترولیت را با استفاده از ساختار پلی آکریل آمید نشان می دهد.

پلی الکترولیت غیریونی

پلی الکترولیت غیریونی

پلی الکترولیت آنیونی

پلی الکترولیت کاتیونی

پلی الکترولیت کاتیونی

پلی الکترولیت های تجاری در جمع آوری مواد معلق محلول در آب استفاده می شوند. آن ها ممکن است به شکل دانه ای، به شکل پودر یا مایعات با گرانروی بالا ظاهر شوند. تمام پلی الکترولیت های موجود در طولانی مدت تمایل به تخریب در هنگام ذخیره شدن را دارند. برای یک محصول خاص، مدت ذخیره سازی معمولا توسط تولید کننده بیان می شود. به طور کلی، هر چه یک محلول پلی الکترولیتی بیشتر رقیق تر باشد، سریع تر تخریب می شود، که احتمالا شامل تجزیه زنجیره های بلند است که باعث کاهش ویسکوزیته می شود. این بدان معنی است که این محصولات در فرم های مایع خشک یا بسیار ویسکوز ذخیره می شوند. کاربر پس از آن محلول های رقیق را در صورت نیاز می سازد، پس از چند روز، باید بخش های استفاده نشده از فرم های رقیق شده را از بین ببرد. اکثر تولید کنندگان پلی اتیلن های سنتزی اطلاعات دقیق در مورد محصولات خود را برای هدایت کاربر در آماده سازی، ذخیره سازی و نحوه استفاده از آنها ارائه می دهند. جذب یکی از مهمترین مراحل مهم در تجمع ذرات با پلیمرهای زنجیره ای است. این فرآیندی است که در آن سایت های باردار مولکول پلیمر خطی به سطح تعدادی از ذرات متصل شده (جذب شده)، و تشکیل همان چیزیکه به طور کلی به عنوان پل ذرات- پلیمر- ذرات ذکر شده است می دهد و در نتیجه ذرات بزرگتر ایجاد شده و سریعتر رسوب می کنند. اعتقاد بر این است که پلی الکترولیت ها به طور برگشت ناپذیر به ذرات جامد متصل می شوند، بنابراین بهترین اثر را با اضافه کردن آن به مقدار حجم آب زیاد، معمولا حدود ۰٫۰۱ تا ۰٫۱ درصد محلول به دست می آوریم. اما با چنین محلول های رقیق، جذب موضعی با مخلوط کردن فوری محلول پلی الکترولیتی با محلول سوسپانسیون می تواند متوقف شود.

کمپلکس پلی الکترولیتی

از برهمکنش های الکتروستاتیک میان دو یا چند پلی الکترولیت با بارهای مخالف در محلول، کمپلکسی با نام کمپلکس پلی الکترولیتی  (PEC)  تشکيل می شود. برهمکنش های مؤثر برای تشکیل کمپلکس بین پلی الکترولیت های دارای بارهای ناهمنام شامل برهمکنش های الکتروستاتیک، پیوند هیدروژنی و برهمکنش های آبگریز، واندروالسی و دوقطبی هستند. قو یترین برهمکنش های بین مولکولی برای تشکيل کمپلکس مؤثر میان پلی کاتیون و پلی آنیون برهمکنش های الکتروستاتیک هستند. طبقه بندی پلی الکترولیت های دارای قابلیت تشکیل کمپلکس پلی الکترولیتی در جدول زیر نشان داده شده است.

دسته بندی پلیمرهاکاتیونیآنیونی
طبیعیکیتوسان، پلی (L-لیزین)، دکستران، نشاسته، سلولز
آلژينات، کاراژینان، کربوکسی متيل سلولوز، ژلاتین، صمغ گلان، صمغ کنداگگو، هیالورونیک اسید، پکتین، صمغ زانتان، نشاسته مالئیک، پلی بتایین، هپارین، کندروتین سولفات، پلی(L ـــ گلوتامیک اسید)، γـــ پلی(گلوتامیک اسید)
سنتزیپلی(وینیل بنزیل تری آلکیل آمونیوم)، پلی(۴- وینیل- N-آلکیل پیریدیمیون)، پلی(آکریلویل اکسی آلکیل تری آلکیل آمونیوم)، پلی(آکریل آمیدوآلکیل تری آلکیل آمونیوم)، پلی(دی آلیل دی متیل آمونیوم)، N،N،N – تر ی متیل کیتوسان
دکستران سولفات، پلی(آکریلیک اسید) شبکه ای شده، پلی آلکیلن اکسید- مالئيک اسید، پلی (L-آسپارتیک اسید، سدیم سلولز سولفات)، پلی(استیرن سولفونیک اسید)، پلی(وینیل سولفونیک اسید)

از جمله مزایای کمپلکس های پلی الکترولیتی تهیه سریع و انرژ ی بری کم آن، بي نيازي به حلال های گران، عدم تولید محصول سمی، بازده زیاد، امکان قراردادن انواع مختلف ترکیبات دارویی در آن ها، آسیب احتمالی حداقل به دارو در طول تشکیل کمپلکس پلی الکترولیتی، ارزانی، زیست سازگاری و زیست تخریب پذیری است.

کمپلکس پلی الکترولیتی که از اختلاط پلی الکترولیت های با جرم های مولکولی متفاوت و نسبت های غیراستوکیومتری تهیه می شود، در مقیاس مولکولی در آب انحلا ل پذیر است. اکثر پژوهشگران بر این عقيده هستند که تشکیل PEC پديده آنتروپی محور است. رهایش یون های همراه با جرم مولکولی کم (یون های همراه با یون های باردار روی زنجیر پلیمری) همان نیروی مؤثر برای PEC ها در محلول های آبی است که موجب افزایش آنتروپی سامانه می شود. پس از اختلاط محلول های پلی کاتیون و پلی آنیون، طی فرایند بسیار سریعي بدون افزایش هرگونه عامل شبکه ای کننده کمپلکس پلی الکترولیتی تشکیل می شود. تشکیل و پایداری کمپلکس پلی الکترولیتی به عوامل جنبشی و ترمودینامیکی مانند pH ، قدرت یونی، جرم مولکولی، چگالی بار، دما و نسبت اختلاط پلی الکترولیت ها مربوط است.

میزان مصرف پلی الکترولیت ها

استفاده و اهمیت پلی الکترولیتی ها به سرعت در حال افزایش است. تعداد تولید کنندگان این مواد نیز رو به افزایش است. پلی الکترولیت های سنتزی کاربردهای های قابل توجهی را در زمینه های زیر پیدا کرده اند:
• صنایع فرآیندی
• تصفیه فاضلاب صنعتی
• تصفیه آب
• تصفیه فاضلاب خانگی
استفاده خاص از پلی الکترولیت ها در صنایع فرایندی شامل شفاف سازی آب قند خام در صنعت قند و جداسازی گچ از فرآیند مرطوب فسفریک اسید است. بهبود پايداري در عمل واگن زغال سنگ؛ افزایش ظرفیت ضایعات در روند مرطوب ؛ جداسازی ناخالصی های خاک رس از جریان بوراکس؛ بهبود کیفیت رسوب فلز در پالایش الکترولیتی و یا الکترودهایی از مس و روی؛ بهبود عملیات ضخیم شدن در پردازش اورانیوم، و غیره.