پلی الکترولیت آنیونی مبتنی بر آکریل آمید و کاربرد آن
پلی الکترولیت آنیونی چیست؟
پلی الکترولیت آنیونی به پلیمری که بار منفی را در امتداد زنجیره پلیمر تحمل می‌کند، گفته می‌شود و به پلیمر مبتنی بر آکریلامید اشاره دارد. این پلی الکترولیت محلول در آب کاربرد گسترده‌ای در صنایع مختلف دارد که از جمله مهم‌ترین آنها پلی الکترولیت آنیونی است.
پلی الکترولیت با بار منفی به طور گسترده‌ای به‌عنوان منعقدکننده، عامل کنترل رئولوژی و چسب استفاده می‌شوند. این نوع پلی الکترولیت بخصوص در عملیات میادین نفتی به‌عنوان عامل کنترل ویسکوزیته برای بهبود بازیافت نفت و در مباحث مهندسی جریان برای روغن‌کاری، بازپس‌گیری پساب و باز کردن کانال‌های عبور نفت بکار می‌رود.
پلیمرهای مبتنی بر آکریلامید با پلیمریزاسیون رادیکال آزاد آکریل آمید و با استفاده از تکنیک‌های محلول، سوسپانسیون، امولسیون و کوپلیمریزاسیون ساخته می‌شود.
مواد جامد در پراکندگی‌های آبی بهره‌مند می‌شوند. پلیمرهای مبتنی بر آکریل آمید توسط پلیمریزاسیون رادیکال آزاد آکریل آمید و مشتقات آن از طریق تکنیک‌های پلیمرشدن جرمی، محلولی، رسوبی، تعلیقی، امولسیون و کوپلیمر سازی ساخته می‌شوند. در میان اینها، پلیمریزاسیون محلول به دلیل مشکلات کنترل دما و کنترل آشفتگی در پلیمریزاسیون جرمی و هزینه سورفاکتانت‌ها و حلال ها برای روش‌های تعلیقی، امولسیون و پلیمریزاسیون رسوبی، ترجیح داده می‌شود.
پلی الکترولیت آنیونی ممکن است به روش‌های مختلفی با ذرات موجود در پراکندگی آبی برهم‌کنش داشته باشد که منجر به ثبات یا عدم ثبات پراکندگی‌ها می‌شود. ذرات موجود در فاز مایع – جامد می‌توانند از طریق سه مکانیسم باعث وقوع لختگی و ایجاد بی‌ثباتی شوند. این مکانیسم‌ها عبارت‌اند از: پلیمر، خنثی‌سازی بار و جذب پلیمر. ذرات موجود در فاز مایع – توسط پلیمرهای آنیونی از طریق نیروهای الکترواستاتیک و دافعه فضایی تثبیت می‌شوند.
پلی الکترولیت‌ها، پلیمرهای محلول در آب هستند که منشأ طبیعی یا سنتزی دارند. باتوجه‌به بار الکتریکی، می‌توان پلی الکترولیت‌ها را به سه نوع آنیونی، کاتیونی و آمفوتریک طبقه‌بندی کرد.
پلی الکترولیت‌های آنیونی، کاتیونی و آمفوتریک ماکرومولکول‌هایی هستند که به ترتیب دارای بار منفی (آنیونی)، بار مثبت (کاتیونی) و هر دو بار مثبت و منفی (آمفیوتریک) هستند، چه در گروه‌های زنجیره جانبی و چه در زنجیر اصلی پلیمر.
اصطلاح پلی الکترولیت برای مشخص‌کردن پلیمرهایی که شامل بیش از 15٪ گروه‌های یونی هستند، به کار می‌رود و به آن پلیمرهایی که دارای محتوای گروه یونی کمتری هستند، یونومر گفته می‌شود جدا از ساختار مولکولی پلی الکترولیت، وزن مولکولی و چگالی بار دو ویژگی خاص پلی الکترولیت‌ها هستند.
بسته به میزان بار الکتریکی، توزیع بار، و وزن مولکولی کم، متوسط یا زیاد، پلی الکترولیت‌ها در طیف وسیعی از صنایع کاربردهای مختلفی دارند. استفاده گسترده از پلی الکترولیت از خواص ویژه آن در محلول ناشی می‌شود، ویژگی‌هایی مانند تغییر رئولوژی (جریان) یک محیط آبی در جهت افزایش ویسکوزیته فاز آبی یا قابلیت جذب بر ذرات یا سطوح به‌منظور جداسازی، شفاف‌سازی، شناور یا پراکندگی فازهای جامد – مایع.
انواع پلی الکترولیت با توجه به ویژگی های آن
پلی الکترولیت آنیونی می‌تواند انواع مختلفی داشته باشد. در بین پلی الکترولیت‌های مختلف آنیونی، پلیمرهای آکریل آمید، باتوجه‌به کاربرد گسترده‌ای که دارند، رایج‌ترین نوع هستند.
آنها در زمینه‌های مختلف مهندسی و فناوری به‌عنوان منعقدکننده استفاده می‌شوند، همچنین کاربردهای دیگری که از جمله می‌توان به‌عنوان عامل افزایش بازیابی نفت، مواد افزودنی سیال حفاری، تثبیت‌کننده‌های شیل، عامل تغلیظ کننده و اتصال‌دهنده، عامل پراکندگی، عامل فراوری مواد معدنی، مواد کاغذسازی، و عامل تثبیت خاک اشاره کرد.
این پلیمرها را می‌توان با دو ویژگی خاص، وزن مولکولی (MW) و چگالی بار (CD) توصیف می‌شوند. طول زنجیره ماکرومولکول آنیونی را می‌توان از مقادیر کم‌وزن مولکولی تا حدود ده‌ها میلیون گرم بر مول کنترل کرد.
همچنین میزان بار منفی در طول ماکرومولکول‌های آنیونی از صفر تا حدود 100٪ قابل تغییر است. بسیاری از محصولات کلوئیدی هستند، سیستم‌های دوفازی که در آنها یک فاز دارای ابعاد در محدوده اندازه 1 نانومتر تا 10 میکرومتر در فاز ماتریس یا پراکندگی ذرات بزرگ‌تر است.
کلوئیدها در بسیاری از فرایندها استفاده می‌شوند که به عواملی مثل چگالی بار آن و وزن مولکولی، و جذب آن بر روی سطح بستگی دارد. ذرات ممکن است یکی از دو اثر را داشته باشند، ایجاد ثبات و برهم‌زدن ثبات یا لخته‌سازی. در شکل زیر فرایند آماده‌سازی پلی‌آکریل آمید آنیونی نشان‌داده‌شده:
آماده سازی پلی آکریل آمید آنیونی
آماده سازی پلی‌آکریل آمید آنیونی
در فرایند تثبیت، ارتباط و ته‌نشینی ذرات مهار می‌شود و ذرات برای مدت طولانی در حالت پراکنده باقی می‌مانند. کاربرد این پدیده در رنگ‌ها، مواد آرایشی، مواد شوینده، داروها و مواد غذایی ظاهر می‌شود.
در فرایند لخته‌سازی، ذرات به‌گونه‌ای درهم‌تنیده می‌شوند که به‌راحتی از محیط اطراف جدا می‌شوند و تجمیع می‌شوند. کاربرد این پدیده در تصفیه آب، تهیه کاغذ، فراوری مواد معدنی و بازیابی از معدن است.
خرید مواد اولیه تصفیه آب و فاضلاب با بالاترین کیفیت
پلی الکترولیت آنیونی
بار الکتریکی پلی الکترویت‌های آنیونی منفی است. طیف گسترده‌ای از بار الکتریکی امکان‌پذیر است، از صفر تا تراکم شارژ بالا. پلی الکترولیت‌های آنیونی به‌عنوان منعقدکننده و فلوکولنت در تصفیه آب و فاضلاب و در آبگیری لجن فاضلاب شهری و صنعتی کاربرد فراوانی دارند.
پلی الکترولیت‌های آنیونی همچنین به‌عنوان افزودنی سیال حفاری و سیستم‌های نفتی، و همچنین برای جداسازی سنگ در معدن و استقرار خاک در صنایع کشاورزی استفاده می‌شوند. پلی الکترولیت‌های آنیونی به دودسته پلیمرهای سنتزی و طبیعی طبقه‌بندی می‌شوند.
پلیمرهای آنیونی سنتزی
انواع بی‌شماری از پلی الکترولیت مصنوعی وجود دارد که برخی از آنها طبق ساختار شیمیایی که دارند در زیر ذکر شده است. از نظر کاربرد مهم‌ترین آنها پلی الکترولیت‌های مبتنی بر آکریل آمید با وزن مولکولی کم، متوسط و بالا و چگالی بار متنوع است. پلی‌آکریل آمید هیدرولیز شده جزئی (HPAM) یک کوپلیمر خطی با وزن مولکولی بالا است که از واحدهای مونومری آکریلات (آنیونی) و آکریلامید (غیر یونی) تشکیل شده است که بار آنیونی متوسط آن را برای افزودنی گل حفاری مناسب ساخته است.
نسبت گروه‌های آکریلات به آکریلامید روی زنجیره پلیمر و یا وزن مولکولی می‌تواند در طول تولید تغییر کند. این پلیمر همچنین به‌عنوان بهبود دهنده خاک رس استفاده می‌شود، یا به‌صورت مخلوط خشک در خاک رس قرار می‌گیرد یا به گل کم بنتونیتی اضافه می‌شود. علاوه بر این، HPAM می‌تواند برای انعقاد جامدات کلوئیدی در حین حفاری با آب شفاف و برای تصفیه فاضلاب استفاده شود.
HPAM با وزن کم مولکولی یک ماده ضدانعقاد برای خاک رس است. کوپلیمرهای آنیونی آکریل آمید معمولاً حاوی گروه عاملی کربوکسیلات، سولفونات یا فسفونات هستند. کوپلیمرها ممکن است با کوپلیمر شدن آکریل آمید با یک مونومر دیگری از نوع وینیل که حاوی گروه عاملی کربوکسیلات، سولفونات یا فسفونات است، ایجاد می‌شوند.
در ادامه به بررسی ساختارهای شیمیایی مهم‌ترین پلیمرهای سنتزی آنیونی می‌پردازیم.
پلی الکترولیت آنیونی دارای گروه عاملی کربوکسیل
پلی الکترولیت‌های آنیونی حاوی گروه‌های کربوکسیل با وزن مولکولی کم یا وزن مولکولی بالا و با تراکم بارهای مختلف تا کنون مهم‌ترین دسته پلی الکترولیت آنیونی هستند. پلیمرهای آنیونی حاوی کربوکسیل با وزن مولکولی بالا به‌عنوان منعقدکننده برای تصفیه آب و فاضلاب استفاده می‌شود. کوپلیمر HPAM سدیم آکریلات و آکریل آمید مهم‌ترین پلی الکترولیت آنیونی است که بر اساس آکریلامید ساخته شده و به دو روش به دست می‌آید.
در روش اول، از فرایندی شامل پلیمریزاسیون هم‌زمان و هیدرولیز آکریلامید برای تهیه HPAM استفاده می‌شود. تهیه پلیمر از طریق پلیمریزاسیون یک‌مرحله‌ای انجام می‌شود به‌طوری‌که پلیمریزاسیون و هیدرولیز هم‌زمان صورت می‌گیرد.
به‌منظور به‌دست‌آوردن درجات مختلف هیدرولیز، از نسبت‌های مختلفی از آکریل آمید و عامل قلیایی هیدرولیز استفاده می‌شود و واکنش با اضافه‌کردن یک آغازگر اکسایش – کاهش که از پرسولفات پتاسیم و بی سولفیت سدیم تشکیل شده است آغاز می‌شود. ساختار شیمیایی پلی‌آکریل آمید هیدرولیز شده جزئی در شکل قبل نشان داده شد.
در روش دوم از فرایندی استفاده می‌شود که شامل کوپلیمر شدن آکریل آمید و آکریلات سدیم با یک سیستم اکسایش – کاهش است که آغازکننده آن رادیکال آزاد است. درجات مختلف هیدرولیز كوپولی آکریلامید- (آكریلات سدیم) با تغییر محتوای آکریلات مخلوط مونومر حاصل می‌شود. آمیدهای قطبی و گروه‌های کربوکسیلیک یونی باعث حلالیت کوپلیمر در آب می‌شوند. فرایند کوپلیمرزاسیون پلی‌آکریل آمید در شکل بعد نشان شده است:
کوپلیمرزاسیون پلی آکریل آمید
پلی الکترولیت آنیونی حاوی گوگرد
انواع بی‌شماری از پلی الکترولیت‌های حاوی گوگرد وجود دار، اما انواع مبتنی بر آکریل آمید حاوی اتم‌های گوگرد رایج‌ترین آنها است. این نوع پلی الکترولیت‌ها می‌توانند از طریق پلیمریزاسیون و نیز کوپلیمریزاسیون مونومرهای حاوی اسید سولفونیک ساخته شوند. فرایند کوپلیمریزاسیون پلیمرهای سولفوناته شده در شکل زیر نشان‌داده‌شده است:
کوپلیمریزاسیون پلیمرهای سولفوناته
سولفومتیله کردن پلی آکریل آمید روش دیگری برای ایجاد گروه عاملی سولفونات است. این فرآیند در شکل زیر نشان داده شده است:
سولفومتیله کردن پلی آکریل آمید
پلی الکترولیت آنیونی حاوی فسفر
پلی الکترولیت‌های آنیونی حاوی فسفر از جمله تحولات اخیر در زمینه تصفیه آب به شمار می‌روند. به نظر می‌رسد که این پلی الکترولیت‌ها در زمینه‌های کنترل رسوب از طریق کیلیت سازی کاربرد دارند. ساختار شیمیایی یک پلی الکترولیت آنیونی حاوی فسفر در شکل بعد نشان‌داده‌شده است:
پلی الکترولیت آنیونی حاوی فسفر
پلیمرهای طبیعی
لیگنین سولفونات یک پلی الکترولیت طبیعی اصلاح شده است که توسط لیگنین سولفوناته ساخته شده و به‌عنوان عامل پراکندگی در ملاط بتنی استفاده می‌شود. پلی‌ساکارید سولفاته یا مشتقات آنها نیز پلیمرهای زیستی طبیعی هستند از جمله آنها می‌توان به هپارین، دکستران سولفات، منان سولفات و کندرویتین سولفات که در پزشکی استفاده می‌شوند، اشاره کرد. ساختار شیمیایی لیگنین سولفونات در شکل بعد نشان‌داده‌شده است:
لیگنین سولفوناتی
روش تولید پلی‌آکریل آمید
تولید پلی الکترولیت آکریلامید از دهه 1950 شروع شد و در طی سی‌سال گذشته تولید آنها درحال‌توسعه است. به‌منظور پاسخگویی به تقاضای جهانی، توسعه روش‌های جدید تولید ضروری بوده است. روش اصلی تولید پلی الکترولیت آکریلامید پلیمریزاسیون رادیکال آزاد با تکنیک‌های مختلفی از جمله محلول، جرمی، رسوب، تعلیق و امولسیون است.
پلیمریزاسیون محلول
فرایند پلیمریزاسیون در حلال‌هایی که حاوی پلیمرها و مونومرها هستند، رخ می‌دهد. پلی الکترولیت مبتنی بر آکریل آمید توسط کوپلیمرزاسیون رادیکال آکریلامید با مونومرهای وینیل مانند اکریلیک اسید، اکریلیک اسید، مالئیک اسید، فوماریک اسید و مشتقات آکریلامید یا نمک‌های آنها تولید می‌شود.
حلال آکریل آمید و پلیمرها شامل آب، فرمامید، اسید استیک، اسید فرمیک، دی متیل سولفوکسید و برخی از مخلوط‌های آلی آبی هستند. نوع حلال، pH، دما، سورفاکتانت، عامل انتقال‌دهنده زنجیره‌ای و عامل کمپلکس سینتیک پلیمریزاسیون آکریلامید و ویژگی پلیمر تشکیل شده را کنترل می‌کند.
پلیمریزاسیون آکریلامید معمولاً در محلول‌های آبی انجام می‌شود؛ چراکه در آن تشکیل پلیمر با وزن مولکولی بالا با سرعت بالا امکان‌پذیر است. پلیمریزاسیون در محلول‌های آبی 8-10٪ آکریل آمید در حضور یک آغازگر در مجاورت نیتروژن و با pH بین 8/5-9 انجام می‌شود.
پلیمریزاسیون در دمای اتاق شروع می‌شود و درجه حرارت به 90 درجه سانتیگراد افزایش می‌یابد. ژل پلیمری تهیه شده با قراردادن چندین بار در حلال‌های آلی خالص می‌شود و سپس خشک می‌شود. پلیمریزاسیون آکریلامید در محلول‌های آبی در مجاورت قلیاهایی نظیر هیدروکسید سدیم و پتاسیم منجر به تولید HPAM می‌شود.
پلیمریزاسیون جرمی
این فرایند پلیمریزاسیون بدون حلال یا رقیق‌کننده انجام می‌شود. در این روش می‌توان پلی الکترولیت‌های با وزن مولکولی بالا تولید کرد. ترکیبات حاصل از این فرایند بسیار خالص هستند، زیرا فقط مونومرها و در صورت لزوم آغازگرها و کاتالیزورها اضافه می‌شوند. پلیمریزاسیون جرمی به دلایل اقتصادی و زیست‌محیطی نیز از مزیت بالایی برخوردار هستند؛ زیرا در این فرایند به بازیافت و تصفیه حلال و همچنین دفع زباله‌های مایع نیازی نیست.
اما از طرف دیگر، مشکلات قابل‌توجهی در اجرای فرایند وجود دارد که از جمله آنها می‌توان به ازبین‌بردن حرارت پلیمریزاسیون و کنترل ویسکوزیته مخلوط واکنش اشاره کرد. علاوه بر این، پلیمریزاسیون در یک محیط بسیار ویسکوز، واکنش‌های جانبی مانند انتقال زنجیره را به همراه دارد.
پلیمریزاسیون جرمی می‌تواند جز واکنش‌های همگن و یا ناهمگن باشد. در پلیمریزاسیون جرمی همگن، پلی الکترولیت در مونومر حل می‌شود؛ اما در پلیمریزاسیون جرمی ناهمگن، پلی الکترولیت تشکیل شده در مونومر خود نامحلول است.
پلیمریزاسیون رسوبی
در این نوع پلیمریزاسیون، پلی الکترولیت در هنگام تهیه رسوب می‌کند. پلیمریزاسیون در حلال‌های آلی، یعنی استون، استونیتریل، دیوکسان، اتانول، تربوتانول و THF یا در بستر آلی- آبی که به‌عنوان حلال برای مونومرها و غیر حلال برای پلی الکترولیت‌ها است، انجام می‌شوند. در آغاز پلیمریزاسیون، مخلوط واکنش همگن است، درحالی‌که در طی فرایند، پلیمر رسوب می‌کند و واکنش در شرایط ناهمگن ادامه می‌یابد.
پرسولفات، پربورات، بنزوئیل پراکسید، AIBN، و سیستم‌های اکسایش- کاهش به‌عنوان آغازگر این واکنش به کار می‌روند. ازآنجاکه در پلیمریزاسیون رسوبی، مخلوط واکنش ویسکوز نمی‌شود، پلیمریزاسیون در محلول‌های آکریلامید 10 تا 30٪ انجام می‌شود. پلیمر رسوب شده که با بازده بالا به دست می‌آید و وزن مولکولی نسبتاً بالایی دارد، فیلتر شده و خشک می‌شود.
پلیمریزاسیون تعلیقی
سیستم تعلیق (سوسپانسیون) از طریق پراکندگی محلول مونومر آبی در یک حلال آلی با استفاده از یک همزن مکانیکی و در حضور تثبیت‌کننده به دست می‌آید. قطر قطرات در محلول مونومر آبی در محدوده 1/0 تا 5 میلی‌متر متغیر است. هیدروکربن‌های آلیفاتیک یا آروماتیک یا مخلوط آنها حاوی شش تا 10 اتم کربن می‌توانند به‌عنوان حلال‌های آلی به‌منظور تهیه محیط این واکنش مورداستفاده قرار گیرند.
در این روش اشعه ماورای بنفش و گاما می‌توانند پلیمریزاسیون را آغاز کنند. تعادل هیدروفیل – لیپوفیل تثبیت‌کننده، توزیع آن بین فازهای آبی و آلی و دما ممکن است در سیستم تعلیق تأثیر بگذارد.
بازده پلیمریزاسیون و وزن مولکولی پلی الکترولیت نهایی بستگی به ماهیت تثبیت‌کننده و غلظت آن دارد. پلیمریزاسیون تعلیقی به طور معمول در محلول‌های آبی آکریلامید 65٪ پراکنده در یک حلال آلی با حضور تثبیت‌کننده و آغازگر و در دمای 60-100 درجه سانتیگراد انجام می‌شود و پلی الکترولیت حاصل شده به‌صورت پودر یا گرانول است.
پلیمریزاسیون امولسیون
به‌منظور ایجاد امولسیون معکوس، محلول آبی آکریلامید در حضور یک امولسیفایر آب در روغن به‌منظور ایجاد ذرات در سایز 1-10 میکرومتر، در یک حلال آلی پراکنده می‌شود. این فرایند توسط یک آغازگر محلول در روغن یا آب آغاز می‌شود. پلیمریزاسیون در امولسیون معکوس با استفاده از محلول‌های مونومر غلیظ انجام می‌شود.
محصول به‌صورت ذرات پلیمری است که در یک فاز مداوم آلی پراکنده می‌شوند. سینتیک پلیمریزاسیون آکریل آمید در امولسیون معکوس و ویژگی پلی الکترولیت نهایی به ماهیت و غلظت امولسیفایر، آغازگر، حلال مورداستفاده به‌عنوان بستر پراکندگی، دما و سرعت همزن بستگی دارد. با این روش، وزن مولکولی پلی الکترولیت تشکیل شده نسبت به پلیمری که با روش پلیمریزاسیون محلول به دست می‌آید، کمتر است.
پلیمریزاسیون امولسیون با شارژ رآکتور با محلول امولسیفایر در یک حلال آلی انجام می‌شود و محلول مونومر آبی با غلظت 20-60٪ در فاز آلی با هم زدن پراکنده می‌شود. این واکنش در مجاورت گاز نیتروژن و در دمای 30-60 درجه سانتیگراد انجام می‌شود. سپس یک محلول آغازگر به مخلوط واکنش وارد می‌شود و روند طی 3 تا 6 ساعت انجام می‌شود. لاتکس تولید شده را می‌توان با گرم‌کردن تحت خلأ متراکم کرد.
مکانیسم بر همکنش پلی الکترولیت
پلی الکترولیت‌های آنیونی با ذرات پراکنده در محیط‌های آبی به چندین روش بر همکنش دارند که باعث ثبات یا عدم ثبات پراکندگی می‌شود. ثبات به معنای این است که ذرات برای مدت طولانی در حالت پراکنده باقی می‌مانند و ته‌نشین نمی‌شوند.
ذرات موجود در فاز مایع – جامد می‌توانند از طریق سه مکانیسم که باعث افزایش لخته‌شدن می‌شوند، بی‌ثبات شوند: پل پلیمری، خنثی‌سازی بار و جذب پلیمری. بسته به وزن مولکولی و چگالی بار فلوکولنت‌ها، استفاده از یک، دو یا سه مکانیسم به طور هم زمان باعث ازبین‌بردن پراکندگی و ته‌نشین شدن ذرات می‌شود. مکانیسم جذب پلیمری مسئول تثبیت پراکندگی و توزیع یکنواخت ذرات جامد در فاز مایع از طریق هر دو اثر دافع الکترواستاتیک و فضایی است.
تشکیل پل پلیمری
پل زدن پلی الکترولیت‌ها یکی از مکانیسم‌های برهم‌زدن ثبات است که طی آن، اتصال ماکرومولکول‌ها به ذرات مختلف باعث ته‌نشین شدن ذرات می‌شود. دو نوع پل مختلف وجود دارد که شامل بار منفی یا مثبت پلی الکترولیت‌ها و ذرات کلوئیدی است و به‌صورت پل پلی‌اتیلنی است که بین مواد با بارهایی که علائم یکسان یا متضاد دارند به وجود می‌آید.
پل زدن ذرات کلوئیدی با بار منفی توسط پلی مولکول‌های آنیونی و کاتیونی با وزن مولکولی بالا به ترتیب دو نوع برهم‌کنش مشابه و متضاد است. پلیمرهای زنجیره‌ای خطی با وزن مولکولی بالا، مؤثرترین پلی الکترولیت‌ها برای پل زدن هستند و چگالی بار تأثیر زیادی در مکانیسم پل زدن دارد. باتوجه‌به نیروهای دافعه، در مورد پلی الکترولیت‌های آنیونی با چگالی بار زیاد، جذب ذرات با علامت بار یکسان مشکل خواهد بود.
بااین‌حال، برخی درجات بار مناسب هستند، زیرا دافعه بین بخش‌های باردار منجر به گسترش زنجیرها می‌شود که به نوبه خود باید باعث افزایش اثر پل می‌شود؛ بنابراین، یک چگالی بار بهینه برای لخته‌شدن ذرات با بار منفی و پلیمرهای آنیونی وجود دارد. از پلی الکترولیت‌های آنیونی اغلب برای جذب و لخته‌سازی ذرات منفی استفاده می‌شود. اگرچه، برخی از نیروهای دافعه بین بخش‌های آنیونی زنجیره‌های پلیمری و سطوح بار منفی ذرات وجود دارد.
به‌منظور جذب مؤثر و جلوگیری از دافعه الکتریکی، غلظت مشخصی از یون‌های فلزی دو ظرفیتی که به‌عنوان الکترولیت مورداستفاده قرار می‌گیرند، لازم است. یون‌های فلزی دو ظرفیتی مانند کبالت، باریوم و منیزیوم می‌توانند دافه را کاهش داده و جذب را تقویت کنند. این یون‌های مثبت دارای اثر غربالگری در محلول هستند و باعث نزدیکی بین زنجیره‌های پلیمری می‌شوند.
خنثی سازی بار الکتریکی
بیشتر ذرات موجود در طبیعت دارای بار منفی هستند و پلی الکترولیت‌های کاتیونی به‌شدت با استفاده از مکانیسم خنثی‌سازی بار، ذرات با بار مخالف را جذب می‌کنند.
از طرف دیگر، پلی الکترولیت‌های آنیونی به‌واسطه همان مکانیسم بر روی ذرات دارای بار مثبت جذب می‌شوند؛ بنابراین، پلی الکترولیت کاتیونی حاوی بارهای مثبت در زنجیره پلیمری، مؤثرترین منعقدکننده از نظر کاربردی است. بر همکنش پلی الکترولیت‌های باردار با ذرات با بار مخالف منجر به خنثی‌سازی بار آنها و برهم‌زدن ثبات سیستم می‌شود.
در این حالت، چگالی بار پلی الکترولیت نقش مهم‌تری نسبت به وزن مولکولی آن ایفا می‌کند؛ بنابراین، پلی الکترولیت‌های با وزن کم مولکولی با چگالی بار زیاد، ذرات با بار متضاد را در فاز مایع – جامد به طور مؤثری جذب می‌کنند.
ازآنجاکه در بسیاری موارد، مکانیسم خنثی‌سازی بار الکتریکی و مکانیسم پل زدن هم زمان عمل می‌کنند، می‌توان نتیجه گرفت که هم چگالی بار و هم وزن مولکولی در فرایند جذب تأثیر دارند؛ بنابراین، توجه به ترکیبی از اثرات بار و وزن مولکولی به‌منظور دستیابی به اثرات منعقدکننده و لخته‌کننده لازم است.
جذب پلیمری
پلی الکترولیت‌ها از طریق مکانیسم‌های مختلفی با ذرات پراکنده بر همکنش دارند. مکانیسم‌های جذب پلی الکترولیت بسته به ماهیت نیروهای درگیر، را می‌توان به دودسته جذب فیزیکی و شیمیایی طبقه‌بندی کرد.
جذب فیزیکی معمولاً یک بر همکنش ضعیف است و تغییرات انرژی کمی را در پی دارد. جذب شیمیایی از طریق پیوند کووالانسی بین جاذب و گونه‌های سطح رخ می‌دهد و برهم‌کنش قوی محسوب می‌شود؛ بنابراین در ادامه، مکانیسم‌های جذب پلی الکترولیت باقدرت‌های متفاوت مانند پیوند هیدروژنی، بر همکنش آب‌گریز، پیوند یونی، بر همکنش الکترواستاتیک و نیروهای واندروالس به طور خلاصه و به طور جداگانه توضیح داده شده است.
پیوند هیدروژنی
گروه آمید در پلیمرهای آنیونی مبتنی بر پلی‌آکریل آمید یک گروه قطبی است و توانایی تشکیل پیوندهای هیدروژنی با گروه‌های اکسیژن، نیتروژن و فلوئور را دارد و از این طریق جذب ذرات می‌شود. گروه‌های آمید قطبی قادر به اتصال با گروه‌های هیدروکسیل اکسیدهای معدنی مانند سیلیس و آلومینا هستند.
بر همکنش آب‌گریز
پلی الکترولیت آنیونی مبتنی بر آکریل آمید شامل دو بخش قطبی و غیرقطبی است که به‌عنوان بخش‌های آبریز و آب‌دوست شناخته می‌شوند. بخش آب‌گریز پلیمر مسئول جذب ذرات غیرقطبی است. ذرات غیرقطبی در پراکندگی‌های مایع – جامد می‌توانند توسط بخش آب‌گریز یک پلیمر آنیونی جذب شوند.
پیوند یونی
پلی الکترولیت‌ها قادر به جذب سطحی با علامت بار یکسان هستند. در واقع، در حضور برخی از یون‌های دو یا سه‌ظرفیتی، پلی الکترولیت‌های آنیونی حاوی بارهای منفی می‌توانند روی سطوح دارای بار منفی جذب شوند. به‌عنوان‌مثال، یون‌های کلسیم، منیزیم و آلومینیوم می‌توانند باعث جذب پلی‌آکریل آمید هیدرولیز شده بر روی ذرات با بار منفی شوند.
این بر همکنش نتیجه ایجاد پل بین گروه‌های کربوکسیلات روی زنجیره‌های پلی‌آکریل آمید و سایت‌های آنیونی سطح توسط یون‌های مثبت دو یا سه‌ظرفیتی است. بر همکنش اتصال یونی تأثیر عمیقی در فرایند لخته‌سازی که در صنایع مختلف به کار می‌رود، دارد.
بر همکنش الکترواستاتیک
پلی الکترولیت‌ها بر روی ذرات یا سطوح دارای بار متضاد جذب می‌شوند. یعنی، پلیمرهای آنیونی با بار منفی بر روی ذرات یا سطوح مثبت جذب می‌شوند؛ بنابراین، انرژی جذب الکترواستاتیک نقش مهمی در شکل‌گیری توده‌های پلیمری ایفا می‌کند. اگرچه، در این حالت، ظرفیت جذب پلی الکترولیت به نوع و غلظت الکترولیت بستگی دارد.
هنگامی که بر همکنش الکترواستاتیک تنها جاذبه محسوس باشد، آنگاه اثر نمکی می‌تواند مهم باشد. به دلیل اثر غربالگری نمک بین بخش‌های یونی زنجیره پلیمر و یون‌های محلول، جذب پلی الکترولیت با افزایش غلظت نمک کاهش می‌یابد. اما هنگامی که برهم‌کنش‌های دیگری نیز مانند پیوند هیدروژن یا جذب آب‌گریز وجود داشته باشد، جذب پلی الکترولیت با غلظت نمک کمتر تحت‌تأثیر قرار می‌گیرد.
نیروهای واندروالس
نیروهای واندروالس نیروهای فیزیکی هستند که عمدتاً بین همه مواد جاذبه ایجاد می‌کنند، اما ممکن است تحت برخی شرایط دافعه ایجاد کنند. جذب واندروالس به‌طورکلی تابعی از ترکیب مواد و قطبیت پذیری مولکولی است. نیروهای واندروالس عمدتاً ناشی از نیروهای پراکندگی لندن، بر همکنش موقت دوقطبی – دوقطبی یا دوقطبی – دوقطبی القایی بین مولکول‌ها هستند.
محصولات ویژه:
دکتر کمیکال تأمین کننده انواع مواد شیمیایی صنعتی با کیفیت بالا و قیمت مناسب است. جهت نحوه خرید و فروش مواد شیمیایی با کارشناسان بخش فروش در ارتباط باشید.
دیدگاه خود را ثبت کنید
تمایل دارید در گفتگوها شرکت کنید؟در گفتگو ها شرکت کنید.