يُعدّ بولي أكريلاميد من أكثر البوليمرات الاصطناعية استخدامًا، وله تطبيقات في صناعات مثل الكيماويات، والبترول، والتعدين، والزراعة، ومعالجة المياه. بفضل بنيته طويلة السلسلة ومجموعاته الوظيفية النشطة، يُظهر هذا البوليمر خصائص تخثر ممتازة، وتكتل، وتقليل الاحتكاك، وتحسينًا ريولوجيًا. ومن أهم خصائصه الفيزيائية والكيميائية وزنه الجزيئي ، الذي يؤثر بشكل حاسم على أدائه.
ستناقش هذه المقالة بشكل شامل مفهوم الوزن الجزيئي للبولي أكريلاميد، وطرق القياس، وتأثير الوزن الجزيئي على خصائص البوليمر، وتطبيقاته الصناعية المختلفة.
تم تحليل البولي أكريلاميد المعدل باستخدام طريقة الكشف الثلاثي وكروماتوغرافيا استبعاد الحجم المائي.
مفهوم الوزن الجزيئي للبوليمر
الوزن الجزيئي للبوليمر هو متوسط الوزن الجزيئي لسلاسله المكونة. ولأن البوليمرات تتكون عادةً من سلاسل ذات أطوال متفاوتة، فإن وزنها الجزيئي ليس قيمة واحدة، بل يُعبَّر عنه كمتوسط إحصائي . من أهم أنواع متوسط الأوزان الجزيئية:
-
متوسط الوزن الجزيئي للعدد (Mn) : مجموع الأوزان الجزيئية لكل سلسلة مقسومًا على عدد السلاسل.
-
الوزن الجزيئي (Mw) : مجموع العلاقات بين الوزن الجزيئي لكل سلسلة وكتلتها.
-
الوزن الجزيئي للزوجة (Mv) : متوسط القيمة التي تم الحصول عليها عن طريق طرق القياس الروماتولوجية وقياس اللزوجة.
تشير الاختلافات بين هذه القيم، وخاصة نسبة Mw/Mn (تسمى مؤشر توزيع الوزن الجزيئي (PDI)) ، إلى التوحيد أو تشتت سلاسل البوليمر.
الوزن الجزيئي للبولي أكريلاميد
يمكن استخدام بولي أكريلاميد لتصنيع بوليمرات ذات أوزان جزيئية مختلفة، من البوليمرات ذات الوزن الجزيئي المنخفض نسبيًا (مئات الآلاف من الدالتونات) إلى البوليمرات الثقيلة جدًا ذات الأوزان الجزيئية التي تتجاوز 20 مليون دالتون.
ينقسم البولي أكريلاميد بشكل عام إلى ثلاث درجات من حيث الوزن:
-
بولي أكريلاميد منخفض الوزن الجزيئي (الوزن الجزيئي المنخفض، ~0.1-1 مليون دالتون):
يستخدم هذا النوع من بولي أكريلاميد بشكل أساسي في العمليات التي تتطلب اختراقًا سريعًا وتفاعلية أكبر، مثل تحسين العمليات الكيميائية أو كمادة مضافة إلى مركبات معينة. -
بولي أكريلاميد متوسط الوزن الجزيئي (الوزن الجزيئي المتوسط، ~1-5 مليون دالتون):
مناسب للتطبيقات الأكثر عمومية مثل تنقية المياه وتحسين أداء التخثر. -
بولي أكريلاميد عالي الوزن الجزيئي (وزن جزيئي عالي، ~5-25 مليون دالتون):
تتمتع هذه المجموعة من المواد بأوسع نطاق من التطبيقات الصناعية، وخاصة في صناعة النفط والغاز، لتحسين استخلاص النفط (EOR)، والتحكم في فقدان سوائل الحفر وتقليل الاحتكاك.
طرق تحديد الوزن الجزيئي للبولي أكريلاميد
هناك العديد من الطرق لتحديد الوزن الجزيئي للبولي أكريلاميد، وتعتمد الطريقة المحددة المختارة على نطاق الوزن الجزيئي والدقة المطلوبة.
-
قياس اللزوجة:
هي الطريقة الأكثر بساطة واستخدامًا، وتعتمد على العلاقة بين لزوجة المحلول والوزن الجزيئي. -
كروماتوغرافيا نفاذية الهلام (GPC):
عن طريق فصل الجزيئات على أساس أبعادها الهيدروديناميكية، يمكن تحديد Mn وMw وPDI. -
تشتت الضوء الساكن:
يستخدم للتحديد المباشر للوزن الجزيئي المطلق، وهو مناسب بشكل خاص لنطاقات الوزن الجزيئي العالية جدًا. -
الطرق الرومولوجية:
يمكن تقدير الوزن الجزيئي وطول السلسلة باستخدام منحنيات التدفق والمرونة اللزجة.
أهمية الوزن الجزيئي للبولي أكريلاميد لأدائه
يؤثر الوزن الجزيئي للبولي أكريلاميد بشكل مباشر على خصائصه الفيزيائية والوظيفية:
-
قدرة التكتل:
تتميز البوليمرات عالية الوزن الجزيئي بسلاسل أطول، وتستطيع الاحتفاظ بجسيمات عالقة أكثر. لذلك، تُعدّ البوليمرات الأثقل وزنًا أكثر فعالية في معالجة المياه ومياه الصرف الصحي. -
لزوجة المحلول:
تؤدي زيادة الوزن الجزيئي إلى زيادة ملحوظة في لزوجة المحلول، حتى عند التركيزات المنخفضة. تُعد هذه الخاصية أساسية لتحسين استخلاص النفط في صناعة البترول. -
معدل الترسيب:
تشكل البوليمرات الأخف وزناً عموماً تكتلات أصغر حجماً وتستقر بمعدل أبطأ، في حين تشكل البوليمرات الأثقل تكتلات أكبر حجماً. -
الاستقرار الحراري والميكانيكي:
قد يتعرض بولي أكريلاميد عالي الوزن الجزيئي لكسر السلسلة في ظل ظروف درجة حرارة أو قص معينة. لذلك، يُعد اختيار الوزن الجزيئي المناسب لظروف التشغيل أمرًا بالغ الأهمية.
التطبيقات الصناعية القائمة على الوزن الجزيئي
-
معالجة المياه والصرف الصحي:
بولي أكريلاميد متفرع ذو وزن جزيئي مرتفع لتكتل الجسيمات الغروانية. -
صناعة الورق:
يتم استخدام البوليمرات المتوسطة كحاملات للألياف ومعززات للتصريف. -
النفط والغاز:
بولي أكريلاميد فائق الثقل لتقليل احتكاك الأنابيب وتحسين عمليات استخلاص النفط. -
التعدين:
تلعب البوليمرات ذات الوزن الجزيئي المتوسط والعالي دورًا رئيسيًا في فصل المعادن عن الحمأة. -
الزراعة:
زراعة أصناف أخف وزناً لتحسين قدرة التربة على امتصاص الماء وتقليل التعرية.
ختاماً
يُعد الوزن الجزيئي للبولي أكريلاميد عاملاً رئيسياً في تحديد أدائه في مختلف الصناعات . من المحاليل الخفيفة سريعة الاختراق إلى البوليمرات الثقيلة عالية التجلط، لكل نطاق وزن جزيئي تطبيقاته الخاصة. عند اختيار البولي أكريلاميد للعمليات الصناعية، يجب إيلاء اهتمام خاص لعوامل مثل درجة الحرارة، ودرجة الحموضة (pH)، وتركيز الملح، وإجهاد القص الميكانيكي، ومتطلبات الأداء.
من خلال الفهم الصحيح لمفهوم الوزن الجزيئي ودوره في سلوك بولي أكريلاميد، يمكن تحسين كفاءة العملية وتقليل التكاليف.