تصنيع بولي أكريلاميد: طرق الإنتاج والتطبيقات واحتياطات السلامة.

يقدم

يُعد بولي أكريلاميد (PAM) أحد أهم البوليمرات العضوية، وله تطبيقات واسعة في مختلف الصناعات. يُستخدم هذا البوليمر عالي الوزن الجزيئي المحب للماء كمُخثر ومُكثِّف ومُحسِّن احتكاك في مختلف الصناعات. ستستعرض هذه المقالة بشكل شامل طرق تصنيع بولي أكريلاميد وأنواعه وتطبيقاته الصناعية، بالإضافة إلى اعتبارات السلامة المرتبطة بإنتاجه واستخدامه.

كيمياء  بولي أكريلاميد

البنية الجزيئية

بولي أكريلاميد هو بوليمر صيغته العامة (C₃H₅NO)ₙ، ويتكوّن من وحدات أكريلاميد متكررة. يوجد هذا البوليمر بثلاثة أشكال:  غير أيوني  ،  وأنيوني  ،  وكاتيوني.

الخصائص الفيزيائية والكيميائية

• الذوبان  : قابل للذوبان في الماء، وغير قابل للذوبان في معظم المذيبات العضوية.

• الوزن الجزيئي  : 10⁵ إلى 10⁷ جم/مول أو أكثر

• المظهر  : مسحوق أبيض أو سائل لزج.

• الاستقرار الحراري  : يتحلل عند درجات حرارة حوالي 200-300 درجة مئوية.

طريقة تصنيع بولي أكريلاميد

1. بلمرة الجذور الحرة للأكريلاميد

المواد الخام:

• مونومر الأكريلاميد

• مُبادرات الجذور الحرة (البيروكسيدات، المركبات الآزوية)

• عامل نقل السلسلة (إذا لزم الأمر)

• الماء منزوع الأيونات كمذيب

خطوات التوليف:

1. تحضير محلول المونومر  : قم بإذابة الأكريلاميد في الماء منزوع الأيونات.

2. إزالة الأكسجين  : استخدم النيتروجين أو الأرجون.

3. إضافة البرايمر  : عند درجة حرارة متحكم بها

4. درجة حرارة التفاعل  : 40-70 درجة مئوية

5. أوقف التفاعل  : عن طريق خفض درجة الحرارة أو إضافة مثبط.

6. تنقية المنتج  : فصل البوليمر عن المونومرات المتبقية.

2. بلمرة الهلام

ميزة:

• تركيز عالي من المونومرات (20-40%)

• إنتاج البوليمرات ذات الوزن الجزيئي العالي للغاية

• المنتج النهائي يحتاج إلى الطحن.

3. بلمرة المحلول

ميزة:

• التحكم بشكل أفضل في رد الفعل

• توزيع الوزن الجزيئي الأضيق

• سهلة التنظيف

4. بلمرة المستحلب العكسي

طلب:

• إنتاج البوليمرات سريعة الذوبان

• مناسب لتطبيقات محددة

• يتطلب مواد خافضة للتوتر السطحي خاصة

أنواع البولي أكريلاميد حسب الحمل

1. بولي أكريلاميد غير أيوني (NPAM)

• بدون مجموعات أيونية

• تطبيق في صناعة الورق ومعالجة المياه.

• الصيغة الكيميائية: [-CH₂-CH(CONH₂)-]ₙ

2. بولي أكريلاميد أنيوني (APAM)

• يحتوي على مجموعات حمض الكربوكسيل

• يتم إنتاجه عن طريق التحلل المائي أو البلمرة المشتركة.

• التطبيقات في صناعات النفط والتعدين

3. بولي أكريلاميد كاتيوني (CPAM)

• يحتوي على الأحماض الأمينية

• تركيب أكثر تعقيدًا

• التطبيقات في معالجة مياه الصرف الصحي وصناعة الورق

العوامل المؤثرة على تخليق بولي أكريلاميد

1. نوع وكمية البرايمر  :

   • التأثير على معدل التفاعل

   • العوامل التي تحدد الوزن الجزيئي

   • التأثير على توزيع الوزن الجزيئي

2. درجة حرارة التفاعل  :

   • التحكم في حركية التفاعل

   • التأثير على إذابة البوليمر

   • التأثيرات على استقرار الجذور الحرة

3. تركيز المونومر  :

   • عوامل تحديد اللزوجة

   • التأثير على انتقال الحرارة

   • التأثير على الوزن الجزيئي

4. الرقم الهيدروجيني البيئي  :

   • التأثير على استقرار المونومر

   • التأثيرات على آلية التفاعل

   • يلعب دورًا مهمًا في إنتاج الأيونات المختلفة.

تنقية وإعادة تدوير المنتجات

طريقة التنقية:

1. ترسيب المذيبات  : استخدم الأسيتون أو الميثانول.

2. غسيل الكلى  : فصل المونومرات المتبقية

3. الكروماتوغرافيا  : عندما تكون هناك حاجة إلى نقاء عالي

4. الترشيح  : فصل الشوائب الصلبة.

البضائع الجافة:

• مجفف الرش

• مجفف السرير المميّع

• مجفف الفراغ

التطبيقات الصناعية للبولي أكريلاميد

1. صناعة معالجة المياه والصرف الصحي

• المواد المسببة للتخثر والمخثرات

• تقليل عكارة المياه

• إزالة المعادن الثقيلة

2. صناعة النفط والغاز

• زيادة استخلاص النفط

• التحكم في لزوجة سائل الحفر

• تقليل احتكاك الأنابيب

3. صناعة الورق

• تحسين قوة الورق

• تحسين معدل الاحتفاظ بالحشوات

• الحد من تلوث المياه في المصانع

4. التعدين

• تعويم المعادن

• تركيز النفايات

• استعادة المواد القيمة

5. صناعة الأغذية

• توضيح المشروبات

• استعادة البروتين

• تثبيت المستحلبات

اعتبارات السلامة في الإنتاج والاستخدام

مخاطر الأكريلاميد (المونومر):

• السمية العصبية

• خطر الإصابة بالسرطان

• امتصاص الجلد

ملاحظات أثناء الإنتاج:

1. التهوية الكافية  : أنظمة التهوية الصناعية

2. الحماية الشخصية  : القفازات، والأقنعة، والنظارات الواقية.

3. المراقبة البيئية  : قياس تركيزات المونومر في الهواء

4. تدريب الموظفين  : الوعي بالمخاطر وإجراءات الإسعافات الأولية

التخزين والنقل:

• يحفظ بعيداً عن الضوء والحرارة.

• منع التجميد

• استخدم التغليف المناسب

• الالتزام بلوائح نقل المواد الكيميائية

معايير جودة بولي أكريلاميد

معايير مراقبة الجودة:

1. محتوى المونومر المتبقي  : الحد الأقصى 0.05%

2. الوزن الجزيئي  : حسب الاستخدام المقصود

3. درجة التحلل المائي  : أنيوني

4. محتوى الرماد  : يشير إلى الشوائب المعدنية.

5. زمن الذوبان  : يعتمد على نوع التطبيق.

المعايير الدولية:

• ISO 15039:2007 بولي أكريلاميد صناعي

• NSF/ANSI 60 لمعالجة مياه الشرب

• معايير إنفاذ البيئة التابعة لوكالة حماية البيئة

أحدث الابتكارات في تركيب بولي أكريلاميد

1. استخدم برايمرات جديدة  :

   • نظام التشغيل المزدوج

   • المبادر الضوئي

   • الإنزيم الأول

2. طرق البلمرة المُتحكم بها  :

   • بلمرة الجذور النووية بالنقل الذري (ATRP)

   • بلمرة الجذور بنقل سلسلة النيتروكسيد (NMP)

   • بلمرة RAFT

3. تحضير المركبات النانوية  :

   • الجمع مع الجسيمات النانوية المعدنية

   • مركبات طين البوليمر

   • بنية هجينة عضوية-معدنية

4. البوليمرات الذكية  :

   • الاستجابة للمحفزات البيئية

   • بوليمرات الذاكرة الشكلية

   • نظام الإطلاق المتحكم

التحديات والبحوث المستقبلية في تركيب بولي أكريلاميد

التحديات الحالية:

1. تقليل نفايات المونومر السامة

2. التحكم الدقيق في الوزن الجزيئي

3. تحسين الاستقرار الحراري

4. زيادة معدل الذوبان

اتجاهات البحث المستقبلية:

• تطوير أساليب التوليف الأخضر

• استخدام الموارد المتجددة

• تحسين استهلاك الطاقة

• إنتاج البوليمرات الوظيفية الخاصة

ختاماً

يُعدّ تخليق بولي أكريلاميد ذا أهمية حيوية نظرًا لتطبيقاته الواسعة في مختلف الصناعات. ويُعد اختيار طريقة التخليق المناسبة، بناءً على نوع المنتج المطلوب وتكاليف الإنتاج واعتبارات السلامة، عاملاً أساسياً في الإنتاج الصناعي لهذا البوليمر واسع الاستخدام. وقد أتاحت التطورات الحديثة في طرق البلمرة وتعديل بنية البوليمر إنتاج منتجات ذات  خصائص أكثر تنوعًا وتحسينًا  . ويُعدّ الالتزام بمبادئ السلامة أثناء إنتاج بولي أكريلاميد واستخدامه، وخاصةً عند استخدام مونومر الأكريلاميد السام، ضرورةً في هذه الصناعة. وتشمل توجهات البحث المستقبلية في هذا المجال تطوير أساليب صديقة للبيئة وإنتاج بوليمرات ذكية ذات أداء أعلى.