Полиакриламид

Применение полиакриламида (ПАМ)

• Слой бумажного покрытия
• Линия по производству гидрогеля
• Коагулянты в очистке воды и сточных вод
• Агент осаждения в различных отраслях промышленности, таких как промышленность сахарного тростника, активная очистка цветов, очистка продуктов питания и напитков.
• Фактор, контролирующий кинетическую энергию при наводнении
• Присадка для улучшения текучести нефти в нефтяных скважинах.
• Он помогает при гидроразрыве пласта, подкислении и других операциях, связанных с добычей полезных ископаемых.
• Увеличение силы
• Покрытие материалов, кроме бумаги и текстиля
• Использование в строительстве и городском строительстве для консолидации почвы
• Применение при приготовлении клеев
• Уменьшение эрозии и улучшение физических свойств почвы
• Пластмассы и добавки
• Горнодобывающая промышленность для очистки некоторых металлов, таких как алюминий.

Химическая и фотодеградация полиакриламида, используемого при очистке питьевой воды

Химическое и фоторазложение полиакриламида, используемого при очистке питьевой воды, Университет Пиао Ченг, Южная Флорида. Следуйте этой и дальнейшей работе: Часть исследований в США. , «Химическая и фотолитическая деградация полиакриламидов, используемых при очистке питьевой воды» (2004). Защита диссертаций и диссертаций. Высшая школа стипендий Commons предлагает вам эту диссертацию бесплатно. Диссертации и дипломные работы были приняты к включению утвержденным администратором Scholar Commons. Для получения дополнительной информации обращайтесь

Химическая и фотодеградация полиакриламида, используемого при очистке питьевой воды

Автор Пейяо Ченг Диссертация, представленная в рамках частичного выполнения требований для получения степени магистра на факультете экологических наук и политики Колледжа искусств и наук Университета Южной Флориды. Старший инструктор: Одри Д. Левин, доктор философии Дональд Дьюк, доктор философии. Абдул Малик Доктор. Дата утверждения: 12 ноября 2004 г. Ключевые слова: полиэлектролит, мономер акриламида, окисление, ультрафиолетовое облучение, флокуляция. Copyright 2004, Piiyao Cheng.

4.2.1 Спекание полимера окислением хлора Окисление полимера окислением перманганата

32 Результаты и обсуждение химического разрушения окисленных остатков УФ-спектра/абсорбции всех остатков органического углерода. Аномальные азотистые остатки акриламида 6. Ссылки 62 Приложение 67 Приложение A: Испытание на общее содержание твердых веществ 68 Приложение B: Испытание на хлор 70 Приложение C: Испытание на перманганат 71 Приложение D: Испытание на акриламид с помощью ГХ-ЭЗД 73 Приложение E: Паспорт безопасности материала 76 и Приложение F: Схема 89 ii

6 Список таблиц Таблица 2.1 Пути разложения полиакриламида 8 Таблица 2.2 Разложение полиакриламида под воздействием хлора или озона 11 Таблица 2.3 Факторы, влияющие на эффективность спекания полимера Испытания на азот 28 Таблица 3.4 Испытания на акриламидный остаток 29 Таблица 4.1 Таблица 4.2 Таблица 4.3 Сравнение хлора // Уменьшите остаток перманганата после реакции с тремя образцами ПАМ (N-3300 P и A-3333 P и C-3328 для C-435 h) Содержание азота в трех PAM Clarifloc (N 3300 P, A-3333 P и C-3280) до и после KMnO 4 (4 мг/л и 6 мг/л) и окисление хлора (10 мг/л и 15 мг/л) в течение 48 часов. Сравнение эффективности флокуляции полиакриламидных (ПАМ) ПАМ до и после. Окисление свободным хлором (10 мг/л) или перманганатом калия (4 мг/л) 55 тер

7 Список рисунков Рисунок 1.1 Структура полиакриламида. (а) Неионогенный ПАМ; (б) Анионный полимер ПАМ. (c) Катионный сополимер ACM и DADMAC 2 Рисунок 2.1 Структура акриламида 6 Рисунок 2.2 Кислотный регидролиз полиакриламида 9 Рисунок 2.3 Щелочной гидролиз полиакриламида 9 Рисунок 3.1 Принципиальная схема акриламида после окисления Рисунок 21. 10 мг/л Clarifloc C-3280 ( доза KMnO 4 Хлор при концентрации 15 мг/л) 36 Рисунок 4.4 УФ-спектр Clarifluk N-3300 P (10 мг/л) L) 38 Рисунок 4.5 УФ-спектр Clarifloc A-3333P (10 мг/л) 39 Рисунок 4.6 УФ-спектр Clarifloc C-3280 (10 мг/л) 39 Рисунок 4.7 Рисунок 4.8 Рисунок 4.9 Изменения поглощения УФ-излучения Фиолетовый при 195 нм (измерено) на образцах ПАМ размером 5 см). 10 мг/л) изменяется при воздействии 2 мг/л KMnO4 40. УФ-поглощение при 195 нм (измерено в ячейке 5 см) для образцов ПАМ (10 мг/л). м) При воздействии 5 мг/л свободного хлора.

8 Рисунок 4.10 Рисунок 4.11 Рисунок 4.12 УФ-спектр Clarifloc C-3280 (10 мг/л) после добавления 5 мг/л хлора в течение 30 минут. , А-3333П и С-3280) после 5 часов окисления 44 Влияние дозировки KMnO4 на содержание окисленного углерода трех ПАМ (N 3300P, А-3333П и С-3280) после 5 часов окисления 44 Рисунок 4.13 Остаточный акриламид At 10 мг/л C-3280 (взвешенный по акриламидному стандарту 10 мкг/л) 45 Рисунок 4.14 Остаточный акриламид в концентрации 10 мг/л C-3280 (в качестве стандарта 10 мкг/л акриламида) после воздействия акриламида в концентрации 15 мг/л в течение 30 минут 46 Рисунок 4.15 Остаточный акриламид в концентрации 10 мг/л C -3280 (Определено с использованием стандарта акриламида 10 мкг/л) после воздействия 6 мг/л. КМnO 4 в течение 30 минут. 46 Рисунок 4.16 Рисунок 4.17. При УФ-поглощении при 195 нм (измерено в кювете 5 см) трех ПАМ при воздействии УФ 50 Влияние УФ-излучения на содержание TOC трех ПАМ 50 Сравнение остаточного акриламида при 10 мг/л C-3280 в различных условиях ( воздействие УФ-излучения, хлора, перманганата и их комбинаций) 52 Сравнение количества хлора, расходуемого при окислении трех ПАМ (10 мг/л) только со свободным хлором (15 мг/л) Смесь подвергают воздействию УФ-излучения в течение 30 минут. И в сочетании с УФ на 30 минут 54В.

Рисунок F-1 Рисунок F-2 Рисунок F-3 Рисунок F-4 Рисунок F-5 Рисунок F-6 Рисунок F-7 Рисунок F-8 Рисунок F-9 Рисунок F-10 Рисунок F-11 Рисунок F-12 Остаточное сокращение перманганата при взаимодействии с растворами 10 ppm ПАМ (KMnO 4 в дозе 6 ppm) 89 Снижение остатков перманганата при взаимодействии с растворами 10 ppm ПАМ (KMnO 4 в дозе 4 ppm) 89 Уменьшение остатка перманганата после повторной реакции с 1 ppm (KMnO 4 в дозе 2 ppm) 90

Снижение остаточного хлора при реакции с раствором ПАМ 10 ppm (Cl 2 в дозе 10 ppm)

90 Уменьшение остатков хлора при реакции с растворами ПАМ с концентрацией 10 ppm (Cl 2 ppm при дозе 95) Расход хлора за 30 минут для трех PAM с УФ-эффектом и без него (доза Cl 2 при 5 ppm) 91 сравнение Расход хлора за 30 минут для трех ПАМ с УФ-эффектом и без него (Cl 2 в дозе 10 ppm) 92 по сравнению с потребленным KMnO 4 За 30 минут для трех ПАМ с УФ-эффектом и без него (KMnO 4 в дозе 2 ppm) 92 Сравнительный риск для KMnO 4 расходуется за 30 минут для трех ПАМ с УФ-эффектом и без него (KMnO 4 в дозе 6 ppm) 93 Хроматограмма остаточного акриламида при 10 м.д. C-3280 (стандарт AC 10 м.д. (миллиардов) после воздействия УФ-излучения 93 хроматограммы остаточного акриламида в 10 ppm C-3280 (стандарт ACM 10 ppm) после воздействия УФ-лучей и 6 ppm KMnO 4 в течение 30 минут 94 хроматограммы остаточного акриламида при 10 ppm (10 ppm со стандартом ACM3) ) после воздействия УФ-излучения и 15 ppm хлора в течение 30 минут и 94 VI.

10 Список сокращений Adam MeCl AWWA ACM CD CV DADMAC DBP EAD EPA Epi-DMA GC GH LD 50 MS MW MSDS NDMA NOM PAM PATA Py-GC Py-GC-MS SEC TOC UV WHO Этанамин N, NN – (1-оксо – 2)-пропенил) Оксихлорид Акриламид Кристалло-фиолетовый Плотность заряда Диаллил Диметиламмоний хлорид Побочные продукты дезинфекции Реагент для захвата электронов EPA Эпихлоргидрин-диметиламин Газовый хроматат-диметиламин Паспорт безопасности материала, Полиакриламид, Полиакриламид, Загуститель, Пиролиз, Газовая хроматография, Пиролиз, Газовая хроматография, Масс-спектрометрия, Эксклюзионный хроматограф, Всемирная организация здравоохранения, Ультраорганические вещества

Химическое и фоторазложение полиакриламида, используемого при очистке питьевой воды PEYAO CHENG

Краткое описание полиакриламидов (ПАМ)

Существует группа полимеров, которые состоят только из акриламида или сополимеризованы с другими мономерами. ПАМ использовались при очистке питьевой воды в качестве флокулянтов или коагулянтов в наибольшем объеме среди всех типов полимеров. В процессах очистки питьевой воды полиакриламид часто подвергается воздействию окислителей (таких как хлор и перманганат) и ультрафиолетового излучения солнечного света или искусственных источников. Целью данного исследования является оценка потенциальной деградации ПАМ, вызванной химическим окислением и/или УФ-излучением. Изучены три типа продуктов ПАМ (неионогенные, катионные и анионные) при окислении свободного хлора, перманганата, УФ-излучения и их совместном воздействии. Катионный ПАМ оказался наиболее нестабильным полимером среди трех исследованных типов полимерных образцов, однако наблюдалась лишь незначительная деградация. Остаточный акриламид в положительном PAM C-3280 превышал нормативное значение США, а воздействие хлора или перманганата частично снижало уровень акриламида. УФ-лучи не разрушают весь полимер

Содержание и остатки акриламида

, но это ускорило разрушение, вызванное химическими веществами. Воздействие хлора или перманганата в течение 1 часа приводило к снижению эффективности флокуляции на 20-35% для каждого образца полимера. Кратковременное воздействие (5 мин) не приводило к потере флокуляционных свойств неионогенных и анионных ПАМ. Однако для катионного ПАМ даже кратковременное воздействие хлора приводило к снижению % эффективности флокуляции, что указывает на то, что катионный ПАМ более восприимчив к окислению. Девятый

Введение в органические полимеры

Их используют для очистки питьевой воды уже более 40 лет. В 1967 году Служба общественного здравоохранения США одобрила первый полностью синтетический органический полимер для очистки питьевой воды (AWWA, 2001). 15 лет спустя было подсчитано, что более половины водоочистных сооружений в США использовали один или несколько полимеров для повышения эффективности фильтрации (AWWA Coagulation and Filtration Committee, 1982). Хотя Агентство по охране окружающей среды принимает тысячи полимерных продуктов, считается, что количество соединений, связанных с этими продуктами, составляет менее 20, при этом наибольшая часть приходится на полиакриламидные продукты (Hanson et al., 1983; Mangravite, 1983). ). Полиакриламиды (ПАМ) представляют собой семейство полимеров и сополимеров, которые различаются по форме продукта, типу заряда, плотности заряда, молекулярной массе и другим свойствам. Обычно они полимеризуются одним акриламидом (ACM) с образованием неионного полимера, акриловой кислотой или солями акриловой кислоты с образованием анионного полимера или катионным мономером (таким как DADMAC) с образованием катионного полимера. Анионные ПАМ также можно получить путем щелочного гидролиза неионогенных ПАМ. Структура ПАМ и некоторых сополимеров показана на рисунке 1.1 (адаптировано из Bolto, 1995). 1

Полиакриламидная структура.

(а) Неионогенный ПАМ; (б) Анионный полимер ПАМ. (c) Катионный сополимер ACM и DADMAC (адаптировано из Bolto, 1995). ПАМ использовались в различных приложениях, таких как коагуляция/флокуляция питьевой воды и сточных вод, кондиционирование почвы, сельское хозяйство, добыча нефти и биомедицинские применения. В данной диссертации основное внимание уделяется его применению в очистке питьевой воды. При очистке питьевой воды ПАМ обычно добавляют во время коагуляции или флокуляции для дестабилизации твердых частиц и природных органических веществ (НОМ) и облегчения удаления путем седиментации или фильтрации. Катионные ПАМ часто используются в качестве первичных коагулянтов для усиления коагуляции и осаждения (или фильтрации) отрицательно заряженных частиц в природных водах посредством 2.

Поглощение и нейтрализация поверхностного заряда

(Леттерман и Перо, 1990). Неионогенные и анионные ПАМ обычно имеют более высокую молекулярную массу (или более длинную цепь), чем катионные ПАМ. Их часто добавляют после коагуляции, чтобы помочь связать положительно заряженные молекулы с образованием более крупных агломератов посредством механизма, называемого полимерным мостиком. При очистке питьевой воды, помимо органических электролитов, также используются различные химические вещества, в том числе окислители (такие как хлор, озон, перманганат и диоксид хлора), известь, коагулянты металлов, фторид и ингибиторы коррозии. При очистке поверхностных вод окислители часто добавляют перед коагуляцией (так называемое предварительное окисление), чтобы уменьшить содержание металлов и соединений, связанных со вкусом и запахом (Левин и др., 2004). Существует опасение, что оставшиеся окислители могут вступать в реакцию с органическими полиэлектролитами, добавленными для коагуляции/флокуляции, и эти реакции могут отрицательно повлиять на характеристики полимеров и привести к образованию предшественников побочных продуктов дезинфекции (DBP) (Levine et al., 2004). . В большинстве случаев окислители добавляют после очистки воды для ее обеззараживания. Остаточный окислитель обычно сохраняется в готовой воде для контроля роста бактерий в распределительных системах. При наличии остаточных полимеров в системе водоснабжения могут происходить реакции с остаточными окислителями, в результате которых могут образовываться некоторые токсичные вещества (например, мономер акриламида) или побочные продукты дезинфекции. 3

Целью данного исследования была оценка изменений в полиакриламиде и мономерах акриламида во время очистки воды.

Результаты этого исследования могут предоставить научные данные, которые могут быть полезны при оценке эффективности текущей политики, связанной с использованием полиакриламида. Конкретными целями данного исследования являются: 1) Оценить химическую деградацию полиакриламида, вызванную хлором и перманганатом, на основе восстановления остаточных окислителей и возможных изменений в полиакриламиде (общее органическое углерод, УФ-спектр/поглощение) и его примесях (акриламид). остаток). и остаточный неорганический азот); 2) Фотодеградация полиакриламида под воздействием искусственного солнечного света с УФ-спектром, основанная на изменении общего органического углерода, УФ-поглощения и остатков акриламида, а также для оценки влияния УФ-излучения на окисление хлор/перманганатных ПАМ. 3) Оценка влияния окислителей (хлора и перманганата) на эффективность флокуляции полиакриламидов, исходя из скорости седиментации каолиновой суспензии. 4) Предоставление предложений по выбору и использованию полимеров при очистке питьевой воды. 4

Предыстория В этой главе рассматриваются свойства акриламида и его полимеров.

В этой главе представлен обзор предыдущих исследований фотолитической и химической деградации полимеров, изменений характеристик, связанных с деградацией полимера, а также химического анализа полиакриламидных мономеров (ПАМ) и акриламида (АКМ). В последнем разделе рассматриваются действующие правила в отношении продуктов PAM. 1. Акриламид и полиакриламид Акриламид является основным мономером полиакриламида. Однако акриламид и полиакриламид обладают совершенно разными свойствами. В этом разделе представлены физические, химические и биологические свойства акриламида и полиакриламида, которые очень важны для понимания разложения полиакриламида и его мономеров. 1.1 Акриламид Акриламид представляет собой белое кристаллическое вещество без запаха, растворимое в воде и других полярных растворителях, таких как ацетон и ацетонитрил. Он содержит две основные функциональные группы: амидную группу и двойную углерод-углеродную связь (рис. 2.1) (Caufield et al., 2002). Из-за электронодефицитной двойной связи акриламид восприимчив к широкому спектру реакций, таких как нуклеофильное присоединение, реакции Дильса-Альдера и радикальные реакции (MacWilliams, 1973). CH 2 CH CO NH 2 Рисунок 2.1 Структура акриламида (адаптировано из Caufield et al., 2002) Акриламид может быть высокотоксичным.

Он легко всасывается при чрескожном приеме внутрь и при вдыхании, а затем широко распределяется в жидкостях организма.

(Всемирная организация здравоохранения, 1996). Пероральная LD50 (смертельная доза для половины населения) составляет мг/кг массы тела для крыс и мг/кг массы тела для крыс (Leiterman and Biro, 1990). ЛД50 при чрескожном введении у крыс составляет 400 мг/кг массы тела (ВОЗ, 1996). Акриламид также является кумулятивным нейротоксином, который может вызывать повреждение нервов при хроническом пероральном воздействии у людей и животных, вызывая такие последствия, как онемение и слабость рук и ног (US EPA, 1999). Риски рака также были зарегистрированы как у людей, так и в исследованиях на мышах. Поэтому Агентство по охране окружающей среды США (EPA) отнесло акриламид к веществу B2, вероятному канцерогену для человека (US EPA, 1984 и 1993). 1.2 Полиакриламид Полиакриламид получают путем свободной радиальной полимеризации акриламида с использованием различных систем инициирования (таких как пероксиды, пероксиды, окислительно-восстановительные и фотохимические пары) в водных растворах или дисперсиях.

Физические свойства каждого полиакриламидного изделия обычно различны.

Например, форма ПАМ может быть твердой, эмульсионной или растворенной, с молекулярной массой от тысяч до более чем миллионов дальтон. Полиакриламид относительно нетоксичен для людей, животных, рыб и растений (Seybold, 1994; Всемирная организация здравоохранения, 1985). Пероральная LD50 для крыс превышает 5000 мг/кг массы тела, а для рыб – более 100 мг/кг (Паспорт безопасности материала в Приложении E). В то время как в реакции акриламида электрон отсутствует из-за двойной связи, полиакриламид относительно инертен из-за отсутствия двойной связи, которая удаляется в процессе полимеризации (MacWilliams, 1973). Однако полиакриламид подвержен различным процессам разложения в зависимости от природы полимера, присутствующих примесей и условий, которым он подвергается. Например, амидная группа в полиакриламиде может подвергаться гидролизу и дегидратации (Caulfield et al., 2002). В общем, реакции разложения необратимы и изменяют физические и химические свойства полимера. Побочные продукты разложения также вызывают беспокойство, поскольку они могут способствовать токсичности, высвобождая мономеры акриламида или образуя побочные продукты дезинфицирующего средства (например, тригалометан) в результате хлорирования. 2. Разложение полиакриламида Существует пять основных путей разложения полиакриламида: термическое разложение, фоторазложение, биологическое, химическое и механическое.

Механизм этих путей деградации был исследован Caulfield et al.

(2002) и обобщены в Таблице 2.1. Химическая и фотодеградация находится в центре внимания данной диссертации и обсуждается здесь. Таблица 2.1 Пути разложения полиакриламида (Caufield et al., 2002). C до 300 °C: необратимая реакция амидной функциональной группы, присоединение O 2 при УФ-облучении (фотоокисление), гидролиз оснований с большим усилием сдвига, прямая механическая нагрузка, перемешивание) > 300 °C: химическое разложение свободного амида, Цепное делениеОсновной радикал случайного разрыва связи (т.е. H 2 O 2, K 2 S 2 O 8) 2.1 Химическое разложение многих Акриламид При очистке воды полиакриламидом (ПАМ) параллельно с полиэлектролитами можно использовать различные химические вещества, включая окислители (такие как хлор, хлорамин и озон). Перманганат, перекись), коагулянты (такие как квасцы, сульфат железа), химикаты для регулирования pH (такие как известь, каустическая сода, кальцинированная сода, серная кислота), фториды и ингибиторы коррозии. Эти химикаты, особенно окислители, могут вступать в реакцию с остатками полиэлектролита в воды А это приводит к их разрушению. Уровень pH 8 также влияет на скорость и степень деградации полимера (Soponkanaporn and Gehr, 1989). В кислых или основных условиях полиакриламиды подвержены гидролизу.

Реакция кислотного гидролиза

Он включает добавление воды к протонированному нуклеофильному амиду с последующим удалением NH 3 . Для образования остатка акриловой кислоты протон затем удаляется с помощью NH 2 – из остатка акриловой кислоты с образованием более стабильного карбоксильного аниона и аммиака (Колфилд). и др., 2002). Считается, что в ходе кислотного или основного гидролиза изменяется только амидная группа ПАМ, при этом потери молекулярной массы не наблюдается. Рисунок 2.2 Кислотный гидролиз полиакриламида (адаптировано из Caulfield et al., 2002) Рисунок 2.3 Щелочной гидролиз полиакриламида (адаптировано из Caulfield et al., 2002) 9

22 Разложение полиакриламида, вызванное хлором и озоном, тщательно изучалось. Сравнение результатов исследования представлено в таблице 2.2. Сопонканапорн и Гер (1987) использовали эксклюзионную хроматографию для исследования разложения катионного полиакриламида под действием озона. Сообщалось, что молекулярная масса полимеров снизилась примерно с 6 миллионов до менее 1 миллиона после воздействия озона в течение 10 минут. Разложение катионного ПАМ (1–100 мг/л) изучалось под воздействием как хлора (20 мг/л), так и озона (3 мг/л) при уровнях pH от 3 до 9 (Gehr and Soponkanaporn, 1990). ). Во всех экспериментах использовалась бидистиллированная вода. Окисление полиакриламида (ПАМ), хлора и озона привело к снижению молекулярной массы полимера без значительной потери общего органического углерода (ТОС) и общего азота (TN). Этот вывод был подтвержден Levin et al. (2004), которые изучали деградацию двух полиакриламидов и обнаружили, что хлор оказывает наименьшее влияние на общее количество органического углерода. Образование токсичных побочных продуктов (таких как акриламид и хлороформ) во время разложения полимеров также стало дополнительной, но важной проблемой. Исследования показали, что мономеры акриламида не образуются при разложении ПАМ хлором и озоном. Фактически окисление привело к уменьшению концентрации остаточного акриламида (Гер и Сопонканапорн, 1990). Результат согласуется с результатами Mallevialle et al. 10

Акриламид озон

Самостоятельно и изучался акриламид в анионном ПАМ. Мономеры акриламида удалялись быстро, с коэффициентом скорости реакции первого порядка -0,14/мин. Образование хлороформа было обнаружено во время хлорирования, и его концентрация увеличивалась с увеличением концентрации электролита и времени инкубации (Gehr and Soponkanaporn, 1990). Другое исследование образования хлороформа из катионного ПАМ показало, что скорость и степень полимерной реакции увеличиваются с увеличением pH и температуры (Gehr and Soponkanaporn, 1989). N-нитрозодиметиламин (НДМА) является известным канцерогеном для животных с летальной дозой при пероральном приеме 58 мг/кг для крыс (Паспорт безопасности материала НДМА, 2004). Сообщалось, что старение исходного раствора Эпи-ДМА (эпихлоргидрин-диметиламин) приводит к увеличению выработки НДМА в течение 5-часового периода (Кохут и Эндрюс, 2003). 2.2 Фотодеградация полиакриламида Считается, что фотодеградация полиакриламида представляет собой свободнорадикальный процесс, который может привести к расщеплению основной цепи полимера (разделению цепи), сшиванию, введению новых функциональных групп и образованию высокомолекулярных продуктов. Редди и др., 1994; Колфилд и др., 2002). Колфилд и др. (2003) изучали стабильность линейного полиакриламида в условиях нагрева и радиации. Было обнаружено, что ПАМ стабильны под воздействием люминесцентных ламп и не выделяют заметного количества 12

Поверхность акриламида при 95 °C, хотя при гидротермальном разложении наблюдается гидролиз амидных групп боковой цепи до кислотных групп.

При УФ-облучении с длиной волны 254 нм высвобождались небольшие количества акриламида (обычно менее 50 м.д. мономерных повторяющихся звеньев в полимере) и наблюдалось снижение вязкости. Был сделан вывод, что высвобождение акриламида произошло из-за отсоединения цепи, а не из-за декомпрессии полимерной цепи. Smith et al (1996, 1997) исследовали разложение полиакриламидного загустителя (ПАТА), приготовленного без гербицида глифосата (GH) в образцах деионизированной дистиллированной воды, поверхностных и подземных вод. Было обнаружено, что при контролируемых лабораторных температурах (4, 25 и 37 °C), условиях освещенности (длина волны от 300 до 700 нм) и на открытом воздухе присутствие GH, акриламида и/или полиакриламида защищает от разложения. Он замедляет или вызывает разложение полиакриламида. В отношении акриламида они предположили, что GH может действовать как хромофор, поглощая световое излучение и передавая энергию полиакриламиду, тем самым разрывая связи CC в полимере. Однако их выводы были оспорены другими исследователями. Верс (1999) проводил эксперименты в аналогичных условиях разложения, но получил отличные от Смита результаты. Виерс пришел к выводу, что полиакриламид не может расщепляться на мономеры акриламида в присутствии солнечного света, гербицида глифосата или любой их комбинации. Он упомянул 13 случаев

26 Недостатки методов, использованных Smith et al.

При анализе акриламида, например, плохое разрешение между мономером акриламида и акриловой кислотой, эти недостатки могли способствовать получению ошибочных результатов.

Кей Шумейкер и др. (1998) также поставили под сомнение надежность предыдущих выводов Смита и др. (1996 и 1997) о способности полиакриламида к разложению до мономера. Их исследование показало, что ультрафиолетовое облучение высокомолекулярного анионного полиакриламида приводит к уменьшению молекулярной массы полимера. Однако доказательств наличия акриламида не было, поскольку обработанный УФ-излучением ПАМ не мог поддерживать рост бактерий (мономер акриламида может служить единственным источником углерода для роста бактерий). Их результаты показывают, что акриламид не образуется при разложении полиакриламида под действием УФ-излучения. Выводы Смита и др. также были оспорены. (1996 и 1997) других исследователей: Bologna et al. (1999) показали, что если бы полимеризация действительно произошла, наблюдаемая концентрация акриламида была бы намного выше, чем утверждали Смит и др. (1996, 1997). Было также высказано предположение, что реконструкция двойной связи в акриламиде из ПАМ термодинамически невозможна. Таким образом, общепризнано, что УФ-облучение может привести к уменьшению молекулярной массы полиакриламида, однако до сих пор существуют разногласия по поводу возможности разложения полиакриламида на мономеры акриламида, что следует объяснить более подробно. 14

27 3. Эффективность флокуляции Эффективность флокулянта можно оценить с точки зрения скорости осаждения полиакриламида (ПАМ), прозрачности, размера осадка или расхода флокулянта, на которые влияет сложное взаимодействие ряда факторов, обобщенных в Таблице 2.3. Таблица 2.3 Факторы, влияющие на эффективность спекания полимера (Адаптировано из Owen et al., 2002; Farrow and Swift, 1996) Плотность заряда, вес хлопьев, функциональная форма динамического аспекта силы перемешивания и продолжительности. Ряд авторов исследовали взаимосвязь между производительность спекания и физические свойства полиэлектролитов, особенно молекулярная масса и плотность заряда. Для катионного ПАМ нейтрализация заряда была предложена в качестве доминирующего механизма спекания, а это означает, что увеличение плотности заряда катионного полимера приводит к улучшению характеристик спекания (Tiravanti et al., 1985; Mabire et al., 1983). Однако их выводы были оспорены другими исследователями: Smith-Palmer et al. (1994) изучали эффективность флокуляции ряда катионных ПАМ, используя скорости осаждения каолина. Ей было 15 лет

Было обнаружено, что скорость осаждения обратно пропорциональна плотности заряда, что указывает на то, что мостик может играть важную роль в механизме флокуляции.

Этот результат был поддержан Гиллом и Харрингтоном (1986), которые пришли к выводу, что плотность заряда не является ограничивающим фактором, а мостиковое образование является доминирующим механизмом, и что различия в скорости осаждения должны быть обусловлены небольшими различиями в молекулярной массе. Еще одним обсуждаемым фактором является старение растворов ПАМ (обычно в течение недель или месяцев). Шилук и Стоу (1969) заметили, что уменьшение вязкости раствора полиакриламида с течением времени можно описать как двухэтапный процесс: сначала быстрое снижение (около 15 дней), за которым следует медленное и устойчивое снижение. Они также сообщили, что старение снижает способность полимера флокулировать суспензию каолина. Объяснения механизма процесса старения были связаны с распадом полимера (Gardner et al., 1978), структурными изменениями (Klein и Westerkamp, ​​1981; Kulicke и Nieske, 1981), а также присутствием микроорганизмов или свободных радикалов ( Хаас). и Макдональд). , 1972). Имеются ограниченные данные о влиянии окислителей на эффективность флокуляции ПАМ. Гер и Сопонканапорн (1990) сообщили, что хлор слегка снижает эффективность флокуляции катионного ПАМ при 10-минутном воздействии, а озон значительно снижает эффективную концентрацию полимера в первые несколько минут, после чего концентрация остается постоянной. 16

Влияние хлора, перманганата, ультрафиолетового излучения и их комбинаций на эффективность флокуляции неионогенного полиакриламида (ПАМ) изучали на основе конечного теста мутности воды и времени фильтрации.

Сообщалось, что воздействие УФ-излучения не приводит к значительному изменению мутности, но хлор, перманганат и хлор под воздействием УФ-излучения приводят к снижению производительности, измеряемой по остаточной мутности. Однако тестирование времени до фильтрации показало, что воздействие УФ-света и/или хлора или перманганата привело к улучшению фильтрации суспензии, что позволяет предположить, что в результате спекания полимера могут образовываться более крупные частицы, что приводит к засорению и снижению сопротивления. . против потока через него. Пористый фильтр 4. Химический анализ важен для определения окончательной судьбы полимеров, используемых при очистке воды. Был изучен ряд методов отслеживания остатков полимера в воде. Одним из методов является титрование коллоидов противоположно заряженным электролитом с использованием красителей (Wang and Schuster, 1975; Parazak et al., 1987) или флуоресцентных соединений (Tanaka and Sakamoto, 1993) в качестве индикаторов. Однако этот метод не отличается особой чувствительностью: низкие пределы обнаружения составляют от 0,5 до 1 мг/л. Вариантом этого метода для катионных флокулянтов является измерение оптической плотности при 680 нм после постепенного добавления стандартного раствора о,о-дигидроксиазосоединения, связанного с полимером 17.

30 (Керри и др., 1986). Масадом (2003) также сообщил об аналогичном методе с использованием кристаллического фиолетового (CV) в качестве индикатора и измерения изменения поглощения при 590 нм с помощью обычного спектрофотометра. Другой аналогичный метод заключается в контроле мутности путем добавления дубильной кислоты для осаждения полимера (Аттиа и Рубио, 1975). Для характеристики синтетических полиэлектролитов были разработаны и другие методы. Гопперс и Штрауб (1976) использовали тонкослойную хроматографию, чтобы отличить полимер от оставшегося мономера, связанного с катионным полиакриламидом. Эксклюзионную хроматографию по размеру полиакриламида (SEC) использовали для определения молекулярной массы и молекулярно-массового распределения полимеров. Определить небольшие количества частично гидролизованного анионного полиакриламида (Belzley, 1985), остаточного неионного полиакриламида в шламе квасцов (Keenan et al., 1998) и высокомолекулярного катионного полиакриламида (Soponkanaporn, 1991, 178). . Гель-электрофорез также использовался как инструмент для определения молекулярно-массового распределения длинноцепочечных синтетических полиэлектролитов (Smisek and Hoagland, 1990). Утверждается, что гель-электрофорез имеет преимущество более высокого разрешения и гораздо более широкого диапазона молекулярных масс, чем водный SEC, с верхним пределом размера цепи, значительно превышающим молекулярную массу любого коммерчески важного синтетического полимера. Недостатком этого метода является то, что его можно использовать только для заряженных полимеров, тогда как ЭХ можно применять и к неионогенным полимерам. 18

Пиролизная газовая хроматография (Py-GC)

Газовая хроматография-пиролиз-масс-спектрометрия (Py-GC-MS) уже более 30 лет является важным методом идентификации синтетических полимеров, как качественно, так и количественно. Помимо идентификации соединений, пиролиз также используется для выявления структуры сополимеров и изучения закономерностей гомополимеров (Ванг, 1999). Блэк и др. (1966) использовали Py-GC-MS после разделения методом SEC для анализа высокомолекулярного сополимера акриламида и акрилата натрия с низкой плотностью заряда (CD).

Анализ полимерных примесей, таких как остатки акриламида, также очень важен.

Современные методы, используемые для анализа остаточного акриламида, включают высокоэффективную жидкостную хроматографию с УФ-детектором (Vers, 1999), газовую хроматографию с последующим детектором электронной десорбции (ECD) (Bologna et al., 1999) или масс-спектрометрию. (MS) — это (О). и др., 2003). 5. Правила использования полиакриламида. В настоящее время доступны различные полиэлектрические преобразователи, и наличие непрореагировавших мономеров вызывает обеспокоенность, особенно мономеров акриламида и эпихлоргидрина, которые токсичны для человека и животных. По этой причине Швейцария и Япония не разрешают использование полиэлектролитов, включая полиакриламид, при очистке питьевой воды (Letterman and Bro, 1990). Другие страны, такие как США и Великобритания, установили ограничения на уровни и дозы загрязняющих веществ. 19

В США, когда продукты PAM используются для очистки питьевой воды,

Мономерный состав и дозировка не должны превышать 0,05% (по массе активного полимера) мономера акриламида в дозе 1 ppm (40 CFR), что соответствует максимальной теоретической концентрации 0,5 микрограмм на литр мономера в воде. По сравнению с США, в Великобритании действуют более строгие нормативы: ни одна единица не может содержать более 0,02% свободного мономера акриламида в зависимости от содержания активного ингредиента, а доза никогда не должна превышать в среднем 0,25 частей на миллион. Не превышайте 0,50 ppm активного ингредиента. Компоненты (BS EN 1407: 1998 и BS EN 1410: 1998). Однако эти правила ориентированы только на качество самих продуктов, а не на качество конечной воды. Когда полиакриламид (ПАМ) попадает в систему питьевой воды, ПАМ и мономеры могут подвергаться различным реакциям (как описано в предыдущих разделах), которые могут привести к увеличению или уменьшению остатков акриламида. Ни одно из этих правил не учитывает потенциальные остаточные изменения АСМ в системах водоподготовки и распределения. Кроме того, не существует научных рекомендаций по выбору полимерных изделий для очистки воды. Полиэлектролитные продукты часто выбираются эмпирически на основе производительности и стоимости на уровне масштаба, а потенциальная деградация полимеров во время очистки и распределения обычно не учитывается. Следовательно, необходимо оценивать разложение полимеров в системе очистки воды, что помогает выбору и использованию полимерных продуктов при очистке питьевой воды. 20

33 Методы и материалы В этой главе описаны экспериментальные методы, использованные в данном исследовании. В этой главе три основных раздела: химический анализ ПАМ, УФ-анализ ПАМ и испытания на эффективность спекания. Также оценивалось совместное воздействие УФ-излучения и химических окислителей на остатки акриламида и остатки окислителей, что включено в первые два раздела. Принципиальная схема всей экспериментальной схемы представлена ​​на рисунке 3.1. Химическое разложение ПАМ Химическое разложение (окислители) под действием УФ в сочетании с остаточным окислителем TOC, ACM УФ-спектр Характеристики спекания остаточного неорганического азота Рисунок 3.1 Принципиальная схема экспериментального плана 1. Для этого исследования были выбраны три полиакриламидных продукта из полиакриламида.

Исследования полиакриламида (ПАМ)

Некоторые свойства полимеров, такие как торговая марка полимера, форма, молекулярная масса, тип заряда, плотность заряда и основные компоненты, предоставляются производителем и перечислены в таблице 3.1. Три выбранных полимера находились в форме порошка из-за более высокого содержания активного полимера по сравнению с формами эмульсии или раствора. Другие свойства этих трех полимеров отличаются друг от друга. Например, анион A-3333P имеет самую высокую молекулярную массу (ММ) в один миллион дальтон, а катион С-3280 имеет самую низкую молекулярную массу (4-6 миллионов дальтон). Три выбранных полимера представляют три типа ПАМ с точки зрения заряда и компонентов. Перед экспериментами готовили 0,1% (в пересчете на сухое вещество) растворы полимера. В этом исследовании в качестве водной матрицы использовалась наночистая вода, полученная с помощью лабораторной системы очистки воды Millipore. Перед приготовлением исходных растворов общее количество твердых веществ трех полимеров определяли путем сушки определенного количества полимера (например, 0,5 г) в печи при 105–110 °C в течение 3 часов и измерения разницы в весе до и после сушки ( Приложение А). ). Затем полимеры растворяли в теплой воде (25–35°C) при перемешивании с образованием 0,1%-ных водных растворов в расчете на общее количество сухих веществ (например, для 90% общего содержания твердых веществ 1,11 г полимера растворяют в 1 л воды). Для дальнейших экспериментов из 0,1%-ных растворов готовили растворы полимера концентрацией 10 мг/л. Хотя на водоочистных станциях обычно используются низкие уровни ПАМ (обычно <1 мг/л), в этом исследовании для большинства экспериментов была принята концентрация 10 мг/л из-за низкой чувствительности аналитических методов. 22

35 Таблица 3.1 Свойства полимера (Polydyne Inc., 2004) Торговая марка полимера Clarifloc N-3300 P Clarifloc A-3333 P Clarifloc C-3280 Форма полимера Белый порошок Белый порошок Молекулярная масса Белый порошок Белый порошок Молекулярная масса, тип дальтон Мол. заряд 8% , ~10 миллионов нейтральных 0 12 ~ 16 миллионов анионных 30% 4 ~ 6 миллионов катионных 55% основного компонента акриламида, гомополимер акриламида и акрилата натрия, сополимер акриламида и сополимера Адама Меккеля * * Адама Меккеля: Этанамин N, N -2- Nt 1-оксо-2-пропенил) окси, хлорид. 2. Химическое окисление полиакриламида. В данном исследовании использовались два типа химических окислителей: свободный хлор и перманганат калия. Разложение продуктов ПАМ оценивали с помощью нескольких тестов, включая оценку остатков окисления, УФ-спектра/поглощения, общего органического углерода (ТОС), остатка акриламида и остатка неорганического азота. Изменения в остатках окислителей использовались как косвенный индикатор присутствия и степени взаимодействий, происходящих между окислителями и полимерами, поскольку для прямого обнаружения изменений структуры полимера требуются более совершенные методы (например, Py-GC-MS). Для оценки изменений общего содержания полимеров использовались тесты на полное поглощение органического углерода и УФ-спектрофотометрия. Например, более низкий уровень TOC означает, что некоторая часть органического углерода превращается в неорганическую форму.

Остаточная модификация полиакриламида (ПАМ) в растворе полимера представляет собой серьезную проблему из-за его токсичности.

Неорганический азот, такой как аммиак-н, использовался в качестве индикатора гидролиза полимера. Образцы анализировали в трех экземплярах. 2.1 Испытание на окисленный остаточный свободный хлор. Исходный раствор хлора с концентрацией примерно 1000 мг/л готовили из 6% коммерческого отбеливателя, и его концентрацию сравнивали со стандартным раствором тиосульфата натрия N (Hach) в соответствии со стандартными методами 4500-Cl G (Стандартные методы ). Обследование водоснабжения и санитарии 1377). В этом эксперименте дозы хлора составляли 5, 10 и 15 мг/л в пересчете на хлор для достижения массового соотношения хлора к полимеру 0,5, 1,0 и 1,5. Подробные условия испытаний приведены в таблице 3.2. Таблица 3.2 Условия эксперимента для определения остатков окислителя Дозировка полимера Название мг/л Cl 2, мг/л Окислитель KMnO 4, мг/л Время воздействия, час Н-3300 П 10 5, 10, 15 2, 4, 6 5 А – 3333 Ж 10 5, 10, 15 2, 4 , 6 5 C, 10, 15 2, 4, 6 5 По 200 мл каждого раствора полимера с концентрацией 10 мг/л помещают в стеклянный стакан емкостью 250 мл и в него помещают определенное количество исходного раствора хлора. Стеклянные контейнеры, использованные в этом исследовании, были промыты кислотой. Сразу после смешивания отбирали аликвоту объемом 20 мл для оценки исходного остаточного хлора методом йодного титрования (Приложение Б). В этом методе используется стандартный раствор тиосульфата натрия с крахмалом 24.

37 Калибровочный индекс для свободного йода, высвободившегося из избытка йодида калия в хлоре (Стандартные методы исследования воды и сточных вод, 1998). Затем флакон закрывали стеклянной пробкой и запечатывали алюминиевой фольгой, чтобы избежать возможного воздействия УФ-излучения. Флакон помещали на механический шейкер и встряхивали при 200 об/мин в течение 5 часов. Через определенные промежутки времени отбирали пробы объемом 10 мл для проверки на остаточный хлор. Через 5 ч реакции полиакриламида (ПАМ) реакцию останавливали добавлением 2–3 капель 0,1 М раствора тиосульфата натрия. Время контакта 5 часов использовали для уравновешивания реакций, если это возможно. 2.2 Тест на окисленный перманганат калия Оставшийся раствор KMnO 4 с концентрацией 1000 мг/л был приготовлен из 0,1 мг порошка KMnO 4 (Fisher) и растворен в 100 мл нановоды. Дозы перманганата, использованные для окисления раствора полимера, составляли 10 мг/л 2, 4 или 6 мг/л в пересчете на KMnO 4 (табл. 3.2). Применяли метод, описанный в предыдущем разделе (окисление хлора), и оценивали изменение остаточного перманганата с течением времени. Концентрацию перманганата калия определяли непосредственно путем измерения его оптической плотности при 525 нм с помощью спектрофотометра (HACH DR 4000U), поскольку его концентрация прямо пропорциональна оптической плотности, измеренной при 525 нм. Подробный метод описан в Приложении C25.

2.3 Спектры TOC и УФ-поглощения/поглощение. Общий органический углерод (TOC) растворов ПАМ (10 мг/л) определяли с использованием анализатора TOC Sievers.

Измерение TOC основано на оценке массы CO2, образующегося в результате окисления органических веществ путем сочетания УФ-излучения и окисления персульфата аммония в кислых условиях (Левин и др., 2004). Для каждого измерения примерно 30 мл образца помещали в флакон емкостью 40 мл размером 29 x 81 мм с завинчивающейся крышкой с тефлоновым покрытием, а затем помещали в автосамплер. Параметры испытаний программировались с помощью компьютерной системы. Для оценки влияния окисления на содержание органического углерода в полиакриламиде определяли общее содержание органического углерода в трех ПАМ (раствор 10 мг/л) до и после окисления хлором в концентрации 5, 10, 15 мг/л и перманганатом калия в концентрации 2. 4 было протестировано. Полиакриламид (ПАМ) 6 мг/л в течение 5 часов. Другим способом измерения остатков полимера является поглощение/спектры УФ-излучения. Образцы полимеров сканировали до и после окисления хлором/перманганатом от 190 до 300 нм с использованием спектрофотометра UV/Vis (Hach DR 4000U). Поскольку предыдущие лабораторные исследования показали, что полиакриламид достигает максимального поглощения в диапазоне от 190 до 205 нм. Поэтому поглощение растворов ПАМ при 195 нм было установлено в качестве стандарта для сравнения изменений поглощения до и после реакций окисления. Время реакции составляло до 1 часа, что близко к времени удерживания некоторых водоочистных сооружений. 26

2.4 Изменение акриламидного остатка

Остаточное содержание акриламида в растворах ПАМ

Протестировано с использованием газовой хроматографии (ГХ) и детектора электронной абсорбции (ECD). Акриламид в водных образцах бромировали насыщенной бромной водой (Fisher) с образованием 2,3-дибромпропионамида, а затем экстрагировали этилацетатом (Fisher) для превращения в более стабильный 2-пропенамид. 2-Бромамид отделяли на полярной капиллярной колонке DBwax (полиэтиленгликоль) (30 м × 0,25 мм, толщина пленки 0,25 мкм) (J&W Scientific), а затем обнаруживали с помощью детектора ECD. Подробный метод показан в Приложении D. Поскольку предыдущие исследования показали, что катионный ПАМ более чувствителен к окислению, в этом исследовании оценивалось только остаточное изменение акриламидного раствора катионного ПАМ (10 мг/л). Раствор подвергали воздействию 15 мг/л Cl или 6 мг/л KMnO4 в течение 30 мин, а затем измеряли оставшийся АСМ. Изучено также комбинированное действие ультрафиолетового излучения, которое будет объяснено в разделе, посвященном неорганическим остаткам азота. 4000 у.е.). Для каждого измерения применялись процедуры анализа, предоставленные поставщиком прибора (Hach). 100 мл раствора полимера концентрацией 10 мг/л окисляли 10, 15 мг/л хлором или перманганатом при 4 и 27°С.

40 мг/л6 тестировали в течение 1 часа, затем тестировали NH3-N, NO2-N и NO3-N и сравнивали полиакриламид (ПАМ) с результатами контрольной группы (без добавления окислителя в растворы полимеров). .

Методы испытаний на неорганический азот приведены в Таблице 3.3. Другие аналитические методы, использованные в исследовании, представлены в приложениях, модифицированные по сравнению со стандартными методами или из других источников. Таблица 3.3 Методы испытаний неорганического азота (Руководство по спектрофотометру Hach DR4000, 2001 г.) Метод определения параметров для обнаружения помех на предельных значениях прибора Общий NH 3 -N DR4000U Спектрометр HACH 0,09 ppm, NO -NO-2, M, NO, NO, M3 – 2 – N DR4000U Спектрофотометр HACH ppm Pb 2+, Fe 2+, Fe 3+, NO – 3, сильный окислитель и восстановитель NO – 3 -N Спектрофотометр DR4000U HACH 0,01 ppm Ca, Cl -, Fe 2+, Fe +, NO – 2, pH, окислители и восстановители Мощный 3. Фотодеградация полиакриламида Для изучения фотодеградации полиакриламида использовали солнечную лампу УФ-спектра. Образцы полимера подвергали воздействию УФ-света, и разложение ПФА оценивали на основе экспериментов, описанных в следующих разделах. Интенсивность УФ, примененная в этом эксперименте, составляла примерно 7 мВт/см2, что было близко к интенсивности УФ при реальном солнечном свете в полдень в период проведения эксперимента (май 2004 г.). Было выбрано время выдержки 30 минут, поскольку более длительное время выдержки может привести к повышению температуры растворов полимера и более высокой скорости испарения. Для измерения объема, потерянного за счет испарения, 50 мл рабочего раствора полимера подвергали воздействию того же света в течение 30 минут и объем измеряли с помощью градуированного цилиндра. Результаты последующих исследований были скорректированы на процент потерь от испарения.

3.1 Изменения полимера, вызванные УФ-излучением

Оценивали влияние УФ-излучения на содержание ТОС ПАМ и УФ-спектр. Методы аналогичны описанным в разделе II. 3.2 Модификация акриламидных остатков УФ-облучением и комбинацией с окислителями. Раствор катионного ПАМ (С-3280) с концентрацией 10 мг/л подвергали УФ-облучению в течение 30 минут и/или окислителям (хлору и/или перманганату). Проверено на наличие остатков акриламида. Условия эксперимента с использованием ГХ-ЭЗД приведены в таблице 3.4. Таблица 3.4. Испытания на остатки акриламида Название полимера Доза полимера Ультрафиолетовый хлор Время воздействия перманганата калия C мг/л 30 минут C мг/л Минимум C мг/л Сочетание УФ-излучения с хлором/перманганатом. В этом эксперименте исследовали влияние УФ-излучения на окисление хлором/перманганатом растворов ПАМ. 10 мг/л ПАМ 29

Раствор подвергается воздействию ультрафиолетового излучения

Применяют определенное количество раствора хлора (или перманганата) для достижения первоначального остатка 5, 10 или 15 мг/л в виде Cl 2 (или 2, 4, 6 мг/л). KMnO4 для окисления перманганата). Пробы по 10 мл отбирали каждые 10 минут и определяли остаток хлора (или остаток перманганата) до окончания реакции. Снижение остаточных окислителей за 30 минут сравнивали с их восстановлением за 30 минут без воздействия УФ. 4. Характеристики флокуляции. В этом эксперименте эффективность спекания выбранных ПАМ оценивалась до и после окисления и сравнивалась на основе скорости седиментации 1,5% каолиновой суспензии. Метод определения скорости седиментации был модифицирован в результате исследования Smith-Palmer et al. (1994). Для каждой серии тестов флокуляции 15 г каолина (Fisher) перемешивали с 890 мл нановоды и 10 мл раствора соли в течение не менее 1 часа. Солевой раствор содержит хлорид натрия М (Фишер), хлорид кальция М (Фишер) и хлорид магния М (Фишер). Затем каолиновую суспензию трижды распределяли по 30 мл (всего 90 мл) в градуированный цилиндр емкостью 100 мл. Далее в цилиндр добавляли определенное количество раствора полимера и его объем достигал 100 мл. Цилиндр переворачивали на 5 минут перемешивания, затем через 3 минуты измеряли расстояние осаждения (см) и рассчитывали среднюю скорость осаждения (см/мин). Прежде чем тестировать эффективность флокуляции полимеров, 30

Определение вязкоупругих свойств полиакриламидных гелей

Характеристика вязких свойств полиакриламидных гелей. Отчет о крупном квалификационном проекте: представлен на факультет Вустерского политехнического института при частичном выполнении требований для получения степени бакалавра наук Закари Готро 1, Петерпан, Джереми, Джереми, П. Тонгпрадит 1 1 Факультет биомедицинской инженерии, Вустерский политехнический институт 2 Факультет физики, Вустерский политехнический институт Дата: 27 апреля, Полиакриламид 2. Вязкоупругость 3. Профессор клеточной культуры Кристен Биллиар 1, главный консультант профессор. Нэнси Бернэм

2 Содержание 1. Введение Основная информация Индентирование шариками из полиакриламидного геля, атомно-силовая микроскопия и контактная механика Герца, испытания на одноосное и вязкоупругое растяжение, вязкоупругий и вязкоупругий подход к проектированию. Атомно-силовая микроскопия, испытание на одноосное растяжение, испытание на реологию, обсуждение, будущие рекомендации, ссылки, приложения, сравнительная таблица два на два, протокол шарика для индентирования полиакриламида, TATOMIC LOXYEN

3 Таблица рисунков Рисунок 1: Химическая структура мономера акриламида Рисунок 2: Комбинация моделей Герца конического наконечника АСМ Рисунок 3: Схема образца под напряжением Рисунок 4: Испытание на релаксацию напряжения Рисунок 5: Рисунок 6: Рисунок 6: Целевой рисунок 7: Метод полимеризации стеклянных пластин. Рисунок 8: Лист полиакриламидного геля 13: Образец полиакриламида с лентой-липучкой Рисунок 14: Две дополнительные части липучки с отверстиями Рисунок 15: Правильное положение загрузки Рисунок 16: Вид с камеры Рисунок 17: Датчик силы Bohlin Gemini Рисунок 18: Принципиальная схема реологических систем. Рисунок 19: Сканирование частоты Рисунок 20: Упорное давление

Несмотря на широкое использование в исследованиях клеточных культур, механические свойства полиакриламидных гелей неясны.

Атомно-силовая микроскопия, одноосное тестирование, реология и сферическое вдавливание были использованы для полной характеристики этого геля. Диапазон модулей упругости кПа и кПа для концентрации геля составлял 5%/0,025% и 8%/0,08% соответственно, а коэффициент Пуассона составлял 0,45. Будущие исследования с использованием полиакриламида в качестве субстрата для клеточной культуры должны показать, как дифференцируется гель, и признать неопределенность в значениях жесткости.

8 1. Введение Полиакриламид оказался популярным методом исследования реакции культивируемых клеток на повышение жесткости окружающей среды. Интерес к полиакриламиду возник из-за его хорошо проверенной биосовместимости и регулируемых механических свойств. Субстраты необходимы для методов культивирования клеток, чтобы точно имитировать естественные условия биологических тканей, а полиакриламидные гели, как известно, могут быть приготовлены с механическими свойствами, идентичными мягким, нормальным и патологическим тканям. Однако потенциал полиакриламида в качестве субстрата клеточной культуры для исследований in vitro в настоящее время ограничен неопределенностью конкретных значений твердости.

Путем изучения механических свойств полиакриламидных гелей предполагается установить широкий диапазон постоянных значений твердости для двух концентраций геля.

На сегодняшний день проведено ограниченное количество научных исследований, направленных на уточнение различных механических параметров, общих для полиакриламида с нормальными мягкими тканями. Пытаясь определить относительные значения жесткости для различных концентраций полиакриламида, доктор Ю Ли Ван и его коллеги зафиксировали диапазон значений жесткости, очень похожих на нативные мягкие ткани, полученные в результате механических испытаний (Wang et al., 2002). Однако недавно опубликованные результаты доктора Ванга были классифицированы как несколько ложные исследовательской группой под руководством доктора Денниса Дишера из Университета Пенсильвании, использующей альтернативный метод тестирования (Engler et al., 2004). Расширение этих результатов и результаты, представленные в этом отчете, имеют практическое значение для изучения клеточных взаимодействий на полиакриламидном субстрате. Известно, что взаимодействия клетка-субстрат влияют на различные клеточные свойства, такие как скорость пролиферации, пути дифференцировки, миграция, адгезия и ремоделирование матрикса. Влияние подложки на эти свойства во многом можно объяснить ее механическими свойствами.

Характеристики.

Механические требования к субстрату соответствуют конкретному типу клеток. Поэтому неизвестные значения концентрационной твердости полиакриламида сильно ограничивают глубину исследовательских возможностей. Основная цель этого проекта — найти надежные цифры, позволяющие количественно оценить механические свойства полиакриламида в широком диапазоне концентраций. Надеемся, что с помощью четырех методов можно будет провести всестороннюю оценку надежности, преимуществ и возможностей метода, что позволит сделать исчерпывающий вывод. Упругие свойства определяются экспериментальными испытаниями, предназначенными для атомно-силовой микроскопии (АСМ), шарикового индентирования, динамической реологии и одноосного растяжения. После краткого введения в соответствующие вопросы, в этой статье обсуждаются экспериментальные процедуры и результаты каждого метода. Эти методы будут сравниваться и анализироваться, чтобы определить диапазон приемлемых значений твердости для конкретных концентраций полиакриламидных гелей. Результаты этого исследования могут установить стандарт состава субстратов полиакриламидного геля, используемых в культуре клеток. 9

Основная информация о полиакриламидных гелях

Предыдущие исследования показали, что клетки по-разному реагируют при выращивании на подложках с разной механической жесткостью. Механические взаимодействия между клеткой и субстратом влияют на ряд клеточных поведений (Benningo et al., 2002). Полиакриламидный гель легко приготовить, и многие эксперты полагают, что он обеспечивает подходящий субстрат для роста клеток, поскольку его можно создать так, чтобы точно имитировать механические свойства натуральной ткани. Исследователи добились больших успехов в прикреплении клеток к субстратам из полиакриламидного геля. Однако оказалось сложно точно оценить клеточные реакции, возникающие в результате механических свойств субстрата, поскольку не существует четкого стандарта для определения его механических свойств. Доктор Ю-Ли Ван и его коллеги попытались определить свойства полиакриламидных гелей, используя метод шариковой насечки. Кроме того, доктор Деннис Дечер и его коллеги оценили сравнение значений механической жесткости нескольких натуральных гелевых и полиакриламидных подложек с помощью АСМ (Энглер, 2004). Были получены убедительные результаты, показывающие сходство между несколькими типами субстратов. Чтобы имитировать окружающую среду и структуру естественных мягких тканей, исследователи создают синтетические полиакриламидные гели со свойствами, аналогичными свойствам здоровых и больных тканей человека. Эти гели образуются путем растворения акриламида и сшитого мономера N,N’-метиленбисакриламида (бис). Химическую структуру мономера акриламида можно увидеть на рисунке 1.

Химическая структура мономера акриламида

Полимеризация в полиакриламидном геле представляет собой реакцию, катализируемую свободными радикалами, в результате которой образуются длинные цепи, связанные ковалентными связями. Полиакриламидные гели обычно помещают между двумя стеклянными пластинами, поскольку кислород действует как поглотитель свободных радикалов и предотвращает полимеризацию ([Guide], 2005).

Помимо простоты изготовления, существует множество преимуществ использования полиакриламидных гелей в качестве структуры для изучения механических свойств на микроскопическом уровне. Механическими свойствами можно легко манипулировать, изменяя концентрацию акриламида и бисакриламида, не вызывая при этом каких-либо изменений в химических свойствах геля.

Благодаря своей мягкой эластичной природе полиакриламидные гели обеспечивают более реалистичную модель физиологической ткани, чем стеклянная или пластиковая поверхность. Этот гелевый материал обладает оптическими свойствами, которые позволяют исследователям получать изображения с высоким разрешением для структурного анализа. Кроме того, некоторые исследования включали внедрение флуоресцентных шариков в гели для дальнейшего анализа механических свойств с разрешением, близким к 2 мкм (Benningo et al., 2002).

Широкий диапазон значений твердости можно получить, просто поддерживая постоянную концентрацию общего акриламида, изменяя при этом концентрацию бисакриламидного сшивающего агента. Предыдущие исследования показали, что очень низкие концентрации бисакриламида вызывают растрескивание поверхности геля, и гель может не полимеризоваться.

Ван и его коллеги ранее показали, что 5-8% смесь геля акриламида/бисакриламида является подходящим каркасом для измерения сил растяжения клеток (Engler et al., 2002). Так же важно

Для полной концентрации компонентов геля с сохранением необходимой густоты.

Толщину геля нельзя рассчитать по объему использованного раствора. Фактическая толщина геля в четыре раза превышает расчетное значение. Это связано с реакцией геля на изменения температуры, осмолярности и гидратации. Поэтому важно следить за испытательной атмосферой и постоянно поддерживать соответствующие условия испытаний при работе с полиакриламидными гелями.

В следующих разделах описаны принципы и методы определения механических и вязкоупругих характеристик полиакриламидных гелей. Шариковый индентирование, атомно-силовая микроскопия и контактно-механическое индентирование Герца являются стандартными методами определения твердости мягких материалов благодаря своей простой методике. Основные принципы.

Следуя принципам механики Герца, значение твердости можно определить с помощью этого простого метода. Доктор Ю-Ли Ван из Медицинской школы Массачусетского университета использовал этот метод для полиакриламида (Pelham and Wang, 1997). Результаты этого эксперимента были в конечном итоге опубликованы в исследовательской статье 2002 года, где была представлена ​​методология (Engler, 2002). В данном исследовании использовались аналогичные методы исследования с небольшими изменениями.

Пробелы, наблюдавшиеся в предыдущем методе исследования, будут проанализированы с целью дальнейшей оценки эффективности методов. Механика Герца обеспечивает основу и математическую теорию вдавливания шариков. Все задачи механики Герца требуют нескольких предположений для математического анализа.

Допущения, принятые во внимание в этом исследовании, заключаются в следующем (Эмиль, 2002): В точке контакта форма обеих контактных поверхностей может быть описана однородным полиномом второго порядка от двух переменных. Обе поверхности идеально гладкие.

Дифференциальные уравнения контактных напряжений и деформаций-напряжений-деформаций однородных тел,

Гармоничный и гибкий в балансе. Давление исчезает на большом расстоянии от площадки контакта. Компоненты касательного напряжения равны нулю на обеих поверхностях внутри и вне зоны контакта. Компоненты нормальных напряжений на обеих поверхностях вне зоны контакта равны нулю. Суммарное давление на область контакта равно силе, сталкивающей два объекта вместе. Расстояние между двумя объектами внутри области равно нулю, но ограничено снаружи области контакта. В отсутствие внешней силы площадь контакта ухудшается до определенной точки. Следуя этим предположениям, математический вывод приводит к уравнению покрытия, используемому для определения значения жесткости основания.

Вывод исходного уравнения можно найти в Приложении 10.3 (Ванг и др., 2002): 2(ν)31 Ps E = (Н/м2). Уравнение dR имеет вид, где E — модуль Юнга, ν — коэффициент излучения s, Ps — сила, приложенная к шару, d — измеренное падение шара, а R — радиус шара. Позже были проведены более продвинутые и локальные исследования с использованием атомно-силовой микроскопии на полиакриламиде. Как и при вдавливании шариком, датчик АСМ опускается на образец и измеряется глубина вдавливания. Однако AFM работает в гораздо меньших масштабах.

Кантилевер, включая коническое углубление на кончике, опускается на образец, а затем кантилевер сгибается. Лазер направляется на кончик кантилевера, а затем отражается на фотодиод. Положение лазера на фотодиоде коррелирует с отклонением кантилевера, что позволяет проводить точные измерения. Доктор Деннис Дишер из Пенсильванского университета — известный исследователь, использующий АСМ в своих исследованиях клеточных субстратов (Discher et al., 2004). создавать

14 Упрощение процесса получения данных с помощью АСМ на совместимой поверхности все еще находится в стадии разработки. Текущая методика описана в отчете Марго Фрей из Вустерского политехнического института (Frey et al., 2005). Конический наконечник АСМ соответствует как конической, так и сферической моделям Герца. Наконечник действует как шар и подчиняется уравнению 2 до определенной глубины углубления.

Тогда следует модель конуса Герца: 2 2Pc (1 v) E = , уравнение 2 2d π tanθ с θ, равным половине угла вершины s, который измеряется с использованием шага решетки функции шага, описанной в AFM будет методология. Рисунок 2: Формирование моделей Герца кончика конуса AFM Следующие уравнения использовались для расчета моделей Герца. Модель Герца шарового наконечника показана ниже:14

(3/2) Фосфор = Бахрейнский динар. Уравнение 3. Величина B определяется по следующему уравнению:

B 4 3 E (1 ν) R / nm (3 / (1/2) 2) = * * (nn), Уравнение 4 2 где R — радиус края, а — коэффициент Пуассона. Методы вдавливания шариком и АСМ измеряют локальные свойства материала. Следующие два раздела описывают принципы двух методов, использованных в этом исследовании для получения объемных свойств полиакриламидных гелей.

Есть надежда, что объединение измерений в обоих масштабах обеспечит полное понимание этого сложного материала. Испытание на одноосное растяжение и эластичность В дополнение к локальному вдавливанию шарика и измерениям АСМ испытание на одноосное растяжение позволяет получить объемные свойства полиакриламидного геля.

Испытание на одноосное растяжение — это прямое механическое измерение, которое отслеживает поведение материала при растяжении в одном направлении. Двумя важными параметрами этого метода являются величина силы на единицу площади и реакция растяжения материала под действием известной силы.

Эти объединенные результаты позволяют построить кривую растяжения и вычислить модуль Юнга для определения твердости материала. Напряжение, приложенное к материалу, можно найти, разделив силу на начальную площадь образца, к которому приложена сила. Напряжение (σ), найденное в уравнении 5, определяется как величина силы на единицу площади: = сила σ. Уравнение 5 начальной площади

Во время приложения давления образец подвергается осевому растяжению и боковому сжатию.

На рис. 3 представлена ​​схема образца, находящегося под растягивающей нагрузкой при одноосных испытаниях. Рисунок 3: Схематическое изображение образца, подвергнутого осевому растяжению и поперечному сжатию во время испытания на одноосное растяжение.

Величина напряжения определяет деформацию тела, когда оно подвергается напряжению. Инженерная деформация определяется как изменение длины, деленное на ее первоначальную длину. Основное уравнение представлено греческой буквой ε (эпсилон), показанной в уравнении 6: ε = длина. Уравнение 6. Начальная длина, показанная на рисунке 3, относительно небольшая, или геометрическое осевое напряжение, отображается как: CC = ‘C ε. Уравнение 7. В прошлом многие исследователи изучали свойства полиакриламидных гелей с использованием метода одноосного растяжения (Pelham and Wang, 1997). Из-за физических свойств геля одной из распространенных проблем при испытаниях на растяжение было его сцепление.

Были разработаны различные конструкции захватов с целью предотвратить скольжение и разрыв образца во время испытаний на растяжение. Одна исследовательская группа использовала скрепки для прикрепления к полиакриламидному гелю. В этом методе вес зажимов использовался для приложения растягивающей силы 16

Сродство к образцу геля (Pelham and Wang, 1997).

Другая группа под руководством Вонга разработала метод, который включал прикрепление кусочков прозрачной пленки клеем к обоим концам образца геля и приложение известных грузов с помощью медной проволоки (Вонг, 2003). Хотя максимальные значения стресса не обсуждались широко в предыдущих исследованиях, важно поддерживать процентное значение стресса в пределах диапазона реакции клеток. Исследование клеточного стресса, проведенное Энглером, показало, что максимальный стресс, создаваемый одной клеткой, составляет около 15-25% (Энглер, 2004).

Исследователи использовали уравнения напряжения-деформации, как упоминалось выше, чтобы найти модуль упругости. Кроме того, с помощью этого метода испытаний можно определить коэффициент Пуассона путем расчета деформации при поперечных и осевых деформациях. Остальные три метода в этом проекте, задействованные в этом исследовании, основаны на точном коэффициенте Пуассона для расчета модуля упругости.

Исследователи использовали коэффициент Пуассона в определенном диапазоне, а не конкретное число: исследовательская группа Энглера нашла коэффициент Пуассона в диапазоне 1, в то время как группа доктора Ванга считала значение 0,3 (Энглер, 2004). Эти значения были получены в результате широкого спектра исследований по набуханию полиакриламидных гелей в 1980-х годах (Geisler, 1980).

Помимо измерения коэффициента Пуассона и модуля Юнга, метод одноосного растяжения можно использовать для определения вязкого поведения материалов. Для исследования вязкоупругого поведения полиакриламидного геля были использованы различные скорости деформации и метод релаксации напряжений с испытаниями на растяжение. Устройство, используемое для этого метода, позволяет изменять скорость деформации, тогда как предыдущие исследователи не исследовали поведение геля при различных скоростях деформации. Ожидается, что значения твердости вязкоупругих материалов будут увеличиваться с увеличением скорости деформации и уменьшаться со временем во время испытаний на релаксацию напряжений. На рисунке 4 показано большинство поведенческих свойств упругих и вязкоупругих материалов.

Время стресса

Рисунок 4: Испытание на релаксацию напряжения: а) Материал в основном эластичен, поскольку напряжение постоянно. б) Материал ведет себя как вязкоупругая жидкость с постоянно уменьшающейся величиной напряжения. Чтобы полностью проанализировать вязкоупругие свойства полиакриламида, была исследована другая теория вязкоупругости с помощью динамических испытаний, включая гармоническое движение. Представленные концепции имеют конкретное применение в технике реологических испытаний, используемой в этом исследовании.

Как упоминалось ранее, полутвердые или вязкоупругие материалы проявляют жидкие и твердые свойства в зависимости от температуры, давления и давления, приложенного с течением времени (Goodwin, 2000). Динамический реометр можно использовать для определения вязкоупругих свойств полиакриламида путем расчета комплексного модуля сдвига при низкочастотной колебательной сдвиговой деформации.

Полиакриламидные гели демонстрируют вязкоупругое поведение благодаря своей сшитой трехмерной сетке и обладают способностью накапливать энергию, а также течь при воздействии небольших деформаций. Реометр прикладывает гармонический колебательный момент к образцу полиакриламидного геля и может измерять выходные движения для расчета вязкоупругости18.

Визуально концепция приложенного напряжения сдвига

Показана результирующая деформация или напряжение сдвига. τ γ δ G * G δ G τ = напряжение сдвига (Па) γ = напряжение сдвига G = модуль упругости (Па) G = модуль потерь (Па) δ = фазовый угол (рад) G* = комплексный модуль Рисунок 5: Это отображает На схеме вязкоупругого материала показаны две противофазные синусоидальные волны: одна представляет напряжение сдвига, а другая — результирующее напряжение сдвига.

Модуль упругости (G) количественно определяет количество упругой энергии в системе, а модуль потерь (G) — это механическая энергия, потерянная из-за вязких сил. Упругая реакция данного геля измеряется модулем упругости (G), который является мерой способности геля сохранять упругую энергию, которая в конечном итоге может быть восстановлена.

Второе измерение, известное как коэффициент потерь (G), определяет количество механической энергии, теряемой в виде тепла из-за вязких сил, действующих на гель. Наконец, соотношение G/G представляет собой тангенс фазового угла между напряжением и сдвигом во время колебательного сдвига (Grattoni, 2001). Фазовый угол определяет степень вязкоупругости данного материала.

У упругих материалов фазовые углы близки к 0 (напряжение сдвига совпадает по фазе с приложенным напряжением сдвига), а вязкие материалы имеют фазовые углы около 90 (напряжение сдвига полностью не в фазе с приложенным напряжением сдвига). Комплексный модуль (G*) известен как вязкоупругий модуль или комплексный модуль и получается из соотношения напряжения и деформации. Эта величина определяет общее сопротивление колебательному сдвигу. 19

Для линейно упругого материала измерение модуля сдвига, полученное с помощью реометра, можно преобразовать в значение модуля упругости с помощью следующего уравнения:

E2(1 + ν) * p =. Уравнение 8 представляет собой значение G*, используемое в расчетах комплексных коэффициентов, упомянутых ранее. Как обсуждалось в разделе об одноосном напряжении, коэффициент Пуассона ( ) представляет собой отрицательное отношение поперечного напряжения к одноосному напряжению при осевой нагрузке. Расчет коэффициента Пуассона получен в результате одноосного испытания полиакриламидных гелей. Исследователи использовали различные реологические методы для определения вязкоупругих свойств полиакриламидных гелей.

Батлер и др. (1998) использовали небольшие ферромагнитные шарики внутри геля для оценки его реологических свойств. Угловое вращение шариков измеряли, когда намагниченные шарики вращались внешним магнитным полем. Батлер и др. сообщили, что трудно интерпретировать вязкость и модуль упругости материала по указанным параметрам. Другие исследования включают использование микробиологии для характеристики свойств полиакриламидных гелей. Дасгупта и его коллеги использовали датчики, встроенные в среду, для оценки локальных вязкоупругих свойств.

Это исследование показало, что квазиупругое светорассеяние, спектроскопия диффузных волн и методы отслеживания частиц на основе видео успешно измеряют свойства полиакриламидных гелей (Dasgupta, 2005). Трудно сравнивать результаты, полученные исследовательской группой Дасгупты, поскольку они использовали совершенно разные концентрации мономера акриламида и бисакриламидного сшивателя для изготовления образцов полиакриламида. Интересно, что группа обнаружила, что методы микрореологии и объемной реологии приводят к одинаковым изменениям модулей упругости и вязкости. Также на местном уровне Schnurr et al. Они использовали технологию лазерной интерферометрии для измерения 20 шариков.

на полиакриламидной подложке

Ограничением этого метода было то, что он не мог обеспечить четкое пространственное и временное разрешение на местном уровне и не мог одновременно измерить большое количество шариков (Dasgupta, 2005). Поскольку оборудования нет, в этом исследовании можно использовать многие из упомянутых выше техник микроперения и бисероплетения. В главе «Реометрическая методология» более подробно описываются испытания на динамическое колебание, выполненные для этого проекта. Важно отметить разницу в шкале измеряемых свойств полиакриламидных гелей.

Подход к проекту Этот проект был уникален тем, что не требовалось проектирования и проверки физических объектов.

Данная работа потребовала разработки метода характеристики вязкоупругих свойств полиакриламидных гелей. Чтобы полностью понять свойства полиакриламидных гелей, необходимо было следовать стратегическому процессу проектирования.

Для изучения механических свойств полиакриламидных гелей необходимо было выбрать методы измерения, определяющие свойства на макро- и микроуровне.

Подход этого исследовательского проекта заключается в использовании различных измерительных систем для определения воспроизводимости и постоянства механических свойств полиакриламидных гелей.

Команда подошла к основному описанию проекта клиента, задав несколько вопросов, чтобы четко определить цели, ограничения и функциональность клиента. Предыдущие исследования с использованием полиакриламидных гелей были тщательно проанализированы и показали, что вязкоупругие свойства материала изучены не так уж и много.

Команда использовала инструменты управления проектами, чтобы прийти к выводу, что для удовлетворения потребностей клиента необходимо несколько методов. Более того, команда решила подойти к проблеме с разных масштабов.

Возможность легкого сравнения с опубликованными значениями и полной оценки содержания. На основе предварительных исследований, бюджетных ограничений и доступности оборудования команда решила использовать четыре метода: вдавливание шариком, атомно-силовую микроскопию (АСМ), испытание на одноосное растяжение и реологию. В кампусе WPI были проведены три метода вдавливания шариком, АСМ и испытание на одноосное растяжение.

Однако команда использовала реометр в компании Malvern Instruments в Саутборо, штат Массачусетс. Методы шарикового вдавливания и АСМ позволяют получить значения твердости в локальном масштабе, а методы испытаний на одноосное растяжение и реометрии измеряют объемные свойства. Используя эти четыре метода, команда надеялась пролить свет на некоторые из 22 методов.

Спорный вопрос касается значений твердости и позволяет лучше понять свойства геля на нескольких уровнях.

4. Проектирование Чтобы правильно сформулировать экспериментальный метод для этого проекта, процесс проектирования описан в учебнике «Инженерное проектирование»:

Затем последовало введение на основе проекта, предложенное Димом и Литтлом (Dym et al., 2004). В следующем разделе будет описан общий процесс, используемый для разработки структуры этого проекта. Попытка разработать новую экспериментальную конструкцию отделяет процесс проектирования этого проекта от типичного процесса проектирования, который включает разработку физического устройства.

Несколько собеседований с клиентами позволили провести первоначальный анализ целей и ограничений проекта. Стремясь получить надежные вязкоупругие свойства от полиакриламидных гелей, в ходе опросов клиентов были определены следующие цели: создать надежные вязкоупругие свойства, оставаться в рамках бюджета проекта, не наносить вред пользователю и быть простым в использовании.

По итогам собеседования был разработан более конкретный список требований для включения в дерево целей и таблицу парного сравнения. Целевое дерево можно увидеть на рисунке 6, а диаграмму парного сравнения можно найти в Приложении. Благодаря этим инструментам стало ясно, что основной целью проекта является поиск воспроизводимых результатов при использовании отдельных методов измерения.

Надежные вязкоупругие свойства недорогих и безопасных полиакриламидных гелей. Простота использования. Анализ ошибок. Максимизация частотного диапазона.

Для реометрии и АСМ максимизируйте количество протестированных концентраций в диапазоне кПа, максимизируйте количество протестированных образцов для каждой концентрации. Доступность E: Дерево целей: этот инструмент проектирования помог команде расставить приоритеты в общих целях проекта.

Конечной целью данного исследования было получение надежных вязкоупругих свойств полиакриламидных гелей. Таблица парного сравнения (PCC) была разослана всем клиентам, включая доктора Биллиарда, доктора Бёрнема, Энджи Трам и Марго Фрей. Эти бенефициары были определены как ключевые заинтересованные стороны соответствующих исследований, поэтому было важно выявить их проблемы. Для сравнения мы также пополнили исследовательскую группу PCC. PCC позволил клиенту и команде оценить уровень важности целей проекта.

Диаграмма PCC выступает в качестве еще одного средства связи между клиентом и командой для оценки и сравнения уровня понимания. Числа 1, 0,5 или 0 обозначают баллы, используемые для ранжирования уровня важности цели. Величина балла указывает на уровень значимости. Если он чувствует, что цель на оси Y более важна, чем цель на оси X, диаграмма работает, помещая в поле 1.

Если он считает, что цель более важна на оси X, это число равно 0. Если он считает, что обе цели одинаково важны, ему следует поместить число 0,5 в белое поле. Ответы наших клиентов и команды показали, что получение повторяемых значений является главным приоритетом. Максимальное количество концентраций и образцов, которое, по первоначальному мнению команды, превышало 25.

Используя эту диаграмму PCC, демонстрируется ошибка критического состояния.

Эта диаграмма PCC очень помогла команде в процессе проектирования добиться ценных и удовлетворительных результатов для своих клиентов. Результаты этого процесса суммированы ниже. Окончательные результаты определялись заказчиками, и основная цель исследования — обеспечить общую надежность методов тестирования, использованных в этом исследовании. В соответствии с этим значением параметры испытаний (такие как диапазон частот) были максимальными. Третьей основной целью, поставленной клиентами, было увеличение количества выполняемых тестов для получения большого объема данных для анализа. Изучив эти документы, исследовательской группе пришлось изменить первоначальную цель работы. Это характеризовалось небольшой разницей в восприятии между клиентами и исследователями. Первоначально целью команды было собрать как можно больше данных в широком диапазоне концентраций полиакриламида. По мере продвижения проекта масштабы проекта сужались, и было обнаружено, что данные для двух конкретных концентраций полиакриламидного геля были более важными, чем другие (8,0% раствор акриламида/0,08% бисакриламида и 5,0% раствор акриламида/0,025% бисакриламида). надежды). Клиенты предположили, что эти концентрации важны, поскольку они часто используются в исследованиях клеточных культур. Доктор Бильярд широко использует эти две концентрации в своей лаборатории. 5%/0,025% представляет собой нормальную здоровую ткань, а 8%/0,08% представляет собой больную или фиброзную ткань. Используя процесс проектирования, команда смогла продемонстрировать важность максимизации количества образцов между этими двумя конкретными концентрациями. Наконец, тестирование меньшего количества отдельных образцов на несколько концентраций не позволило группе получить окончательные результаты. Каждая выбранная технология имеет свои преимущества и недостатки. Команда оценила плюсы и минусы каждого метода, перечисленные в приложении, а также выявила 26.

Цель проекта На ранних этапах процесса проектирования команде пришлось выбрать наиболее подходящий метод измерения вязкоупругих свойств полиакриламидных гелей.

В литературе упоминается множество приборов для измерения вязкоупругих свойств, но они не подходят по разным причинам, в том числе из-за отсутствия оборудования и ограниченного бюджета. Хотя в кампусе WPI был доступен вискозиметр, он не подходил для измерений, необходимых для полиакриламидных гелей. Вискозиметр использует оправку для приложения однонаправленного сдвига к образцу и ограничен вязкими или жидкими образцами. Как и вискозиметр, капиллярная реометрия оказалась неподходящим методом испытаний, поскольку для получения точных результатов образец должен содержать компонент потока. Несколько других методов, которые использовались для характеристики вязкоупругих свойств гелеобразных материалов, включают микрометрию с лазерной ловушкой, клеточную магнитную торсометрию, линейное измерение с пьезоэлектрическим возбуждением и одномерную ультразвуковую эластографию. Все вышеперечисленные методы дают интересные данные, но не могут быть использованы в этом проекте, поскольку оборудование недоступно. В таблице ниже показаны ограничения каждого метода. Ограничения экспериментального метода Прецизионное измерительное оборудование с лазерной ловушкой отсутствует, стоимость оборудования для измерения ячеистого магнитного кручения недоступна, стоимость оборудования для измерения реологии линейной пьезоэлектрической подвижности недоступна, стоимость 1D ультразвукового потока, стоимость 1D необходима тяга, требуется оборудование. Ограничения альтернативных методов. Этот инструмент проектирования помог ограничить возможные экспериментальные методы. 27

Микрометры с лазерной ловушкой измеряют локальные механические свойства с помощью инфракрасной лазерной ловушки и гальванического сканера (Велегол, 2001).

Цитомагнитная торсометрия использует магнитное поле для вращения небольших магнитных шариков в геле и измеряет угловое вращение приложенного крутящего момента, чтобы можно было рассчитать конкретные параметры (Butler, 1998). Пьезоэлектрически стимулированная линейная реометрия имеет преимущество, поскольку в ней используется кантилевер для приложения осциллирующего напряжения сдвига к образцу геля во влажной среде (Parsons, 2002). Наконец, метод ультразвуковой эластографии включает в себя сложную установку преобразователя, который оказывает одноосное сжатие испытуемого образца (Chen, 1996). Наконец, было установлено, что четыре метода атомно-силовой микроскопии, сферическое отпечаток, одноосное растяжение и реология являются наиболее подходящими. В главе о методологии, расположенной ниже настоящего отчета, будут освещены преимущества каждого из этих четырех методов. Для выполнения задач проекта команда создала блок-схему, показывающую возможные способы получения всей необходимой информации для целей проекта. Морфологическая диаграмма используется, чтобы помочь команде оценить методы характеристики свойств полиакриламидных гелей путем отображения средних показателей производительности и проекта. Функции определяют, что должен делать проект, а инструменты описывают возможные способы, с помощью которых команда может выполнить определенные функции. 28

Функция реологического тензиометра с шариковым индентированием AFM позволяет получить одноосный коэффициент натяжения Пуассона.

Методика одноосного сжатия, определение воспроизводимости, метод определения размера шарика для метода шарикового вдавливания, типы пластин между манометрами, типы пластин для измерения реологии, типы кольцевых методов, результаты локального анализа, результаты сравнения АСМ и шарикового индентирования, сравнение реологии и испытание на одноосное растяжение. Определите диапазон надежных значений твердости для заданной концентрации. Используйте конкретные надежные результаты методов АСМ, реологии, вдавливания шарика и методов испытаний на одноосное растяжение для оценки диапазона твердости для определенной концентрации. специфический. Таблица 2: Морфологическая диаграмма, определяющая возможные средства достижения эффективности проекта. После использования этого процесса проектирования мы решили использовать четыре метода: вдавливание шариком, АСМ, испытание на одноосное растяжение и реологию. Все эти методы позволяют определить модуль Юнга полиакриламидных гелей, и каждый из них имеет свои уникальные преимущества. Например, метод испытания на одноосное растяжение позволяет измерить значение коэффициента Пуассона, а методы вдавливания шариком и АСМ позволяют измерить свойства в локальном масштабе. В конечном итоге мы пришли к выводу, что наши клиенты больше заинтересованы в поиске надежной технологии, чем в максимальном увеличении диапазона тестируемых концентраций. 29

Методология. Целью следующей главы является подробное описание экспериментальных методов для четырех методов испытаний, использованных в этом исследовании для определения механических свойств полиакриламидных гелей.

Каждый метод описывается индивидуально с описанием необходимых настроек, шагов, предпринятых для сбора данных, и вычислений, использованных для получения результатов. Источники изменчивости были устранены путем контроля условий окружающей среды (температуры, влажности, смачивания геля) в попытке сохранить последовательность анализа результатов. За этим следили, чтобы обеспечить равномерную концентрацию геля на протяжении всего экспериментального процесса.

Полиакриламидные гели, использованные в этом исследовании, состоят из исходных растворов акриламида и N,N’-метиленбисакриламида.

Оба раствора были получены от Bio-Rad и разбавлены дистиллированной водой и 1 М Hepes (рН 8,5) до соответствующих концентраций: 40% мас./об. для акриламида и 2% мас./об. для бисакриламида. После приготовления хорошо перемешанного раствора по протоколу, описанному в приложении 10.2, смесь необходимо дегазировать для обеспечения адекватной полимеризации. Наконец, к раствору добавляют 10% персульфат аммония и TEMED (N,N,N,N-тетраметилэтилендиамин), чтобы вызвать полимеризацию. После отливки гелей соответствующим методом, который более подробно обсуждается в разделе «Методология» настоящего отчета, гели хранили при 4 ° C в 50 М Hepes (Wang et al., 2002). Первоначальный протокол был предназначен для изготовления гелей толщиной 70 мкм, необходимых для АСМ.

Таким образом, для каждого отдельного метода были необходимы незначительные изменения на этапе полимеризации протокола. Три метода вдавливания шариков, испытание на одноосное растяжение и 30

Реология требует более густых гелей.

Протокол, представленный Wang et al. Было предложено наливать гели между активным предметным стеклом и покровным стеклом. Дегазация раствора и закупорка геля во время полимеризации очень важны, поскольку кислород действует как поглотитель свободных радикалов и предотвращает полимеризацию. Недостаточная полимеризация приводит к нестабильным и неточным механическим свойствам во время испытаний. В попытке устранить источники экспериментальных ошибок полимеризацию гелей проводили между двумя стеклянными пластинами с объемным раствором акриламида/бис. Для камеры требуются две параллельные стеклянные пластины, резиновые пробки, парафильм и агарозный гель. Между стеклянными пластинами помещали две резиновые прокладки, а дно герметизировали 1% агарозным гелем и парафильмом для предотвращения вытекания растворов из камеры. Скрепки использовались для закрытия и герметизации предметных стекол от резиновых прокладок и агарозного геля. Вместо приготовления 5 мл традиционного раствора новая система кристаллизации требовала 180 мл раствора. Размеры зазора между двумя стеклянными пластинами можно увидеть на рисунке 7. Рисунок 7: Метод полимеризации стеклянной пластины: резиновые прокладки по бокам и агарозный гель снизу предотвращали вытекание раствора.

Для обеспечения хорошего перемешивания раствора раствор акриламида помещали на мешалку на пять минут перед дегазацией.

Кроме того, после дегазации раствор еще раз перемешивали и добавляли персульфат аммония и ТЕМЕД. Раствор быстро заливали в зазор между стеклянными пластинами и оставляли застывать на 1 час за счет увеличения объема геля. Полученный лист полиакриламидного геля, показанный на рисунке 8, затем разрезали ножницами на более мелкие образцы геля. Рисунок 8: Лист полиакриламидного геля. Большой лист позволяет изготавливать несколько образцов в одних и тех же условиях с одинаковой толщиной образца. Чтобы удовлетворить конкретные требования четырех методов, в вышеупомянутый протокол были внесены незначительные изменения. Приведенная ниже технологическая методология охватывает эти конкретные изменения и причины, стоящие за ними. Любые изменения в приведенном выше протоколе вносились осторожно, чтобы не повлиять на общие свойства испытанного геля. Вдавливание шарика Целью испытания вдавливания шарика была оценка влияния диаметра шарика на значения относительной твердости. Этот подход основан на пробеле, отмеченном в исследовании, проведенном доктором Вангом. Такое изменение было получено путем проведения экспериментов на трех стальных шариках разного диаметра (0,64 мм, 1 мм и 2 мм). Все остальные компоненты (плотность и полирующие материалы) шаров были нормализованы для исключения экспериментальных переменных.

Инвертированный микроскоп с прикрепленным к нему микрометром использовался для создания различных расстояний в направлении z.

Полиакриламидные гели в различных концентрациях готовили одновременно, чтобы исключить все возможные экспериментальные вариации (комнатные условия и время, предусмотренное для дегазации и полимеризации). Сразу после окончания полимеризации каждый гель погружали в 50 мМ раствор HEPES для поддержания гидратации и непрерывного набухания полиакриламида. В разделе 5.1 представлен подробный протокол приготовления полиакриламида. Одна из модификаций включает увеличение толщины геля до 1,75 мм вместо 3,45 мм, чтобы учесть ограничения микроскопа. Эксперимент потребовал удаления буферного раствора HEPES, чтобы исключить необходимость включения переменных плавучести в расчеты приложенной силы. Из тестируемого геля удаляли только окружающий буферный раствор, так что два других геля оставались влажными. Этот этап выполнялся, позволяя всему раствору свободно стечь с поверхности геля, чтобы обеспечить удовлетворительные условия тестирования, когда на поверхности нет видимой пленки жидкости. Начиная со сферы диаметром 0,64 мм, было проведено по десять измерений на гелях каждой концентрации (0,025,5% и 0,08,8%). После проведения 10 измерений первого геля его снова помещают в 50 мМ HEPES, пока тестируется следующий гель. Наконец, каждый образец геля использовали с каждым из трех шариков. Эффекты высыхания геля до конца не изучены, поэтому на протяжении всего эксперимента поддерживалась постоянная величина, чтобы исключить этот фактор. Из-за высокой вариабельности при ручном измерении точек контакта было проведено несколько измерений. Целью было определить расстояние, на котором нижняя часть шара находилась от верхней поверхности геля в фиксированном диапазоне, состоящем из более чем 20 различных мест из 33.

желе

Первоначально за этот процесс принималось расстояние от верхней поверхности геля до точки, в которой она переставала быть видна при перемещении фокусной точки дальше в гель. После оценки было установлено, что этот метод не обеспечивает точного измерения дна шара. Вместо этого проведенное измерение было связано с дифракцией света через гель и вокруг сферы на поверхности геля. Для решения этой проблемы был применен новый метод измерения. Сначала его фокусировали на поверхности геля и микрометр устанавливали на ноль.

Это было сделано путем фокусировки линзы на поверхностных дефектах геля. Эта часть измерения может во многом объяснить разницу в измеренных значениях отпечатков, поскольку частицы на поверхности геля могут мешать пониманию положения поверхности геля. Важно, чтобы размер поверхности находился на расстоянии не менее одного диаметра от внешнего края шара, чтобы гель мог прилипнуть к поверхности шара. Центр сферы был вторым измерением для определения вертикального положения радиуса сферы. Центр определялся как точка, где идеально круглый луч света наибольшей интенсивности находился вокруг видимого края сферы.

При небольшом перемещении объектива вверх или вниз наблюдалось явное изменение сфокусированного света, что делало это измерение достаточно последовательным и необходимым для учета диапазона фокусировки. Этот диапазон включает стандартное отклонение, наблюдаемое в полученных результатах и ​​в результате изменений, вносимых человеческим глазом. Первоначально этот диапазон составлял 40 мкм, но в ходе обширных испытаний был уменьшен примерно до 20 мкм. Расстояние вдавливания рассчитывали по следующему уравнению, где Ms — вертикальное положение измеряемой поверхности геля, R — известный радиус сферы, а Mc равен 34.