1. ما هو بولي أكريلاميد؟

بولي أكريلاميد (بام)، كيميائيًا، هو بوليمر خطي قابل للذوبان في الماء، يتكون من بلمرة مونومرات الأكريلاميد (أكون) التي تبدأها الجذور الحرة، وله الصيغة الجزيئية (C₃H₅لا)n. يظهر على شكل مادة صلبة زجاجية صلبة في درجة حرارة الغرفة، ولكن في التطبيقات العملية، غالبًا ما نجده بأشكال مثل السوائل الغروانية، واللاتكس، والمسحوق الأبيض، والخرز الشفاف، والرقائق.

يتميز بولي أكريلاميد بمعاملين هيكليين مهمين: الوزن الجزيئي والخصائص الأيونية. بناءً على الوزن الجزيئي، يمكن تقسيمه إلى وزن جزيئي منخفض، ووزن جزيئي متوسط، ووزن جزيئي مرتفع، ووزن جزيئي فائق الارتفاع. بناءً على الخاصية الأيونية، أي خصائص التأين في المحاليل المائية، يمكن تصنيفه إلى أنواع أيونية غير أيونية، وأنيونية، وكاتيونية، وأمفوتيرية. تتميز أنواع بولي أكريلاميد المختلفة بخصائص مميزة نتيجةً للاختلافات الهيكلية، مما يجعلها تتكيف مع مختلف سيناريوهات الاستخدام.

الثاني. خصائص بولي أكريلاميد

(أ) الخصائص الفيزيائية الفريدة

الذوبانية: يذوب في الماء بأي نسبة، مشكلاً محلولاً مائياً متجانساً وشفافاً. هذه الخاصية تجعله ملائماً للغاية في العديد من الحالات التي تتطلب الخلط بالماء. مع ذلك، بعد التخزين طويل الأمد، تنخفض لزوجة المحلول بسبب بطء تحلل البوليمر، خاصةً في ظروف التخزين والنقل السيئة.

اللزوجة: ترتبط لزوجة محلول بولي أكريلاميد المائي ارتباطًا وثيقًا بالتركيز؛ فكلما زاد التركيز، ارتفعت اللزوجة تبعًا لذلك. علاوة على ذلك، عند نفس التركيز، تكون لزوجة محلول بولي أكريلاميد عالي الوزن الجزيئي أعلى نسبيًا. وفي الوقت نفسه، تؤثر قيمة الرقم الهيدروجيني للمحلول على اللزوجة. في المحاليل عالية الرقم الهيدروجيني، تتولد أنيونات الكربوكسيل في الجزيئات نتيجةً للتحلل المائي، وتتمدد السلاسل الجزيئية بفعل التنافر الكهروستاتيكي، مما يزيد من لزوجة المحلول.

التكوُّن: يتميز بولي أكريلاميد عالي الوزن الجزيئي بأداء ممتاز في التكوُّن. تُشكِّل سلاسله الجزيئية جسورًا بين الجسيمات الممتصة ببراعة، رابطةً بذلك بين عدة أو حتى عشرات الجسيمات، مما يُسهِّل تكوين التكوُّن السريع ويُسرِّع بشكل كبير معدل ترسيب الجسيمات. تُمارس الشحنات المحمولة على السلاسل الجزيئية تجاذبًا كهروستاتيكيًا على الجسيمات، كما يُوفِّر طول الجزيئات أداءً جيدًا في الامتزاز ومواقع ارتباط بروابط هيدروجينية. تعمل هذه العوامل معًا لتحسين تأثير التكوُّن بشكل أكبر.

(الثاني) الخصائص الكيميائية الغنية

تفاعل التحلل المائي: يمكن تحويل بولي أكريلاميد إلى بوليمر يحتوي على مجموعات كربوكسيل من خلال تحلل مجموعات الأميد المائي، ويُسمى الناتج بولي أكريلاميد مُتحلل جزئيًا. في الظروف الحمضية، على الرغم من أن تفاعل التحلل المائي يُعزز بالحمض، إلا أن معدله يكون أبطأ بكثير من معدل التحلل المائي القلوي، وعادةً ما يتطلب درجة حرارة أعلى.

تفاعل الهيدروكسي ميثيل: يتفاعل مع الفورمالديهايد لتكوين بولي أكريلاميد هيدروكسي ميثيل. يمكن أن يحدث هذا التفاعل في الظروف الحمضية والقلوية، ولكن معدل التفاعل يكون أسرع في الظروف القلوية. في الظروف الحمضية، بما أن الفورمالديهايد يوجد غالبًا في شكل سلسلة، ينخفض ​​التركيز الفعال، مما يؤدي إلى تباطؤ معدل التفاعل.

تفاعل السلفوميثيل: يُجرى هذا التفاعل في ظروف قلوية، وله طريقتان للتغذية. الأولى هي تفاعل بولي أكريلاميد مباشرةً مع بيسلفيت الصوديوم والفورمالديهايد في ظروف قلوية لإنتاج مشتق أنيوني - بولي أكريلاميد سلفوميثيل؛ والثانية هي إضافة بيسلفيت الصوديوم أولاً إلى محلول بولي أكريلاميد الميثيلي، ثم الحصول على بولي أكريلاميد سلفوميثيل بعد التفاعل الثاني. هذا التفاعل حساس للغاية لقيمة الرقم الهيدروجيني (الرقم الهيدروجيني). عندما تكون قيمة الرقم الهيدروجيني أقل من 10، يكون التفاعل بطيئًا جدًا عند درجة حرارة 70 درجة مئوية؛ وعندما تكون قيمة الرقم الهيدروجيني أكبر من 10، تزداد سرعة التفاعل بشكل ملحوظ.

تفاعل الأمينوميثيل: يُعرف أيضًا باسم تفاعل مانيش، حيث يُمكن للبولي أكريلاميد، وثنائي ميثيل أمين، والفورمالديهايد إنتاج بوليمر ثنائي ميثيل أمين - N - ميثيل بروبينيل أو-فينيلين ديامين من خلال هذا التفاعل. تُعد هذه طريقة شائعة لتحضير بولي أكريلاميد الكاتيوني، ويُمكن للمنتج الناتج، بفضل السلاسل الجانبية للمجموعة النشطة على السلسلة الجزيئية، تحسين معدل تنقية مياه الصرف الصحي عند استخدامه كمُخَلِّط.

تفاعل تحلل هوفمان: يمكن أن يتفاعل بولي أكريلاميد مع الهيبوهاليتات مثل هيبوكلوريت الصوديوم أو هيبوبروميت الصوديوم في ظل الظروف القلوية لتوليد بولي فينيل أمين كاتيوني.

تفاعل التشابك: يُشكّل المحلول المائي للبولي أكريلاميد هلامًا بولي أكريلاميدًا متشابكًا غير قابل للذوبان عند تسخينه في ظروف حمضية. بالإضافة إلى ذلك، يُمكن أن يخضع أيضًا لتفاعلات تشابك مع الجليوكسال، وراتنج اليوريا فورمالدهيد، وراتنج الميلامين، وراتنج الفينول، وغيرها. كما يُمكن أن يخضع المحلول المائي للبولي أكريلاميد المُحلل وكوبوليمر الأكريلاميد لتفاعلات تشابك مع أيونات جسر الهيدروكسيل متعددة النوى الناتجة عن أيونات معدنية عالية التركيز، مثل أملاح الألومنيوم، وأملاح الكروم، وأملاح الزركونيوم، وأملاح المنغنيز، وأملاح التيتانيوم، لتكوين الهلام.

ثالثًا. طرق تحضير بولي أكريلاميد

(I) بلمرة المحاليل المائية

هذه هي أقدم طريقة لإنتاج بولي أكريلاميد، وتتميز بسلامة الإنتاج وفعاليته، وتُعدّ مسارًا إنتاجيًا هامًا له. بتغيير ظروف التفاعل، مثل نظام البادئ، وقيمة الرقم الهيدروجيني للوسط، ونوع المواد المضافة وجرعتها، والمذيب، ودرجة حرارة البلمرة، يمكن استكشاف تأثير ذلك على خصائص تفاعل البلمرة وخصائص المنتج. ومع ذلك، نظرًا لاستخدام الماء كمذيب، يكون محتوى الشوائب في النظام منخفضًا، وثابت نقل سلسلة المونومرات في المحلول المائي منخفضًا، ومحدودًا بظروف العملية، كما يكون محتوى المواد الصلبة في نواتج البلمرة في المحلول المائي منخفضًا، ويميل تفاعل الإيميد إلى تكوين الهلام، مما يُصعّب الحصول على بولي أكريلاميد ذي وزن جزيئي نسبي مرتفع.

(الثاني) البلمرة بالترسيب

عندما لا يذوب البوليمر الناتج في مذيبات مثل الأسيتون والإيثانول، يترسب البوليمر باستمرار من المحلول أثناء التفاعل، ومن هنا جاءت تسمية هذه الطريقة. يتميز بولي أكريلاميد المُحضر بهذه الطريقة بوزن جزيئي مرتفع نسبيًا وتجانس جيد.

(الثالث) بلمرة التشتت

بلمرة التشتت هي نوع من بلمرة الجذور الحرة، ذات سلوك حركي مشابه للبلمرة السائبة، ويمكن اعتبارها نوعًا خاصًا من بلمرة الترسيب. يقوم مبدأها على تشتيت المونومرات في الماء لتكوين محلول مائي بتركيز معين، ثم إضافة بادئ للبلمرة. أثناء عملية البلمرة، تذوب المونومرات المُبلمرة مسبقًا والبادئ في وسط التفاعل لتكوين نظام متجانس؛ يترسب البوليمر الناتج لأنه يصعب ذوبانه في وسط التفاعل، ويتكتل البوليمر المترسب مع بعضه البعض، وتحت تأثير مُثبِّت، يعلق بثبات في محلول التفاعل على شكل جسيمات دقيقة، مُشكِّلًا تشتتًا غير متجانس. يتميز نظام بلمرة التشتت هذا بمحتوى صلب عالي، ولزوجة منخفضة، وثبات قص جيد.

رابعًا. مجالات استخدام بولي أكريلاميد

(أ) مجال معالجة المياه

معالجة المياه الخام: في عملية معالجة المياه الخام، يُستخدم بولي أكريلاميد مع الكربون المنشط ومواد أخرى لتخثر وتصفية الجسيمات العالقة في المياه المنزلية. وبالمقارنة مع المواد المُركّبة غير العضوية، يُمكن أن يُحسّن استخدام بولي أكريلاميد المُركّب العضوي قدرة تنقية المياه بأكثر من 20% حتى دون تعديل خزان الترسيب.

معالجة مياه الصرف الصحي: يلعب بولي أكريلاميد دورًا هامًا في معالجة مياه الصرف الصحي. فهو لا يزيد من معدل إعادة استخدام المياه المُعاد تدويرها فحسب، بل يُستخدم أيضًا كعامل لتجفيف الحمأة. علاوة على ذلك، عند استخدامه مع المُركّبات غير العضوية، يُحسّن جودة المياه بشكل ملحوظ ويُقلّل من جرعة المُركّبات. في الوقت نفسه، تتميز المُركّبات المُكوّنة من بولي أكريلاميد بقوة عالية وأداء ترسيب ممتاز، مما يُحسّن بشكل فعال سرعة فصل المواد الصلبة عن السائلة ويُسهّل تجفيف الحمأة.

معالجة المياه الصناعية: يُعدّ بولي أكريلاميد عاملًا مهمًا في معالجة المياه الصناعية. يُمكن استخدامه لتقليل جرعة المُركّبات غير العضوية بشكل كبير، ومنع ترسب المواد غير العضوية على سطح المعدات، مما يُبطئ تآكلها وتكلسها. تشير التقارير إلى أن 37% من إجمالي إنتاج بولي أكريلاميد العالمي يُستخدم في معالجة مياه الصرف الصحي، وأهميته في مجال معالجة المياه واضحة.

(الثاني) حقل استخراج النفط

بولي أكريلاميد عامل معالجة كيميائية متعدد الاستخدامات في حقول النفط، ويُستخدم على نطاق واسع في العديد من عمليات استخراج النفط، مثل الحفر، وتدعيم الآبار، وإكمال الآبار، وإصلاح الآبار، والتكسير، والتحميض، وحقن الماء، وسد الآبار، والتحكم في التشكيل، واستخلاص النفط في المرحلة الثالثة. يتميز محلوله المائي بلزوجة عالية وتأثيرات ممتازة في التكثيف والتخثر والتعديل الريولوجي. في المراحل المتوسطة والمتأخرة من استخراج النفط، ولتحسين استخلاصه، تُشجع الصين بشكل رئيسي تقنيات غمر البوليمر وغمر ASP (القلوي - السطحي - البوليمر). من خلال حقن محلول بولي أكريلاميد المائي، يمكن تحسين نسبة تدفق الزيت إلى الماء، وزيادة محتوى النفط الخام في السائل المُنتج. يمكن أن تُعزز إضافة بولي أكريلاميد في مرحلة الاستخلاص الثالث سعة إزاحة الزيت، وتمنع اختراق طبقة الزيت، وبالتالي تُحسّن معدل استخلاص مكمن النفط. تُعد صناعة النفط في الصين أكبر مُستخدم للبولي أكريلاميد.

(الثالث) مجال صناعة الورق

في مجال صناعة الورق، يُستخدم البولي أكريلاميد على نطاق واسع كعامل مساعد للاحتفاظ بالورق، وعامل تصريف، وعامل توحيد. يُمكنه تحسين جودة الورق، وتحسين أداء إزالة الماء من اللب، وزيادة معدل الاحتفاظ بالألياف الدقيقة والحشوات، وتقليل استهلاك المواد الخام والتلوث البيئي. كما يُمكنه، كمشتت، تحسين توحيد الورق. ويتجلى استخدام البولي أكريلاميد في صناعة الورق بشكل رئيسي في جانبين: الأول هو تحسين معدل الاحتفاظ بالحشوات والأصباغ، وما إلى ذلك، مما يقلل من فقدان المواد الخام والتلوث البيئي؛ والثاني هو تعزيز متانة الورق، بما في ذلك مقاومته للجفاف والرطوبة. وفي الوقت نفسه، يُمكن أن يُحسّن استخدام البولي أكريلاميد أيضًا من مقاومة التمزق ومسامية الورق، ويعزز الأداء البصري والطباعي للورق، ويُستخدم أيضًا في ورق تغليف الأطعمة والشاي.

(الرابع) مجالات أخرى

صناعة النسيج: يمكن استخدام بولي أكريلاميد كعامل تحديد حجم النسيج، مع أداء تحديد حجم مستقر، وفقدان أقل في الحجم، مما يمكن أن يقلل بشكل فعال من معدل كسر الأقمشة ويجعل سطح القماش أملسًا.

المواد الطبية: يُستخدم جل بولي أكريلاميد في تصنيع مواد التحبيب غير البروثرومبينية، واللوازم الجراحية، والمواد الخام للعدسات اللاصقة، ومواد الطلاء الخارجي للكبسولات الدقيقة، وغيرها، كما يُستخدم في صناعة سدادات وقف النزيف عالية الجودة، والفوط الصحية النسائية، وحفاضات الأطفال. يُستخدم بولي أكريلاميد ذو الحجم الجسيمي المناسب كحشوة كروماتوغرافية لفصل وتحلية وتركيز البروتينات والمواد الأخرى.

صناعة الأغذية: في إنتاج سكر القصب وسكر البنجر، يُستخدم بولي أكريلاميد لتنقية العصير واستخلاص الشراب بالتعويم. كما يُستخدم في تخثر وتنقية مرق التخمير الإنزيمي، وفي استعادة بروتين العلف. ولا يُؤثر مسحوق البروتين المُستعاد سلبًا على معدلات بقاء الدجاج، وزيادة وزنه، وإنتاجه للبيض.

صناعة البناء: يمكن أن يلعب البولي أكريلاميد دورًا في سد المياه لمواد الحقن المدني، وتحسين جودة الأسمنت في صناعة مواد البناء، ومواد اللصق في البناء، وإصلاح المفاصل، وعوامل سد المياه.

تحسين التربة: يُحسّن بولي أكريلاميد قدرة التربة على مقاومة التعرية الريحية والمائية، وله تطبيقات قيّمة في تحسين التربة. كما يُستخدم أيضًا في المواد الماصة للماء في حفاضات الأطفال.