سنتز، تعیین خواص و فلوکولاسیون در پلی اکریل آمید کاتیونی شاخه ای
یک پلی اکریل آمید کاتیونی شاخه ای محلول در آب (BCPAM) با استفاده از پلیمریزاسیون محلول سنتز شد. پلیمریزاسیون با استفاده از دی پریوداتوکپرات پتاسیم، K₅[Cu(HI₆)₂] (Cu(III))، آغاز شد که کوپلیمریزاسیون وینیل خود متراکمِ مونومر اکریل آمید و اکریلوکسی اتیل تری متیل کلرید آمونیوم (DAC) را استارت زد. کوپلیمر حاصل از این فرایند با استفاده از FTIR و NMR ارزیابی شد. خواص فلوکولاسیون آن نیز با آزمایشات استاندارد جار مورد بررسی قرار گرفت. تأثیر غلظت استارتر، غلظت مونومر، دمای واکنش، نسبت جرمی مونومرها بر ویسکوزیته ذاتی و خواص فلوکولاسیون محصول با استفاده از آزمایشات تک عاملی و آزمایشات متعامد تعیین شدند.
فرایند انعقاد و فلوکولاسیون یکی از فرایندهای واحد فیزیکوشیمیایی در تصفیه آب و فاضلاب است. هدف از این فرایند، تبدیل ذرات بزرگتر با کمک مواد شیمیایی به نام منعقد کننده یا فلوکولانت است. فلوکولانت ها ممکن است به صورت آلی، غیر آلی، مولکول های کوچک یا پلیمر باشند. براساس ماهیت یونی، لخته های پلیمری را می توان به دسته های آنیونی، غیریونی و کاتیونی طبقه بندی کرد. در بین فلوکولانت های پلیمری، کاتیون ها خاصیت لخته کنندگی بهتری دارند. فلکولانت های پلیمری کاتیونی کاربرد گسترده ای در تصفیه فاضلاب، به ویژه در آبگیری لجن دارد. در حال حاضر، اکثر فلوکولانت های پلیمری از نوع پلیمرهای خطی هستند. با افزایش وزن مولکولی، ویسکوزیته محلول نیز به سرعت افزایش یافته و همچنین، سنتز و خالص سازی آب را دشوار می کند. پلیمر شاخه ای دارای زنجیره مولکولی منشعب است که سه یا چند بخش از زنجیره را به هم متصل می کند. برای مثال می توان به کوپلیمرهای پیوندی، پلیمرهای ستاره ای شکل، پلیمرهای شانه ای و پلیمرهای دندریتیک اشاره کرد. این پلیمرها در مقایسه با پلیمرهای شاخه ای از ویسکوزیته کمتر و حلالیت بهتری برخوردار هستند و حتی می توانند با سرعت بیشتری در آب پراکنده شوند. سنتز پلی اکریل آمید شاخه ای با استفاده از ظرفیت فوق العاده فلزات انتقال مانند دی پریوداتوکپرات پتاسیم، بعنوان استارتر در محیط قلیایی و قادر به آغاز پلیمریزاسیون اکریل آمید خود متراکم وینیل (SCVP) و سپس پلی اکریل آمید شاخه ای انجام شد. همچنین، اگرچه پلیمریزاسیون وینیل خود متراکم اکریل آمید گزارش شده است اما یعنوان فلوکولانت بکار نرفته است. ما قبلآ سنتز پلی اکریل آمید غیریونی شاخه ای (BNPAM) را گزارش کردیم که خواص فلوکولاسیون بهتری را در سوسپانسیون خاک رس نشان داد اما عملکرد آن در تصفیه فاضلاب خوب نبود. در حال حاضر، یک فلوکولانت کاتیونی شاخه ای ایجاد کردیم که با کمک اکریل آمید (AM) و کلرید اکریلوکسی اتیل تری متیل آمونیوم (DAC) در واکنش به کوپلیمریزاسیون وینیل خود متراکم (SCVCP) سنتز شد. فرایند پلیمریزاسیون با استفاده از دی پریوداتوکپرات پتاسیم بعنوان استارتر انجام شد. پلی اکریل آمید به دست آمده با FTIR و 1H NMR مورد ارزیابی قرار گرفت.
1.مکانیسم واکنش
مکانیسم واکنش آماده سازی پلی اکریل آمید کاتیونی شاخه ای این بود که اکریل آمید (AM) و کلرید اکریلوکسی اتیل تری متیل آمونیوم (DAC) با دی پریوداتوکوپرات پتاسیم آغاز شده و شروع به تراکم کوپلیمریزاسیون وینیل AM و مونومر DAC کرد. SCVCP از اینیمرهای AB* با مونومرهای معمولی بعنوان یک رویکرد آسان در تولید پلیمرهای شاخه ای دارای گروه عامل محسوب می شود زیرا با توجه به ماهیت شیمیایی کومونومر، انواع مختلفی از گروه های عامل را می توان در یک پلیمر گنجاند. همان طور که در شکل زیر بیان شده است، AM در آغاز Cu (III) به صورت اینیمرهای AB* تشکیل شد.
شکل 1:
با افزودن DAC، رادیکال آزاد تشکیل شده می تواند پلیمریزاسیون وینیلِ خود متراکم در AM و DAC را آغاز کرده و سپس، پلی اکریل کاتیونی شاخه ای را تشکیل دهد. روند این واکنش در شکل زیر ارائه شده است.
شکل 2:
2. تعیین خواص
ااف. اسپکتروسکوپی FTIR
در شکل زیر اسپکتروسکوپی FTIR به منظور تعیین ساختار پلی اکریل آمید کاتیونی شاخه ای ارائه شده است.
شکل 3:
پیک جذب در طول موج 1170 cm¯¹ از ارتعاش خمشی گروه های اکسیژن اسیل؛ 1460 cm¯¹ با ارتعاش کششی گروه های آمینو اسیل؛ 1480 cm¯¹ به ارتعاش کششی گروه های متیل؛ 1600 cm¯¹ به ارتعاش خمشی گروه های ایمینو؛ 1660 cm¯¹ به ارتعاش انبساطی گروه های کوبونیل در AM و نهایتآ 2960 cm¯¹ نیز به ارتعاش انبساطی گروه های متیلن مرتبط هستند.
ب. اسپکتروسکوپی NMR یک ساعته (1H NMR)
اسپکتروسکوپی یک ساعتۀ (1H NMR) محلول پلی اکریل آمید کاتیونی شاخه ای در D₂O در شکل بالا نشان داده شده است. باتوجه شکل زیر می توان مشاهده کرد که تغییر شیمیایی اتم های به ترتیب 3.183، 3.716، 4.533، 1.805، 2.338، 1.598، 5.649 و 6.023 ppm بود.
شکل 4:
پیک جذب و تغییر شیمیایی مشخصۀ گروه های NH و NH₂ به ترتیب با اسپکتروسکوپی مادون قرمز و اسپکتروسکوپی NMR یک ساعته بررسی شد. در نتیجه، ساختار پلی اکریل آمید شاخه ای همان چیزی بود که انتظار می رفت.
آزمایشات تک عاملی
به منظور بررسی اثرات غلظت استارترها، غلظت مونومرها، دمای واکنش؛ نسبت مونومرها بر ویسکوزیته ذاتی و عملکرد فلوکولاسیون پلی اکریل آمید کاتیونی شاخه ای یک سری آزمایشات تک عاملی انجام شد.
آزمایشات متعامد
آزمایش متعامد نشان دهندۀ رابطه علّی و معلولی پیچیده بین پارامترهای طراحی و عملکرد است. هدف اصلی از این روش، کشف و بررسی چگونگی تأثیر پارامترهای مختلف طراحی و عوامل محیطی بر عملکرد نهایی محصول یا فرایند در حال طراحی است. آرایه های متعامد طرح های آزمایشی خاصی هستند که برای کمک به کشف اثرات عامل اصلی به آزمایشات تجربی کمتری نیاز دارند. همچنین یک روش علمی برای مطالعۀ تأثیر بسیاری از عوامل متعدد بر خواص مواد محسوب می شود. برای تعیین غلظت استارتر، غلظت مونومر، دمای واکنش، نسبت جرمی مونومرها بر ویسکوزیته ذاتی و خواص فلوکولاسیون از آزمایشات متعامد استفاده شد. در جداول زیر به ترتیب فاکتورها و سطوح آزمایشات تک عاملی، نتایچ سنتز، نتایج آزمایشات جار در تصفیه فاضلاب، و همگی با دوز 20 میلیگرم بر لیتر نشان داده شده است.
جدول 1:
جدول 2:
جدول 3:
نتیجه گیری
در این مقاله، یک پلی اکریل آمید کاتیونی شاخه ای با استفاده از کوپلیمریزاسیون وینیلِ خود متراکم اکریل آمید و مونومر DAC با Cu (III) بعنوان استارتر سنتز شد. اثرات غلظت استارترها و مونومرها، دمای واکنش و نسبت AM به DAC بر ویسکوزیته ذاتی تولید با کمک آزمایشات تک عاملی و متعامد ارزیابی شدند. ساختار شاخه ای آن با استفاده از طیف FTIR و NMR یک ساعته (1HNMR) مشخص شد. علاوه براین، خواص فلوکولاسیون آن نیز با استفاده از آزمایشات جار فاضلاب مورد ارزیابی قرار گرفت. بازدهی حذف COD آن برای فاضلاب 50 درصد یا بیشتر بود. پلی اکریل آمید کاتیونی شاخه ای را می توان بعنوان یک فلوکولانت در تصفیه آب و فاضلاب به کار برد.
