De productie van polyacrylamide bestaat uit twee hoofdstappen:
Monomeerproductietechnologie: Bij de productie van acrylamidemonomeer wordt acrylonitril als grondstof gebruikt. Onder invloed van een katalysator ondergaat het acrylonitril hydratatie, waardoor een ruw acrylamideproduct ontstaat. Na snelle verdamping en zuivering wordt geraffineerd acrylamidemonomeer verkregen; dit monomeer dient als primaire grondstof voor de productie van polyacrylamide.
Acrylonitril + (water/katalysator) → Hydratatie → Ruw acrylamide → Flitsverdamping → Zuivering → Geraffineerd acrylamide.
Gebaseerd op de historische evolutie van katalysatoren, heeft de monomeerproductietechnologie zich door drie verschillende generaties heen ontwikkeld:
De eerste generatie maakte gebruik van zwavelzuur-gekatalyseerde hydratatietechnologie. De nadelen van deze methode waren onder meer lage acrylonitrilconversiepercentages, lage opbrengsten aan acrylamideproducten en de vorming van talrijke bijproducten, die een aanzienlijke last op het daaropvolgende zuiveringsproces legden. Bovendien waren de apparatuurkosten vanwege de sterke corrosiviteit van de zwavelzuurkatalysator hoog, waardoor de totale productiekosten toenamen. De tweede generatie maakte gebruik van binaire of ternaire skeletkoperkatalysatoren. Het nadeel van deze technologie was de introductie van koperionen-die het polymerisatieproces-in het eindproduct verstoren, waardoor de kosten die gepaard gaan met stroomafwaartse zuivering en na-verwerking toenemen. De derde generatie maakt gebruik van microbiële nitrilhydratase-katalysetechnologie. Deze technologie werkt onder milde reactieomstandigheden-specifiek bij omgevingstemperatuur en atmosferische druk-en wordt gekenmerkt door hoge selectiviteit, hoge opbrengst en hoge katalytische activiteit. Het conversiepercentage van acrylonitril kan oplopen tot 100%, waardoor een volledige reactie wordt gegarandeerd zonder dat er bij-bijproducten of onzuiverheden ontstaan. Het resulterende acrylamideproduct bevat geen koperionen; er zijn dus geen ionenuitwisselingsprocedures nodig om koperionen te verwijderen die tijdens de productie worden gegenereerd, wat de algehele processtroom aanzienlijk vereenvoudigt. Bovendien geeft gaschromatografische analyse aan dat het acrylamideproduct vrijwel geen resterend vrij acrylonitril bevat, wat een hoge mate van zuiverheid aantoont. Dit maakt het bijzonder geschikt voor de bereiding van ultra-polyacrylamide met een hoog molecuulgewicht, evenals het niet-giftige polyacrylamide dat nodig is voor de voedingsindustrie.
Wat betreft de technologie voor de productie van acrylamidemonomeer via microbiële katalyse: Japan was de eerste die in 1985 een commerciële fabriek opzette,-in het bijzonder een fabriek van 6.000-ton-per-jaar (t/a)-. Vervolgens beheerste Rusland deze technologie ook; in de jaren negentig hebben zowel Japan als Rusland achtereenvolgens grootschalige -schaalfaciliteiten van tien-duizendton- ton- in gebruik genomen voor de microbiële-gekatalyseerde productie van acrylamide. Na Japan en Rusland is ons land het derde ter wereld dat over deze technologie beschikt. De activiteit van de microbiële katalysator bedraagt 2.857 internationale biochemische eenheden, een niveau dat de mondiale normen heeft bereikt. De technologie van ons land voor de microbiële-gekatalyseerde productie van acrylamidemonomeren werd ontwikkeld en voltooid door het Shanghai Pesticide Research Institute in de loop van drie opeenvolgende vijf-jarenplannen: het 'zevende', 'achtste' en 'negende' plan. De microbiële katalysator-nitrilhydratase-werd voor het eerst onderzocht in 1990; het was afgeleid van nitrilhydratase verkregen via zaadkweek, waarbij gebruik werd gemaakt van 163 bacteriestammen die waren geïsoleerd uit de grond aan de voet van de berg Tai en 145 stammen die waren geïsoleerd uit de grond in Wuxi. Deze katalysator werd aangeduid met de code "Nocardia-163." Deze technologie is sindsdien met succes commercieel in gebruik genomen in Rugao (Jiangsu), Nanchang (Jiangxi), het Shengli-olieveld en Wanquan (Hebei). De resulterende producten zijn van superieure kwaliteit en voldoen aan de specifieke kwaliteitscriteria die vereist zijn voor de productie van polyacrylamide met ultrahoog relatief molecuulgewicht. Deze prestatie betekent dat de technologie van ons land voor de microbieel gekatalyseerde productie van acrylamide een geavanceerd internationaal niveau heeft bereikt.
Polymerisatietechnologie: Bij de productie van polyacrylamide wordt als grondstof een waterige oplossing van acrylamidemonomeren gebruikt. Onder invloed van een initiator vindt een polymerisatiereactie plaats. Na voltooiing van de reactie ondergaan de resulterende polyacrylamidegelblokken een reeks verwerkingsstappen-snijden, granuleren, drogen en verpulveren- om het uiteindelijke polyacrylamideproduct op te leveren. De cruciale stap in dit proces is de polymerisatiereactie zelf; tijdens de daaropvolgende verwerkingsfasen moet bijzondere aandacht worden besteed aan het voorkomen van mechanische afbraak, thermische afbraak en verknoping om ervoor te zorgen dat het polyacrylamide zijn beoogde relatieve molecuulgewicht en wateroplosbaarheid behoudt.
Acrylamide + water (initiator/polymerisatie) → Polyacrylamide gelblokken → Granulatie → Drogen → Verpulveren → Polyacrylamideproduct
De technologie voor de productie van polyacrylamide in ons land heeft zich doorgaans in drie verschillende fasen ontwikkeld:
De eerste fase omvatte de vroegste toepassing van "panpolymerisatie". Bij deze methode werd de grondig gemengde polymerisatiereactieoplossing in roestvrijstalen bakken gegoten. Deze trays werden vervolgens in een temperatuurgecontroleerde droogoven geduwd. Na enkele uren polymeriseren werden de bakjes uit de oven gehaald; de polyacrylamidegel werd in reepjes gesneden met behulp van een guillotinesnijder, in een vleesmolen gevoerd voor granulatie, gedroogd in een oven en uiteindelijk verpulverd om het eindproduct te produceren. Dit hele proces werd uitgevoerd in de stijl van een traditionele handmatige werkplaats. De tweede fase omvat het gebruik van een kneder: de voor-gemengde polymerisatiereactieoplossing wordt in de kneder geplaatst en verwarmd. Zodra de polymerisatie begint, wordt de kneder geactiveerd, waardoor het kneden en de polymerisatie gelijktijdig kunnen plaatsvinden. Tegen de tijd dat de polymerisatie voltooid is, is de granulatie ook grotendeels voltooid; het afgevoerde materiaal wordt vervolgens gedroogd en verpulverd om het eindproduct op te leveren.
De derde fase ontstond eind jaren tachtig met de ontwikkeling van het conische reactorpolymerisatieproces. Deze technologie werd met succes getest door het Vijfde Onderzoeksinstituut van het Ministerie van Nucleaire Industrie in de chemische fabriek van Jiangdu in de provincie Jiangsu. Dit proces omvat een roterend granulatieblad dat zich aan de onderkant van de conische reactor bevindt; Terwijl het polymeer wordt geëxtrudeerd, wordt het tegelijkertijd tot korrels gevormd. Het materiaal wordt vervolgens gedroogd met behulp van een roterende trommeldroger en verpulverd om het eindproduct te produceren.
Om te voorkomen dat polyacrylamidegelblokken zich aan de binnenwanden van de polymerisatiereactor hechten, wordt bij sommige technieken gebruik gemaakt van coatings gemaakt van op fluor{0}} of silicium- gebaseerde polymeerverbindingen die op de binnenkant van de reactor worden aangebracht. Deze coatings zijn echter gevoelig voor loslaten tijdens het productieproces, waardoor het polyacrylamideproduct wordt verontreinigd.
Er zijn ook ontwerpen die gebruik maken van draaibare conische reactoren; zodra de polymerisatiereactie voltooid is, wordt de reactor omgekeerd om de polyacrylamidegelblokken te ontladen. Bovendien bestaan er variaties met betrekking tot granulatiemethoden (waaronder mechanische granulatie, snijgranulatie en natte granulatie-dat wil zeggen granulatie in een dispersiemedium), droogmethoden (zoals door-rotatiedrogen of trillend wervelbeddrogen) en verpulveringstechnieken. Hoewel sommige van deze verschillen voortkomen uit variaties in de kwaliteit van de apparatuur, weerspiegelen andere verschillen in de specifieke operationele benaderingen die worden gevolgd. In grote lijnen verschuift de heersende trend in de polymerisatietechnologie naar het gebruik van vaste conische reactoren in combinatie met vibrerende wervelbeddroogtechnologie.
Naast de bovengenoemde eenheidsbewerkingen vertoont de polyacrylamideproductietechnologie aanzienlijke variaties in de procesformulering. Specifiek met betrekking tot de initiatiestap wordt onderscheid gemaakt tussen het "pre-alkali co-hydrolyse" proces en het "post-alkali post-hydrolyse" proces. Elke methode heeft zijn eigen voor- en nadelen: het pre-alkali-co-hydrolyseproces is procedureel eenvoudiger, maar brengt uitdagingen met zich mee die te maken hebben met de warmteoverdracht tijdens hydrolyse,-in het bijzonder, de neiging tot verknoping- en een aanzienlijk verlies aan relatieve moleculaire massa. Omgekeerd geldt dat, hoewel het post-alkali-post-hydrolyseproces een complexere procedure omvat, het een uniforme hydrolyse garandeert, het risico op verknoping-minimaliseert en resulteert in een verwaarloosbaar verlies van de relatieve molecuulmassa van het product.
In mijn land vallen de initiatoren die worden gebruikt voor polyacrylamidepolymerisatie doorgaans in drie categorieën: anorganische initiatoren, organische initiatoren en gemengde anorganische-organische systemen. (1) Peroxiden
Peroxiden worden grofweg ingedeeld in anorganische peroxiden en organische peroxiden. Anorganische peroxiden omvatten kaliumperoxydisulfaat, ammoniumperoxydisulfaat, natriumperbromaat en waterstofperoxide. Organische peroxiden omvatten benzoylperoxide, lauroylperoxide en tert-butylhydroperoxide. De reductiemiddelen die doorgaans met deze peroxiden gepaard gaan, omvatten ferrosulfaat, ferrochloride, natriummetabisulfiet en natriumthiosulfaat.
(2) Azoverbindingen
Voorbeelden zijn onder meer azobisisobutyronitril (AIBN), azobis(dimethylvaleronitril), natriumazobis(cyanovaleraat) en de reeks azoamidinezouten die in de jaren tachtig zijn ontwikkeld-zoals azo-N-gesubstitueerde amidinopropaanhydrochloriden. Deze vertegenwoordigen een klasse producten die het onderwerp zijn geweest van een intense concurrentieontwikkeling. Ze worden doorgaans toegevoegd in concentraties variërend van 0,005 tot 1 deel per 10.000; ze vertonen een hoge katalytische efficiëntie, vergemakkelijken de productie van polymeren met een hoge relatieve molecuulmassa en zijn in water-oplosbaar, waardoor ze gemakkelijk te gebruiken zijn.
Omgekeerde suspensiepolymerisatie: Polyacrylamide is een van de industrieel meest significante organische polymere vlokmiddelen. Industrieel wordt polyacrylamide doorgaans geproduceerd met behulp van de waterige oplossingsmethode of de omgekeerde suspensiepolymerisatiemethode. De volgende sectie schetst het proces voor het produceren van polyacrylamide via omgekeerde suspensiepolymerisatie.
Inverse suspensiepolymerisatie is momenteel de meest gebruikte en technologisch volwassen methode voor het vervaardigen van polyacrylamide (PAM) microsferen. Het proces omvat het gebruik van krachtig roeren om een monomeer (of een mengsel van monomeren) te dispergeren in een continu medium (meestal een organisch oplosmiddel), waardoor fijne druppeltjes worden gevormd. Vervolgens wordt de polymerisatie geïnitieerd tussen de monomeren, initiatoren, organisch oplosmiddel en dispersiestabilisatoren. Na voltooiing van de polymerisatiereactie ondergaat het product azeotrope dehydratie, scheiding en droging, waardoor een deeltjesvormig product ontstaat. Producten verkregen via inverse suspensiepolymerisatie hebben doorgaans een vastestofgehalte van meer dan 90%, een polymerisatieconversiepercentage van meer dan 95% en een restmonomeergehalte van minder dan 0,5%; de deeltjesgrootte van het product varieert van 10 tot 500 micrometer, en het product vertoont een uitstekende oplosbaarheid in water.
Deze methode is zeer geschikt voor implementatie op industriële-schaal vanwege het eenvoudige proces, de gemakkelijke bediening, de gemakkelijke afvoer van polymerisatiewarmte en het gemak waarmee het polymeer kan worden gescheiden, gewassen en gedroogd; bovendien wordt het resulterende product gekenmerkt door zijn zuiverheid, uniformiteit en stabiliteit. Inverse suspensiepolymerisatie wordt echter geconfronteerd met verschillende uitdagingen bij de industriële productie. De belangrijkste hiervan is de hoge gevoeligheid voor roersnelheid, wat vaak leidt tot coalescentie van deeltjes en gelvorming. Bovendien heeft het systeem de neiging onstabiel te zijn tijdens azeotropische destillatie, en wordt het proces gekenmerkt door langere ontwateringstijden. Bovendien hebben factoren zoals een brede verdeling van de deeltjesgrootte van het product, het uitgebreide gebruik van organische oplosmiddelen, veiligheidsproblemen met betrekking tot productiewerkzaamheden en buitensporig hoge polymerisatiekosten er gezamenlijk toe geleid dat de omgekeerde suspensiepolymerisatiemethode zelden in eigen land wordt gebruikt voor de productie van polyacrylamide.
