Справочная информация о реагентах

Синтетические полиэлектролиты

Синтетические полиэлектролиты широко применяются в технологиях очистки питьевой воды. Методы физико-химической очистки, основанные на использовании синтетических полиэлектролитов, не имеют альтернативы с технологических и гигиенических позиций благодаря высокой эффективности, относительной простоте, универсальности и надежности.

К синтетическим полиэлектролитам относятся высокомолекулярные полимерные соединения, растворимые и диссоциирующие в воде на ионы. При диссоциации молекулы полиэлектролита образуется один сложный высокомолекулярный поливалентный ион и большое количество простых ионов с низкой валентностью. По знаку заряда высокомолекулярного иона различают анионные (иногда так же выделяют неионные - с низким анионным зарядом), катионные и амфотерные (анионно-катионные) полиэлектролиты.

По назначению синтетические полиэлектролиты разделяются на коагулянты и флокулянты.

• Коагулянты — это полиэлектролиты, приводящие к агрегации взвешенных частиц за счет нейтрализации заряда и химического связывания. В результате применения коагулянтов происходит дестабилизация коллоидной суспензии и образование микрохлопьев.
• Флокулянты - это полиэлектролиты, способствующие образованию агрегатов за счет объединения нескольких частиц через макромолекулы адсорбированного или химически связанного полимера. Большая молекулярная масса флокулянтов способствует образованию мостиков между микрохлопьями и формированию макрохлопьев.

Полимерные коагулянты и флокулянты применяются для очистки природных вод от взвешенных и коллоидно-дисперсных веществ. При этом одновременно снижаются: цветность, запахи, привкусы и микробная загрязненность воды.

Эффективность очистки воды синтетическими электролитами зависит от ряда факторов: природы и количества добавляемого полимера, его молекулярной массы и заряда, условий введения реагента, концентрации взвешенных веществ и их физико-химических характеристик, рН, температуры, электропроводности воды и др.

Природа полимера. Наиболее эффективны синтетические полиэлектролиты с высокой степенью полимеризации и большой молекулярной массой. Большей эффективностью обладают полиэлектролиты с вытянутой молекулой (линейные полимеры).

Доза полимера. Коагулирующее или флокулирующее действие реагента проявляется при определенном соотношении между его концентрацией и содержанием взвешенных твердых частиц. Обычно область эффективной стабилизации и флокуляции дисперсий соответствует содержанию полимера в количестве 0,4-2% от веса твердой фазы (оптимальная доза). Большая доза высокомолекулярного полимера препятствует агрегации, повышая устойчивость суспензий.

Молекулярная масса. Флокулирующая способность неионных полимеров и одноименно заряженных полиэлектролитов, как правило, возрастает с увеличением степени их полимеризации, что приводит к уменьшению оптимальной дозы реагента. Для синтетических катионных коагулянтов, заряженных противоположно взвешенным частицам, молекулярная масса играет меньшую роль и эффективность их действия, в первую очередь, зависит от величины заряда.

Концентрация дисперсной фазы, размер и природа частиц. В разбавленных растворах между концентрацией твердой фазы и количеством полимера, вызывающим максимальную коагуляцию/флокуляцию, существует прямо пропорциональная зависимость. Частицы, имеющие размер менее 50 mm, флокулируются наиболее эффективно. Для агрегации взвешенных веществ органического происхождения требуются катионные реагенты, а для неорганических взвесей - анионные.

рН и температура воды. Гидролиз и ионный заряд полимера напрямую зависят от рН и температуры. Анионные реагенты более эффективны в щелочной среде, а неионные и умеренно катионные полимеры - в кислой среде. При низкой температуре воды процесс агрегации частиц с помощью синтетических полиэлектролитов ухудшается.

Синтетические органические высокомолекулярные коагулянты могут применяться совместно с неорганическими коагулянтами (соли алюминия и железа) или, что характерно для современных технологий очистки воды, в качестве самостоятельных, основных реагентов.
По сравнению с неорганическими коагулянтами полимерные коагулянты обладают следующими преимуществами:

• обеспечивают агрегацию частиц при значительно меньших дозах реагента;
• эффективны в широком диапазоне рН очищаемой воды;
• увеличивают скорость разделения жидкой и твердой фаз;
• не изменяют рН очищенной воды;
• минимизируют объем легко обезвоживаемого осадка;
• не добавляют в очищаемую воду ионов металлов;
• более эффективны для устранения вирусов, цист простейших и одноклеточных водорослей.

Синтетические органические высокомолекулярные флокулянты применяются для увеличения эффекта очистки воды после ее коагуляции неорганическими или органическими коагулянтами.
Флокулянты позволяют:

• увеличить скорость захвата взвешенных частиц;
• ускорить процесс образования макрохлопьев и увеличить их плотность;
• уменьшить оптимальную дозу коагулянта;
• увеличить производительность, эффективность и срок службы фильтров для очистки воды;
• минимизировать расходы и трудоемкость, связанные с удалением осадков.

Классификация синтетических полиэлектролитов

В практике очистки воды используются реагенты, подавляющее большинство которых относится к следующим четырем группам соединений:

• полиамины (полиэпихлоргидриндиметиламины, полиЭПИ-ДМА);
• полидиаллилдиметиламмоний хлориды (полиДАДМАХи);
• полиакриламиды (ПАА);
• смеси (сополимеры).

Полиамины и полиДАДМАХи характеризуются очень высоким катионным зарядом при относительно невысокой молекулярной массе, что определяет их использование в качестве коагулянтов при очистке питьевой воды. Полиакриламиды представлены в неионной, анионной и катионной форме, имеют молекулярную массу от 1 до 20 млн. и применяются в качестве флокулянтов.

Полиамины (полиЭПИ-ДМА)

Полимеры на основе эпихлоргидриндиметиламина производятся путем реакции конденсации первичных или вторичных аминов с эпихлоргидрином:

Эмпирическая формула (CaHbNcOdCle)n, где а, b, с, d и е-переменные, определяемые используемыми реагентами и их молярным соотношением.

Реагент представляет собой водный раствор в форме вязкой жидкости, с содержанием активного вещества от 30 до 50%. Продукт смешивается с водой при любых концентрациях (пропорциях). Молекулярная масса от 10 тыс. до 1 млн. Катионный заряд расположен на главной цепи. Вязкость 50%-ного раствора от 40 до 20000 сПз.

Полидиаллилдиметиламмоний хлорид (полиДАДМАХ)

Реагент полиДАДМАХ синтезируется из аллилхлорида и диметиламина:

Полимеризация происходит циклическим путем с образованием следующей структуры:

Эмпирическая формула: -(C8H16NCl)n-. Реагент может быть представлен в виде порошка или в жидкой форме с концентрацией активного вещества от 10 до 40 масс. %. Молекулярная масса от 10 тыс. до 1 млн. Катионный заряд расположен на вторичной цепи. Вязкость 40 %-ного раствора от 1000 до 300000 сПз.

Полиакриламиды (ПАА)

Неионные ПАА. Представляют собой акриламидные гомополимеры, получаемые путем полимеризации мономера акриламида:

Эмпирическая формула: -(C3H5NO) х -, где: х - переменная в зависимости от продукта. Производится в виде гранул или порошка. Молекулярная масса 1-20 млн. Плотность заряда нулевая, т.е. полимер не имеет ни положительного, ни отрицательного электрического заряда.

Анионные ПАА. Эти флокулянты получаются путем сополимеризации мономеров акриламида и акрилата натрия в различных пропорциях:

Эмпирическая формула: -(C3H5NO) х (-С3Н3О2А)у, где: А - положительный ион; х и у - переменные в зависимости от продукта. Производится в виде геля, гранул или порошка. Молекулярная масса 1-30 млн. Имеет отрицательный заряд с плотностью от 1 до 50%.

Катионные ПАА. Эти реагенты получают путем сополимеризации акриламида и катионного акрилового мономера. Наиболее часто для этой цели используются следующие катионные мономеры:

• (2-акриламидоэтил) N-метил, N-диэтиламмоний метилсульфат;
• (2-акриламидоэтил) N-метил, N-диэтиламмоний хлорид;
• (2-акриламидоэтил) триметиламмоний хлорид;
• (2-акриламидоэтил) триметиламмоний метилсульфат;
• (2-метакриламидоэтил) триметиламмоний хлорид;
• (2-метакриламидоэтил) триметиламмоний метилсульфат;
• (2-метакриламидпропил) триметиламмоний хлорид;
• (3-акриламидпропил) триметиламмоний метилсульфат.

Типичная структура катионного ПАА представлена ниже:

Эмпирическая формула: -(C3H5NO) x - (СаНb NcOdA)y - где: А - отрицательный ион; х и у - переменные в зависимости от катионного мономера. Производится в виде гранул или порошка. Молекулярная масса 3-15 млн. Имеет положительный заряд, плотность которого от 0 до 80%.