Produksjonen av polyakrylamid består av to hovedtrinn:
Monomer Produksjonsteknologi: Produksjonen av akrylamidmonomer bruker akrylnitril som råmateriale. Under påvirkning av en katalysator gjennomgår akrylonitril hydratisering for å gi et rå akrylamidprodukt. Etter hurtiginndamping og rensing oppnås raffinert akrylamidmonomer; denne monomeren fungerer som det primære råstoffet for produksjon av polyakrylamid.
Akrylnitril + (vann/katalysator) → Hydration → Råakrylamid → Flash-fordampning → Rensing → Raffinert akrylamid.
Basert på den historiske utviklingen av katalysatorer, har monomerproduksjonsteknologi utviklet seg gjennom tre distinkte generasjoner:
Den første generasjonen brukte svovelsyre-katalysert hydreringsteknologi. Ulempene med denne metoden inkluderte lave akrylonitrilkonverteringshastigheter, lave akrylamidproduktutbytter og generering av tallrike biprodukter, som la en betydelig belastning på den påfølgende renseprosessen. Videre, på grunn av den sterke korrosiviteten til svovelsyrekatalysatoren, var utstyrskostnadene høye, og økte dermed de totale produksjonskostnadene. Den andre generasjonen brukte binære eller ternære skjelett-kobberkatalysatorer. Ulempen med denne teknologien var introduksjonen av kobberioner-som forstyrrer polymerisasjonsprosessen-i sluttproduktet, og dermed øke kostnadene forbundet med nedstrømsrensing og etter-behandling. Den tredje generasjonen bruker mikrobiell nitrilhydratase-katalyseteknologi. Denne teknologien fungerer under milde reaksjonsforhold-spesifikt ved omgivelsestemperatur og atmosfærisk trykk-og er preget av høy selektivitet, høyt utbytte og høy katalytisk aktivitet. Konverteringsfrekvensen for akrylnitril kan nå 100 %, noe som sikrer fullstendig reaksjon uten generering av-biprodukter eller urenheter. Det resulterende akrylamidproduktet inneholder ingen kobberioner; dermed er det ikke behov for ionebytteprosedyrer for å fjerne kobberioner generert under produksjonen, noe som betydelig forenkler den totale prosessflyten. Dessuten indikerer gasskromatografianalyse at akrylamidproduktet praktisk talt ikke inneholder gjenværende fri akrylnitril, noe som viser en høy grad av renhet. Dette gjør den spesielt egnet for fremstilling av ultra-polyakrylamid med høy molekylvekt, så vel som det ikke-toksiske polyakrylamidet som kreves av næringsmiddelindustrien.
Når det gjelder teknologien for å produsere akrylamidmonomer via mikrobiell katalyse, var Japan den første som etablerte et kommersielt anlegg-spesifikt et anlegg på 6000-tonn-per-år (t/a)-i 1985. Senere mestret Russland også denne teknologien. i løpet av 1990-tallet tok både Japan og Russland suksessivt i drift stor-ti{10}}tusen{11}}tonn-klasse anlegg for mikrobiell-katalysert produksjon av akrylamid. Etter Japan og Russland er landet vårt det tredje i verden som har denne teknologien. Aktiviteten til den mikrobielle katalysatoren er på 2857 internasjonale biokjemiske enheter, et nivå som har nådd globale standarder. Vårt lands teknologi for den mikrobiell-katalyserte produksjonen av akrylamidmonomerer ble utviklet og fullført av Shanghai Pesticide Research Institute i løpet av tre påfølgende fem{21}}årsplaner: den "syvende", "åttende" og "niende" plan. Den mikrobielle katalysatoren-nitrilhydratase-ble først screenet i 1990; den ble avledet fra nitrilhydratase oppnådd gjennom frøkultur, ved å bruke 163 bakteriestammer isolert fra jord ved foten av Mount Tai og 145 stammer isolert fra jord i Wuxi. Denne katalysatoren ble betegnet med koden «Nocardia-163». Denne teknologien har siden blitt satt i kommersiell drift i Rugao (Jiangsu), Nanchang (Jiangxi), Shengli Oilfield og Wanquan (Hebei). De resulterende produktene er av overlegen kvalitet, og oppfyller de spesifikke kvalitetsmålingene som kreves for produksjon av polyakrylamid med ultrahøy relativ molekylvekt. Denne prestasjonen betyr at vårt lands teknologi for mikrobiell katalysert produksjon av akrylamid har nådd et avansert internasjonalt nivå.
Polymeriseringsteknologi: Produksjonen av polyakrylamid bruker en vandig løsning av akrylamidmonomerer som råmateriale. Under påvirkning av en initiator finner en polymerisasjonsreaksjon sted. Etter at reaksjonen er fullført, gjennomgår de resulterende polyakrylamidgelblokkene en rekke prosesstrinn-kutting, granulering, tørking og pulverisering-for å gi det endelige polyakrylamidproduktet. Det kritiske trinnet i denne prosessen er selve polymerisasjonsreaksjonen; under de påfølgende prosessertrinnene må man være spesielt oppmerksom på å forhindre mekanisk nedbrytning, termisk nedbrytning og kryss-for å sikre at polyakrylamidet beholder sin tiltenkte relative molekylvekt og vannløselighet.
Akrylamid + vann (initiator/polymerisering) → Polyakrylamidgelblokker → Granulering → Tørking → Pulverisering → Polyakrylamidprodukt
Vårt lands polyakrylamidproduksjonsteknologi har generelt utviklet seg gjennom tre forskjellige stadier:
Det første trinnet innebar den tidligste bruken av "pannepolymerisasjon." I denne metoden ble den grundig blandede polymerisasjonsreaksjonsløsningen helt i rustfrie stålbrett. Disse skuffene ble deretter skjøvet inn i en temperatur-kontrollert tørkeovn. Etter polymerisering i flere timer ble brettene fjernet fra ovnen; polyakrylamidgelen ble kuttet i strimler ved hjelp av en giljotinekutter, matet inn i en kjøttkvern for granulering, tørket i en ovn og til slutt pulverisert for å produsere det ferdige produktet. Hele denne prosessen ble gjennomført i stil med et tradisjonelt manuell verksted. Det andre trinnet involverer bruk av en elter: den forhåndsblandede polymerisasjonsreaksjonsløsningen plasseres i elteren og varmes opp. Når polymeriseringen begynner, aktiveres elteren, slik at elting og polymerisering kan fortsette samtidig. Når polymeriseringen er fullført, er granuleringen også stort sett ferdig; det uttømte materialet tørkes deretter og pulveriseres for å gi sluttproduktet.
Den tredje fasen dukket opp på slutten av 1980-tallet med utviklingen av den koniske reaktorpolymerisasjonsprosessen. Denne teknologien ble vellykket pilotert av det femte forskningsinstituttet til departementet for kjernefysisk industri ved Jiangdu Chemical Plant i Jiangsu-provinsen. Denne prosessen har et roterende granuleringsblad plassert i bunnen av den koniske reaktoren; når polymeren ekstruderes, formes den samtidig til granuler. Materialet tørkes deretter med en roterende trommeltørker og pulveriseres for å produsere det endelige produktet.
For å forhindre at polyakrylamidgelblokker fester seg til de indre veggene i polymerisasjonsreaktoren, bruker noen teknikker belegg laget av fluor- eller silisium-baserte polymerforbindelser som påføres reaktorens indre. Imidlertid er disse beleggene tilbøyelige til å flasse av under produksjonsprosessen, og dermed forurense polyakrylamidproduktet.
Det er også design som bruker roterbare koniske reaktorer; når polymerisasjonsreaksjonen er fullført, snus reaktoren for å tømme polyakrylamidgelblokkene. Videre eksisterer det variasjoner når det gjelder granuleringsmetoder (inkludert mekanisk granulering, skjærende granulering og våtgranulering-dvs. granulering i et dispersjonsmedium), tørkemetoder (som -gjennomstrømningsroterende tørking eller vibrerende fluidisert sjikttørking) og pulveriseringsteknikker. Mens noen av disse forskjellene stammer fra variasjoner i utstyrskvalitet, gjenspeiler andre forskjeller i de spesifikke operasjonelle tilnærmingene som er tatt i bruk, i store trekk er den rådende trenden innen polymerisasjonsteknologi i ferd med å skifte mot bruk av faste koniske reaktorer kombinert med tørketeknologi med vibrerende fluidisert sjikt.
I tillegg til de nevnte enhetsoperasjonene, viser polyakrylamidproduksjonsteknologi betydelige variasjoner i prosessformulering. Spesielt når det gjelder initieringstrinnet, skilles det mellom "pre-alkali ko-hydrolyse"-prosessen og "post-alkali post-hydrolyse"-prosessen. Hver metode har sine egne fordeler og ulemper: pre-alkalisk ko-hydrolyseprosessen er prosedyremessig enklere, men den byr på utfordringer knyttet til varmeoverføring under hydrolyse-spesifikt, en tilbøyelighet til å oppstå kryss-tilknytning og et betydelig tap i relativ molekylmasse. Omvendt, mens post-alkalisk post-hydrolyseprosessen involverer en mer kompleks prosedyresekvens, sikrer den jevn hydrolyse, minimerer risikoen for kryss{13}}og resulterer i ubetydelig tap av produktets relative molekylmasse.
I mitt land faller initiatorene som brukes til polyakrylamidpolymerisering generelt inn i tre kategorier: uorganiske initiatorer, organiske initiatorer og blandede uorganiske-organiske systemer. (1) Peroksider
Peroksider er bredt klassifisert i uorganiske peroksider og organiske peroksider. Uorganiske peroksider inkluderer kaliumperoksidisulfat, ammoniumperoksidisulfat, natriumperbromat og hydrogenperoksid. Organiske peroksider inkluderer benzoylperoksid, lauroylperoksid og tert-butylhydroperoksid. Reduksjonsmidlene som typisk er parret med disse peroksidene inkluderer jern(II)sulfat, jern(II)klorid, natriummetabisulfitt og natriumtiosulfat.
(2) Azoforbindelser
Eksempler inkluderer azobisisobutyronitril (AIBN), azobis(dimetylvaleronitril), natriumazobis(cyanovalerat) og rekken av azoamidinsalter utviklet på 1980-tallet-som azo-N-substituerte amidinopropanhydroklorider. Disse representerer en klasse produkter som har vært gjenstand for intens konkurranseutvikling. De tilsettes vanligvis i konsentrasjoner fra 0,005 til 1 del per 10 000; de viser høy katalytisk effektivitet, letter produksjonen av polymerer med høye relative molekylmasser og er vannløselige{10}, noe som gjør dem praktiske å bruke.
Invers suspensjonspolymerisering: Polyakrylamid er en av de mest industrielt betydningsfulle organiske polymerflokkuleringsmidlene. Industrielt produseres polyakrylamid vanligvis ved bruk av enten den vandige løsningsmetoden eller den omvendte suspensjonspolymerisasjonsmetoden. Følgende avsnitt skisserer prosessen for å produsere polyakrylamid via invers suspensjonspolymerisasjon.
Invers suspensjonspolymerisering er for tiden den mest brukte og teknologisk modne metoden for fremstilling av polyakrylamid (PAM) mikrosfærer. Prosessen innebærer bruk av kraftig omrøring for å dispergere en monomer (eller en blanding av monomerer) i et kontinuerlig medium (typisk et organisk løsningsmiddel), og danner fine dråper. Deretter initieres polymerisasjon blant monomerene, initiatorene, organisk løsningsmiddel og dispersjonsstabilisatorer. Etter fullføring av polymerisasjonsreaksjonen gjennomgår produktet azeotropisk dehydrering, separering og tørking for å gi et partikkelformig produkt. Produkter oppnådd via invers suspensjonspolymerisasjon har typisk et faststoffinnhold som overstiger 90 %, en polymerisasjonsomdannelseshastighet på over 95 % og et restmonomerinnhold på mindre enn 0,5 %; Produktets partikkelstørrelse varierer fra 10 til 500 mikrometer, og produktet viser utmerket vannløselighet.
Denne metoden er svært mottakelig for industriell -skalaimplementering på grunn av dens enkle prosess, enkle operasjonelle kontroll, lett fjerning av polymerisasjonsvarme og den enkle polymeren kan separeres, vaskes og tørkes med. videre er det resulterende produkt karakterisert ved sin renhet, ensartethet og stabilitet. Imidlertid står invers suspensjonspolymerisasjon overfor flere utfordringer i industriell produksjon. Fremst blant disse er dens høye følsomhet for rørehastighet, som ofte fører til partikkelsammensmelting og geldannelse. Videre har systemet en tendens til å være ustabilt under azeotropisk destillasjon, og prosessen er preget av forlengede avvanningstider. I tillegg har faktorer som en bred produktpartikkelstørrelsesfordeling, den omfattende bruken av organiske løsemidler, sikkerhetshensyn angående produksjonsoperasjoner og overdrevent høye polymerisasjonskostnader samlet resultert i at den omvendte suspensjonspolymeriseringsmetoden sjelden blir brukt innenlands for produksjon av polyakrylamid.
