I. O que é poliacrilamida?

Quimicamente falando, a poliacrilamida (PAM) é um polímero linear solúvel em água formado pela polimerização de monômeros de acrilamida (AM) iniciada por radicais livres, com a fórmula molecular (C₃H₅NO)n. Apresenta-se como um sólido vítreo duro à temperatura ambiente, mas, em aplicações práticas, frequentemente o encontramos em formas como líquidos coloidais, látex, pó branco, esferas translúcidas e flocos.

A poliacrilamida possui dois parâmetros estruturais importantes: peso molecular e propriedade iônica. Com base no peso molecular, ela pode ser dividida em: baixo peso molecular, médio peso molecular, alto peso molecular e ultra-alto peso molecular. De acordo com a propriedade iônica, ou seja, as características de ionização em solução aquosa, ela pode ser classificada em iônica não iônica, aniônica, catiônica e iônica anfotérica. Diferentes tipos de poliacrilamida apresentam propriedades distintas devido às diferenças estruturais, adaptando-se assim a diversos cenários de aplicação.

II. Características da Poliacrilamida

(I) Propriedades Físicas Únicas

Solubilidade: Pode dissolver-se em água em qualquer proporção, formando uma solução aquosa uniforme e transparente. Essa propriedade o torna extremamente conveniente em muitos cenários que exigem mistura com água. No entanto, após armazenamento prolongado, a viscosidade da solução diminuirá devido à lenta degradação do polímero, especialmente quando as condições de armazenamento e transporte forem precárias.

Viscosidade: A viscosidade da solução aquosa de poliacrilamida está intimamente relacionada à concentração; à medida que a concentração aumenta, a viscosidade também aumenta. Além disso, na mesma concentração, a viscosidade da solução de poliacrilamida de alto peso molecular é relativamente maior. O valor do pH da solução também afeta a viscosidade. Em soluções de pH alto, devido à hidrólise, ânions carboxilato são gerados nas moléculas, e as cadeias moleculares se esticam devido à repulsão eletrostática, aumentando assim a viscosidade da solução.

Floculação: A poliacrilamida de alto peso molecular apresenta excelente desempenho de floculação. Suas cadeias moleculares podem formar pontes entre as partículas adsorvidas, conectando várias ou até dezenas de partículas, promovendo a rápida formação de flocos e acelerando significativamente a taxa de sedimentação das partículas. As cargas transportadas pelas cadeias moleculares podem exercer atração eletrostática sobre as partículas, e o comprimento das moléculas proporciona bom desempenho de adsorção e sítios de ligação com ligações de hidrogênio. Esses fatores atuam em conjunto para otimizar ainda mais o efeito de floculação.

(II) Propriedades Químicas Ricas

Reação de Hidrólise: A poliacrilamida pode ser convertida em um polímero contendo grupos carboxila por meio da hidrólise de grupos amida, e o produto é denominado poliacrilamida parcialmente hidrolisada. Em condições ácidas, embora a reação de hidrólise seja intensificada pelo ácido, a velocidade é muito mais lenta do que a da hidrólise alcalina e geralmente requer uma temperatura mais alta.

Reação de Hidroximetilação: Pode reagir com formaldeído para formar poliacrilamida hidroximetilada. Essa reação pode ocorrer tanto em condições ácidas quanto alcalinas, mas a velocidade da reação é mais rápida em condições alcalinas. Em condições ácidas, como o formaldeído existe principalmente na forma de cadeia, a concentração efetiva diminui, resultando em uma velocidade de reação mais lenta.

Reação de Sulfometilação: Esta reação é realizada em condições alcalinas e possui dois métodos de alimentação. Um deles é que a poliacrilamida reage diretamente com bissulfito de sódio e formaldeído em condições alcalinas para gerar um derivado aniônico - poliacrilamida sulfometilada; o outro é que o bissulfito de sódio é primeiro adicionado à solução de poliacrilamida metilada, e a poliacrilamida sulfometilada é obtida após a segunda reação. Esta reação é extremamente sensível ao valor de pH. Quando o valor de pH é inferior a 10, a reação é muito lenta a 70 °C; quando o valor de pH é superior a 10, a velocidade da reação aumenta significativamente.

Reação de Aminometilação: Também conhecida como reação de Mannich, poliacrilamida, dimetilamina e formaldeído podem gerar o polímero dimetilamina - N - metilpropenil o-fenilenodiamina por meio dessa reação. Este é um método comum para a preparação de poliacrilamida catiônica, e o produto resultante, devido às cadeias laterais do grupo ativo na cadeia molecular, pode melhorar a taxa de clarificação de águas residuais quando usado como floculante.

Reação de degradação de Hofmann: a poliacrilamida pode reagir com hipohalitos, como hipoclorito de sódio ou hipobromito de sódio, em condições alcalinas para gerar polivinilamina catiônica.

Reação de Reticulação: Uma solução aquosa de poliacrilamida formará um gel de poliacrilamida reticulado insolúvel quando aquecida em condições ácidas. Além disso, também pode sofrer reações de reticulação com glioxal, resina de ureia-formaldeído, resina de melamina, resina fenólica, etc. A solução aquosa de poliacrilamida hidrolisada e copolímero de acrilamida também pode sofrer reações de reticulação com íons polinucleares com pontes hidroxila gerados por íons metálicos de alta concentração, como sais de alumínio, sais de cromo, sais de zircônio, sais de manganês e sais de titânio, formando géis.

III. Métodos de Preparação de Poliacrilamida

(I) Polimerização em solução aquosa

Este é o método mais antigo de produção de poliacrilamida, com as vantagens de produção segura e econômica, e representa uma importante rota de produção para poliacrilamida. A influência nas características da reação de polimerização e nas propriedades do produto pode ser explorada alterando-se as condições de reação, como o sistema iniciador, o pH do meio, o tipo e a dosagem dos aditivos, o solvente e a temperatura de polimerização. No entanto, devido ao uso de água como solvente, o teor de impurezas no sistema é baixo, a constante de transferência de cadeia dos monômeros em solução aquosa é baixa e, limitado pelas condições do processo, o teor de sólidos dos produtos de polimerização em solução aquosa é baixo, e a reação de imidização tende a formar géis, dificultando a obtenção de poliacrilamida de alto peso molecular relativo.

(II) Polimerização por Precipitação

Quando o polímero resultante não se dissolve em solventes como acetona e etanol, ele precipita continuamente da solução à medida que a reação prossegue, daí o nome deste método de polimerização. A poliacrilamida preparada por este método tem um peso molecular relativamente alto e boa uniformidade.

(III) Polimerização por Dispersão

A polimerização por dispersão é um tipo de polimerização radicalar livre, com comportamento cinético semelhante à polimerização em massa, e pode ser considerada um tipo especial de polimerização por precipitação. Seu princípio é dispersar monômeros em água para formar uma solução aquosa de uma determinada concentração e, em seguida, adicionar um iniciador para a polimerização. Durante o processo de polimerização, os monômeros pré-polimerizados e o iniciador se dissolvem no meio reacional para formar um sistema homogêneo; o polímero gerado precipita por não ser facilmente solúvel no meio reacional, e os polímeros precipitados se aglomeram entre si e, sob a ação de um estabilizador, suspendem-se estavelmente na solução reacional na forma de partículas finas, formando uma dispersão heterogênea. Este sistema de polimerização por dispersão possui alto teor de sólidos, baixa viscosidade e boa estabilidade ao cisalhamento.

IV. Campos de aplicação da poliacrilamida

(I) Campo de Tratamento de Água

Tratamento de Água Bruta: No processo de tratamento de água bruta, a poliacrilamida é utilizada em conjunto com carvão ativado e outras substâncias para coagular e clarificar partículas suspensas na água doméstica. Comparado aos floculantes inorgânicos, o uso de poliacrilamida floculante orgânica pode melhorar a capacidade de purificação da água em mais de 20%, mesmo sem modificar o tanque de sedimentação.

Tratamento de Efluentes: A poliacrilamida desempenha um papel importante no tratamento de efluentes. Ela pode não apenas aumentar a taxa de reuso da reciclagem de água, mas também ser usada como agente desidratador de lodo. Além disso, quando usada em combinação com floculantes inorgânicos, pode melhorar significativamente a qualidade da água e reduzir a dosagem de floculantes. Ao mesmo tempo, os flocos formados por poliacrilamida apresentam alta resistência e bom desempenho de sedimentação, o que pode efetivamente melhorar a velocidade de separação sólido-líquido e facilitar a desidratação do lodo.

Tratamento de Água Industrial: No tratamento de água industrial, a poliacrilamida é um importante agente de formulação. Seu uso pode reduzir significativamente a dosagem de floculantes inorgânicos, evitando a deposição de substâncias inorgânicas na superfície dos equipamentos, retardando assim a corrosão e a incrustação dos equipamentos. Estima-se que 37% da produção global de poliacrilamida seja utilizada no tratamento de águas residuais, e sua importância na área de tratamento de água é evidente.

(II) Campo de Extração de Petróleo

A poliacrilamida é um agente versátil para tratamento químico de campos petrolíferos, amplamente utilizado em diversas operações de extração de petróleo, como perfuração, cimentação de poços, completação, workover, fraturamento, acidificação, injeção de água, tamponamento de água e controle de perfil, e recuperação terciária de petróleo, especialmente em perfuração, tamponamento de água e controle de perfil, e recuperação terciária de petróleo. Sua solução aquosa possui alta viscosidade e excelentes efeitos de espessamento, floculação e ajuste reológico. Nos estágios intermediário e final da extração de petróleo, para melhorar a recuperação de petróleo, a China promove principalmente as tecnologias de inundação de polímeros e inundação de ASP (surfactante alcalino-polímero). A injeção de solução aquosa de poliacrilamida pode melhorar a relação entre o fluxo de óleo e água e aumentar o teor de petróleo bruto no fluido produzido. A adição de poliacrilamida na recuperação terciária de petróleo pode aumentar a capacidade de deslocamento de óleo, evitar o rompimento da camada de óleo e, assim, melhorar a taxa de recuperação do reservatório de petróleo. A indústria petrolífera chinesa é a maior usuária de poliacrilamida.

(III) Campo de fabricação de papel

Na indústria papeleira, a poliacrilamida é amplamente utilizada como auxiliar de retenção, auxiliar de drenagem e agente de uniformidade. Ela pode melhorar a qualidade do papel, aumentar o desempenho de desidratação da polpa, aumentar a taxa de retenção de fibras finas e cargas, e reduzir o consumo de matéria-prima e a poluição ambiental. Como dispersante, também pode melhorar a uniformidade do papel. Especificamente, a aplicação da poliacrilamida na indústria papeleira se reflete principalmente em dois aspectos: um é melhorar a taxa de retenção de cargas, pigmentos, etc., reduzindo a perda de matéria-prima e a poluição ambiental; o outro é aumentar a resistência do papel, incluindo a resistência a seco e a úmido. Ao mesmo tempo, o uso da poliacrilamida também pode melhorar a resistência ao rasgo e a porosidade do papel, melhorar o desempenho visual e de impressão do papel, e também é usado em embalagens de alimentos e chá.

(IV) Outros Campos

Indústria Têxtil: A poliacrilamida pode ser usada como um agente de colagem têxtil, com desempenho de colagem estável, menos perda de colagem, o que pode reduzir efetivamente a taxa de quebra dos tecidos e tornar a superfície do tecido lisa.

Materiais Médicos: O gel de poliacrilamida pode ser usado para fabricar agentes de granulação não protrombínicos, suprimentos cirúrgicos, matérias-primas para lentes de contato, materiais de revestimento externo para microcápsulas, etc., e também pode ser transformado em tampões hemostáticos de alta qualidade, absorventes higiênicos femininos e fraldas infantis. A poliacrilamida com tamanho de partícula apropriado pode ser usada como embalagem cromatográfica para separação, dessalinização e concentração de proteínas e outras substâncias.

Indústria Alimentícia: Na produção de açúcar de cana e açúcar de beterraba, a poliacrilamida pode ser utilizada para clarificação de caldo e extração por flotação de xarope. Também é utilizada na floculação e clarificação de caldos de fermentação de preparações enzimáticas e na recuperação de proteína de ração, e o pó proteico recuperado não apresenta efeitos adversos na taxa de sobrevivência, ganho de peso e produção de ovos de galinhas.

Indústria da construção: A poliacrilamida pode desempenhar um papel na obstrução de água de materiais de rejuntamento civil, melhorando a qualidade do cimento na indústria de materiais de construção, adesivos de construção, reparo de juntas e agentes de obstrução de água.

Melhoramento do solo: A poliacrilamida pode melhorar a resistência do solo à erosão eólica e hídrica, além de apresentar aplicações específicas na melhoria do solo. Além disso, também é utilizada em materiais absorventes de água para fraldas infantis.