I. Apa itu Poliakrilamid?

Poliakrilamida (PAM), secara kimia, adalah polimer linier yang larut dalam air yang terbentuk dari polimerisasi monomer akrilamida (AM) yang diinisiasi oleh radikal bebas, dengan rumus molekul (C₃H₅NO)n. Poliakrilamida tampak sebagai padatan keras seperti kaca pada suhu ruangan, tetapi dalam aplikasi praktis, kita sering menemukannya dalam bentuk seperti cairan koloid, lateks, bubuk putih, manik-manik tembus cahaya, dan serpihan.

Poliakrilamida memiliki dua parameter struktural penting: berat molekul dan sifat ionik. Berdasarkan berat molekul, poliakrilamida dapat dibagi menjadi berat molekul rendah, berat molekul sedang, berat molekul tinggi, dan berat molekul sangat tinggi. Berdasarkan sifat ionik, yaitu karakteristik ionisasi dalam larutan berair, poliakrilamida dapat diklasifikasikan menjadi jenis ionik non-ionik, anionik, kationik, dan amfoterik. Berbagai jenis poliakrilamida menunjukkan sifat yang berbeda karena perbedaan struktural, sehingga dapat beradaptasi dengan berbagai skenario aplikasi.

II. Karakteristik Poliakrilamid

(I) Sifat Fisik Unik

Kelarutan: Dapat larut dalam air dalam proporsi berapa pun, membentuk larutan berair yang seragam dan transparan. Sifat ini membuatnya sangat praktis dalam banyak skenario yang memerlukan pencampuran dengan air. Namun, setelah penyimpanan jangka panjang, viskositas larutan akan menurun karena degradasi polimer yang lambat, terutama jika kondisi penyimpanan dan pengangkutannya buruk.

Viskositas: Viskositas larutan poliakrilamida berair berkaitan erat dengan konsentrasi; seiring meningkatnya konsentrasi, viskositas pun meningkat. Selain itu, pada konsentrasi yang sama, viskositas larutan poliakrilamida dengan berat molekul tinggi relatif lebih tinggi. Sementara itu, nilai pH larutan juga memengaruhi viskositas. Dalam larutan pH tinggi, akibat hidrolisis, anion karboksilat dihasilkan dalam molekul, dan rantai molekul meregang akibat tolakan elektrostatik, sehingga meningkatkan viskositas larutan.

Flokulasi: Poliakrilamida dengan berat molekul tinggi memiliki kinerja flokulasi yang sangat baik. Rantai molekulnya dapat dengan cerdik membentuk "bridges" antara partikel yang teradsorpsi, menghubungkan beberapa atau bahkan puluhan partikel bersama-sama, mendorong pembentukan flok yang cepat dan sangat mempercepat laju sedimentasi partikel. Muatan yang dibawa pada rantai molekul dapat memberikan daya tarik elektrostatik pada partikel, dan panjang molekul memberikan kinerja adsorpsi yang baik dan tempat pengikatan dengan ikatan hidrogen. Faktor-faktor ini bekerja sama untuk lebih mengoptimalkan efek flokulasi.

(II) Sifat Kimia yang Kaya

Reaksi Hidrolisis: Poliakrilamida dapat diubah menjadi polimer yang mengandung gugus karboksil melalui hidrolisis gugus amida, dan produknya disebut poliakrilamida terhidrolisis sebagian. Dalam kondisi asam, meskipun reaksi hidrolisis ditingkatkan oleh asam, lajunya jauh lebih lambat daripada hidrolisis basa dan biasanya memerlukan suhu yang lebih tinggi.

Reaksi Hidroksimetilasi: Dapat bereaksi dengan formaldehida untuk membentuk poliakrilamida terhidroksimetilasi. Reaksi ini dapat berlangsung dalam kondisi asam dan basa, tetapi laju reaksi lebih cepat dalam kondisi basa. Dalam kondisi asam, karena formaldehida sebagian besar berada dalam bentuk rantai, konsentrasi efektif menurun, sehingga laju reaksi menjadi lebih lambat.

Reaksi Sulfometilasi: Reaksi ini dilakukan dalam kondisi basa dan memiliki dua metode pemberian pakan. Salah satunya adalah poliakrilamida bereaksi langsung dengan natrium bisulfit dan formaldehida dalam kondisi basa untuk menghasilkan turunan anionik - poliakrilamida tersulfometilasi; yang lainnya adalah natrium bisulfit pertama-tama ditambahkan ke larutan poliakrilamida termetilasi, dan poliakrilamida tersulfometilasi diperoleh setelah reaksi kedua. Reaksi ini sangat sensitif terhadap nilai pH. Ketika nilai pH kurang dari 10, reaksi berlangsung sangat lambat pada suhu 70°C; ketika nilai pH lebih besar dari 10, laju reaksi meningkat secara signifikan.

Reaksi Aminometilasi: Dikenal juga sebagai reaksi Mannich, poliakrilamida, dimetilamina, dan formaldehida dapat menghasilkan polimer dimetilamina - N - metilpropenil o-fenilendiamina melalui reaksi ini. Ini adalah metode umum untuk menyiapkan poliakrilamida kationik, dan produk yang dihasilkan, karena adanya rantai samping gugus aktif pada rantai molekul, dapat meningkatkan laju pemurnian air limbah saat digunakan sebagai flokulan.

Reaksi Degradasi Hofmann: Poliakrilamida dapat bereaksi dengan hipohalit seperti natrium hipoklorit atau natrium hipobromit dalam kondisi basa untuk menghasilkan polivinilamin kationik.

Reaksi Ikatan Silang: Larutan poliakrilamida dalam air akan membentuk gel poliakrilamida ikatan silang yang tidak larut saat dipanaskan dalam kondisi asam. Selain itu, poliakrilamida juga dapat mengalami reaksi ikatan silang dengan glioksal, resin urea-formaldehida, resin melamin, resin fenolik, dll. Larutan poliakrilamida dan kopolimer akrilamida yang terhidrolisis dalam air juga dapat mengalami reaksi ikatan silang dengan ion-ion yang dijembatani hidroksil polinuklear yang dihasilkan oleh ion-ion logam tinggi seperti garam aluminium, garam kromium, garam zirkonium, garam mangan, dan garam titanium untuk membentuk gel.

III. Metode Pembuatan Poliakrilamid

(I) Polimerisasi Larutan Air

Ini adalah metode tertua untuk memproduksi poliakrilamida, dengan keuntungan produksi yang aman dan ekonomis, dan merupakan rute produksi penting untuk poliakrilamida. Dengan mengubah kondisi reaksi seperti sistem inisiator, nilai pH medium, jenis dan dosis aditif, pelarut, dan suhu polimerisasi, pengaruh pada karakteristik reaksi polimerisasi dan sifat produk dapat dieksplorasi. Namun, karena penggunaan air sebagai pelarut, kandungan pengotor dalam sistem rendah, konstanta transfer rantai monomer dalam larutan berair rendah, dan dibatasi oleh kondisi proses, kandungan padatan produk polimerisasi dalam larutan berair rendah, dan reaksi imidasi cenderung terjadi untuk membentuk gel, sehingga sulit untuk mendapatkan poliakrilamida dengan berat molekul relatif tinggi.

(II) Polimerisasi Presipitasi

Bila polimer yang dihasilkan tidak dapat larut dalam pelarut seperti aseton dan etanol, polimer akan terus mengendap dari larutan saat reaksi berlangsung, maka metode polimerisasi ini dinamakan demikian. Poliakrilamida yang dibuat dengan metode ini memiliki berat molekul yang relatif tinggi dan keseragaman yang baik.

(III) Polimerisasi Dispersi

Polimerisasi dispersi adalah jenis polimerisasi radikal bebas, dengan perilaku kinetik yang mirip dengan polimerisasi massal, dan dapat dianggap sebagai jenis khusus polimerisasi presipitasi. Prinsipnya adalah mendispersikan monomer ke dalam air untuk membentuk larutan berair dengan konsentrasi tertentu, dan kemudian menambahkan inisiator untuk polimerisasi. Selama proses polimerisasi, monomer dan inisiator yang telah dipolimerisasi sebelumnya larut dalam media reaksi untuk membentuk sistem yang homogen; polimer yang dihasilkan mengendap karena tidak mudah larut dalam media reaksi, dan polimer yang diendapkan menggumpal satu sama lain, dan di bawah aksi zat penstabil, tersuspensi secara stabil dalam larutan reaksi dalam bentuk partikel halus, membentuk dispersi heterogen. Sistem polimerisasi dispersi ini memiliki kandungan padatan tinggi, viskositas rendah, dan stabilitas geser yang baik.

IV. Bidang Aplikasi Poliakrilamid

(I) Bidang Pengolahan Air

Pengolahan Air Baku: Dalam proses pengolahan air baku, poliakrilamida digunakan bersama dengan karbon aktif dan zat lain untuk mengentalkan dan menjernihkan partikel tersuspensi dalam air rumah tangga. Dibandingkan dengan flokulan anorganik, penggunaan poliakrilamida flokulan organik dapat meningkatkan kapasitas pemurnian air hingga lebih dari 20% bahkan tanpa memodifikasi tangki sedimentasi.

Pengolahan Air Limbah: Poliakrilamida berperan penting dalam pengolahan air limbah. Poliakrilamida tidak hanya dapat meningkatkan tingkat penggunaan kembali air daur ulang, tetapi juga dapat digunakan sebagai agen peniris lumpur. Selain itu, bila digunakan dalam kombinasi dengan flokulan anorganik, poliakrilamida dapat meningkatkan kualitas air secara signifikan dan mengurangi dosis flokulan. Pada saat yang sama, flok yang dibentuk oleh poliakrilamida memiliki kekuatan tinggi dan kinerja sedimentasi yang baik, yang secara efektif dapat meningkatkan kecepatan pemisahan padat-cair dan memfasilitasi penirisan lumpur.

Pengolahan Air Industri: Dalam pengolahan air industri, poliakrilamida merupakan agen formula yang penting. Penggunaannya dapat mengurangi dosis flokulan anorganik secara signifikan, menghindari pengendapan zat anorganik pada permukaan peralatan, sehingga memperlambat korosi dan kerak pada peralatan. Dilaporkan bahwa 37% dari total produksi poliakrilamida global digunakan untuk pengolahan air limbah, dan pentingnya poliakrilamida dalam bidang pengolahan air sudah jelas.

(II) Lapangan Ekstraksi Minyak

Poliakrilamida adalah agen perawatan kimia ladang minyak yang serbaguna, banyak digunakan dalam banyak operasi ekstraksi minyak seperti pengeboran, penyemenan sumur, penyelesaian, pengerjaan ulang, rekahan, pengasaman, injeksi air, penyumbatan air dan kontrol profil, dan pemulihan minyak tersier, terutama dalam pengeboran, penyumbatan air dan kontrol profil, dan pemulihan minyak tersier. Larutan berairnya memiliki viskositas tinggi dan efek pengentalan, flokulasi, dan penyesuaian reologi yang sangat baik. Pada tahap tengah dan akhir ekstraksi minyak, untuk meningkatkan pemulihan minyak, Tiongkok terutama mempromosikan teknologi banjir polimer dan banjir ASP (polimer-surfaktan-alkali). Dengan menyuntikkan larutan berair poliakrilamida, rasio laju aliran minyak-air dapat ditingkatkan, dan kandungan minyak mentah dalam cairan yang diproduksi dapat ditingkatkan. Menambahkan poliakrilamida dalam pemulihan minyak tersier dapat meningkatkan kapasitas pemindahan minyak, mencegah terobosan lapisan minyak, dan dengan demikian meningkatkan laju pemulihan reservoir minyak. Industri perminyakan Tiongkok adalah pengguna poliakrilamida terbesar.

(III) Bidang Pembuatan Kertas

Dalam bidang pembuatan kertas, poliakrilamida banyak digunakan sebagai bahan pembantu retensi, bahan pembantu drainase, dan bahan penyeragaman. Bahan ini dapat meningkatkan kualitas kertas, meningkatkan kinerja pengeringan pulp, meningkatkan tingkat retensi serat halus dan bahan pengisi, serta mengurangi konsumsi bahan baku dan pencemaran lingkungan. Sebagai bahan pendispersi, bahan ini juga dapat meningkatkan keseragaman kertas. Secara khusus, penerapan poliakrilamida dalam industri pembuatan kertas terutama tercermin dalam dua aspek: satu adalah untuk meningkatkan tingkat retensi bahan pengisi, pigmen, dll., mengurangi hilangnya bahan baku dan pencemaran lingkungan; yang lainnya adalah untuk meningkatkan kekuatan kertas, termasuk kekuatan kering dan kekuatan basah. Pada saat yang sama, penggunaan poliakrilamida juga dapat meningkatkan ketahanan sobek dan porositas kertas, meningkatkan kinerja visual dan pencetakan kertas, dan juga digunakan dalam kertas kemasan makanan dan teh.

(IV) Bidang Lainnya

Industri Tekstil: Poliakrilamida dapat digunakan sebagai agen perekat tekstil, dengan kinerja perekatan yang stabil, kehilangan perekatan yang lebih sedikit, yang secara efektif dapat mengurangi tingkat kerusakan kain dan membuat permukaan kain halus.

Bahan Medis: Gel poliakrilamida dapat digunakan untuk memproduksi agen granulasi non-protrombin, perlengkapan bedah, bahan baku lensa kontak, bahan pelapis luar untuk mikrokapsul, dll., dan juga dapat dibuat menjadi sumbat hemostatik berkualitas tinggi, pembalut wanita, dan popok bayi. Poliakrilamida dengan ukuran partikel yang sesuai dapat digunakan sebagai pengepakan kromatografi untuk pemisahan, desalinasi, konsentrasi protein dan zat lainnya.

Industri Makanan: Dalam produksi gula tebu dan gula bit, poliakrilamida dapat digunakan untuk pemurnian sari buah dan ekstraksi flotasi sirup. Poliakrilamida juga digunakan dalam flokulasi dan pemurnian kaldu fermentasi dengan persiapan enzim dan pemulihan protein pakan, dan bubuk protein yang dipulihkan tidak memiliki efek buruk pada tingkat kelangsungan hidup, pertambahan berat badan, dan produksi telur ayam.

Industri Konstruksi: Poliakrilamida dapat berperan dalam penyumbatan air pada material grouting sipil, meningkatkan kualitas semen dalam industri bahan bangunan, perekat konstruksi, perbaikan sambungan, dan agen penyumbat air.

Perbaikan Tanah: Poliakrilamida dapat meningkatkan kemampuan tanah untuk menahan erosi angin dan erosi air, dan memiliki nilai aplikasi tertentu dalam perbaikan tanah. Selain itu, poliakrilamida juga digunakan dalam bahan penyerap air pada popok bayi.