I. ¿Qué es la poliacrilamida?

La poliacrilamida (PAM), químicamente hablando, es un polímero lineal soluble en agua formado por la polimerización de monómeros de acrilamida (AM) iniciada por radicales libres, con la fórmula molecular (C₃H₅NO)n. A temperatura ambiente, se presenta como un sólido vítreo duro, pero en aplicaciones prácticas, se presenta a menudo en formas como líquidos coloidales, látex, polvo blanco, perlas translúcidas y escamas.

La poliacrilamida tiene dos parámetros estructurales importantes: peso molecular y propiedades iónicas. Según su peso molecular, se puede clasificar en bajo, medio, alto y ultraalto. Según sus propiedades iónicas (es decir, sus características de ionización en solución acuosa), se clasifica en no iónica, aniónica, catiónica y anfotérica. Los diferentes tipos de poliacrilamida presentan propiedades distintivas debido a sus diferencias estructurales, adaptándose así a diversos escenarios de aplicación.

II. Características de la poliacrilamida

(I) Propiedades físicas únicas

Solubilidad: Se disuelve en agua en cualquier proporción, formando una solución acuosa uniforme y transparente. Esta propiedad lo hace muy práctico en muchos casos donde se requiere mezclar con agua. Sin embargo, tras un almacenamiento prolongado, la viscosidad de la solución disminuirá debido a la lenta degradación del polímero, especialmente en condiciones de almacenamiento y transporte deficientes.

Viscosidad: La viscosidad de una solución acuosa de poliacrilamida está estrechamente relacionada con la concentración; a medida que esta aumenta, la viscosidad también lo hace. Además, a la misma concentración, la viscosidad de una solución de poliacrilamida de alto peso molecular es relativamente mayor. Por otro lado, el pH de la solución también influye en la viscosidad. En soluciones de pH alto, debido a la hidrólisis, se generan aniones carboxilato en las moléculas y las cadenas moleculares se estiran por repulsión electrostática, aumentando así la viscosidad de la solución.

Floculación: La poliacrilamida de alto peso molecular posee un excelente rendimiento de floculación. Sus cadenas moleculares pueden formar hábilmente puentes entre las partículas adsorbidas, conectando varias o incluso docenas de partículas, lo que promueve la rápida formación de flóculos y acelera considerablemente la velocidad de sedimentación. Las cargas transportadas por las cadenas moleculares pueden ejercer atracción electrostática sobre las partículas, y la longitud de las moléculas proporciona un buen rendimiento de adsorción y sitios de unión con enlaces de hidrógeno. Estos factores se combinan para optimizar aún más el efecto de floculación.

(II) Ricas propiedades químicas

Reacción de hidrólisis: La poliacrilamida puede convertirse en un polímero con grupos carboxilo mediante la hidrólisis de grupos amida, y el producto se denomina poliacrilamida parcialmente hidrolizada. En condiciones ácidas, aunque la reacción de hidrólisis se ve potenciada por el ácido, la velocidad es mucho menor que la de la hidrólisis alcalina y suele requerir una temperatura más alta.

Reacción de hidroximetilación: Puede reaccionar con formaldehído para formar poliacrilamida hidroximetilada. Esta reacción puede ocurrir tanto en condiciones ácidas como alcalinas, pero la velocidad de reacción es mayor en condiciones alcalinas. En condiciones ácidas, dado que el formaldehído se presenta principalmente en forma de cadena, la concentración efectiva disminuye, lo que resulta en una velocidad de reacción más lenta.

Reacción de sulfometilación: Esta reacción se lleva a cabo en condiciones alcalinas y tiene dos métodos de alimentación. Uno consiste en que la poliacrilamida reacciona directamente con bisulfito de sodio y formaldehído en condiciones alcalinas para generar un derivado aniónico: la poliacrilamida sulfometilada; el otro consiste en que primero se añade bisulfito de sodio a la solución de poliacrilamida metilada, obteniéndose la poliacrilamida sulfometilada tras la segunda reacción. Esta reacción es extremadamente sensible al pH. Cuando el pH es inferior a 10, la reacción es muy lenta a 70 °C; cuando el pH es superior a 10, la velocidad de reacción aumenta significativamente.

Reacción de aminometilación: También conocida como reacción de Mannich, la poliacrilamida, la dimetilamina y el formaldehído pueden generar el polímero de dimetilamina-N-metilpropenil o-fenilendiamina mediante esta reacción. Este es un método común para preparar poliacrilamida catiónica, y el producto resultante, gracias a las cadenas laterales de grupos activos en la cadena molecular, puede mejorar la tasa de clarificación de aguas residuales cuando se utiliza como floculante.

Reacción de degradación de Hofmann: La poliacrilamida puede reaccionar con hipohalitos como el hipoclorito de sodio o el hipobromito de sodio en condiciones alcalinas para generar polivinilamina catiónica.

Reacción de reticulación: Una solución acuosa de poliacrilamida forma un gel de poliacrilamida reticulado insoluble al calentarse en condiciones ácidas. Además, puede experimentar reacciones de reticulación con glioxal, resina de urea-formaldehído, resina de melamina, resina fenólica, etc. La solución acuosa de poliacrilamida hidrolizada y copolímero de acrilamida también puede experimentar reacciones de reticulación con iones polinucleares con puentes hidroxilo generados por iones metálicos de alto peso molecular, como sales de aluminio, cromo, circonio, manganeso y titanio, para formar geles.

III. Métodos de preparación de poliacrilamida

(I) Polimerización en solución acuosa

Este es el método más antiguo para producir poliacrilamida, con las ventajas de una producción segura y económica, y constituye una ruta de producción importante para la poliacrilamida. Modificando las condiciones de reacción, como el sistema iniciador, el pH del medio, el tipo y la dosis de aditivos, el disolvente y la temperatura de polimerización, se puede explorar su influencia en las características de la reacción de polimerización y las propiedades del producto. Sin embargo, debido al uso de agua como disolvente, el contenido de impurezas en el sistema es bajo, la constante de transferencia de cadena de los monómeros en solución acuosa es baja y, limitada por las condiciones del proceso, el contenido de sólidos de los productos de polimerización en solución acuosa es bajo y la reacción de imidización tiende a formar geles, lo que dificulta la obtención de poliacrilamida de alto peso molecular relativo.

(II) Polimerización por precipitación

Cuando el polímero resultante no se disuelve en disolventes como la acetona y el etanol, se precipita continuamente de la solución a medida que avanza la reacción, de ahí el nombre de este método de polimerización. La poliacrilamida preparada mediante este método presenta un peso molecular relativamente alto y buena uniformidad.

(III) Polimerización por dispersión

La polimerización por dispersión es un tipo de polimerización por radicales libres con un comportamiento cinético similar al de la polimerización en masa y puede considerarse un tipo especial de polimerización por precipitación. Su principio consiste en dispersar monómeros en agua para formar una solución acuosa de cierta concentración y, posteriormente, añadir un iniciador para la polimerización. Durante el proceso de polimerización, los monómeros prepolimerizados y el iniciador se disuelven en el medio de reacción para formar un sistema homogéneo. El polímero generado precipita debido a su baja solubilidad en el medio de reacción, y el polímero precipitado se aglomera entre sí y, bajo la acción de un estabilizador, se suspende de forma estable en la solución de reacción en forma de partículas finas, formando una dispersión heterogénea. Este sistema de polimerización por dispersión presenta un alto contenido de sólidos, baja viscosidad y buena estabilidad al cizallamiento.

IV. Campos de aplicación de la poliacrilamida

(I) Campo de tratamiento de agua

Tratamiento de agua cruda: En el proceso de tratamiento de agua cruda, se utiliza poliacrilamida junto con carbón activado y otras sustancias para coagular y clarificar las partículas suspendidas en el agua doméstica. En comparación con los floculantes inorgánicos, el uso de poliacrilamida, un floculante orgánico, puede mejorar la capacidad de purificación del agua en más de un 20 %, incluso sin modificar el tanque de sedimentación.

Tratamiento de aguas residuales: La poliacrilamida desempeña un papel importante en el tratamiento de aguas residuales. No solo aumenta la tasa de reutilización del agua reciclada, sino que también se utiliza como deshidratador de lodos. Además, al combinarse con floculantes inorgánicos, mejora significativamente la calidad del agua y reduce la dosificación de floculantes. Asimismo, los flóculos formados por poliacrilamida presentan una alta resistencia y un buen rendimiento de sedimentación, lo que mejora eficazmente la velocidad de separación sólido-líquido y facilita la deshidratación de lodos.

Tratamiento de Aguas Industriales: En el tratamiento de aguas industriales, la poliacrilamida es un importante agente de fórmula. Su uso permite reducir considerablemente la dosis de floculantes inorgánicos, evitar la deposición de sustancias inorgánicas en la superficie de los equipos y, por lo tanto, ralentizar la corrosión y la formación de incrustaciones. Se estima que el 37 % de la producción mundial de poliacrilamida se utiliza para el tratamiento de aguas residuales, y su importancia en el campo del tratamiento de aguas es evidente.

(II) Campo de extracción de petróleo

La poliacrilamida es un agente versátil para el tratamiento químico de yacimientos petrolíferos, ampliamente utilizado en diversas operaciones de extracción de petróleo, como perforación, cementación de pozos, terminación, reacondicionamiento, fracturación, acidificación, inyección de agua, taponamiento de agua y control de perfil, y recuperación terciaria de petróleo. Su solución acuosa presenta alta viscosidad y excelentes efectos de espesamiento, floculación y ajuste reológico. En las etapas intermedias y posteriores de la extracción de petróleo, para mejorar la recuperación, China promueve principalmente las tecnologías de inyección de polímeros y de inyección de polímeros con surfactante alcalino (ASP). Mediante la inyección de una solución acuosa de poliacrilamida, se puede mejorar la relación de caudal de petróleo-agua y aumentar el contenido de crudo en el fluido producido. La adición de poliacrilamida en la recuperación terciaria de petróleo puede mejorar la capacidad de desplazamiento de petróleo, prevenir la ruptura de la capa de petróleo y, por lo tanto, mejorar la tasa de recuperación del yacimiento. La industria petrolera china es el mayor usuario de poliacrilamida.

(III) Campo de fabricación de papel

En la industria papelera, la poliacrilamida se utiliza ampliamente como coadyuvante de retención, coadyuvante de drenaje y agente de uniformidad. Puede mejorar la calidad del papel, optimizar el rendimiento de deshidratación de la pulpa, aumentar la tasa de retención de fibras finas y cargas, y reducir el consumo de materias primas y la contaminación ambiental. Como dispersante, también puede mejorar la uniformidad del papel. En concreto, la aplicación de la poliacrilamida en la industria papelera se refleja principalmente en dos aspectos: primero, mejora la tasa de retención de cargas, pigmentos, etc., reduciendo la pérdida de materias primas y la contaminación ambiental; y segundo, mejora la resistencia del papel, incluyendo la resistencia en seco y en húmedo. Al mismo tiempo, el uso de la poliacrilamida también puede mejorar la resistencia al desgarro y la porosidad del papel, mejorando su aspecto y rendimiento de impresión, y también se utiliza en papel para envases de alimentos y té.

(IV) Otros campos

Industria textil: La poliacrilamida se puede utilizar como agente de encolado de textiles, con un rendimiento de encolado estable, menor pérdida de encolado, lo que puede reducir eficazmente la tasa de rotura de las telas y hacer que la superficie de la tela sea lisa.

Materiales médicos: El gel de poliacrilamida se puede utilizar para fabricar agentes granuladores sin protrombina, suministros quirúrgicos, materias primas para lentes de contacto, materiales de recubrimiento exterior para microcápsulas, etc., y también se puede utilizar para fabricar tapones hemostáticos de alta calidad, toallas sanitarias femeninas y pañales para bebés. La poliacrilamida con un tamaño de partícula adecuado se puede utilizar como relleno cromatográfico para la separación, desalinización y concentración de proteínas y otras sustancias.

Industria alimentaria: En la producción de azúcar de caña y remolacha, la poliacrilamida se puede utilizar para la clarificación de jugos y la extracción por flotación de jarabes. También se utiliza en la floculación y clarificación de caldos de fermentación para la preparación enzimática y en la recuperación de proteínas de piensos. La proteína en polvo recuperada no tiene efectos adversos sobre la tasa de supervivencia, la ganancia de peso ni la producción de huevos de las gallinas.

Industria de la construcción: La poliacrilamida puede desempeñar un papel en el taponamiento de agua de los materiales de lechada civil, mejorando la calidad del cemento en la industria de materiales de construcción, adhesivos de construcción, reparación de juntas y agentes de taponamiento de agua.

Mejora del suelo: La poliacrilamida puede mejorar la resistencia del suelo a la erosión eólica e hídrica, y tiene cierto valor en la mejora del suelo. Además, también se utiliza en materiales absorbentes de agua para pañales para bebés.