Курсовая работа: Акриламид и полиакриламид: получение и свойства
Острое отравление. Введение через рот смертельных доз акриламида белым крысам вызывало судороги. Для крыс, морских свинок и кроликов ЛД50 = 150÷180 мг/кг. Изменения на энцефалограммах свидетельствовали о диффузности поражения различных отделов нервной системы. Повторное введение доз, не вызывающих судорог, приводит к развитию атаксии и дрожания тела по типу мозжечковой асинергии.
Хроническое отравление. Животные. На кумулятивные свойства акриламида указывает нарастание симптомов при длительном поступлении яда. При добавлении к пище крыс в течение 1-6 месяцев 0,02—0,04% или при поступлении акриламида с питьевой водой в дозе 10—20 мг/кг в течение 29—192 дней поражались в основном периферические нервы, имели место дегенеративные изменения осевых цилиндров и миелиновых оболочек. Страдали преимущественно дистальные отделы нервов с наибольшим диаметром.
Человек. Описано несколько случаев производственных отравлений при контакте с акриламидом в течение 4-60 недель. В клинической картине отравления превалировали симптомы нарушения функций среднего мозга и периферической нервной системы. Наблюдались мышечная слабость, потеря чувствительности, арефлексия, потеря равновесия. При прекращении контакта с акриламидом полное выздоровление наступало через 2-12 месяцев (авторы ставят под сомнение возможность полного восстановления при тяжелых случаях отравления). Нарушение функции периферической нервной системы у 15 рабочих производства акриламида со стажем работы от 2 месяцев до 8 лет. При большом стаже имели место атактическая походка, изменения энцефалограмм.
Действие на кожу. У кроликов после 10 нанесений 10% водного раствора акриламида развивались некоторые неврологические симптомы, без раздражающего действия на кожу. Однако у человека 1% водный раствор акриламида вызывал раздражение кожи [2].
Предельно допустимая концентрация. В РФ не установлена. В США принята 0,3 мг/м3 [2].
Индивидуальная защита. Меры предупреждения. Защита дыхательных путей — использование респираторов типа «Лепесток» и «Астра-2» при наличии пыли. Тщательная защита кожи. Соблюдение мер личной гигиены. Периодические медицинские осмотры рабочих для возможно более раннего выявления неврологических симптомов [2].
Аналогично действуют N,Ν-диметилакриламид, Ν,Ν-диэтилакриламид, N-изопропилакриламид, N-гидроксиметиленакриламид и метакриламид. Но они менее токсичны, специфические неврологические симптомы развиваются при бóльших дозах. Для крыс ЛД50 N -изопропилакриламида 350 мг/кг (Barnes). Раздражают кожу и проникают через нее [2].
2. Полиакриламид
В настоящее время широко применяются водорастворимые полимеры на основе акриламида (АА) [3]
которые объединены общим названием "полиакриламиды".
В эту группу входят полиакриламид (ПАА) - неионогенный полимер
его анионные производные, например, частично гидролизованный ПАА
и катионные производные, например поливиниламин
а также сополимеры АА с различными ионогенными и неионогенными мономерами. Полимеры и сополимеры с разной молекулярной массой (ММ), молекулярно-массовым распределением, химическим составом и распределением звеньев исходных мономеров вдоль цепи, линейные, разветвленные и сшитые имеют разное функциональное назначение и различные области применения.
Впервые АА был получен в 1893 году, однако освоение промышленного производства началось только в начале 50-х годов нашего столетия, что сдерживалось плохой сырьевой базой. Способность АА полимеризоваться в присутствии радикальных инициаторов и подходящие для многих целей свойства обеспечили быстрое налаживание и расширение производства полимеров. Первоначально эти полимеры применяли в качестве флокулянтов для осаждения и фильтрации шлама фосфоритов в технологии обработки урановых руд и прочностных добавок для бумаги, а в дальнейшем стали широко использовать в различных отраслях промышленности, сельском хозяйстве и медицине в качестве флокулянтов, загустителей, адгезивов, смазок, структурообразователей, пленкообразователей. Несмотря на важные мирные профессии полимеров АА, их использование в оборонной промышленности значительно ограничило доступность научной информации, поэтому до начала 70-х годов в литературе отсутствовали сведения о технологии производства полимеров. В последние годы наряду с улучшением сырьевой базы создана научная основа для направленной разработки полимеров с заданными свойствами, разработаны перспективные методы синтеза полимеров - полимеризация и сополимеризация АА в концентрированных водных растворах и дисперсиях, получили развитие методы химической модификации полимеров. В настоящее время полимеры АА производят крупные фирмы США, Японии и развитых стран Европы. Они являются основными поставщиками полимеров на мировой рынок, а в России, Китае и ЮАР полимеры производят для внутреннего потребления. Производство полимеров АА продолжает неуклонно возрастать и к концу века достигнет 400 тыс. т в год. Однако темпы роста производства не удовлетворяют потребностей, которые ежегодно возрастают на 8-10%. Поэтому актуальны разработка новых и совершенствование существующих перспективных методов синтеза ПАА, его производных и сополимеров АА [4].
2.1 Применение полимеров акриламида
Полимеры АА обладают уникальным комплексом полезных свойств и широко используются в различных областях техники и технологии. Различные области применения и назначение полимеров показаны в табл. 2 [3].
Приведенные данные свидетельствуют о многофункциональном назначении и различных возможностях применения полимеров АА, которые не ограничиваются приведенными примерами.
Эффективность применения полимеров АА определяется их характеристиками.
Таблица 2 - Области применения и назначение полимеров АА [3]
| Область применения | Назначение |
| Обработка воды | Флокулянты для очистки природных и промышленных сточных вод, переработки пищевых продуктов; обезвоживающие агенты для осадков; |
| Обработка бумаги | Регуляторы прочности бумаги в сухом и влажном состоянии, добавки для улучшения качества и печатных свойств бумаги |
| Добыча и обработка полезных ископаемых | Флокулянты хвостов флотации руд, при обогащении и регенерации полезных ископаемых (уран, золото, титан, каменный уголь, алюминий, железо). Уменьшение запыленности в угольных шахтах, при бурении, на асбестовых заводах |
| Добыча нефти | Стабилизаторы, регуляторы фильтруемости и реологических свойств буровых растворов. Структурообразователи почв для укрепления стенок скважин при вторичной добыче нефти и гидравлическом разрыве пластов |
| Сельское хозяйство | Структурообразователи почв. Пленкообразователи для семян, удобрений, инсектицидов, гербицидов и фунгицидов |
| Медицина | Суперабсорбенты для тампонов, памперсов, салфеток, пеленок, бандажей для ран. Пленкообразователи для фармацевтических препаратов пролонгированного действия. Гидрогели для контактных линз |
| Область применения | Назначение |
| Строительство | Структурообразователи грунтов в дорожном строительстве. Обезвоживающие агенты для абсоцемента. Регуляторы сватывания цемента. Прочностные добавки для строительных плит. Диспергаторы пигментов, регуляторы вязкости и защитные коллоиды для водно-эмульсионных красок |
| Другие области | Агенты, снижающие гидравлическое сопротивление для ускорения движения морских судов, для перекачки нефтепродуктов, суспензий и эмульсий, для увеличения дальнобойности водных струй в пожарном деле. Шлихтующие агенты для хлопчатобумажных, шерстяных, вискозных и ацетатных нитей. Аппертирующие агенты для тканей. Клеи для бумаги и текстиля |
Основное применение неионных полимеров - очистка природных и сточных вод и обезвоживание осадков в целлюлозно-бумажной промышленности, анионных полимеров - водообработка, флокуляция хвостов флотации руд, обогащение и регенерация полезных ископаемых и нефти, обработка бумаги и шлихтование текстильных материалов (создание на поверхности нити эластичной и прочной пленки с высокой водопоглощающей способностью, которая закрепляет выступающие волокна на стволе нити и улучшает процесс ткачества и свойства нити), катионных полимеров - обработка бумаги и флокуляция биологических клеток. Высокомолекулярные полимеры (ММ = (2-18) ·106 ), эффективность которых возрастает с увеличением ММ, используют как флокулянты, загустители, структуро- и пленкообразователи и для смазки. Низкомолекулярные полимеры (MM = (0,005-0,4) · 106 ) используют как разжижители нефти, диспергаторы и стабилизаторы буровых растворов, а также как добавки для герметизации, снижения потерь цементного раствора и предотвращения образования накипи. Прививку АА на различные полимеры применяют для улучшения свойств полимеров (например, при прививке на полиакрилонитрил повышаются гидрофильность, окрашиваемость и адгезия).
Рассмотрим основные области применения полимеров АА. Наиболее широко используются водорастворимые полимеры АА в качестве флокулянтов для эффективной очистки природных и промышленных сточных вод, улавливания и выделения ионов тяжелых металлов и токсичных веществ, что способствует решению экологической проблемы защиты окружающей среды, и в частности природных водоемов от загрязнений. Действие флокулянтов основано на агломерации частиц в крупные флокулы, что способствует их быстрому осаждению. Флокуляция происходит вследствие адсорбции макромолекул в результате их физического или химического связывания с поверхностью частиц по механизму мостикообразования или нейтрализации зарядов. Эффективному связыванию осаждаемых частиц способствует увеличение размеров макромолекул в водной среде в результате увеличения ММ и содержания ионогенных звеньев в цепи (например, при флокуляции различных дисперсных систем наилучшие результаты получены при 20-30%-ном содержании карбоксилатных групп в гидролизованном ПАА). Малые добавки (0,02%) частично гидролизованного ПАА с ММ = 1,2 · 107 в воду водохранилищ, ирригационных водоемов и плавательных бассейнов используют для снижения (на 14%) скорости испарения воды. По прогнозам специалистов, в будущем в связи с ухудшением экологической обстановки ожидается наибольший рост потребления полимеров для очистки природных и промышленных сточных вод. Успешно применяются полимеры АА в качестве флокулянтов и медицинской, микробиологической и пищевой (например, для очистки сахарных сиропов и фруктовых соков) промышленности.
Одна из традиционных областей применения полимеров АА - целлюлозно-бумажная промышленность. Добавки ПАА в качестве связующего в бумажную массу способствуют удержанию наполнителя и пигментов в бумажной массе во влажном и сухом состояниях, улучшают структуру поверхности бумажного листа и свойства бумаги. Например, добавка частично гидролизованного ПАА со степенью гидролиза 2-23% при рН 6-9 увеличивает на 30-35% удержание каолина в бумажной массе. Прочность бумаги во влажном состоянии может увеличиваться в десятки раз за счет образования комплексов между аминированным ПАА и ионами хрома, кобальта и меди, вводимыми в бумажную массу. Кроме того, добавки аминированного ПАА способствуют извлечению ионов многовалентных металлов из воды и снижают содержание в ней взвешенных веществ, что улучшает качество оборотной и сточных вод [5].
Полимеры АА находят применение в качестве селективных флокулянтов при добыче, обогащении руд и регенерации ценных полезных ископаемых (уран, золото, титан, алюминий, железо, каменный уголь). Введение малых добавок ПАА в воду (0,001%) в два раза повышает эффективность резания мрамора струей воды под давлением. Разрушающий эффект струи подобен действию на образец смеси песка и воды, но не разрушает трубы и насосы установки. Обработка водными растворами частично гидролизованного ПАА пылевидных частиц успешно используется для снижения запыленности в угольных шахтах, на асбестовых заводах и при бурении.
В настоящее время в связи с обострением энергетического кризиса большое значение приобретают полимеры АА в нефтедобывающей промышленности. В этой области полимеры применяются для различных целей: при бурении в качестве стабилизаторов, регуляторов фильтруемости и реологических свойств буровых растворов, ускорителей проходки пород и структурообразователей почв для укрепления стенок скважин; при вторичной добыче нефти добавки ПАА уменьшают подвижность закачиваемой в пласт воды, что способствует лучшему вытеснению нефти из пористых пород. Анионные и катионные производные ПАА используют для создания защитных экранов для водоносного слоя и уменьшения содержания воды в добываемой нефти. Водные растворы частично гидролизованного ПАА с ММ = (3,5-8) · 106 и степенью гидролиза 1-30% для обработки 400 скважин в течение шести лет позволили получить прибыль по отношению к вложениям 2400% (от 88% обработанных скважин). Применение при вторичной добыче нефти 1 т реагента "Темпоскрина", полученного на основе ПАА, позволяет дополнительно извлечь из скважины от 1200 до 1500 т нефти.