Tổng hợp Polyacrylamit theo phương pháp trùng hợp nhũ tương và ứng dụng chống bụi

Lời cảm ơn
Với thời gian có hạn của mình, em đã hoàn thành xong khoá luận tốt
nghiệp của mình. Nói về thành công đó, em xin chân thành cảm ơn PGS.TS
Nguyễn Văn Khôi và toàn thể các anh chị trong phòng vật liệu polyme-Viện
Hoá học - Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã hướng dẫn nhiệt tình,
động viên và giúp đỡ em trong quá trình tiến hành hoàn thành khoá luận.
Em xin ghi nhận những sự giúp đỡ đó của mọi người và em sẽ cố gắng
ngày càng hoàn thiện mình hơn, thành công hơn trong mọi công tác, để
không phụ những gì mà mọi người đã giúp đỡ em.

1


Lời cam đoan
Em xin cam đoan với hội đồng bảo vệ: bản Luận văn này là của em,
các số liệu thu được hoàn toàn trung thực với kết quả thực nghiệm. Và bản
Luận văn này không trùng với bất cứ tài liệu nào của ai.


Mục lục
Lời cảm ơn.............................................................................................................1
Lời cam đoan..........................................................................................................2
Mục lục..................................................................................................................3
Mở đầu...................................................................................................................5
Phần 1. tổng quan...................................................................................................6
1.1. Acrylamit và polyacrylamit.........................................................................6
1.1.1. Giới thiệu về acrylamit.........................................................................6
1.1.1.1. Đặc điểm phân tử..........................................................................6
1.1.1.2. .2. Tính chất...................................................................................6
1.1.2. Polyacrylamit (PAM) và phản ứng trùng hợp gốc tự do......................7
1.1.2.1. Các giai đoạn của phản ứng trùng hợp gốc..................................8

1.1.2.2. Động học của phản ứng trùng hợp gốc tự do................................9
1.1.2.3. Độ dài chuỗi động học trung bình (V ).......................................12
1.1.2.4. Một số yếu tố ảnh hưởng đến quá trình trùng hợp gốc...............13
1.1.2.5. Độ nhớt của dung dịch và khối lượng phân tử polyacrylamit
(PAM) 14
1.2. Nhũ tương và trùng hợp nhũ tương...........................................................16
1.2.1. Nhũ tương...........................................................................................16
1.2.2. Trùng hợp nhũ tương..........................................................................16
1.2.2.1. Trùng hợp nhũ tương thuận.........................................................16
1.2.2.2. Trùng hợp nhũ tương ngược từ monome acrylamit.....................17
1.2.2.3. ảnh hưởng của chất nhũ hoá tới quá trình trùng hợp.................19
1.3. ứng dụng của polyacrylamit......................................................................21
1.3.1. ứng dụng chung của polyacrylamit(PAM)..........................................21
1.3.2. Polyacrylamit trong phòng chống bụi................................................22
1.3.2.1. Giới thiệu chung về bụi...............................................................22
1.3.2.2. .2. Tình hình bụi ở Việt Nam.......................................................23
1.3.2.3. Polyacrylamit và hiệu quả xử lí bụi............................................25
Phần 2. thực nghiệm.............................................................................................26
2.1. Trùng hợp acrylamit..................................................................................26
2.1.1. Dụng cụ và hoá chất.........................................................................26
2.1.1.1. Dụng cụ:......................................................................................26
2.1.1.2. Hoá chất......................................................................................26
2.1.2. Tổng hợp polyacrylamit (theo phương pháp trùng hợp nhũ tương
ngược)..........................................................................................................26


2.1.3. Tách hỗn hợp sản phẩm....................................................................28
2.1.4. Phân tích sản phẩm............................................................................28
2.1.4.1. Xác định độ chuyển hoá bằng phương pháp chuẩn độ nối đôi. . 28
2.1.4.2. Xác định trọng lượng phân tử polyme bằng phương pháp đo

độ nhớt.....................................................................................................29
2.1.4.3. Phân tích nhiệt TGA....................................................................30
2.1.4.4. Phổ hồng ngoại...........................................................................30
2.2. Thử khả năng chống bụi của polyacrylamit (PAM)..................................30
2.2.1. Xác định thành phần đoàn lạp của đất...............................................30
2.2.1.1. Chuẩn bị mẫu..............................................................................30
2.2.1.2. Cách tiến hành............................................................................30
2.2.2. Đo độ mài mòn của đất......................................................................31
2.2.3. Đo tốc độ bay hơi nước của đất.........................................................31
Phần 3. kết quả và thảo luận.................................................................................33
3.1. Phản ứng trùng hợp nhũ tương acrylamit..................................................33
3.1.1. Các yếu tố ảnh hưởng tới phản ứng trùng hợp nhũ tương acrylamit 33
3.1.1.1. ảnh hưởng của nhiệt độ...............................................................33
3.1.1.2. ảnh hưởng của hàm lượng monome............................................34
3.1.1.3. ảnh hưởng của nồng độ chất khơi mào (BP)...............................35
3.1.1.4. ảnh hưởng của nồng độ chất nhũ hóa (SMO).............................35
3.1.2. Phân tích sản phẩm............................................................................36
3.1.2.1. Phân tích nhiệt............................................................................36
3.1.2.2. Phổ hồng ngoại...........................................................................37
3.2. Tác dụng chống bụi của polyacrylamit......................................................39
3.2.1. Thành phần đoàn lạp của đất.............................................................39
3.2.2. Độ mài mòn của đất...........................................................................39
3.2.3. Đo tốc độ bay hơi nước của đất........................................................41
Kết luận................................................................................................................42
Tài liệu Tham Khảo...........................................................................................44


Mở đầu
Bụi đang ngày càng trở thành một vấn đề đáng quan tâm trong công tác
bảo vệ môi trường, bởi lẽ tác hại nghiêm trọng mà bụi gây ra không chỉ ảnh

hưởng tới sản xuất mà còn ảnh hưởng trực tiếp tới sức khoẻ và đời sống của
nhân dân. Vấn đề này đặt ra đòi hỏi sự quan tâm của toàn xã hội và sự bắt tay
vào nghiên cứu của các nhà khoa học.
Có nhiều phương pháp khác nhau để xử lí bụi, như phương pháp dùng
nước tưới làm ẩm đất, phương pháp dùng các vật liệu chống bụi như một số
loại muối, nhũ tương nhựa đường, dầu thực vật, đường mật, các polyme tổng
hợp, các chất nhày, dẫn xuất của lignin… Trong đó có sử dụng các vật liệu
tổng hợp từ acrylamit và các dẫn xuất của nó, polyacrylamit là một vật liệu
tổng hợp có hiệu quả cao trong việc làm giảm thiểu tác hại của bụi.
Với các lý do đó, cùng với sự hứng thú cá nhân và được sự đồng tình
của các cô, các chú và các anh chị trong phòng Vật liệu Polyme - Viện Hoá
học – Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam, em lựa chọn đề tài này để làm
khoá luận tốt nghiệp của mình.
Trong luận văn này, em tiến hành trùng hợp áp dụng với monome
acrylamit bằng phương pháp trùng hợp nhũ tương theo cơ chế gốc tự do và
nghiên cứu một số yếu tố ảnh hưởng lên quá trình trùng hợp, đồng thời thử
nghiệm khả năng chống bụi của đất khi có mặt polyacrylamit.
Với giả thuyết ban đầu là polyacrylamit được trùng hợp nhũ tương có
nhiều tính năng áp dụng cho việc xử lí bụi, nhiệm vụ cụ thể là em tiến hành
nghiên cứu các lĩnh vực sau:
1. ảnh hưởng của nhiệt độ lên quá trình trùng hợp.
2. ảnh hưởng của nồng độ chất khơi mào, nồng độ monome, nồng độ
chất nhũ hoá lên quá trình trùng hợp.
3. Khả năng chống bụi của polyacrylamit.


Phần 1. Tổng Quan
1.1. Acrylamit và polyacrylamit
1.1.1. Giới thiệu về acrylamit
1.1.1.1. Đặc điểm phân tử

Acrylamit có CTPT: C3H5NO (M=71đvC), CTCT :

CH2

CH C NH2

O
Acrylamit có tên gọi:
- Tên Hoá học (thông dụng): Acrylamit
- Tên khác: Acrylic amit; Vinyl amit; axit Propennoic amit.
1.1.1.2. .2. Tính chất
* Tính chất vật lí:
o

Acrylamit kết tinh màu trắng, không mùi, có tnc=79 C.
Acrylamit tan tốt trong nước, metanol, etanol, đimetyl ete, axeton
nhưng lại không tan trong nước, benzen, heptan.
Acrylamit là một chất độc thần kinh và là tác nhân gây ung thư, do đó
lượng acrylamit tồn dư trong phế phẩm polyacrylamit (PAM) công nghiệp
phải < 0,05%.
* Tính chất hoá học:
Acrylamit có độ hoạt động hoá học cao, hai trung tâm phản ứng chủ
yếu là nhóm amin và nối đôi. Do đó acrylamit có một số tính chất hoá học
như: phản ứng thuỷ phân tạo axit acrylic, phản ứng khử thành amin (phản ứng
thoái phân Hoffman), phản ứng tách nước tạo hợp chất nitrin.Acrylamit vừa
thể hiện tính axit rất yếu vừa thể hiện tính bazơ cũng rất yếu.
Tổng hợp polyme từ monome acrylamit:


Acrylamit dễ bị polyme hoá tại điểm nóng chảy hoặc dưới ánh sáng tia

cực tím. Với tinh thể acrylamit ở nhiệt độ phòng thì bền nhưng nếu tiếp xúc
với tác nhân oxy hoá như: Clo, Brom thì sự polyme hoá xảy ra rất mãnh liệt.
Acrylamit có thể tự trùng hợp hay đồng trùng hợp với các monome có
chứa gốc Vinyl khác như axit acrylic trong điều kiện có gốc tự do để hình
thành các polyme có khối lượng phân tử lớn. Do đó người ta nói acrylamit là
hợp chất hoá học trung gian trong tổng hợp polyacrylamit (PAM).
Các polyme tổng hợp từ monome acrylamit có thể biến đổi để tạo ra
các loại: không ion, anion, cation cho những sử dụng riêng biệt.
1.1.2. Polyacrylamit (PAM) và phản ứng trùng hợp gốc tự do
PAM là chữ viết tắt của polyacrylamit được điều chế từ quá trình trùng
hợp monome acrylamit và các chất liên quan, tuỳ vào chiều dài của mạch hay
số và loại nhóm chức mà có hàng trăm công thức PAM, nhưng nhìn chung có
4 loại chính:
Không ion PAM, cation PAM, anion PAM, cross-linking (có cấu trúc
mạng không gian). Ví dụ: CTCT của anion PMA:
CH-CH2

CH-CH2

C=O

C=O

-

O
+
Na ,NH

NH2

+
4

n

m

Thông thường, trong công nghiệp có ba loại phản ứng polyme hoá chủ
yếu là phản ứng trùng ngưng, phản ứng dây chuyền gốc tự do, và phản ứng
xúc tác dạng Ziegler-Natta.PAM được tổng hợp bằng phản ứng dây chuyền
gốc tự do với xúc tác là peroxit, hợp chất azo … dưới tác dụng của nhiệt hoặc
tia tử ngoại.


1.1.2.1. Các giai đoạn của phản ứng trùng hợp gốc
* Giai đoạn khơi mào
Giai đoạn này gồm hai phản ứng: hình thành gốc khơi mào và đưa gốc
khơi mào tới monome để hình thành gốc monome.

.

Chất khơi mào (I)

R +R

.

(gốc khơi mào)

.

.

R + CH
2
=CH

(2)

R-CH2-CH
Y

(1)

Y

* Giai đoạn phát triển mạch
Bao gồm các phản ứng phát triển mạch, đó là quá trình đưa gốc
monome tới monome khác theo cách đưa lần lượt các gốc oligome tới
monome.
Mỗi bước cộng ưu tiên theo hướng cộng đầu tới đuôi như phản ứng
(3), (4)

.

.

CH2-CH +
CH2=CH

(3)

CH2-CH-CH2-CH
Y

Y

.

Y

Y

.

(4)
CH2-CH-CH2-CH-CH2-CH
+ CH2=CH
CH2-CH-CH2-CH
Y
Y
Y
Y
Y
Y
Điều này là do sự kết hợp hiệu ứng không gian và hiệu ứng electron,

lực đẩy không gian ưu tiên sự tấn công của gốc tự do vào cacbon ở nối đôi có
độ cản trở không gian nhỏ nhất và hiệu ứng electron làm ổn định gốc tự do

tạo ra.
* Giai đoạn ngắt mạch


Quá trình phát triển mạch cứ tiếp tục xảy ra cho đến khi có một số phản
ứng ngắt mạch xảy ra. Hai con đường chính mà sự ngắt mạch có thể xảy ra
trong trùng hợp gốc tự do là gốc nối hay kết hợp gốc (5) và phản ứng dị li (6):

.
ch2 c
h
y

.

(5)

ch c
h

+ ch2 ch
y

y

y

ch=c
h

+ ch
2

ch

(6)

2

y
y
Bản chất của quá trình ngắt mạch có thể là chuyển một nguyên tử

(thường là nguyên tử hyđro). Sự kết hợp là do các mảnh khơi mào ở cả hai
đầu cuối của chuỗi polyme kết quả là dẫn tới liên kết ở hai đầu. Sự dị li thì
ngược lại, nó do các mảnh chỉ khơi mào ở một đầu.
Sự ngắt mạch dù theo kiểu gốc nối hay kiểu dị li thì đều phụ thuộc lớn
vào cấu trúc của monome, chính xác hơn là của các mạch gốc tự do.
Một cách khác có thể ngắt mạch là sự ngắt mạch gốc ban đầu, ở đây là
do sự liên kết của gốc khơi mào tương đối cao hay khi độ nhớt rất cao cản trở
sự khuếch tán của các gốc cuối mạch có khối lượng phân tử lớn.

.

.

CH2-CH + R

CH2-CH-R

(7)

1.1.2.2. Động học của phản ứng trùng hợp gốc tự do
* Hằng số tốc độ :
- Giai đoạn khơi mào.

.

Gồm hai bước, sự phân huỷ chất khơi mào để được gốc khơi mào R ,
và chuyển gốc khơi mào tới monome (M) cho một gốc monome


.

Kd
ChÊt kh¬i mµo (I)

.

R +

.

Ki

M

(ChË
m)

R

(8)
(9)

M1

(nhanh)

Kd, Ki là hằng số tốc độ của hai phản ứng, (8) quyết định giai đoạn
khơi mào (Kkm=Kd).

.

- Giai đoạn phát triển mạchM1 chuyển tới phân tử monome khác hình

.
.

.

thành gốc mới M2 , đến lượt M2

.

Kp

M1 + M

.

.

M2 + M
M3 + M

Kp
Kp

tới M hình thành M3 …

.

M2

(10)

M3

(11)

M4

(12)

.
.

........................................

Chúng ta thấy, tốc độ của mỗi giai đoạn là khác nhau, nhưng tốc độ của

mỗi bước phát triển mạch là như nhau(Kp), không phụ thuộc vào độ dài của
chuỗi.
- Giai đoạn ngắt mạch

.

m

.
x

+

m

y

.

m

x

+
y

.

m

k
tc

m

x+y

k

m

x

tc

y

KÕt hî
p

+ m
DÞli

(13)

(14)

Chủ yếu là do sự kết hợp gốc hoặc dị li, ở đây Ktc, Ktd tương ứng là
hằng số tốc độ phản ứng:
* Tốc độ phản ứng

- Giai đoạn khơi mào :


Tốc độ khơi mào hay tốc độ hình thành gốc khơi mào được xác định
theo biểu thức:

.

Rkm
=

d[R]
.

(15)

=2fKd[I]

dt

ở đây [R ] là tổng nồng độ của các gốc khơi mào, [I] là nồng độ mol
của chất khơi mào. f là hiệu suất khơi mào, có nghĩa là phần các gốc khơi mào
mà thực tế tham gia giai đoạn phát triển mạch.

c¸ c gèc kh¬i mµo tham gia giai ®o¹ n ph¸ t triÓn m¹ ch
(16)
f=
c¸ c gèc kh¬i mµo ®• î c
t¹ o ra
- Giai đoạn ngắt mạch:

Tốc độ ngắt mạch bằng tốc độ tiêu thụ gốc tự do:

.
Rt = -

d[M]

.

= 2Kt [M]

2

(17)

dt

Số 2 để chỉ trong phản ứng ngắt mạch do hai gốc đẵ bị tiêu thụ trong
một phản ứng.
Kt là hằng số tốc độ phản ứng ngắt mạch.
Khi hệ phản ứng đi vào trạng thái ổn định thì ta coi sự hình thành và
ngắt mạch của các gốc khơi mào diễn ra với tốc độ như nhau (hệ ở trạng thái
dừng), ta có: Rkm =Rt
 2

Tức 2 fKd[I] = 2 Kt [M ]

(18)

Vậy:

.

[M] =

1/2

(19)


fKd[I]
Kt
- Mà biểu thức tốc độ cho giai đoạn phát triển mạch (hay tốc độ tiêu
thụ monome) là:

d[M]
Rp =
-

dt

.

=
[M]

K [M]

(20)

p

Nếu xét hệ ở tạng thái dừng thì ta thay (19) vào (20) ta được:

RP






d
M
dt

fKd I
Kp

M

(21)

Kt

Tốc độ trùng hợp (đối với toàn bộ quá trình thức tế) là tương đương với
quá trình phát triển mạch (do giai đoạn khơi mào tiêu thụ một monome, giai
đoạn phát triển mạch tiêu thụ lượng lớn monome). Do đó từ biểu thức trên ta
thấy tốc độ trùng hợp tỉ lệ với căn bậc hai của nồng độ và tỉ lệ bậc nhất với
nồng độ monome.
1.1.2.3. Độ dài chuỗi động học trung bình (V )

Khi không có sự chuyển mạch thì V được định nghĩa là số lượng trung
bình monome trên một chuỗi polyme, nó được xác định bằng tỉ số giữa số đơn
vị monome được tiêu thụ và số hạt hoạt động tức bằng tỉ số của tốc độ trùng
hợp và tốc độ khơi mào:

Rp

V=

(22)

Rkm

Tại trạng thái dừng (Rkm=Rt ) Thì :

V=

Rp

(23)

Rt
Thay (17), (19), (21) vào (23) ta được:

V=

Kp[M]

(24)
1/2

2(fKtKd[I])


Ta thấy, nếu f và [I] tăng, tức nồng độ của chất khơi mào và hiệu suất
khơi mào tăng thì độ dài trung bình của polyme giảm (bởi sự lớn lên về số
chuỗi làm tăng quá trình ngắt mạch). Do đó thay đổi nồng độ chất khơi mào là
một trong những con đường cho sự điều khiển khối lượng phân tử của
polyme.
1.1.2.4. Một số yếu tố ảnh hưởng đến quá trình trùng hợp gốc
* ảnh hưởng của nhiệt độ:
Nói chung tất cả các phản ứng trùng hợp đều là phản ứng toả nhiệt, khi
nhiệt độ tăng thì làm tăng vận tốc của tất cả các phản ứng hoá học kể cả các
phản ứng cơ sở trong quá trình trùng hợp, do đó làm tăng quá trình chuyển
hoá của monome thành polyme và đồng thời cũng làm tăng vận tốc của phản
ứng ngắt mạch dẫn đến làm giảm trọng lượng phân tử trung bình của polyme
nhận được.
* ảnh hưởng của nồng độ chất khơi mào:
Khi tăng nồng độ của chất khơi mào, số gốc tự do tạo thành khi phân
hủy cũng tăng lên dẫn tới làm tăng số trung tâm hoạt động, do đó vận tốc
trùng hợp chung cũng tăng nhưng khối lượng phân tử trung bình của polyme
tạo thành giảm (phương trình (24)).
* ảnh hưởng của nồng độ monome
Khi tiến hành trùng hợp trong dung môi lỏng hay trong môi trường pha
loãng thì vận tốc trùng hợp và trọng lượng phân tử trung bình tăng theo nồng
độ của monome. Nếu monome bị pha loãng nhiều có khả năng xảy ra phản
ứng chuyển mạch do đó làm giảm trọng lượng phân tử trung bình của polyme
nhận được (phương trình (24)).

* ảnh hưởng của áp suất
Khi tăng áp suất lên khoảng vài hay hàng chục atmosphe thì hầu như
không có ảnh hưởng gì đến quá trình trùng hợp. Nhưng ở áp suất cao hàng
chục nghìn atmosphe vận tốc phản ứng trùng hợp tăng lên khá nhiều nhưng
không làm giảm trọng lượng phân tử trung bình của polyme nhận được…
* Ngoài ra: các yếu tố như thời gian, lượng oxy cũng ảnh hưởng tới
phản ứng trùng hợp gốc tự do.
1.1.2.5. Độ nhớt của dung dịch và khối lượng phân tử polyacrylamit (PAM)
* Độ nhớt của dung dịch
Trọng lượng phân tử của polyme có thể xác định bằng nhiều phương
pháp khác nhau dựa vào sự phụ thuộc đặc trưng đại lượng vật lý nào đó của
hợp chất polyme vào trọng lượng phân tử.
Phương pháp đo độ nhớt là phương pháp đơn giản về thực nghiệm,
đồng thời cho phép đánh giá phân tử lượng trong khoảng tương đối rộng (M =
4

6

10 -10 ) (tuy rằng phương pháp này không hoàn toàn chính xác).
Đặc trưng cho độ nhớt thì có nhiều khái niệm độ nhớt như: độ nhớt
tuyệt đối, độ nhớt tương đối, độ nhớt riêng, độ nhớt thu gọn và độ nhớt đặc
trưng, trong đó chúng ta quan tâm tới độ nhớt đặc trưng.
Độ nhớt đặc trưng: là giới hạn của độ nhớt rút gọn, khi nồng độ của
dung dịch tiến tới không




] =



rieng

(25)


 C 



C 0

Để xác định phân tử lượng chất polyme người ta sử dụng hệ thức MakHowin biểu diễn sự phụ thuộc giữa độ nhớt đặc trưng và phân tử lượng
polyme:
[] = K. [M]



(26)


Trong đó: K và là hằng số đối với một hệ polyme - dung
môi xác định ở một nhiệt độ xác định.
Biết sẽ tính được trọng lượng phân tử trung bình M của
polyme theo phương trình trên.
* Độ nhớt của dung dịch và khối lượng phân tử polyme
Mức độ dao động khối lượng phân tử của PAM là rất lớn, và việc xác
định chúng là rất khó chính xác, kể cả việc dùng phương trình Mark-Howin
hay bằng cả kĩ thuật tán sắc ánh sáng… Do đó, để đánh giá về khối lượng của

PAM thương mại ngày nay, người ta đánh giá qua độ nhớt của dung dịch
trong những điều kiện cho trước, điển hình là sự có mặt nồng độ muối NaCl
cao.
Hiện nay, để tiện cho việc sử dụng theo các mục đích khác nhau, người
ta chia khối kượng phân tử của PAM theo các loại như sau:
5

KLPT thấp

<10 g/mol

KLPT trung bình

10 -10 g/mol

KLPT cao

1-5x10 g/mol

KLPT rất cao

>5x10 g/mol

5

6

6

6

Các PAM càng có KLPT càng cao thì dung dịch của nó có độ nhớt càng cao
và việc tổng hợp hay sử dụng trong dung dịch nước bị giới hạn trên bởi nồng
độ polyme rắn.
Ví dụ : dung dịch 50% của anion PAM với KLPT dưới 30 000 g/mol có
thể khuấy dễ dàng thì với sản phẩm anion PAM có KLPT khoảng 200 000
g/mol thì nồng độ sử dụng chỉ là 20%, do độ nhớt cao.
Do vậy, hầu hết ứng dụng dung dịch PAM có KLPT lớn thì không kinh
tế khi sử dụng ở cách xa nơi sản xuất vì giá thành vận chuyển cao, trên 90%
là nước.


1.2. Nhũ tương và trùng hợp nhũ tương
1.2.1. Nhũ tương
Nhũ tương là hệ phân tán của một số chất lỏng (thường là 2 chất) có độ
phân cực khác nhau hay không tan vào nhau. Nhũ tương gồm có ba pha: Pha
trong, pha ngoài và vùng liên pha.
Pha trong: Hay là pha không liên tục, pha này có dạng nhỏ, mịn tách
ra.
Pha ngoài: hay la pha liên tục, pha này ở dạng chất nền có giọt nhỏ
(huyền phù ) phân tán trong đó.
Vùng liên pha: gồm chủ yếu là chất nhũ hoá liên kết pha trong với pha
ngoài và hình thành lớp bảo vệ quanh giọt nhỏ trong quá trình phân tán pha.
1.2.2. Trùng hợp nhũ tương
Là quá trình trùng hợp diễn ra trong hệ nhũ tương, nó được phát triển
bởi công ty cao su va xăm lốp Goodyear trong những năm 1920. Ngày nay,
trong công nghiệp, trùng hợp nhũ tương được sử dụng rộng rãi để điều chế
một lượng lớn các chất cho hiệu quả thự tế như sơn, keo dính…
Trong nhũ tương, nếu như nước là pha phân tán thì ta có nhũ tương
thuận (O/W), và ngược lại nếu như pha phân tán không phải là nước (là dầu)

thì ta có nhũ tương ngược (W/O). Theo đó, ta sẽ có hai phương pháp trùng
hợp nhũ tương: trùng hợp nhũ tương thuận và trùng hợp nhũ tương ngược.
1.2.2.1. Trùng hợp nhũ tương thuận
Ta xét theo monome:
* Đối vơi monome kỵ nước: quá trình trùng hợp được khơi mào trong
mixen của chất nhũ hoá, sau đó mixen của chất nhũ hoá hấp phụ lên bề mặt
của các hạt polyme tạo thành vì vậy polyme được làm bền.


* Đối với monome ưa nước: thì quá trình trùng hợp diễn ra ở cả trong
pha nước và trong mixen của chất nhũ hoá, nên chất nhũ hoá không chỉ hấp
phụ lên bề mặt mà còn ở trong hạt, do đó cần phải đưa keo bảo vệ vào.
Bảng1: Trùng hợp nhũ tương thuận trong sự có mặt của chất nhũ hoá
Tham số

Monome kỵ nước

Monome ưa nước

Micell

Micell ưa nước

Lượng chất nhũ hoá

ít

Lớn

Phân bổ chất nhũ hoá

Bề mặt hạt

Bề mặt và bên trong hạt

Kích thước hạt

Nhỏ

Lớn

Khả năng ổn định hạt

Dễ

Khó

Độ trùng hợp

Lớn

không lớn

Khả năng tạo màng

Kém

Lớn

Độ bền polyme trong nước

Tốt

Kém

Không cần thiết

rất cần

Tâm hoạt động

Sử dụng keo bảo vệ

1.2.2.2. Trùng hợp nhũ tương ngược từ monome acrylamit.
Đã có nhiều nghiên cứu về động học của trùng hợp nhũ tương ngược và
đã chỉ ra một số cơ chế phù hợp với thực nghiệm. Chúng ta xét cơ chế trùng
hợp monome Acrylmit với pha liên tục là dầu, chất nhũ hoá là este của
sorbitan với các axit béo :
* Giai đoạn khơi mào:

I,o

Kd

(27
)

2Rin,o
I,o và Rin,o là ký hiệu tương ứng của chất khơi mào và gốc khơi mào
trong pha dầu.

Phản ứng trong pha dầu :


E,o + Rin,o

RinE

(không hoạt động)

(28)

E,o là chất nhũ hoá trong pha dầu.
Chuyền khối tới pha nước:
Kr
Rin,o
Rin,w

(29)

Rin,w là gốc khơi mào trong pha nước.
* Giai đoạn phát triển mạch (diễn ra trong pha nước):
Kp

Rin,w + M

Ri ,w

(30
)

R r,
w

(31
)

......................................
Kp

Rr-1,w + M
Chuyển tới monome:

Pr,
w

(32
)

PrE

(33
)

Kfm

Rr,w +
M
Chuyển tới chất nhũ hoá:
Kfe

Pr,w + E

* Giai đoạn ngắt mạch:
r
P,w

+Ps ,w

K

f

Pr

+

Ps

(34
)

E là chất nhũ hoá giữa hai lớp trong hạt nhũ tương.
M; Rr; Pr là monome; gốc lớn; polyme không hoạt động trong pha
nước.
Nếu xét hệ ở trang thái dừng thì ta có:

2fK dK p(I,o)
Rp
=

K feTe

(35
)

Te là mật độ bề mặt của chất nhũ hoá ở bề mặt phân cách pha.
f là hiệu quả của chất nhũ hoá

1


f=
K d 0V w(E,o)

1 +

(36
)

K rV o(Asp
)
Kr lµ hÖsè chuyÓn
khèi:

Kr = K r a

a là tổng diện tích bề mặt của vùng liên pha.
Asp là diện tích riêng của vùng liên pha trên 1 lít dầu.
ễ là đánh giá hiệu quả của gốc khơi mào giữa pha dầu và pha nước.
Vo,Vw là thể tích pha dầu và pha nước.

1.2.2.3. ảnh hưởng của chất nhũ hoá tới quá trình trùng hợp
* Chúng ta xét quá trình trùng hợp nhũ tương ngược với chất nhũ hoá
là sorbitanmonooleat (SMO-Span 80):
SMO là sản phẩm của phản ứng este hoá giữa sorbitan và axit oleic, nó

có CTCT :
Trong đó SMO có 2 trung tâm phản ứng chủ yếu là nối đôi (C=C) và
nhóm hydroxyl (OH) ở vị trí số 5, nhưng do năng lượng phân li liên kết của
nhóm OH lớn hơn nhóm C=C nên hiệu suất phản ứng của nối đôi C=C trong
SMO là lớn hơn nối đôi C=C.
Do đó ta có thể dự đoán cơ chế tham gia phản ứng của chất nhũ hoá
SMO như sau:

.

1. Rin,o + E E
2. E

.

3. E

.


4. E

. + HC Không hoạt động
.

+ M R r,o
+ Rin,o không hoạt động
5. M,o -> M,w

.

.
6. R r,o + M -> R r+1,o
.
.
7. R r,o + E -> E
.
.
Rin, HC, E, E , M và R r,o là ký hiệu tương ứng của gốc khơi mào ban
đầu, hidrocacbon, chất nhũ hoá, gốc nhũ hoá , monome và gốc lớn.
o là pha dầu, w là pha nước.
Trước hết SMO kết hợp với gốc ban đầu hoặc gốc lớn hơn tạo gốc nhũ
hoá (bước 1) thông qua liên kết đôi C=C trong pha hữu cơ. Sau đó gốc có thể
trở nên không hoạt động do phản ứng với hidrrocacbon (bước 2) hoặc lan
truyền cùng với monome tạo ra gốc lớn (bước 3), nó cũng có thể bị tan ở
gianh giới giữa hai pha hữu cơ và pha nước (bước 5).
Xa hơn nữa, chất nhũ hoá SMO có thể phản ứng với gốc tự do lớn

.
(R r,o) trong pha hữu cơ (bước 7) nhưng không thuận lợi vì hiệu ứng không
gian của nhóm SMO, do đó giai đoạn gốc lớn kết hợp với monome tạo gốc
lớn hơn (bước 6) nhanh hơn so với (bước 7). Từ đó làm cho thời gian sống
của gốc SMO tăng lên và có thể làm giảm hiệu quả của phản ứng khơi mào
thông qua (bước 4).
Khi K6 < K7, ta thu được polyme dạng sau:

---------- AAAA E AAAA E AAAA E --------


A là đơn vị Acrylamit
E là đơn vị SMO
Cơ chế tham gia phản ứng của chất nhũ hoá SMO trong pha hữu cơ
giống như cơ chế tăng khả năng tan của gốc lớn trong môi trường hữu cơ. Do
vậy trong quá trình trùng hợp nhũ tương ngược với monome không tan trong
dầu (acrylamit) thì việc sử dụng chất nhũ hoá SMO sẽ tạo ra quá trình đồng
trùng hợp giữa SMO và acrylamit, từ đó làm tăng khả năng khuếc tán của
acrylamit hay gốc lớn vào pha hữu cơ hơn so với khi không dùng chất nhũ
hoá SMO.
* Xét với chất nhũ hoá là SMS (sorbitanmonostearic)
Khi thay SMS bằng chất nhũ hoá khác như SMO, khi nồng độ SMS
thấp khoảng 30% thì khối lượng phân tử và độ chuyển hoá là không đổi, điều
này được giải thích là do ở SMS không có nôi đôi C=C như ở SMO, mà ở
nhiệt độ thấp thì khả năng phản ứng của nhom OH lại kém.
1.3. ứng dụng của polyacrylamit
1.3.1. ứng dụng chung của polyacrylamit(PAM)
Đến nay PAM đã được ứng dụng rộng rãi trong các nghành công, nông
nghiệp, nhất là trong các nghành xử lý nước thải, dịch khoan và làm giấy…
Chế phẩm PAM có sẵn trên thị trường với các loại như: dung dịch, hạt khô và
nhũ tương đảo. Mỗi loại này khi sử dụng đều có ưu nhược điểm riêng. Các
chế phẩm PAM có lượng tồn dư của các monome trên các chế phẩm này rất
thấp nên xem như an toàn khi sử dụng trực tiếp.
Trong công nghiệp chẳng hạn công nghiệp khai thác quặng và than,
PAM được ứng dụng làm đặc, khử nước của cặn bã, tinh chế quặng nhôm,
phân tán và chống tạo váng.
Trong sản xuất xăng dầu, ứng dụng PAM để thu hồi địa chất, biến đổi
trắc diện bể chứa, khoan bùn.

Trong xử lý nước, ứng dụng PAM để lọc, làm đặc và khử nước của
nước thải và bùn (thường dùng như chất trợ lắng cho việc kết bông) khử bùn
nhôm, khử muối, loại bỏ kim loại nặng (điều chỉnh pH thích hợp).
Trong sản xuất giấy ứng dụng PAM để trợ giúp duy trì, tăng độ bền
khô, trợ giúp thấm và khử nước.
Trong sản xuất thực phẩm dùng PAM để rửa hoa quả và rau, lọc nước
ép đường và rượu, kiểm soát quặng trong sản xuất đường…
1.3.2. Polyacrylamit trong phòng chống bụi
1.3.2.1. Giới thiệu chung về bụi
* Bụi là vấn đề toàn cầu: bởi bụi có ở khắp nơi từ các vùng nông thôn
đến thành thị, hệ thống giao thông, trong các mỏ, kho chứa khoáng sản, các
khu cao ốc, các loại rác thải… ở các khu vực này, hạt bụi có thể sinh ra và
phát tán vào không khí cũng như lên các bề mặt xung quanh.
* Nguồn gốc của bụi: trong hầu hết các trường hợp, bụi được tạo ra do
khai thác mỏ, quặng hay do sự phát thải của các nhà máy, xí nghiệp sản xuất
trong công nghiệp. Trong sinh hoạt và các hoạt động của con người cũng tạo
ra bụi.
* Tác hại của buị : đối với dân cư sống dọc hai bên đường đất và
không phủ bề mặt, bụi trong không khí có thể lọt vào nhà gây ảnh hưởng đến
sức khoẻ và đời sống, đặc biệt là trẻ em (đối tượng nhạy cảm với bụi). Bụi có
thể gây nên các bệnh về đường hô hấp. Nếu người ta hít nhiều bụi thì các hạt
bụi sẽ tích luỹ trong hệ hô hấp, liên tục tiếp xúc với bụi thô sẽ làm suy giảm
hệ hô hấp dẫn đến hen xuyễn. Các hạt mịn gây ảnh hưởng mạnh đến sức khoẻ
làm tăng chi phí phòng cũng như điều trị các bệnh tim, phổi, suy đường hô
hấp làm giảm chức năng phổi, thậm chí dẫn đến tử vong.
Các đám mây bụi tạo thành khi các phương tiện giao thông chạy trên
đường có thể làm giảm tầm nhìn và gây nguy hại đến người điều khiển

phương tiện giao thông. Bụi cũng gây ô nhiễm nguồn nước mặt và làm giảm
sự phát triển của cây trồng do che phủ và lấp đầy các lỗ khí hổng của cây.
Bên cạnh ô nhiễm môi trường, sự phát sinh bụi cũng làm mất đi các hạt
có chức năng liên kết bề mặt đường. Điều này đồng nghĩa với những thiệt hại
về kinh tế và vật chất. Tính nghiêm trọng của vấn đề bụi được xác định trên
cơ sở tốc độ của các phương tiện giao thông, khả năng chịu mài mòn của bề
mặt đường và số lượng các hạt mịn. Lưu lượng giao thông và điều kiện khí
hậu của vùng cũng là những thông số quan trọng. Điều kiện khí hậu khô hạn
và bán khô hạn cũng làm tăng bụi đường.
* Phương pháp xử lí bụi: dùng các tác nhân chống bụi là một trong
nhiều phương pháp có khả năng kiểm soát bụi. Chúng làm giảm bụi nhờ thay
đổi các tính chất vật lý của bề mặt đất. Các tác nhân làm giảm bụi theo các cơ
chế khác nhau: một số tạo lớp vỏ cứng hoặc tạo thành lớp phủ bảo vệ bề mặt,
một số khác có chức năng như một tác nhân kết dính các hạt bụi với nhau hay
một vài loại khác lại tăng độ ẩm cho các hạt đất. Hiện có rất nhiều loại tác
nhân chống bụi, chúng đã, đang và sẽ được sử dụng nhiều hơn trong tương
lai.
Các vật liệu được sử dụng như các tác nhân chống bụi bao gồm nước,
một số loại muối, nhũ tương nhựa đường, dầu thực vật, đường mật, các
polyme tổng hợp (polyacrylic, polyacrylamit…), các chất nhày, dẫn xuất của
lignin…
1.3.2.2. .2. Tình hình bụi ở Việt Nam
Vấn đề ô nhiễm bụi ở Việt Nam đang ngày càng trở lên đáng lo ngại,
các kết quả nghiên cứu ở Quảng Ninh cho thấy, ô nhiêm bụi là do khai thác
than trên bề mặt, tác động cơ học, giao thông vận tải, sàng lọc than, sản xuất
vật liệu xây dựng và sự phát thải từ khu vực dân cư…Lượng bụi đo dược cho
3

3

thấy 1200-1500 hạt/cm , trọng lượng bụi 10-200 mg/m , bụi có thể hít vào 8-


3

42 mg/m , bụi silicat chiếm 6-26%. Và hậu quả là sau khi khám định kỳ thì
phát hiện công nhân thường mắc các bệnh như đau đầu, mất ngủ, các bệnh về
mắt, bệnh về da, bệnh về tiêu hoá…Ngoài ra vấn đề bụi ở các vùng khác cũng
đang ngày càng ảnh hưởng tới hệ sinh thái và sức khoẻ của nhân dân.
Theo đánh giá ở các thành phố lớn như Hà Nội, TP Hồ Chí Minh, Nam
Định, Hải Phòng… tình trạng ô nhiễm bụi cũng vượt mức cho phép. Ví dụ
như Hà Nội, theo thống kê thì cứ mỗi năm lại có thêm hàng ngàn xe cơ giới
được đăng ký mới, đó là chưa kể tới vẫn còn khoảng 1000 công trình xây
dưng cải tạo chưa được cấp phép… Chính vì những điều này mà tình trạng ô
nhiễm bụi trong khí thải công nghiệp cũng như ở khu dân cư đã trở nên trầm
trọng, kéo theo đó không chỉ đơn thuần là thiệt hại về chi phí cho việc xử lí
bụi mà còn ảnh hưởng tới sức khoẻ và ảnh hưởng tới cuộc sống của Thủ đô.
Hơn thế nữa,Việt Nam là nước nông nghiệp với 90% dân số sống ở
vùng nông thôn Điều này có nghĩa là nước ta có hệ thống giao thông dày đặc
mà chủ yếu là đường chưa giải nhựa, trong khi lại không được quan tâm phân
loại và bảo vệ thường xuyên.
Một phương pháp phổ thông được dùng ở Việt Nam để ngăn chặn và
kiểm soát bụi là giảm thiểu sự gia tăng của phương tiện giao thông (thực tế
không khả thi), hoặc làm ẩm bề mặt bằng nước, mặc dù thân thiện với môi
trường nhưng phương pháp này hạn chế về thời gian tác dụng vì khi nước bay
hơi thì không còn hiệu quả. Hơn nữa, do thời gian sử dụng không được lâu
nên một lượng lớn nước bị lãng phí. Một phương pháp khác là sử dụng nhũ
tương nhựa đường nhập khẩu từ Mỹ (ALBINE asphalt) để làm bền đất và
kiểm soát bụi ở những bãi đỗ trực thăng. Tuy nhiên, trong điều kiện thời tiết

khô một số sản phẩm thuộc loại này không giữ được tính đàn hồi và nếu quá
nhiều bụi mịn trên bề mặt nó có thể tạo thành lớp vỏ cứng và các mảnh vỡ do
giao thông và trong thời tiết ẩm.


Để tìm ra phương pháp khả thi, hiệu quả và kinh tế cho vấn đề bụi ở
nước ta, nhất là vấn đề bụi gây ra do mạng lưới giao thông dày đặc, chúng ta
cũng đã áp dụng việc sử dụng các vật liệu hoá học có khả thi như mạch nha,
lignin và polyme trên cơ sở acrylamit.
1.3.2.3. Polyacrylamit và hiệu quả xử lí bụi
Hiện nay trên thế giới người ta đã và đang thử nghiệm tác dụng xử lí
bụi của polyacrylamit, và ở Việt Nam trong Viện Hoá học cũng đã có nhiều
công trình đề tài nghiên cứu ứng dụng quan trọng này của (PAM).
Sở dĩ PAM có ứng dụng xử lí bụi đó là do các nguyên nhân sau:
* Thứ nhất: Khi PAM được sử dụng dưới dạng dung dịch thì tác dụng
của nó giống như tác dụng của nước đó là giữ ẩm đất.
* Thứ hai: Do có cấu trúc phân tử lớn, dung dịch lại có độ nhớt cao,
nên khi đưa xuống đất nó sẽ làm tăng độ bền của đất vì nó làm tăng kích
thước của đoàn lạp trong đất.
* Thứ ba: chế phẩm PAM được dùng thường là dưới dạng các anion,
nó có thể tương tác tĩnh điện với các hạt keo trong đất, dễ bị hấp phụ trong
đất, do đó làm bền đoàn lạp trong đất.