La production de polyacrylamide comprend deux étapes principales :
Technologie de production de monomères : La production de monomère d’acrylamide utilise l’acrylonitrile comme matière première. Sous l'action d'un catalyseur, l'acrylonitrile subit une hydratation pour donner un produit acrylamide brut. Après évaporation éclair et purification, un monomère d'acrylamide raffiné est obtenu ; ce monomère sert de matière première principale pour la production de polyacrylamide.
Acrylonitrile + (Eau/Catalyseur) → Hydratation → Acrylamide brut → Évaporation flash → Purification → Acrylamide raffiné.
Basée sur l'évolution historique des catalyseurs, la technologie de production de monomères a progressé à travers trois générations distinctes :
La première génération utilisait une technologie d'hydratation catalysée par l'acide sulfurique-. Les inconvénients de cette méthode comprenaient de faibles taux de conversion de l'acrylonitrile, de faibles rendements en produits acrylamide et la génération de nombreux sous-produits-, ce qui imposait une charge importante au processus de purification ultérieur. De plus, en raison de la forte corrosivité du catalyseur à base d'acide sulfurique, les coûts d'équipement étaient élevés, augmentant ainsi les coûts de production globaux. La deuxième génération utilisait des catalyseurs squelettiques en cuivre binaires ou ternaires. L'inconvénient de cette technologie était l'introduction d'ions cuivre-qui interfèrent avec le processus de polymérisation-dans le produit final, augmentant ainsi les coûts associés à la purification en aval et au post-traitement. La troisième génération utilise la technologie de catalyse microbienne de la nitrile hydratase. Cette technologie fonctionne dans des conditions de réaction douces-spécifiquement à température ambiante et pression atmosphérique-et se caractérise par une sélectivité élevée, un rendement élevé et une activité catalytique élevée. Le taux de conversion de l'acrylonitrile peut atteindre 100 %, garantissant une réaction complète sans génération de sous-produits ou d'impuretés. Le produit acrylamide résultant ne contient aucun ion cuivre ; ainsi, il n'est pas nécessaire de recourir à des procédures d'échange d'ions pour éliminer les ions de cuivre générés pendant la production, ce qui simplifie considérablement le flux global du processus. De plus, l'analyse par chromatographie en phase gazeuse indique que le produit acrylamide ne contient pratiquement aucun acrylonitrile libre résiduel, démontrant un degré élevé de pureté. Cela le rend particulièrement adapté à la préparation de polyacrylamide à poids moléculaire ultra-élevé, ainsi que du polyacrylamide non-toxique requis par l'industrie alimentaire.
Concernant la technologie de production de monomère d'acrylamide par catalyse microbienne, le Japon a été le premier à établir une installation commerciale-plus précisément une usine de 6 000-tonnes-par-an (t/a)-en 1985. Par la suite, la Russie a également maîtrisé cette technologie ; au cours des années 1990, le Japon et la Russie ont successivement mis en service des installations à grande échelle-de dix-mille-tonnes-pour la production catalysée microbienne d'acrylamide. Après le Japon et la Russie, notre pays est le troisième au monde à posséder cette technologie. L'activité du catalyseur microbien s'élève à 2 857 unités biochimiques internationales, un niveau qui a atteint les normes mondiales. La technologie de notre pays pour la production catalysée microbienne de monomères d'acrylamide a été développée et achevée par l'Institut de recherche sur les pesticides de Shanghai au cours de trois plans quinquennaux consécutifs : le « Septième », le « Huitième » et le « Neuvième » Plans. Le catalyseur microbien -nitrile hydratase-a été criblé pour la première fois en 1990 ; il a été dérivé de la nitrile hydratase obtenue par culture de graines, en utilisant 163 souches bactériennes isolées du sol au pied du mont Tai et 145 souches isolées du sol de Wuxi. Ce catalyseur a été désigné par le code "Nocardia-163". Cette technologie a depuis été mise en exploitation commerciale avec succès à Rugao (Jiangsu), Nanchang (Jiangxi), dans le champ pétrolifère de Shengli et à Wanquan (Hebei). Les produits obtenus sont de qualité supérieure et répondent aux critères de qualité spécifiques requis pour la production de polyacrylamide à poids moléculaire relatif ultra élevé. Cette réalisation signifie que la technologie de notre pays pour la production d'acrylamide catalysée par des microbes a atteint un niveau international avancé.
Technologie de polymérisation : La production de polyacrylamide utilise une solution aqueuse de monomères d'acrylamide comme matière première. Sous l'action d'un initiateur, une réaction de polymérisation a lieu. Une fois la réaction terminée, les blocs de gel de polyacrylamide résultants subissent une série d'étapes de traitement -coupe, granulation, séchage et pulvérisation-pour donner le produit final en polyacrylamide. L'étape critique de ce processus est la réaction de polymérisation elle-même ; au cours des étapes de traitement ultérieures, une attention particulière doit être accordée à la prévention de la dégradation mécanique, de la dégradation thermique et de la réticulation-pour garantir que le polyacrylamide conserve son poids moléculaire relatif et sa solubilité dans l'eau prévus.
Acrylamide + Eau (initiateur/polymérisation) → Blocs de gel de polyacrylamide → Granulation → Séchage → Pulvérisation → Produit polyacrylamide
La technologie de production de polyacrylamide de notre pays a généralement évolué à travers trois étapes distinctes :
La première étape impliquait l’adoption la plus précoce de la « polymérisation en casserole ». Dans cette méthode, la solution réactionnelle de polymérisation soigneusement mélangée a été versée dans des plateaux en acier inoxydable. Ces plateaux ont ensuite été poussés dans une étuve de séchage à température contrôlée. Après plusieurs heures de polymérisation, les plaques ont été retirées du four ; le gel de Polyacrylamide a été coupé en bandes à l'aide d'un coupe-guillotine, introduit dans un hachoir à viande pour la granulation, séché dans un four et enfin pulvérisé pour produire le produit fini. L’ensemble de ce processus s’est déroulé à la manière d’un atelier manuel traditionnel. La deuxième étape implique l'utilisation d'un malaxeur : la solution de réaction de polymérisation pré-pré-mélangée est placée dans le malaxeur et chauffée. Une fois la polymérisation commencée, le malaxeur est activé, permettant au pétrissage et à la polymérisation de se dérouler simultanément. Au moment où la polymérisation est terminée, la granulation est également en grande partie terminée ; le matériau déchargé est ensuite séché et pulvérisé pour donner le produit final.
La troisième étape est apparue à la fin des années 1980 avec le développement du procédé de polymérisation en réacteur conique. Cette technologie a été testée avec succès par le cinquième institut de recherche du ministère de l'Industrie nucléaire à l'usine chimique de Jiangdu, dans la province du Jiangsu. Ce procédé comporte une lame de granulation rotative située au fond du réacteur conique ; au fur et à mesure que le polymère est extrudé, il est simultanément transformé en granulés. Le matériau est ensuite séché à l’aide d’un séchoir à tambour rotatif et pulvérisé pour produire le produit final.
Pour empêcher les blocs de gel de polyacrylamide d'adhérer aux parois internes du réacteur de polymérisation, certaines techniques utilisent des revêtements constitués de composés polymères à base de fluor- ou de silicium- appliqués à l'intérieur du réacteur. Cependant, ces revêtements ont tendance à se décoller pendant le processus de production, contaminant ainsi le produit en polyacrylamide.
Il existe également des conceptions utilisant des réacteurs coniques rotatifs ; une fois la réaction de polymérisation terminée, le réacteur est inversé pour évacuer les blocs de gel de polyacrylamide. En outre, des variations existent concernant les méthodes de granulation (y compris la granulation mécanique, la granulation par coupe et la granulation humide-c'est-à-dire la granulation dans un milieu de dispersion), les méthodes de séchage (telles que le séchage rotatif à flux traversant-ou le séchage sur lit fluidisé vibrant) et les techniques de pulvérisation. Alors que certaines de ces différences proviennent de variations dans la qualité des équipements, d'autres reflètent des différences dans les approches opérationnelles spécifiques adoptées. D'une manière générale, la tendance dominante dans la technologie de polymérisation s'oriente vers l'utilisation de réacteurs coniques fixes combinés à une technologie de séchage à lit fluidisé vibrant.
En plus des opérations unitaires mentionnées ci-dessus, la technologie de production de polyacrylamide présente des variations significatives dans la formulation du procédé. Spécifiquement concernant l'étape d'initiation, une distinction est faite entre le procédé de « pré-co-hydrolyse alcaline » et le procédé de « post-post-hydrolyse alcaline-hydrolyse ». Chaque méthode a ses propres avantages et inconvénients : le processus de cohydrolyse pré-alcaline-est plus simple sur le plan procédural, mais il présente des défis liés au transfert de chaleur pendant l'hydrolyse-en particulier, une propension à la réticulation-et une perte significative de la masse moléculaire relative. À l'inverse, bien que le processus de post-post-hydrolyse alcaline-implique une séquence procédurale plus complexe, il garantit une hydrolyse uniforme, minimise le risque de réticulation-et entraîne une perte négligeable de la masse moléculaire relative du produit.
Dans mon pays, les initiateurs utilisés pour la polymérisation du polyacrylamide se répartissent généralement en trois catégories : les initiateurs inorganiques, les initiateurs organiques et les systèmes organiques inorganiques -mixtes. (1) Peroxydes
Les peroxydes sont globalement classés en peroxydes inorganiques et peroxydes organiques. Les peroxydes inorganiques comprennent le peroxydisulfate de potassium, le peroxydisulfate d'ammonium, le perbromate de sodium et le peroxyde d'hydrogène. Les peroxydes organiques comprennent le peroxyde de benzoyle, le peroxyde de lauroyle et l'hydroperoxyde de tert-butyle. Les agents réducteurs généralement associés à ces peroxydes comprennent le sulfate ferreux, le chlorure ferreux, le métabisulfite de sodium et le thiosulfate de sodium.
(2) Composés azoïques
Les exemples incluent l'azobisisobutyronitrile (AIBN), l'azobis (diméthylvaléronitrile), l'azobis de sodium (cyanovalérate) et la série de sels d'azoamidine développés dans les années 1980-tels que les chlorhydrates d'amidinopropane substitués par azo-N-. Il s’agit d’une classe de produits qui ont fait l’objet d’un développement concurrentiel intense. Ils sont généralement ajoutés à des concentrations allant de 0,005 à 1 partie pour 10 000 ; ils présentent une efficacité catalytique élevée, facilitent la production de polymères avec des masses moléculaires relatives élevées et sont solubles dans l'eau-, ce qui les rend pratiques à utiliser.
Polymérisation inverse en suspension : Le polyacrylamide est l'un des floculants polymères organiques les plus importants sur le plan industriel. Industriellement, le polyacrylamide est généralement produit en utilisant soit la méthode en solution aqueuse, soit la méthode de polymérisation en suspension inverse. La section suivante décrit le processus de production de polyacrylamide par polymérisation en suspension inverse.
La polymérisation inverse en suspension est actuellement la méthode la plus largement utilisée et technologiquement mature pour fabriquer des microsphères de polyacrylamide (PAM). Le procédé consiste à utiliser une agitation vigoureuse pour disperser un monomère (ou un mélange de monomères) dans un milieu continu (généralement un solvant organique), formant de fines gouttelettes. Par la suite, la polymérisation est initiée parmi les monomères, les initiateurs, le solvant organique et les stabilisants de dispersion. Une fois la réaction de polymérisation terminée, le produit subit une déshydratation, une séparation et un séchage azéotropiques pour donner un produit particulaire. Les produits obtenus par polymérisation en suspension inverse possèdent généralement une teneur en solides supérieure à 90 %, un taux de conversion de polymérisation supérieur à 95 % et une teneur en monomères résiduels inférieure à 0,5 % ; la taille des particules du produit varie de 10 à 500 micromètres et le produit présente une excellente solubilité dans l'eau.
Cette méthode se prête très bien à une mise en œuvre à l'échelle industrielle-en raison de son processus simple, de sa facilité de contrôle opérationnel, de l'élimination facile de la chaleur de polymérisation et de la facilité avec laquelle le polymère peut être séparé, lavé et séché ; de plus, le produit obtenu se caractérise par sa pureté, son uniformité et sa stabilité. Cependant, la polymérisation inverse en suspension se heurte à plusieurs défis dans la production industrielle. Le plus important d’entre eux est sa grande sensibilité à la vitesse d’agitation, qui conduit fréquemment à une coalescence des particules et à la formation de gel. De plus, le système a tendance à être instable pendant la distillation azéotropique et le procédé se caractérise par des temps de déshydratation prolongés. De plus, des facteurs tels qu'une large distribution granulométrique du produit, l'utilisation intensive de solvants organiques, les problèmes de sécurité concernant les opérations de production et les coûts de polymérisation excessivement élevés ont collectivement abouti à ce que la méthode de polymérisation en suspension inverse soit rarement utilisée au niveau national pour la production de polyacrylamide.
