POLYÉLECTROLYTE CATIONIQUE
Les polyélectrolytes cationiques sont des polymères contenant des groupes répétitifs ionisables, tels que des polyanions et des polycations, qui se dissocient dans des solutions aqueuses pour former des polymères chargés et libérer des contre-ions.
Les propriétés uniques des polyélectrolytes cationiques, notamment leur conductivité électrique et leurs solutions visqueuses, les rendent précieux dans diverses applications industrielles, telles que le traitement de l’eau, la récupération du pétrole et dans les produits de soins personnels comme les shampooings et les cosmétiques.
Les polyélectrolytes cationiques peuvent être synthétiques ou naturels, avec des exemples incluant les acides nucléiques, les protéines et certains polysaccharides, et ils sont utilisés dans une gamme d'applications allant de la recherche biochimique à la science des matériaux.
Numéro CAS : 26062-79-3
Numéro CE : 247-348-6.
Formule chimique : (C8H16CLN)n
Poids moléculaire : 1 000 - 100 000 g/mol.
Synonymes : Dichlorure de calcium ; Polyélectrolyte katyonique ; Polyélectrolyte katyonique ; Polyélectrolyte cationique ; Polyélectrolyte cationique ; Polyélectrolyte cationique ; Polyélectrolyte cationique Polyamine ; Diméthylamine, polymère avec l'épichlorhydrine et l'éthylènediamine ; 2-(chlorométhyl)oxirane ; diméthylamine ; éthane-1,2-diamine ; Polyélectrolyte anionique et cationique ; Polyélectrolyte anionique ; Polyélectrolyte cationique ; acrylamide ; furane-2,5-dione ; 2-méthylprop-1-ène ; Polyélectrolyte 60 ; Anhydride maléique, copolymère d'isobutylène ; anhydride maléique isobutène ; Isobutylène anhydride maléique ; PEL ; PEL cationique ; PEL CATIONIQUE; POLYÉLECTROLYTE CATIONIQUE; Dichlorure de calcium; Chlorure de calcium anhydre; CaCl2; Chlorure de calcium; Chlorure de calcium(II); Polyélectrolyte cationique; Pastilles de chlorure de calcium; Isocal; Dichlorure de calcium; Katyonik polielektolit; CP; chlorure de calcium, anhydre; CHEBI:3312; Caloride; Liquical; Jarcal; Unichem calchlor; Sure-step; Réactif de Huppert; Chlorure de calcium, réactif ACS, dessiccant; Phosphore de Homberg; Chlorure de calcium, 96 %, pour analyse, granulés; Chlorure de calcium, 96 %, pour la biochimie, anhydre, chlorure de poly(diallyldiméthylammonium), chlorure de poly(diallyldiméthylammonium), sel de poly(diallyldiméthylammonium), polymère DADMAC, polymère PDADMAC, polyéthylène imine, polyéthylène imine, polymère PEI, poly(éthylène imine), poly(vinylamine), PVA, polymère de vinylamine, polyquaternium-7 (type spécifique de polyquaternium), polyquaternium-10, polyquaternium-11, polymère de chitosane, sel de chitosane, chitine désacétylée, polymère cationique, polymère chargé positivement, tensioactif cationique, floculant cationique, coagulant cationique, résine cationique, agent cationique, additif cationique, composé cationique, floculant polymère cationique, coagulant polymère cationique, polyélectrolyte chargé positivement, stabilisateur cationique, liant cationique, dispersant cationique
Les termes polyélectrolyte cationique, électrolyte polymère et électrolyte polymère ne doivent pas être confondus avec le terme électrolyte polymère solide.
Les polyélectrolytes cationiques peuvent être synthétiques ou naturels.
Les acides nucléiques, les protéines, les acides téchoïques, certains polypeptides et certains polysaccharides sont des exemples de polyélectrolytes cationiques naturels.
Les polyélectrolytes cationiques sont des polymères dont les unités répétitives portent un groupe électrolyte.
Les polycations et les polyanions sont des polyélectrolytes cationiques.
Ces groupes se dissocient dans les solutions aqueuses (eau), rendant les polymères chargés.
Les propriétés des polyélectrolytes cationiques sont donc similaires à celles des électrolytes (sels) et des polymères (composés à poids moléculaire élevé) et sont parfois appelés polysels.
Le polyélectrolyte cationique est comme les sels, leurs solutions sont électriquement conductrices.
Les polyélectrolytes cationiques sont comme les polymères, leurs solutions sont souvent visqueuses.
Les chaînes moléculaires chargées, généralement présentes dans les systèmes de matière molle, jouent un rôle fondamental dans la détermination de la structure, de la stabilité et des interactions de divers assemblages moléculaires.
Les approches théoriques pour décrire leurs propriétés statistiques diffèrent profondément de celles de leurs homologues électriquement neutres, tandis que les domaines technologiques et industriels exploitent leurs propriétés uniques.
De nombreuses molécules biologiques sont des polyélectrolytes cationiques.
Par exemple, les polypeptides, les glycosaminoglycanes et l’ADN sont des polyélectrolytes cationiques.
Les polyélectrolytes cationiques naturels et synthétiques sont utilisés dans diverses industries.
Polymère composé de macromolécules dans lesquelles une partie substantielle des unités constitutives contient des groupes ioniques ou ionisables, ou les deux.
Les termes polyélectrolyte cationique, électrolyte polymère et électrolyte polymère ne doivent pas être confondus avec le terme électrolyte polymère solide.
Les polyélectrolytes cationiques peuvent être synthétiques ou naturels.
Les acides nucléiques, les protéines, les acides téchoïques, certains polypeptides et certains polysaccharides sont des exemples de polyélectrolytes cationiques naturels.
Les polyélectrolytes cationiques sont des polymères comportant de nombreux groupes ionisables.
La combinaison du comportement polymère et électrolytique leur confère un certain nombre de propriétés utiles, mais présente également des problèmes de caractérisation.
Les polyélectrolytes cationiques sont des polymères contenant des groupes répétitifs ionisables, tels que des polyanions et des polycations.
Ces groupes peuvent se dissocier dans des solvants polaires tels que l’eau, laissant des charges sur les chaînes polymères et libérant des contre-ions en solution.
Les complexes polyélectrolytes cationiques (PEC) offrent la possibilité de combiner les propriétés physico-chimiques d'au moins deux polyélectrolytes cationiques.
Les polyélectrolytes cationiques sont formés par de fortes interactions électrostatiques entre des polyélectrolytes cationiques de charges opposées, conduisant à une condensation ionique interpolymère et à la libération simultanée de contre-ions.
D'autres interactions entre deux groupes ioniques pour former des structures de polyélectrolytes cationiques comprennent les liaisons hydrogène, les interactions hydrophobes, les forces de van der Waals ou le transfert de charge dipôle-dipôle.
Nature cationique due à la protonation des groupes amino sur le squelette du polymère et devient un polyélectrolyte cationique cationique lors de sa dissolution dans de l'acide acétique aqueux.
Le mélange de polyélectrolytes cationiques avec des molécules de polyélectrolytes cationiques chargées négativement forme des polyélectrolytes cationiques spontanés, entraînés par l'entropie, qui peuvent être solubles dans l'eau ou précipités.
Les rapports non stoechiométriques de deux polyélectrolytes cationiques conduisent à la formation de particules.
Pour la formation de particules de polyélectrolytes cationiques de chitosane, de nombreux chercheurs ont utilisé une solution de polyélectrolytes cationiques cationiques (chitosane) en excès de polyélectrolytes cationiques anioniques.
La taille des polyélectrolytes cationiques est influencée par la concentration du polyélectrolyte cationique, la densité de charge, le rapport de mélange et le pH.
La densité de charge du polyélectrolyte cationique chitosane dépend du pH de la solution et du degré de désacétylation (DDA) du chitosane.
Avec l'augmentation du DDA (DDA > 50 %), la densité de charge positive du polymère de chitosane augmente et présente donc un grand nombre de sites de réticulation pour fabriquer des polyélectrolytes cationiques.
La taille des particules de chitosane Les polyélectrolytes cationiques diminuent avec la diminution du DDA du chitosane et de sa masse molaire.
Des concentrations plus élevées de chitosane de faible poids moléculaire sont nécessaires pour former des polyélectrolytes cationiques avec une rigidité de gel suffisante.
Le chitosane de poids moléculaire élevé peut former des polyélectrolytes cationiques plus robustes avec des réseaux hautement réticulés.
Les polyélectrolytes cationiques sont des polymères qui portent des charges dans leur squelette ou dans leurs chaînes latérales.
Habituellement, la distinction est faite entre les polyélectrolytes cationiques faibles et forts.
Les polyélectrolytes cationiques faibles sont des polymères avec des groupes faiblement acides ou basiques, qui sont protonés ou déprotonés en fonction du pH du milieu environnant, ce qui entraîne une densité de charge dépendante du pH.
En revanche, la densité de charge des polyélectrolytes cationiques forts n'est pas influencée par le pH.
Les brosses en polyélectrolytes cationiques présentent des caractéristiques intéressantes tant sur le plan théorique que pratique car leur comportement est fondamentalement différent de celui des brosses en polymère non chargé.
Dans le cas des brosses polyélectrolytes cationiques fortes, dans lesquelles la densité de charge est indépendante du pH, la structure moléculaire et les propriétés sont dominées par les interactions électrostatiques.
La répulsion mutuelle entre les segments de polymères chargés influence fortement les propriétés physiques des couches greffées.
Dans les brosses polyélectrolytes cationiques faibles, dans lesquelles la densité de charge des chaînes dépend de leur niveau de protonation, la conformation de la chaîne dépend du pH de la solution.
En particulier, le gonflement des brosses polyélectrolytes cationiques faibles dans différents solvants a été largement étudié en raison de son importance pour les systèmes polymères réactifs.
Le gonflement dépend de la nature du système solvant, ainsi que du pH du polyélectrolyte cationique et de la concentration et de la nature chimique des autres ions dans la solution.
De plus, les interactions avec des contre-ions sélectionnés peuvent être utilisées pour ajuster la mouillabilité des surfaces avec des brosses polyélectrolytes cationiques ancrées.
Aspects généraux des polyélectrolytes cationiques et des films PEM :
Les polyélectrolytes cationiques sont des polymères ionisables qui changent de conformation polymère en fonction des changements environnementaux.
Ils sont de deux types :
Polyélectrolytes cationiques forts et faibles.
Les polyélectrolytes cationiques forts sont chargés sur une large plage de pH.
Par conséquent, il est difficile de manipuler les propriétés du film assemblé avec un polyélectrolyte cationique, à moins de prendre des mesures spécifiques pour perturber les interactions polymère-polymère en contrôlant d'autres stimuli tels que la force ionique, la température et la polarité.
Contrairement aux polyélectrolytes cationiques forts, les polyélectrolytes cationiques faibles ne sont chargés que dans une fenêtre de pH plus petite ; par conséquent, leurs conformations polymères peuvent être facilement modulées lors du changement du pH de l'environnement externe.
La particularité des films PEM assemblés à partir de polyélectrolytes cationiques faibles est qu'ils peuvent être détruits dans des conditions de pH extrêmes, car les déséquilibres de charge induits par le pH dans le film surcompensent les interactions attractives polymère-polymère.
Charge des polyélectrolytes cationiques :
Les acides sont classés comme faibles ou forts (et les bases peuvent également être faibles ou fortes).
De même, les polyélectrolytes cationiques peuvent être divisés en types « faibles » et « forts ».
Un polyélectrolyte cationique « fort » est un polyélectrolyte qui se dissocie complètement en solution pour la plupart des valeurs de pH raisonnables.
En revanche, un polyélectrolyte cationique « faible » présente une constante de dissociation (pKa ou pKb) comprise entre ~2 et ~10, ce qui signifie que le polyélectrolyte cationique sera partiellement dissocié à un pH intermédiaire.
Ainsi, les polyélectrolytes cationiques faibles ne sont pas entièrement chargés en solution et, de plus, leur charge fractionnaire peut être modifiée en changeant le pH de la solution, la concentration en contre-ions ou la force ionique.
Les propriétés physiques des solutions de polyélectrolytes cationiques sont généralement fortement affectées par ce degré de charge.
Étant donné que la dissociation du polyélectrolyte cationique libère des contre-ions, cela affecte nécessairement la force ionique de la solution et donc la longueur de Debye.
Cela affecte à son tour d’autres propriétés, telles que la conductivité électrique.
Lorsque des solutions de deux polymères de charges opposées (c'est-à-dire une solution de polycation et une solution de polyanion) sont mélangées, un complexe en vrac (précipité) se forme généralement.
Cela se produit parce que les polymères de charges opposées s’attirent et se lient les uns aux autres.
Conformation des polyélectrolytes cationiques :
La conformation de tout polymère est affectée par un certain nombre de facteurs :
Notamment l'architecture du polymère et l'affinité du solvant.
Dans le cas des polyélectrolytes cationiques, la charge a également un effet.
Alors qu'une chaîne polymère linéaire non chargée se trouve généralement dans une conformation aléatoire en solution (se rapprochant étroitement d'une marche aléatoire tridimensionnelle auto-évitante), les charges sur une chaîne polyélectrolyte cationique linéaire se repousseront via des forces de double couche, ce qui amène la chaîne à adopter une conformation plus étendue, en forme de tige rigide.
Si la solution contient une grande quantité de sel ajouté, les charges seront filtrées et par conséquent la chaîne de polyélectrolyte cationique s'effondrera vers une conformation plus conventionnelle (essentiellement identique à une chaîne neutre dans un bon solvant).
La conformation du polymère affecte bien sûr de nombreuses propriétés globales (telles que la viscosité, la turbidité, etc.).
Bien que la conformation statistique des polyélectrolytes cationiques puisse être capturée à l'aide de variantes de la théorie conventionnelle des polymères, les polyélectrolytes cationiques nécessitent en général des calculs assez intensifs pour modéliser correctement les chaînes de polyélectrolytes cationiques, en raison de la nature à longue portée de l'interaction électrostatique.
Des techniques telles que la diffusion statique de la lumière peuvent être utilisées pour étudier la conformation des polyélectrolytes cationiques et les changements conformationnels.
Polyampholytes de polyélectrolytes cationiques :
Les polyélectrolytes cationiques qui portent à la fois des groupes répétitifs cationiques et anioniques sont appelés polyampholytes.
La compétition entre les équilibres acido-basiques de ces groupes entraîne des complications supplémentaires dans leur comportement physique.
Ces polymères ne se dissolvent généralement que lorsqu'il y a suffisamment de sel ajouté, ce qui masque les interactions entre les segments de charges opposées.
Dans le cas des hydrogels macroporeux amphotères, l'action de la solution saline concentrée ne conduit pas à la dissolution du matériau polyampholyte en raison de la réticulation covalente des macromolécules.
Les hydrogels macroporeux synthétiques 3D présentent une excellente capacité à adsorber les ions de métaux lourds dans une large gamme de pH à partir de solutions aqueuses extrêmement diluées, qui peuvent ensuite être utilisées comme adsorbants pour la purification de l'eau salée.
Toutes les protéines sont des polyampholytes, car certains acides aminés ont tendance à être acides, tandis que d’autres sont basiques.
Polyélectrolyte cationique composé de macromolécules contenant à la fois des groupes cationiques et anioniques, ou un groupe ionisable correspondant.
Un polymère ampholytique dans lequel des groupes ioniques de signe opposé sont incorporés dans les mêmes groupes pendants est appelé, selon la structure des groupes pendants, un polymère zwitterionique, un sel interne polymère ou une polybétaïne.
Applications des polyélectrolytes cationiques :
Les polyélectrolytes cationiques ont de nombreuses applications, principalement liées à la modification des propriétés d'écoulement et de stabilité des solutions aqueuses et des gels.
Par exemple, ils peuvent être utilisés pour déstabiliser une suspension colloïdale et initier la floculation (précipitation).
Ils peuvent également être utilisés pour conférer une charge de surface à des particules neutres, leur permettant d'être dispersées dans une solution aqueuse.
Ils sont donc souvent utilisés comme épaississants, émulsifiants, conditionneurs, agents clarifiants et même réducteurs de traînée.
Ils sont utilisés dans le traitement de l'eau et pour la récupération du pétrole. De nombreux savons, shampoings et cosmétiques incorporent des polyélectrolytes cationiques.
De plus, ils sont ajoutés à de nombreux aliments et aux mélanges de béton (superplastifiant).
Certains des polyélectrolytes cationiques qui apparaissent sur les étiquettes des aliments sont la pectine, la carraghénine, les alginates et la carboxyméthylcellulose.
Tous, sauf le dernier, sont d’origine naturelle.
Enfin, ils sont utilisés dans une variété de matériaux, dont le ciment.
Parce que certains d’entre eux sont solubles dans l’eau, ils sont également étudiés pour des applications biochimiques et médicales.
De nombreuses recherches sont actuellement menées sur l’utilisation de polyélectrolytes cationiques biocompatibles pour les revêtements d’implants, pour la libération contrôlée de médicaments et pour d’autres applications.
Ainsi, récemment, le matériau macroporeux biocompatible et biodégradable composé d'un complexe polyélectrolyte cationique a été décrit, où le matériau présentait une excellente prolifération de cellules de mammifères et d'actionneurs souples de type musculaire.
Multicouches :
Les polyélectrolytes cationiques ont été utilisés dans la formation de nouveaux types de matériaux connus sous le nom de multicouches de polyélectrolytes cationiques (PEM).
Ces films minces sont construits à l’aide d’une technique de dépôt couche par couche (LbL).
Lors du dépôt LbL, un substrat de croissance approprié (généralement chargé) est plongé dans les deux sens entre des bains dilués de solutions de polyélectrolytes cationiques chargées positivement et négativement.
Lors de chaque immersion, une petite quantité de polyélectrolyte cationique est adsorbée et la charge de surface est inversée, permettant l'accumulation progressive et contrôlée de films réticulés électrostatiquement de couches polycation-polyanion.
Les scientifiques ont démontré le contrôle de l’épaisseur de tels films jusqu’à l’échelle du nanomètre.
Les films LbL peuvent également être construits en remplaçant ou en plus de l'un des polyélectrolytes cationiques par des espèces chargées telles que des nanoparticules ou des plaquettes d'argile.
Le dépôt LbL a également été réalisé en utilisant une liaison hydrogène au lieu de l'électrostatique.
Pour plus d'informations sur la création de multicouches, veuillez consulter Adsorption de polyélectrolytes cationiques.
Formation de 20 couches de PSS-PAH Multicouche de polyélectrolytes cationiques mesurée par résonance plasmonique de surface multiparamétrique
Une formation LbL de PEM (PSS-PAH (chlorhydrate de poly(allylamine)) sur un substrat d'or peut être observée sur la figure.
La formation est mesurée à l'aide de la résonance plasmonique de surface multiparamétrique pour déterminer la cinétique d'adsorption, l'épaisseur de la couche et la densité optique.
Les principaux avantages des revêtements PEM sont la capacité de revêtir des objets de manière conforme (c'est-à-dire que la technique ne se limite pas au revêtement d'objets plats), les avantages environnementaux liés à l'utilisation de procédés à base d'eau, les coûts raisonnables et l'utilisation des propriétés chimiques particulières du film pour des modifications ultérieures, telles que la synthèse de nanoparticules métalliques ou semi-conductrices, ou des transitions de phase de porosité pour créer des revêtements antireflets, des obturateurs optiques et des revêtements superhydrophobes.
Pontage :
Si des chaînes de polyélectrolytes cationiques sont ajoutées à un système de macroions chargés (c'est-à-dire un ensemble de molécules d'ADN), un phénomène intéressant appelé pontage de polyélectrolytes cationiques pourrait se produire.
Le terme interactions de pontage est généralement appliqué à la situation dans laquelle une seule chaîne de polyélectrolyte cationique peut s'adsorber sur deux (ou plusieurs) macroions de charge opposée (par exemple une molécule d'ADN), établissant ainsi des ponts moléculaires et, via la connectivité du polyélectrolyte cationique, favoriser des interactions attractives entre eux.
Lors de petites séparations de macroions, la chaîne est comprimée entre les macroions et les effets électrostatiques dans le système sont complètement dominés par les effets stériques – le système est effectivement déchargé.
À mesure que nous augmentons la séparation des macroions, nous étirons simultanément la chaîne de polyélectrolyte cationique qui y est adsorbée.
L'étirement de la chaîne donne lieu aux interactions attractives mentionnées ci-dessus en raison de l'élasticité du caoutchouc de la chaîne.
En raison de sa connectivité, le comportement de la chaîne polyélectrolyte cationique ne ressemble presque pas au cas des ions confinés non connectés.
Polyacide :
Dans la terminologie des polymères, un polyacide est un polyélectrolyte cationique composé de macromolécules contenant des groupes acides sur une fraction substantielle des unités constitutives.
Le plus souvent, les groupes acides sont –COOH, –SO3H ou –PO3H2.
Domaines d'utilisation des polyélectrolytes cationiques :
Le polyélectrolyte cationique est ajouté à la ligne de boues lors du pompage de l'excès de boues activées prélevées dans le bassin de sédimentation vers des filtres-presses ou des presses à bande pour déshydrater les boues.
Le polyélectrolyte cationique est largement utilisé dans les unités de déshydratation des boues des usines de traitement des eaux usées.
Dans les procédés où la déshydratation des boues est effectuée à l'aide d'un décanteur centrifuge, d'une presse à bande ou d'un filtre-presse, le floculant, qui est mélangé à l'aide d'un mélangeur statique, est dosé dans la conduite de boues sous pression.
Le principe de fonctionnement du produit polyélectrolyte cationique est généralement basé sur l'échange d'ions entre la chaîne polymère en solution aqueuse et les charges électriques des particules solides en suspension.
La structure stable des particules solides se détériore, ce qui entraîne une coagulation ou une floculation.
Les polyélectrolytes cationiques sont dilués de 0,05 % à 0,1 %. La solution de préparation est généralement préparée à 0,5 % en ajoutant le produit d'origine à l'eau tout en mélangeant.
Les caractéristiques des boues à déshydrater étant différentes, les dosages à appliquer sont déterminés à la suite d'essais en jar test et d'essais de fonctionnement en laboratoire.
Les polyélectrolytes utilisés pour la floculation dans les systèmes de traitement des eaux usées sont divisés en deux groupes principaux : les polyélectrodes anioniques et cationiques.
Bien qu'ils soient des polyélectrolytes nanoioniques, ils ne sont pas beaucoup utilisés.
En général, les polyélectrolytes anioniques permettent de combiner et de précipiter les particules présentes dans les eaux usées dans les usines de traitement chimique.
Les polyélectrolytes cationiques sont utilisés pour faire flotter les flocs à créer dans les stations d'épuration biologique des eaux ou pour augmenter l'efficacité lors de la déshydratation des boues résiduaires de toutes les stations d'épuration.
Fondamentalement, différents types de polyélectrolytes sont utilisés dans ces principes.
Il est absolument essentiel que les tests en jar requis pour les systèmes d'eaux usées soient effectués par des experts et que l'utilisation la plus appropriée du polyélectrolyte adapté au système soit sélectionnée.
Le système de traitement peut ainsi fonctionner de manière saine et efficace.
Contrairement à sa forme anionique, le polyélectrolyte cationique est généralement utilisé dans les boues suractivées des stations d'épuration biologique.
Le polyélectrolyte cationique est ajouté à la ligne de boues lors du pompage de l'excès de boues activées prélevées dans le bassin de sédimentation vers des filtres-presses ou des presses à bande pour déshydrater les boues.
Le polyélectrolyte cationique est un composé polymère linéaire, car il possède une variété de groupes actifs, d'affinité, d'adsorption et de nombreuses substances formant des liaisons hydrogène.
Principalement la floculation de colloïdes chargés négativement, la turbidité, le blanchiment, l'adsorption, la colle et d'autres fonctions, pour la teinture, le papier, l'alimentation, la construction, la métallurgie, le traitement des minéraux, le charbon, le pétrole et les industries de transformation et de fermentation de produits aquatiques de colloïdes organiques avec des niveaux plus élevés de traitement des eaux usées, en particulier pour les eaux usées urbaines, les boues d'épuration, les boues de papeterie et le processus de déshydratation des boues industrielles.
Caractéristiques et avantages des polyélectrolytes cationiques :
Soluble dans l'eau, il peut également se dissoudre complètement dans l'eau froide.
Ajoutez une petite quantité de produits polyélectrolytes anioniques et vous obtiendrez un effet de floculation important.
en utilisant des produits et des floculants polyélectrolytes anioniques inorganiques (sulfate ferrique polymérisé, chlorure de polyaluminium, sels de fer, etc.), vous pouvez obtenir un effet plus important.
Avantages des polyélectrolytes cationiques :
Amélioration du taux de décantation dans le clarificateur
Amélioration de l'efficacité du clarificateur
Temps de rétention réduit
Fonctionne indépendamment du pH
Diminution des volumes de boue
Changement de couleur instantané
Gâteaux de filtration comprimés
Réduction de la couleur des effluents
Propriétés des polyélectrolytes cationiques :
Propriétés physicochimiques :
Les polyélectrolytes cationiques sont des macromolécules qui, lorsqu'elles sont dissoutes dans un solvant polaire comme l'eau, possèdent un (grand) nombre de groupes chargés liés de manière covalente.
En général, les polyélectrolytes cationiques peuvent avoir différents types de tels groupes.
Les polyélectrolytes cationiques homogènes n'ont qu'un seul type de groupe chargé, par exemple uniquement des groupes carboxylate.
Si des groupes négatifs (anioniques) et positifs (cationiques) sont présents, nous appelons une telle molécule un polyampholyte.
Ces polyélectrolytes cationiques ne seront que brièvement abordés à la fin de ce chapitre.
Les structures auto-assemblées, telles que les micelles linéaires ou les assemblages de protéines linéaires, possèdent également souvent de nombreux groupes chargés ; ces structures peuvent avoir des propriétés très similaires à celles des polyélectrolytes cationiques, mais nous ne les traiterons pas dans ce chapitre.
Les propriétés particulières des polyélectrolytes cationiques, par rapport aux polymères non chargés, sont leur solubilité dans l'eau généralement excellente, leur propension à gonfler et à lier de grandes quantités d'eau, et leur capacité à interagir fortement avec des surfaces et des macromolécules de charge opposée.
En raison de ces caractéristiques, ils sont largement utilisés comme modificateurs de rhéologie et de surface.
Ces propriétés typiques des polyélectrolytes cationiques sont intimement liées aux fortes interactions électrostatiques dans les solutions de polyélectrolytes cationiques et, par conséquent, sont sensibles au pH de la solution et à la quantité et au type d'électrolytes présents dans la solution.
Les polyélectrolytes cationiques présentent de nombreuses applications dans des domaines tels que le traitement de l'eau en tant qu'agents de floculation, dans les boues céramiques en tant qu'agents dispersants et dans les mélanges de béton en tant que superplastifiants.
De plus, de nombreux shampooings, savons et cosmétiques contiennent des polyélectrolytes cationiques.
Certains polyélectrolytes cationiques sont également ajoutés aux produits alimentaires, par exemple comme revêtements alimentaires et agents de démoulage.
Quelques exemples de polyélectrolytes cationiques sont la pectine (acide polygalacturonique), les alginates (acide alginique) et la carboxyméthylcellulose, dont cette dernière est d'origine naturelle.
Les polyélectrolytes cationiques sont solubles dans l'eau, mais lorsqu'une réticulation est créée dans les polyélectrolytes cationiques, ils ne sont pas dissous dans l'eau.
Les polyélectrolytes cationiques réticulés gonflent dans l’eau et fonctionnent comme des absorbeurs d’eau et sont connus sous le nom d’hydrogels ou de polymères superabsorbants lorsqu’ils sont légèrement réticulés.
Les superabsorbeurs peuvent absorber jusqu’à 500 fois leur poids et 30 à 60 fois leur propre volume.
Les polyélectrolytes cationiques se caractérisent par leur charge positive et diverses propriétés qui les rendent utiles dans différentes applications.
Voici les principales propriétés :
Charge et polarité :
Nature cationique :
Ils possèdent des groupes chargés positivement (par exemple, des groupes ammonium) qui interagissent avec des espèces chargées négativement, telles que des polymères anioniques ou des molécules biologiques.
Échange d'ions :
Peut échanger des ions avec des substances chargées négativement, ce qui les rend utiles dans le traitement de l'eau et la floculation.
Poids moléculaire :
Gamme : Le poids moléculaire varie considérablement, généralement de quelques milliers à plus d'un million de g/mol.
Des poids moléculaires plus élevés améliorent souvent la viscosité et les propriétés de floculation.
Solubilité:
Généralement solubles dans l’eau en raison de la nature ionique de leurs groupes fonctionnels.
La solubilité peut varier en fonction du polymère spécifique et de la concentration du polyélectrolyte cationique.
Certains peuvent être solubles ou gonflables dans certains solvants organiques, mais la solubilité dans les solvants non aqueux est moins courante.
Viscosité:
Augmente généralement avec la concentration et le poids moléculaire.
Des solutions à viscosité plus élevée sont utilisées pour des formulations plus épaisses et une floculation plus efficace.
Sensibilité au pH :
Généralement stable sur une large gamme de pH.
Cependant, des valeurs de pH extrêmes peuvent affecter la densité de charge et, par conséquent, l’efficacité du polyélectrolyte.
Stabilité thermique :
La plupart des polyélectrolytes cationiques sont stables à des températures modérées mais peuvent se dégrader à des températures élevées, affectant leurs propriétés.
Interaction avec les espèces anioniques :
Ils peuvent former des complexes avec des polyélectrolytes ou des substances anioniques, conduisant à des applications dans le traitement de l'eau, où ils neutralisent les contaminants chargés négativement.
Biocompatibilité :
Certains polyélectrolytes cationiques, comme la polyéthylèneimine, sont utilisés dans l'administration de médicaments et la thérapie génique en raison de leur capacité à interagir avec les membranes cellulaires.
La biocompatibilité dépend du polymère spécifique et de la formulation du polyélectrolyte cationique.
Floculation et Coagulation :
Efficaces dans le traitement de l'eau et les processus industriels pour floculer et coaguler les particules en raison de leur capacité à créer des ponts entre les particules.
Propriétés d'adsorption :
Peut s'adsorber sur diverses surfaces, y compris les textiles et les membranes, ce qui est utile pour des applications telles que la purification de l'eau et le traitement des tissus.
Membranes polyélectrolytes cationiques :
Les membranes polyélectrolytes cationiques sont synthétisées à la surface des supports chargés via un revêtement séquentiel de polyélectrolytes cationiques anioniques et cationiques.
Cette technique d'assemblage appelée couche par couche (LbL) est intéressante pour la préparation de membranes NF et RO, et la structure dense obtenue peut limiter le passage des ions à travers les membranes.
Dans cette méthode, tout d'abord, la membrane initialement chargée est trempée dans la solution diluée positive de polyélectrolyte cationique.
Après cela, la membrane est retirée de la solution et rincée à l’eau pour éliminer les molécules non liées.
Ensuite, la membrane chargée positivement obtenue est immergée dans la solution diluée négative de polyélectrolyte cationique anionique suivie d'un rinçage à l'eau.
À chaque étape, une petite quantité de polyélectrolytes cationiques s'adsorbe sur la surface de la membrane et, par conséquent, la charge précédente de la membrane s'inverse.
Plusieurs couches positives et négatives sur la surface de la membrane permettent la préparation de membranes multicouches de polyélectrolytes cationiques.
Le nombre de couches de polyélectrolytes cationiques formées joue un rôle essentiel dans le flux d'eau et le rejet de sel des membranes de polyélectrolytes cationiques.
Le nombre plus élevé de couches augmente la résistance au transfert de masse, ce qui diminue le flux d'eau.
D'autre part, le rejet de sel augmente avec l'augmentation des couches denses de polyélectrolytes cationiques déposées.
Il convient de noter que le polyélectrolyte cationique présente un nombre optimal de couches qui déterminent les performances de la membrane.
Les performances de séparation, l'épaisseur, l'hydrophilie de surface et la charge des membranes LbL sont affectées par le type, la concentration, le pH et le nombre de couches des polyélectrolytes cationiques.
Coque en polyélectrolyte cationique sensible au pH :
Le complexe polyélectrolyte cationique est très prometteur pour la formation de conteneurs inhibiteurs sensibles au pH.
Comme il existe différentes possibilités de modifier la perméabilité des multicouches de polyélectrolytes cationiques, l'utilisation de complexes de polyélectrolytes cationiques peut contrôler l'intérieur des conteneurs.
En raison de la présence de groupes hydroxyles à la surface de la plupart des NP inorganiques, la majorité de ces particules sont chargées négativement à la surface ; ainsi, des couches de polyélectrolyte cationique chargées de manière opposée peuvent être déposées en alternance sur le matériau par interaction électrostatique pour empêcher toute fuite indésirable d'inhibiteur.
La libération d'additifs à fonction inhibitrice de corrosion, similaires aux revêtements de protection contre la corrosion à base de polyélectrolytes cationiques couche par couche, est contrôlée en faisant varier le niveau de pH, ce qui modifie la perméabilité du polyélectrolyte cationique couche par couche.
Dans les polyélectrolytes cationiques linéaires non réticulés, les complexes de polyélectrolytes cationiques, en raison de leur nature électrostatique, sont très sensibles à la force ionique et au pH.
Si deux types de polyélectrolytes cationiques forts constituent un complexe de polyélectrolytes cationiques, le complexe obtenu présente une stabilité dans une large gamme de valeurs de pH et peut être ouvert en augmentant la force ionique de la solution et en libérant le matériau confiné.
A l'inverse, si des polyélectrolytes cationiques faibles constituent le complexe polyélectrolyte cationique, le complexe obtenu peut être endommagé et détruit en décalant le pH local vers acide pour les polyanions faibles et vers alcalin pour les polycations faibles.
Le complexe polyélectrolyte cationique composé de polyélectrolytes cationiques faibles et forts présente une sensibilité au changement de pH dans une seule direction, ce qui signifie que le polyacide faible associé à la polybase forte ne peut être utilisé que pour la libération d'inhibiteurs dans des milieux acides et le polyacide faible associé à la polybase forte pour la libération d'inhibiteurs uniquement dans des milieux alcalins, tandis que le complexe polyélectrolyte cationique composé de deux polyélectrolytes cationiques faibles constitue une coque de récipient, qui présente une sensibilité au changement de pH dans les deux régions.
Par conséquent, la coque polyélectrolyte cationique des supports d'inhibiteurs de corrosion est capable d'empêcher les fuites de l'inhibiteur de corrosion à un pH presque neutre et d'obtenir des propriétés de libération intelligentes lorsque la corrosion commence avec un changement alcalin et acide du pH.
La fabrication de nanoréservoirs inhibiteurs sensibles au processus anodique ou cathodique ou aux deux processus est possible en faisant varier le matériau de la coque du polyélectrolyte cationique.
Skorb et ses collègues ont déposé une coque de polyélectrolyte cationique en utilisant la méthode couche par couche sur la surface des nanoparticules de silice mésoporeuses chargées d'acide [2-(benzothiazol-2-ylsulfanyl)-succinique].
Ces NP ont été dopés dans le revêtement sol-gel.
La perméabilité de la coque a augmenté en réponse à la région alcaline et acide de la surface corrodée, entraînant la libération d'inhibiteurs.
De plus, le revêtement hybride à base de zirconium-silice contenant ces NP améliore la protection à long terme contre les éléments corrosifs.
Les conteneurs submicrométriques construits par cette méthode ont montré une efficacité de chargement d'inhibiteur de corrosion plus élevée.
La libération d'inhibiteur de corrosion déclenchée par le pH ainsi que les effets barrière de la matrice ont augmenté les performances de protection contre la corrosion.
Rhéologie du système électrostérique des polyélectrolytes cationiques :
Les polyélectrolytes cationiques sont largement utilisés comme dispersants pour les colloïdes à forte teneur en solides (> 50 vol%).
Ils combinent les principes de l'EDL et de la stabilisation stérique, ou stabilisation électrostérique, et dépendent du pH et de la force ionique.
À faible charge en solides (~ 20 % en volume), la viscosité est relativement faible et le polyélectrolyte cationique est très peu affecté par les changements de pH.
Cependant, à mesure que la charge en solides augmente, le pH affecte considérablement la viscosité.
La quantité de polyélectrolyte cationique ajoutée a également un effet profond sur la rhéologie colloïdale.
Le polyélectrolyte cationique doit être optimisé pour simplement saturer la surface.
Des polyélectrolytes cationiques supplémentaires entraînent des quantités excessives de polymère dans le système, et un excès de polymère peut provoquer une floculation par appauvrissement dans les systèmes à forte charge en solides.
La conformation du polyélectrolyte cationique adsorbé joue également un rôle important dans le comportement rhéologique des colloïdes stabilisés électrostériquement et, à son tour, la conformation du polyélectrolyte cationique dépend du pH du système.
Une étude détaillée du comportement d'adsorption sur Al2O3 montre que l'adsorption des polyélectrolytes cationiques sur les particules augmente à mesure que le pH diminue.
En règle générale, une augmentation de 10 fois de la quantité adsorbée est observée de l'état non chargé à l'état chargé.
Lorsque le pH augmente ou diminue au-delà de la charge nulle, la fraction du polyélectrolyte cationique dissociée se déplace vers 1.
Par conséquent, les charges dans le polyélectrolyte cationique réagissent entre elles et la molécule s'étire.
Actuellement, deux modèles existent : le polyélectrolyte cationique chargé s'adsorbe à plat sur la surface ou le polyélectrolyte cationique s'adsorbe dans une structure en brosse en forme de queue.
La forme de conformation du polyélectrolyte cationique adsorbé influence fortement la qualité de la dispersion.
Les types de structures obtenues (plates, en forme de crêpe ou en forme de brosse) dépendent des conditions d'adsorption et des matériaux impliqués.
Pour une adsorption de type crêpe, le polymère ne contribue qu'à la force de répulsion à courte portée, et les forces EDL du polyélectrolyte cationique chargé contribuent principalement à la stabilisation via des interactions à longue portée.
Pour les structures de type brosse, la répulsion est beaucoup plus forte et de véritables contributions électrostériques sont présentes.
Les polyélectrolytes cationiques peuvent également être utilisés comme dispersants lorsqu'ils sont non chargés, c'est-à-dire à leur PZC.
Cependant, ils privilégieront les conformations en forme de bobine.
Par conséquent, des poids moléculaires beaucoup plus élevés seront nécessaires pour obtenir des couches plus épaisses de bobines de polymère adsorbées, et les forces stériques contribuent principalement à la stabilisation.
Manipulation et stockage des polyélectrolytes cationiques :
Manutention:
Éviter le contact :
Utilisez un équipement de protection individuelle (EPI) approprié, tel que des gants, des lunettes de sécurité et des blouses de laboratoire, pour éviter toute exposition de la peau, des yeux et des voies respiratoires.
Utilisation dans des zones ventilées :
Manipuler dans des zones bien ventilées pour minimiser l’inhalation de poussières ou de vapeurs.
Prévenir la contamination :
Assurez-vous que l’équipement utilisé est propre et exempt de contaminants pour éviter les réactions avec d’autres produits chimiques.
Entraînement:
Assurez-vous que le personnel manipulant le matériau est formé aux procédures de manipulation et d’urgence appropriées.
Stockage:
Conditions:
Conserver dans un endroit frais et sec, à l’abri de la lumière directe du soleil, des sources de chaleur et de l’humidité.
Les températures de stockage typiques sont comprises entre 15°C et 30°C (59°F et 86°F).
Conteneurs :
Conserver dans des récipients hermétiquement fermés pour éviter la contamination et l’exposition à l’air ou à l’humidité.
Utiliser des contenants fabriqués à partir de matériaux compatibles.
Séparation:
Conserver à l’écart des substances incompatibles, telles que les acides forts, les bases ou les oxydants.
Étiquetage :
Étiquetez clairement tous les contenants avec le nom du produit chimique, sa concentration et les informations de sécurité pertinentes.
Stabilité et réactivité des polyélectrolytes cationiques :
Stabilité:
Stabilité chimique :
Généralement stable dans les conditions de stockage recommandées.
La stabilité peut être affectée par l’exposition à des températures extrêmes, à l’humidité ou à la lumière.
Durée de conservation :
Généralement stable pendant 1 à 2 ans lorsqu'il est stocké dans des conditions appropriées.
Consultez la documentation spécifique du produit pour connaître la durée de conservation précise.
Réactivité:
Incompatibilités :
Évitez tout contact avec des acides forts, des bases ou des agents oxydants, qui peuvent provoquer une dégradation ou des réactions indésirables.
Décomposition:
Peut se décomposer dans des conditions extrêmes, telles que des températures élevées ou une exposition à des acides ou des bases fortes.
Polymérisation:
Non sujet à la polymérisation dans des conditions normales.
Mesures de premiers secours pour les polyélectrolytes cationiques :
Inhalation:
Déplacez-vous vers l'air frais :
Éloignez immédiatement la personne concernée de l’air frais.
Consulter un médecin :
Si les symptômes persistent ou sont graves, consultez un médecin.
Contact avec la peau :
Lavage :
Rincez la zone affectée avec beaucoup d’eau pendant au moins 15 minutes.
Retirer les vêtements contaminés et les laver avant de les réutiliser.
Consulter un médecin :
Si l’irritation persiste ou en cas d’exposition importante, consulter un médecin.
Contact visuel :
Rincer immédiatement :
Rincer les yeux avec de l’eau ou une solution saline pendant au moins 15 minutes.
Maintenir les paupières ouvertes pour assurer un rinçage complet.
Consulter un médecin :
Si l’irritation persiste ou si la vision est affectée, consultez un médecin.
Ingestion:
Ne pas provoquer de vomissements :
Ne pas faire vomir, sauf avis contraire d’un professionnel de la santé.
Rincer la bouche :
Rincez la bouche avec de l’eau et consultez immédiatement un médecin.
Fournir le contenant ou l’étiquette du produit si disponible.
Mesures de lutte contre l'incendie des polyélectrolytes cationiques :
Moyens d'extinction appropriés :
Eau:
Convient pour l'extinction des incendies impliquant des solutions aqueuses de polyélectrolytes cationiques.
Mousse:
Utiliser de la mousse pour les incendies impliquant des solvants organiques.
Agent chimique sec :
Efficace pour les petits incendies.
Dangers spécifiques :
Produits de combustion :
Peut libérer des fumées toxiques, telles que du monoxyde de carbone ou d’autres gaz dangereux, lors de la combustion.
Équipement de protection :
Portez un appareil respiratoire autonome (ARA) et des vêtements de protection complets lorsque vous combattez les incendies.
Précautions particulières :
Endiguement:
Empêcher le ruissellement des eaux provenant des activités de lutte contre l’incendie de pénétrer dans les cours d’eau ou les systèmes de drainage.
Conteneurs sympas :
Conserver les contenants au frais avec de l'eau pulvérisée pour éviter toute rupture ou tout danger supplémentaire.
Mesures à prendre en cas de rejet accidentel de polyélectrolytes cationiques :
Précautions personnelles :
Éviter le contact :
Portez un EPI approprié, notamment des gants, des lunettes de sécurité et une protection respiratoire si nécessaire.
Ventilation:
Assurer une ventilation adéquate dans la zone du déversement.
Confinement et nettoyage :
Contenir les déversements :
Utilisez des matériaux absorbants comme du sable, de la terre ou des absorbants commerciaux pour contenir et absorber le déversement.
Collecter et éliminer :
Placer le matériau absorbé dans des conteneurs à déchets appropriés et éliminer conformément aux réglementations locales.
Nettoyez soigneusement la zone affectée avec de l’eau.
Précautions environnementales :
Prévenir le ruissellement :
Évitez de laisser le produit déversé pénétrer dans les cours d’eau ou les systèmes de drainage.
Rapport:
Informez les autorités compétentes si le déversement présente un danger pour l’environnement.
Contrôles d'exposition et équipement de protection individuelle des polyélectrolytes cationiques :
Limites d'exposition :
Limites d’exposition professionnelle :
Généralement non spécifié pour de nombreux polyélectrolytes cationiques, mais de bonnes pratiques d'hygiène industrielle doivent être suivies.
Équipement de protection individuelle :
Protection respiratoire :
Utiliser en cas de risque d'inhalation de poussières ou de vapeurs.
Un respirateur approprié doté d’un filtre à particules ou à produits chimiques peut être nécessaire.
Protection des mains :
Portez des gants résistants aux produits chimiques pour éviter tout contact avec la peau.
Protection des yeux :
Utilisez des lunettes de sécurité ou des lunettes de protection pour protéger les yeux des éclaboussures ou de la poussière.
Protection de la peau :
Portez des vêtements de protection, tels que des blouses de laboratoire ou des tabliers, pour éviter tout contact avec la peau.
Contrôles d'ingénierie :
Ventilation:
Utiliser une ventilation par aspiration locale ou des hottes aspirantes pour minimiser l’exposition par inhalation.
Douches de sécurité et postes de lavage des yeux :
Assurez-vous que des douches de sécurité et des postes de lavage des yeux sont disponibles dans les zones où des polyélectrolytes cationiques sont manipulés.
Identifiants des polyélectrolytes cationiques :
Numéro CAS : 26062-79-3
Formule chimique : (C8H16CLN)n
PubChem CID : CID 130881.
Numéro EINECS : 247-348-6.
Nom IUPAC : Polyéthylèneimines
Poids moléculaire : de 1 000 à plus de 100 000 g/mol.
Nom IUPAC : chlorure de poly(2,3-diméthyl-1-(3-diméthylammoniumpropyl)imidazolium)
Numéros EINECS :
202-437-6
247-348-6
CID PubChem :
CID 11650
CID 130881
Numéros de registre Beilstein :
Numéro de registre Beilstein 3204345
Numéro de registre Beilstein 3836369
Identifiant ChEBI : CHEBI:15346
Identifiant ChemSpider : 11897
Code SH : 3905
Propriétés des polyélectrolytes cationiques :
Aspect Poudre blanche fluide
Densité apparente g/l à 25 °C 0,75-0,85
Concentration pour dilution (g/l) 2,0-3,0
Spécifications des polyélectrolytes cationiques :
Aspect : Solide blanc à jaune clair ou solution incolore.
Poids moléculaire : 1 000 à 100 000 g/mol.
Densité de charge : élevée, varie selon le poids moléculaire.
Solubilité : Soluble dans l’eau ; les solutions concentrées peuvent être visqueuses.
Stabilité du pH : Stable sur une large plage de pH ; généralement de 4 à 10.