Acrylamide and its Formation Process

Acrylamide is a white crystalline chemical. It is the raw material for the production of polyacrylamide. Polyacrylamide is mainly used for water purification treatment, the pulp processing and coating pipes. Starchy foods are prone to generate acrylamide at high temperature (> 120 ℃) . 

Studies have shown that human body can have access to acrylamide through a variety of ways such as digestive tract, respiratory tract and skin mucous membranes. Drinking water is a very important route. 

In April 2002, the Swedish National Food Administration and Stockholm University researchers first reported the detection of acrylamide in some fried and grilled starchy foods, such as french fries, potato chips and the like. The content exceeds 500 times of the maximum limit allowable in drinking water. Later, Norway, the United Kingdom, Switzerland and the United States have also reported similar results.

Acrylamide is mainly formed in the cooking of high-carbohydrate, low-protein plant foods at a temperature above 120℃. 140-180 ℃ is the optimum temperature for the generation of acrylamide. While before food processing, acrylamide can not be detected. At lower processing temperature, the content of acrylamide is relatively low. The water content is also an important factor affecting its formation, especially for baked, fried foods. At the final stage when the water is reduced and the surface temperature is increased, the content of acrylamide is the highest. But coffee is an exception. The main precursors of acrylamide are free aspartic acid (the representative amino acid in potatoes and cereals) and reducing sugars. The two generate Maillard reaction and produce acrylamide. The acrylamide formed in food is relatively stable. But for coffee, the content of acrylamide will be lowered as the storage is prolonged.

Detailed Explanation on Polyvinyl Alcohol and Acrylamide Glue 2

Although the purity of acrylamide produced by biological method is high, in order to facilitate storage and transport, some polymerization inhibitors such as copper ions, phenols are usually added to it.  

Therefore, in the production of glue, you can add ethylene diamine tetra-acetic acid (EDTA) to remove copper, iron ions. It can significantly improve the conversion rate and the molecular weight of the polymer.

Many customers have complained about the difficulty to control acrylamide glue reaction after adding the initiator. They have to stare at the reactor ( or system of plastic barrels) all the time. After the glue thickens (usually takes about half an hour ), add cold water to dilute and cool it immediately. If the glue is too thick to stir, it is of no use at all. 

Here, I would like to talk about the ratio between the monomers and water.

  

Seeing from the kinetic equations of the polymerization of acrylamide (AM), we can know that with the increase of the AM monomer concentration, the polymerization rate increases as well.

Acrylamide polymerization reaction is exothermic. As the reaction proceeds, the temperature will gradually rise. The rising temperature will accelerate the reaction.

If the monomer concentration is too high, it is likely to cause local temperature non-uniformity in the viscous liquid, resulting in non-uniform reaction of the glue.

A very important indicator of acrylamide adhesive is the molecular weight of the polymer.

In general , as the monomer concentration increases and the reaction speeds up, the viscosity increases rapidly. The polymerization heat is difficult to promptly dissipate, resulting in the rise of polymerization system temperature and at the same time, the molecular weight of the polymerization product also increases.

Those customers mentioned earlier, since the monomer concentration is too large, leading to the formation of high viscosity concentration gel that requires human to terminate the reaction, or the glue will become sticky candy or jelly and be useless.

However, with the increasing concentration of monomer, the polymerization product will generate a great value. When the monomer concentration exceeds a certain value, the molecular weight of the polymers will decrease. 

Common Used Food Additives in Daily Life

Thickening agent: it is mainly used to improve and increase the viscosity of food, maintaining the color, smell, taste and stability of flow state food and jelly food and improving the physical properties of food. China is currently approved for the use of 39 varieties of thickeners. Thickening agents are hydrophilic polymers, also known as hydrosol. According to its source, it can be divided into natural and synthetic (including semi-synthetic ) two categories. Most natural products are extracted from polysaccharides plants and seaweed such as starch, pectin, agar, gelatine, seaweed butter, carrageenan, dextrin, tragacanth, polysaccharide derivatives, etc. synthetics include methyl cellulose, sodium carboxymethyl cellulose and other cellulose derivatives, starch derivatives, casein, sodium polyacrylate, polyethylene oxide, polyvinyl pyrrolidone, polyvinyl alcohol, low molecular weight polyethylene wax , polyacrylamide and so on.

Leavening agent: it is added to wheat flour, the major raw material of producing baked products. It will decompose and generate gas in the production process when heated. It is generally used in the production of cakes, biscuits, bread, wheat bread and other flour-based baked goods. Some chocolates will also be added on leavening agent to generate carbon dioxide to achieve leavening effect. The commonly used bulking agents include sodium bicarbonate, ammonium bicarbonate and composite leavening agent.

Sweeteners: it is a kind of food additives that can endow soft drinks with sweetness. There are many different kinds of sweeteners. According to its different resources, it can be classified into natural sweeteners and artificial sweeteners. Glucose, fructose, sucrose, maltose, lactose, starch and other carbohydrates are also natural sweeteners, but since they are the long-term human consumption products and important nutrients, they are generally regarded as food ingredients and food materials, not food additives in China. Natural sweeteners include stevioside, licorice, licorice acid disodium glycyrrhizinate tripotassium glycyrrhizinate and trisodium glycyrrhizinate. Artificial sweeteners include saccharin, sodium saccharin, sodium cyclamate, aspartic acid phenylalanine methyl ester alitame, etc.

what kind of polymeric product do we need?

I personally believe that in construction glue, we have to control the molecular weight and ion linking of the glue by the reaction. The bigger the molecular weight, the higher the consistency; ionic - anionic, cationic, nonionic and amphoteric ; cross linking degree - line, star, cross-linked network..

Is the molecular weight the higher the better? Is the glue the denser the better? Of course not. If the denser the glue is, the better it works, then it’s very simple, add more PAM to it.

Which type of ionic glue is better? Acrylamide glue is most likely to react into anionic type. Its thickening effect is better, but it will flocculate cement. The thickening effect of non ionic is not as good as anionic, but with relatively smaller cement flocculation. The adhesive strength of linear polymer is poor. After cross-linking, it will form a network structure and the intensity is increased, but if the cross linking is excessive, the water solubility will be weakened. The glue will get white (muddy). 

Therefore, we should first specify what kind of glue we need: proper molecular weight, non ionic, suitable cross linking.

With a specific goal, we can control different reaction parameters to produce the glue we want. Acrylamide is an important polymerized monomer produced by catalyzing, hydrating, concentrating and refining acrylonitrile.

There are three ways to hydrate acrylonitrile: Acrylonitrile sulfuric acid hydration, copper-catalyzed hydration of acrylonitrile and acrylonitrile enzyme catalyzed hydration .

    Acrylamide is called for AM, colorless plates, tasteless, odorless, melting point 84.5, boiling point 125, soluble in water. Acrylamide is very toxic to the central nervous system and harmful to the eyes and skin. Acrylamide is prone to self- polymerization reaction when exposed to heat or light, so it should be stored in a cool place. When producing glue, it is preferable to use fresh acrylamide. The storage should less than 2 months. Otherwise, it will generate a low acrylamide polymer (show as agglomeration and poor solubility) and affect the final glue production.

The Range of Application of Anionic PAM

Because of their different molecular functional groups, the application range of anionic PAM, cationic PAM, nonionic PAM, zwitterionic PAM is also different.

Anionic PAM

Anionic PAM is suitable for suspended particles, coarse, high concentrations of positively charged particles, neutral or alkaline waste water. Since the anionic PAM molecular chain contains a certain amount of polar groups capable of adsorbing solid particles suspended in water, it makes the particles form a large flocculate. So it can accelerate the sedimentation of particles in suspension, speed up the clarification of solution and promote filtering effects. The product is widely used in the chemical industry waste water, waste water treatment, municipal sewage treatment and other water treatment such as tap water, the high turbidity water purification, coal, mineral processing, metallurgy, steel, zinc, aluminum industry, electronic industry and other treatment .

APAM can also be widely used for the oil industry, oil exploitation, drilling mud, waste mud treatment, water channeling prevention, friction reduction, recovery enhancement and so on.

In paper industry, on the one hand, it can increase the retention rate of filler and pigment in order to reduce the loss of raw materials and environmental pollution. On the other hand, it can improve the strength of paper ( including dry strength and wet strength). In addition, the use of PAM can also increase the tear resistance of paper so as to improve the visual and print performance. It can also be used in wrapping paper for food and Tea.

In other industries such as food industry, APAM is used for syrup clarification and phosphorus float extraction in the production of cane sugar and beet sugar. APAM is also used for the recovery of feed protein. The quality is stable and the performance is good. The protein powder recovered has no bad effect on the survival rate of chickens and their weight. Other industries such as synthetic resin coatings, grouting materials, building materials, cement industry, electroplating industry, printing and dyeing industries, APAM is also widely used.

The Application of PAM in Paper Making and Textile Industry

1. Paper making filed

PAM is widely used in paper making industry as resident agent, filter aid agent and so on. It can 

improve the quality of the paper and the dewatering effect of pulp, increase the retention rate of fine fibers and fillers and reduce the consumption of raw material and environmental pollution. The effect of PAM used in paper making depends on its average molecular weight, ionic nature, ionic strength, and the activity of other copolymers. Nonionic PAM is mainly used to improve the filter function of pulp, increase dry paper strength, and improve the retention rate of fiber and filler.  Anionic copolymer is mainly used as reinforcing agent and resident agent of the dry and wet of paper. Cationic copolymer is mainly used for papermaking wastewater treatment and aiding filter. Apart from that, it also has a good effect on improving filler retention rate. In addition , PAM is also used in papermaking wastewater treatment and fiber recovery .

2. Textile industry

In textile industry, PAM, as after treatment sizing agent and finishing agent, can generate supple, wrinkle-free, mold-resistant protective layer. Taking advantage of its hygroscopic characteristic, it can reduce the breakage rate of spinning yarn. PAM, acting as after treatment agent, can prevent static electricity and improve flame retardant property. When used as auxiliaries , PAM can improve the adhesion rate and the brightness of the product. It can also can be used as bleaching non-silicone polymer stabilizer. Besides, PAM can also be used for the purification of textile printing and dyeing wastewater .

3. Other fields

In mining and coal washing industry, the application of PAM as flocculant can increase the settling solids during coal washing water recycling process and improve water clarification while at the same time recycle useful solid particles to avoid environmental pollution.

In sugar industry, PAM can speed up the sinking rate of fine particles in the juice to promote filtering and improve the clarity of filtrate. 

In the breeding industry, PAM can improve water quality, increase water transmission performance and thereby improving the photosynthesis of water. 

In the pharmaceutical industry, PAM can be used as flocculants for the separation of antibiotics.

In the building materials industry, PAM can be used as paint thickener dispersant, sawing stone plate coolant and ceramic adhesive agent.  

In agriculture industry, polyacrylamide, as superabsorbents, can be used as soil humectant and seed culture agent. 

In the construction industry , PAM can enhance the hardness of gypsum cement, accelerate dehydration speed of asbestos cement. In addition, PAM also be used as the protective layer of natural or synthetic leather and as granulation additives of inorganic fertilizer.

Detailed Explanation on Polyvinyl Alcohol and Acrylamide Glue 1

Currently there are two methods of producing acrylamide glues. One is the mixing of acrylamide copolymer and polyvinyl alcohol solution the other is the copolymerization of acrylamide and polyvinyl alcohol along with initiators. Now the commonly used method is the second one. Then there is a question: is there any differences between the two methods? Will polyvinyl alcohol react with acrylamide?

Acrylamide mainly contains double bonds and functional groups of amido, and can react with a variety of reactive monomers. Polyvinyl alcohol contains only one hydroxyl functional group can carry out acetal , esterification and etherification reaction. There is little related documents regarding whether polyvinyl alcohol and acrylamide can react with each other or not.

The only reference is the graft reaction between starch and acrylamide. In the graft reaction, apply Redox systems and use acrylamide monomer to graft starch molecules. However, the molecular weight of polyvinyl alcohol is relatively large. Its graft reaction rate with acrylamide is far below the double bond radical copolymerization reaction between the acrylamide monomers. By reducing the molecular weight of polyvinyl alcohol, the reaction rate can be improved both. For example, after polyvinyl alcohol being dissolved under high temperature, adding a certain amount of hydrogen peroxide to reduce the degree of polymerization of the polyvinyl alcohol. However, reducing the degree of polymerization will weaken the glue adhesive strength and consistency, so this method is not suitable for practical use. Therefore, we can make a conclusion: the grafting reaction can be carried out between polyvinyl alcohol and acrylamide, but im comparison with the double bond radical copolymerization between acrylamide monomers, the reaction is basically negligible. We can also see from the actual production that the basic properties of copolymers and complex are the same. The only difference is that after the reaction between acrylamide and polyvinyl alcohol, miscibility of the two is better. Acrylamide monomer generate radical polymerization in a redox system. We can get the polymerization products we need by manipulating the polymerization reaction. But first we should make one thing clear: what kind of polymeric product we need?

The Application of Polyacrylamide

Polyacrylamide is the unified name for the polymers of acrylamide homopolymers and other monomers. PAM is one of the most widely used water-soluble polymers. PAM is widely used in  oil exploration, paper, water treatment, textile, medicine, agriculture and other industries. According to statistics, 37% of the total global output of PAM is used for wastewater treatment, 27% for oil industry and 18% for paper industry .

1. Water treatment

The application of PAM in water treatment industry mainly includes: raw water treatment, sewage treatment and industrial water treatment. In the original water treatment, PAM, used together with activated carbon, can be used to unite and clarify particles suspended in drinking water. In wastewater treatment, PAM can be used for sludge dewatering. In industrial water treatment, PAM is mainly used as a pharmaceutical formulation. In the original water treatment, replace inorganic flocculants with organic flocculants PAM, water purification ability can be increased by 20 %. So now in many cities, when water supply is limited or water quality is poor, PAM will be used as a supplement. PAM’s effect on industrial wastewater treatment, especially for neutral or alkaline sewage water with coarse, high concentration suspended particles, wastewater from steel plant and electroplating factory, metallurgy wastewater and coal washing waste water, is the best. In sewage treatment , the use of PAM can increase the utilization rate of water reuse cycles .

2. Oil Exploration field

In oil mining industry, PAM is mainly used for drilling mud materials and for improving oil recovery rate and widely used in well drilling, completion, cementing , fracturing, enhanced oil recovery and other mining operations of oil field. PAM is with the functions of increasing viscosity, decreasing fluid loss, flow variable adjustment, gelling, diversion and profile control. At present, China has entered the middle and last period of oil exploration. In order to improve oil recovery, China mainly promote polymer flooding and ASP flooding technology. By injecting PAM solution to improve oil flow rate ratio, the oil content in recovery will be increased. At present, the application of PAM in oil fields in foreign countries is not much.