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消泡劑的主要應(yīng)用領(lǐng)域

時(shí)間:2024-06-06 22:33 閱讀:1644 來源:互聯(lián)網(wǎng)

背景及概況】[1][2]3]

在染色、造紙、發(fā)酵、制糖、石油蒸餾等工業(yè)中,有時(shí)液面上產(chǎn)生泡沫,這對(duì)生產(chǎn)過程極其不利。它不但妨礙操作,而且引起公害,嚴(yán)重時(shí)可能引起火災(zāi)。遇到這種情況就要迅速消泡。凡是加入少量物質(zhì)能使泡沫很快消失的,稱為消泡劑。消泡劑,又稱抗泡劑,20 世紀(jì) 30 年代開始在工業(yè)中應(yīng)用,許多工業(yè)發(fā)酵都要用消泡劑來防止過多泡沫的產(chǎn)生,如油漆、涂料、制漿造紙、油墨、洗衣粉、發(fā)酵、食品等工業(yè)。美國和歐洲是全球兩大消泡劑市場(chǎng),因?yàn)榄h(huán)境條件的限制,目前消泡劑市場(chǎng)增長(zhǎng)最快的是以中國和印度為代表的亞太地區(qū)。

消泡劑大多數(shù)是表面活性劑。例如,當(dāng)潤(rùn)滑油與空氣接觸且被其吹動(dòng)時(shí),常在油中形成微小的氣泡而難于消失。這樣,對(duì)軸承齒輪的供油,有時(shí)發(fā)生潤(rùn)滑不良和故障,還可使?jié)櫥腕w積增大從貯油箱中溢出。運(yùn)行中的油,由于含有氣泡可使動(dòng)力的傳遞發(fā)生劇變。新鮮的油,隨著使用時(shí)間的增長(zhǎng)亦常發(fā)泡。如在油中加入0.001~0.0001%難溶性的二甲基硅氧烷有時(shí)可使發(fā)泡斷然停止,故此物常用對(duì)透平油、齒輪油等作為消泡劑使用。消泡的方法通常有兩大類,即物理方法和化學(xué)方法。物理消泡法就是改變產(chǎn)生泡沫的條件,而泡沫溶液的化學(xué)成分仍然保持不變?;瘜W(xué)消泡法是在泡沫中加入化學(xué)藥品,使之與起泡劑發(fā)生化學(xué)變化,以達(dá)到消泡的目的。例如對(duì)以脂肪酸鈉為起泡劑的泡沫,可以加入酸或鈣、鎂鹽類,使之產(chǎn)生不溶性的脂肪酸或脂肪酸鈣、鎂皂,消除其起泡作用,使泡沫破滅。在工業(yè)生產(chǎn)上對(duì)消泡劑的要求是用量少、效率高、而且消泡迅速。消泡劑可分成醇類、脂肪酸及脂肪酸酯類、酰胺類、磷酸酯類、有機(jī)硅化合物等。

分類[4]

可用作消泡劑的物質(zhì)很多,有油型、溶液型、乳液型、粉末型和復(fù)合型??煞譃橐韵聨状箢悾?/p>

油脂類: 如蓖麻油、亞麻油、礦物油、動(dòng)物油等;

脂肪酸類,如硬脂酸、油酸、棕櫚酸、辛酸、癸酸、月桂酸等;

酯類,如硬脂酸酯、磷酸酯、磺酸酯等;

醇類,3-庚醇、2-乙基己醇、聚氧乙烯醇、聚丙二醇等;

醚類,如3-庚基溶纖劑、壬基溶纖劑- 3-庚基卡必醇,脂肪醇聚乙二醇醚;

胺類,如二戊胺、硬脂胺、油胺等;

酰胺類,如聚酰胺、12-羥基硬脂基- 牛脂酰胺、N,N′-硬脂酰乙二胺、脂肪酸二酰胺、雙十八?;哙さ?;

金屬皂類,如硬脂酸鋁、硬脂酸鈣、油酸鉀、油酸鈣等;

聚硅氧烷類,如二甲基聚硅氧烷、硅酮、氟硅氧烷、甲基聚硅氧烷-聚氧乙烯嵌段聚合物等;

有機(jī)極性化合物類,如聚丙二醇、聚丙二醇與環(huán)氧乙烷的加成物等;

環(huán)氧化合物,環(huán)氧乙烷因水溶性較大,不適宜用作消泡劑,但環(huán)氧丙烷的齊聚物可用作蛋白膠消泡劑;

其他類,如硫酸亞鐵、鋁礬土、三氟三氯丙烷、滑石粉、二氧化硅及硅酸鹽溶膠、妥爾油混合物、有機(jī)磷化合物及縮醛等。

【特性】[4]

①消泡力強(qiáng),用量少。

②加到起泡體系中不影響體系的基本性 質(zhì),即不與被消泡體系起反應(yīng)。

③表面張力小。

④與表面的平衡性好。

⑤耐熱性好。

⑥擴(kuò)散性、滲透性好,正鋪展系數(shù)較高。

⑦化學(xué)性穩(wěn)定,耐氧化性強(qiáng)。

⑧氣體溶解性、透過性好。

⑨在起泡性溶液中的溶解性小。

⑩無生理活性,安全性高,用于食品、化妝品及醫(yī)藥工業(yè)者,應(yīng)符 合有關(guān)規(guī)定。

【消泡原理】[5]

泡沫是氣體分散于液體中的分散體系,氣體是分散相,液體是分散介質(zhì),由于氣體不溶于表面活性劑而形成穩(wěn)定狀態(tài)。氣泡形成后,由于發(fā)泡體系分子間的作用,親水基和疏水基被氣泡壁吸附,形成規(guī)則排列,其親水基朝向水相,疏水基朝向氣泡內(nèi),從而在氣泡界面上形成彈性膜,其穩(wěn)定性很強(qiáng),常態(tài)下不易破裂。同時(shí)泡沫是熱力學(xué)不穩(wěn)定系統(tǒng),在重力作用下不斷進(jìn)行著液膜的下流、蒸發(fā)、破裂,以及泡沫液膜間的排液、滲透過程。消泡的原因主要分為兩方面:1)易于鋪展、吸附的消泡劑分子取代了起泡劑分子,形成了強(qiáng)度較差的膜;2)在鋪展過程中消泡劑分子帶走鄰近表面層的部分溶液,使泡沫液膜變薄,泡沫穩(wěn)定性降低,易于被破壞。

從上面我們可以得知,消泡劑要發(fā)揮作用,首先必須滲入到泡膜的雙層膜中,其滲入能力可用滲入系數(shù) E 表示。消泡劑滲入后需要快速散布開來,其散布能力可用散布系數(shù) S 表示,

式中:γF為泡沫介質(zhì)的表面張力;γDF為消泡劑的表面張力;γD為泡沫介質(zhì)與消泡劑之間的界面張力。當(dāng) E>0 時(shí),消泡劑能夠滲入到泡沫中;當(dāng) E<0 時(shí),消泡劑不能滲入泡沫中;當(dāng) S>0 時(shí),消泡劑能在液膜表面擴(kuò)展;當(dāng) S <0 時(shí),消泡劑不能在液膜表面擴(kuò)展。所以,只有當(dāng) E>0,S>0 時(shí)消泡劑才具有消泡作用。

【應(yīng)用】[5][6][7]

1. 在延遲焦化工藝中的應(yīng)用

延遲焦化工藝主要是煉油廠將重質(zhì)渣油經(jīng)深度加工,提高輕質(zhì)油收率的熱加工工藝。延遲焦化工藝中焦炭塔內(nèi)高溫裂解的油氣從部分裂化的焦化原料(高黏度樹脂狀物質(zhì))中逸出,形成很高的泡沫層,泡沫層夾帶大量焦粉,隨著焦炭塔內(nèi)焦層高度逐漸增長(zhǎng),泡沫層內(nèi)的焦粉和未完全反應(yīng)的稠油隨焦化油氣一起從焦炭塔頂大油氣管線攜帶到分餾塔,引起分餾塔結(jié)焦,甚至造成輻射段進(jìn)料過濾器、分餾塔底循環(huán)過濾器和進(jìn)料泵堵塞,加熱爐管結(jié)焦,嚴(yán)重威脅裝置的安全生產(chǎn)。攜帶到分餾塔內(nèi)的焦粉經(jīng)分餾等工藝進(jìn)入到焦化汽油、柴油中,對(duì)后續(xù)加氫還原工藝也會(huì)造成危害。為了消除以上不利影響,國內(nèi)外普遍采用了在焦炭塔上部加注消泡劑的技術(shù)。消泡劑具有顯著的消泡效果,可以將泡沫層高度降低,從而減少焦化裝置焦粉攜帶,延長(zhǎng)焦化裝置的運(yùn)轉(zhuǎn)周期。

2. 在造紙工業(yè)中的應(yīng)用

造紙工業(yè)中泡沫處理是生產(chǎn)中的棘手問題。在堿法制漿過程中,制漿原料中含有脂肪酸、樹脂酸等天然物質(zhì),與加入的氫氧化鈉、硫化鈉等化學(xué)試劑反應(yīng)生成皂化物和堿木素等起泡物質(zhì),再加上纖維素等高分子物質(zhì)的穩(wěn)泡作用,以及漿料流動(dòng)、攪拌混合使大量空氣混入漿料體系,形成了大量穩(wěn)定的泡沫,給后續(xù)工序如洗滌、輸送、漂白等帶來很大困難,最終會(huì)影響漿料洗滌和漂白的質(zhì)量。在抄紙過程中,制漿工序夾帶的天然及人工添加的起泡性表面活性劑、合成高分子等,形成大量泡沫,會(huì)導(dǎo)致紙面出現(xiàn)斑點(diǎn)或透光點(diǎn),甚至引起斷紙等。在涂布過程中,涂料起泡會(huì)使涂布紙上出現(xiàn)無涂料的斑痕(即魚眼),影響紙的適應(yīng)性能和平滑度。因此,無論是制漿、抄紙還是涂布階段,消泡都是一道重要的工序。有研究發(fā)明了一種造紙用消泡劑組合物,消泡劑組合物包含以下組分:二甲基硅油、三甲基氯硅烷、乙基乙烯基醚、十二烷基磺酸鈉、賴氨酸和氯化鈣,制備的消泡劑具有良好的消泡性能,能快速消除造紙?bào)w系中因無機(jī)物和有機(jī)物的混合產(chǎn)生的泡沫。

3. 在紡織工業(yè)中的應(yīng)用

紡織品在加工過程中,要接觸各種染料和助劑。這些助劑,特別是潤(rùn)濕劑、洗滌劑、滲透劑、抗靜電劑和勻染劑等表面活性劑,具有降低漿液表面張力的性質(zhì),這一性質(zhì)對(duì)于漿液在織物表面的鋪展及漿液對(duì)經(jīng)紗的滲透起到很大的改善作用。但是表面張力低的漿液在受到機(jī)械振動(dòng)后,容易產(chǎn)生泡沫,泡沫的存在會(huì)使液體與織物的接觸面降低,產(chǎn)生加工不勻現(xiàn)象,嚴(yán)重影響生產(chǎn)和產(chǎn)品質(zhì)量。在織物染整各工序中,起泡是精煉、漂白、染色和整理過程中的一個(gè)難題。由于起泡,纖維或織物難以充分浸透,使處理效果降低,處理時(shí)間延長(zhǎng),還會(huì)引起污斑等質(zhì)量問題。消泡劑對(duì)于染色過程意義更突出,滌綸織物在進(jìn)行高溫噴射染色時(shí),為達(dá)到勻染性,必須使織物在機(jī)內(nèi)高速運(yùn)行,如果染液中存在泡沫,織物上就會(huì)出現(xiàn)色點(diǎn)、色斑和色澤不勻,嚴(yán)重影響產(chǎn)品質(zhì)量。但在高溫高壓下,一般的硅氧烷消泡劑會(huì)產(chǎn)生薄膜狀沉淀而使被染物產(chǎn)生斑點(diǎn)。因此對(duì)有機(jī)硅消泡劑的水分散性提出了更高的要求,普通聚醚硅油難以達(dá)到要求。應(yīng)用嵌段共聚物就能克服以上缺點(diǎn),因?yàn)檫@些消泡劑組分能溶于冷水,而不溶于熱水,所以能起消泡作用。開發(fā)生產(chǎn)的高濃度耐高溫強(qiáng)堿消泡劑 YAT722,經(jīng)在印染加工行業(yè)中試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)消泡劑YAT722 耐高溫(130℃)、耐強(qiáng)堿,消泡抑泡好,同時(shí)具有優(yōu)秀的自乳化性能,抗高剪切、不漂油,特別適用于紡織行業(yè)高溫溢流染色工藝。產(chǎn)品 XIAMETER@AFE-0800 消泡劑,其稀釋液特別適合于織物噴染和精煉等高溫、高壓和高剪切條件下使用。該消泡劑在 130℃以上、極高剪切力條件下具有良好的穩(wěn)定性并兼?zhèn)湎莺鸵峙菪浴?/p>

4. 味精生產(chǎn)中的消泡劑

谷氨酸是世界上氨基酸產(chǎn)量的品種,由谷氨酸制備的谷氨酸鈉,味精的發(fā)酵過程屬于好氣性發(fā)酵,過程中產(chǎn)生大量的氣泡,氣泡的產(chǎn)生會(huì)降低產(chǎn)量、抑制菌體的呼吸作用、降低菌體的產(chǎn)酸率。消泡劑是抑制泡沫最經(jīng)濟(jì)、最簡(jiǎn)單的方法。用于味精生產(chǎn)中的消泡劑通常有植物油消泡劑、聚醚消泡劑、有機(jī)硅消泡劑,但是植物油消泡劑貯存不好,易變質(zhì)、酸值增高,應(yīng)用較少,目前聚醚類消泡劑、有機(jī)硅消泡劑在味精發(fā)酵工業(yè)中的應(yīng)用較為廣泛,學(xué)者們對(duì)此進(jìn)行的研究也較多。

5. 糖生產(chǎn)中的消泡劑

中國是世界上最早制糖的國家之一,制糖工藝采用濃縮結(jié)晶法,消泡劑是制糖過程中常用的工業(yè)助劑,使用的消泡劑主要有聚甘油脂肪酸酯類、蔗糖脂肪酸酯類、聚醚類和有機(jī)硅類等。因?yàn)榫鄹视椭舅狨ヮ惣碞 型消泡劑在煮糖過程中消泡和抑泡效果好,糖漿表面張力降低幅度大,還能加快糖晶體的沉降速度,改善糖漿過濾性能,所以聚甘油脂酸酯類消泡劑是目前制糖工業(yè)中用的最廣泛的消泡劑。

6. 淀粉酶生產(chǎn)中的消泡劑

α-淀粉酶(α -1,4 -葡萄糖-葡萄糖苷水解酶)普遍分布在動(dòng)物、植物和微生物中,是一種重要的淀粉水解酶。國內(nèi)學(xué)者研究了 BAA 中溫 α -淀粉酶發(fā)酵中的消泡劑,消泡劑有專用發(fā)酵消泡劑 LB-625、有機(jī)硅消泡劑 KY-2118、聚醚消泡劑PPE。BAA 中溫 α -淀粉酶發(fā)酵是種通風(fēng)量較大的發(fā)酵,特別是在其菌體生長(zhǎng)時(shí)期以及產(chǎn)物合成時(shí)期,泡沫更為嚴(yán)重,容易造成漫灌跑液、染上雜菌,裝料系數(shù)降低等不利影響。專用發(fā)酵消泡劑 LB-625,是一種進(jìn)口的消泡劑,經(jīng)過實(shí)驗(yàn),結(jié)果表明這種進(jìn)口專用發(fā)酵消泡劑,僅在幾秒的時(shí)間內(nèi)能把所有的泡沫消除干凈,具有消除泡沫快、抑制泡沫性能久、對(duì)菌體沒有副作用、添加量少、耐高溫、幾乎沒有殘留、消泡劑對(duì)膜污染最小等優(yōu)點(diǎn)。有機(jī)硅消泡劑 KY-2118,是種國內(nèi)常用的消泡劑,這種有機(jī)硅消泡劑具有表面活性高、表面張力小、使用量少、消泡能力強(qiáng)、成本低等優(yōu)點(diǎn)。而且,有機(jī)硅消泡劑與水及多數(shù)有機(jī)物不相混溶,對(duì)大多數(shù)氣泡介質(zhì)都具有消泡作用,同時(shí),其具有較好的化學(xué)穩(wěn)定性,對(duì)所有的氣泡體系都兼具有破泡和抑泡功能,是廣譜型的消泡劑;但有機(jī)硅消泡劑 KY-2118 對(duì)微酸性的發(fā)酵效果不是很好,在一定程度上會(huì)抑制菌絲的發(fā)育。聚醚消泡劑 PPE,即泡敵,抑泡能力較強(qiáng)是其優(yōu)點(diǎn),雖然聚醚消泡劑消泡能力不如有機(jī)硅消泡劑消泡能力,但是其抑泡能力比有機(jī)硅消泡劑抑泡能力強(qiáng),此外破泡率低是聚醚消泡劑一個(gè)致命缺點(diǎn),當(dāng)產(chǎn)生大量泡沫時(shí),它不能夠快速、有效將泡沫撲滅。

7. 釀酒中的消泡劑

我國是最早釀酒的國家,早在 2000 年前就發(fā)明了 釀 酒 技 術(shù)。有學(xué)者曾對(duì)釀酒過程中產(chǎn)生的不利因素進(jìn)行研究,結(jié)果表明發(fā)酵過程中,因?yàn)閿嚢?、發(fā)酵而產(chǎn)生許多泡沫,泡沫給酒的加工帶來很多不利的影響和因素,如引起 “逃液”、裝料減少等等,這些不利因素進(jìn)一步影響酒產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量,消泡劑是抑制泡沫最簡(jiǎn)單、最經(jīng)濟(jì)的方法。國內(nèi)有學(xué)者對(duì)釀酒過程中加入的消泡劑進(jìn)行了研究,結(jié)果表明用植物油、月桂酸、脫水山梨醇單硬脂酸、肉豆落酸、油酸等做發(fā)酵消泡劑耗量大,消泡效果不理想;以聚二甲基硅氧烷為主體的有機(jī)硅消泡劑用于食品發(fā)酵得效果良好,發(fā)酵容量增加,產(chǎn)提高;在消泡劑的作用下,發(fā)酵罐的頂蓋可在工作期間一直處于關(guān)閉狀態(tài),從而降低釀液氧化作用,增高酒潔凈度;因氧化作用的降低,在部分蛋白質(zhì)變性狀況下,酒的物理、化學(xué)穩(wěn)定性很好,酒不再那么混濁;消泡劑使罐壁上酵母粉的附著度變低,同時(shí)也減輕了后清理的工作。

【生產(chǎn)工藝】[8]

聚醚改性硅油消泡劑的合成如下:采用縮合法 ,將含氫硅油與聚醚在催化劑作用下縮合接枝。反應(yīng)式為 :

在配有攪拌器、冷凝器 、溫度計(jì)以及氫氣導(dǎo)出裝置的四口燒瓶中,按比例加入含氫硅油、聚醚、溶劑和催化劑,開動(dòng)攪拌器,緩慢加熱至一定溫度,此時(shí) 有氫氣逸出產(chǎn)生氣泡,當(dāng)轉(zhuǎn)化率到一定值時(shí),降溫,加堿中和,經(jīng)抽濾及減壓蒸餾除去殘余的催化劑和溶劑,即得聚醚改性聚硅氧烷共聚物。

【參考文獻(xiàn)】

[1] 林崇德,姜璐,王德勝 主編;王德勝 分卷主編.中國成人教育百科全書·化學(xué)·化工出版社

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[3] 葛成燦, 王源升, 余紅偉, 等. 泡沫及消泡劑的研究進(jìn)展[J]. 材料開發(fā)與應(yīng)用, 2010, 25(6): 81-85.

[4] 安家駒 主編;包文滁,王伯英,李順平 合編.實(shí)用精細(xì)化工辭典.北京:中國輕工業(yè)出版社

[5] 張冉冉, 劉公召. 有機(jī)硅消泡劑的研究進(jìn)展及應(yīng)用[J]. 化工技術(shù)與開發(fā), 2015 (8): 20-24

[6] 葛成燦, 王源升, 余紅偉, 等. 泡沫及消泡劑的研究進(jìn)展[J]. 材料開發(fā)與應(yīng)用, 2010, 25(6): 81-85.

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[8] 李春靜, 盧義和, 宮素芝, 等. 聚醚改性硅油消泡劑的合成[D]. , 2006.


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