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消泡剂消泡机理、应用及评价方法介绍
2019-11-26

在工业生产和日常生活中,由于多种原因会产生大量泡沫,而起泡性能良好的物质称为起泡剂,一些阴离子表面活性剂如脂肪酸钠、烷基苯磺酸钠、烷基硫酸钠等具有良好的起泡性能。应注意的是,起泡剂只是在一定条件下(搅拌、通气等)才具有良好的起泡性能,形成的泡沫也不一定持久。一般来说,凡能使液体表面张力降低,膜强度增高的起泡剂,不论生成的泡沫是否稳定,均具有较高的起泡力。笔者对泡沫及其稳定原理、泡沫消除方法进行了较详细总结,同时介绍了消泡剂的作用机理及其性能评价方法并对相关内容进行了展望。

消泡剂

1?泡沫稳定原理

泡沫的研究最早可以追溯到柏拉图时代,但几百年来人们对泡沫的定义一直没有形成统一认识。美国胶体化学家L.I.Osipow和道康宁公司的R.F.Smith从泡沫的密度方面对泡沫进行了定义;日本的伊藤光一从泡沫结构角度对泡沫进行了定义,但忽略了气泡间的相互联系;我国著名的表面物理学家赵国玺教授对泡沫的定义为:泡沫是气体分散于液体中的分散体系,气体是分散相(不连续相),液体是分散介质(连续相),液体中的气泡上升至液面,形成少量液体构成的以液膜隔开气体的气泡聚集物。目前国内外学者一致认为:泡沫本身是一种热力学不稳定体系,当气体进入含有表面活性剂的溶液中时,便会形成长时间稳定的泡沫体系。

1.1衰减机理

在重力和压力差的共同作用下,泡沫液膜会不均衡的流动排液,气泡中的气体也会因为泡膜两边压力差不断发生扩散渗透,泡沫不稳定性主要从动力学方面得以体现。衰减机理主要包括气体透过液膜扩散和液膜排液两个方面,这两种性质是泡沫本身固有的属性,与是否存在表面活性剂无关。气体透过液膜扩散和液膜排液只在泡沫体系形成初始阶段作用比较明显,随着泡沫体系的衰减,这两种作用逐渐减弱,使得泡沫衰减速率逐渐变慢。

1.2稳定因素

泡沫产生的直接原因是由于表面活性剂使溶液表面张力降低,不同的泡沫体系表现出不同的稳定性,主要影响因素包括:起泡溶液表面张力、泡沫表面黏度、溶液黏度、表面张力的自我修复作用(即Gibbs表面弹性和Ma-rangoni效应)、液膜表面双电层斥力和熵斥力、表面活性剂的疏水端结构和空间位阻效应等。不同的泡沫体系影响泡沫稳定性的主要因素不同,往往是几种影响因素同时存在、共同作用。除了以上因素,泡沫大小、温度、pH、溶剂的蒸发速率、泡沫受冲击程度及表面活性剂吸附速率等也会影响泡沫稳定性。

2?泡沫消除方法

2.1物理方法

物理方法主要包括放置挡板或滤网、机械搅拌、静电、冷冻、加热、蒸汽、射线照射、高速离心、加压减压、高频振动、瞬间放电和超声波(声学液体控制)等,这些方法不同程度上促进了液膜两端气体的透过速率和泡膜排液,使得泡沫稳定因素小于衰减因素,从而使泡沫数量逐渐减少。这些方法的缺陷是受环境因素制约较强、消泡速率不高等,优势在于其环保、重复利用率高。

2.2化学方法

化学方法主要包括化学反应法和添加消泡剂法。化学反应法是指通过加入试剂使其与起泡剂发生化学反应,生成不溶于水的物质,从而降低了液膜中表面活性剂浓度,促使泡沫破裂。由于起泡剂成分不确定,化学反应法会产生难溶性物质,存在对设备产生危害等缺点。目前应用广泛的消泡方法是加入消泡剂,此法优点在于破泡效率高、使用方便,但寻找合适、高效的消泡剂是关键。

3?消泡剂种类及应用

3.1种类

消泡剂按形式分可分为固体颗粒型、乳液型、分散体型、油型和膏型5大类;按在不同工业生产中的应用可分为纺织工业消泡剂、造纸工业消泡剂、涂料工业消泡剂、食品工业消泡剂和石油工业消泡剂等;按化学结构和组成可以分为矿物油类、醇类、脂肪酸及脂肪酸酯类、酰胺类、磷酸酯类、有机硅类、聚醚类、聚醚改性聚硅氧烷类消泡剂。

3.2应用

矿物油类、酰胺类、低级醇类、脂肪酸及脂肪酸酯类、磷酸酯类等有机消泡剂的应用研究较早,属于第一代消泡剂,其具有原料易得、环保性能高、生产成本低等优点,缺点在于消泡效率低、专用性强、使用条件苛刻等。聚醚类消泡剂是第二代消泡剂,主要包括直链聚醚、由醇或氨为起始剂的聚醚、端基酯化的聚醚衍生物3种。聚醚类消泡剂在清洗、造纸、发酵等行业有广泛应用,优点在于抑泡能力强,部分聚醚类消泡剂耐高温、耐强酸和强碱等,缺点是使用条件受温度限制、使用领域窄、消泡能力较差、破泡速率低等。有机硅类消泡剂(第三代消泡剂)是由硅脂、乳化剂、增稠剂等配以适量水经机械乳化而成,其特点有:表面张力小,表面活性高,消泡力强,用量少,成本低,对大多数气泡介质均能消泡;具有较好的热稳定性,可在较宽温度范围内使用;化学稳定性较好,可在酸、碱、盐溶液中使用。有机硅类消泡剂对所有气泡体系兼具有抑泡、消泡功能,属广谱型消泡剂。在石油工业中被大量用于天然气的脱硫,加速油气分离,用于乙二醇的干燥、芳香烃的萃取、沥青的加工、润滑油的脱蜡等装置,控制或抑制气泡;在纺织工业中用于染色、精炼、上浆等过程中的消泡;在化学工业中用于合成树脂、胶乳、涂料、油墨等消泡;在食品工业中用于各种浓缩、发酵、蒸馏过程的消泡。应用领域不同,有机硅乳液消泡剂或侧重于消泡或侧重于抑泡或侧重于相容性等。非硅类消泡剂主要以脂肪酰胺、金属皂、脂肪醇、脂肪酸酯等有机化合物为主,优点是扩散系数大、破泡能力强,缺点是抑泡能力稍差。对使用有机硅消泡剂容易导致硅斑、缩孔,对产品质量存在影响的行业往往会使用非硅类消泡剂。聚醚改性聚硅氧烷消泡剂兼有聚醚类消泡剂和有机硅类消泡剂优点,还具有如逆溶解性强、自乳化性好、化学稳定性和热稳定性高等独特优点,是消泡剂的发展方向。通常在聚醚链段中,聚氧丙烯链段增加会提高共聚物的疏水性,而聚氧乙烯链段增加会提高其水溶性。若聚硅氧烷链段与聚醚链段比例固定,提高聚醚链中聚氧丙稀的比例,会减小共聚物在水中的溶解度,降低浊点,改善消泡性能。聚醚改性聚硅氧烷消泡剂广泛用于涤纶织物高温染色工艺和发酵工艺的消泡,此外也可用于二乙醇胺脱硫体系的消泡及各种油剂、切削液、不冻液、水性油墨等体系的消泡和印刷行业感光树脂制版后洗掉未固化树脂的消泡。目前此类消泡剂的种类较少,还处于研发阶段,生产成本较高。

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