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消泡劑的主要應(yīng)用領(lǐng)域
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，有時液面上產(chǎn)生泡沫，這對生產(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，因為環(huán)境條件的限制，目前消泡劑市場增長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)潤滑油與空氣接觸且被其吹動時，常在油中形成微小的氣泡而難于消失。這樣，對軸承齒輪的供油，有時發(fā)生潤滑不良和故障，還可使?jié)櫥腕w積增大從貯油箱中溢出。運行中的油，由于含有氣泡可使動力的傳遞發(fā)生劇變。新鮮的油，隨著使用時間的增長亦常發(fā)泡。如在油中加入0.001～0.0001%難溶性的二甲基硅氧烷有時可使發(fā)泡斷然停止，故此物常用對透平油、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。化學(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。可分為以下幾大類：
油脂類： 如蓖麻油、亞麻油、礦物油、動物油等；
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、雙十八酰基哌啶等；
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，消泡劑能夠滲入到泡沫中；當(dāng) E＜0 時，消泡劑不能滲入泡沫中；當(dāng) S＞0 時，消泡劑能在液膜表面擴(kuò)展；當(dāng) S ＜0 時，消泡劑不能在液膜表面擴(kuò)展。所以，只有當(dāng) E＞0，S＞0 時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，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，對后續(xù)加氫還原工藝也會造成危害。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，延長焦化裝置的運轉(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、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，會導(dǎo)致紙面出現(xiàn)斑點或透光點，甚至引起斷紙等。在涂布過程中，涂料起泡會使涂布紙上出現(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，能快速消除造紙體系中因無機(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)對于漿液在織物表面的鋪展及漿液對經(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)械振動后，容易產(chǎn)生泡沫，泡沫的存在會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，處理時間延長，還會引起污斑等質(zhì)量問題。消泡劑對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，為達(dá)到勻染性，必須使織物在機(jī)內(nèi)高速運行，如果染液中存在泡沫，織物上就會出現(xiàn)色點、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產(chǎn)生薄膜狀沉淀而使被染物產(chǎn)生斑點。因此對有機(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，因為這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，發(fā)現(xiàn)消泡劑YAT722 耐高溫（130℃）、耐強(qiáng)堿，消泡抑泡好，同時具有優(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。因為聚甘油脂肪酸酯類即N 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時期以及產(chǎn)物合成時期，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)過實驗，結(jié)果表明這種進(jìn)口專用發(fā)酵消泡劑，僅在幾秒的時間內(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、對菌體沒有副作用、添加量少、耐高溫、幾乎沒有殘留、消泡劑對膜污染最小等優(yōu)點。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。而且，有機(jī)硅消泡劑與水及多數(shù)有機(jī)物不相混溶，對大多數(shù)氣泡介質(zhì)都具有消泡作用，同時，其具有較好的化學(xué)穩(wěn)定性，對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 對微酸性的發(fā)酵效果不是很好，在一定程度上會抑制菌絲的發(fā)育。聚醚消泡劑 PPE，即泡敵，抑泡能力較強(qiáng)是其優(yōu)點，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致命缺點，當(dāng)產(chǎn)生大量泡沫時，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，因為攪拌、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單、最經(jīng)濟(jì)的方法。國內(nèi)有學(xué)者對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，開動攪拌器，緩慢加熱至一定溫度，此時 有氫氣逸出產(chǎn)生氣泡，當(dāng)轉(zhuǎn)化率到一定值時，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)】
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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.
