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消泡劑的主要應用領域
背景及概況】[1][2]3]
在染色、造紙、發酵、制糖、石油蒸餾等工業中，有時液面上產生泡沫，這對生產過程極其不利。它不但妨礙操作，而且引起公害，嚴重時可能引起火災。遇到這種情況就要迅速消泡。凡是加入少量物質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 30 年代開始在工業中應用，許多工業發酵都要用消泡劑來防止過多泡沫的產生，如油漆、涂料、制漿造紙、油墨、洗衣粉、發酵、食品等工業。美國和歐洲是全球兩大消泡劑市場，因為環境條件的限制，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。
消泡劑大多數是表面活性劑。例如，當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，有時發生潤滑不良和故障，還可使潤滑油體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生劇變。新鮮的油，隨著使用時間的增長亦常發泡。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，即物理方法和化學方法。物理消泡法就是改變產生泡沫的條件，而泡沫溶液的化學成分仍然保持不變。化學消泡法是在泡沫中加入化學藥品，使之與起泡劑發生化學變化，以達到消泡的目的。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。在工業生產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、有機硅化合物等。
【分類】[4]
可用作消泡劑的物質很多，有油型、溶液型、乳液型、粉末型和復合型?？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；
有機極性化合物類，如聚丙二醇、聚丙二醇與環氧乙烷的加成物等；
環氧化合物，環氧乙烷因水溶性較大，不適宜用作消泡劑，但環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、有機磷化合物及縮醛等。
【特性】[4]
①消泡力強，用量少。
②加到起泡體系中不影響體系的基本性 質，即不與被消泡體系起反應。
③表面張力小。
④與表面的平衡性好。
⑤耐熱性好。
⑥擴散性、滲透性好，正鋪展系數較高。
⑦化學性穩定，耐氧化性強。
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、化妝品及醫藥工業者，應符 合有關規定。
【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，由于氣體不溶于表面活性劑而形成穩定狀態。氣泡形成后，由于發泡體系分子間的作用，親水基和疏水基被氣泡壁吸附，形成規則排列，其親水基朝向水相，疏水基朝向氣泡內，從而在氣泡界面上形成彈性膜，其穩定性很強，常態下不易破裂。同時泡沫是熱力學不穩定系統，在重力作用下不斷進行著液膜的下流、蒸發、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，泡沫穩定性降低，易于被破壞。
從上面我們可以得知，消泡劑要發揮作用，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 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 S 表示，
式中：γF為泡沫介質的表面張力；γDF為消泡劑的表面張力；γD為泡沫介質與消泡劑之間的界面張力。當 E＞0 時，消泡劑能夠滲入到泡沫中；當 E＜0 時，消泡劑不能滲入泡沫中；當 S＞0 時，消泡劑能在液膜表面擴展；當 S ＜0 時，消泡劑不能在液膜表面擴展。所以，只有當 E＞0，S＞0 時消泡劑才具有消泡作用。
【應用】[5][6][7]
1. 在延遲焦化工藝中的應用
延遲焦化工藝主要是煉油廠將重質渣油經深度加工，提高輕質油收率的熱加工工藝。延遲焦化工藝中焦炭塔內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）中逸出，形成很高的泡沫層，泡沫層夾帶大量焦粉，隨著焦炭塔內焦層高度逐漸增長，泡沫層內的焦粉和未完全反應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，引起分餾塔結焦，甚至造成輻射段進料過濾器、分餾塔底循環過濾器和進料泵堵塞，加熱爐管結焦，嚴重威脅裝置的安全生產。攜帶到分餾塔內的焦粉經分餾等工藝進入到焦化汽油、柴油中，對后續加氫還原工藝也會造成危害。為了消除以上不利影響，國內外普遍采用了在焦炭塔上部加注消泡劑的技術。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周期。
2. 在造紙工業中的應用
造紙工業中泡沫處理是生產中的棘手問題。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，與加入的氫氧化鈉、硫化鈉等化學試劑反應生成皂化物和堿木素等起泡物質，再加上纖維素等高分子物質的穩泡作用，以及漿料流動、攪拌混合使大量空氣混入漿料體系，形成了大量穩定的泡沫，給后續工序如洗滌、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，會導致紙面出現斑點或透光點，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無涂料的斑痕（即魚眼），影響紙的適應性能和平滑度。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物和有機物的混合產生的泡沫。
3. 在紡織工業中的應用
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，這一性質對于漿液在織物表面的鋪展及漿液對經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械振動后，容易產生泡沫，泡沫的存在會使液體與織物的接觸面降低，產生加工不勻現象，嚴重影響生產和產品質量。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，還會引起污斑等質量問題。消泡劑對于染色過程意義更突出，滌綸織物在進行高溫噴射染色時，為達到勻染性，必須使織物在機內高速運行，如果染液中存在泡沫，織物上就會出現色點、色斑和色澤不勻，嚴重影響產品質量。但在高溫高壓下，一般的硅氧烷消泡劑會產生薄膜狀沉淀而使被染物產生斑點。因此對有機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到要求。應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。開發生產的高濃度耐高溫強堿消泡劑 YAT722，經在印染加工行業中試驗，發現消泡劑YAT722 耐高溫（130℃）、耐強堿，消泡抑泡好，同時具有優秀的自乳化性能，抗高剪切、不漂油，特別適用于紡織行業高溫溢流染色工藝。產品 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定性并兼備消泡和抑泡性。
4. 味精生產中的消泡劑
谷氨酸是世界上氨基酸產量的品種，由谷氨酸制備的谷氨酸鈉，味精的發酵過程屬于好氣性發酵，過程中產生大量的氣泡，氣泡的產生會降低產量、抑制菌體的呼吸作用、降低菌體的產酸率。消泡劑是抑制泡沫最經濟、最簡單的方法。用于味精生產中的消泡劑通常有植物油消泡劑、聚醚消泡劑、有機硅消泡劑，但是植物油消泡劑貯存不好，易變質、酸值增高，應用較少，目前聚醚類消泡劑、有機硅消泡劑在味精發酵工業中的應用較為廣泛，學者們對此進行的研究也較多。
5. 糖生產中的消泡劑
中國是世界上最早制糖的國家之一，制糖工藝采用濃縮結晶法，消泡劑是制糖過程中常用的工業助劑，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中用的最廣泛的消泡劑。
6. 淀粉酶生產中的消泡劑
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。國內學者研究了 BAA 中溫 α -淀粉酶發酵中的消泡劑，消泡劑有專用發酵消泡劑 LB-625、有機硅消泡劑 KY-2118、聚醚消泡劑PPE。BAA 中溫 α -淀粉酶發酵是種通風量較大的發酵，特別是在其菌體生長時期以及產物合成時期，泡沫更為嚴重，容易造成漫灌跑液、染上雜菌，裝料系數降低等不利影響。專用發酵消泡劑 LB-625，是一種進口的消泡劑，經過實驗，結果表明這種進口專用發酵消泡劑，僅在幾秒的時間內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點。有機硅消泡劑 KY-2118，是種國內常用的消泡劑，這種有機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、成本低等優點。而且，有機硅消泡劑與水及多數有機物不相混溶，對大多數氣泡介質都具有消泡作用，同時，其具有較好的化學穩定性，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；但有機硅消泡劑 KY-2118 對微酸性的發酵效果不是很好，在一定程度上會抑制菌絲的發育。聚醚消泡劑 PPE，即泡敵，抑泡能力較強是其優點，雖然聚醚消泡劑消泡能力不如有機硅消泡劑消泡能力，但是其抑泡能力比有機硅消泡劑抑泡能力強，此外破泡率低是聚醚消泡劑一個致命缺點，當產生大量泡沫時，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 年前就發明了 釀 酒 技 術。有學者曾對釀酒過程中產生的不利因素進行研究，結果表明發酵過程中，因為攪拌、發酵而產生許多泡沫，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，這些不利因素進一步影響酒產品產量和質量，消泡劑是抑制泡沫最簡單、最經濟的方法。國內有學者對釀酒過程中加入的消泡劑進行了研究，結果表明用植物油、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硅消泡劑用于食品發酵得效果良好，發酵容量增加，產提高；在消泡劑的作用下，發酵罐的頂蓋可在工作期間一直處于關閉狀態，從而降低釀液氧化作用，增高酒潔凈度；因氧化作用的降低，在部分蛋白質變性狀況下，酒的物理、化學穩定性很好，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。反應式為 ：
在配有攪拌器、冷凝器 、溫度計以及氫氣導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 有氫氣逸出產生氣泡，當轉化率到一定值時，降溫，加堿中和，經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】
[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·化工出版社
[2] 李春靜, 盧義和, 宮素芝, 等. 消泡劑的發展概述[J]. 四川化工, 2005, 8(6): 20-23.
[3] 葛成燦, 王源升, 余紅偉, 等. 泡沫及消泡劑的研究進展[J]. 材料開發與應用, 2010, 25(6): 81-85.
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[5] 張冉冉, 劉公召. 有機硅消泡劑的研究進展及應用[J]. 化工技術與開發, 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展[J]. 材料開發與應用, 2010, 25(6): 81-85.
[7] 楊雙春, 張爽, 趙倩茹, 等. 國內外食品消泡劑的研究進展[J]. 中國食品添加劑, 2012 (6): 225-229.
[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.
