消泡劑在工業(yè)生產(chǎn)中的研究進(jìn)展

王艷麗，白世明，李娜，賈晉卓，陳海軍

(1.內(nèi)蒙古自治區(qū)生物技術(shù)研究院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010070；2.內(nèi)蒙古自治區(qū)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010011；3.內(nèi)蒙古德科化工產(chǎn)業(yè)有限公司，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010010)

0 引言

消泡劑顧名思義就是對(duì)工業(yè)產(chǎn)生中產(chǎn)生的大量泡沫進(jìn)行清除的試劑。本文首先介紹了消泡劑的機(jī)理與分類，然后對(duì)消泡劑在制糖、味精的生產(chǎn)、釀酒過(guò)程中、造紙和涂料的工業(yè)化生產(chǎn)等過(guò)程中的應(yīng)用做了介紹，最后對(duì)消泡劑的發(fā)展進(jìn)行了展望。

1 消泡劑的作用機(jī)理與分類

1.1 消泡機(jī)理

物料在混合過(guò)程中，分散的空氣以單個(gè)氣泡的形式存在，是氧氣的來(lái)源，其會(huì)導(dǎo)致氣泡間的碰撞，同時(shí)在碰撞過(guò)程中，薄膜或者薄片會(huì)將氣泡分開(kāi)導(dǎo)致氣泡破裂并合二為一；另外，如果未發(fā)生片層破裂，發(fā)生碰撞的氣泡會(huì)在流動(dòng)過(guò)程中分離，從而產(chǎn)生泡沫。泡沫的幾何規(guī)律為泡沫試圖將空氣/水的總面積最小化，在泡沫產(chǎn)生之后經(jīng)歷了兩個(gè)主要的過(guò)程，包括液體的排出和氣泡的合并或者破裂。當(dāng)氣泡分離或者氣泡的層板和頂空破裂時(shí)，會(huì)發(fā)生氣泡破裂現(xiàn)象。氣泡間的合并會(huì)導(dǎo)致更少更大的氣泡，而破裂的氣泡則會(huì)降低泡沫的總體積。當(dāng)氣泡破裂的速度比從空氣產(chǎn)生的氣泡速度慢的時(shí)候，泡沫相體積隨時(shí)間增加。反之，則幾乎沒(méi)有可見(jiàn)的泡沫相。消泡劑的作用是增加氣泡合并、破裂和釋放到空氣中的速度[1]。

1.2 消泡劑種類

19 世紀(jì)，德國(guó)物理學(xué)家Quincke 第一次提出了一個(gè)概念，化學(xué)消泡[2]。截至目前，消泡劑的發(fā)展已更新了4 代，以下做具體介紹。第一代消泡劑的主要代表是酰胺，醇，礦物油，脂肪酸及其衍生物。高碳醇類消泡劑(分子式如圖1(a)所示)，其是一種強(qiáng)疏水性、弱親水性線性分子，在進(jìn)入發(fā)泡系統(tǒng)后，小泡沫吸附在纖維表面，從而產(chǎn)生脫氣和消泡。第二代是以聚醚為主的一類消泡劑，其主要成分是線性共聚物(分子式如圖1(b)所示)，利用聚氧乙烯基的親水性和聚氧丙烯基的親油性，以及溫度和溶解度來(lái)進(jìn)行消泡。第三代是有機(jī)硅類型消泡劑(其分子式如圖1(c)所示)，其消泡效果較前兩代更有進(jìn)步。由于在有機(jī)硅結(jié)構(gòu)中，傳統(tǒng)碳鏈表面活性劑的C-C 鍵和C-O鍵的鍵能小于疏水基團(tuán)Si-Si 鍵和Si-O 鍵的鍵能，從而使有機(jī)硅類消泡劑的結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定，同時(shí)疏水性也增強(qiáng)；由于相對(duì)分子質(zhì)量較大和支鏈結(jié)構(gòu)的增加，使得第三代消泡劑的低溫性能突出，與環(huán)境的相容性更好；另外，由于疏水基團(tuán)的存在，有機(jī)硅鏈表面活性更高，使得液體表面張力降低，消泡效果更佳。第四代是聚醚改性有機(jī)硅類消泡劑。這類消泡劑主要利用化學(xué)改性技術(shù)將聚醚鏈段引入聚硅氧烷鏈中制備而成(其分子式如圖1(d)所示)。在使用聚醚改性有機(jī)硅類消泡劑之后，會(huì)呈現(xiàn)一定程度的自乳化特性，具體表現(xiàn)為在聚硅氧烷鏈段向內(nèi)側(cè)卷曲，而在聚醚鏈段向外側(cè)拉伸，其產(chǎn)生的原因是由于硅氧烷鏈段和聚醚鏈段對(duì)發(fā)泡液的疏水性和親和力的不同而造成的。

2 消泡劑的應(yīng)用

2.1 制糖工業(yè)中消泡劑的應(yīng)用

圖1 四代消泡劑化學(xué)結(jié)構(gòu)

在制糖的工業(yè)中，糖液在攪拌，流動(dòng)和運(yùn)輸?shù)冗^(guò)程中，由于與空氣的接觸很容易產(chǎn)生大量泡沫。泡沫的產(chǎn)生通常會(huì)導(dǎo)致糖罐破裂和材料損失等，在蒸發(fā)和結(jié)晶過(guò)程中，致密泡沫會(huì)減緩蒸發(fā)和結(jié)晶的速度，從而增加能耗并影響制糖廠的經(jīng)濟(jì)效益。通常有兩種消除泡沫的方法[3]：一種是機(jī)械消泡方法，另一種是化學(xué)消泡劑的使用。在制糖中添加化學(xué)消泡劑是消除泡沫的常用方法。其優(yōu)點(diǎn)包括加速蒸發(fā)和結(jié)晶，提高生產(chǎn)效率，降低糖漿黏度以及增加經(jīng)濟(jì)效益等。常用的消泡劑主要包括：蔗糖脂肪酸酯，聚甘油脂肪酸酯，聚醚和硅氧烷類。

2.2 味精生產(chǎn)中消泡劑的應(yīng)用

味精的發(fā)酵過(guò)程屬于有氧發(fā)酵。在此過(guò)程中，將產(chǎn)生大量氣泡。氣泡的產(chǎn)生將降低產(chǎn)量，減少細(xì)菌的產(chǎn)酸生并抑制細(xì)菌的呼吸速率。用于生產(chǎn)味精的消泡劑通常包括聚醚消泡劑、有機(jī)硅消泡劑、植物油消泡劑等。然而，植物油消泡劑的不好儲(chǔ)存，酸值的增加，并且易于變質(zhì)，較少應(yīng)用。在味精發(fā)酵工業(yè)中，主要應(yīng)用醚消泡劑和有機(jī)硅消泡。

2.3 釀酒生產(chǎn)中消泡劑的應(yīng)用

釀酒是利用微生物來(lái)生產(chǎn)具有一定酒精濃度的飲料，其主要化學(xué)成分是乙醇。Kusaka A 等[4]研究了釀酒過(guò)程中的不利因素，發(fā)現(xiàn)在發(fā)酵過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量氣泡，這些氣泡給釀酒過(guò)程帶來(lái)許多不利因素，最終影響產(chǎn)量和質(zhì)量。在食品發(fā)酵的消泡劑中聚二甲基硅氧烷消泡劑效果良好。由于使用了消泡劑，在工作期間可以保持發(fā)酵罐的頂蓋關(guān)閉，減少了釀造液的氧化，提高了酒的清潔度，提高了葡萄酒的物理和化學(xué)穩(wěn)定性，減少了酵母粉在罐壁上的附著力和最后的清潔工作。

2.4 制漿造紙工業(yè)中消泡劑的應(yīng)用

在制漿和造紙生產(chǎn)過(guò)程中，泡沫問(wèn)題是一個(gè)重要問(wèn)題。不適當(dāng)?shù)呐菽刂茖?yán)重影響制漿和造紙工藝條件的實(shí)施以及設(shè)備的正常運(yùn)行，直接影響成品紙的質(zhì)量[5]，使用消泡劑是比較經(jīng)濟(jì)有效的方法。在不會(huì)改變?cè)忌a(chǎn)過(guò)程的情況下，并且投入少、維護(hù)成本低、效果理想、操作簡(jiǎn)便，廣泛用于制漿和造紙工業(yè)。廣譜消泡劑包括有機(jī)硅類和改性有機(jī)硅類，可用于制漿和造紙的各種過(guò)程。

2.5 涂料生產(chǎn)中消泡劑的應(yīng)用

在涂料的工業(yè)化生產(chǎn)過(guò)程中，為了改善顏料和填料的分散性，涂膜外觀以及產(chǎn)品儲(chǔ)存的穩(wěn)定性，經(jīng)常需要添加各種添加劑[6]，這些添加劑會(huì)改變涂料的表面張力，使其在生產(chǎn)過(guò)程中尤其是水性涂料的生產(chǎn)過(guò)程中易于產(chǎn)生泡沫。過(guò)量的泡沫會(huì)影響生產(chǎn)能力和產(chǎn)品質(zhì)量，造成環(huán)境污染，資源的浪費(fèi)，甚至可能導(dǎo)致事故的發(fā)生。因此，在涂料的生產(chǎn)過(guò)程中特別是水性涂料的生產(chǎn)過(guò)程中，使用消泡劑已成為必不可少的步驟。表1 為用于水性涂料的消泡劑的種類特點(diǎn)及適用范圍。

表1 用于水性涂料的消泡劑的種類特點(diǎn)及適用范圍

3 結(jié)語(yǔ)

隨著社會(huì)的進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，在工業(yè)生產(chǎn)中，由于過(guò)量泡沫的產(chǎn)生帶來(lái)的制約產(chǎn)生的問(wèn)題不容忽視，合理利用和使用消泡劑必不可少。在已經(jīng)使用的消泡劑中，表現(xiàn)出色的消泡劑有兩類包括聚醚類與有機(jī)硅類，其中聚醚類消泡劑的最大優(yōu)點(diǎn)是抑泡能力強(qiáng)，耐高溫、強(qiáng)酸堿等性能；有機(jī)硅類消泡劑的優(yōu)點(diǎn)除了消泡性能強(qiáng)、之外，還具有破泡快、揮發(fā)性低、對(duì)環(huán)境友好、使用范圍廣等。盡管消泡劑的優(yōu)點(diǎn)有很多，但是其也有很多問(wèn)題，具體如下：有些消泡劑與起泡液會(huì)發(fā)生互溶現(xiàn)象，從而影響產(chǎn)品產(chǎn)量與質(zhì)量；某些消泡劑的表面張力高于起泡液，影響消泡效果；某些消泡劑與起泡液發(fā)生反應(yīng)，引起產(chǎn)品質(zhì)量的問(wèn)題等等，這些都需要我們進(jìn)一步提高和改進(jìn)現(xiàn)有消泡劑，發(fā)現(xiàn)和發(fā)明新的消泡劑。隨著消泡劑新品種的不斷涌現(xiàn)，舊的消泡劑將逐部被取代，多功能、專用型、復(fù)合型的消泡劑將成為消泡劑發(fā)展的主流方向，我們期待新型消泡劑的發(fā)展。