消泡劑在工業生產中的研究進展

王艷麗，白世明，李娜，賈晉卓，陳海軍

(1.內蒙古自治區生物技術研究院，內蒙古 呼和浩特 010070；2.內蒙古自治區環境監測中心站，內蒙古 呼和浩特 010011；3.內蒙古德科化工產業有限公司，內蒙古 呼和浩特 010010)

0 引言

消泡劑顧名思義就是對工業產生中產生的大量泡沫進行清除的試劑。本文首先介紹了消泡劑的機理與分類，然后對消泡劑在制糖、味精的生產、釀酒過程中、造紙和涂料的工業化生產等過程中的應用做了介紹，最后對消泡劑的發展進行了展望。

1 消泡劑的作用機理與分類

1.1 消泡機理

物料在混合過程中，分散的空氣以單個氣泡的形式存在，是氧氣的來源，其會導致氣泡間的碰撞，同時在碰撞過程中，薄膜或者薄片會將氣泡分開導致氣泡破裂并合二為一；另外，如果未發生片層破裂，發生碰撞的氣泡會在流動過程中分離，從而產生泡沫。泡沫的幾何規律為泡沫試圖將空氣/水的總面積最小化，在泡沫產生之后經歷了兩個主要的過程，包括液體的排出和氣泡的合并或者破裂。當氣泡分離或者氣泡的層板和頂空破裂時，會發生氣泡破裂現象。氣泡間的合并會導致更少更大的氣泡，而破裂的氣泡則會降低泡沫的總體積。當氣泡破裂的速度比從空氣產生的氣泡速度慢的時候，泡沫相體積隨時間增加。反之，則幾乎沒有可見的泡沫相。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，德國物理學家Quincke 第一次提出了一個概念，化學消泡[2]。截至目前，消泡劑的發展已更新了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)，其是一種強疏水性、弱親水性線性分子，在進入發泡系統后，小泡沫吸附在纖維表面，從而產生脫氣和消泡。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進行消泡。第三代是有機硅類型消泡劑(其分子式如圖1(c)所示)，其消泡效果較前兩代更有進步。由于在有機硅結構中，傳統碳鏈表面活性劑的C-C 鍵和C-O鍵的鍵能小于疏水基團Si-Si 鍵和Si-O 鍵的鍵能，從而使有機硅類消泡劑的結構更加穩定，同時疏水性也增強；由于相對分子質量較大和支鏈結構的增加，使得第三代消泡劑的低溫性能突出，與環境的相容性更好；另外，由于疏水基團的存在，有機硅鏈表面活性更高，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硅類消泡劑。這類消泡劑主要利用化學改性技術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硅類消泡劑之后，會呈現一定程度的自乳化特性，具體表現為在聚硅氧烷鏈段向內側卷曲，而在聚醚鏈段向外側拉伸，其產生的原因是由于硅氧烷鏈段和聚醚鏈段對發泡液的疏水性和親和力的不同而造成的。

2 消泡劑的應用

2.1 制糖工業中消泡劑的應用

圖1 四代消泡劑化學結構

在制糖的工業中，糖液在攪拌，流動和運輸等過程中，由于與空氣的接觸很容易產生大量泡沫。泡沫的產生通常會導致糖罐破裂和材料損失等，在蒸發和結晶過程中，致密泡沫會減緩蒸發和結晶的速度，從而增加能耗并影響制糖廠的經濟效益。通常有兩種消除泡沫的方法[3]：一種是機械消泡方法，另一種是化學消泡劑的使用。在制糖中添加化學消泡劑是消除泡沫的常用方法。其優點包括加速蒸發和結晶，提高生產效率，降低糖漿黏度以及增加經濟效益等。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 味精生產中消泡劑的應用

味精的發酵過程屬于有氧發酵。在此過程中，將產生大量氣泡。氣泡的產生將降低產量，減少細菌的產酸生并抑制細菌的呼吸速率。用于生產味精的消泡劑通常包括聚醚消泡劑、有機硅消泡劑、植物油消泡劑等。然而，植物油消泡劑的不好儲存，酸值的增加，并且易于變質，較少應用。在味精發酵工業中，主要應用醚消泡劑和有機硅消泡。

2.3 釀酒生產中消泡劑的應用

釀酒是利用微生物來生產具有一定酒精濃度的飲料，其主要化學成分是乙醇。Kusaka A 等[4]研究了釀酒過程中的不利因素，發現在發酵過程中會產生大量氣泡，這些氣泡給釀酒過程帶來許多不利因素，最終影響產量和質量。在食品發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酵罐的頂蓋關閉，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穩定性，減少了酵母粉在罐壁上的附著力和最后的清潔工作。

2.4 制漿造紙工業中消泡劑的應用

在制漿和造紙生產過程中，泡沫問題是一個重要問題。不適當的泡沫控制將嚴重影響制漿和造紙工藝條件的實施以及設備的正常運行，直接影響成品紙的質量[5]，使用消泡劑是比較經濟有效的方法。在不會改變原始生產過程的情況下，并且投入少、維護成本低、效果理想、操作簡便，廣泛用于制漿和造紙工業。廣譜消泡劑包括有機硅類和改性有機硅類，可用于制漿和造紙的各種過程。

2.5 涂料生產中消泡劑的應用

在涂料的工業化生產過程中，為了改善顏料和填料的分散性，涂膜外觀以及產品儲存的穩定性，經常需要添加各種添加劑[6]，這些添加劑會改變涂料的表面張力，使其在生產過程中尤其是水性涂料的生產過程中易于產生泡沫。過量的泡沫會影響生產能力和產品質量，造成環境污染，資源的浪費，甚至可能導致事故的發生。因此，在涂料的生產過程中特別是水性涂料的生產過程中，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及適用范圍。

表1 用于水性涂料的消泡劑的種類特點及適用范圍

3 結語

隨著社會的進步和經濟的迅速發展，在工業生產中，由于過量泡沫的產生帶來的制約產生的問題不容忽視，合理利用和使用消泡劑必不可少。在已經使用的消泡劑中，表現出色的消泡劑有兩類包括聚醚類與有機硅類，其中聚醚類消泡劑的最大優點是抑泡能力強，耐高溫、強酸堿等性能；有機硅類消泡劑的優點除了消泡性能強、之外，還具有破泡快、揮發性低、對環境友好、使用范圍廣等。盡管消泡劑的優點有很多，但是其也有很多問題，具體如下：有些消泡劑與起泡液會發生互溶現象，從而影響產品產量與質量；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生反應，引起產品質量的問題等等，這些都需要我們進一步提高和改進現有消泡劑，發現和發明新的消泡劑。隨著消泡劑新品種的不斷涌現，舊的消泡劑將逐部被取代，多功能、專用型、復合型的消泡劑將成為消泡劑發展的主流方向，我們期待新型消泡劑的發展。