Vysvětlení fungování kapalného odpěňovače: Jak reguluje pěnu v průmyslových aplikacích

Klíčové poznatky

Pochopení toho, jak fungují kapalné odpěňovače, může vašim průmyslovým provozům ušetřit nákladná poškození zařízení a výrobní ztráty způsobené nekontrolovaným hromaděním pěny.

- Tekuté odpěňovače využívají tři složky, které spolu vzájemně spolupracují: hydrofobní látky (jako je oxid křemičitý nebo vosky), nosiče (oleje nebo voda) a minimální množství emulgátorů, které zajišťují rychlé rozptýlení a destabilizaci pěny na rozhraní vzduch–kapalina.

- Čtyři hlavní typy odpěňovačů slouží k různým účelům: na bázi oleje pro potlačení povrchové pěny, na bázi vody pro uvolňování vázaného vzduchu, na bázi silikonu pro dvojí funkci a kopolymery EO/PO pro aplikace závislé na teplotě.

- Regulace pěny probíhá prostřednictvím tří mechanismů: destabilizace pěnových lamel vytlačováním povrchově aktivních látek, praskání bublin prostřednictvím vytváření můstků a odvlhčování a podpora spojování bublin za účelem rychlého uvolnění zachyceného vzduchu.

- Správný výběr odpeňovače zabraňuje poruchám zařízení: V extrakčních zařízeních může pěna snížit kapacitu nádrže o 33% a způsobit korozi vakuového motoru, zatímco při zpracování kovů brání chlazení a mazání.

- Dávkování se liší podle způsobu použití: Typické koncentrace se pohybují v rozmezí 0,1–0,31 TP3T v latexových barvách, 10–30 ppm při separaci ropy a plynu a 10–200 ppm při čištění odpadních vod, v závislosti na intenzitě pěnění a provozních podmínkách.

Správný kapalný odpěňovač, přizpůsobený vašemu konkrétnímu průmyslovému procesu, chrání životnost zařízení, udržuje provozní účinnost a eliminuje výrobní úzká místa způsobená problémy s pěnou.

Hromadění pěny může zničit vaše zařízení. Pěna s vysokým obsahem čisticích prostředků, smíchaná s nečistotami a vlákny, je nasávána do motorů vysavačů, kde ucpává vzduchové kanály, způsobuje korozi vnitřních součástí a snižuje sací výkon. Tekutý odpěňovač je chemická přísada, která omezuje a zabraňuje tvorbě pěny v kapalinách používaných v průmyslových procesech. Průmyslové procesy čelí vážným problémům způsobeným pěnou, která způsobuje vady na povrchových nátěrech a brání efektivnímu plnění nádob. S těmito problémy se nejčastěji setkáváme v sběrných nádržích extrakčních strojů a automatických čisticích strojů, kde je kontrola pěny zásadní. Mezi nejběžnější odpěňovací činidla patří nerozpustné oleje, odpěňovací směsi na bázi silikonu, jako jsou polydimethylsiloxany, a některé alkoholy. V tomto článku se podíváme na to, jak tekuté odpěňovače fungují, jaké jsou jejich různé typy a jaké mají uplatnění v průmyslových provozech.

Co jsou kapalná odpěňovací činidla a jaké jsou jejich základní vlastnosti

Tekutý odpěňovač se skládá ze tří odlišných složek, které společně potlačují tvorbu pěny. Hlavní složkou je hydrofobní materiál který funguje jako aktivní složka. Mezi hydrofobní materiály patří upravený oxid křemičitý, vosky (syntetické nebo přírodní) a silikony či jejich deriváty. Tyto hydrofobní látky lze používat samostatně nebo v kombinaci, aby se zvýšila jejich účinnost.

Druhou složkou je nosné vozidlo který přenáší hydrofobní účinné látky do hydrofilního systému zadržujícího vzduch. Mezi nosiče patří minerální oleje, rostlinné oleje a silikonové oleje. Nosná kapalina má obvykle nižší povrchové napětí než pěnivá kapalina. Dlouhodobá stabilita nosiče v původní kapalině určuje účinnost regulace pěnění u výrobků s prodlouženou trvanlivostí.

Třetí složkou je, a emulgátor, zajistí optimální rozložení hydrofobní složky v nosiči a zároveň usnadní rozptýlení látky potlačující pěnění v celé kapalině. Mezi použité emulgátory patří ethoxylované alkylfenoly a estery sorbitanu. Množství emulgátorů minimalizujeme, protože tyto sloučeniny mohou samy o sobě přispívat k tvorbě pěny.

Chemické složení a povrchová aktivita

Prostředky pro potlačení pěny fungují lépe, když klesá povrchové napětí nebo mezifázové napětí. Odpěňovač na bázi silikonu obsahuje povrchově aktivní složky, které snižují povrchové napětí kapaliny do takové míry, že vzduchové bubliny v pěně se zhroutí. Díky tomuto snížení povrchového napětí se odpěňovač může rychleji šířit po rozhraní pěny.

Požadavky na viskozitu pro rychlé roztírání

Nízká viskozita napomáhá pronikání a rozprostření. Kapalný odpěňovač musí mít vysoký koeficient rozprostření, aby se mohl rovnoměrně rozprostřít po médiu. Bez této vlastnosti nízké viskozity se odpěňovač nemůže dostat k rozhraní vzduch–kapalina, kde dochází ke stabilizaci pěny, dostatečně rychle.

Nerozpustnost v pěnivém médiu

Odpěňovač musí být nerozpustný v pěnotvorném médiu. Kapalná fáze odpěňovače musí vykazovat určitou míru neslučitelnosti nebo nerozpustnosti s médiem, do kterého je přidán. Díky této neslučitelnosti je odpěňovač schopen vytvářet kapičky, které stoupají k povrchu a dobře se rozprostírají, čímž praskají bubliny, aniž by přispívaly k dalšímu pěnění.

Druhy kapalných odpěňovačů

Vývojáři receptur vybírají ze čtyř hlavních kategorií kapalných odpěňovačů na základě nosného systému a účinné chemické látky, které jsou vyžadovány pro konkrétní procesní podmínky.

Odpěňovače na bázi oleje s nosnými látkami z minerálních nebo rostlinných olejů

Přípravky na olejové bázi používají jako nosič minerální olej, rostlinný olej nebo bílý olej. Tyto směsi obsahují vosk nebo hydrofobní oxid křemičitý pro zvýšení účinnosti. Varianty s minerálním olejem zajišťují vynikající potlačení pěnění ve vodních systémech. Alternativy na bázi rostlinného oleje nabízejí aktivní složku 100% s účinností v rozmezí 0,1–0,3% hmotnostních v latexových nátěrových systémech. Formulace na bázi rostlinného oleje eliminují riziko kontaminace silikonem, která způsobuje kráterovitost, rybí oči a poruchy přilnavosti mezi vrstvami v akrylových a vinylacetátových systémech. Tyto odpěňovače vynikají při potlačování povrchové pěny.

Odpěňovače na vodní bázi pro uvolňování vtlačeného vzduchu

Přípravky na vodní bázi dispergují různé oleje a vosky ve vodném nosiči. Oleje mohou být minerálního nebo rostlinného původu a vosky se skládají z mastných alkoholů s dlouhým řetězcem, mýdel z mastných kyselin nebo esterů. Odpěňovače na vodní bázi fungují jako odvzdušňovače a uvolňují vzduch zachycený v procesních kapalinách, na rozdíl od variant na olejové bázi. Díky této specializaci jsou ideální pro aplikace, kde je odstranění vzduchu z hloubky důležitější než potlačení pěny na povrchu.

Složky pro potlačení pěnění na bázi silikonu

Silikonové přípravky obsahují polymery s křemíkovým řetězcem, které se dodávají ve formě olejů nebo emulzí na vodní bázi. Typická silikonová odpěňovací emulze se skládá z polydimethylsiloxanu 30% ve vodě s modifikovanými anorganickými složkami. Tyto sloučeniny dispergují hydrofobní oxid křemičitý v silikonovém oleji. Silikonové varianty plní dvojí funkci: potlačují povrchovou pěnu a zároveň uvolňují zachycený vzduch. Jsou vhodné pro nevodné pěnivé systémy, k nimž patří těžba ropy a rafinérské procesy.

Odpěňovače na bázi EO/PO kopolymerů

Blokové kopolymery ethylenoxidu a propylenoxidu fungují na principu inverzní rozpustnosti. Tyto neiontové povrchově aktivní látky zůstávají ve vodě rozpustné při nízkých teplotách, avšak v okamžiku, kdy teplota procesu překročí jejich bod zakalení, vysrážejí se a rozprostírají se na rozhraní pěny. Odpěnění závisí na vztahu mezi bodem zakalení povrchově aktivní látky a aplikační teplotou. Výrobci by měli volit blokové kopolymery, jejichž bod zakalení je nižší než zamýšlená provozní teplota. Tyto aktivní látky 100% bez obsahu silikonu vykazují biologickou inertnost. Díky tomu jsou bezpečné pro použití ve fermentačních systémech.

Jak kapalné odpěňovače omezují tvorbu pěny

“způsob šíření způsobený tím, že se vrstva roztržené bubliny vstřebává do okolního kapalného filmu” — Rei Kurita, Docent, Tokijská metropolitní univerzita

K regulaci pěny po přidání kapalného odpěňovače do procesních kapalin přispívají tři mechanismy. Tyto mechanismy společně působí na odstranění povrchové pěny a zachycených vzduchových bublin.

Destabilizace pěnových lamel na rozhraní vzduch–kapalina

Rozprostírání působí na povrch pěny mechanickým nárazem a destabilizuje její strukturu. Odpěňovač se po povrchu pěny šíří rychleji, proniká do lamel a narušuje soudržnost pěny. Hydrofobní složka vytlačuje stabilizační povrchově aktivní látky na rozhraní vzduch-kapalina. Tato afinita k rozhraní vzduch-kapalina způsobuje prasknutí vzduchových bublin a rozpad povrchové pěny.

Prasknutí vzduchových bublin v důsledku rozprostření po povrchu

Odpěňovač proniká do stěny bubliny a prostřednictvím mechanismu vytváření můstků narušuje strukturu filmu. Kapky odpěňovače s nízkým povrchovým napětím se roztahují přes lamelu a vytvářejí nestabilní můstky. Hydrofobní částice nebo olejová kapka s kontaktním úhlem větším než 90° způsobuje při kontaktu s oběma stranami lamely odvlhčení. Kapalina v kontaktu s částicí se ohýbá dovnitř, dokud se obě strany filmu nedotknou a neprasknou. Lamela se vyprazdňuje, jak se most tvoří, a dosáhne kritického bodu, kde se zlomí a uvolní zachycený vzduch.

Agregace a stoupání vzduchových bublin zachycených v tekutině

Vstřiknuté vzduchové bubliny se shlukují a tvoří větší bubliny, které stoupají k povrchu rychleji. Mnoho malých bublin se spojuje a prostřednictvím koalescence uniká ze směsi. Odpěňovač snižuje gradienty povrchového napětí. Bublinové blány se ztenčují a v určitých bodech praskají, čímž uvolňují vnitřní plyn. Tento proces koalescence eliminuje velké vstřiknuté vzduchové bubliny při použití vhodných metod míchání.

Průmyslové aplikace a řešení problémů

“Naše technologie na bázi oxidu křemičitého umožňují snížit obsah oleje a zajistit úspornější dávkování díky svým silným zesilujícím účinkům, které urychlují rozpad pěny a zvyšují účinnost přípravku.” — Evonik, Přední společnost v oblasti speciálních chemikálií

Průmyslové podniky čelí výrobním ztrátám způsobeným pěnou v celé řadě odvětví. Každé z nich vyžaduje cílená řešení v podobě kapalných odpěňovačů, přizpůsobená konkrétním provozním podmínkám.

Regulace pěny v sběrné nádrži u odsávacích zařízení

Pěna v sběrných nádržích čističe koberců způsobuje předčasné uzavření plovákového mechanismu a snižuje kapacitu nádrže až o 33%. Plovákový mechanismus selže, pokud mu v tom brání pěna, a znečištěný roztok se vtáhne do vakuového motoru. To vede ke korozi a předčasnému selhání. Přidáváme zředěný odpěňovač přes sběrnou hadici, abychom ošetřili celý vakuový systém, a poté udržujeme hladinu 0,5 až 1,0 unce na galon kapacity nádrže.

Řízení pěny v chladicích a procesních kapalinách

Pěna v chladicí kapalině pro obrábění kovů omezuje mazací a chladicí funkce. Zároveň zvyšuje objem systému. Jedna unce koncentrovaného odpěňovače stačí na 50 galonů zředěné chladicí kapaliny. Pro vysokotlaké CNC operace s tlakem nad 800 psi jsou zapotřebí speciální přípravky s nízkou pěnivostí.

Papírna a zpracování dřevní buničiny

Silikonové emulze si zachovávají svou účinnost i při vysokých teplotách a v alkalických podmínkách. K těmto podmínkám dochází ve fázích promývání buničiny, odpařování a bělení. Tyto přípravky uvolňují zachycený vzduch a snižují povrchové napětí v procesních roztocích. Promývání hnědé buničiny pomocí modifikovaných organosilikonových sloučenin snižuje přenos chemikálií a náklady na bělení.

Zpracování potravin a rafinace ropy

Odpěňovače určené pro styk s potravinami omezují tvorbu pěny při výrobě piva, zpracování ovocných šťáv a v mlékárenském průmyslu a zároveň splňují předpisy FDA. Silikonové odpěňovače eliminují pěnu při dávkování 10–30 ppm při separaci oleje a plynu a zabraňují přenosu kapaliny.

Čištění odpadních vod a hydraulické systémy

Odpěňovače pro odpadní vody se dávkují v koncentraci 10–200 ppm v závislosti na intenzitě pěnění. Hydraulické odpěňovače zabraňují poškození způsobenému kavitací a udržují účinnost systému i životnost jeho součástí.

Závěr

Probrali jsme, jak kapalné odpěňovače potlačují pěnu prostřednictvím tří základních mechanismů: destabilizací pěnových lamel, rozrušováním vzduchových bublin a podporou koalescence bublin. Konkrétní požadavky daného procesu určují, zda zvolíme přípravky na bázi oleje, vody, silikonu nebo kopolymeru EO/PO. Tyto přípravky chrání kritická zařízení v extrakčních systémech, při zpracování kovů, v papírnách a v čistírnách odpadních vod. Správný výběr a dávkování odpěňovače zabraňuje poškození zařízení, které může být finančně nákladné. Zlepšuje také výkonnost procesu a eliminuje výrobní ztráty způsobené nekontrolovanou pěnou.