Kaip putojimą stabdanti priemonė sustabdo putų susidarymą: Techninis vadovas

Pasaulinė putojimą mažinančių medžiagų rinka sudaro $5,64 mlrd. ir iki 2030 m. kasmet augs 4,5%. Šios specializuotos cheminės putų šalinimo priemonės atlieka svarbų vaidmenį daugelyje pramonės šakų, tačiau retai sulaukia deramo dėmesio. Susidariusios putos labai sumažina sistemos efektyvumą ir sukelia keletą problemų. Produkto tankis tampa nenuoseklus, mašinos sugadinamos, o atskyrimo procesai patiria trukdžių.

Nuo putojimo apsaugančios medžiagos užkerta kelią problemoms, nes destabilizuoja putų plėvelę ten, kur dujos susilieja su skysčiu. Maisto ir gėrimų pramonė 2023 m. gavo 43,5% rinkos pajamų, o tai rodo, kad šios priemonės yra labai svarbios išpilstymo į butelius ir fermentacijos procesuose. Silikono pagrindu pagaminti produktai pirmauja rinkoje, jiems tenka 49,4% pajamų dalis. Jų populiarumą lemia tai, kad jie gerai veikia esant mažai koncentracijai, nepriklausomai nuo pH lygio ar temperatūros.

Šiame straipsnyje bus paaiškinta, kaip šios specializuotos cheminės medžiagos suardo putų struktūrą. Sužinosite apie įvairių tipų putojimą mažinančias medžiagas ir jų panaudojimą vandens valymo, maisto perdirbimo, dažų, naftos ir dujų bei įvairaus dydžio tekstilės pramonėje.

Kas lemia putų susidarymą skysčių sistemose

Skystyje įkalinti dujų burbuliukai sukuria putas, kurios išlieka pakankamai stabilios, kad iš karto nesuirtų. Kad putos susidarytų bet kokiame skystyje, reikia dviejų pagrindinių dalykų: kažko, kas leistų susidaryti burbuliukams, ir fizinio veiksmo, kuris į skystį įmaišytų oro.

Paviršiaus aktyviosios medžiagos ir paviršiaus įtempimo disbalansas

Paviršinio aktyvumo medžiagos yra labai svarbios putų susidarymui. Šios specialios molekulės turi du galus - vienas jų mėgsta vandenį (hidrofilinis), o kitas jį atstumia (hidrofobinis). Šios molekulės juda ten, kur dujos susilieja su skysčiu, ir sumažina paviršiaus įtempimą - savybę, dėl kurios skysčių paviršiai veikia kaip tamprios membranos.

Paviršiaus įtempimo mažinimas yra labai svarbus kuriant putas. Pats vanduo pasižymi dideliu paviršiaus įtempimu (apie 72 mN/m esant 25 °C temperatūrai), tačiau paviršinio aktyvumo medžiagos gali jį sumažinti iki 20-40 mN/m. Mažesnis paviršiaus įtempimas reiškia, kad oro burbuliukams susiformuoti ir išlikti stabiliems reikia mažiau energijos. Kiekvienas burbuliukas įgauna apsauginį sluoksnį, nes paviršinio aktyvumo medžiagų molekulės išsirikiuoja taip, kad jų vandenį sulaikantys galai būtų nukreipti į orą, o vandenį sulaikantys - į skystį.

Maišymo ir aeracijos vaidmuo gaminant putas

Kad skysčiai susimaišytų su oru, jiems reikia mechaninės energijos. Be šios energijos burbuliukai negali susidaryti, net jei yra paviršinio aktyvumo medžiagų. Įprasti maišymo šaltiniai yra šie:

• Vėjas ir bangos natūraliuose vandenyse
• Pramoninis maišymas ir maišymas
• Vanduo, tekantis per užtvankas arba slenksčius
• Mašinose veikiantys siurbliai ir krumpliaračiai

Intensyviau maišant susidaro daugiau putų, nes skystyje susikaupia daugiau oro burbuliukų. Putos lengviausiai susidaro turbulentinėse vietose, kur susikaupia oras, pavyzdžiui, vandens srovės slenksčiuose ar užtvankų dugnuose.

Teršalų, tokių kaip baltymai ir kietosios medžiagos, poveikis

Baltymai veikia kaip natūralios paviršinio aktyvumo medžiagos, todėl putos tampa stabilesnės. Skirtingai nuo mažesnių paviršinio aktyvumo medžiagų molekulių, baltymai sukuria storas, tamprias plėveles tarp paviršių, kurios labai padidina putų stabilumą. Tai paaiškina, kodėl plakant kiaušinių baltymus susidaro stabilios putos - plakant baltymai išsiskleidžia ir jų dalys, kurios nemėgsta vandens, atsiduria ore, o tos, kurios mėgsta vandenį, - skystyje.

Kietosios dalelės, atsižvelgiant į jų savybes, gali padėti arba neleisti susidaryti putoms. Vandenį atstumiančios dalelės gali prilipti prie paviršių ir stabilizuoti burbuliukus, sudarydamos fizines kliūtis, neleidžiančias jiems susijungti. Tačiau kai kurios alyvos ir vandenį atstumiančios dalelės gali suardyti putas, destabilizuodamos skysčio plėveles tarp burbuliukų.

Kiti putojimą skatinantys teršalai yra riebalai, alyvos ir tepalai (FOG), dėl kurių susidaro lipnūs paviršiai, sulaikantys dujų burbuliukus, ir suirę priedai, mažinantys paviršiaus įtempimą.

Kaip putojimą mažinančios medžiagos suardo putų struktūrą

Putų susidarymą mažinančios medžiagos veikia pagal specifinius fizikinius ir cheminius principus, kurių esmė - putų stabilumas. Kad šios medžiagos veiktų, reikia dviejų pagrindinių reikalavimų: didesnio nei nulis įėjimo koeficiento ir didesnio nei nulis plitimo koeficiento.

Paaiškinti įvedimo ir platinimo koeficientai

Patekimo koeficientas (E) rodo, ar putojimą mažinanti medžiaga gali prasiskverbti pro oro ir burbulo sienelės (lamelės) sąsają. Mokslininkai šį koeficientą matematiškai išreiškia taip:

E = γwa + γwo - γoa

γwa reiškia putojančio skysčio paviršiaus įtempimą, γwo - tarpfazinį įtempimą tarp putokšlio ir putojančio skysčio, o γoa - putokšlio paviršiaus įtempimą. Teigiama reikšmė leidžia putojimą mažinančiai priemonei patekti į putų struktūrą.

Sklidimo koeficientas (S) rodo, kaip priemonė juda putplasčio paviršiumi po patekimo į jį:

S = γwa - γwo - γoa

Teigiama S reikšmė padeda putojimą mažinančiai priemonei pasiskirstyti ir išstumti paviršinio aktyvumo medžiagas iš sąsajos. Sujungimo koeficientas (B = γ²wa + γ²wo + γ²oa) taip pat turi būti teigiamas, kad putos būtų veiksmingai suskaidytos.

Lamelių įsiskverbimas ir plėvelės sujungimas

į putų struktūrą patekęs putplastis nuo putų suskaidomas keliais mechanizmais. Sujungimo ir drėkinimo procesas prasideda, kai alyvos lašelis patenka į putų plėvelės paviršių, įgauna lęšio formą ir sukuria tiltelį tarp priešingų paviršių. Plėvelė suyra, nes kapiliarinės jėgos sukelia drėkinimą aplink tiltelį.

Kitas būdas - tiltelių tempimo mechanizmas. Šiuo atveju nuo putojimo apsauganti dalelė sudaro tiltą tarp putų paviršių ir sukuria nestabilią plėvelę, kuri nutrūksta ploniausioje vietoje. Šis procesas ypač veiksmingas dėl mišrios aliejinės kietosios putojimą mažinančios medžiagos su hidrofobinėmis dalelėmis.

Paviršinio aktyvumo medžiagų išstūmimas dujų ir skysčio sąsajoje

cheminė medžiaga nuo putojimo išstumia paviršinio aktyvumo medžiagas iš dujų ir skysčio sąsajos. Priemonė pasiskirsto ir suformuoja lęšį, dėl kurio plokštelė tampa plonesnė. Taip susidaro plėvelė, kuri yra daug mažiau elastinga nei pradinė paviršinio aktyvumo medžiagomis stabilizuota struktūra.

putplasčio antiputos sukuria silpnąsias putų struktūros vietas. Tai pasiekiama mažinant paviršiaus įtempimą, sukuriant fizinius tiltelius tarp lamelių ir pašalinant stabilizuojantį paviršinio aktyvumo medžiagos sluoksnį, kuris išlaiko burbuliukus nepažeistus. Šį procesą papildo Marangoni efektas - didesnio paviršiaus įtempimo sritys traukia mažesnio paviršiaus įtempimo skysčius, todėl susidaro srautai, kurie dar labiau susilpnina putų struktūrą.

Antiputų tipai ir jų sudėtis

Putų susidarymą mažinančios medžiagos būna įvairių sudėčių, kurių kiekviena turi skirtingą cheminę sudėtį, pritaikytą konkrečioms reikmėms. Silikono pagrindu pagaminti produktai dominuoja rinkoje ir jiems tenka apie 49,4% pajamų dalies.

Silikono pagrindo medžiagos: PDMS ir emulsijos

Polidimetilsiloksanas (PDMS) yra silikono pagrindo putokšlio pagrindas. Šių polimerų molekulinė masė svyruoja nuo 3 200 iki 16 500 Da. PDMS junginiai pasižymi išskirtinėmis savybėmis dėl cheminio inertiškumo, terminio stabilumo ir labai mažo paviršiaus įtempimo - apie 21 mN/m. Silikono emulsijose yra 10-40% aktyviojo silikono kiekis su nejoniniais emulsikliais, kurie užtikrina tinkamą dispersiją.

Alyvos pagrindo medžiagos: Mineraliniai ir augaliniai aliejai

mineralinės alyvos pagrindu pagamintų putokšlių sudėtyje yra 70-95% mineralinės alyvos, hidrofobinių dalelių ir emulsiklių. Šios medžiagos gerai veikia tiek vandeninėse, tiek nevandeninėse sistemose. Augalinių aliejų alternatyvos, pavyzdžiui, kokosų ir palmių branduolių aliejai, yra biologiškai suyrančios alternatyvos, kurių klampumo profiliai yra panašūs į komercinių putokšlių. Tyrimai rodo, kad kokosų aliejus išsiskiria labai dideliu aliejaus išgaunamumu - 54%.

nesilikoninis antipirenas: Riebalų alkoholiai ir esteriai

Riebiųjų alkoholių skystas putokšlis dėl savo hidrofobinės prigimties yra veiksminga putojimą mažinanti medžiaga. Šių junginių sudėtyje yra polieterių, kurių etileno oksido (EO) ir propileno oksido (PO) vienetai daro įtaką putojimui. Su EO ir PO junginiais (PO prieš EO) sujungti putokšliai pasižymi stipresnėmis putojimo savybėmis nei tie, kuriuose yra tik EO.

Hidrofobiniai kietieji kūnai: Silicio dioksidas ir vaškai

Hidrofobinės kietosios medžiagos kartu su aliejumi-nešėju sukuria kooperacinį poveikį. Populiariausi variantai: hidrofobizuotas silicio dioksidas, etileno bisstearamidas (EBS), parafino vaškas ir riebalų alkoholio vaškas. Kietosios medžiagos dalelių dydis ir paviršiaus šiurkštumas lemia jos veiksmingumą. Didesnės dalelės geriau destabilizuoja plėvelę, bet gali sukelti sedimentacijos problemų sandėliuojant, todėl labai svarbūs tinkami dispersijos būdai.

Pramoninis putojimą mažinančių medžiagų naudojimas

Nuo putojimo apsaugančios priemonės padeda išvengti veiklos sutrikimų visų tipų įmonėse. Šios specializuotos cheminės medžiagos kontroliuoja su putomis susijusias problemas, naudodamos specialius receptus, atitinkančius konkrečius poreikius.

Vandens valymas: Aeracijos baseinai ir skaidrintuvai

Per didelis putų kiekis nuotekų valymo įrenginiuose kelia pavojų eksploatacijai ir mažina efektyvumą. Darbuotojams kyla pavojus sveikatai ir saugai dėl aeraciniuose baseinuose susidarančių putų, ypač aplink rezervuarus, talpyklas ir atviras tranšėjas. Dėl putojimą mažinančių priemonių skaidrintuvai veikia geriau, ypač kai dėl didelio kietųjų medžiagų kiekio susidaro putų ir prastai veikia. Šios priemonės sumažina priežiūros poreikį ir neleidžia putose daugintis bakterijoms, kurios gali pakenkti darbuotojams ir visuomenei.

Maisto perdirbimas: Fermentacijos ir plovimo linijos

Maistui skirtos putojimą mažinančios medžiagos yra labai svarbios fermentacijos procesams, gėrimų gamybai ir plovimo operacijoms. Tinkamai naudojamos apsaugo nuo putų išsiliejimo gaminant maistą, apsaugo perdirbimo įrangą ir sumažina prastovas. Dėl šių priemonių plovimo linijos tampa efektyvesnės, o bandymai parodė, kad reikiamas dozavimas sumažėjo 3 kartus. Jos taip pat padeda įmonėms laikytis taisyklių, pagal kurias reikalaujama, kad nuotekos būtų be putų.

Dažai ir dangos: Pigmentų šlifavimas ir užpildymas

Gaminant dažus, maišant, šlifuojant ir automatizuotai užpildant susidaro putų, kurios lėtina gamybą ir mažina našumą.Dažų putų šalintojas apsaugo nuo paviršiaus defektų, tokių kaip krateriai, žuvelės ir skylutės. Pramonės duomenys rodo, kad laikas yra svarbus - šių medžiagų pridėjimas tinkamame etape (malimo, išpylimo ar galutinio produkto) turi didelę reikšmę jų veikimo efektyvumui.

Nafta ir dujos: Gręžimo ir perdirbimo operacijos

Naftos ir dujų operacijose putų kontrolė yra gyvybiškai svarbi nuo gręžinio galvutės iki perdirbimo. Įmonės naudoja nuo putojimo apsaugančias medžiagas naftai atskirti nuo dujų ir naftos, gręžimo purvui, dujų dehidratacijai ir dujų plovimui. Dėl putų separatoriai gali tapti mažiau efektyvūs, o žalios naftos gavybos metu padidėja skysčių pernešimo tikimybė.

Tekstilės apdorojimas: Dažymas ir apdaila

Putos sukelia daugybę problemų tekstilės gamyboje - nuo mašinų sustojimo iki netolygaus dažymo ir audinių defektų. Antiputojai užtikrina sklandų darbą, gerina gaminių kokybę ir mažina cheminių medžiagų naudojimą.

Išvada

Šiame straipsnyje nagrinėjamas sudėtingas cheminių putojimą mažinančių medžiagų mokslas ir jų gyvybiškai svarbus vaidmuo įvairaus dydžio pramonės šakose. Šios specializuotos cheminės medžiagos veikia trikdydamos putų susidarymą pagal tam tikrus fizikinius ir cheminius principus. Jos naudoja teigiamus įėjimo ir sklaidos koeficientus, kad prasiskverbtų į putų struktūras ir jas suardytų.

Silikono pagrindo preparatai, ypač su polidimetilsiloksanu (PDMS), pirmauja rinkoje, nes jie itin gerai veikia mažais kiekiais. Aliejaus pagrindo medžiagos, nesilikoniniai organiniai junginiai ir hidrofobinės kietosios medžiagos yra puikios alternatyvos, atsižvelgiant į konkrečius poreikius ir aplinkos veiksnius.

Šie putojimą mažinantys putokšliai kontroliuoja putas sudėtingais metodais, pavyzdžiui, įsiskverbimu į plokštelę, plėvelės sujungimu ir paviršinio aktyvumo medžiagos išstūmimu. Jie padeda išvengti veiklos problemų vandens valymo įrenginiuose, maisto perdirbimo įmonėse, dažų gamyklose, naftos perdirbimo gamyklose ir tekstilės gamybos linijose.

Su putomis susijusios problemos ir toliau daro įtaką pramonės našumui, todėl antiputų agentai tampa svarbiausiomis pagalbinėmis proceso priemonėmis, o ne papildomais priedais. Jos užtikrina sklandų operacijų vykdymą, mažina techninės priežiūros poreikį ir apsaugo įrangą nuo pažeidimų. Dėl šių privalumų jos yra gyvybiškai svarbios šiuolaikiniuose pramonės procesuose.

Mokslo žinios apie šias medžiagas rodo, kodėl šios specializuotos rinkos vertė visame pasaulyje siekia $5,64 mlrd. eurų ir nuolat auga. Jų sėkmę lemia ne tik paprastos cheminės reakcijos, bet ir suprojektuota sąveika molekuliniame lygmenyje, kur dujos susitinka su skysčiu.