Czym jest płynny środek przeciwpieniący: jak ogranicza on powstawanie piany w zastosowaniach przemysłowych

Kluczowe wnioski

Zrozumienie zasad działania płynnych środków przeciwpiennych może uchronić Państwa zakład przemysłowy przed kosztownymi uszkodzeniami sprzętu i stratami produkcyjnymi spowodowanymi niekontrolowanym gromadzeniem się piany.

- Płynne środki przeciwpieniące wykorzystują trzy składniki, które działają wspólnie: materiały hydrofobowe (takie jak krzemionka lub woski), nośniki (oleje lub woda) oraz niewielkie ilości emulgatorów, które zapewniają szybkie rozprzestrzenianie się i destabilizację piany na granicy faz powietrze–ciecz.

- Cztery główne rodzaje środków przeciwpieniących zaspokajają różne potrzeby: na bazie oleju – do kontroli piany powierzchniowej, na bazie wody – do usuwania powietrza poranego, na bazie silikonu – o podwójnym działaniu oraz kopolimery EO/PO – do zastosowań zależnych od temperatury.

- Kontrola piany odbywa się za pomocą trzech mechanizmów: destabilizowanie lamel pianowych poprzez wypieranie środków powierzchniowo czynnych, rozrywanie pęcherzyków poprzez tworzenie mostków i odwilżanie oraz sprzyjanie koalescencji pęcherzyków w celu szybkiego uwolnienia uwięzionego powietrza.

- Właściwy dobór środków przeciwpieniących zapobiega awariom urządzeń: W urządzeniach do ekstrakcji piana może zmniejszyć pojemność zbiornika o 33% i spowodować korozję silnika próżniowego, natomiast w obróbce metali utrudnia ona chłodzenie i smarowanie.

- Dawkowanie zależy od zastosowania: Typowe stężenia wynoszą od 0,1 do 0,31 TP3T w farbach lateksowych, od 10 do 30 ppm w procesie separacji ropy naftowej od gazu oraz od 10 do 200 ppm w oczyszczaniu ścieków, w zależności od intensywności pienienia i warunków procesowych.

Odpowiedni płynny środek przeciwpieniący, dostosowany do konkretnego procesu przemysłowego, zapewnia długą żywotność urządzeń, utrzymuje wydajność operacyjną oraz eliminuje wąskie gardła w produkcji spowodowane problemami związanymi z pianą.

Nagromadzenie się piany może doprowadzić do zniszczenia sprzętu. Piana bogata w detergenty, zmieszana z brudem i kłaczkami, jest zasysana do silników odkurzaczy, gdzie zatyka kanały powietrzne, powoduje korozję elementów wewnętrznych i zmniejsza siłę ssania. Płynny środek przeciwpieniący to dodatek chemiczny, który ogranicza i zapobiega tworzeniu się piany w cieczach wykorzystywanych w procesach przemysłowych. Procesy przemysłowe borykają się z poważnymi problemami związanymi z pianą, która powoduje wady powłok powierzchniowych i uniemożliwia wydajne napełnianie pojemników. Problemy te najczęściej obserwujemy w zbiornikach odzysku maszyn ekstrakcyjnych i automatycznych szorowarek, gdzie kontrola piany ma kluczowe znaczenie. Do najpopularniejszych środków przeciwpieniący należą oleje nierozpuszczalne, związki przeciwpieniące na bazie silikonu, takie jak polidimetylosiloksany, oraz niektóre alkohole. W niniejszym artykule omówimy, jak działają płynne środki przeciwpieniące, jakie są ich rodzaje oraz jakie mają zastosowania w różnych procesach przemysłowych.

Czym są płynne środki przeciwpieniące i jakie są ich podstawowe właściwości

Płynny środek przeciwpieniący składa się z trzech odrębnych składników, które wspólnie ograniczają powstawanie piany. Głównym składnikiem jest materiał hydrofobowy który pełni rolę elementu aktywnego. Do materiałów hydrofobowych zaliczają się: krzemionka poddana obróbce, woski (syntetyczne lub naturalne) oraz silikony lub ich pochodne. Te substancje hydrofobowe można stosować samodzielnie lub łączyć ze sobą w celu poprawy właściwości użytkowych.

Drugim elementem jest pojazd transportowy który przenosi hydrofobowe substancje czynne do hydrofilowego układu zatrzymującego powietrze. Nośnikami są między innymi oleje mineralne, oleje roślinne i oleje silikonowe. Ciecz nośna ma zazwyczaj niższe napięcie powierzchniowe niż ciecz pieniąca. Długotrwała stabilność nośnika w pierwotnej postaci płynnej decyduje o skuteczności kontroli pienienia w produktach o przedłużonym okresie przydatności do użycia.

Trzecim elementem jest… emulgator, zapewni optymalne rozłożenie składnika hydrofobowego w nośniku, ułatwiając jednocześnie rozprowadzenie środka przeciwpieniącego w cieczy. Stosowane emulgatory to między innymi etoksylowane alkilofenole i estry sorbitanu. Ograniczamy ilość emulgatorów do minimum, ponieważ same te związki mogą przyczyniać się do powstawania piany.

Skład chemiczny i aktywność powierzchniowa

Środki przeciwpieniące działają skuteczniej, gdy zmniejsza się napięcie powierzchniowe lub napięcie międzyfazowe. Środek przeciwpieniący na bazie silikonu zawiera składniki powierzchniowo czynne, które obniżają napięcie powierzchniowe cieczy na tyle, że pęcherzyki powietrza w piance ulegają zapadnięciu. To obniżenie napięcia powierzchniowego pozwala środkowi przeciwpieniącego szybciej rozprzestrzeniać się na granicy faz piany.

Wymagania dotyczące lepkości zapewniające szybkie rozprowadzanie

Niska lepkość sprzyja penetracji i rozprzestrzenianiu się. Płynny środek przeciwpieniący musi charakteryzować się wysokim współczynnikiem rozprzestrzeniania się, aby mógł rozprzestrzeniać się po całym ośrodku. Bez tej właściwości – niskiej lepkości – środek przeciwpieniący nie jest w stanie dotrzeć do granicy faz powietrze–ciecz, gdzie następuje stabilizacja piany, z wystarczającą szybkością.

Nierozpuszczalność w środowisku pieniąącym się

Środek przeciwpieniący musi być nierozpuszczalny w medium powodującym pienienie. Faza ciekła środka przeciwpieniącego musi wykazywać pewien stopień niekompatybilności lub nierozpuszczalności względem medium, do którego jest wprowadzana. Ta niekompatybilność sprawia, że środek przeciwpieniący może tworzyć kropelki, które unoszą się na powierzchnię i dobrze się rozprzestrzeniają, rozrywając pęcherzyki bez przyczyniania się do dalszego tworzenia się piany.

Rodzaje płynnych środków przeciwpieniących

Twórcy receptur wybierają spośród czterech głównych kategorii płynnych środków przeciwpieniący w zależności od systemu nośnikowego oraz składu chemicznego substancji czynnej wymaganych w konkretnych warunkach technologicznych.

Środki przeciwpieniące na bazie oleju z nośnikami w postaci olejów mineralnych lub roślinnych

W preparatach na bazie oleju jako nośnik stosuje się olej mineralny, olej roślinny lub olej biały. Związki te zawierają wosk lub krzemionkę hydrofobową w celu poprawy właściwości użytkowych. Odmiany na bazie oleju mineralnego zapewniają doskonałe tłumienie piany w systemach na bazie wody. Alternatywne preparaty na bazie oleju roślinnego zawierają substancję czynną 100%, której skuteczność w systemach farb lateksowych wynosi 0,1–0,3% w/w. Preparaty na bazie oleju roślinnego eliminują ryzyko zanieczyszczenia silikonem, które powoduje powstawanie kraterów, efektu „rybiego oka” oraz brak przyczepności między warstwami w systemach akrylowych i octanu winylu. Te środki przeciwpieniące doskonale radzą sobie z pianą powierzchniową.

Środki przeciwpieniące na bazie wody do usuwania powietrza wciągniętego

Preparaty na bazie wody służą do dyspersji różnych olejów i wosków w nośniku wodnym. Oleje mogą być pochodzenia mineralnego lub roślinnego, a woski składają się z długołańcuchowych alkoholi tłuszczowych, mydeł kwasów tłuszczowych lub estrów. Środki przeciwpieniące na bazie wody działają jako odgazowacze i uwalniają powietrze zawarte w cieczach procesowych, w przeciwieństwie do wariantów na bazie oleju. Ta specyfika sprawia, że idealnie nadają się do zastosowań, w których usuwanie powietrza z głębi cieczy ma większe znaczenie niż kontrola piany na powierzchni.

Mieszanki przeciwpieniące na bazie silikonu

Preparaty silikonowe zawierają polimery o szkielecie krzemowym, występujące w postaci olejów lub emulsji na bazie wody. Typowa silikonowa emulsja przeciwpieniąca składa się z polidimetylosiloksanu 30% w wodzie z dodatkiem zmodyfikowanych składników nieorganicznych. Związki te powodują dyspersję hydrofobowej krzemionki w oleju silikonowym. Preparaty silikonowe pełnią podwójną funkcję: eliminują pianę powierzchniową, jednocześnie uwalniając uwięzione powietrze. Nadają się one do stosowania w niewodnych układach pieniących, w tym w procesach związanych z ropą naftową i rafinacją.

Środki przeciwpieniące na bazie kopolimerów EO/PO

Kopolimery blokowe tlenku etylenu i tlenku propylenu działają w oparciu o mechanizm odwrotnej rozpuszczalności. Te niejonowe środki powierzchniowo czynne pozostają rozpuszczalne w wodzie w niskich temperaturach, ale wytrącają się i rozprzestrzeniają na granicy faz piany, gdy temperatura procesu przekroczy ich punkt zmętnienia. Skuteczność przeciwpieniąca zależy od relacji między punktem zmętnienia środka powierzchniowo czynnego a temperaturą stosowania. Twórcy receptur powinni wybierać kopolimery blokowe, których punkt zmętnienia jest niższy od przewidywanej temperatury stosowania. Te aktywne, niezawierające silikonu środki 100% charakteryzują się obojętnością biologiczną. Dzięki temu można je bezpiecznie stosować w systemach fermentacyjnych.

W jaki sposób płynne środki przeciwpieniące ograniczają powstawanie piany

“sposób rozprzestrzeniania się wynikający z wchłaniania warstwy pękniętej pęcherzyki przez otaczającą ją warstwę cieczy” — Rei Kurita, Profesor nadzwyczajny, Uniwersytet Metropolitalny w Tokio

Istnieją trzy mechanizmy regulujące tworzenie się piany po dodaniu płynnego środka przeciwpieniącego do cieczy procesowych. Mechanizmy te współdziałają, eliminując pianę powierzchniową oraz pęcherzyki powietrza zawarte w cieczy.

Destabilizacja lamel pianki na granicy faz powietrze–ciecz

Działanie rozprzestrzeniające wywołuje wstrząs mechaniczny na powierzchni piany i destabilizuje jej strukturę. Środek przeciwpieniący rozprzestrzenia się po powierzchni piany szybciej, wnika w lamele i zakłóca spójność piany. Składnik hydrofobowy wypiera stabilizujące środki powierzchniowo czynne na granicy faz powietrze-ciecz. To powinowactwo do powierzchni granicznej powietrze-ciecz powoduje pękanie pęcherzyków powietrza i rozbijanie się piany powierzchniowej.

Pękanie pęcherzyków powietrza w wyniku rozprzestrzeniania się po powierzchni

Środek przeciwpieniący wnika w ściankę pęcherzyka i rozbija strukturę błony poprzez mechanizm tworzenia mostków. Kropelki środka przeciwpieniącego o niskim napięciu powierzchniowym rozciągają się w poprzek lameli i tworzą niestabilne mostki. Cząstka hydrofobowa lub kropelka oleju o kącie zwilżania większym niż 90° powoduje odwilżanie w momencie kontaktu z obiema stronami lameli. Ciecz stykająca się z cząstką wygina się do wewnątrz, aż obie strony warstwy dotkną się i pękną. Lamela opróżnia się w miarę tworzenia się mostka i osiąga punkt krytyczny, w którym pęka i uwalnia uwięzione powietrze.

Agregacja i unoszenie się pęcherzyków powietrza porwanego

Pęcherzyki powietrza wciągnięte do mieszaniny łączą się, tworząc większe pęcherzyki, które szybciej unoszą się na powierzchnię. Liczne małe pęcherzyki łączą się i uchodzą z mieszaniny w wyniku koalescencji. Środek przeciwpieniący zmniejsza gradienty napięcia powierzchniowego. Warstwy pęcherzyków stają się cieńsze i pękają w określonych miejscach, uwalniając zawarty w nich gaz. Proces koalescencji pozwala wyeliminować duże pęcherzyki powietrza wciągnięte do mieszaniny przy zastosowaniu odpowiednich metod mieszania.

Zastosowania przemysłowe i rozwiązywanie problemów

“Nasze technologie oparte na krzemionce pozwalają zmniejszyć zawartość oleju i zapewnić bardziej ekonomiczne dozowanie dzięki silnemu efektowi wzmacniającemu, który przyspiesza rozpad piany i zwiększa skuteczność preparatu.” — Evonik, Wiodąca firma z branży chemikaliów specjalistycznych

Przedsiębiorstwa przemysłowe borykają się ze stratami produkcyjnymi spowodowanymi pianą w wielu sektorach. Każdy z nich wymaga ukierunkowanych rozwiązań w postaci płynnych środków przeciwpiennych, dostosowanych do konkretnych warunków technologicznych.

Kontrola piany w zbiorniku odzysku w urządzeniach do ekstrakcji

Piana w zbiornikach odzysku odkurzaczy do dywanów powoduje zbyt wczesne zamknięcie mechanizmu pływakowego i zmniejsza pojemność zbiornika nawet o 33%. Działanie mechanizmu pływakowego zostaje zakłócone, gdy przeszkadza mu piana, a zanieczyszczony roztwór przedostaje się do silnika próżniowego. Powoduje to korozję i przedwczesną awarię. Dodajemy rozcieńczony środek przeciwpieniący przez wąż powrotny, aby oczyścić cały układ próżniowy, a następnie utrzymujemy stężenie na poziomie od 0,5 do 1,0 uncji na galon pojemności zbiornika.

Zarządzanie pianą w płynach chłodzących i technologicznych

Piana w płynie chłodzącym do obróbki metali ogranicza jego właściwości smarne i chłodzące. Powoduje również wzrost objętości układu. Jedna uncja skoncentrowanego środka przeciwpieniącego wystarcza na 50 galonów rozcieńczonego płynu chłodzącego. Operacje CNC wykonywane pod wysokim ciśnieniem, przekraczającym 800 psi, wymagają specjalistycznych preparatów o niskiej pienotwórczości.

Papiernia i przetwórstwo masy celulozowej

Emulsje silikonowe zachowują swoją aktywność w wysokich temperaturach i w środowisku alkalicznym. Warunki te występują na etapach płukania masy celulozowej, odparowywania i bielenia. Preparaty te usuwają powietrze uwięzione w roztworach technologicznych i obniżają napięcie powierzchniowe tych roztworów. Płukanie masy brązowej przy użyciu zmodyfikowanych związków organosilikonowych ogranicza przenoszenie substancji chemicznych oraz obniża koszty bielenia.

Przetwórstwo spożywcze i rafinacja ropy naftowej

Środki przeciwpieniące przeznaczone do kontaktu z żywnością ograniczają powstawanie piany w browarnictwie, przetwórstwie soków i przemyśle mleczarskim, spełniając jednocześnie wymogi przepisów FDA. Silikonowe środki przeciwpieniące eliminują pianę przy dawkowaniu 10–30 ppm w procesie separacji oleju od gazu oraz zapobiegają przenoszeniu cieczy.

Oczyszczanie ścieków i systemy hydrauliczne

Środki przeciwpieniące do ścieków stosuje się w dawkach 10–200 ppm, w zależności od intensywności pienienia. Hydrauliczne środki przeciwpieniące zapobiegają uszkodzeniom spowodowanym kawitacją oraz zapewniają wydajność systemu i trwałość elementów.

Wnioski

Omówiliśmy już, w jaki sposób płynne środki przeciwpieniące ograniczają powstawanie piany poprzez trzy podstawowe mechanizmy: destabilizację lamel piany, rozrywanie pęcherzyków powietrza oraz sprzyjanie koalescencji pęcherzyków. Konkretne wymagania procesowe decydują o tym, czy wybieramy preparaty na bazie oleju, wody, silikonu czy kopolimeru EO/PO. Związki te chronią kluczowe urządzenia w systemach ekstrakcyjnych, zakładach obróbki metali, papierniach oraz oczyszczalniach ścieków. Właściwy dobór i dozowanie środka przeciwpieniącego zapobiega uszkodzeniom sprzętu, które mogą wiązać się z wysokimi kosztami. Poprawia to również wydajność procesu i eliminuje straty produkcyjne spowodowane niekontrolowaną pianą.