Ako protipenivý prostriedok zastaví tvorbu peny: Technický sprievodca

Celosvetový trh s prostriedkami proti peneniu dosahuje hodnotu 1 456,4 miliárd a do roku 2030 bude rásť ročným tempom 4,51 %. Tieto špecializované chemické prostriedky proti peneniu zohrávajú kľúčovú úlohu v mnohých odvetviach, napriek tomu sa im málokedy dostáva pozornosť, akú si zaslúžia. Hromadenie peny výrazne znižuje účinnosť systému a vedie k viacerým problémom. Hustota produktu sa stáva nekonzistentnou, dochádza k poškodeniu strojov a procesy separácie čelia rušivým vplyvom.

Proti penivé prostriedky predchádzajú problémom tým, že destabilizujú penové vrstvy na rozhraní plynu a kvapaliny. Potravinársky a nápojový priemysel dosiahol v roku 2023 tržby vo výške 43,51 TP3T, čo svedčí o ich kľúčovej úlohe pri plnení do fliaš a kvasení. Produkty na báze silikónu vedú na trhu s podielom na tržbách 49,41 %. Ich popularita vyplýva z toho, že fungujú dobre aj pri nízkych koncentráciách, bez ohľadu na hodnotu pH alebo teplotu.

V tomto článku sa dozviete, ako tieto špecializované chemikálie narúšajú štruktúru peny. Zoznámite sa s rôznymi typmi odpěňovacích prostriedkov a ich využitím v odvetviach úpravy vody, spracovania potravín, výroby farieb, ropného a plynárenského priemyslu a textilného priemyslu v podnikoch všetkých veľkostí.

Čo spôsobuje tvorbu peny v kvapalných systémoch

Plynové bubliny uväznené v kvapaline vytvárajú penu, ktorá je dostatočne stabilná na to, aby sa hneď nezrútila. Na vytvorenie peny v akejkoľvek kvapaline sú potrebné dve základné veci: niečo, čo umožňuje tvorbu bublín, a nejaký fyzikálny proces, ktorý vmieša vzduch do kvapaliny.

Povrchovo aktívne látky a nerovnováha povrchového napätia

Povrchovo aktívne látky sú pre tvorbu peny kľúčové. Tieto špeciálne molekuly majú dva konce – jeden, ktorý priťahuje vodu (hydrofilný), a druhý, ktorý ju odpudzuje (hydrofóbny). Tieto molekuly sa presúvajú na miesto, kde sa stretáva plyn s kvapalinou, a znižujú povrchové napätie – vlastnosť, vďaka ktorej sa povrchy kvapalín správajú ako pružné membrány.

Zníženie povrchového napätia zohráva kľúčovú úlohu pri tvorbe peny. Voda sama o sebe má vysoké povrchové napätie (približne 72 mN/m pri 25 °C), ale povrchovo aktívne látky ho dokážu znížiť na 20 – 40 mN/m. Nižšie povrchové napätie znamená, že vzduchové bubliny potrebujú menej energie na to, aby sa vytvorili a zostali stabilné. Každá bublina je obalená ochrannou vrstvou, keďže molekuly povrchovo aktívnej látky sa usporiadajú tak, že ich konce, ktoré sa odpudzujú od vody, smerujú k vzduchu, a konce, ktoré sa priťahujú k vode, smerujú k tekutine.

Úloha premiešavania a prevzdušňovania pri tvorbe peny

Tekutiny potrebujú mechanickú energiu, aby sa premiešali so vzduchom. Bez tejto energie sa nemôžu vytvárať bubliny, a to ani za prítomnosti povrchovo aktívnych látok. Medzi bežné zdroje miešania patria:

• Vietor a vlny v prírodných vodách
• Priemyselné miešanie a premiešavanie
• Voda tečúca cez priehrady alebo pereje
• Čerpadlá a prevody používané v strojoch

Intenzívnejšie miešanie vytvára viac peny tým, že v kvapaline zachytáva viac vzduchových bublín. Pena sa najľahšie tvorí v miestach s turbulentným prúdením, kde sa zachytáva vzduch, napríklad v perejách alebo pri úpätí priehrad.

Vplyv kontaminantov, ako sú bielkoviny a tuhé látky

Bielkoviny pôsobia ako prírodné povrchovo aktívne látky a zvyšujú stabilitu peny. Na rozdiel od menších molekúl povrchovo aktívnych látok vytvárajú bielkoviny medzi povrchmi husté, pružné vrstvy, ktoré výrazne zvyšujú stabilitu peny. To vysvetľuje, prečo vyšľahané vaječné bielka tvoria stabilnú penu – šľahaním sa bielkoviny rozvinú a ich hydrofóbne časti sa vystavia vzduchu, zatiaľ čo hydrofilné časti prichádzajú do styku s tekutinou.

Tuhé častice môžu v závislosti od svojich vlastností napomáhať tvorbe peny alebo jej zabraňovať. Častice odpudzujúce vodu sa môžu priľnúť k povrchom a stabilizovať bubliny tým, že vytvárajú fyzické bariéry brániace ich spájaniu. Niektoré oleje a častice odpudzujúce vodu však môžu penu rozbiť tým, že destabilizujú tekuté vrstvy medzi bublinami.

Medzi ďalšie látky, ktoré podporujú penenie, patria tuky, oleje a mazivá (FOG), ktoré vytvárajú lepkavé povrchy zachytávajúce bubliny plynu, a rozložené prísady, ktoré znižujú povrchové napätie.

Ako protipenivé prostriedky narúšajú štruktúru peny

Proti penivé prostriedky pôsobia na základe špecifických fyzikálno-chemických princípov, ktoré sa zameriavajú na samotnú stabilitu peny. Na to, aby tieto prostriedky fungovali, musia spĺňať dve základné podmienky: koeficient vniknutia nad nulou a koeficient rozptylu nad nulou.

Vysvetlenie koeficientov vstupu a rozptylu

Koeficient penetrácie (E) udáva, či je protipenivý prostriedok schopný preniknúť do rozhrania medzi vzduchom a stenou bubliny (lamelou). Vedci tento koeficient matematicky vyjadrujú takto:

E = γwa + γwo – γoa

γwa označuje povrchové napätie peniacej kvapaliny, γwo predstavuje medzifázové napätie medzi odpěňovačom a peniacou kvapalinou a γoa označuje povrchové napätie odpěňovača. Kladná hodnota umožňuje odpěňovaču preniknúť do štruktúry peny.

Koeficient šírenia (S) udáva, ako sa látka po vniknutí šíri po povrchu peny:

S = γwa – γwo – γoa

Kladná hodnota S pomáha protipenivému činidlu rozprestrieť sa a vytlačiť povrchovo aktívne látky z rozhrania. Koeficient premostenia (B = γ²wa + γ²wo + γ²oa) musí byť takisto kladný, aby došlo k účinnému rozbití peny.

Penetrácia lamiel a preklenutie filmu

Antipeniace prostriedky rozkladajú penu prostredníctvom viacerých mechanizmov po tom, čo preniknú do jej štruktúry. Proces vytvárania mostíkov a odmočovania začína v okamihu, keď kvapka oleja dopadne na povrch penového filmu, nadobudne tvar šošovky a vytvorí mostík medzi protilehlými povrchmi. Film sa rozpadne, keď kapilárne sily spôsobia odmočovanie v okolí mostíka.

Ďalším riešením je mechanizmus vytvárania mostíkov a rozťahovania. V tomto prípade protipenivá častica vytvára mostík medzi povrchmi peny a vytvára nestabilný film, ktorý sa pretrhne v najtenšom bode. Zmes olejovo-pevného protipenivého činidla s hydrofóbnymi časticami robí tento proces obzvlášť účinným.

Vytláčanie povrchovo aktívnych látok na rozhraní plyn-kvapalina

Chemické protipenové činidlo vytláča povrchovo aktívne látky z rozhrania plyn-kvapalina. Činidlo sa rozprestrie a vytvorí šošovku, ktorá zúži lamelu. Vznikne tak film, ktorý je oveľa menej pružný ako pôvodná štruktúra stabilizovaná povrchovo aktívnymi látkami.

Odpenovače vytvárajú slabé miesta v štruktúre peny. Dosahujú to znížením povrchového napätia, vytváraním fyzických mostíkov medzi lamelami a odstraňovaním stabilizujúcej vrstvy povrchovo aktívnej látky, ktorá udržuje bubliny neporušené. K tomuto procesu prispieva aj Marangoniho efekt – oblasti s vyšším povrchovým napätím priťahujú tekutiny s nižším povrchovým napätím, čo vytvára prúdenie, ktoré štruktúru peny ďalej oslabuje.

Druhy protipenivých prostriedkov a ich zloženie

Proti penivé prostriedky sa vyrábajú v rôznych zloženiach, z ktorých každé má špecifické chemické zloženie prispôsobené konkrétnym aplikáciám. Trh ovládajú výrobky na báze silikónu, ktoré tvoria približne 49,41 % podielu na tržbách.

Prípravky na báze silikónu: PDMS a emulzie

Polydimetylsiloxán (PDMS) tvorí základ odpenovačov na báze silikónu. Molekulová hmotnosť týchto polymérov sa pohybuje v rozmedzí od 3 200 do 16 500 Da. Zlúčeniny PDMS poskytujú vynikajúci výkon vďaka svojej chemickej inertnosti, tepelnej stabilite a veľmi nízkej povrchovej napätosti približne 21 mN/m. Silikónové emulzie obsahujú 10–40 % aktívneho silikónu s neiónovými emulgátormi, ktoré zabezpečujú správnu disperziu.

Prípravky na báze oleja: minerálne a rastlinné oleje

Prípravky na odpenovanie na báze minerálneho oleja obsahujú 70–95 % minerálneho oleja spolu s hydrofóbnymi časticami a emulgátormi. Tieto látky fungujú dobre tak vo vodných, ako aj vo nevodných systémoch. Alternatívy na báze rastlinných olejov, ako sú kokosový a palmový olej, ponúkajú biologicky rozložiteľné možnosti s porovnateľnými profilmi viskozity ako komerčné odpěňovače. Výskumy ukazujú, že kokosový olej vyniká podstatne vysokou výťažnosťou oleja na úrovni 54%.

nesilikónový odpěňovač: mastné alkoholy a estery

Tekuté odpěňovače na báze mastných alkoholov pôsobia vďaka svojej hydrofóbnej povahe ako účinné odpěňovacie prostriedky. Tieto zlúčeniny obsahujú polyétery s rôznym počtom jednotiek etylénoxidu (EO) a propylénoxidu (PO), ktoré ovplyvňujú odpěňovaciu schopnosť. Odpenovače spojené s jednotkami EO aj PO (PO pred EO) vykazujú silnejšie odpěňovacie schopnosti než tie, ktoré obsahujú iba EO.

Hydrofóbne tuhé látky: oxid kremičitý a vosky

Hydrofóbne tuhé látky vytvárajú synergický efekt v kombinácii s nosnými olejmi. Medzi obľúbené možnosti patria hydrofobizovaný oxid kremičitý, etylénbis-stearamid (EBS), parafínové vosky a vosky z mastných alkoholov. Účinnosť závisí od veľkosti častíc a drsnosti povrchu tuhej látky. Väčšie častice ponúkajú lepšiu destabilizáciu filmu, ale môžu spôsobiť problémy so sedimentáciou počas skladovania, preto sú nevyhnutné správne techniky disperzie.

Priemyselné využitie protipenivých prostriedkov

Proti penivé prostriedky pomáhajú predchádzať prevádzkovým výpadkom vo všetkých typoch podnikov. Tieto špecializované chemikálie riešia problémy súvisiace s penením vďaka zloženiu prispôsobenému konkrétnym potrebám.

Úprava vody: Provzdušňovacie nádrže a usadzovacie nádrže

Nadmerná tvorba peny v čistiarňach odpadových vôd predstavuje prevádzkové riziko a znižuje účinnosť zariadení. Zamestnanci sú vystavení zdravotným a bezpečnostným rizikám spôsobeným penou v provzdušňovacích nádržiach, najmä v okolí zberných jímok, nádrží a otvorených priekop. Proti penivé prostriedky zlepšujú fungovanie usadzovačov, najmä keď vysoký obsah tuhých látok vedie k hromadeniu peny a zhoršenému výkonu. Tieto prostriedky znižujú potrebu údržby a zabraňujú rastu baktérií v pene, ktoré by mohli ohroziť zamestnancov a verejnosť.

Spracovanie potravín: Fermentačné a umývacie linky

Proti penivé prostriedky určené pre potravinársky priemysel sú nevyhnutné pre fermentačné procesy, výrobu nápojov a umývacie operácie. Ich správne použitie zabraňuje pretekaniu peny počas výroby potravín a chráni spracovateľské zariadenia, pričom zároveň znižuje prestoje. Tieto prostriedky zvyšujú efektívnosť umývacích liniek, pričom testy preukázali trojnásobné zníženie potrebného dávkovania. Pomáhajú tiež firmám spĺňať predpisy, ktoré vyžadujú, aby odpadové vody neobsahovali penu.

Farby a nátery: Mletie a plnenie pigmentov

Pri výrobe farieb dochádza k tvorbe peny počas miešania, mletia a automatického plnenia, čo spomaľuje výrobu a znižuje výstup. Odpenovače farieb zabraňujú vzniku povrchových chýb, ako sú krátery, rybie oči a drobné dierky, počas nanášania. Údaje z odvetvia ukazujú, že načasovanie je dôležité – pridanie týchto prostriedkov v správnej fáze (mletie, riedenie alebo hotový výrobok) má veľký vplyv na ich účinnosť.

Ropa a plyn: Vrtné a rafinérske činnosti

V ropnom a plynárenskom priemysle je kontrola penenia kľúčová od vrtu až po rafináciu. Spoločnosti používajú prostriedky proti peneniu pri separácii ropy a plynu, vo vrtných kaloch, pri dehydratácii plynu a pri čistení plynu. Pena môže znižovať účinnosť separátorov a zvyšovať riziko prenášania kvapalín pri ťažbe surovej ropy.

Spracovanie textilu: Farbenie a úprava

Pena spôsobuje v textilnej výrobe mnohé problémy, od odstávok strojov až po nerovnomerné farbenie a vady tkanín. Antipeniace prostriedky zabezpečujú plynulý chod výroby, zlepšujú kvalitu výrobkov a znižujú spotrebu chemikálií.

Záver

Tento článok sa zaoberá komplexnou vedou o chemických odpěňovacích prostriedkoch a ich kľúčovou úlohou v priemyselných odvetviach všetkých veľkostí. Tieto špecializované chemikálie pôsobia tak, že narúšajú tvorbu peny na základe špecifických fyzikálno-chemických princípov. Využívajú kladné koeficienty vniknutia a rozptylu, aby prenikli do penových štruktúr a rozložili ich.

Prípravky na báze silikónu, konkrétne tie, ktoré obsahujú polydimetylsiloxán (PDMS), dominujú na trhu, pretože sú mimoriadne účinné už v malých množstvách. Prostriedky na báze oleja, organické zlúčeniny bez obsahu silikónu a hydrofóbne tuhé látky predstavujú skvelé alternatívy v závislosti od konkrétnych potrieb a environmentálnych faktorov.

Tieto odpěňovače regulujú penenie pomocou sofistikovaných metód, ako je prenikanie do lamiel, vytváranie mostíkov vo filme a vytláčanie povrchovo aktívnych látok. Pomáhajú predchádzať prevádzkovým problémom v zariadeniach na úpravu vody, potravinárskych závodoch, pri výrobe farieb, v ropných rafinériách a na textilných výrobných linkách.

Problémy súvisiace s penou naďalej ovplyvňujú priemyselnú produktivitu, vďaka čomu sú odpěňovacie prostriedky skôr nevyhnutnými pomocnými prostriedkami v procesoch než voliteľnými prísadami. Zabezpečujú plynulý chod prevádzky, znižujú potrebu údržby a chránia zariadenia pred poškodením. Vďaka týmto výhodám sú pre moderné priemyselné procesy nenahraditeľné.

Vedecké poznatky, na ktorých sú tieto látky založené, vysvetľujú, prečo má tento špecializovaný trh celosvetovú hodnotu 1 455,64 miliardy a neustále rastie. Ich úspech spočíva v špeciálne navrhnutých interakciách na molekulárnej úrovni, kde dochádza k stretu plynu s kvapalinou, a nie len v jednoduchých chemických reakciách.