Vysvetlenie fungovania kvapalného odpěňovača: Ako reguluje penenie v priemyselných aplikáciách

Kľúčové závery

Pochopenie princípu fungovania kvapalných odpěňovačov môže vašim priemyselným prevádzkam ušetriť náklady spojené s poškodením zariadení a výrobnými stratami spôsobenými nekontrolovaným hromadením peny.

- Tekuté odpěňovače využívajú tri zložky, ktoré pôsobia spoločne: hydrofóbne látky (ako napríklad oxid kremičitý alebo vosky), nosné médiá (oleje alebo voda) a minimálne množstvo emulgátorov, ktoré zabezpečujú rýchle rozptýlenie a destabilizáciu peny na rozhraní vzduch–kvapalina.

- Štyri hlavné typy prostriedkov proti peneniu slúžia na rôzne účely: na báze oleja na reguláciu povrchovej peny, na báze vody na uvoľňovanie zachyteného vzduchu, na báze silikónu na dvojfunkčné použitie a kopolyméry EO/PO pre aplikácie závislé od teploty.

- Regulácia peny prebieha prostredníctvom troch mechanizmov: destabilizácia penových lamiel vytláčaním povrchovo aktívnych látok, prasknutie bublín prostredníctvom vytvárania mostíkov a odvlhčovania, ako aj podnecovanie zlučovania bublín s cieľom rýchleho uvoľnenia zachyteného vzduchu.

- Správny výber prostriedku proti peneniu zabraňuje poruchám zariadení: V extrakčných zariadeniach môže pena znížiť kapacitu nádrže o 33% a spôsobiť koróziu vákuového motora, zatiaľ čo pri spracovaní kovov bráni správnemu chladeniu a mazaniu.

- Dávkovanie sa líši v závislosti od spôsobu použitia: Typické koncentrácie sa pohybujú v rozmedzí 0,1–0,31 TP3T v latexových farbách, 10–30 ppm pri separácii ropy a plynu a 10–200 ppm pri čistení odpadových vôd, v závislosti od intenzity penenia a prevádzkových podmienok.

Správny tekutý odpěňovač, prispôsobený vašim konkrétnym priemyselným procesom, chráni životnosť zariadení, udržiava prevádzkovú efektívnosť a odstraňuje výrobné prekážky spôsobené problémami súvisiacimi s penou.

Hromadenie peny môže poškodiť vaše zariadenie. Pena s vysokým obsahom čistiaceho prostriedku, zmiešaná s nečistotami a vláknami, sa nasáva do motorov vysávačov, upcháva vzduchové kanály, spôsobuje koróziu vnútorných súčiastok a znižuje sací výkon. Tekutý odpěňovač je chemická prísada, ktorá znižuje a zabraňuje tvorbe peny v kvapalinách používaných v priemyselných procesoch. Priemyselné procesy čelia vážnym problémom spôsobeným penou, ktorá spôsobuje defekty na povrchových náteroch a bráni efektívnemu plneniu nádob. S týmito problémami sa najčastejšie stretávame v zberných nádržiach extrakčných strojov a automatických čističov, kde je kontrola peny kriticky dôležitá. Medzi najbežnejšie odpěňovacie prostriedky patria nerozpustné oleje, odpěňovacie zmesi na báze silikónu, ako sú polydimetylsiloxány, a niektoré alkoholy. V tomto článku sa pozrieme na to, ako fungujú kvapalné odpěňovače, aké sú ich rôzne typy a aké majú uplatnenie v priemyselných prevádzkach.

Čo sú tekuté odpěňovače a aké sú ich hlavné vlastnosti

Tekutý prostriedok na potlačenie peny sa skladá z troch odlišných zložiek, ktoré spoločne pôsobia na potlačenie peny. Hlavnou zložkou je hydrofóbny materiál ktorý slúži ako aktívny prvok. Medzi hydrofóbne materiály patria upravený oxid kremičitý, vosky (syntetické alebo prírodné) a silikóny alebo deriváty silikónov. Tieto hydrofóbne látky sa môžu používať samostatne alebo v kombinácii s cieľom zvýšiť výkonnosť.

Druhou zložkou je nosné vozidlo ktorý prenáša hydrofóbne aktívne látky do hydrofilného systému zadržiavajúceho vzduch. Medzi nosné médiá patria minerálne oleje, rastlinné oleje a silikónové oleje. Nosná kvapalina má zvyčajne nižšie povrchové napätie ako peniaca kvapalina. Dlhodobá stabilita nosného média v pôvodnej kvapaline určuje účinnosť regulácie peny v produktoch s predĺženou trvanlivosťou.

Tretia zložka, a emulgátor, zabezpečí optimálne rozloženie hydrofóbnej zložky v nosiči a zároveň uľahčí rozptýlenie prostriedku na potlačenie penenia v kvapaline. Medzi použité emulgátory patria etoxylované alkylfenoly a estery sorbitánu. Množstvo emulgátorov minimalizujeme, pretože tieto zlúčeniny môžu samy o sebe prispievať k tvorbe peny.

Chemické zloženie a povrchová aktivita

Prostriedky na potlačenie peny fungujú účinnejšie, keď klesá povrchové napätie alebo medzifázové napätie. Odpenovač na báze silikónu obsahuje povrchovo aktívne zložky, ktoré znižujú povrchové napätie kvapaliny do takej miery, že vzduchové bubliny v pene kolabujú. Toto zníženie povrchového napätia umožňuje, aby sa odpěňovač rýchlejšie rozprestrel po rozhraní peny.

Požiadavky na viskozitu pre rýchle rozotieranie

Nízka viskozita prispieva k penetrácii a rozprestieraniu. Tekutý odpěňovač musí mať rýchly koeficient rozprestierania, aby sa mohol rozprestrieť po celom médiu. Bez tejto vlastnosti nízkej viskozity sa odpěňovač nemôže dostať k rozhraniu vzduch-kvapalina, kde dochádza k stabilizácii peny dostatočne rýchlo.

Nerozpustnosť v peniacom médiu

Odpenovač musí byť nerozpustný v peniacom médiu. Kvapalná fáza odpenača musí vykazovať určitú mieru nekompatibility alebo nerozpustnosti voči médiu, do ktorého je pridaný. Vďaka tejto nekompatibilite je odpenač schopný vytvárať kvapôčky, ktoré stúpajú na povrch a dobre sa rozptyľujú, čím praskajú bubliny bez toho, aby prispievali k ďalšiemu peneniu.

Druhy kvapalných odpěňovačov

Vývojári receptúr si vyberajú zo štyroch hlavných kategórií tekutých odpěňovačov na základe nosného systému a aktívnej chemickej zložky, ktoré sú potrebné pre konkrétne procesné podmienky.

Odpenovače na báze oleja s nosnými látkami z minerálnych alebo rastlinných olejov

Prípravky na olejovej báze používajú ako nosné médium minerálny olej, rastlinný olej alebo biely olej. Tieto zmesi obsahujú vosk alebo hydrofóbny oxid kremičitý na zvýšenie účinnosti. Varianty s minerálnym olejom zabezpečujú vynikajúce potlačenie penenia vo vodných systémoch. Alternatívy na báze rastlinného oleja ponúkajú aktívnu zložku 100% s účinnosťou 0,1–0,3% hmotnostných v systémoch latexových farieb. Prípravky na báze rastlinného oleja eliminujú riziko kontaminácie silikónom, ktorá spôsobuje tvorbu kráterov, rybích očí a zlyhania priľnavosti medzi vrstvami v akrylových a vinylacetátových systémoch. Tieto odpěňovače vynikajú pri potláčaní povrchovej peny.

Odpenovače na vodnej báze na uvoľňovanie zachyteného vzduchu

Prípravky na vodnej báze dispergujú rôzne oleje a vosky vo vodnom nosiči. Olejmi môžu byť minerálne alebo rastlinné oleje a vosky pozostávajú z mastných alkoholov s dlhým reťazcom, mydiel mastných kyselín alebo esterov. Odpenovače na vodnej báze fungujú ako odvzdušňovače a na rozdiel od variantov na olejovej báze uvoľňujú zachytený vzduch z procesných kvapalín. Vďaka tejto špecializácii sú ideálne pre aplikácie, kde je odstránenie vzduchu z vnútorných vrstiev dôležitejšie ako regulácia peny na povrchu.

Zmes na potlačenie peny na báze silikónu

Silikónové prípravky obsahujú polyméry s kremíkovým reťazcom, ktoré sa dodávajú vo forme olejov alebo emulzií na vodnej báze. Typická silikónová protipenová emulzia pozostáva z polydimetylsiloxánu 30% vo vode s modifikovanými anorganickými zložkami. Tieto zlúčeniny dispergujú hydrofóbny oxid kremičitý v silikónovom oleji. Silikónové varianty plnia dvojitú funkciu – potláčajú povrchovú penu a zároveň uvoľňujú zachytený vzduch. Sú vhodné pre nevodné penivé systémy, ktoré zahŕňajú ťažbu ropy a rafinérske procesy.

Odpenovače na báze kopolymérov EO/PO

Blokové kopolyméry etylénoxidu a propylénoxidu fungujú na základe mechanizmu inverznej rozpustnosti. Tieto neiónové povrchovo aktívne látky zostávajú rozpustné vo vode pri nízkych teplotách, avšak pri prekročení ich bodu zakalenia na procesnej teplote sa vysrážajú a rozširujú na rozhraní peny. Odpenovanie závisí od vzťahu medzi bodom zakalenia povrchovo aktívnej látky a aplikačnou teplotou. Výrobcovia prípravkov by mali vyberať blokové kopolyméry, ktorých bod zakalenia je nižší ako zamýšľaná prevádzková teplota. Tieto aktívne látky 100% bez obsahu silikónu sú biologicky inertné. Vďaka tomu sú bezpečné na použitie vo fermentačných systémoch.

Ako tekuté odpěňovače regulujú tvorbu peny

“spôsob šírenia v dôsledku toho, že film z prasknutej bubliny sa vstrebáva do okolitého tekutého filmu” — Rei Kurita, docent, Tokijská metropolitná univerzita

K regulácii penenia po pridaní kvapalného odpěňovača do procesných kvapalín prispievajú tri mechanizmy. Tieto mechanizmy spolupôsobia pri odstraňovaní povrchovej peny a zachytených vzduchových bublín.

Destabilizácia penových lamiel na rozhraní vzduch–kvapalina

Rozotieranie spôsobuje mechanický náraz na povrch peny a destabilizuje jej štruktúru. Odpenovač sa rýchlejšie rozotiera po povrchu peny, preniká do lamiel a narúša súdržnosť peny. Hydrofóbna zložka vytláča stabilizačné povrchovo aktívne látky na rozhraní vzduch-kvapalina. Táto afinita k rozhraniu vzduch-kvapalina spôsobuje prasknutie vzduchových bublín a rozpad povrchovej peny.

Prasknutie vzduchových bublín v dôsledku rozširovania po povrchu

Odpenovač preniká do steny bubliny a prostredníctvom mostíkového mechanizmu narúša štruktúru filmu. Kvapôčky odpenovača s nízkym povrchovým napätím sa tiahnu cez lamelu a vytvárajú nestabilné mostíky. Hydrofóbna častica alebo kvapka oleja s kontaktným uhlom väčším ako 90° spôsobuje pri kontakte s oboma stranami lamely odmočenie. Tekutina v kontakte s časticou sa ohýba dovnútra, až kým sa obe strany filmu nedotknú a neprasknú. Lamela sa vyprázdňuje, keď sa vytvára mostík, a dosiahne kritický bod, v ktorom sa zlomí a uvoľní zachytený vzduch.

Aglomerácia a stúpanie zachytených vzduchových bublín

Vtiahnuté vzduchové bubliny sa zhlukujú a vytvárajú väčšie bubliny, ktoré rýchlejšie stúpajú na povrch. Množstvo malých bublín sa spája a prostredníctvom koalescencie uniká zo zmesi. Odpenovač znižuje gradienty povrchového napätia. Bublinové filmy sa stenčujú a v určitých bodoch praskajú, čím sa uvoľňuje vnútorný plyn. Tento proces koalescencie odstraňuje veľké vtiahnuté vzduchové bubliny pri použití vhodných metód miešania.

Priemyselné aplikácie a riešenie problémov

“Naše technológie na báze oxidu kremičitého umožňujú znížiť obsah oleja a dosiahnuť úspornejšie dávkovanie vďaka ich silným posilňujúcim účinkom, ktoré urýchľujú rozpad peny a zvyšujú účinnosť prípravku.” — Evonik, Vedúca spoločnosť v oblasti špeciálnych chemikálií

Priemyselní prevádzkovatelia čelia stratám vo výrobe spôsobeným penou v mnohých odvetviach. Každé z nich si vyžaduje cielené riešenia v podobe kvapalných odpěňovačov prispôsobených konkrétnym podmienkam procesu.

Regulácia peny v zbernej nádrži v odsávacom zariadení

Pena v zberných nádržiach čističa kobercov spôsobuje, že plavákový mechanizmus sa uzavrie príliš skoro, čím sa zníži kapacita nádrže až o 33%. Plavákový mechanizmus nefunguje správne, keď mu v tom bráni pena, a znečistený roztok sa vtiahne do vákuového motora. To vedie ku korózii a predčasnému zlyhaniu. Pridávame zriedený odpenovač cez zbernú hadicu, aby sme ošetrili celý vákuový systém, a potom udržiavame hladinu na úrovni 0,5 až 1,0 unca na galón kapacity nádrže.

Riadenie penenia chladiacej kvapaliny a procesnej kvapaliny

Pena v chladiacej kvapaline pre obrábanie kovov obmedzuje mazacie a chladiace funkcie. Zároveň zvyšuje objem systému. Jedna unca koncentrovaného prostriedku proti peneniu vystačí na 50 galónov zriedenej chladiacej kvapaliny. Vysokotlakové CNC operácie s tlakom nad 800 psi vyžadujú špeciálne prípravky s nízkou penivosťou.

Papierenský závod a spracovanie drevnej buničiny

Silikónové emulzie si zachovávajú svoju účinnosť aj pri vysokých teplotách a v alkalických podmienkach. K týmto podmienkam dochádza vo fázach premývania buničiny, odparovania a bielenia. Tieto prípravky uvoľňujú zachytený vzduch a znižujú povrchové napätie v procesných roztokoch. Premývanie hnedej buničiny pomocou modifikovaných organosilikónových zlúčenín znižuje prenos chemikálií a náklady na bielenie.

Spracovanie potravín a rafinácia ropy

Odpenovače určené pre styk s potravinami regulujú penenie pri výrobe piva, spracovaní ovocných štiav a v mliekarenskom priemysle, pričom spĺňajú predpisy FDA. Silikónové odpěňovače eliminujú penenie pri dávkovaní 10–30 ppm pri separácii ropy a plynu a zabraňujú prenášaniu kvapaliny.

Čistenie odpadových vôd a hydraulické systémy

Odpenovače pre odpadové vody sa dávkujú v rozmedzí 10–200 ppm v závislosti od intenzity penenia. Hydraulické odpěňovače zabraňujú poškodeniu spôsobenému kavitáciou a zachovávajú účinnosť systému a životnosť komponentov.

Záver

Zaoberali sme sa tým, ako kvapalné odpěňovače potláčajú penu prostredníctvom troch základných mechanizmov: destabilizáciou penových lamiel, rozbíjaním vzduchových bublín a podporou zlučovania bublín. Konkrétne požiadavky procesu určujú, či zvolíme prípravky na báze oleja, vody, silikónu alebo kopolyméru EO/PO. Tieto zmesi chránia kritické zariadenia v extrakčných systémoch, pri spracovaní kovov, v papierňach a v zariadeniach na čistenie odpadových vôd. Správny výber a dávkovanie odpěňovača zabraňuje poškodeniu zariadení, ktoré môže byť finančne nákladné. Zároveň zlepšuje výkonnosť procesu a eliminuje výrobné straty spôsobené nekontrolovanou penou.