Razlaga tekočega sredstva proti penjenju: kako preprečuje nastajanje pene v industrijskih aplikacijah

Ključne ugotovitve

Razumevanje delovanja tekočih sredstev za preprečevanje penjenja lahko vašim industrijskim obratom prihrani draga poškodovanja opreme in izgube v proizvodnji, ki jih povzroča nenadzorovano nastajanje pene.

- Tekoča sredstva proti penjenju temeljijo na treh sestavinah, ki delujejo skupaj: hidrofobni materiali (kot sta silicijev dioksid ali voski), nosilna sredstva (olja ali voda) ter minimalna količina emulgatorjev, ki omogočajo hitro razširjanje in destabilizacijo pene na mejni ploskvi med zrakom in tekočino.

- Štirje glavni tipi sredstev proti penjenju so namenjeni različnim potrebam: na oljni osnovi za nadzor penjenja na površini, na vodni osnovi za izpuščanje ujetega zraka, na silikonski osnovi za dvojno delovanje ter EO/PO-kopolimeri za uporabo, odvisno od temperature.

- Nadzor penjenja poteka prek treh mehanizmov: destabilizacija penastih lamel z izpodrivanjem površinsko aktivnih snovi, razbijanje mehurčkov z mostičenjem in odmočenjem ter spodbujanje združevanja mehurčkov, da se ujeti zrak hitro sprosti.

- Pravilna izbira sredstva proti penjenju preprečuje okvare opreme: V ekstrakcijski opremi lahko pena zmanjša prostornino rezervoarja za 33% in povzroči korozijo vakuumskega motorja, medtem ko pri obdelavi kovin ovira delovanje sistemov hlajenja in mazanja.

- Odmerjanje se razlikuje glede na način uporabe: Tipične koncentracije se gibljejo med 0,1–0,31 TP3T v lateksnih barvah, 10–30 ppm pri ločevanju nafte in plina ter 10–200 ppm pri čiščenju odpadne vode, odvisno od intenzivnosti penjenja in procesnih pogojev.

Pravo tekoče sredstvo proti penjenju, prilagojeno vašemu konkretnemu industrijskemu procesu, zagotavlja dolgo življenjsko dobo opreme, ohranja operativno učinkovitost in odpravlja proizvodna ozka grla, ki jih povzročajo težave s penjenjem.

Nastajanje pene lahko uniči vašo opremo. Pena, bogata z detergentom, ki se pomeša z umazanijo in vlakni, se vsesa v motorje sesalnikov, zamaši zračne poti, povzroča korozijo notranjih delov in zmanjša sesalno moč. Tekoči sredstvo proti penjenju je kemični dodatek, ki zmanjšuje in preprečuje nastajanje pene v tekočinah v industrijskih procesih. Industrijski procesi se soočajo z resnimi težavami zaradi pene, ki povzroča napake na površinskih premazih in preprečuje učinkovito polnjenje posod. Te težave najpogosteje opažamo v zbiralnih rezervoarjih ekstrakcijskih strojev in avtomatskih čistilnih strojev, kjer je nadzor nad peno ključnega pomena. Med najpogostejša sredstva za preprečevanje penjenja spadajo netopna olja, sredstva za preprečevanje penjenja na osnovi silikona, kot so polidimetilsiloksani, ter nekateri alkoholi. V tem članku bomo raziskali, kako delujejo tekoča sredstva za preprečevanje penjenja, kakšne so njihove različne vrste ter kakšne so njihove uporabe v industrijskih procesih.

Kaj so tekoči sredstva za odstranjevanje pene in kakšne so njihove glavne lastnosti

Tekoči sredstvo za preprečevanje penjenja je sestavljeno iz treh različnih sestavin, ki skupaj preprečujejo nastajanje pene. Glavna sestavina je hidrofobni material ki deluje kot aktivni element. Med hidrofobne materiale spadajo obdelan silicijev dioksid, voski (sintetični ali naravni) ter silikoni ali njihovi derivati. Te hidrofobne snovi se lahko uporabljajo samostojno ali v kombinaciji, da se izboljša učinkovitost.

Druga sestavina je nosilno vozilo ki prenaša hidrofobne aktivne snovi v hidrofilni sistem, ki zadržuje zrak. Nosilna sredstva vključujejo mineralna olja, rastlinska olja in silikonska olja. Nosilna tekočina ima običajno nižjo površinsko napetost kot penljiva tekočina. Dolgoročna stabilnost nosilca v izvorni tekočini določa učinkovitost nadzora penjenja v izdelkih z daljšo rokom uporabnosti.

Tretja sestavina, emulgator, bo zagotovila optimalno porazdelitev hidrofobne sestavine v nosilcu, hkrati pa olajšala razporeditev sredstva za preprečevanje penjenja po celotni tekočini. Med uporabljenimi emulgatorji so etoksilirani alkilfenoli in sorbitanovi estri. Količino emulgatorjev zmanjšujemo na minimum, saj lahko te spojine same prispevajo k nastajanju pene.

Kemična sestava in površinska aktivnost

Sredstva za nadzor penjenja delujejo bolje, ko se površinska napetost ali medfazna napetost zmanjša. Sredstvo za odpravljanje penjenja na osnovi silikona vsebuje površinsko aktivne sestavine, ki zmanjšajo površinsko napetost tekočine v takšni meri, da se zračni mehurčki v peni sesedejo. To zmanjšanje površinske napetosti omogoča, da se sredstvo za odpravljanje penjenja hitreje razširi po mejni ploskvi pene.

Zahteve glede viskoznosti za hitro nanašanje

Nizka viskoznost prispeva k prodiranju in razširjanju. Tekoči sredstvo proti penjenju mora imeti visok koeficient razširjanja, da se lahko razširi po mediju. Brez te lastnosti nizke viskoznosti sredstvo proti penjenju ne more dovolj hitro doseči stične ploskve med zrakom in tekočino, kjer pride do stabilizacije pene.

Netopnost v penastem mediju

Sredstvo proti penjenju mora biti netopno v mediju, v katerem nastaja pena. Tekoča faza sredstva proti penjenju mora biti do določene mere nezdružljiva ali netopna z medijem, v katerega je vnesena. Zaradi te nezdružljivosti lahko sredstvo proti penjenju tvori kapljice, ki se dvignejo na površino in se dobro razširijo, pri čemer razbijajo mehurčke, ne da bi pri tem prispevale k nadaljnjemu penjenju.

Vrste tekočih sredstev za odstranjevanje pene

Formulatorji izbirajo med štirimi glavnimi kategorijami tekočih sredstev za odpravljanje pene, in sicer glede na nosilni sistem in aktivno kemijsko sestavo, ki je potrebna za določene procesne pogoje.

Odpenjalci na osnovi olja z nosilnimi snovmi iz mineralnih ali rastlinskih olj

Formulacije na oljni osnovi kot nosilno sredstvo uporabljajo mineralno olje, rastlinsko olje ali belo olje. Te zmesi vsebujejo vosek ali hidrofobni silicijev dioksid za izboljšanje učinkovitosti. Različice z mineralnim oljem zagotavljajo odlično preprečevanje penjenja v sistemih na vodni osnovi. Alternativne formulacije na osnovi rastlinskega olja vsebujejo aktivno sestavino 100%, ki je v sistemih lateksnih barv učinkovita v koncentracijah 0,1–0,3% (masni delež). Formulacije na osnovi rastlinskega olja odpravljajo tveganje onesnaženja s silikonom, ki povzroča kraterje, »ribje oči« in slabo medplastno oprijemljivost v akrilnih in vinilacetatnih sistemih. Ti sredstva za preprečevanje penjenja so izjemno učinkovita pri odstranjevanju površinske pene.

Odpenjalci na vodni osnovi za odstranjevanje ujetega zraka

Formulacije na vodni osnovi dispergirajo različna olja in voske v vodnem nosilcu. Olja so lahko mineralna ali rastlinska, voski pa so sestavljeni iz maščobnih alkoholov z dolgimi verigami, mil iz maščobnih kislin ali estrov. Odpenjalci na vodni osnovi delujejo kot razplinjevalci in iz procesnih tekočin sproščajo ujet zrak, za razliko od različic na oljni osnovi. Zaradi te posebnosti so idealni za uporabo v primerih, kjer je odstranjevanje zraka iz notranjosti tekočine pomembnejše od nadzora pene na površini.

Sestavine za preprečevanje penjenja na osnovi silikona

Silikonske formulacije vsebujejo polimere s silicijevimi ogrodji, ki so na voljo v obliki olj ali emulzij na vodni osnovi. Tipična silikonska protipenilna emulzija je sestavljena iz polidimetilsiloksana 30% v vodi z modificiranimi anorganskimi sestavinami. Te spojine dispergirajo hidrofobni silicijev dioksid v silikonskem olju. Silikonske različice imajo dvojno funkcijo: odpravljajo površinsko peno in hkrati sproščajo ujet zrak. So primerne za nevodne penilne sisteme, ki vključujejo surovo nafto in rafinerijske postopke.

Sredstva proti penjenju iz EO/PO-kopolimerov

Blok-kopolimeri etilenoksida in propilenoksida delujejo na podlagi mehanizma obratne topnosti. Ti neionski površinsko aktivni snovi ostajajo topni v vodi pri nizkih temperaturah, vendar se ob tem, ko procesna temperatura preseže njihovo točko motnosti, izločijo in razširijo na mejni ploskvi pene. Odstranjevanje pene je odvisno od razmerja med točko motnosti površinsko aktivne snovi in temperaturo uporabe. Formulatorji morajo izbrati blokne kopolimere, katerih točka motnosti je nižja od predvidene temperature uporabe. Ta aktivna sredstva 100% brez silikona so biološko inertna. Zaradi tega so varna za uporabo v fermentacijskih sistemih.

Kako tekoči sredstva proti penjenju preprečujejo nastajanje pene

“način širjenja, pri katerem se plast razpočenega mehurčka vpije v okoliški tekočinski film” — Rei Kurita, Izredni profesor, Univerza v Tokiu

Nadzor penjenja po dodajanju tekočega sredstva za preprečevanje penjenja v procesne tekočine temelji na treh mehanizmih. Ti mehanizmi delujejo skupaj, da odstranijo površinsko peno in ujetih zračnih mehurčkov.

Destabilizacija penastih lamel na mejni ploskvi med zrakom in tekočino

Razmaščenje povzroči mehanski udarec na površino pene in destabilizira njeno strukturo. Sredstvo za odpravljanje pene se hitreje razširi po površini pene, prodre v lamelne strukture in prekine kohezijo pene. Hidrofobna sestavina izpodriva stabilizirajoče površinsko aktivne snovi na mejni ploskvi med zrakom in tekočino. Ta afiniteta do mejne ploskve med zrakom in tekočino raztrga zračne mehurčke in razgradi površinsko peno.

Razpok zračnih mehurčkov zaradi razširjanja po površini

Sredstvo proti penjenju prodre v steno mehurčka in prek mehanizma mostičenja prekine strukturo filma. Kapljice sredstva proti penjenju z nizko površinsko napetostjo se raztegnejo čez lamelo in tvorijo nestabilne mostove. Hidrofobna delca ali kapljice olja s kontaktnim kotom, večjim od 90°, ob stiku z obema stranema lamel povzročijo odmočenje. Tekočina, ki je v stiku z delcem, se upogne navznoter, dokler se obe strani filma ne dotakneta in pretrgata. Lamela se izprazni, ko se mostiček oblikuje in doseže kritično točko, kjer se pretrga ter sprosti ujet zrak.

Agregacija in dvig mešanih zračnih mehurčkov

Vmešani zračni mehurčki se združujejo in tvorijo večje mehurčke, ki hitreje vzpenjajo na površino. Več majhnih mehurčkov se združi in s koalescenco izstopi iz zmesi. Sredstvo za preprečevanje penjenja zmanjša gradient površinske napetosti. Plasti mehurčkov se tanjšajo in na določenih točkah počijo, pri čemer se sprosti notranji plin. Ta proces koalescence z ustreznimi metodami mešanja odstrani velike vmešane zračne mehurčke.

Industrijske aplikacije in reševanje problemov

“Naše tehnologije na osnovi silicijevega dioksida omogočajo zmanjšanje vsebnosti olja in bolj ekonomično doziranje, saj imajo močan ojačevalni učinek, ki pospeši razpad pene in izboljša učinkovitost formulacije.” — Evonik, Vodilno podjetje na področju specializiranih kemikalij

Industrijska podjetja se v številnih panogah soočajo z izgubami v proizvodnji, povezanimi s peno. Vsaka panoga zahteva namenske rešitve v obliki tekočih sredstev za preprečevanje penjenja, prilagojene posebnim pogojem proizvodnega procesa.

Nadzor penjenja v zbiralnem rezervoarju v opremi za ekstrakcijo

Pena v zbiralnih rezervoarjih stroja za čiščenje preprog povzroči, da se plavajoči mehanizem zapre prezgodaj, kar zmanjša kapaciteto rezervoarja za do 33%. Delovanje plavajočega mehanizma se prekine, ko ga pena ovira, zaradi česar se umazana raztopina vsesa v sesalni motor. To povzroča korozijo in predčasno okvaro. Prek cevi za zbiranje dodajamo razredčen sredstvo proti penjenju, da obdelamo celoten sesalni sistem, nato pa vzdržujemo koncentracijo od 0,5 do 1,0 unč na galono prostornine rezervoarja.

Upravljanje pene v hladilnih in procesnih tekočinah

Pena v hladilni tekočini za obdelavo kovin ovira mazalne in hladilne funkcije. Poleg tega poveča prostornino sistema. Ena unča koncentriranega sredstva proti penjenju zadostuje za obdelavo 50 galonov razredčene hladilne tekočine. Visokotlačni CNC-postopki z tlakom nad 800 psi zahtevajo posebne formulacije z nizko penljivostjo.

Papirnica in predelava lesne celuloze

Silikonske emulzije ostanejo aktivne pri visokih temperaturah in v alkalnih pogojih. Ti pogoji se pojavljajo v fazah pranja celuloze, izparevanja in beljenja. Te formulacije odstranjujejo ujet zrak in zmanjšujejo površinsko napetost v procesnih tekočinah. Pranje rjave celuloze z modificiranimi organsko-silikonskimi spojinami zmanjšuje prenos kemikalij in stroške beljenja.

Dejavnosti predelave hrane in rafinacije olja

Sredstva za preprečevanje penjenja, primerna za uporabo v prehrambeni industriji, uravnavajo penjenje pri proizvodnji piva, predelavi sokov in v mlekarskih obratih, hkrati pa izpolnjujejo predpise FDA. Silikonska sredstva za preprečevanje penjenja odpravljajo peno pri odmerku 10–30 ppm pri ločevanju olja in plina ter preprečujejo prenos tekočine.

Čiščenje odpadne vode in hidravlični sistemi

Odpenjalci za odpadne vode se dozirajo v koncentracijah od 10 do 200 ppm, odvisno od intenzivnosti penjenja. Hidravlični odpenjalec preprečuje poškodbe zaradi kavitacije ter ohranja učinkovitost sistema in dolgo življenjsko dobo komponent.

Zaključek

Raziskali smo, kako tekoči sredstva za preprečevanje penjenja zmanjšujejo penjenje prek treh osnovnih mehanizmov: destabilizacije penastih lamel, razbijanja zračnih mehurčkov in spodbujanja združevanja mehurčkov. Posebne zahteve procesa določajo, ali izberemo formulacije na osnovi olja, vode, silikona ali EO/PO kopolimerov. Te spojine ščitijo ključno opremo v ekstrakcijskih sistemih, pri obdelavi kovin, v papirnicah in čistilnih napravah za odpadne vode. Prava izbira in doziranje sredstva proti penjenju preprečujeta poškodbe opreme, ki lahko postanejo drage. Prav tako izboljšujeta učinkovitost procesa in odpravljata izgube v proizvodnji, ki jih povzroča nenadzorovana pena.