Schuim verwijderen: hoe kies je een antischuimmiddel?
Het ontstaan van schuim veroorzaakt vaak ongemakken en problemen in de industriële productie en het dagelijks leven, dus het vinden van een effectieve methode om schuim te verwijderen is essentieel geworden.
De methoden om schuim te verwijderen kunnen worden onderverdeeld in twee categorieën: fysisch en chemisch.
Vanuit een fysisch perspectief kunnen veel methoden worden gebruikt om schuim te elimineren. Er kunnen bijvoorbeeld schotten of filters worden gebruikt om de vorming en het voortbestaan van schuim mechanisch te voorkomen; mechanische agitatie kan worden gebruikt om de stabiliteit van schuim door externe krachten te doorbreken; elektrostatische effecten kunnen de ladingsverdeling van schuim veranderen en het breken ervan bevorderen; bevriezing en verwarming kunnen de fysische eigenschappen van schuim beïnvloeden vanuit het perspectief van temperatuurveranderingen, respectievelijk de stabiliteit van de schuimlaag vernietigen; stoom, straling, centrifugeren met hoge snelheid, onder druk zetten en onder druk brengen, hoogfrequente trillingen, ogenblikkelijke ontlading en ultrageluid (controle van vloeistof door geluidsgolven) kunnen allemaal, in verschillende mate, de gasdoorlaatbaarheid aan beide uiteinden van de vloeistoffilm vergroten, de uitstoting van de bubbelfilm versnellen en ervoor zorgen dat de stabiliteitscoëfficiënt van het schuim lager wordt dan de dempingscoëfficiënt, waardoor de hoeveelheid schuim geleidelijk afneemt. Deze fysische methoden worden echter duidelijk beperkt door omgevingsfactoren en het is moeilijk om een hoge mate van efficiënt schuimvrij maken te bereiken. Ze hebben echter het voordeel dat ze milieuvriendelijk zijn en een hoog recyclingpercentage hebben, zodat ze nog steeds waardevol zijn in sommige scenario's waar strenge milieueisen gelden.
Chemische antischuimmethoden omvatten voornamelijk chemische reactiemethoden en antischuimadditiemethoden. Bij chemische reactiemethoden worden specifieke reagentia aan het schuimsysteem toegevoegd om een chemische reactie met het schuimvormend middel te veroorzaken, waarbij stoffen worden gegenereerd die onoplosbaar zijn in water, waardoor de concentratie van de oppervlakteactieve stof in de vloeistoffilm afneemt en het schuim uiteindelijk breekt. Deze methode heeft echter het dilemma dat het moeilijk is om de samenstelling van het schuimvormend middel te bepalen en dat de onoplosbare stoffen die worden geproduceerd de apparatuur van het systeem kunnen beschadigen. In verschillende industrieën is de toevoeging van antischuimmiddelen tegenwoordig de meest gebruikte manier van antischuim. Het grootste voordeel is de hoge antischuimefficiëntie en het extreme gebruiksgemak, maar de sleutel is het vinden van een geschikt en zeer effectief antischuimmiddel.
Het werkingsprincipe van antischuimmiddelen kan verschillende vormen aannemen. Eén manier is om de lokale oppervlaktespanning van het schuim te verlagen. Door bijvoorbeeld hoogwaardige alcoholen of plantaardige oliën in het schuim te spuiten kan, wanneer deze oplossen in de schuimvloeistof, de lokale oppervlaktespanning aanzienlijk worden verlaagd. Omdat deze stoffen een lage oplosbaarheid in water hebben, blijft de verlaging van de oppervlaktespanning beperkt tot het lokale gebied van het schuim en blijft de oppervlaktespanning eromheen vrijwel onveranderd. Het deel van de oppervlaktespanning dat verlaagd is, wordt sterk naar de omgeving getrokken en zet uit tot het schuim breekt. Neem als voorbeeld enkele reactievaten in de chemische productie. Tijdens de reactie ontstaat een grote hoeveelheid schuim. Als er een matige hoeveelheid ontschuimer met hoogwaardige alcohol wordt toegevoegd, kan de stabiliteit van het schuim effectief worden vernietigd, zodat de reactie soepel kan verlopen. Ten tweede, nadat de antischuimmiddel is toegevoegd aan het schuimsysteem, zal het zich verspreiden naar het gas-vloeistof grensvlak, waardoor het vermogen van de oppervlakteactieve stof met schuimstabiliteit om de elasticiteit van de film te herstellen wordt vernietigd, waardoor de bellen breken. Ten derde kunnen antischuimmiddelen de ontlading van vloeistoffilms bevorderen. De ontlaadsnelheid van schuim is nauw verbonden met de schuimstabiliteit. Stoffen die de ontlading van schuim kunnen versnellen, kunnen ook een ontschuimend effect hebben. Ten vierde zullen hydrofobe vaste deeltjes die aan het oppervlak van bellen worden toegevoegd de hydrofobe uiteinden van oppervlakteactieve stoffen aantrekken, waardoor de hydrofobe deeltjes hydrofiel worden en de waterfase binnendringen, waardoor de bellen scheuren. Dit principe kan in sommige rioolwaterzuiveringsprocessen worden gebruikt om schuim te elimineren door specifieke hydrofobe vaste deeltjes toe te voegen. Ten vijfde kunnen sommige laagmoleculaire stoffen die volledig gemengd kunnen worden met de oplossing, zoals alcoholen zoals octanol, ethanol en propanol, de oppervlakteactieve stof aan het oppervlak van de bel oplossen, waardoor de effectieve concentratie afneemt. Ze kunnen niet alleen de concentratie van de oppervlakteactieve stof op de oppervlaktelaag verminderen, ze kunnen ook oplossen in de adsorptielaag van de oppervlakteactieve stof, waardoor de stabiliteit van het schuim verzwakt. Ten zesde, voor schuimende vloeistoffen die afhankelijk zijn van de interactie van de dubbele elektrische laag van de oppervlakteactieve stof in het schuim om stabiliteit te produceren, kan het toevoegen van een gewone elektrolyt de dubbele elektrische laag van de oppervlakteactieve stof vernietigen om het doel van ontschuiming te bereiken.
Gangbare antischuimmiddelen kunnen op basis van hun samenstelling worden onderverdeeld in siliconen(hars), oppervlakteactieve stoffen, paraffine en minerale olie. Siliconen antischuimmiddelen, ook wel emulgerende antischuimmiddelen genoemd, worden gebruikt door siliconenharsen in water te emulgeren met behulp van emulgatoren (oppervlakteactieve stoffen) en vervolgens toe te voegen aan het afvalwater. Siliciumdioxide fijn poeder is een ander type siliconen antischuimmiddel met uitstekende antischuim eigenschappen. Oppervlakteactieve antischuimmiddelen zijn eigenlijk emulgatoren die hun dispergerende werking gebruiken om schuimvormende stoffen in een stabiele geëmulgeerde toestand in water te houden en zo schuimvorming te voorkomen. Defoamers voor paraffine worden gemaakt door paraffine of derivaten daarvan te emulgeren en te dispergeren met emulgatoren, en hun gebruik is vergelijkbaar met dat van emulgerende defoamers met oppervlakteactieve stoffen. Minerale olie is het belangrijkste antischuimingrediënt en om het effect te versterken worden soms stoffen zoals metaalzepen, siliconenoliën en silica in combinatie gebruikt. Daarnaast worden verschillende oppervlakteactieve stoffen toegevoegd om ervoor te zorgen dat minerale olie zich gemakkelijker verspreidt naar het oppervlak van de schuimvloeistof of om metaalzepen gelijkmatig te verspreiden in minerale olie.
Verschillende soorten antischuimmiddelen hebben hun eigen voor- en nadelen. Organische antischuimmiddelen zoals minerale olie, amiden, lagere alcoholen, vetzuren en vetzuuresters, en fosfaten behoren tot de eerste generatie antischuimmiddelen. Deze antischuimmiddelen werden relatief vroeg ontwikkeld en toegepast en hebben als voordelen dat ze gemakkelijk aan grondstoffen te komen zijn, milieuvriendelijk zijn en lage productiekosten hebben. Ze hebben echter een lage antischuimwerking, zijn zeer specifiek en hebben lastige gebruiksomstandigheden. Polyether antischuimmiddelen zijn antischuimmiddelen van de tweede generatie en omvatten voornamelijk lineaire polyethers, polyethers met alcoholen of aminen als initiators en terminal hydroxyl polyether derivaten. Hun grootste voordeel is hun sterke antischuimvermogen, en sommige hebben ook uitstekende eigenschappen zoals weerstand tegen hoge temperaturen en weerstand tegen sterke zuren en alkaliën. Hun toepassingsomstandigheden worden echter sterk beperkt door de temperatuur en hun toepassingsgebieden zijn relatief smal. Het afschuimend vermogen en de snelheid waarmee bellen worden afgebroken, moeten worden verbeterd. Als ontschuimer van de derde generatie heeft siliconen ontschuimer sterke ontschuimende eigenschappen, een snelle afbreekbaarheid van bellen, een lage vluchtigheid, is niet giftig voor het milieu, fysiologisch inert en heeft een breed toepassingsgebied. Het heeft brede toepassingsmogelijkheden en een enorm marktpotentieel, maar er is nog ruimte voor verbetering van de afschuimprestaties in sommige specifieke scenario's. Polyether-gemodificeerde polysiloxaan antischuimmiddel combineert de voordelen van polyether antischuimmiddel en siliconen antischuimmiddel en is de ontwikkelingstrend voor antischuimmiddelen. Soms kunnen ze worden hergebruikt op basis van hun omgekeerde oplosbaarheid, maar momenteel zijn er maar weinig van dit soort antischuimmiddelen en ze bevinden zich nog in de onderzoeks- en ontwikkelingsfase, waardoor de productiekosten relatief hoog zijn.
Bij het kiezen van een antischuimmiddel moet rekening worden gehouden met een aantal factoren. Ten eerste moet de antischuimmiddel onoplosbaar of slecht oplosbaar zijn in de schuimvloeistof. Omdat de antischuimmiddelen zich moeten concentreren en hun effect moeten uitoefenen op de schuimlaag, is het belangrijk dat de antischuimmiddelen deze toestand snel kunnen bereiken en dat het antischuimmiddel deze toestand te allen tijde kan handhaven. Daarom kunnen alleen onoplosbare of slecht oplosbare antischuimmiddelen gemakkelijk een oververzadigde toestand bereiken in de schuimvloeistof, zodat ze zich kunnen ophopen op het grensvlak tussen gas en vloeistof en zich kunnen concentreren op de schuimfilm om hun effect uit te oefenen bij een lagere concentratie. Voor antischuimmiddelen die in waterige systemen worden gebruikt, moeten de moleculen van het actieve ingrediënt sterk hydrofoob en zwak hydrofiel zijn, en ze werken het best als de HLB-waarde tussen 1,5 en 3 ligt. Als de antischuimmiddelmoleculen bijvoorbeeld niet goed oplosbaar zijn in verf op waterbasis, kunnen ze het schuim niet effectief verwijderen en kunnen ze de kwaliteit en prestaties van de verf aantasten. Ten tweede moet de oppervlaktespanning van het antischuimmiddel lager zijn dan die van de schuimende vloeistof. Alleen als de intermoleculaire krachten van de antischuimmoleculen zwak zijn en de oppervlaktespanning lager is dan die van de schuimvloeistof, kunnen de antischuimdeeltjes de schuimlaag binnendringen en uitbreiden. Hierbij moet worden opgemerkt dat de oppervlaktespanning van de schuimvloeistof niet de oppervlaktespanning van de oplossing is, maar specifiek de oppervlaktespanning in de schuimtoestand. Verder moeten de antischuimmiddel en de schuimvloeistof een bepaalde affiniteit hebben. Omdat het antischuimproces in wezen een competitie is tussen de snelheid waarmee het schuim instort en de snelheid waarmee het wordt gegenereerd, moet de antischuimmiddel snel kunnen dispergeren in de schuimvloeistof om een snel effect te hebben over een groot gebied. Als het actieve ingrediënt van de antischuimmiddel te veel op de schuimvloeistof lijkt, zal het oplossen. Als het te sterk verspreid is, zal het moeilijk effect hebben. Het effect is alleen goed als de affiniteit goed is. Bovendien mag de antischuimmiddel niet chemisch reageren met de schuimvloeistof, anders verliest het enerzijds zijn antischuimwerking en kunnen er anderzijds schadelijke stoffen ontstaan die de microbiële groei beïnvloeden, enz. Ten slotte moet de antischuimmiddel een lage vluchtigheid en een lange werkingsduur hebben. Bij het bepalen van het systeem waarin de antischuimmiddel wordt gebruikt, moet onderscheid worden gemaakt tussen een systeem op waterbasis en een systeem op oliebasis. In de fermentatie-industrie moeten bijvoorbeeld in het algemeen oliegebaseerde antischuimmiddelen zoals polyether-gemodificeerde siliconenoliën of polyethers worden gebruikt, terwijl in de verfindustrie op waterbasis antischuimmiddelen en siliconen antischuimmiddelen moeten worden gebruikt. Tegelijkertijd is het ook nodig om de hoeveelheid toegevoegde antischuimmiddelen te vergelijken en te kijken naar de prijs om het meest geschikte en goedkoopste antischuimmiddel te vinden.
De effectiviteit van het gebruik van antischuimmiddelen wordt ook beïnvloed door verschillende factoren. De dispergeerbaarheid van de antischuimmiddel in de oplossing heeft een belangrijk effect op de antischuimwerking. Het moet een geschikte dispersiegraad hebben en een te grote of te kleine deeltjesgrootte zal de afschuimactiviteit beïnvloeden. In termen van compatibiliteit in het schuimsysteem, wanneer de oppervlakteactieve stof volledig is opgelost in de waterige oplossing, heeft het meestal de neiging om het schuim te stabiliseren op het gas-vloeistof grensvlak van het schuim; terwijl wanneer de oppervlakteactieve stof onoplosbaar of oververzadigd is, de deeltjes ervan zullen dispergeren in de oplossing en zich ophopen op het schuim, waardoor het schuim afschuimt. De omgevingstemperatuur van het schuimsysteem mag niet worden genegeerd. Als de temperatuur van de schuimvloeistof hoog is, moet een speciale ontschuimer voor hoge temperaturen worden gebruikt. Anders zal niet alleen het afschuimende effect van gewone antischuimmiddelen sterk verminderen, maar kan er ook demulsificatie optreden. Tijdens verpakking, opslag en transport moeten antischuimmiddelen worden bewaard bij 5-35°C. De houdbaarheid is over het algemeen 6 maanden. Ze moeten uit de buurt van warmtebronnen en blootgesteld aan zonlicht worden bewaard. Na gebruik moeten ze worden afgesloten om bederf te voorkomen. De toevoegingsverhouding van de antischuimmiddel is ook erg belangrijk. Het effect van onverdund toevoegen van antischuimmiddel is anders dan het effect van toevoegen na verdunning. Door de lage concentratie oppervlakteactieve stof is de antischuimemulsie na verdunning zeer onstabiel en scheidt deze zich snel in lagen. Het schuimt slecht en is niet geschikt om lang te bewaren. Het wordt aanbevolen om de antischuimmiddelemulsie onmiddellijk na verdunning te gebruiken. De toevoegingsverhouding moet worden bepaald door ter plekke te testen om het gewenste effect te garanderen, en er mag niet te veel worden toegevoegd.