消泡剂在工业生产中的研究进展

王艳丽，白世明，李娜，贾晋卓，陈海军

(1.内蒙古自治区生物技术研究院，内蒙古 呼和浩特 010070；2.内蒙古自治区环境监测中心站，内蒙古 呼和浩特 010011；3.内蒙古德科化工产业有限公司，内蒙古 呼和浩特 010010)

0 引言

消泡剂顾名思义就是对工业产生中产生的大量泡沫进行清除的试剂。本文首先介绍了消泡剂的机理与分类，然后对消泡剂在制糖、味精的生产、酿酒过程中、造纸和涂料的工业化生产等过程中的应用做了介绍，最后对消泡剂的发展进行了展望。

1 消泡剂的作用机理与分类

1.1 消泡机理

物料在混合过程中，分散的空气以单个气泡的形式存在，是氧气的来源，其会导致气泡间的碰撞，同时在碰撞过程中，薄膜或者薄片会将气泡分开导致气泡破裂并合二为一；另外，如果未发生片层破裂，发生碰撞的气泡会在流动过程中分离，从而产生泡沫。泡沫的几何规律为泡沫试图将空气/水的总面积最小化，在泡沫产生之后经历了两个主要的过程，包括液体的排出和气泡的合并或者破裂。当气泡分离或者气泡的层板和顶空破裂时，会发生气泡破裂现象。气泡间的合并会导致更少更大的气泡，而破裂的气泡则会降低泡沫的总体积。当气泡破裂的速度比从空气产生的气泡速度慢的时候，泡沫相体积随时间增加。反之，则几乎没有可见的泡沫相。消泡剂的作用是增加气泡合并、破裂和释放到空气中的速度[1]。

1.2 消泡剂种类

19 世纪，德国物理学家Quincke 第一次提出了一个概念，化学消泡[2]。截至目前，消泡剂的发展已更新了4 代，以下做具体介绍。第一代消泡剂的主要代表是酰胺，醇，矿物油，脂肪酸及其衍生物。高碳醇类消泡剂(分子式如图1(a)所示)，其是一种强疏水性、弱亲水性线性分子，在进入发泡系统后，小泡沫吸附在纤维表面，从而产生脱气和消泡。第二代是以聚醚为主的一类消泡剂，其主要成分是线性共聚物(分子式如图1(b)所示)，利用聚氧乙烯基的亲水性和聚氧丙烯基的亲油性，以及温度和溶解度来进行消泡。第三代是有机硅类型消泡剂(其分子式如图1(c)所示)，其消泡效果较前两代更有进步。由于在有机硅结构中，传统碳链表面活性剂的C-C 键和C-O键的键能小于疏水基团Si-Si 键和Si-O 键的键能，从而使有机硅类消泡剂的结构更加稳定，同时疏水性也增强；由于相对分子质量较大和支链结构的增加，使得第三代消泡剂的低温性能突出，与环境的相容性更好；另外，由于疏水基团的存在，有机硅链表面活性更高，使得液体表面张力降低，消泡效果更佳。第四代是聚醚改性有机硅类消泡剂。这类消泡剂主要利用化学改性技术将聚醚链段引入聚硅氧烷链中制备而成(其分子式如图1(d)所示)。在使用聚醚改性有机硅类消泡剂之后，会呈现一定程度的自乳化特性，具体表现为在聚硅氧烷链段向内侧卷曲，而在聚醚链段向外侧拉伸，其产生的原因是由于硅氧烷链段和聚醚链段对发泡液的疏水性和亲和力的不同而造成的。

2 消泡剂的应用

2.1 制糖工业中消泡剂的应用

图1 四代消泡剂化学结构

在制糖的工业中，糖液在搅拌，流动和运输等过程中，由于与空气的接触很容易产生大量泡沫。泡沫的产生通常会导致糖罐破裂和材料损失等，在蒸发和结晶过程中，致密泡沫会减缓蒸发和结晶的速度，从而增加能耗并影响制糖厂的经济效益。通常有两种消除泡沫的方法[3]：一种是机械消泡方法，另一种是化学消泡剂的使用。在制糖中添加化学消泡剂是消除泡沫的常用方法。其优点包括加速蒸发和结晶，提高生产效率，降低糖浆黏度以及增加经济效益等。常用的消泡剂主要包括：蔗糖脂肪酸酯，聚甘油脂肪酸酯，聚醚和硅氧烷类。

2.2 味精生产中消泡剂的应用

味精的发酵过程属于有氧发酵。在此过程中，将产生大量气泡。气泡的产生将降低产量，减少细菌的产酸生并抑制细菌的呼吸速率。用于生产味精的消泡剂通常包括聚醚消泡剂、有机硅消泡剂、植物油消泡剂等。然而，植物油消泡剂的不好储存，酸值的增加，并且易于变质，较少应用。在味精发酵工业中，主要应用醚消泡剂和有机硅消泡。

2.3 酿酒生产中消泡剂的应用

酿酒是利用微生物来生产具有一定酒精浓度的饮料，其主要化学成分是乙醇。Kusaka A 等[4]研究了酿酒过程中的不利因素，发现在发酵过程中会产生大量气泡，这些气泡给酿酒过程带来许多不利因素，最终影响产量和质量。在食品发酵的消泡剂中聚二甲基硅氧烷消泡剂效果良好。由于使用了消泡剂，在工作期间可以保持发酵罐的顶盖关闭，减少了酿造液的氧化，提高了酒的清洁度，提高了葡萄酒的物理和化学稳定性，减少了酵母粉在罐壁上的附着力和最后的清洁工作。

2.4 制浆造纸工业中消泡剂的应用

在制浆和造纸生产过程中，泡沫问题是一个重要问题。不适当的泡沫控制将严重影响制浆和造纸工艺条件的实施以及设备的正常运行，直接影响成品纸的质量[5]，使用消泡剂是比较经济有效的方法。在不会改变原始生产过程的情况下，并且投入少、维护成本低、效果理想、操作简便，广泛用于制浆和造纸工业。广谱消泡剂包括有机硅类和改性有机硅类，可用于制浆和造纸的各种过程。

2.5 涂料生产中消泡剂的应用

在涂料的工业化生产过程中，为了改善颜料和填料的分散性，涂膜外观以及产品储存的稳定性，经常需要添加各种添加剂[6]，这些添加剂会改变涂料的表面张力，使其在生产过程中尤其是水性涂料的生产过程中易于产生泡沫。过量的泡沫会影响生产能力和产品质量，造成环境污染，资源的浪费，甚至可能导致事故的发生。因此，在涂料的生产过程中特别是水性涂料的生产过程中，使用消泡剂已成为必不可少的步骤。表1 为用于水性涂料的消泡剂的种类特点及适用范围。

表1 用于水性涂料的消泡剂的种类特点及适用范围

3 结语

随着社会的进步和经济的迅速发展，在工业生产中，由于过量泡沫的产生带来的制约产生的问题不容忽视，合理利用和使用消泡剂必不可少。在已经使用的消泡剂中，表现出色的消泡剂有两类包括聚醚类与有机硅类，其中聚醚类消泡剂的最大优点是抑泡能力强，耐高温、强酸碱等性能；有机硅类消泡剂的优点除了消泡性能强、之外，还具有破泡快、挥发性低、对环境友好、使用范围广等。尽管消泡剂的优点有很多，但是其也有很多问题，具体如下：有些消泡剂与起泡液会发生互溶现象，从而影响产品产量与质量；某些消泡剂的表面张力高于起泡液，影响消泡效果；某些消泡剂与起泡液发生反应，引起产品质量的问题等等，这些都需要我们进一步提高和改进现有消泡剂，发现和发明新的消泡剂。随着消泡剂新品种的不断涌现，旧的消泡剂将逐部被取代，多功能、专用型、复合型的消泡剂将成为消泡剂发展的主流方向，我们期待新型消泡剂的发展。