紙漿中的泡沫是令人傷腦筋的東西, 它阻礙著工藝條件的執行和設備的正常操作, 可能成為制漿造紙和廢液處理中的一個嚴重問題。隨著我國造紙工業的發展, 除氣消泡已成為生產中的一個重要的研究課題。

泡沫對于紙漿工程來說, 它的產生和存在會嚴重地影響漿料的洗滌、篩選、漂白、打漿的正常操作,阻礙著這些工序設備效能的正常發揮。

泡沫對于造紙工程影響更大。紙料中存在有泡沫, 會使流漿箱的濃度波動, 使紙料流動狀態不穩定;它能封閉濕紙幅表面上的微孔, 造成網部脫水困難, 使纖維和未分散的填料在網部凝聚, 影響紙幅的勻度。泡沫還會形成浮漿, 使紙料上網出現團塊, 嚴重時造成斷頭。抄造紙板時, 泡沫存在于紙板層之間, 降低了其層間結合強度, 泡沫還會使紙或紙板產生泡沫孔、泡沫斑、樹脂斑等等紙病。在涂布紙的加工過程中, 若儲料罐和涂布輥處有大量泡沫, 使泡沫外溢, 這不僅影響到涂布的正常操作, 造成涂料的流失, 還會污染環境。帶有泡沫的涂布紙干燥時, 泡沫因其內的空氣受熱膨脹而破裂, 在紙面上形成了凹陷點, 從而破壞紙面的光潔和平滑, 影響紙品印刷圖案的精美和完整。泡沫嚴重時, 會增加涂料的粘度,使涂料流動性能變差, 給生產帶來困難。

在廢液處理過程中, 泡沫使廢液處理效率下降,并使廢水流失、飛濺, 污染環境。如污水處理采用活性污泥表面加速曝氣工藝時, 在表面曝氣充氧過程中產生大量泡沫覆蓋表面, 不僅使充氧發生困難, 影響微生物生長, 降低生化處理效率, 而且泡沫橫溢,使表面曝氣無法進行。

泡沫對于造紙工業的影響已逐漸被人們所認識, 并日益重視起來。在國際上, 一些造紙工業發達的國家, 用于除氣消泡的費用所占的比例是很大的。據1984 年統計, 加拿大用于造紙工業消泡劑的資金為2 600 萬美元, 居造紙化學助劑消費額的第1位。美國為5 800 萬美元, 居造紙工業中消耗化學助劑金額的第2 位。

消除造紙工業中的泡沫有兩種方法, 一種是利用化學消泡法, 另一種是機械消泡法。化學消泡不需要大量的設備投資和維修費用, 不需改變原來的流程, 故用得較廣。本文先討論我國造紙工業化學消泡劑研制、使用概況, 最后論述有關消泡機理等問題。

1、 我國造紙工業化學消泡劑的研制使用概況

隨著我國造紙工業的發展, 我國造紙工業的化學消泡劑近年來也得到相應的發展。溶劑型消泡劑是早期用于造紙工業的化學消泡劑, 隨著造紙工業的發展, 出現油型除氣消泡劑。近年來又開發出乳液型除氣消泡劑, 它比前兩者具有更優越的除氣消泡性能。

1.1 溶劑型消泡劑

這類消泡劑是由單一的溶劑組成, 其比重比水小, 屬非表面活性物質, 不溶于水, 加入紙料懸浮液時, 擴展至水的表面而形成新的表面, 從而使泡沫破裂。由于這類消泡劑不能均勻地分散在水中, 因而對于分散在水中空氣的消除是無效的, 故只能消泡,不能除氣。如煤油、柴油、石油等溶劑屬于這一類型。其消泡效率低, 又容易使紙產生油污, 施膠度下降, 有時還有氣味, 影響車間的環境。但其來源容易, 使用方便。因此, 目前我國很多中小造紙廠還在使用。

1.2 油型除氣消泡劑

造紙工業用得較廣泛的是油型除氣消泡劑。我國目前研制和使用較多的也屬于這種類型。油型除氣消泡劑在組成上比溶劑型復雜得多, 它由止泡劑、載體、乳化劑及擴散劑、聯結劑及穩定劑等組成。目前使用的油型除氣消泡劑很多是用環氧乙烷和脂肪酸、脂肪醇的縮合物作為止泡劑。我國浙江大學化工廠生產的MPO 除氣消泡劑就是其中的一種。它是由脂肪酸、環氧丙烷、環氧乙烷等聚合而成的一種非離子型表面活性劑。用于燒堿法芒桿漿能很好地消除洗滌、打漿、篩選濃縮時產生的大量泡沫, 改善了洗凈度。杭州華豐造紙廠用于100 %石灰法稻草漿生產黃板紙和普通箱板紙中, 其消泡效果均為柴油的10倍左右。用于卷煙紙麻漿半漿上消泡, 消泡效果是柴油的11 倍。但有的用戶反映, 其流動性能較差, 對于微量控制較困難。

止泡劑是除氣消泡劑的主要部分。目前國際上對于以硅為中心所組成的化合物作為止泡劑的研究頗為重視。我國在30 年代研制成功, 這方面的重點又在于變性硅、變性硅復合物的研究。如變性聚硅,能用單一的組成, 按人們要求的性狀(本身的乳化性等)達到既可任意調整其親油、親水性, 又不降低其消泡效果的目的。有的研究者認為, 變性硅用作止泡劑在今后還會繼續發展下去。關于以硅為中心作為止泡劑的產品, 國內有北京化工學院精細化工廠生產的有機硅消泡劑, 化工部成都有機硅應用研究中心研制的GXP -112 系列有機硅消泡劑, 江蘇省江都縣藥物助劑廠研制的ZP-20 抗泡劑等等。

除了研究硅化合物作為止泡劑外, 油脂、脂肪族醇、脂、脂類、多元醇、聚醚、烯基氧化物的加成物、脂肪族酰胺、氧化酰胺類的研究也受到重視。除上面提到浙江大學化工廠外, 還有杭州市化工研究所研制的涂布專用消泡劑是屬于聚醚型的, 江蘇化工研究所研制的OTD 消泡劑屬于酰胺類的。據有關資料報道, OTD 消泡劑經在堿法紙漿中試用, 其消泡效果為煤油的20 倍以上。此外還有分散纖維、消除濕斑、改善洗濾等性能。國內這些研究與國際上的發展趨勢是同步的。

油型除氣消泡劑是一種表面性物質, 它有除氣和控制泡沫的性能, 使用時調制也較方便, 但由于這種消泡劑具有較大的疏水性, 故有可能在紙面上形成油污點, 有的還稍微影響施膠效果, 因此, 近年來又開發了乳液型除氣消泡劑。

1.3 乳液型除氣消泡劑

自70年代以來, 國際上油價上漲, 很多國家從節能的觀點出發, 大力研究用水作為除氣消泡劑的載體, 從而出現水基的除氣消泡劑, 即所謂乳液型除氣消泡劑。這類除氣消泡劑在組成上與油型除氣消泡劑相同, 都是由止泡劑、載體、乳化劑及擴散劑、聯結劑及穩定劑等組成, 不過載體不同。也就是說, 使用礦物油等油類作為載體的稱為油型除氣消泡劑,用水作為載體的稱為乳液型除氣消泡劑。乳化劑及擴散劑的作用是幫助止泡劑在載體中的乳化和擴散。用作乳化劑及擴散劑的有山梨醇脂肪、脂肪EOA 、油脂、脂乙醇EOA 等等。聯結劑和穩定劑的作用是穩定止泡劑在載體中的分布, 用作聯結劑和穩定劑的有油酸、異丙醇、乙烯乙二醇、脂肪族醇等。至于選用哪一種乳化劑、擴散劑以及聯結劑和穩定劑, 則應根據止泡劑和載體的性質來確定。

使用乳液型除氣消泡劑與使用油型除氣消泡劑相比, 具有下列優點:

①具有優越的除氣消泡性能;

②適用pH 值范圍廣;

③可以節省松香膠和礬土的用量;

④大量減少樹脂和沉淀物的產生;

⑤提高紙漿的洗滌效果和脫水速率;

⑥減少BOD 、COD 負荷;

⑦由于不是危險品, 運輸、儲存方便。

我國對于這類消泡劑的研制還處于起步階段,它是一種聚醇醚的表面活性劑, 國內某造紙廠經使用均顯出優良的除氣消泡效果。

化學消泡劑的發展趨勢可以這樣概括, 含有活性劑的如酰胺類消泡劑將會用得少一些, 這是由于其存在著沉積和分散不良, 使篩板縫堵塞或可能使紙面形成魚眼紙病等。面對石油價格的提高和對污染問題的日益重視, 油型除氣消泡劑的使用也會日趨減少, 這必然導致大量地應用乳液型除氣消泡劑。這是國際上的發展趨勢。

2、 除氣消泡劑的消泡機理

泡沫是氣相分散于液相中的分散體系。聯系到造紙過程, 氣相就是游離的空氣和二氧化碳, 液相就是水。

泡沫的生成是由于液相(水)中存在著表面活性物質, 如果水中不存在表面活性物質, 盡管形成了泡沫也不會穩定, 會很快地自行破滅的。在制漿造紙過程中, 紙漿若存在有脂肪酸皂、松香皂和木素的衍生物, 或紙漿中含有剩余的亞硫酸廢液、硫酸鹽廢液或其殘堿高和洗滌不良或漿料添加了施膠劑、助留助濾劑等化學藥品, 都有可能形成較為穩定的泡沫。這些類型物質的特點是, 它們的分子結構都具

有不對稱性, 其分子是由極性部分和非極性部分組成的, 極性部是親水的, 非極性部分是疏水的, 如圖1所示。

從圖1中可以看出, 泡沫中極性部分存在于水中, 而非極性部分存在于空氣中。

從膠體化學的觀點來看, 這類表面活性物質起到穩定劑的作用, 其主要原因是這類表面活性物質能使液體表面張力降低。表面張力低, 形成一個新界面所需要的能量就小。因此, 同樣地把氣體搬進紙料系統的功就容許形成更大的表面積而造成更多的小泡沫, 小的泡沫比大的泡沫具有更大的穩定性;因而在廢液處理或制漿造紙過程中, 由于存在著這類表面活性物質而形成這些小泡沫就特別難于除去, 它起到一種穩定劑的作用。

要消除或控制泡沫, 可以采用下列方法中的一種或幾種:

①降低泡沫穩定劑的效能方面, 可用化學反應或非極性溶劑方法。化學消泡劑能借化學反應形成不穩定泡沫產物, 這種產物具有降低泡沫穩定劑的效力。或加入一種不溶于水的非極性溶劑, 它將會散布在水面上, 形成新的表面, 從而導致泡沫的破裂。但這些溶劑僅對表面泡沫有效, 對于已分散在水中的泡沫則無效。

②降低泡沫穩定性方面可以采用提高表面張力、降低表面粘度或減少氫鍵連結等方法。化學消泡劑的種類很多, 有的就具有以上的功能, 只要合理地選擇就能降低泡沫的穩定性, 就能達到消泡的目的。

③采用形成局部薄弱點, 使泡沫破滅, 如使用具有低表面張力點或用憎水固體消泡劑。除此之外, 還有置換泡沫形成體方面用耦合表面活性劑或極性溶劑等等。根據Robinson 的研究, 消泡劑的消泡過程如圖2所示。

從圖中可以看出, 消泡過程首先是消泡劑的分子吸附在泡膜上, 然后進入到氣泡間的液體膜中, 再進一步在液體膜中擴散, 使進去的消泡劑分子成為液體膜的一部分。在這種情況下就出現兩種作用:一種是消泡劑在原有表面膜處擴展為“重復膜” ,并取代表面膜上的起泡物質, 使兩膜互相緊合, 將膜內的液體擠出, 最后使消泡劑小滴進入薄膜內, 而使泡沫破裂;另一種作用是消泡劑在表面膜上形成的“重復膜” 也能降低氣泡內部的表面張力(因為選擇的消泡劑的表面張力必須小于泡沫液體的表面張力), 因而增大了氣泡的彎曲度, 更進而降低氣泡間液體膜的厚度。用一種液體膜代替另一種穩定劑的液體膜, 其總的效應是不穩定的。這樣使液體膜逐漸變薄, 并使消泡劑安全進入變薄的液膜, 最后使泡沫破裂。

從以上分析可知, 一種有效的除氣消泡劑或消泡劑, 都應能顯著降低液體的表面張力和具有良好的分散力, 不是真正可溶于水, 而是能在水中迅速擴散的乳化液。