金　鑫，劉祝蘭，曹云峰

（南京林業(yè)大學(xué) 江蘇省制漿造紙科學(xué)與技術(shù)重點實驗室，江蘇 南京　210037）

浮選法脫墨殘留泡沫消泡性能的研究

金鑫，劉祝蘭，曹云峰

（南京林業(yè)大學(xué) 江蘇省制漿造紙科學(xué)與技術(shù)重點實驗室，江蘇 南京210037）

研究高碳醇和聚醚酯消泡劑對不同脫墨劑的消泡和抑泡性能，通過單因素實驗，探討消泡劑加入量、溫度、pH和起泡液對消泡劑性能的影響，優(yōu)選出性能最佳消泡劑產(chǎn)品，為廢紙脫墨生產(chǎn)過程中的消泡提供實驗依據(jù)。研究結(jié)果表明，這2類消泡劑的較優(yōu)使用條件為：消泡劑加入量5～10 μL（基于起泡液的體積）、溫度40～50℃、pH=6～7。

廢紙脫墨；泡沫；消泡劑；消抑泡性能

表面活性劑是廢紙脫墨劑的主要成分，在廢紙脫墨過程中起重要作用［1］。加入表面活性劑會產(chǎn)生泡沫，而泡沫產(chǎn)生量對脫墨操作過程有很大影響，如在脫墨過程中，表面活性劑產(chǎn)生的泡沫可以吸附廢紙漿中的油墨；但是在實際生產(chǎn)中很多工段泡沫量需要最小化［2］，如造紙、發(fā)酵、紡織等工業(yè)生產(chǎn)。造紙過程中過量的泡沫會造成原料的流失，產(chǎn)生浪費（紙漿纖維吸附在泡沫表面）；氣泡的滯留，引發(fā)斷紙和紙面斑點等；引起液面的波動，干擾液位的準確測量，造成測量失誤，以及廢液造成污染環(huán)境等。

生產(chǎn)過程中使用消泡劑可快速控制泡沫生成。目前市場上的消泡劑種類繁多，性能各異，按形式可分為固體顆粒型、粉末型、油型和乳液型等；按生產(chǎn)中的應(yīng)用可分為食品工業(yè)消泡劑、造紙工業(yè)消泡劑、石油工業(yè)消泡劑、發(fā)酵工業(yè)消泡劑和涂料工業(yè)消泡劑等；按化學(xué)組成可分為醇類、有機硅類、聚醚類等。每一種消泡劑都有其自身的優(yōu)缺點，實際應(yīng)用時需根據(jù)工業(yè)要求選擇合適的消泡劑［3］。

本實驗主要研究聚醚酯和高碳醇這2類共4種消泡劑產(chǎn)品的消抑泡性能，考察消泡劑加入量、溫度、pH和起泡液環(huán)境對其消泡和抑泡性能的影響，為這2類消泡劑在后續(xù)廢紙脫墨過程中的應(yīng)用做準備。

1　實驗

1.1主要試劑與儀器

起泡液：12個環(huán)氧乙烷聚合度的脂肪醇聚氧乙烯醚（AEO12），南京棲霞山印染助劑廠；7個環(huán)氧乙烷聚合度的脂肪醇聚氧乙烯醚羧酸鈉（AEC-7-Na），青島長興化工有限公司。消泡劑：2種高碳醇類消泡劑（HCA-1、HCA-2）；2種聚醚酯類消泡劑（PE-1、PE-2），南京四新科技應(yīng)用研究所有限公司。以上試劑除2種高碳醇消泡劑的固含量為30%，其余均是100%。

SX09-I型便攜式消泡劑性能測定儀，南京四新科技應(yīng)用研究所有限公司。

1.2實驗方法

1.2.1水分散性測定

吸取一定量消泡劑滴入燒杯中，加入40 mL蒸餾水，用玻璃棒均勻攪拌觀察消泡劑在水中的分散情況。

1.2.2消/抑泡性能測定

配制質(zhì)量濃度為10 mg/L的AEO12水溶液500 mL，倒入消泡劑性能測定儀中，加熱起泡液至溫度40℃并保溫，將流量調(diào)節(jié)至6 L/min開始鼓泡，待泡沫體積達到300 mL時，迅速滴加一定量的消泡劑稀釋液（5 mg/L聚醚酯消泡劑1 mL、5 mg/L高碳醇消泡劑3.33 mL），同時開啟秒表，記錄泡沫降到最低點時的體積和所需時間，依此判斷消泡劑的消泡性能。繼續(xù)鼓泡并記錄10 min內(nèi)泡沫每分鐘所增加的體積，將其作為抑泡性能的評價指標。每種樣品平行測試3次，取平均值。

2　結(jié)果與討論

2.1水分散性

圖1是消泡劑在水中的分散情況。

圖1　消泡劑的水分散性

由圖1可見，PE-1和HAC-1在水中能迅速分散且液面沒有絮狀物，所以這2種消泡劑分散性為優(yōu)，但是PE-1液面略漂油；HAC-2在水中分散速度較前面2種消泡劑稍慢且溶液上部漂浮少量絮狀物，繼續(xù)攪拌之后該絮狀物分散，故HAC-2在水中分散性為良；PE-2在水中的分散速度很慢，溶液中有大量絮狀物且繼續(xù)攪拌之后很難消失，因此該消泡劑水分散性較劣。消泡劑的水分散性從優(yōu)到劣依次是：HAC-1>PE-1>HAC-2>PE-2。

2.2消抑泡性能

利用消泡劑性能測定儀測定4種消泡劑產(chǎn)品的消抑泡性能，見表1。

表1　消泡劑的消抑泡性能

從表1數(shù)據(jù)可知：在相同條件下，消泡劑的消泡時間（泡沫量從300 mL降至最小體積所需時間）從短到長是：HAC-1HAC-2>PE-1>PE-2。

繼續(xù)鼓泡觀察消泡劑的抑泡性能。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，4種消泡劑中抑泡性能最好的是HAC-1，在鼓泡600 s后泡沫量最少，僅為44.3 mL；其次是HAC-2，泡沫量為47.7 mL；而聚醚脂類消泡劑的抑泡性能則大大降低，其中PE-1在鼓泡600 s后的泡沫量為122.3 mL，而PE-2的泡沫量甚至高達329.3 mL。結(jié)合圖2可知，2種高碳醇類消泡劑的消抑泡性能明顯優(yōu)于2種聚醚酯類消泡劑，并且高碳醇類消泡劑能快速消除泡沫。

圖2　消泡劑對泡沫體積的影響

這是因為高碳醇類消泡劑不僅有著較低的表面張力，而且其中還加入了疏水粒子（硬脂酸鋁）。疏水粒子是一種高活性的消泡成分，它可以使消泡劑液滴更容易到達泡沫液膜表面，縮短消泡時間［4］，現(xiàn)已被廣泛用于各種消泡劑中，該粒子與油相混合使用時其消泡性能更佳［5］。本實驗中2種高碳醇類消泡劑性能相差不大，是由于乳液中疏水粒子的大小差異性，HAC-1使用的疏水粒子比HAC-2中的疏水粒子小。一定范圍內(nèi)，疏水粒子粒徑越小，單位體積的粒子數(shù)越多，分散在泡沫中的概率越大從而消泡性能越好［6］；而聚醚酯類消泡劑消除泡沫緩慢且不能完全消除泡沫，尤其是PE-2，其消抑泡性能明顯低于其他3種產(chǎn)品。這是由于該聚醚酯消泡劑乳液黏度較大，穩(wěn)定性比較強，由于較大的黏度乳液流動性差，影響它在水中的擴散能力，水分散性差，從而降低了消泡和抑泡能力。

2.3消抑泡性能的影響因素研究

2.3.1消泡劑加入量對消泡性的影響

保持溫度和pH不變，分別為40℃和pH=6～7，以AEO12水溶液為起泡液，調(diào)節(jié)消泡劑加入量。測試在不同消泡劑加入量下消泡劑消泡時間和泡沫體積的變化，從而研究消泡劑加入量對消泡劑消抑泡性能的影響，結(jié)果見圖3。

由圖3可知，隨著消泡劑加入量增加（5～20 μL），這4種消泡劑的消泡時間均縮短，且消泡過程中各時間點的泡沫體積也隨之減少。當(dāng)消泡劑加入量為5 μL，HAC-1和HAC-2可分別在11.90 s和12.18 s內(nèi)完全消除泡沫，而PE-1和PE-2卻不可完全消泡，其中PE-1在62.70 s之后泡沫量才可減少至35.70 mL，PE-2在54.30 s后減少泡沫至52.30 mL。若逐漸提高消泡劑加入量，則消泡時間明顯縮短。當(dāng)消泡劑加入量為20 μL，高碳醇消泡劑HAC-1和HAC-2的消泡時間分別降至8.75 s和9.51 s，與5 μL加入量相比，消泡時間分別縮短了26.5%和22.0%。相比之下，聚醚脂類消泡劑消泡較慢，PE-1只可在消泡劑加入量提高至20 μL時才可完全消泡，消泡時間長達62 s；而PE-2的消泡速率高于PE-1，當(dāng)其加入量為15 μL時，在30.70 s后可完全消泡。

圖3　消泡劑加入量對消泡劑性能的影響

當(dāng)泡沫達到最少量后繼續(xù)鼓泡并記錄時間和泡沫體積。圖3的數(shù)據(jù)顯示，高碳醇消泡劑的抑泡性能優(yōu)于聚醚脂類消泡劑，且4種消泡劑的抑泡性能均與消泡劑加入量呈正相關(guān)變化。加入高碳醇消泡劑均可完全消泡，繼續(xù)鼓泡后也可保持優(yōu)良的抑泡性能，僅在消泡劑加入量較低時，才會再次生成泡沫，如HAC-1加入量為5 μL時，繼續(xù)鼓泡240 s后才會出現(xiàn)少量泡沫，600 s后泡沫體積增加到44.3 mL；當(dāng)加入量為10 μL時，600 s后泡沫體積僅有14.3 mL。HAC-2的抑泡性能略低于HAC-1，當(dāng)其加入量為5 μL時，鼓泡時間達到120 s時即可出現(xiàn)少量泡沫，600 s后泡沫體積達到47.7 mL，比HAC-1略高；而2種聚醚脂類消泡劑的抑泡性能明顯比高碳醇類消泡劑差。泡沫降至最少量后繼續(xù)鼓泡則很快再次生成泡沫，且泡沫量不斷增加，在低用量（5μL）下繼續(xù)鼓泡600 s后，PE-1組泡沫體積可恢復(fù)到122.3 mL，而PE-2組泡沫體積甚至高達329.3 mL；即使在高用量（20 μL）下，二者泡沫體積也可分別恢復(fù)至37.0 mL和30.3 mL。

此外，從圖3中泡沫體積的變化趨勢可以看出，當(dāng)消泡劑加入量從5 μL增加到10 μL時，比加入量從15 μL增加到20 μL時消泡性能和抑泡性能提高程度要更顯著；因此，消泡劑加入量為5～10 μL時，消抑泡效果較佳。針對本實驗中起泡液的濃度和泡沫量，消泡劑加入量5～10 μL較合適。隨著消泡劑加入量的增加，起泡液中消泡劑的濃度也隨著增大，單位體積中進入泡沫液膜的消泡劑的量得以增加，相同時間內(nèi)消泡速度加快，同樣抑泡能力也增強，但是過多的劑量也會導(dǎo)致浪費，消泡劑的性能沒有得到合理的利用，所以在實際應(yīng)用中要根據(jù)實際情況添加合適的消泡劑量。

2.3.2溫度對消泡劑性能的影響

保持消泡劑加入量和pH不變，分別為5 μL和pH=6～7，以AEO12水溶液為起泡液，調(diào)節(jié)起泡體系的溫度。測試在不同溫度下消泡劑消泡時間和泡沫體積的變化，來研究溫度對消泡劑消抑泡性能的影響，結(jié)果見圖4。

圖4　溫度對消泡劑性能的影響

由圖4數(shù)據(jù)可知，隨著消泡體系溫度的升高（40～70℃），消泡劑的消泡時間和泡沫高度都發(fā)生了明顯的變化。從40℃升溫至60℃，HAC-1和HAC-2消泡速度先加快。HAC-1消泡時間分別為11.90 s和7.52 s；HAC-2分別為12.18 s和7.35 s，縮短了4.38 s和4.81 s；但當(dāng)溫度升至70℃時，消泡速度明顯降低，HAC-1在26.85 s后泡沫減少至30 mL，HAC-2在15.40 s后泡沫僅可減少至71.25 mL；而PE-1和PE-2的消泡速度明顯低于這2種高碳醇消泡劑，隨著溫度的變化（40～70℃），消泡速度只發(fā)生了微小變化且都無法達到完全消泡。在溫度升至50℃時消泡速度最快，PE-1在45.60 s后泡沫降至40 mL，PE-2在38 s后泡沫降至31.50 mL。

當(dāng)泡沫降至最小體積后繼續(xù)鼓泡可以看出，泡沫體積隨著溫度的升高而增大，這表明消泡劑的抑泡性能隨著溫度的升高而有所降低。溫度較低時，如在40℃，除PE-2之外其他3種消泡劑抑泡性能較佳，600 s后HAC-1、HAC-2和PE-1的泡沫體積分別是44.30、46.00和122.30 mL，而PE-2泡沫體積比初始體積300 mL更大，這可能與其水分散性有關(guān)。當(dāng)溫度升高后，HAC-1和PE-1泡沫體積都有所增加但均低于300 mL，而HAC-2的抑泡性能明顯降低，在溫度升高至50℃時，600 s后泡沫體積已經(jīng)超過300 mL且在持續(xù)增加；PE-2的泡沫體積一直都處于250 mL以上，抑泡性能最差。

從圖4各時間點泡沫體積的變化趨勢可以看出，隨著溫度的升高，HAC-1消抑泡性能變化不大，而其他3種消泡劑的消抑泡性能都呈現(xiàn)明顯的下降趨勢。其中HAC-2變化最顯著，當(dāng)溫度超過50℃后，泡沫體積很快超過300 mL且還在持續(xù)增加；而PE-1和PE-2隨著時間的增加，泡沫回升速度也越來越快，說明溫度對消泡劑體系有著較大的影響。這是因為當(dāng)消泡體系溫度升高時，體系中分子顆粒獲得更高的能量，消泡劑分子顆粒與泡沫產(chǎn)生更多的碰撞，其在泡沫液膜表面鋪展的速度就會得到提升，消泡速度也隨之加快；但當(dāng)消泡速度達到一定值時，可以提升的空間減少，而抑泡性能隨著溫度的升高反而呈現(xiàn)下降的趨勢，這可能是溫度的升高降低了泡沫液膜的表面黏度，同時泡沫的大小和勻度也被相應(yīng)地改變，影響了液膜強度，從而降低體系中泡沫的穩(wěn)定性［7-8］。由此可知，HAC-1具有一定程度的熱穩(wěn)定性，而其他3種消泡劑的熱穩(wěn)定性較差；這4種消泡劑適用的溫度環(huán)境是40～50℃，而這一溫度范圍與紙廠的實際溫度環(huán)境是吻合的。

2.3.3pH對消泡劑性能的影響

保持消泡劑加入量和溫度不變，分別為5 μL和40℃，以AEO12水溶液為起泡液，調(diào)節(jié)pH，測試在不同pH下消泡劑消泡時間和泡沫體積的變化，從而研究pH對消泡劑消抑泡性能的影響，結(jié)果見圖5。

圖5顯示，這4種消泡劑在酸性和堿性環(huán)境中均可發(fā)揮其消泡和抑泡效果，與中性環(huán)境相比，在酸性和堿性環(huán)境中消抑泡性能更好。高碳醇消泡劑中，HAC-1消泡速度變化比較明顯，中性環(huán)境下其消泡時間為11.90 s，而在酸性環(huán)境下比中性環(huán)境下縮短了1.58 s、在堿性環(huán)境中縮短了3.42 s；HAC-2消泡速度基本無變化。聚醚酯消泡劑在酸性環(huán)境中消泡性能明顯提升，PE-1消泡時間比其中性環(huán)境下消泡時間縮短了30.93 s、PE-2縮短了38.56 s，且可完全消泡；而在堿性環(huán)境中的消泡速度和中性環(huán)境類似。

繼續(xù)鼓泡觀察泡沫體積的變化，由圖5可以看出，在酸性和堿性環(huán)境中各類消泡劑的最終泡沫體積都有所增加，但變化不大。其中抑泡性能提升最大的是HAC-1和PE-2，HAC-1在中性環(huán)境下最終泡沫體積為44.3 mL，而在酸性和堿性環(huán)境中其泡沫體積分別減少了32.3 mL和21.3 mL；PE-2泡沫體積比中性環(huán)境下（泡沫體積為329.3 mL）分別減少了255.3 mL（酸性）和185.8 mL（堿性）。

綜合圖5可知，4種消泡劑在酸性環(huán)境中的消抑泡性能最優(yōu)。這可能與其泡沫穩(wěn)定性有關(guān)，在加入消泡劑之前的起泡過程中，中性環(huán)境起泡300 mL所用時間約為20 s，而酸性環(huán)境起泡相同體積的泡沫需要約30 s，堿性環(huán)境中時間更長，約為60 s左右，所以不同pH的起泡體系中泡沫穩(wěn)定性存在差異性。因為pH的改變可以影響起泡劑的電離作用從而改變體系中的離子濃度，活性物質(zhì)之間或活性物質(zhì)與水之間的作用力便會相應(yīng)的變化，膜強度的變化導(dǎo)致泡沫穩(wěn)定性改變［9-10］。

從圖5各時間點泡沫體積可以看出，2種高碳醇消泡劑體系中的泡沫都在穩(wěn)定且緩慢回升，2幅圖的變化趨勢非常相似；而2種聚醚酯消泡劑的變化趨勢差別較大，這有可能與2種消泡劑水分散性的差異性有關(guān)，但是與中性環(huán)境相比較，PE-2的抑泡性能在酸性和堿性環(huán)境中得到了明顯的改善。

綜合數(shù)據(jù)可知，即使是在苛刻的條件下也可以正常使用這4種消泡劑。本實驗主要為后一階段的廢紙脫墨實驗做準備，廢紙脫墨中的泡沫性能對脫墨效果具有很大影響，所以應(yīng)根據(jù)實際應(yīng)用條件來選擇合適的消泡劑使用條件。

圖5　pH對消泡劑性能的影響

2.3.4起泡液對消泡劑性能的影響

保持消泡劑加入量、溫度和pH不變，分別為5 μL、40℃和pH=6～7，僅改變起泡液的種類，即分別配制相同濃度的AEO12水溶液、AEC-7-Na水溶液和V（AEO12）∶V（AEC-7-Na）=1∶1的復(fù)配水溶液作為起泡液，通過測試在不同的起泡液中消泡劑的消泡時間和泡沫體積的變化，來研究起泡液對消泡劑消抑泡性能的影響，結(jié)果如表2。

表2　起泡液對消泡劑性能的影響

AEO12是非離子表面活性劑，而AEC-7-Na是陰離子表面活性劑。由本實驗室前期研究［11-12］可知起泡液的起泡性大小依次是AEC-7-Na>AEC-7-Na+ AEO12>AEO12；而泡沫穩(wěn)定性大小是 AEC-7-Na< AEC-7-Na+AEO12

泡沫降低至最低點后繼續(xù)鼓泡可以看出，在AEC-7-Na水溶液中泡沫體積最小，因此抑泡性能最好。由此可以得出：消泡劑在陰離子型起泡液AEC-7-Na水溶液中的消抑泡性能最好；在雙組分復(fù)配的起泡液中的消抑泡性能和AEC-7-Na水溶液中相近，而在AEO12水溶液中的消抑泡性能最差。這有可能和各起泡液中的泡沫穩(wěn)定性有關(guān)。

3　結(jié)論

（1）通過對4種消泡劑的實驗，可以得出消泡劑的消泡性能從高到低為HAC-1>HAC-2>PE-1> PE-2，抑泡性能從高到低為HAC-1>HAC-2>PE-1> PE-2。高碳醇類消泡劑的消抑泡性能明顯優(yōu)于聚醚酯類消泡劑。

（2）高碳醇類消泡劑的消抑泡性能明顯優(yōu)于聚醚酯類消泡劑，且消泡劑的消抑泡性能隨著消泡劑加入量的增大而提高，而本實驗消泡劑的適宜加入量為5～10 μL（基于起泡液的體積）。

（3）本文所研究的4種消泡劑，消泡時間隨著溫度的升高而先加快后逐漸減慢，為獲得高消泡性能，高碳醇類消泡劑消泡和聚醚酯類消泡劑的最優(yōu)使用溫度分別為70℃左右和50℃左右；而消泡劑的抑泡性能則隨著溫度的升高呈下降趨勢，在后續(xù)的廢紙脫墨中適宜的溫度范圍是40～50℃。

（4）4種消泡劑在酸性、堿性和中性環(huán)境中均能發(fā)揮其消泡和抑泡性能，但尤以在酸性環(huán)境中性能最優(yōu)，實際應(yīng)用過程中應(yīng)根據(jù)需要選擇合適的使用環(huán)境。

（5）消泡劑可在陰離子型、非離子型或者陰離子型與非離子復(fù)配型起泡體系中應(yīng)用，而不同的起泡體系對消泡劑乳液的消抑泡性具有不同程度的影響，且溫度的改變對消泡劑消抑泡性能的影響最大。

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Performence of the Defoamers During Floatation Deinking

JIN Xin，LIU Zhu-lan，CAO Yun-feng
（Jiangsu Provincial Key Lab of Pulp and Paper Science and Technology，Nanjing University of Forestry，Nanjing 210037，China）

The defoaming and antifoaming properties of the defoamers with two types of high-carbon alcohol or polyester were studied.The impacts of the dosage of defoamer，temperature，pH and bubbly systems on the performance of defoamers were investigated through the single factor experiments to select out the premium defoamer product.It greatly help to support the defoaming in deinking procedure.It could be concluded that these defoamers should be used with the dosage of 5～10 μL（based on volume of the bubbly systems）at 40～50℃and pH=6～7 to get the best defoaming and antifoaming performance.

waste paper deinking；foam；defoamer；defoaming and antifoaming performance

TS749+.7

A

1007-2225（2015）05-0006-07

金鑫女士（1991-），在讀碩士研究生；主要從事應(yīng)用于廢紙脫墨的消泡劑的性能研究；E-mail：iris_jin@126.com。

曹云峰先生（1966-），教授，博士，博士生導(dǎo)師；研究方向：制漿造紙與清潔生產(chǎn)；E-mail：yunfcao@ 163.com。

2015-08-19（修回）

江蘇高校優(yōu)勢學(xué)科建設(shè)工程資助項目

本文文獻格式：金鑫，劉祝蘭，曹云峰．浮選法脫墨殘留泡沫消泡性能的研究［J］．造紙化學(xué)品，2015，27（5）∶6-12．