浮选法脱墨残留泡沫消泡性能的研究

金　鑫，刘祝兰，曹云峰

（南京林业大学 江苏省制浆造纸科学与技术重点实验室，江苏 南京　210037）

浮选法脱墨残留泡沫消泡性能的研究

金鑫，刘祝兰，曹云峰

（南京林业大学 江苏省制浆造纸科学与技术重点实验室，江苏 南京210037）

研究高碳醇和聚醚酯消泡剂对不同脱墨剂的消泡和抑泡性能，通过单因素实验，探讨消泡剂加入量、温度、pH和起泡液对消泡剂性能的影响，优选出性能最佳消泡剂产品，为废纸脱墨生产过程中的消泡提供实验依据。研究结果表明，这2类消泡剂的较优使用条件为：消泡剂加入量5～10 μL（基于起泡液的体积）、温度40～50℃、pH=6～7。

废纸脱墨；泡沫；消泡剂；消抑泡性能

表面活性剂是废纸脱墨剂的主要成分，在废纸脱墨过程中起重要作用［1］。加入表面活性剂会产生泡沫，而泡沫产生量对脱墨操作过程有很大影响，如在脱墨过程中，表面活性剂产生的泡沫可以吸附废纸浆中的油墨；但是在实际生产中很多工段泡沫量需要最小化［2］，如造纸、发酵、纺织等工业生产。造纸过程中过量的泡沫会造成原料的流失，产生浪费（纸浆纤维吸附在泡沫表面）；气泡的滞留，引发断纸和纸面斑点等；引起液面的波动，干扰液位的准确测量，造成测量失误，以及废液造成污染环境等。

生产过程中使用消泡剂可快速控制泡沫生成。目前市场上的消泡剂种类繁多，性能各异，按形式可分为固体颗粒型、粉末型、油型和乳液型等；按生产中的应用可分为食品工业消泡剂、造纸工业消泡剂、石油工业消泡剂、发酵工业消泡剂和涂料工业消泡剂等；按化学组成可分为醇类、有机硅类、聚醚类等。每一种消泡剂都有其自身的优缺点，实际应用时需根据工业要求选择合适的消泡剂［3］。

本实验主要研究聚醚酯和高碳醇这2类共4种消泡剂产品的消抑泡性能，考察消泡剂加入量、温度、pH和起泡液环境对其消泡和抑泡性能的影响，为这2类消泡剂在后续废纸脱墨过程中的应用做准备。

1　实验

1.1主要试剂与仪器

起泡液：12个环氧乙烷聚合度的脂肪醇聚氧乙烯醚（AEO12），南京栖霞山印染助剂厂；7个环氧乙烷聚合度的脂肪醇聚氧乙烯醚羧酸钠（AEC-7-Na），青岛长兴化工有限公司。消泡剂：2种高碳醇类消泡剂（HCA-1、HCA-2）；2种聚醚酯类消泡剂（PE-1、PE-2），南京四新科技应用研究所有限公司。以上试剂除2种高碳醇消泡剂的固含量为30%，其余均是100%。

SX09-I型便携式消泡剂性能测定仪，南京四新科技应用研究所有限公司。

1.2实验方法

1.2.1水分散性测定

吸取一定量消泡剂滴入烧杯中，加入40 mL蒸馏水，用玻璃棒均匀搅拌观察消泡剂在水中的分散情况。

1.2.2消/抑泡性能测定

配制质量浓度为10 mg/L的AEO12水溶液500 mL，倒入消泡剂性能测定仪中，加热起泡液至温度40℃并保温，将流量调节至6 L/min开始鼓泡，待泡沫体积达到300 mL时，迅速滴加一定量的消泡剂稀释液（5 mg/L聚醚酯消泡剂1 mL、5 mg/L高碳醇消泡剂3.33 mL），同时开启秒表，记录泡沫降到最低点时的体积和所需时间，依此判断消泡剂的消泡性能。继续鼓泡并记录10 min内泡沫每分钟所增加的体积，将其作为抑泡性能的评价指标。每种样品平行测试3次，取平均值。

2　结果与讨论

2.1水分散性

图1是消泡剂在水中的分散情况。

图1　消泡剂的水分散性

由图1可见，PE-1和HAC-1在水中能迅速分散且液面没有絮状物，所以这2种消泡剂分散性为优，但是PE-1液面略漂油；HAC-2在水中分散速度较前面2种消泡剂稍慢且溶液上部漂浮少量絮状物，继续搅拌之后该絮状物分散，故HAC-2在水中分散性为良；PE-2在水中的分散速度很慢，溶液中有大量絮状物且继续搅拌之后很难消失，因此该消泡剂水分散性较劣。消泡剂的水分散性从优到劣依次是：HAC-1>PE-1>HAC-2>PE-2。

2.2消抑泡性能

利用消泡剂性能测定仪测定4种消泡剂产品的消抑泡性能，见表1。

表1　消泡剂的消抑泡性能

从表1数据可知：在相同条件下，消泡剂的消泡时间（泡沫量从300 mL降至最小体积所需时间）从短到长是：HAC-1HAC-2>PE-1>PE-2。

继续鼓泡观察消泡剂的抑泡性能。结果发现，4种消泡剂中抑泡性能最好的是HAC-1，在鼓泡600 s后泡沫量最少，仅为44.3 mL；其次是HAC-2，泡沫量为47.7 mL；而聚醚脂类消泡剂的抑泡性能则大大降低，其中PE-1在鼓泡600 s后的泡沫量为122.3 mL，而PE-2的泡沫量甚至高达329.3 mL。结合图2可知，2种高碳醇类消泡剂的消抑泡性能明显优于2种聚醚酯类消泡剂，并且高碳醇类消泡剂能快速消除泡沫。

图2　消泡剂对泡沫体积的影响

这是因为高碳醇类消泡剂不仅有着较低的表面张力，而且其中还加入了疏水粒子（硬脂酸铝）。疏水粒子是一种高活性的消泡成分，它可以使消泡剂液滴更容易到达泡沫液膜表面，缩短消泡时间［4］，现已被广泛用于各种消泡剂中，该粒子与油相混合使用时其消泡性能更佳［5］。本实验中2种高碳醇类消泡剂性能相差不大，是由于乳液中疏水粒子的大小差异性，HAC-1使用的疏水粒子比HAC-2中的疏水粒子小。一定范围内，疏水粒子粒径越小，单位体积的粒子数越多，分散在泡沫中的概率越大从而消泡性能越好［6］；而聚醚酯类消泡剂消除泡沫缓慢且不能完全消除泡沫，尤其是PE-2，其消抑泡性能明显低于其他3种产品。这是由于该聚醚酯消泡剂乳液黏度较大，稳定性比较强，由于较大的黏度乳液流动性差，影响它在水中的扩散能力，水分散性差，从而降低了消泡和抑泡能力。

2.3消抑泡性能的影响因素研究

2.3.1消泡剂加入量对消泡性的影响

保持温度和pH不变，分别为40℃和pH=6～7，以AEO12水溶液为起泡液，调节消泡剂加入量。测试在不同消泡剂加入量下消泡剂消泡时间和泡沫体积的变化，从而研究消泡剂加入量对消泡剂消抑泡性能的影响，结果见图3。

由图3可知，随着消泡剂加入量增加（5～20 μL），这4种消泡剂的消泡时间均缩短，且消泡过程中各时间点的泡沫体积也随之减少。当消泡剂加入量为5 μL，HAC-1和HAC-2可分别在11.90 s和12.18 s内完全消除泡沫，而PE-1和PE-2却不可完全消泡，其中PE-1在62.70 s之后泡沫量才可减少至35.70 mL，PE-2在54.30 s后减少泡沫至52.30 mL。若逐渐提高消泡剂加入量，则消泡时间明显缩短。当消泡剂加入量为20 μL，高碳醇消泡剂HAC-1和HAC-2的消泡时间分别降至8.75 s和9.51 s，与5 μL加入量相比，消泡时间分别缩短了26.5%和22.0%。相比之下，聚醚脂类消泡剂消泡较慢，PE-1只可在消泡剂加入量提高至20 μL时才可完全消泡，消泡时间长达62 s；而PE-2的消泡速率高于PE-1，当其加入量为15 μL时，在30.70 s后可完全消泡。

图3　消泡剂加入量对消泡剂性能的影响

当泡沫达到最少量后继续鼓泡并记录时间和泡沫体积。图3的数据显示，高碳醇消泡剂的抑泡性能优于聚醚脂类消泡剂，且4种消泡剂的抑泡性能均与消泡剂加入量呈正相关变化。加入高碳醇消泡剂均可完全消泡，继续鼓泡后也可保持优良的抑泡性能，仅在消泡剂加入量较低时，才会再次生成泡沫，如HAC-1加入量为5 μL时，继续鼓泡240 s后才会出现少量泡沫，600 s后泡沫体积增加到44.3 mL；当加入量为10 μL时，600 s后泡沫体积仅有14.3 mL。HAC-2的抑泡性能略低于HAC-1，当其加入量为5 μL时，鼓泡时间达到120 s时即可出现少量泡沫，600 s后泡沫体积达到47.7 mL，比HAC-1略高；而2种聚醚脂类消泡剂的抑泡性能明显比高碳醇类消泡剂差。泡沫降至最少量后继续鼓泡则很快再次生成泡沫，且泡沫量不断增加，在低用量（5μL）下继续鼓泡600 s后，PE-1组泡沫体积可恢复到122.3 mL，而PE-2组泡沫体积甚至高达329.3 mL；即使在高用量（20 μL）下，二者泡沫体积也可分别恢复至37.0 mL和30.3 mL。

此外，从图3中泡沫体积的变化趋势可以看出，当消泡剂加入量从5 μL增加到10 μL时，比加入量从15 μL增加到20 μL时消泡性能和抑泡性能提高程度要更显著；因此，消泡剂加入量为5～10 μL时，消抑泡效果较佳。针对本实验中起泡液的浓度和泡沫量，消泡剂加入量5～10 μL较合适。随着消泡剂加入量的增加，起泡液中消泡剂的浓度也随着增大，单位体积中进入泡沫液膜的消泡剂的量得以增加，相同时间内消泡速度加快，同样抑泡能力也增强，但是过多的剂量也会导致浪费，消泡剂的性能没有得到合理的利用，所以在实际应用中要根据实际情况添加合适的消泡剂量。

2.3.2温度对消泡剂性能的影响

保持消泡剂加入量和pH不变，分别为5 μL和pH=6～7，以AEO12水溶液为起泡液，调节起泡体系的温度。测试在不同温度下消泡剂消泡时间和泡沫体积的变化，来研究温度对消泡剂消抑泡性能的影响，结果见图4。

图4　温度对消泡剂性能的影响

由图4数据可知，随着消泡体系温度的升高（40～70℃），消泡剂的消泡时间和泡沫高度都发生了明显的变化。从40℃升温至60℃，HAC-1和HAC-2消泡速度先加快。HAC-1消泡时间分别为11.90 s和7.52 s；HAC-2分别为12.18 s和7.35 s，缩短了4.38 s和4.81 s；但当温度升至70℃时，消泡速度明显降低，HAC-1在26.85 s后泡沫减少至30 mL，HAC-2在15.40 s后泡沫仅可减少至71.25 mL；而PE-1和PE-2的消泡速度明显低于这2种高碳醇消泡剂，随着温度的变化（40～70℃），消泡速度只发生了微小变化且都无法达到完全消泡。在温度升至50℃时消泡速度最快，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。

当泡沫降至最小体积后继续鼓泡可以看出，泡沫体积随着温度的升高而增大，这表明消泡剂的抑泡性能随着温度的升高而有所降低。温度较低时，如在40℃，除PE-2之外其他3种消泡剂抑泡性能较佳，600 s后HAC-1、HAC-2和PE-1的泡沫体积分别是44.30、46.00和122.30 mL，而PE-2泡沫体积比初始体积300 mL更大，这可能与其水分散性有关。当温度升高后，HAC-1和PE-1泡沫体积都有所增加但均低于300 mL，而HAC-2的抑泡性能明显降低，在温度升高至50℃时，600 s后泡沫体积已经超过300 mL且在持续增加；PE-2的泡沫体积一直都处于250 mL以上，抑泡性能最差。

从图4各时间点泡沫体积的变化趋势可以看出，随着温度的升高，HAC-1消抑泡性能变化不大，而其他3种消泡剂的消抑泡性能都呈现明显的下降趋势。其中HAC-2变化最显著，当温度超过50℃后，泡沫体积很快超过300 mL且还在持续增加；而PE-1和PE-2随着时间的增加，泡沫回升速度也越来越快，说明温度对消泡剂体系有着较大的影响。这是因为当消泡体系温度升高时，体系中分子颗粒获得更高的能量，消泡剂分子颗粒与泡沫产生更多的碰撞，其在泡沫液膜表面铺展的速度就会得到提升，消泡速度也随之加快；但当消泡速度达到一定值时，可以提升的空间减少，而抑泡性能随着温度的升高反而呈现下降的趋势，这可能是温度的升高降低了泡沫液膜的表面黏度，同时泡沫的大小和匀度也被相应地改变，影响了液膜强度，从而降低体系中泡沫的稳定性［7-8］。由此可知，HAC-1具有一定程度的热稳定性，而其他3种消泡剂的热稳定性较差；这4种消泡剂适用的温度环境是40～50℃，而这一温度范围与纸厂的实际温度环境是吻合的。

2.3.3pH对消泡剂性能的影响

保持消泡剂加入量和温度不变，分别为5 μL和40℃，以AEO12水溶液为起泡液，调节pH，测试在不同pH下消泡剂消泡时间和泡沫体积的变化，从而研究pH对消泡剂消抑泡性能的影响，结果见图5。

图5显示，这4种消泡剂在酸性和碱性环境中均可发挥其消泡和抑泡效果，与中性环境相比，在酸性和碱性环境中消抑泡性能更好。高碳醇消泡剂中，HAC-1消泡速度变化比较明显，中性环境下其消泡时间为11.90 s，而在酸性环境下比中性环境下缩短了1.58 s、在碱性环境中缩短了3.42 s；HAC-2消泡速度基本无变化。聚醚酯消泡剂在酸性环境中消泡性能明显提升，PE-1消泡时间比其中性环境下消泡时间缩短了30.93 s、PE-2缩短了38.56 s，且可完全消泡；而在碱性环境中的消泡速度和中性环境类似。

继续鼓泡观察泡沫体积的变化，由图5可以看出，在酸性和碱性环境中各类消泡剂的最终泡沫体积都有所增加，但变化不大。其中抑泡性能提升最大的是HAC-1和PE-2，HAC-1在中性环境下最终泡沫体积为44.3 mL，而在酸性和碱性环境中其泡沫体积分别减少了32.3 mL和21.3 mL；PE-2泡沫体积比中性环境下（泡沫体积为329.3 mL）分别减少了255.3 mL（酸性）和185.8 mL（碱性）。

综合图5可知，4种消泡剂在酸性环境中的消抑泡性能最优。这可能与其泡沫稳定性有关，在加入消泡剂之前的起泡过程中，中性环境起泡300 mL所用时间约为20 s，而酸性环境起泡相同体积的泡沫需要约30 s，碱性环境中时间更长，约为60 s左右，所以不同pH的起泡体系中泡沫稳定性存在差异性。因为pH的改变可以影响起泡剂的电离作用从而改变体系中的离子浓度，活性物质之间或活性物质与水之间的作用力便会相应的变化，膜强度的变化导致泡沫稳定性改变［9-10］。

从图5各时间点泡沫体积可以看出，2种高碳醇消泡剂体系中的泡沫都在稳定且缓慢回升，2幅图的变化趋势非常相似；而2种聚醚酯消泡剂的变化趋势差别较大，这有可能与2种消泡剂水分散性的差异性有关，但是与中性环境相比较，PE-2的抑泡性能在酸性和碱性环境中得到了明显的改善。

综合数据可知，即使是在苛刻的条件下也可以正常使用这4种消泡剂。本实验主要为后一阶段的废纸脱墨实验做准备，废纸脱墨中的泡沫性能对脱墨效果具有很大影响，所以应根据实际应用条件来选择合适的消泡剂使用条件。

图5　pH对消泡剂性能的影响

2.3.4起泡液对消泡剂性能的影响

保持消泡剂加入量、温度和pH不变，分别为5 μL、40℃和pH=6～7，仅改变起泡液的种类，即分别配制相同浓度的AEO12水溶液、AEC-7-Na水溶液和V（AEO12）∶V（AEC-7-Na）=1∶1的复配水溶液作为起泡液，通过测试在不同的起泡液中消泡剂的消泡时间和泡沫体积的变化，来研究起泡液对消泡剂消抑泡性能的影响，结果如表2。

表2　起泡液对消泡剂性能的影响

AEO12是非离子表面活性剂，而AEC-7-Na是阴离子表面活性剂。由本实验室前期研究［11-12］可知起泡液的起泡性大小依次是AEC-7-Na>AEC-7-Na+ AEO12>AEO12；而泡沫稳定性大小是 AEC-7-Na< AEC-7-Na+AEO12

泡沫降低至最低点后继续鼓泡可以看出，在AEC-7-Na水溶液中泡沫体积最小，因此抑泡性能最好。由此可以得出：消泡剂在阴离子型起泡液AEC-7-Na水溶液中的消抑泡性能最好；在双组分复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。这有可能和各起泡液中的泡沫稳定性有关。

3　结论

（1）通过对4种消泡剂的实验，可以得出消泡剂的消泡性能从高到低为HAC-1>HAC-2>PE-1> PE-2，抑泡性能从高到低为HAC-1>HAC-2>PE-1> PE-2。高碳醇类消泡剂的消抑泡性能明显优于聚醚酯类消泡剂。

（2）高碳醇类消泡剂的消抑泡性能明显优于聚醚酯类消泡剂，且消泡剂的消抑泡性能随着消泡剂加入量的增大而提高，而本实验消泡剂的适宜加入量为5～10 μL（基于起泡液的体积）。

（3）本文所研究的4种消泡剂，消泡时间随着温度的升高而先加快后逐渐减慢，为获得高消泡性能，高碳醇类消泡剂消泡和聚醚酯类消泡剂的最优使用温度分别为70℃左右和50℃左右；而消泡剂的抑泡性能则随着温度的升高呈下降趋势，在后续的废纸脱墨中适宜的温度范围是40～50℃。

（4）4种消泡剂在酸性、碱性和中性环境中均能发挥其消泡和抑泡性能，但尤以在酸性环境中性能最优，实际应用过程中应根据需要选择合适的使用环境。

（5）消泡剂可在阴离子型、非离子型或者阴离子型与非离子复配型起泡体系中应用，而不同的起泡体系对消泡剂乳液的消抑泡性具有不同程度的影响，且温度的改变对消泡剂消抑泡性能的影响最大。

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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-），在读硕士研究生；主要从事应用于废纸脱墨的消泡剂的性能研究；E-mail：iris_jin@126.com。

曹云峰先生（1966-），教授，博士，博士生导师；研究方向：制浆造纸与清洁生产；E-mail：yunfcao@ 163.com。

2015-08-19（修回）

江苏高校优势学科建设工程资助项目

本文文献格式：金鑫，刘祝兰，曹云峰．浮选法脱墨残留泡沫消泡性能的研究［J］．造纸化学品，2015，27（5）∶6-12．