高效有机硅消泡剂的制备及性能评价

黎方潜，杨世极，陆强，董长青

(1.华北电力大学生物质发电成套设备国家工程实验室，北京102206;2.西安热工研究院有限公司，陕西西安710032)

高效有机硅消泡剂的制备及性能评价

黎方潜1，杨世极2，陆强1，董长青1

(1.华北电力大学生物质发电成套设备国家工程实验室，北京102206;2.西安热工研究院有限公司，陕西西安710032)

以二甲基硅油、疏水气相二氧化硅和甲基乙烯基MQ硅树脂组成的硅膏为主要成分，Span60－Tween60为乳化剂，羟丙基甲基纤维素(HPMC)为增稠剂，经乳化剪切后得到性能优异的有机硅消泡剂。研究了各主要成分含量对消泡剂性能的影响，得到最优配方为:二甲基硅油(粘度为10Pa·s)为21wt%;疏水气相二氧化硅与甲基乙烯基MQ硅树脂均为1.4wt%;复合乳化剂(HLB值为10)为6.3wt%;HPMC为0.5wt%。基于该配方的有机硅消泡剂消、抑泡性能优于同类商业产品，且同时具有较好的稳定性。

有机硅消泡剂;二甲基硅油;疏水气相二氧化硅;甲基乙烯基MQ硅树脂

0 引言

石灰石－石膏湿法脱硫系统是我国燃煤电站使用最为广泛的烟气脱硫系统，其核心设备为吸收塔［1－4］。系统运行过程中，吸收塔经常因脱硫浆液起泡而发生溢流，导致浆液在烟道沉积，使烟道被浆液杂质腐蚀，影响烟道安全有效运行;浆液严重溢流时会冲击脱硫风机，损害风机叶片，阻碍烟气流动，迫使脱硫系统停运［5－7］。解决这一问题最有效、最经济简便的方法是向吸收塔中投加适量的消泡剂，加快泡沫的破除并抑制泡沫的产生［8－10］。

有机硅消泡剂不但具有优异的消、抑泡性能，而且还具有起效快、无污染、低成本、广泛应用、化学惰性、难溶于起泡体系等特点［11－12］。基于此，本文通过二甲基硅油、疏水气相二氧化硅、增效剂为主消泡剂成分，经与乳化剂、增稠剂复配，通过高速剪切的工艺得到适用于湿法脱硫系统的有机硅消泡剂，并对其进行了性能评价。

1 试验部分

主要原料:疏水气相二氧化硅，工业级，比表面积130m2/g，赢创德固赛公司;二甲基硅油，分析纯，粘度1Pa·s和10Pa·s，阿拉丁试剂(上海)有限公司;Span60、Tween60，工业级，江苏省海安石油化工厂;甲基乙烯基MQ硅树脂，工业级，广州德尔塔有机硅技术开发有限公司;羧甲基纤维素(CMC)，分析纯，阿拉丁试剂(上海)有限公司;聚乙烯醇(PVA)，分析纯，阿拉丁试剂(上海)有限公司;羟丙基甲基纤维素(HPMC)，分析纯，阿拉丁试剂(上海)有限公司;十二烷基苯磺酸钠，分析纯，阿拉丁试剂(上海)有限公司;电厂消泡剂1、电厂消泡剂2，某燃煤电厂。

1.2 消泡剂制备

1.2.1 硅膏的制备

称取一定质量的二甲基硅油、疏水气相二氧化硅和甲基乙烯基MQ硅树脂加入到单口烧瓶中;然后将单口烧瓶置于油浴锅中，调节油浴锅温度稳定在130℃，在搅拌状态下反应3h，冷却至室温后得到硅膏。

1.2.2 消泡剂的制备

将一定量硅膏和乳化剂加入到烧杯中，加热至75℃并搅拌1h;然后将60℃的增稠剂溶液滴加到乳化后的硅膏中，缓慢搅拌混合均匀;将剩余水完全加入后停止加热，缓慢搅拌至室温;最后经高速剪切处理，得到有机硅消泡剂。

秦汉魏晋南北朝时期的丞相…………………………………………………………………………………………甄 鹏（3.33）

1.3 消泡剂性能评价

起泡液的配置:准确称取10.00g十二烷基苯磺酸钠于1L容量瓶中，用去离子水定容至刻度，摇匀待用。

抑泡性能测试:首先将100mL起泡液加入到500mL的量筒中，然后把连接有氮气瓶的玻璃管放入量筒，并加入0.01g消泡剂，调节气体流量为500mL/min，开始计时直到泡沫达到500mL，所得时间为抑泡时间。

消泡性能测试:当上述泡沫达到500mL时，拔出玻璃管，并记录泡沫完全消除时间，所得时间为消泡时间。

离心稳定性:15mL消泡剂样品在3000r/min条件下，离心30min，观察其稳定性。

2 结果与讨论

2.1 二甲基硅油对消泡剂性能的影响

低粘度的二甲基硅油由于其较小的分子量和低表面张力，分散性好，易捕获已生成的气泡，消泡性能好，但亲水性较强，从而抑泡性能较差;高粘度的二甲基硅油其分子量较大，易与气泡膜结合，可以抑制泡沫产生，但流动性较差，不易捕获已生成的气泡，消泡性能较差［13］。试验考察了二甲基硅油为21wt%，疏水气相二氧化硅为1.4wt%，甲基乙烯基MQ硅树脂为1.4wt%，复合乳化剂(HLB为10)为6.3wt%，HPMC为0.5wt%的条件下，二甲基硅油粘度对有机硅消泡剂的性能影响，结果如表1所示。从表1可知，有机硅消泡剂的抑泡性能随着二甲基硅油粘度增大而增强，消泡性能随着二甲基硅油的粘度增大而减弱，但是消泡性能减弱程度较小。这是由于经乳化后的二甲基硅油因乳化剂的包裹，形成了可以有效阻止油滴聚集的保护膜，并通过搅拌均匀分散在消泡剂乳液中，从而缩小了消泡性能差异［14］。同时二者都具有较好的稳定性。综合考虑消、抑泡性能，选用10Pa·s的二甲基硅油。

表1 二甲基硅油粘度对消泡剂性能影响

2.2 疏水气相二氧化硅对消泡剂性能的影响

疏水气相二氧化硅具有高比面积，可以有效结合二甲基硅油增强消泡剂消、抑泡性能，而且其疏水性能可以有效提高消泡剂乳液的稳定性［15－16］。疏水气相二氧化硅含量对有机硅消泡剂的性能影响如表2所示。从表2可知，有机硅消泡剂的消、抑泡性能随着二氧化硅含量的增加呈先增强后减弱趋势，当二氧化硅含量为1.4wt%时，消泡剂具有最优性能。当二氧化硅含量高于1.4wt%时，消泡剂稳定性明显下降，这是由于二氧化硅过多导致无法与二甲基硅油充分润湿，多余的部分会产生沉降，从而降低了消泡剂乳液的稳定性。综合考虑，疏水气相二氧化硅的最优含量为1.4wt%。

表2 二氧化硅含量对消泡剂性能影响

2.3 甲基乙烯基MQ硅树脂对消泡剂性能的影响

甲基乙烯基MQ硅树脂可以有效提高二氧化硅的分散性，进而加强二氧化硅与二甲基硅油的协同消、抑泡性能。但是加入过多会导致硅膏乳化困难，消泡剂乳液稳定性降低。因此甲基乙烯基MQ硅树脂的含量对有机硅消泡剂有很大影响。甲基乙烯基MQ硅树脂含量对有机硅消泡剂的性能影响如表3所示。综合考虑，甲基乙烯基MQ硅树脂的最优含量为1.4wt%。

表3 甲基乙烯基MQ硅树脂含量对消泡剂性能影响

2.4 乳化剂对消泡剂性能的影响

硅膏与起泡体系互不相溶，为了使其能够在起泡体系表面迅速铺展和分散，需要对硅膏进行乳化。因此要考虑乳化剂与硅膏具有接近的HLB值，且Span60和Tween60非离子型乳化剂发泡能力低，不会影响电厂脱硫过程，同时二者和二甲基硅油都是具有支链结构的有机聚合物，乳化过程中三者可以有效结合，降低乳化过程中固－液界面能量，提高乳化效果［17－18］。因此，选择Span60和Tween60作为复合乳化剂。

乳化剂HLB值对有机硅消泡剂的性能影响如表4所示，乳化剂含量对有机硅消泡剂的性能影响如表5所示。从表4可知，有机硅消泡剂的消、抑泡性能随着乳化剂HLB值的增加呈先增加后降低趋势。当乳化剂HLB值等于10时，复合乳化剂与硅膏具有相近的HLB值，从而形成了消、抑泡性能和稳定性都较好的消泡剂乳液，所以复合乳化剂最优HLB值为10。

表4 不同HLB值对消泡剂性能影响

从表5可知，有机硅消泡剂随着乳化剂含量增加其稳定性明显增强，但是消泡剂抑泡性能随着乳化剂含量增加而先增强后减弱，消泡性能随着乳化剂含量增加而持续减弱，当乳化剂含量为6.3wt%，消泡剂具有最优性能。综合考虑，乳化剂的最优含量为6.3wt%。

表5 乳化剂含量对消泡剂性能影响

2.5 增稠剂对消泡剂性能的影响

本文考察了PVA、CMC和HPMC三种增稠剂对有机硅消泡剂的性能影响，结果如表6所示。从表6可知，添加三者的有机硅消泡剂的消泡性能相仿，其中添加HPMC的有机硅消泡剂的抑泡性能远优于PVA和CMC，因此选用HPMC为增稠剂。

表6 不同增稠剂对消泡剂性能影响

继续考察增稠剂含量对有机硅消泡剂的性能影响，结果如表7所示。当增稠剂为0.5wt%时，有机硅消泡剂具有较好的消、抑泡性能和稳定性。

表7 增稠剂含量对消泡剂性能影响

2.6 制备工艺对消泡剂性能的影响

通常消泡剂微粒需要适当的粒径才具有优异的消、抑泡性能和稳定性［19］，所以需要对乳化后的消泡剂进行高速剪切处理。剪切时间为5min，不同剪切速率对有机硅消泡剂的性能影响如表8所示。从表8可知，有机硅消泡剂的消、抑泡性能随着剪切速率的提高先增强后降低，但稳定性经高速剪切后明显增强。通常消泡剂微粒粒径大于50μm时，微粒不稳定导致乳液易破乳漂油，经剪切处理的消泡剂微粒粒径降低，提高了消泡剂消、抑泡性能及稳定性，但是过度剪切导致微粒粒径过小不易附着在气泡表面，从而降低了消、抑泡性能［20］。因此，有机硅消泡剂经3000r/min高速剪切处理后，获得最优的消、抑泡性能及稳定性。

表8 不同剪切条件对消泡剂性能影响

2.7 与同类产品的性能比较

按照最优配方制得的有机硅消泡剂与商业消泡剂进行性能比较，结果如表9所示。从表9可知，因为通过添加甲基乙烯基MQ硅树脂明显增强消泡剂的抑泡性能，并通过优化配方，使其性能优于同类商业消泡剂，并具有良好离心稳定性。

表9 自制有机硅消泡剂与商业消泡剂的性能比较

3 结语

高效有机硅消泡剂以二甲基硅油、疏水气相二氧化硅和甲基乙烯基MQ硅树脂组成的硅膏为主要成分，并添加乳化剂和增稠剂后通过乳化剪切制得。其最优配方为二甲基硅油(粘度为10Pa·s)为21wt%，疏水气相二氧化硅与甲基乙烯基MQ硅树脂均为1.4wt%，Span60－Tween60复合乳化剂(HLB值为10)为6.3wt%，HPMC为0.5wt%;最佳制备工艺为乳化后经3000r/min剪切处理5min;由此制备的机硅消泡剂消、抑泡性能优于同类商业产品，且具有较好的离心稳定性。

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Preparation and evaluation of high efficient organosilicon defoamer

An efficient organosilicon defoamer was prepared by an emulsification process with the silicone paste as the major component，the Span60－Tween60 mixture as the emulsifying agent，and the hydroxypropyl methyl cellulose(HPMC)as the thickener.The silicone paste was synthesized by the dimethyl silicone，the fumed silica and vinyl－substituted MQ silicone resin.The effects of different component contents on the properties of the defoamer was investigated，to obtain the optimal defoamer composition as follows:21wt%of the dimethyl silicone with a viscosity of 10Pa·s，1.4wt%of both fumed silica and vinyl－substituted MQ silicone resin，6.3 wt%of the mixed emulsifying agent with the HLB value of 10，and 0.5wt%of the thickener.The results showed that the organosilicon defoamer possessed more promising defoaming/antifoaming properties than the commercial products，and moreover，it also had good stability.

organosilicon defoamer;dimethyl silicone;fumed silica;vinyl－substituted MQ silicone resin

X701.3

B

1674－8069(2016)06－001－04

2016-07-19;

2016-08-06

黎方潜(1991-)，男，重庆荣昌人，硕士研究生，主要研究方向为电厂烟气脱硫治理技术。E－mail:409103168@qq.com

国家973计划(2015CB251501);中央高校基本科研业务费专项资金(2016YQ05，2015ZZD02)