有機(jī)硅消泡劑：帶來(lái)消泡性能的提升還是更多的風(fēng)險(xiǎn)？

從造紙?jiān)祥_(kāi)始至獲得白漿的不同階段（見(jiàn)圖1），從左至右依次為：木片，蒸煮后的紙漿，洗后漿和漂白后的紙漿，整個(gè)過(guò)程的每個(gè)步驟都會(huì)消耗大量的水，并產(chǎn)生大量的泡沫。這些泡沫將干擾正常生產(chǎn)，使紙張質(zhì)量下降……必須將其盡量減少。

圖1 從造紙?jiān)现莲@得白漿的各階段的實(shí)物照片

用于消除泡沫問(wèn)題的消泡劑（或止泡劑）對(duì)制漿廠的經(jīng)營(yíng)起著至關(guān)重要的作用。有機(jī)硅消泡劑對(duì)消除泡沫問(wèn)題特別有效，并已顯示出諸多好處，其中包括有助于實(shí)現(xiàn)工廠的可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)。

1 為什么選擇有機(jī)硅？

有機(jī)硅指的是一類以無(wú)機(jī)硅氧烷為骨架的聚合物材料，由重復(fù)的Si—O單元組成（見(jiàn)圖2）。它通過(guò)改變鏈長(zhǎng)、三維結(jié)構(gòu)以及與Si原子相連的有機(jī)基團(tuán)的類型，代表了聚合物的無(wú)限可能，這也是其獲得廣泛應(yīng)用的主要原因。

圖2 有機(jī)基團(tuán)R修飾的聚硅氧烷

用于消泡劑的硅油是一種具有高疏水性和極低表面張力的聚合物，是制造消泡劑的理想選擇。一旦聚二甲基硅氧烷（PDMS）與疏水性顆粒（如沉淀物或氣相二氧化硅）結(jié)合，就會(huì)形成一種效果更好的消泡劑（見(jiàn)圖3）。

圖3 （a）有機(jī)硅消泡劑液滴圖示（圖中分別標(biāo)出了疏水性PDMS油和二氧化硅疏水性顆粒）；（b）消泡機(jī)理

為解決其他有機(jī)消泡劑性能較差的問(wèn)題，于20世紀(jì)80年代在洗漿工藝流程中引入了有機(jī)硅消泡劑。有機(jī)硅消泡劑對(duì)高pH和高溫的適應(yīng)性使其廣受歡迎，幾乎在一夜之間，它們?nèi)〈水?dāng)時(shí)所使用的其他解決方案。雖然有機(jī)硅在結(jié)構(gòu)和性能上很簡(jiǎn)單，卻為許多當(dāng)今已在大多數(shù)工廠使用的高端消泡劑的研發(fā)奠定了基礎(chǔ)。

然而，與任何創(chuàng)新一樣，有機(jī)硅消泡劑也帶來(lái)了新的問(wèn)題和技術(shù)挑戰(zhàn)，例如沉積、殘留、乳化、用量、注入方式、耐久性（robustness）、結(jié)垢等風(fēng)險(xiǎn)。

2 沉積問(wèn)題

由于有機(jī)硅具有疏水性，因此有機(jī)硅消泡劑對(duì)任何疏水性表面都具有很強(qiáng)的親和力。液體的高pH和高溫會(huì)促使有機(jī)硅化合物殘留的活性官能團(tuán)發(fā)生縮合，并有助于膠體的形成，這些膠體會(huì)在制漿廠機(jī)器的任何部位積聚形成沉積物。

分析研究發(fā)現(xiàn)，上述沉積物通常與鈣樹(shù)脂（calcium pitch）有關(guān)，沉積的發(fā)生取決于不同因素，其中包括有機(jī)硅消泡劑配方的化學(xué)性質(zhì)。沉積是制漿廠關(guān)注的一個(gè)重要問(wèn)題，因?yàn)樗鼤?huì)給纖維生產(chǎn)線帶來(lái)大量的清洗問(wèn)題。

沉積的發(fā)生受到各種因素的影響，例如消泡劑的性質(zhì)和配方組成，消泡劑乳液的質(zhì)量、用量以及在生產(chǎn)過(guò)程中注入消泡劑的方式和位置。制漿廠可以通過(guò)以下措施來(lái)降低沉積發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)。

（1）減少消泡劑的用量。選擇一種有效的消泡劑可以帶來(lái)不一樣的結(jié)果。據(jù)報(bào)道，制漿廠的沉積問(wèn)題常常是由于消泡劑的性能無(wú)效或不合適的配料系統(tǒng)造成消泡劑過(guò)量使用所導(dǎo)致的。

（2）選擇一種官能團(tuán)（這些殘留官能團(tuán)可在堿性系統(tǒng)中進(jìn)一步反應(yīng)）殘留水平極低的消泡劑。降低它們?cè)趬A性環(huán)境中的反應(yīng)活性會(huì)大大降低沉積的風(fēng)險(xiǎn)。

（3）選擇合適的配方組成。穩(wěn)定的工藝和配方是提升有機(jī)硅消泡劑消泡性能的關(guān)鍵：為了更好地分散在起泡的黑液中，有機(jī)硅消泡劑必須進(jìn)行乳化。

3 有機(jī)硅消泡劑的未來(lái)發(fā)展

消泡劑的“消泡性”、“持久性”和“耐久性”是制漿工業(yè)的關(guān)鍵參數(shù)。

消泡劑的“消泡性”衡量的是消泡劑如何快速有效地使系統(tǒng)中存在的泡沫破裂。消泡劑的“持久性”是衡量消泡劑在系統(tǒng)中保持活性的時(shí)間，并且可以預(yù)測(cè)消泡劑在生產(chǎn)過(guò)程中的用量和使用成本。消泡劑的“耐久性”表示在不同條件下的穩(wěn)定性。

隨著制漿和洗漿工藝及設(shè)備的變化，黑液的組成和起泡行為都會(huì)受到影響。已有研究表明，有機(jī)硅消泡劑的消泡性能在不同的體系之間存在很大的差異（見(jiàn)圖4）。科研人員在研發(fā)一種新型消泡劑時(shí)，將不斷致力于改善其消泡性和持久性。

圖4 4種有機(jī)硅基消泡劑在硬木漿黑液和軟木漿黑液中的消泡性能

消泡劑良好的濾水性是制漿企業(yè)對(duì)有機(jī)硅消泡劑的最新需求。“濾水性”代表用盡量少的水將紙漿中的黑液清洗干凈的速度和便捷程度。良好的濾水性不僅可以改善控制泡沫的能力，而且能夠顯著提高清洗操作的有效性和可持續(xù)性。

濾水和脫水在許多工藝流程中都是很重要的方面，包括從固體物質(zhì)的分散體中去除水分。選擇合適的消泡劑可以顯著提高濾水速度，更好更快地去除水分（排水），可以使固體紙漿更干凈，減少后續(xù)干燥所需的能量（見(jiàn)圖5）。

10年前已有研究評(píng)估了有機(jī)硅消泡劑對(duì)制漿和造紙行業(yè)可持續(xù)性以及碳平衡的積極影響。研究表明，有機(jī)硅消泡劑的使用在帶來(lái)消泡性能提升的同時(shí)可以顯著減少CO2的排放量。

圖5 4種有機(jī)硅基消泡劑對(duì)紙漿濾水性的影響

對(duì)于制漿和造紙行業(yè)而言，有機(jī)硅消泡劑是一種可持續(xù)的、穩(wěn)定的、可靠且高效的消泡劑。在不同的制漿廠中，它們可以提供出色的消泡性能，改善濾水性并提高耐久性。它們有助于減少水、能源和化學(xué)品的消耗，并且可以幫助回收有價(jià)值的化學(xué)品。有機(jī)硅消泡劑是制漿和造紙行業(yè)實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵因素。