Для чего применяются пеногасители в химических процессах и очистке сточных вод?

Пеногасители добавляют тогда, когда пена перестаёт быть лишь поверхностной помехой и начинает влиять на управление процессом. В химическом производстве устойчивая пена может уменьшать рабочий объём реактора, искажать показания уровня, замедлять фильтрацию, уносить жидкость в вентиляционные системы, а также удерживать твёрдые частицы или газ там, где они должны разделяться. При очистке сточных вод та же проблема возникает в усреднительных резервуарах, аэротенках, отстойниках, линиях обработки осадка и резервуарах-накопителях очищенной воды. Когда пена становится устойчивой, операторы могут столкнуться с переливом, недостаточной передачей кислорода, нестабильной работой насосов или образованием отложений вокруг кромок резервуаров и трубопроводов.

Основная задача пеногасителя заключается в разрушении устойчивости пузырьков. Пена сохраняется, поскольку тонкая жидкая плёнка вокруг каждого пузырька достаточно прочна, чтобы препятствовать его разрушению. Пеногасящая химия ослабляет эту плёнку, растекается по поверхности пены и способствует выходу заключённого газа. В зависимости от состава продукт также может препятствовать повторному образованию пены в течение некоторого времени после её первоначального разрушения. Это различие имеет значение. В одних процессах требуется только быстрое подавление пены во время кратковременного нарушения режима, тогда как в других необходим постоянный контроль пенообразования в рециркуляционных системах или системах с непрерывной аэрацией.

Почему пена становится проблемой для процесса

Во многих химических системах пена образуется из-за перемешивания, вовлечения воздуха, выделения газа, поверхностно-активных веществ, органических загрязнений, белков, полимеров или циркуляции при высокой температуре. Потоки сточных вод особенно нестабильны, поэтому линия, которая в один день работает без проблем, на следующий может сильно пениться, если выше по потоку в неё попали моющие средства, остатки масла, побочные продукты ферментации или химикаты для очистки. Поэтому выбор пеногасителя нельзя основывать только на маркировке продукта. Источник образования пены часто определяет, будет ли эффективен состав на основе силикона, полиэфира, минерального масла или эмульсии.

Пена также вызывает вторичные эффекты, которые легко неправильно интерпретировать. В резервуаре с видимой пеной может присутствовать более глубокая проблема, например чрезмерная аэрация, необычно высокая органическая нагрузка, изменение pH, избыток твёрдых частиц возвратного ила или попадание в систему остатков моющих средств. В таких случаях добавление большего количества пеногасителя может уменьшить проявление проблемы, но не устранить её первопричину. Правильный подход заключается в том, чтобы определить, где начинается пенообразование, является ли пена белой, коричневой, липкой или маслянистой, а также быстро ли она разрушается при механическом воздействии. Эти небольшие наблюдения часто показывают, обусловлена ли пена технологическим процессом или химическим составом.

Как пеногасители работают в реальных системах

Большинство промышленных пеногасителей разрабатывается на основе нерастворимых или частично диспергируемых активных компонентов. Их эффективность зависит от размера капель, коэффициента растекания, совместимости с носителем и устойчивости к сдвигу. Продукт, который разрушает пену в стакане, может оказаться неэффективным в точке дозирования с высоким сдвигом, поскольку эмульсия дестабилизируется до того, как достигнет резервуара. Другой продукт может хорошо работать в линии нейтральных сточных вод, но демонстрировать слабые результаты в условиях сильной щёлочности, высокой солёности или повышенной температуры.

В реакторе или смесительной ёмкости пеногасителю обычно требуется быстрое растекание и немедленное разрушение пузырьков. В биологической системе очистки сточных вод состав необходимо оценивать более тщательно, поскольку некоторые формулы могут препятствовать передаче кислорода, загрязнять мембраны или влиять на последующее обезвоживание осадка при передозировке. В испарителях, отпарных колоннах и промывочных стадиях термическая стабильность и поведение при уносе становятся важнее, чем простая скорость подавления пены. Наиболее эффективным часто оказывается продукт, который контролирует пену, не создавая плёнки, остатков или проблем с разделением в других участках линии.

Типичные точки применения

В химическом производстве пеногасители обычно дозируют в реакционные аппараты, резервуары нейтрализации, рециркуляционные контуры скрубберов, вспомогательные системы дистилляции и на стадии промывки продукта. Точка дозирования имеет значение, поскольку пена не всегда образуется там, где её впервые замечают. Например, пена, появляющаяся в верхней части резервуара, на самом деле может быть вызвана подсосом воздуха рециркуляционным насосом через негерметичное всасывающее соединение.

При очистке сточных вод к распространённым точкам добавления относятся входное усреднение, питающие резервуары установок флотации растворённым воздухом, аэротенки, контуры мембранных биореакторов, сгустители осадка и питающие резервуары фильтр-прессов. Периодического внесения может быть достаточно при редких нарушениях режима. Непрерывное дозирование с низким расходом чаще применяется там, где нагрузка поверхностно-активными веществами предсказуема. Если перед подачей продукт разбавляют, следует проверить качество воды для разбавления, поскольку жёсткая вода, экстремальный pH или загрязнения могут дестабилизировать некоторые эмульсии.

Факторы выбора, более важные, чем маркировка

Пеногаситель следует подбирать с учётом химического состава системы, а не выбирать как универсальное средство против пены. Важные вопросы при предварительном отборе включают наличие в воде масел, анионных или неионогенных поверхностно-активных веществ, большого количества взвешенных веществ, окислителей, сильных кислот и щелочей; рабочую температуру системы; а также дальнейшее направление очищенной воды — на мембраны, ионный обмен, биологическую очистку или доочистку перед сбросом. Эти последующие стадии могут быть чувствительны к несовместимым добавкам.

• В воде с высокой щёлочностью или высокой жёсткостью совместимость с реагентами для контроля отложений может иметь такое же значение, как и сам контроль пенообразования.
• Если в системе уже присутствуют соли цинка, фосфонаты или диспергаторы, необходимо оценить такие побочные эффекты, как разрушение эмульсии, помутнение или образование отложений.
• Для рециркуляционных промышленных водных систем на удобство обращения влияют также форма транспортировки и хранения. Бесцветная или светло-жёлтая прозрачная жидкость со стабильным содержанием твёрдых веществ обычно позволяет более равномерно выполнять дозирование, чем система, расслаивающаяся при хранении.

В некоторых программах водоподготовки контроль пены является лишь одной частью химического баланса. Такой состав, как терполимер карбоксилат-сульфонат-акрилат (AA/AMPS/HPA), может использоваться на смежных стадиях обработки как ингибитор образования отложений и диспергатор, особенно при высокой температуре, высоком pH, высокой жёсткости или высокой щёлочности. Материалы такого типа обычно поставляются в виде бесцветной или светло-жёлтой прозрачной жидкости с содержанием твёрдых веществ не менее 30.0%, плотностью при 20℃ не менее 1.10 г/см³ и pH 1%-ного водного раствора около 2.0-4.0. Если несколько добавок используются в одном водном контуре, испытание совместимости становится более полезным, чем оценка каждого продукта по отдельности.

Распространённые ошибки при использовании

Одна из частых ошибок — предположение, что увеличение дозировки обеспечивает лучший контроль. Передозировка может привести к образованию плавающих остатков, нарушить последующее разделение или увеличить расход химикатов без повышения эффективности. Другая ошибка — проведение испытаний только в статичных образцах. Многие виды пены ведут себя по-разному под воздействием воздушного потока, сдвига, температуры и времени пребывания, поэтому реалистичный тест в пробе или моделирование на пилотной установке обычно информативнее, чем единичный тест с одной каплей в лабораторном стакане.

Хранение и транспортировка также часто остаются без должного внимания. Некоторые пеногасители могут расслаиваться после длительного хранения или замораживания, а некоторые перед использованием следует осторожно перемешать, а не подвергать интенсивному перемешиванию. Обращение с бочками, вёдрами и контейнерами IBC должно соответствовать форме продукта и дозирующему оборудованию. Если продукт поставляется в упаковке по 25 кг, 250 кг или в контейнерах IBC объёмом 1250 кг, всё равно необходимо проверить чистоту линий перекачки и совместимость уплотнений насоса, особенно если на одной установке используются кислоты, диспергаторы и другие химикаты для водоподготовки.

Координация процесса при контроле пенообразования

Проблемы с пеной часто находятся на границе между эксплуатацией, химией водоподготовки, техническим обслуживанием и лабораторными испытаниями. Полезная последовательность поиска неисправности начинается с проверки того, связана ли пена с изменением сырья, сбросом после цикла промывки, увеличением расхода воздуха, корректировкой pH, добавлением полимера или проведением технического обслуживания оборудования. Такой порядок действий практичнее, чем последовательная замена нескольких пеногасителей без определения причины.

На предприятиях с системами охлаждающей воды, нефтехимической циркуляцией, обработкой стали, водными системами нефтяных месторождений или энергетическими водными системами одна и та же линия может требовать как подавления пены, так и контроля отложений. Поэтому химическую совместимость, конструкцию точки подачи и мониторинг системы следует рассматривать совместно. Пеногаситель, который хорошо работает на поверхности, но дестабилизирует общую программу водоподготовки, может лишь перенести проблему, а не решить её.

При правильном выборе пеногасители поддерживают газожидкостные системы в состоянии, более близком к предусмотренному рабочему режиму. Они делают это за счёт восстановления свободного объёма, улучшения разделения фаз, ограничения переливов и ложных показаний, а также снижения эксплуатационных нарушений, вызванных устойчивой пеной. Их ценность особенно заметна, когда они незаметно выполняют свою работу, не создавая новых проблем с техническим обслуживанием на последующих стадиях.