ضد کف ها و انواع مکانیزم آن ها

آنتی فوم چیست؟ جهت پیش گیری از تشکیل کف در یک سیستم یا از بین بردن کف، از مواد شیمیایی خاصی تحت عنوان های ضدکف، کف زدا، آنتی فوم و یا دفومر استفاده می‌شود. این مواد باتوجه به موقعیتی که تحت استفاده قرار می‌گیرند ساختارهای متفاوتی خواهند داشت.

ضدکف چیست؟

در بیان واژه‌های ضدکف (anti-foaming) و کف زدا (de-foaming) دو واژه‌ی متفاوت هستند. کف زدا جهت از بین بردن و تخریبِ کفِ تشکیل شده به ترکیب اضافه می‌شود؛ در حالی که ضدکف ماده‌ای است به منظور جلوگیری از تشکیل شدن کف در سیستم های صنعتی.

کاربرد ضد کف در صنایع مختلف

کف در بسیاری از کارخانجات صنعتی ممکن است راندمان فرآیند را کاهش داده و باعث ایجاد مشکلات زیست محیطی در تخلیه پساب شود. به همین دلیل است که افزودنی‌های مختلفی به نام ضد کف یا کف‌زدا برای کاهش حجم فوم نامطلوب در فناوری‌های مختلف مانند تولید خمیر و کاغذ، صنایع غذایی، رنگرزی نساجی، شیرین‌سازی گاز و حفاری، تصفیه فاضلاب و بسیاری از فرآیندهای جداسازی به‌طور گسترده مورد استفاده قرار می‌گیرند.

بازار ضد کف بیشتر مبنی بر محصولات مبتنی بر سیلیکون است. این به دلیل خواص افزایش یافته آنها کشش سطحی کم و پایداری حرارتی است. ضدکف‌های سیلیکونی کلاسیک بر پایه پلی دی متیل سیلوکسان، با وزن مولکولی متفاوت ساخته می‌شوند و به طور مناسب برای کاربرد آن در محیط های آبیِ عملیات نساجی امولسیون می‌شوند.

آنتی فوم های مبتنی بر سیلیکون پلیمرهایی با زنجیره سیلیکونی هستند که بر پایه روغن یا آب میباشند. این ترکیبات کشش سطحی کمی داشته و به سرعت از طریق کف پخش میشوند. این نوع آنتی فوم ها به راحتی روی دیواره فوم شناور شده و روزنه های روی کف های ایجاد شده را اشغال کرده، در نتیجه باعث نازک شدن و فرو ریختن دیواره فوم می شوند.

ترکیب سیلیکون شامل یک سیلیس آبگریز است که در روغن سیلیکون پراکنده شده است. امولسیفایرها اضافه می شوند تا اطمینان حاصل شود که سیلیکون به سرعت و به خوبی درون فوم پخش میگردد.  آنتی فوم های مبتنی بر سیلیکون در از بین بردن کف سطحی و آزاد کردن هوای حباب شده عملکرد خوبی دارند. همچنین برای سیستم های غیر آبی مانند نفت خام و پالایش نفت مناسب اند.  آنتی فوم ها به اشکال دیگری از جمله محصولات معدنی و ارگانیک نیز وجود دارند.

نیروهای سطحی کوتاه برد نقش مهمی در عملکرد ضد کف ها ایفا می کنند. برای موثر بودن در یک محیط کف کننده معین، یک عامل ضد کف باید دارای ضریب پخش مثبت باشد و یک لایه سطحی ناپایدار تشکیل دهد که قادر به کف کردن نباشد. تحقیقات نشان داده با استفاده از آنتی فوم های سیلیکونی، اثربخشی ضد کف می تواند به شدت تحت تأثیر پراکندگی و نیروهای الکتریکی سطحی دوربرد قرار گیرد.

منشا چنین نیروهای الکتریکی جذب سورفکتانت یونی است که می تواند بارهای سطحی یکسانی را به حباب کف و قطرات ضد کف وارد کند که در نتیجه برهمکنش دافعه ای بین آنها ایجاد شود. با استفاده از مدل دو لایه الکتریکی Gouy، این نیروی دافعه تخمین زده شده است و با اثر ضد کف همبستگی دارد. همچنین ثابت شده است که در سیستم های فوم حاوی سورفکتانت های آنیونی یا کاتیونی، به طور قابل توجهی در نزدیکی غلظت های بحرانی میسل نیروهای دافعه الکتریکی سورفکتانت های کف کننده تغییر می کنند.

مشکلات مربوط به تشکیل کف در صنعت نساجی

کف ایجاد شده به دلیل گردش شدید محلول حمام در حضور مواد افزودنی مختلف سطح فعال (سورفکتانت) و هوا در حین عملیات مرطوب منسوجات، می‌تواند اثرات مخربی از جمله موارد زیر ایجاد کند:

1.کف متراکم منجر به گیرافتادن پارچه و نهایتا توقف ماشین آلات، جذب نایکنواخت رنگ و لخته شدن آن می‌شود.
۲. در رنگرزی کلاف‌ها و پارچه‌های حلقوی، تشکیل کف در حمام رنگ می‌تواند باعث شناور شدن مواد و در نتیجه جذبِ نایکنواختِ رنگزا شود.
۳. کف موجود در خمیر چاپ، به ویژه در دستگاه چاپ روتاری و غلتکی، موجب ایجاد لکه‌های مدور روی پارچه‌های چاپ شده میشود.

برای از بین بردن مشکلات ایجاد شده باید مانع تشکیل کف و یا از بین بردن کف شد. این امر به وسیله  بهینه سازی پارامترهای فرآیند و با استفاده از مواد ضدکف و … محقق خواهد شد.

هدف از این مطالعه، خلاصه ای از مکانیسم های تخریب کف توسط آنتی فوم ها و تأثیر عوامل مختلف بر این پدیده میباشد. به همین منظور ابتدا مکانیسم های به اصطلاح پل زدن همراه با مکانیسم حباب پخش کننده سیال مورد بحث قرار گرفته و در ادامه اهمیت عوامل مختلفی مانند ویسکوزیته روغن، وجود ذرات آبگریز در داخل آنتی فوم های ترکیبی و غلظت آنتی فوم ها شرح داده میشود.

مکانیزم های ضد کف

اثر مارانگونی که پایان قرن نوزدهم مطرح شد، به این موضوع اشاره دارد که حتی در شرایط هم دما، گرادیان کشش سطحی موجب انتقال جرم در فصل مشترک دو سیال میشود. به بیان ساده تر گرادیان در سطح باعث ایجاد حرکت سطح مایع از ناحیه کم به ناحیه ای با کشش سطحی بالاتر خواهد شد.

حرکت سطح، مایع زیرین را به همراه خود می کشد و بنابراین با نازک شدن لایه سطح مایع از بین میرود به طور مثال اگر کسی با انگشت یک حباب را لمس کند، حباب میترکد. این مثال در واقع همان مکانیسم یک کف زدا است.

به یاد داشته باشید که کشش سطحی یک مایع نیز از طریق انرژی آزاد هلمهولتز اندازه گیری می شود. پوست انگشت دست همانند یک شیب انرژی‌های سطحی را وارد می‌کند؛ پوست با انرژی سطحی کم خود که نتیجه یک تراوش طبیعی است، نمی‌تواند با انرژی سطحی بالاتر محلول آب خنثی شود، در نتیجه خیس شده و حباب از بین میرود. دلیل ترمودینامیکی این پدیده این گونه است که تغییر انرژی آزاد در سطح مشترک منفی است.

عمل رطوبت زدایی را می توان با استفاده از ذرات جامد با انرژی سطحی کم مانند سیلیس آبگریز به دست آورد. ابتدا محققان عمل بازدارنده قطرات نامحلول كف را به قابليت پخش شدن بر روي سطح محلول هاي كف كننده و از بين بردن لایه به محض تشكيل آنها نسبت دادند.

رابینسون و وودز اثر بازدارندگی کف را به ضریب ورودی نسبت دادند. این مکانیسم های پیشنهادی برای مهار کف به حرکت سطوح، پخش یک بازدارنده کف مایع ، خروج محلول از سطح جامد یا مایع کم انرژی بستگی دارد،. هر حرکت مایع که به گرادیان انرژی سطح بستگی دارد، اثرات مارانگونی است.

مکانیزم ضد کف پودری

پل زدایی ذرات جامد آبگریز:

برای بدست آوردن راندمان از بین رفتن کف ذرات جامد ، که عمدتاً با آبگریزی آنها و مقدار زاویه تماس آن (αAW) تعیین می شود. به طور تجربی نشان داده شده که ذرات آبگریز می توانند لایه فوم را با مکانیزم پل زدایی-نم زدایی پاره کرده یا از بین ببرند. این مکانیزم نشان می‌دهد که ابتدا ذره جامد با دو سطح مخالف لایه کف تماس پیدا می‌کند و پل جامد را بین آنها تشکیل می‌دهد (شکل 1). اگر ذره به اندازه کافی آبگریز باشد  ((αAW)  بزرگتر از یک مقدار بحرانی خاص است) توسط مایع مرطوب شده، خطوط تماس در تماس مستقیم با یکدیگر قرار گرفته و در نهایت لایه فوم در سطح ذره سوراخ می شود.

مطالعات مختلف تئوری و تجربی  نشان داده که زاویه تماس بحرانی 90 درجه برای رطوبت زداییِ کاملِ ذرات جامدی است که دارای سطوح محدب، صاف، کره، بیضی، دیسک و میله هستند. اگر ذرات تحت زاویه تماس 90 درجه قرار گیرند باعث پارگی و فروپاشی لایه فوم می شوند. اما ذرات صاف آبگریز زاویه کمتراز90 درجه  ( (αAW≤ 90  باعث پارگی لایه فوم نشده و حتی می توانند با مسدود کردن کانال هایPlateau  و کاهش سرعت تخلیه آب از فوم، آن را تثبیت کنند. جالب توجه است، برخی از آزمایش‌ها نشان دادند که پارگی لایه فوم می‌تواند توسط ذرات آبگریز کمتر از 90 درجه، در صورتی که لبه‌های تیز داشته باشند و به درستی در لایه جهت‌گیری شده باشند، القا ‌شود. در αAW زیر زاویه تماس بحرانی، همانطور که لایه تخلیه می شود، به ضخامت بحرانی می رسد که در آن فشار مویینگی صفر می گردد.

شکل 1

مکانیزم ضد کف روغنی و سیلیکونی

کشش پل:

آزمایش‌های انجام شده نشان میدهد که لایه‌های فوم در حضور ضد کف یک پل نفتی مقعر را در لایه فوم تشکیل می دهد که نازک‌ترین ناحیه در مرکز پل قرار دارد (شکل 2). کشیده شدن این پل در جهت شعاعی در نتیجه فشارهای مویینگی جبران نشده در فصل مشترک نفت-آب و گاز-آب منجر به تشکیل یک لایه نازک نفتی ناپایدار در مرکز پل خواهد شد و پارگی این لایه روغن منجر به سوراخ شدن کل لایه فوم میشود. این حالت که از پارگی لایه فوم ایجاد میشود مکانیزم کشش پل نامیده شده است

مهم ترین عامل برای تحقق این مکانیزم، امکان تغییر شکل در ذرات ضد کف است. به همین دلیل است که اثر کشش پل برای ذرات جامد آبگریز قابل تحقق نیست.

(شکل 2)

پل زدایی:

هنگامی که یک پل روغنی بین دو سطح ، لایه ای فوم تشکیل میدهد، این پل به دلیل سطح آبگریز ذرات روغنی توسط فاز آبی خیس می شود. این پدیده برخلاف مکانیزم پل زدایی – رطوبت زدایی با ذرات جامد آبگریز تشکیل میشود، زمانی که ذرات ضد کف قابل تغییر شکل باشد پس از اولین ورود به یکی از سطوح مایع، شکل عدسی به خود می گیرد.

ملاحظات هندسی ساده نشان می دهد که چنین عدسی می تواند توسط سطح لایه فوم مقابل، در لحظه تشکیل پل، مرطوب شود بشرطی که تغییر قابل توجهی در شکل عدسی در طول خیس شدن رخ ندهد.

(شکل 5)

حباب مایع پخش کننده:

یکی دیگر از مکانیزم های کلاسیک برای تخریب لایه بر جریان محوری مارانگونی (حباب سیال) تولید شده، توسط ضدکف پخش شده در امتداد فصل مشترک لایه گاز متکی است. به این صورت که وقتی تک لایه روغن روی یک سطح پخش می شود، سیال سطح زیری را با خود می کشد و باعث نازک شدن لایه موضعی می شود در نتیجه می تواند لایه را پاره کند.

(شکل 6)