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水処理における泡の問題は、多くの人々を悩ませてきました。試運転初期段階では、界面活性剤泡、衝撃泡、過酸化物泡、循環水処理における非酸化性殺菌剤添加による泡などが発生するため、水処理において消泡剤が使用されることは比較的一般的です。この記事では、消泡剤の原理、分類、選定、使用量について包括的にご紹介します。

★泡の除去

1. 物理的方法

物理的な観点から見ると、泡を除去する主な方法としては、バッフルやフィルタースクリーンの設置、機械的撹拌、静電気、冷凍、加熱、蒸気、放射線照射、高速遠心分離、減圧、高周波振動、瞬間放電、超音波（音響液体制御）などがあります。これらの方法はすべて、液膜両端のガス透過率と気泡膜の液体排出を程度の差はあれ促進し、泡の安定係数が減衰係数よりも小さくなるため、泡の数が徐々に減少します。しかし、これらの方法に共通する欠点は、環境要因による制約が大きく、消泡率が低いことです。利点は、環境保護と高い再利用率です。

2. 化学的方法

泡を除去する化学的方法には、主に化学反応法と消泡剤の添加が含まれます。

化学反応法とは、発泡剤と発泡剤を化学反応させて不溶性物質を生成させ、液膜中の界面活性剤濃度を低下させ、泡の破裂を促進する方法です。しかし、この方法には、発泡剤の組成が不確実であることや、不溶性物質がシステム機器に悪影響を与えるなどの欠点があります。現在、様々な業界で最も広く使用されている消泡方法は、消泡剤を添加する方法です。この方法の最大の利点は、高い消泡効率と使いやすさです。しかし、適切かつ効率的な消泡剤を見つけることが鍵となります。

★消泡剤の原理

消泡剤（デフォーマーとも呼ばれます）には、次のような原理があります。

1. 泡の局所的な表面張力の低下が破裂に至るメカニズムは、高級アルコールや植物油を泡に散布し、泡液に溶解すると表面張力が著しく低下することです。これらの物質は一般的に水への溶解度が低いため、表面張力の低下は泡の局所的な部分に限られ、泡の周囲の表面張力はほとんど変化しません。表面張力が低下した部分は、あらゆる方向に強く引っ張られ、最終的に破裂します。

2. 膜弾性の破壊により、泡システムに添加された泡破壊消泡剤が気液界面に拡散し、泡安定効果のある界面活性剤が膜弾性を回復することが困難になります。

3. 液膜排水を促進する消泡剤は、液膜排水を促進し、泡の破裂を誘発する可能性があります。泡排水速度は泡の安定性を反映します。泡排水を促進する物質を添加することも、消泡効果を高める効果があります。

4. 疎水性固体粒子を添加すると、泡の表面で泡が破裂することがあります。疎水性固体粒子は界面活性剤の疎水端を引き寄せ、疎水性粒子を親水性に変えて水相に入り込み、消泡作用を発揮します。

5. 可溶性界面活性剤や発泡性界面活性剤は、泡の破裂を引き起こす可能性があります。溶液と完全に混合できる低分子量物質の中には、界面活性剤を可溶化し、その有効濃度を低下させるものがあります。オクタノール、エタノール、プロパノールなどのアルコール類など、この作用を持つ低分子量物質は、表面層の界面活性剤濃度を低下させるだけでなく、界面活性剤吸着層に溶解し、界面活性剤分子の緻密性を低下させ、泡の安定性を弱める可能性があります。

6. 界面活性剤二重電気層は、界面活性剤二重電気層と泡の相互作用において消泡作用を発揮し、安定した発泡液を生成します。通常の電解質を添加すると、界面活性剤二重電気層が崩壊する可能性があります。

★ 消泡剤の分類

一般的に使用される消泡剤は、その成分によりシリコーン（樹脂）、界面活性剤、アルカン、鉱物油に分けられます。

1. シリコーン（樹脂）系消泡剤は、エマルジョン系消泡剤とも呼ばれ、シリコーン樹脂を乳化剤（界面活性剤）で水中に乳化・分散させた後、廃水に添加して使用します。二酸化ケイ素微粉末は、より優れた消泡効果を持つ別のタイプのシリコーン系消泡剤です。

2. 界面活性剤などの消泡剤は実際には乳化剤であり、界面活性剤の分散を利用して泡形成物質を水中で安定した乳化状態に保ち、泡の形成を防ぎます。

3. アルカン系消泡剤は、パラフィンワックスまたはその誘導体を乳化剤を用いて乳化・分散させることによって作られる消泡剤です。その用途は界面活性剤系乳化消泡剤と同様です。

4. 消泡剤の主成分は鉱油です。効果を高めるために、金属石鹸、シリコーンオイル、シリカなどを混合して使用する場合もあります。また、発泡溶液の表面への鉱油の拡散を促進したり、金属石鹸などを鉱油中に均一に分散させたりするために、各種界面活性剤を添加する場合もあります。
★ 各種消泡剤の長所と短所

鉱油、アミド、低級アルコール、脂肪酸及び脂肪酸エステル、リン酸エステルなどの有機系消泡剤の研究と応用は比較的古く、第一世代の消泡剤に属します。これらの消泡剤は、原料の入手しやすさ、環境性能の高さ、生産コストの低さといった利点を有しています。一方、消泡効率の低さ、特異性の強さ、使用条件の厳しさといった欠点があります。

ポリエーテル系消泡剤は第二世代の消泡剤であり、主に直鎖ポリエーテル、アルコールまたはアンモニアを原料とするポリエーテル、および末端エステル化ポリエーテル誘導体が含まれます。ポリエーテル系消泡剤の最大の利点は、強力な消泡力です。さらに、一部のポリエーテル系消泡剤は、耐高温性、耐強酸・耐アルカリ性などの優れた特性も備えています。欠点としては、温度条件が限られること、適用範囲が狭いこと、消泡性能が低いこと、気泡破砕速度が低いことが挙げられます。

有機シリコーン系消泡剤（第三世代消泡剤）は、消泡性能が強く、消泡速度が速く、揮発性が低く、環境毒性がなく、生理的惰性がなく、用途が広いため、幅広い応用展望と巨大な市場ポテンシャルを秘めていますが、消泡性能は低いという欠点があります。

ポリエーテル変性ポリシロキサン系消泡剤は、ポリエーテル系消泡剤と有機ケイ素系消泡剤の両方の利点を兼ね備えており、消泡剤の開発方向となっています。可溶性の違いから再利用できる場合もありますが、現在、このような消泡剤の種類は少なく、研究開発段階にあるため、生産コストが高くなっています。

★消泡剤の選択

消泡剤の選択は、以下の基準を満たす必要があります。

1. 発泡溶液に不溶性または溶解しない場合は、泡を破壊します。消泡剤は泡膜上に濃縮する必要があります。消泡剤の場合は、瞬間的に濃縮して濃縮する必要がありますが、泡抑制剤の場合は、定期的にこの状態を維持する必要があります。そのため、消泡剤は発泡液中で過飽和状態にあり、不溶性または難溶性のものだけが過飽和に達しやすくなります。不溶性または溶解しにくいため、気液界面で凝集しやすく、気泡膜に濃縮しやすく、低濃度でも機能します。水システムに使用される消泡剤、有効成分分子は、疎水性が強く、親水性が弱く、HLB値が1.5〜3の範囲にある必要があります。

2. 表面張力は発泡液の表面張力よりも低く、消泡剤の分子間力が小さく、表面張力が発泡液の表面張力よりも低い場合にのみ、消泡剤粒子は泡膜に浸透して膨張することができます。ここで注目すべきは、発泡液の表面張力は溶液の表面張力ではなく、発泡液の表面張力であるということです。

3. 発泡液との親和性はある程度あります。消泡プロセスは実際には泡の崩壊速度と泡の発生速度の競争であるため、消泡剤は発泡液中に速やかに分散し、より広範囲の発泡液に速やかに作用する必要があります。消泡剤を速やかに拡散させるには、消泡剤の有効成分が発泡液とある程度の親和性を持つ必要があります。消泡剤の有効成分は発泡液に近すぎると溶解してしまい、逆に疎すぎると分散しにくくなります。適切な親和性を持つ場合にのみ、消泡効果は良好となります。

4. 消泡剤は発泡性液体と化学反応を起こしません。消泡剤が発泡性液体と反応すると、効果が失われ、微生物の増殖に影響を与える有害物質が発生する可能性があります。

5. 低揮発性と長持続性。まず、消泡剤を使用するシステムが水性か油性かを判断する必要があります。発酵産業では、ポリエーテル変性シリコーンやポリエーテル系などの油性消泡剤を使用する必要があります。水性コーティング産業では、水性消泡剤と有機シリコン系消泡剤が必要です。消泡剤を選択し、添加量を比較し、参考価格に基づいて、最も適切で経済的な消泡剤製品を決定します。

★消泡剤の使用効果に影響を与える要因

1. 溶液中の消泡剤の分散性と表面特性は、他の消泡特性に大きな影響を与えます。消泡剤は適切な分散度を持つ必要があり、粒子が大きすぎたり小さすぎたりすると消泡効果に影響を及ぼす可能性があります。

2. 泡システムにおける消泡剤の適合性 界面活性剤が水溶液に完全に溶解すると、通常、泡の気液界面に方向性を持って配列し、泡を安定化させます。界面活性剤が不溶性または過飽和状態にある場合、粒子は溶液中に分散して泡に蓄積し、泡が消泡剤として作用します。

3. 発泡システムの周囲温度と発泡液の温度も消泡剤の性能に影響を与える可能性があります。発泡液自体の温度が比較的高い場合は、特殊な耐高温消泡剤の使用をお勧めします。通常の消泡剤を使用すると、消泡効果が大幅に低下し、消泡剤がローションを直接解乳化させてしまう可能性があります。

4. 消泡剤の包装、保管、輸送は5～35℃での保管が適しており、保存期間は通常6ヶ月です。熱源の近くに置いたり、日光にさらしたりしないでください。一般的な化学薬品の保管方法に従い、使用後は必ず密封し、劣化を防いでください。

6. 消泡剤の原液と希釈液への添加比率には、ある程度の偏差があり、均一ではありません。界面活性剤の濃度が低いため、希釈した消泡剤ローションは非常に不安定で、すぐには層状化しません。消泡性能は比較的低く、長期保存には適していません。希釈後はすぐに使用することをお勧めします。消泡剤の添加比率は、現場での試験によって効果を検証する必要があり、過剰に添加しないでください。

★消泡剤の使用量

消泡剤には多くの種類があり、種類によって必要な使用量は異なります。以下では、6種類の消泡剤の使用量をご紹介します。

1.アルコール系消泡剤：アルコール系消泡剤を使用する場合、使用量は通常0.01～0.10％です。

2. 油性消泡剤：油性消泡剤の添加量は0.05～2％、脂肪酸エステル消泡剤の添加量は0.002～0.2％です。

3. アミド系消泡剤：アミド系消泡剤は効果がより優れており、添加量は通常0.002～0.005％です。

4. リン酸系消泡剤：リン酸系消泡剤は、繊維や潤滑油に最も一般的に使用され、添加量は 0.025 ～ 0.25% です。

5. アミン系消泡剤：アミン系消泡剤は主に繊維加工に使用され、添加量は0.02～2％です。

7.エーテル系消泡剤：エーテル系消泡剤は、紙の印刷、染色、洗浄によく使用され、典型的な使用量は 0.025 ～ 0.25% です。