GLI AGENTI ANTISCHIUMA
Introduzione
Un agente antischiuma, o semplicemente antischiuma, è un additivo chimico che permette di ridurre o ostacolare la formazione di schiuma, soprattutto nei processi industriali.
La formazione di schiuma può essere un elemento fastidioso per l’impianto e causarne problemi di funzionamento ed efficacia: abbassa la resa produttiva, danneggia le pompe, fuoriesce dai contenitori, rende scivolose le superfici, diminuisce la capienza dei recipienti, si può riversare nell’ambiente, … A volte si rende quindi necessario aggiungere dei prodotti in grado di prevenire la formazione di schiuma o/e di rompere una schiuma già presente.
In precedenza si faceva distinzione tra due categorie di antischiuma: i preparati specifici per prevenire la formazione della schiuma (antifoamers, con lo scopo di produrre bassa schiumosità) e quelli per ridurre/eliminare le schiume stabili già esistenti (defoamers, per produrre bassa stabilità della schiuma). Oggigiorno spesso un agente antischiuma possiede entrambe le proprietà e la sua nomenclatura varia a seconda del settore in cui viene impiegato (Hubbe M.).
La caratteristica principiale di un agente antischiuma è il fatto di essere un agente attivo di superficie (tensioattivo) che abbassa la tensione superficiale, ma anche di essere insolubile in acqua. Si disperde sotto forma di goccioline, ad esempio come emulsione, e riesce quindi a diffondersi facilmente nell’interfaccia aria-acqua, grazie alla sua bassa tensione superficiale. Certi antischiuma, ad esempio, contengono del silice idrofobo o dell’etilene bis stearamide, che perforano la superficie delle bolle della schiuma, provocandone la fusione quando l’antischiuma si diffonde nell’interfaccia (Fig. 1). Inizialmente il composto di base di un’antischiuma era un olio, ora per la maggior parte è un composto a base di silicone (Hubbe M.)
Figura 1: Meccanismo d’azione degli antischiuma: penetrano nell’interfaccia aria-acqua e portano alla rottura delle bolle.
Un antischiuma è dunque composto da una parte attiva, un composto idrofobo e un vettore, ad esempio acqua od olio, che trasporta il composto attivo. Una composizione classica è del silicio idrofobo disperso in un fluido, ad esempio del polidimetilsilossano (PDMS) (Fig. 2). Quest’ultimo è utilizzato soprattutto nell’industria petrolifera.
Altri polimeri speciali come i fluorosiliconi e gli idrocarburi perfluorurati conferiscono tensioni superficiali estremamente basse e sono efficaci anche nelle schiume non acquose, ma sono costosi.
Le proprietà fisico-chimiche possono essere facilmente modificate cambiando la lunghezza della catena del catione o cambiando il tipo di anione per produrre diversi livelli di idrofobicità (Pugh 2016).
Figura 2: molecola di polidimetilsilossano (PDMS).
Settori d’impiego
Gli antischiuma sono molto utilizzati in vari processi industriali, ad esempio nella produzione e nella lavorazione di:
- combustibili
- cuoio
- vernici
- prodotti farmaceutici
- nell’industria della carta
- nella depurazione delle acque
- in applicazioni mediche: ad esempio nei filtri per la rimozione delle bolle di schiuma dal
sangue aspirato da un intervento chirurgico, al fine di consentirne il ricircolo.
- …
Ad esempio nella lavorazione di prodotti alimentari la formazione di schiuma è causata dalle proteine e dall’amido solubili ed è quindi necessario “rompere” la schiuma durante il processo di distillazione o nei recipienti di stoccaggio per evitarne la diminuzione di capacità.
Uno dei settori industriali in cui gli agenti antischiuma sono largamente usati è nella produzione della carta e cellulosa. La schiuma è causata dai tensioattivi come saponi, fibre, talloli e particelle rilasciati durante la lavorazione dalla polpa.
Negli impianti di depurazione delle acque reflue la formazione di schiuma è principalmente dovuta a saponi, detergenti o sgrassanti immessi nelle canalizzazioni da privati e industrie. Questi sono costituiti in alta percentuale da tensioattivi stabilizzanti, che una volta entrati nell’impianto sono soggetti ad agitazioni che vanno a creare un ammasso schiumoso. La formazione di schiuma perturba ad esempio il funzionamento del sedimentatore e dei filtri, complica la digestione dei fanghi, rende scivolose le superfici e può provocare lo sversamento in fiumi e laghi, e quindi la dispersione nell’ambiente (Pugh 2016).
Esistono dunque varie tipologie di antischiuma, utilizzati a dipendenza dell’ambito e del tipo di schiuma che si deve trattare (Agente antischiuma, 2021):
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a base d’olio: antischiuma che utilizza una base di olio insolubile come vettore. Può essere addizionato di cere (EBS, paraffine, alcoli grassi,…), silice idrofobica o tensioattivi per migliorarne le prestazioni. Ideali per la schiuma di superficie.
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a base di acqua: base acquosa in cui sono dispersi degli oli o cere (alcoli o acidi grassi). Ideali per liberare l’aria trasportata (degasatori).
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a base di silicone: polimero a base di silicone, si può presentare sotto forma di olio o emulsione a base acquosa. Il silice idrofobo può qui essere disperso in un olio di silicone e contenere glicoli di silicone. Normalmente è addizionato con un emulsionante per favorire la diffusione nella schiuma. Ideali sia per la schiuma di superficie sia per la “liberazione” dell'aria trasportata. Possono essere utilizzati anche in sistemi non acquosi, come ad esempio nell’industria del petrolio. Fanno parte di questa categoria anche i fluorosiliconi.
-
in polvere: antischiuma a base di olio con vettore la silice, addizionati di un composto in polvere come cemento o gesso.
-
a base EO/PO: antischiuma a base di polimeri a blocchi (ossido di etilene e ossido di propilene in combinazione con un alcool), prodotti per essere tensioattivi non ionici a bassa schiumosità ed eccellenti proprietà disperdenti. Contengono glicole polietilenico e copolimeri di glicole polipropilenico. Si trovano sotto forma di oli, soluzioni acquose o emulsioni a base acquosa.
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poliacrilati alchilici: utilizzano come vettore un solvente, ad esempio d’origine petrolifera. Si utilizzano in sistemi non acquosi dove è necessaria la liberazione dell’aria.
Per l’industria alimentare, sono sempre più utilizzati gli additivi antischiuma di origine vegetale, privi della base siliconica e biodegradabili (Waterenergy, 2019).
Gruppi di antischiuma e dei loro componenti
Per riassumere, i principali gruppi di antischiuma sono:
a) Sistemi liquidi monocomponenti o soluzioni omogenee
b) Dispersioni di solidi idrofobi in un olio vettore
c) Emulsioni o sospensioni acquose o contenenti acqua. L’acqua funge da vettore.
d) Formulazioni solide d’antischiuma. L’agente attivo è legato su un substrato inorganico, come del silicato di calcio, trifosfato di sodio o una matrice organica polimerica come la metilcellulosa.
Anche i componenti funzionali di un antischiuma possono essere suddivisi in quattro categorie:
1. Vettori a olio: oli minerali paraffinici e naftenici insolubili, oli vegetali (soia, ricino, arachidi)
2. Principi attivi:
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oli siliconici (hanno una bassa tensione superficiale, stabilità termica, inerzia chimica e insolubilità totale nell'acqua). L’olio siliconico più conosciuto è il polidimetilsilossani (PDMS). Viene usato soprattutto nell’industria petrolifera per la separazione gas-olio. Nelle soluzioni acquose il PDMS funge piuttosto da vettore, mentre l’agente attivo sono particelle idrofobe solide.
-
Silicio idrofobo: materiale normalmente idrofilo a cui vengono conferite proprietà idrofobiche.
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Grassi-derivati idrofobi e cere: esteri e ammine degli acidi grassi, cere idrocarburiche paraffiniche, alcoli grassi, …
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Polimeri insolubili in acqua: molti polimeri hanno proprietà antischiumanti (glicole polipropilenico, trimetilolpropano, …).
3. Sostanze anfifile (contiene sia un gruppo idrofilo, sia uno idrofobo = tensioattivi): componenti antischiuma con diversa solubilità in acqua con effetti inibitori sulla schiuma, ad esempio l’oleato di sodio. Queste sostanze risultano solubili in acqua solo a basse temperature, ma a temperature maggiori, se viene superato il punto detto nuvoloso, flocculano e vanno ad agire come inibitori della schiuma. I tensioattivi siliconici possono anche essere classificati come sostanze anfifile.
4. Agenti di accoppiamento e di stabilizzazione:
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Emulsionanti: aggiunti per garantire una diffusione rapida in una fase acquosa dei principi attivi
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Agenti di accoppiamento: utili per assicurare la tollerabilità dei diversi componenti di un antischiuma, prevenire la formazione di gel ed impedire una sedimentazione durante lo stoccaggio con temperature fluttuanti. Sono agenti di accoppiamento molti glicoli, alcoli a bassa massa molecolare o altri ingredienti detti solubilizzanti.
Gli antischiuma chimici più efficaci e versatili sono spesso delle miscele, ovvero possono contenere una combinazione di oli siliconici, tensioattivi siliconici o gel di silice, insieme ad due o più tipi di aggregati idrofobici dispersi. Queste miscele molto performanti sono efficaci già a basse concentrazioni (10-1000 ppm).
Gli antischiuma a sistema singolo, meno costosi, sono utilizzati per schiume acquose (bollicine di gas disperse nell’acqua) e normalmente sono oli, gel, liquidi solubili, liquidi insolubili, emulsioni e microemulsioni e particelle idrofobiche. Ad esempio il tributilfosfato (TBP), PDMS, fluidi siliconici, alchilammine, ammidi, tioeteri, oli minerali e vegetali, cere, esteri di acidi grassi, alcoli (ottanolo), acidi grassi e loro derivati (petrolio, alluminio num stearato e sali di calcio, alluminio e zinco degli acidi grassi) (Pugh 2016).
Il dosaggio degli antischiuma può essere fatto sia manualmente, sia con sistemi automatici di dosaggio. Il dosaggio può essere (Surfatek, 2018) :
- di tipo preventivo, prima che si formi la schiuma
- di tipo correttivo, quando la schiuma è già presente
Tabella 1: classificazione degli antischiuma (Encyclopedia of chemical technology, Kroschwitz et al. 1993):
* normalmente i componenti antischiuma attivi sono insolubili nella schiuma, ma i tensioattivi possono funzionare come antischiuma (solubili a basse temperature e precipitato quando la temperatura è elevata). Quando precipitano funzionano come antischiuma, al contrario da disciolti come stabilizzatori di schiuma. Ad esempio il glicole polietilenico, il glicole polipropilenicopoli e altri tensioattivi non ionici.
Alternative
L’uso di agenti antischiuma implica comunque un’introduzione di un composto chimico e quindi la contaminazione del sistema. In alcune lavorazioni questo non è accettabile, come ad esempio in quella farmaceutica. In questi casi si ricorre a tecniche meccaniche, come ad esempio (Garrett 2015):
- Ultrasuoni
- Uso di dispostivi rotanti
- Centrifuga
- Iniettori ed estrattori
- “Antischiuma forato”, dispositivo antischiuma costituito da un insieme di piastre forate
Un controllo della schiuma può essere anche termico.
Stabilita della schiuma
La stabilità di una schiuma può essere spiegata da 4 parametri:
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elasticità superficiale
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effetti di ritardo del drenaggio viscoso (viscous drainage retardation effects)
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ridotta diffusione del gas tra le bolle
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altri effetti di stabilizzazione della fine pellicola derivanti dall'interazione delle superfici opposte delle pellicole
Tecnicamente una schiuma è del gas disperso in un liquido. I liquidi puri non possono formare della schiuma, dei tensioattivi solubili o altre impurità sono quindi necessarie per la sua formazione e stabilizzazione (Höfer et al 2000).
Gli antischiuma diminuiscono o distruggono la stabilità della pellicola delle bolle e contribuiscono a una bassa viscosità del taglio superficiale (bassa resistenza di taglio), in confronto ai tensioattivi stabilizzanti. In altre parole vanno a modificare o sostituire i tensioattivi stabilizzanti di una schiuma (Kroschwitz et al. 1993).
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I due meccanismi di un’antischiuma sono infatti:
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L'agente disperso, sotto forma di piccole gocce, entra nella pellicola liquida tra le bolle e si diffonde come una doppia pellicola doppia. Le tensioni create da questa diffusione portano così alla rottura della pellicola liquida originale.
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Una gocciolina dell'agente antischiuma entra nella pellicola liquida tra le bolle, ma invece di diffondersi produce un monostrato misto sulla superficie. Questo monostrato, se di minore coesione rispetto alla pellicola originale stabilizzante, provoca la destabilizzazione della pellicola (Kroschwitz et al. 1993).
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I criteri energetici per la distruzione delle schiume sono due (Höfer et al 2000):
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I materiali idrofobi, salendo a causa della loro galleggiabilità, devono penetrare spontaneamente nella superficie del liquido e formare goccioline. Nel processo, un film acquoso viene sostituito da una superficie olio-gas.
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Goccioline di olio galleggianti devono poi distribuirsi spontaneamente sulle lamelle che devono essere distrutte.
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BIBLIOGRAFIA
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Agente antischiuma (2021). Wikipedia, L'enciclopedia libera. Consultato il 23 marzo 2022 alle 13:43,
URL: //it.wikipedia.org/w/index.php?title=Agente_antischiuma&oldid=122037664
Garrett, P.R. (Ed.). (1992). Defoaming: Theory and industrial Applications (1st ed.). CRC Press.
Garrett, P. R. (2015). Defoaming: Antifoams and mechanical methods. Current Opinion in Colloid & Interface Science, 20(2), 81–91.
Höfer R., Jost F., Schwuger M. J., Scharf R., Geke J., Kresse J., Lingmann H., Veitenhansl R., Erwied W. (2000). Foams and Foam Control. Ullmann’s Encyclopedia of Industrial Chemistry.
Hubbe M. “Anti-foam / defoamer”; Additives and Ingredients, their Composition; Functions, Strategies for Use; Mini-Encyclopedia of Papermaking Wet-End Chemistry. URL: https://projects.ncsu.edu/project/hubbepaperchem/DFOM.htm, consultato il 28.03.22.
Kroschwitz J. I.; Howe-Grant M.; Kirk R. E.; Othmer D. F. (1993). Defoamers, Encyclopedia of Chemical Technology, Kirk-Othmer, Wiley and Sons Ltd., Hokboken, New Jersey, USA, Vol. 7 Composite materials to Detergency, pp. 462-469
Pugh R. J. (1996). Foaming, foam films, antifoaming and defoaming. Advances in Colloid and Interface Science, 64, pp. 67-142
Pugh R. J. (2016). Antifoaming and defoaming. Bubble and Foam Chemistry, Cambridge University Press, pp. 331–371.