消泡

化学消泡法是通过向泡沫基液中添加化学剂，改变发泡剂的某些性质，达到消泡的目的。应用在化工、食品等通用领域的化学消泡方法主要有：(1)添加型号相反的表面活性剂；(2)添加与稳泡剂起反应的物质；(3)添加使稳泡剂凝聚或沉淀的物质、调节pH值或加盐、利用共同离子作用和盐析作用，改变稳泡剂的溶解度；(4)添加不同类型的消泡剂。其中添加消泡剂(一般是易于在溶液表面铺展、吸附性很强但所形成的吸附膜脆性较大的物质)是化学消泡法最常用的方法。

在泡沫钻井领域，国内外主要通过以下两种方法实现化学消泡，达到循环泡沫的目的：调节基液pH值；添加不同类型的消泡剂。

自然消泡法是利用泡沫间液膜的液体沿着Plateau界面渗出，气泡间的气体扩散和一些单个气泡薄膜破裂所造成的。脱水收缩是泡沫破裂的基本过程，它是在重力作用下进行的，这一作用过程的结果是使泡沫的液膜逐渐变薄进而造成泡沫的破裂而实现消泡。

国内外采用了较短半衰期泡沫在大容积土池中的自然破泡，将基液重复利用的技术，此种方法常由于井场面积限制而难以实施。我国的泡沫钻井的泡沫回收则普遍采用自然消泡再通过电潜泵吸入至配液池的方案。如中油长城钻井公司于2004年在伊朗TAB—NAK气田的空气钻井过程中，根据返出井口的泡沫状态及时调整泡沫配方，通过控制泡沫的合理半衰期，使泡沫既满足清洁井眼的需求，又能循环利用，使泡沫钻井液成本降低了2/3，同时将此项技术应用于三相硬胶泡沫，又可节约成本1/3。

物理消泡法就是改变泡沫的黏度或物性的方法来使泡沫破裂，泡沫的化学成分仍然保持不变的消泡方法。常用的方法有热力法，声波法、电力法和真空法等。

消泡热力消泡法

热力消泡法是最古老的一种消泡方法，已在生产过程中得到广泛的应用。其消泡机理是温度升高时液体从泡膜中蒸发掉。在蒸汽气流作用下或者泡沫与加热器直接接触下使泡沫破裂。加热器的温度在泡沫破裂区应高于表面活性剂溶液的沸点。热力消泡作用是液体蒸发、表面活性剂的温度和表面张力改变以及液体黏度减小的共同结果。热力法消泡有很多的优点，特别是不会导致重复发泡，而且结构简单，成本较低。但也有缺点，如加热器中严重结垢，结果会大大降低其消泡效率，且能耗增大。热辐射属于常见的热力消泡方法，其消泡装置如图1所示。

泡沫通过泡沫入口流入该装置内，经装置上的热辐射部件发出热辐射，使靠近的低密度泡沫破裂，分离出的气体从气体出口排出，泡沫基液和泡沫携带的固体从容器底部的排液排渣口排出。该类型消泡器消耗功率为60～150千瓦，消泡速度为2～4立方米每分。由此可见，热辐射法消泡功率消耗较大，而且反复加热，或许对泡沫剂的发泡能力有一定的影响。

热力消泡的另一种方法即低温消泡法，是在低温下使泡沫的弹性降低，泡沫稳定性下降。例如用一种“低温放电控制泡沫”的办法，将低温放电装置安装在泡沫面上，根据泡沫的成分和状态，调节电压的大小控制泡沫的产生。由于低温放电和发射电子，使泡沫体积逐渐减小。这种方法在钻井中还未见使用，主要用于发酵罐中。

消泡超声波消泡法

超声波是频率为2×104～5×108Hz范围内的声波。工业上采用的超声波消泡法的原理在于利用高频声振动的破坏特性促使泡沫破灭。主要由以下特性决定：

(1)超声波具有较大的功率。这是因为当声波到达某一物质时，由于声波的作用，使泡沫中的物质分子也随之振动。分子振动的频率决定了分子振动的速度；频率越高，速度越快。分子由于振动所获得的能量，除了与分子的质量有关外，还与分子振动速度的平方有关。所以声波的频率越高，分子得到的能量也越高。超声波的机械能量使物质分子产生很大的加速度。如果把超声波作用在液体中，则超声波使液体质点所达到的加速度，可能比重力加速度大几十万倍，甚至更大。这样巨大的加速度，会使液体质点产生急速的运动，使泡沫破裂。

(2)声压作用。当声波通过泡沫时，由于声波振动，使物质分子产生压缩和稀疏作用。此时泡沫所受的压力发生变化，由于超声波具有很大的能量，就使泡沫产生很大的声压作用 当液体中通人一般强度的超声波时，产生的附加压力可达0.3～1MPa。泡沫在未受到超声波作用前，只受到大气压力，当超声波加到泡沫上后，如果声波振动使其压缩，则其所受压力增大，促使泡沫破裂；如果声波振动使分子稀疏，则泡沫所受压力小于大气压力而膨胀破裂。

超声波消泡与化学消泡比较，能降低消泡成本，不影响产品质量；与机械消泡法比较．没备体积小，功率消耗少，消泡效率高。但超声波装置价格高，不适用于大规模的消泡。

气泡的破裂，就是把形成泡的薄膜破坏，为此，常对气泡进行压缩或施加冲击力，利用压力的急剧变化如剪切力、压缩力和冲击力等可将泡膜破裂，达到消泡的目的，按其对泡沫发生作用的特点分为离心法、水动力法、气动力法、压缩法和冲击法等。离心法在泡沫钻进中经常采用。离心法是采用高速旋转的离心叶片装置来破除泡沫或与不动面相撞击来击碎泡沫；液动法和气动法是用压力作用下的液流或气流来消除泡沫；气压流法是靠压力的变化来消泡。

消泡离心法消泡

离心法是利用高速旋转的离心机叶轮的离心作用及它们在转动时对容器壁产生足够大的冲击，使泡沫被打碎而消泡。离心法是一种运用比较普遍的机械消泡方法，原理也很简单，但消泡不是很完全，只能消除泡沫液的大部分泡沫，如果和其他消泡方法综合运用，消泡效果会更优。

（1）旋转叶片消泡法。旋转叶片消泡结构最为简单，就是利用离心作用通过叶片与泡沫的接触，打击、压缩泡沫或使泡沫与装置中的不动面相撞击而破碎。通过旋转叶片来消泡的装置有两种情况，如图2所示。

第一种是以固定在转轴上的桨叶来消泡，如图2左图所示。电动机驱动转轴旋转，带动桨叶高速转动，装置中的泡沫液也随之高速旋转，利用旋转叶片对泡沫的剪切力以及泡沫撞击到器壁上的冲击力来达到消泡的目的。此结构简单，且能消除大量泡沫，但有一个很大的缺点就是在叶片高速旋转的过程中，通过搅拌将产生新的泡沫。同时，叶片是通过剪切力进行消泡，对于叶片的设计有很高的要求，需不断试验才能选择更好的叶片材料、形状及安装位置，才能使消泡效果不断增强。动力的驱动也是影响消泡效果的一个因素，要选择一个合适的转速，才能达到最好的消泡效果。

第二种就是在旋转叶片上做了一些改进，如图2右图所示，叶片不再设计为块状，而是由消泡板和捕集板组成一个中空的用于聚集泡沫的区域。两块板之间的空间大小不一，可以分为3段，依次分别为捕集区、聚集区和排出区。叶片由捕集区向外转动，当转轴高速旋转时，泡沫依次通过捕集区、聚集区，经过捕集、聚集、破坏，剩余的液体由排出区排出。此旋转叶片就相当于一个小型的消泡结构，主要是将气泡进行压缩达到消泡的目的。还可以在这3个区域的分界处安装格子或网，层层过滤压缩，优化消泡效果。图2右图的消泡结构是图2左图旋转叶片的升级，是几种消泡机理的综合运用。

(2)离心力消泡法。离心力消泡是利用高速旋转的转盘或转筐在转动时对容器壁产生足够大的冲击，使泡沫被打碎而消泡。如图3所示。在图3中泡沫落在用带网孔或细筛眼的过滤网制成的转筐或转盘上，利用旋转时产生的离心力使气泡飞散，撞击器壁或转筐而达到消泡。网孔与细筛眼的大小与消泡的效果有很大的关系，格子或网孔比气泡小时，气泡不能通过，对破泡有利。

从离心法的消泡原理可以看出，离心法消泡主要用于一些泡沫液中含有少量的泡沫，且这些泡沫为不稳定泡沫，泡沫破裂后不易再生，以及处理量较小的场合。

消泡水动力和气动力消泡法

水动力和气动力法都是利用高速流动的流体通过喷射器中的喷嘴而产生负压，射出的高速液流在吸人室里形成高速动能，使吸人室里的压力降低，达到一定的真空度，泡沫被吸人到混合室里，由于泡沫内外压差的存在使泡沫膨胀、破裂。喷射器原理图如图4所示。

水动力法消泡器就是利用水泵(一般用离心泵)供给的液体通过水力消泡器进行消泡。为防止已破裂的泡沫液体在到达循环箱里出现冲击或搅动后再次起泡，水力喷射消泡器在消泡后的出口不能直接接在循环箱中，需通过一个引流滑道，使泡沫破灭后的液体通过箱壁后再流人箱内，以减少冲击而造成再次发泡。气动力法消泡器则是利用压缩空气通过喷嘴产生负压，将泡沫吸入到混合室后喷射到固定壁时使泡沫破碎。

消泡压缩法消泡

压缩法消泡是使用外力使气泡压缩至破灭。在泡沫上放置格子或网，把格子或网往下压缩，用格子或网孔的方法破泡。接触气泡的格子或网的材质对破泡也有影响。格子或网孔比气泡小时，气泡不能通过，对破泡有利。图5为压缩消泡示意图。

消泡冲击法消泡

冲击法消泡是利用气泡与物体冲击产生的冲击力及剪切力使气泡破裂而达到消泡的目的，消泡示意图如图6所示。冲击法消泡装置如图6所示。把泡沫导入破泡机的筒体内，由回转叶片对泡进行冲击剪切破泡。此回转叶片很特别，上部设计了突出部分以利于破泡，叶片的安装位置很有讲究，它是放射状沿回转方向倾斜，距筒壁间隙很小。但此装置同样有一个缺点是在搅拌的过程中易再起泡，对破泡有很大的阻碍。

上述4种消泡方法中，物理消泡不能处理大量泡沫，只适用于某些应急措施；机械消泡需要附加设备，通常不能完全消泡；自然消泡占地面积大、消泡时间长，不适用于泡沫钻井液的消泡；化学消泡法施工简单、消泡率高，但消泡剂耗量大，成本偏高，可能改变基液的性能。以下为几种消泡方法的比较。

物理消泡法。消泡原理为：利用改变泡沫的黏度或物性的办法使泡沫破裂，常用的热力法，声波法，电力法浓等。特点为：需采用专门设备，使用和维护费用高，单位时间内处理萤少．消泡效果好。

机械消泡法。消泡原理为：利用压力急剧变化如剪切力、压缩力和冲击力等将泡洙破碎，按其对泡沫作用特点分为离心法、水动力法、气动力法和气压法等。特点为：需采用专门设备，但对泡沫基液性质无影响．若原理及参数选择得当，完全能满足泡沫钻井液消泡要求。

化学消泡法。消泡原理为：通过向泡沫基液中添加化学剂，改变发泡剂的某些性质，达到消泡的目的，包括添加型号相反的表面活性剂、调节pH值和添加消泡剂等方法。特点为：消泡效果好，使用方便，不需专门设备，消泡后可能产生二次污染。

自然消泡法。消泡原理为：利用泡沫间液膜的液体沿着Plateau界面渗出，气泡间的气体扩散和一些单个气泡薄膜破裂。特点为：占地面积大、消泡时间长。

关于消泡剂的作用机理至今还没有统一的认识，根据前人所提出的消泡剂机理，大致有以下几种：

消泡剂具有概括性的消泡机理

典型的具有概括性的消泡机理是Robinson消泡机理和罗斯假说。其中Robinson机理是罗斯假说的基础，它主要强调了消泡剂破坏泡沫的排液和Marangoni效应实现消泡；罗斯假设是在消泡剂颗粒为非可溶小滴物质的基础上进行的，而实际上有的消泡剂产生消泡作用是在溶解状态下进行的，所以罗斯假说的消泡机理并不全面。

消泡剂聚硅氧烷消泡剂的作用机理

具有代表性的聚硅氧烷消泡机理主要有“架桥-铺展”机理、“架桥-脱湿”机理、“铺展-液体夹带”机理等。“架桥-铺展”机理主要从“聚硅氧烷自身张力比较低，容易在液膜上铺展”这一基本点出发，它强调的是消泡剂液滴易变形，但是这种理论不能解释单独的聚硅氧烷与聚硅氧烷和固体离子混合物作为消泡剂时之间的消泡差异。“架桥-脱湿”机理主要是从聚硅氧烷自身具有疏水性的角度出发，但对于粘度很大的聚硅氧烷的消泡作用就不能很好的解释。“铺展-液体夹带”机理尚不能被证实，因为有些事实表明聚硅氧烷有时候并没有在泡膜表面铺展，可是同样可以破泡。

消泡剂疏水固体颗粒的消泡机理

疏水性的固体颗粒在泡沫体系中，首先会吸引表面活性剂的疏水端，使得疏水性的固体颗粒变为亲水性的，从而降低了泡膜中表面活性剂的浓度，促使泡沫破裂。这种消泡机理不能解释其它消泡剂的作用机理，过于片面。 还有些泡沫破裂的原因是消泡剂扩展作用产生的冲击、使表面活性剂被增溶破泡、电解质瓦解液膜表面双电层的破泡等。 从以上这些消泡机理可以看出，每种消泡剂对不同的泡沫体系，其作用的侧重点不同，但都是通过破坏泡沫的稳定因素实现消泡。

消泡剂聚醚改性硅油的消泡机理

对聚醚改性硅油作为消泡剂的消泡过程解释，最为完备的消泡机理有：“桥连－拉伸”机理、“桥连－排湿”机理两种。

“桥连—拉伸”机理：消泡剂的表面张力远远低于液膜的表面张力，消泡剂的液滴得以在液膜表面持续铺展、深入，泡沫局部液膜继续变薄，最终形成油在水中间的桥连，油相、水相的表面张力相差甚远，油相在周围水相不断地牵引下，拉长变薄，形变超过一定范围后，液膜被破坏，导致泡沫破裂。

“桥连—排湿”机理：向起泡液中加入固体疏水颗粒消泡剂后，消泡剂立即在泡沫体系中分布开来，疏水颗粒固定在泡沫液膜表面，当固体颗粒与液膜之间具有足够的疏水角，固体颗粒与周围的液膜有着相反接触面，成为周围液膜之间的桥连，最终能穿破泡沫液膜，进入到泡沫中去。

“桥连—拉伸”机理基于硅油独特的低表面张力极易铺展的特点，指出消泡剂液滴能够产生不同程度的变形，但该机理难以说明硅膏与纯硅油区别；“桥连—排湿”机理基于硅油的亲油性，能够说明低粘度聚醚改性硅油的作用原理。因此，聚醚改性硅油消泡剂具备消泡的三个特点：首先基本上不溶于起泡液（溶解的多半有助泡作用）；其次表面张力要低于起泡液；最后能迅速地分散在起泡液中。只有溶解性小而分散性大的物质，才能成为破泡及抑泡能力较好的消泡剂，以最大限度地提高其分散性，做到抑泡、破泡双管齐下。

美国胶体化学家罗斯（Ross,S. ）曾经明确地说过：没有任何一种消泡机理能涵盖所有的消泡现象，各式各样、纷繁错杂的消泡剂，可以对应着多种消泡机理。

消泡剂消泡剂的种类

消泡剂按照不同的分类标准可以有很多种方法，如按形式分可分为固体颗粒型、乳液型、分散体型、油型和膏型五大类；按消泡剂在不同工业生产中的应用可以分为纺织工业消泡剂、造纸工业消泡剂、涂料工业消泡剂、食品工业消泡剂和石油工业消泡剂等；按消泡剂的化学结构和组成可以分为矿物油类、醇类、脂肪酸及脂肪酸酯类、酰胺类、磷酸酯类、有机硅类、聚醚类、聚醚改性聚硅氧烷类消泡剂。

以下对非硅型、聚醚型、有机硅型和聚醚改性有机硅型四个种类进行介绍。

消泡剂非硅型

非硅型消泡剂主要有醇类、脂肪酸、脂肪酸酯、磷酸酯类、矿物油类、酰胺类等有机物 ，酰胺中常用的有单酰胺、双酰胺等，此外还有三烷基三聚氰胺、氰脲酰氯三聚氰胺、脂肪胺等其它含氮化合物；磷酸酯类包括单烷基、双烷基磷酸酯和氟化烷基磷酸酯等，常用于洗漆剂产品的消泡；羧化物包括三类物质：脂肪酸，如月桂酸、棕榈酸等；脂肪酸酯，如脂肪酸甘油脂、动植物油等；脂肪酸皂，如硬脂酸和棕榈酸的钙、铝、镁皂；脂肪醇、醚包括直链和支链醇、醚。

该类消泡剂价格低廉，它适合于在液体剪切力较小，所含表面活性剂发泡能力较温和的条件下使用，它的制备原料易得、环保性能高、生产成本低，但对致密型泡沫的消泡效率较低，而且由于其专用性较强，市场份额已不断萎缩。而在有些特殊的行业，如强酸、强碱等，却需要像聚四氟乙插这类耐酸碱的非硅型消泡剂。

消泡剂聚醚型

聚醚型消泡剂是环氧乙烷、环氧丙烷的共聚物，主要是利用其溶解性在不同温度表现出的不同特性达到消泡作用。低温下，聚醚分散到水中，当温度不断升高时，聚醚亲水性逐渐降低，直到浊点时，使聚醚成为不溶解状态，这样才发挥消泡作用。在制备过程中通过调节聚醚的种类及原料的比例就可改变其浊点，从而可以应用在不同行业。

聚醚型消泡剂具有抑泡能力强、耐高温等优良性能，缺点是有一定毒性，使用条件受温度限制，破泡速率不高，使用领域窄。泡沫如果产生的数量较多，其无法迅速消灭泡沫，必须有消泡剂重新加入其中，消泡效果才能体现出来。

聚醚型消泡剂主要分为GP型、GPE型、GPES型。

聚合环氧丙烷与环氧乙烷、或环氧丙烷与甘油即可获得GP型。其在起泡介质内的抑泡能力要高于消泡能力。常用在生物农药、酵母等生产中做消泡剂。

GPE型消泡剂主要是将环氧乙烷加在聚丙二醇链段（GP型消泡剂）末端，变成亲水基的聚氧乙烯氧丙烯甘油链端。其在介质中易溶解，消泡能力强，但溶解度也较大，抑泡性能较差，常用于制药工业做抗菌素发酵过程的消泡剂。

GPES型是在GPE型消泡剂链端用硬脂酸进行酯化处理后得到一种新的聚醚型消泡剂。因为这种结构的分子亲油性增加，亲水性降低，易于聚集在气液界面，因而消泡效率高。

消泡剂有机硅型

聚二甲基硅氧烷（也叫做硅油）是有机硅型消泡剂的主要成分。和H₂O、普通油类相比，硅油表面张力更小，既适用于水基起泡体系，又适用于油性起泡体系。在H₂O、普通油类中，硅油活性高、溶解度低，其基本特征表现在化学性质稳定、使用范围广泛、挥发性低、无毒，且消泡能力比较突出等，缺点是抑泡性能较差。

这一类消泡剂的种类主要包括固体型、乳液型、溶液型和油型。

固体型消泡剂具有稳定性好、工艺简单、便于运输、使用方便等特点。它对油相、水相均适用，介质分散性也比较突出，在低（无）泡洗衣粉领域应用比较普遍。

乳液型消泡剂中的硅油具有较大的张力，乳化难度系数大，乳化剂一旦选择不当，会造成消泡剂在短时间内分层、变质等现象。乳液的稳定性对消泡剂质量极为关键，因此乳液型硅类消泡剂的制备重点在于乳化剂选择。同时乳液型消泡剂具有价格便宜、适用范围广泛、消泡效果明显等特点，在有机硅消泡剂中用量最大。随着配方技术的进步，乳液型消泡剂会有较大发展。

溶液型消泡剂是硅油溶解在溶剂中制成的溶液，其消泡原理是：利用溶剂将硅油成分携带且于起泡溶液内分散，在这一过程中，硅油会逐步凝聚成微滴，由此完成消泡。硅油溶解在非水有机溶液体系中，例如多氯乙烷、甲苯等，可以作为油性溶液消泡。

硅油溶解在水相体系溶液中，例如乙二醇、甘油等，可以作为水性溶液消泡。需要注意的是，溶剂在提高消泡剂分散性的同时，其成本也会加大，其制备过程中搅动的速度、力度如果不足，溶剂虽易得到扩散，硅油却凝聚成粒度大、消泡活性较差的油珠。

成本较高的二甲基硅油通常适合油溶性溶液的消泡。一般来说，高黏度的起泡体系选择低黏度的消泡剂，低黏度的起泡体系选择高黏度的消泡剂。

消泡剂聚醚改性有机硅型

此类消泡剂是利用聚醚链段或聚硅氧烷链段改性接枝后获得的硅醚共聚物，它是将两者的优点有机结合起来得到一种新型高效消泡剂，具有分散性好、抑泡能力强、稳定、无毒、挥发性低、消泡效力强等优点。

（1）聚醚改性有机硅型消泡剂特点

逆溶解性：由于分子中含有聚醚链段，所以具备聚醚消泡剂的浊点特性，能基于体系消泡的温度需求方便地选择适用的聚硅氧烷聚醚型消泡剂。

自乳性：由于硅氧烷链段和聚醚链段对溶剂的憎、亲性能不同，当聚醚改性有机硅型消泡剂加入溶剂中，聚醚链段伸展于外部、聚硅氧烷链段卷曲于内部，所形成分散状态即所谓的“自乳性”。消泡剂在自乳性作用下，可以迅速、均匀地分散于起泡液内，其稳定性较为突出，对抑泡、消泡功能的全面发挥有利。对聚醚链段、硅氧烷链段的比例进行调节，可以使消泡剂适用于不同性质起泡溶液。

（2）聚醚改性有机硅型消泡剂种类

根据内部衔接方式不同，聚醚改性有机硅型消泡剂可以分为以下两类 ：

以酸为催化剂制备的－Si－O－C－键连接的共聚物，这种消泡剂易于水解，稳定性较差。如果有胺类缓冲剂存在，可以进行较长时间保留。但因其价格低，发展潜力极为明显。

－Si－C－键衔接的共聚物结构比较稳定，在密闭条件下，可以保存两年以上。但是由于生产过程中要使用价格昂贵的铂为催化剂，使得此类消泡剂的生产成本高昂，所以并未得到广泛应用。

消泡剂不同种类的优缺点

矿物油类、酰胺类、低级醇类、脂肪酸及脂肪酸酯类、磷酸酯类等有机物消泡剂的研究应用较早，属于第一代消泡剂，其具有原料易得、环保性能高、生产成本低等优点；缺点在于消泡效率低、专用性强、使用条件苛刻等。

聚醚类消泡剂是第二代消泡剂，主要包括直链聚醚、由醇或氨为起始剂的聚醚、端基酯化的聚醚衍生物三种。聚醚类消泡剂最大的优点在于抑泡能力强，除此以外，还有些聚醚类的消泡剂具有耐高温、耐强酸强碱等优良性能；缺点是使用条件受温度限制、使用领域窄、消泡能力较差、破泡速率低等。

有机硅类消泡剂（第三代消泡剂）有较强的消泡性能、快速的破泡能力、挥发性低、对环境无毒害、无生理惰性、使用范围广等优点，因此有着广阔的应用前景和巨大的市场潜力，但是抑泡性能较差。

聚醚改性聚硅氧烷消泡剂同时兼有聚醚类消泡剂和有机硅类消泡剂的优点，是消泡剂的发展方向。有时还可以根据其逆溶解性重复利用，但是此类消泡剂的种类较少，还处于研发阶段，生产的成本较高。