Ультразвуковая дегазация и пеногашение жидкостей

Дегазация и пеногашение жидкостей с помощью ультразвука – очень эффективный процесс. Обработка ультразвуком удаляет из жидкости мелкие взвешенные газовые пузырьки и снижает содержание растворённого газа ниже естественного равновесного уровня.

Дегазация и пеногашение жидкостей необходимы для многих целей, например в следующих процессах:

• подготовка образцов перед измерением размера частиц для предотвращения ошибок измерения
• дегазация масел и смазочных материалов перед перекачиванием для уменьшения износа насосов вследствие кавитации
• дегазация жидких пищевых продуктов, например сока, соуса или вина, для снижения роста микроорганизмов и увеличения срока хранения
• дегазация полимеров и лаков перед нанесением, отверждением или вакуумной инфузией

При обработке жидкостей ультразвуком звуковые волны, распространяющиеся от излучающей поверхности в жидкую среду, вызывают чередование циклов высокого и низкого давления с частотой, зависящей от частоты ультразвука. Во время цикла низкого давления ультразвуковые волны могут создавать в жидкости небольшие вакуумные пузырьки или полости. Большое количество мелких пузырьков обеспечивает большую суммарную площадь их поверхности. Пузырьки также хорошо распределены в жидкости. Растворённый газ переходит в эти вакуумные пузырьки через их большую поверхность и увеличивает размер пузырьков.
Акустические волны способствуют соприкосновению и слиянию соседних пузырьков, ускоряя их рост. Ультразвуковые волны также помогают отделять пузырьки от поверхностей сосуда и заставляют мелкие пузырьки, находящиеся под поверхностью жидкости, подниматься к ней и высвобождать захваченный газ в окружающую среду.

Проверьте на практике

Процесс дегазации и пеногашения жидкостей легко сделать видимым. В стеклянном стакане со свеженалитой водопроводной водой обработка ультразвуком заставляет мелкие взвешенные пузырьки сливаться и быстро подниматься вверх. Этот эффект можно увидеть на изображении ниже, показывающем ход процесса.

Ультразвуковая дегазация воды (5 секунд)

Перемешанное масло содержит большое количество взвешенных пузырьков или пены. Это представляет проблему, особенно в охлаждающих жидкостях. В них газовые пузырьки способствуют кавитационному износу насосов или форсунок. Изображение ниже, показывающее ход процесса, демонстрирует эффект ультразвукового пеногашения.

Ультразвуковая дегазация: захваченные газовые пузырьки удаляются из масла с помощью ультразвукового устройства UP400St

Обработка ультразвуком создаёт небольшие вакуумные пузырьки в прозрачной отстоявшейся воде. Эти пузырьки заполняются растворённым газом, который переходит в них. В результате пузырьки растут и поднимаются вверх. Эффект дегазации хорошо виден в любой просвечивающей жидкости.
Поскольку ультразвук способствует подъёму мелких взвешенных пузырьков к поверхности жидкости, он также сокращает время контакта пузырька с жидкостью. По этой причине он также ограничивает повторное растворение газа из пузырька в жидкости. Это особенно интересно для жидкостей с более высокой вязкостью, таких как масла или смолы. Поскольку пузырьки должны переместиться к поверхности жидкости, ультразвуковая дегазация работает лучше в неглубокой ёмкости, где время подъёма к поверхности меньше.

За пределами видимых эффектов

Оценка эффектов дегазации посредством визуального осмотра имеет ограниченную точность. Измерение содержания газа – более точный способ оценки эффективности ультразвуковой дегазации.

Жидкости содержат определённое количество растворённого газа. Концентрация газа зависит от таких факторов, как температура, давление окружающей среды или перемешивание жидкости. При постоянных условиях концентрация газа будет приближаться к равновесной. Ультразвуковая дегазация изменяет условия, поскольку жидкость подвергается воздействию пузырьков с низким давлением и перемешиванию. Поэтому обработка ультразвуком снижает концентрацию газа в жидкости ниже равновесного уровня.
Когда обработка ультразвуком прекращается и исходные условия восстанавливаются, концентрация газа вновь медленно приближается к исходному равновесному уровню, за исключением случаев, когда жидкость не контактирует ни с каким газом, например в закрытой бутылке. Поскольку повторное растворение газа в жидкости происходит довольно медленно, после обработки ультразвуком можно работать с жидкостью с низким содержанием газа. График ниже иллюстрирует этот эффект.

Иллюстрация ультразвуковой дегазации воды

Дегазация перед эмульгированием и диспергированием

Ультразвуковая дегазация может улучшить качество дисперсий и эмульсий.

Проблема

Эмульсии и дисперсии часто содержат поверхностно-активные вещества для повышения их стабильности. Поверхностно-активные вещества препятствуют контакту и слиянию или агломерации диспергированного материала в жидкой фазе. Для этого они образуют слой вокруг каждой частицы. Те же поверхностно-активные вещества могут также окружать газовые пузырьки, взвешенные в жидкой фазе. Такие стабилизированные пузырьки могут оказаться очень устойчивыми. Стабилизированные пузырьки расходуют поверхностно-активное вещество, снижают качество эмульсии или дисперсии и могут вызывать нестабильные показания при измерении размера частиц.

Решение: ультразвуковая дегазация

Чтобы уменьшить проблему стабилизированных газовых пузырьков, жидкости следует дегазировать обработкой ультразвуком. Перед добавлением дисперсной фазы, например масла или порошка, обрабатывайте жидкость ультразвуком до уменьшения количества образующихся пузырьков. При введении других материалов избегайте образования новых пузырьков или воронки во время перемешивания. Их образование быстро увеличило бы содержание газа.
 

Буровой раствор на водной основе до и после ультразвуковой дегазации с помощью ультразвукового устройства UIP1000hd
Исследование и изображение: Amani et al. 2016

Удаление углекислого газа

Эффект дегазации используется при проверке герметичности банок и бутылок с газированными напитками, такими как кола, газировка или пиво. Нажмите здесь, чтобы узнать больше о проверке герметичности бутылок.

Кратко об ультразвуковой дегазации

Ультразвуковая дегазация жидкостей работает лучше при следующих условиях.

• Используйте низкие или умеренные амплитуды ультразвука!
• Используйте сонотроды с большой площадью поверхности, например сонотроды с радиальным излучением!
• Обеспечьте низкое давление или вакуум над поверхностью жидкости во время обработки ультразвуком!
• Нагрейте жидкость, чтобы снизить её вязкость!
• Используйте неглубокую ёмкость для отделения газа во время или после обработки ультразвуком!
• Избегайте турбулентного перемешивания, чтобы газовые пузырьки могли подниматься вверх!

Ультразвуковую дегазацию можно использовать в периодическом режиме или в потоке. При работе в потоке следует установить вертикальную трубу для отвода газа и использовать газовый насос.

Литература / Источники

• Rognerud, Maren; Solemslie, Bjørn; Islam, Md Hujjatul; Pollet, Bruno (2020): How to Avoid Total Dissolved Gas Supersaturation in Water from Hydropower Plants by Employing Ultrasound. Journal of Physics: Conference Series 2020.
• Mahmood Amani, Salem Al-Juhani, Mohammed Al-Jubouri, Rommel Yrac, Abdullah Taha (2016): Application of Ultrasonic Waves for Degassing of Drilling Fluids and Crude Oils. Advances in Petroleum Exploration and Development Vol. 11, No. 2, 2016. 21-30.
• Haghayeghi R.; Kapranos P. (2014): The effect of processing parameters on ultrasonic degassing efficiency. Materials Letter Volume 116, 1 February 2014. 399-401.
• Servant G.; Caltagirone J.P.; Gérard A.; Laborde J.L.; Hita A. (2000): Numerical simulation of cavitation bubble dynamics induced by ultrasound waves in a high frequency reactor. Ultrasonics Sonochemistry Volume 7, Issue 4, October 2000. 217-227.