إزالة الغازات والرغوة من السوائل بالموجات فوق الصوتية

تُعد إزالة الغازات والرغوة من السوائل باستخدام الموجات فوق الصوتية عملية فعالة للغاية. تزيل المعالجة بالموجات فوق الصوتية فقاعات الغاز الصغيرة العالقة في السائل وتخفض مستوى الغاز المذاب إلى ما دون مستوى الاتزان الطبيعي.

تُحتاج إزالة الغازات والرغوة من السوائل لأغراض عديدة، مثل العمليات التالية:

• تحضير العينات قبل قياس حجم الجسيمات لتجنب أخطاء القياس
• إزالة الغازات من الزيوت ومواد التشحيم قبل الضخ لتقليل تآكل المضخات الناتج عن التجويف
• إزالة الغازات من الأغذية السائلة، مثل العصائر أو الصلصات أو النبيذ، للحد من نمو الميكروبات وإطالة مدة الصلاحية
• إزالة الغازات من البوليمرات والورنيشات قبل التطبيق أو التصلب أو التشريب بالتفريغ

عند معالجة السوائل بالموجات فوق الصوتية، تؤدي الموجات الصوتية التي تنتشر من السطح المشع إلى الأوساط السائلة إلى دورات متناوبة من الضغط المرتفع والضغط المنخفض، بمعدلات تعتمد على التردد. أثناء دورة الضغط المنخفض، يمكن للموجات فوق الصوتية أن تُنشئ فقاعات فراغية صغيرة أو تجاويف في السائل. ويؤدي العدد الكبير من الفقاعات الصغيرة إلى مساحة سطحية إجمالية كبيرة للفقاعات. كما تتوزع الفقاعات جيدًا في السائل. وينتقل الغاز المذاب إلى هذه الفقاعات الفراغية عبر مساحتها السطحية الكبيرة، مما يزيد حجم الفقاعات.
تساعد الموجات الصوتية على تلامس الفقاعات المتجاورة واندماجها، مما يؤدي إلى تسارع نموها. وتساعد موجات المعالجة بالموجات فوق الصوتية أيضًا على فصل الفقاعات عن أسطح الأوعية بالاهتزاز، وتدفع الفقاعات الأصغر الموجودة تحت سطح السائل إلى الصعود عبره وإطلاق الغاز المحتجز إلى الوسط المحيط.

اختبر ذلك عمليًا

يمكن إظهار عملية إزالة الغازات والرغوة من السوائل بسهولة. ففي كأس زجاجي يحتوي على ماء صنبور صُب للتو، تدفع المعالجة بالموجات فوق الصوتية الفقاعات الصغيرة العالقة إلى الاندماج والصعود بسرعة. ويمكنك رؤية هذا التأثير في الصورة التالية التي تُظهر تتابع العملية.

إزالة الغازات من الماء بالموجات فوق الصوتية (5 ثوانٍ)

يحتوي الزيت الذي خضع للتحريك على عدد كبير من الفقاعات العالقة أو على رغوة. ويُشكل ذلك مشكلة، خصوصًا في سوائل التبريد. إذ تعزز فقاعات الغاز فيها التآكل الناجم عن التجويف في المضخات أو الفوهات. وتُظهر الصورة التالية التي تعرض تتابع العملية تأثير إزالة الرغوة بالموجات فوق الصوتية.

إزالة الغازات بالموجات فوق الصوتية: تُزال فقاعات الغاز المحتجزة من الزيت باستخدام جهاز المعالجة بالموجات فوق الصوتية UP400St

تُنشئ المعالجة بالموجات فوق الصوتية فقاعات فراغية صغيرة في الماء الصافي الذي تُرك ساكنًا. وتمتلئ هذه الفقاعات بالغاز المذاب الذي ينتقل إليها. ونتيجة لذلك، تنمو الفقاعات وتصعد. ويظهر تأثير إزالة الغازات بوضوح في أي سائل يسمح بمرور الضوء.
ولأن الموجات فوق الصوتية تُحسن صعود الفقاعات الصغيرة العالقة إلى سطح السائل، فإنها تقلل أيضًا زمن التلامس بين الفقاعة والسائل. ولهذا السبب، فإنها تحد أيضًا من إعادة ذوبان الغاز من الفقاعة في السائل. ويكتسب ذلك أهمية خاصة للسوائل ذات اللزوجة الأعلى، مثل الزيوت أو الراتنجات. ولأن الفقاعات يجب أن تنتقل إلى سطح السائل، تكون إزالة الغازات بالموجات فوق الصوتية أكثر فعالية عندما يكون الوعاء ضحلًا، بحيث يكون زمن الوصول إلى السطح أقصر.

ما وراء التأثيرات المرئية

تكون دقة قياس تأثيرات إزالة الغازات بالفحص البصري محدودة. وتُعد قياسات محتوى الغاز وسيلة أكثر دقة لتحديد كفاءة إزالة الغازات بالموجات فوق الصوتية.

تحتوي الموائع على كمية معينة من الغاز المذاب. ويعتمد تركيز الغاز على عوامل مثل درجة الحرارة أو الضغط المحيط أو تحريك السائل. وفي ظل ظروف ثابتة، يقترب تركيز الغاز من حالة اتزان. وتغير إزالة الغازات بالموجات فوق الصوتية هذه الظروف، لأن السائل يتعرض لفقاعات ذات ضغط منخفض وللتحريك. ولذلك، تخفض المعالجة بالموجات فوق الصوتية تركيز الغاز في السائل إلى ما دون مستوى الاتزان.
عندما تتوقف المعالجة بالموجات فوق الصوتية وتُستعاد الظروف الأولية، يقترب تركيز الغاز ببطء من مستوى الاتزان الأولي مجددًا، إلا إذا لم يتعرض السائل لأي غاز، كما في زجاجة مغلقة مثلًا. ولأن إعادة ذوبان الغاز في السائل بطيئة نسبيًا، يمكن العمل بالسائل ذي المحتوى الغازي المنخفض بعد المعالجة بالموجات فوق الصوتية. ويوضح الرسم البياني أدناه هذا التأثير.

رسم توضيحي لإزالة الغازات من الماء بالموجات فوق الصوتية

إزالة الغازات قبل الاستحلاب والتشتيت

يمكن لإزالة الغازات بالموجات فوق الصوتية أن تُحسن جودة المشتتات والمستحلبات.

المشكلة

غالبًا ما تحتوي المستحلبات والمشتتات على مواد خافضة للتوتر السطحي لزيادة استقرارها. وتمنع هذه المواد تلامس المادة المشتتة في الطور السائل واندماجها أو تكتلها. ولتحقيق ذلك، تُشكل المواد الخافضة للتوتر السطحي طبقة حول كل جسيم. ويمكن للمواد نفسها أيضًا أن تُغلف فقاعات الغاز العالقة في الطور السائل. وقد تكون هذه الفقاعات المستقرة شديدة المقاومة. وتستهلك الفقاعات المستقرة المادة الخافضة للتوتر السطحي، وتقلل جودة المستحلب أو المشتت، وقد تُسبب قراءات غير منتظمة عند قياس حجم الجسيمات.

الحل: إزالة الغازات بالموجات فوق الصوتية

للحد من مشكلة فقاعات الغاز المستقرة، ينبغي إزالة الغازات من السوائل بالمعالجة بالموجات فوق الصوتية. وقبل إضافة الطور المشتت، مثل الزيت أو المسحوق، عالج السائل بالموجات فوق الصوتية حتى ينخفض عدد الفقاعات المتولدة. وعند خلط مواد أخرى، تجنب توليد فقاعات جديدة أو دوامة أثناء التحريك. فتوليدها يزيد محتوى الغاز بسرعة.
 

طين الحفر المائي قبل إزالة الغازات بالموجات فوق الصوتية وبعدها باستخدام جهاز المعالجة بالموجات فوق الصوتية UIP1000hd
الدراسة والصورة من إعداد Amani وآخرين، 2016

طرد ثاني أكسيد الكربون

يُستخدم تأثير إزالة الغازات في اختبار تسرب العلب والزجاجات التي تحتوي على مشروبات غازية، مثل الكولا أو الصودا أو البيرة. يرجى النقر هنا للحصول على مزيد من المعلومات حول اختبار تسرب الزجاجات.

إزالة الغازات بالموجات فوق الصوتية بإيجاز

تكون إزالة الغازات من السوائل بالموجات فوق الصوتية أكثر فعالية عند استخدام الإعداد التالي.

• استخدم سعات اهتزاز منخفضة إلى متوسطة للموجات فوق الصوتية!
• استخدم سونوترودات ذات مساحة سطحية كبيرة، مثل السونوترودات التي تُصدر الموجات شعاعيًا!
• وفّر ضغطًا منخفضًا أو تفريغًا فوق سطح السائل أثناء المعالجة بالموجات فوق الصوتية!
• سخّن السائل لتقليل لزوجته!
• استخدم وعاءً ضحلًا لفصل الغاز أثناء المعالجة بالموجات فوق الصوتية أو بعدها!
• تجنب التحريك المضطرب للسماح لفقاعات الغاز بالصعود!

يمكن استخدام إزالة الغازات بالموجات فوق الصوتية على دفعات أو ضمن خط التدفق. وفي حالة التشغيل ضمن خط التدفق، ينبغي تركيب أنبوب رأسي لتصريف الغاز واستخدام مضخة غاز.

المؤلفات / المراجع

• 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.