Ултразвукова дегазация и разпенване на течности

Дегазирането и разпенването на течности с помощта на ултразвук е много ефективен процес. Ултразвукът премахва малки суспендирани газови мехурчета от течността и намалява нивото на разтворения газ под нивото на естественото равновесие.

Дегазирането и разпенването на течности е необходимо за много цели, като например следните процеси:

• подготовка на пробата преди измерване на размера на частиците, за да се избегнат грешки в измерването
• дегазиране на масло и смазочни материали преди изпомпване, за да се намали износването на помпата поради кавитация
• дегазиране на течни храни, например сок, сос или вино, за намаляване на растежа на микробите и увеличаване на срока на годност
• дегазиране на полимери и лакове преди нанасяне, втвърдяване или вакуумна инфузия

При ултразвук на течности, звуковите вълни, които се разпространяват от излъчващата повърхност в течната среда, водят до редуващи се цикли на високо и ниско налягане, със скорости, зависещи от честотата. По време на цикъла на ниско налягане ултразвуковите вълни могат да създадат малки вакуумни мехурчета или кухини в течността. Големият брой малки мехурчета генерира висока обща повърхност на мехурчета. Мехурчетата също се разпределят добре в течността. Разтвореният газ мигрира в тези вакуумни мехурчета през голямата повърхност и увеличава размера на мехурчетата.
Акустичните вълни поддържат докосването и сливането на съседни мехурчета, което води до ускорен растеж на мехурчетата. Ултразвуковите вълни също ще помогнат за отърсване на мехурчетата от повърхностите на съдовете и ще принудят по-малките мехурчета, почиващи под повърхността на течността, да се издигнат и да освободят уловения газ в околната среда.

Подложете го на изпитание

Процесът на дегазиране и разпенване на течности може лесно да бъде видим. В стъклена чаша с прясно излята чешмяна вода ултразвукът ще принуди малките суспендирани мехурчета да се слеят и да се движат бързо нагоре. Можете да видите този ефект на изображението за напредъка по-долу.

Ултразвукова дегазация на вода (5 секунди)

Разбърканото масло съдържа голям брой суспендирани мехурчета или пяна. По-специално при охлаждащите течности това е проблем. Там газовите мехурчета насърчават предизвиканото от кавитация износване на помпи или дюзи. Изображението на напредъка по-долу показва ултразвуковия ефект на разпенване.

Ултразвукова дегазация: Уловените газови мехурчета се отстраняват от маслото с помощта на ултразвуковия уред UP400St

Уникирането ще генерира малки вакуумни мехурчета в бистра, застояла вода. Тези мехурчета се пълнят с разтворен газ, който мигрира в мехурчетата. Следователно мехурчетата растат и се движат нагоре. Дегазиращият ефект е добре видим във всяка полупрозрачна течност.
Тъй като ултразвукът подобрява издигането на малки суспендирани мехурчета към повърхността на течността, той намалява и времето за контакт между мехурчето и течността. Поради тази причина той ограничава и повторното разтваряне на газ от мехурчето в течността. Това е от особен интерес за течности с по-висок вискозитет, като масла или смоли. Тъй като мехурчетата трябва да се преместят на повърхността на течността, ултразвуковата дегазация работи по-добре, ако контейнерът е плитък, така че времето до повърхността да е по-кратко.

Отвъд видимите ефекти

Измерването на ефектите на дегазация чрез визуална проверка е ограничено по точност. Измерванията на съдържанието на газ са по-точен начин да се каже за ефективността на ултразвуковата дегазация.

Течностите съдържат определено количество разтворен газ. Концентрацията на газ зависи от фактори като температура, околно налягане или разбъркване на течността. При постоянни условия концентрацията на газ ще се доближи до равновесие. Ултразвуковата дегазация ще промени условията, тъй като течността е изложена на мехурчета с ниско налягане и разбъркване. Следователно ултразвукът ще понижи концентрацията на газ в течността под равновесното ниво.
Когато ултразвукът спре и първоначалните условия се възстановят, концентрацията на газ бавно ще се доближи отново до първоначалното равновесно ниво, освен ако течността не е изложена на никакъв газ, например в затворена бутилка. Тъй като повторното разтваряне на газ в течността е доста бавно, е възможно да се работи с течността с ниско съдържание на газ след ултразвук. Графиката по-долу илюстрира този ефект.

Илюстрация на ултразвукова дегазация на вода

Дегазиране преди емулгиране и диспергиране

Ултразвуковата дегазация може да подобри качеството на дисперсиите и емулсиите.

Проблемът

Често емулсиите и дисперсиите съдържат повърхностноактивни вещества, за да се увеличи тяхната стабилност. Повърхностноактивните вещества ще инхибират контакта и коалесценцията или агломерацията на диспергирания материал в течната фаза. За това повърхностноактивните вещества ще образуват слой около всяка частица. Същите повърхностноактивни вещества могат също да капсулират газови мехурчета, които са суспендирани в течната фаза. Такива стабилизирани мехурчета могат да се окажат много здрави. Стабилизираните мехурчета консумират повърхностно активно вещество, намаляват качеството на емулсията или дисперсията и могат да генерират нестабилни показания при измерване на размера на частиците.

Решението: Ултразвукова дегазация

За да се намали проблемът със стабилизираните газови мехурчета, течностите трябва да се дегазират чрез ултразвук. Преди да добавите дисперсната фаза, като масло или прах, ултразвук течността, докато броят на генерираните мехурчета намалее. Когато смесвате други материали, избягвайте генерирането на нови мехурчета или вихър, докато разбърквате. Това бързо ще увеличи съдържанието на газ.
 

Water-based drilling mud before and after ultrasonic degassing with the sonicator UIP1000hd
Проучване и снимка от Amani et al. 2016 г.

Изтласкване на въглеродния диоксид

Ефектът от дегазацията се използва при тестване на течове на кутии и бутилки, съдържащи газирани напитки, като кола, сода или бира. Моля, щракнете тук, за да получите повече информация относно тестването за теч на бутилки.

Ултразвукова дегазация накратко

Ултразвуковата дегазация на течности работи по-добре при използване на следната настройка.

• Прилагайте ниски до умерени ултразвукови амплитуди!
• Използвайте сонотроди с голяма повърхност, например радиално излъчващи сонотроди!
• Осигурете ниско налягане или вакуум над повърхността на течността по време на ултразвук!
• Загрейте течността, за да намалите нейния вискозитет!
• Използвайте плитък контейнер за отделяне на газа по време или след ултразвука!
• Избягвайте турбулентно разбъркване, за да позволите на газовите мехурчета да се движат нагоре!

Ултразвуковата дегазация може да се използва в партиден режим или вградена. В случай на вградена операция трябва да се монтира стояща тръба за изпускане на газа и да се приложи газова помпа.

Литература / Препратки