Ултразвуково дегазиране и обезпеняване на течности

Дегазирането и обезпеняването на течности с помощта на ултразвук е много ефективен процес. Ултразвуковата обработка отстранява малките суспендирани газови мехурчета от течността и намалява съдържанието на разтворен газ под естественото равновесно ниво.

Дегазирането и обезпеняването на течности е необходимо за много цели, например при следните процеси:

• подготовка на проби преди измерване на размера на частиците, за да се избегнат грешки при измерването
• дегазиране на масла и смазочни материали преди изпомпване, за да се намали износването на помпите вследствие на кавитация
• дегазиране на течни храни, например сок, сос или вино, за да се намали развитието на микроорганизми и да се удължи срокът на годност
• дегазиране на полимери и лакове преди нанасяне, втвърдяване или вакуумна инфузия

При ултразвукова обработка на течности звуковите вълни, които се разпространяват от излъчващата повърхност в течната среда, предизвикват редуващи се цикли на високо и ниско налягане, чиято скорост на редуване зависи 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 осигурява голяма обща повърхност на мехурчетата. Мехурчетата също така са добре разпределени в течността. Разтвореният газ преминава в тези вакуумни мехурчета през голямата им повърхност и увеличава размера им.
Акустичните вълни подпомагат контакта и сливането на съседни мехурчета, което води до ускорен растеж на мехурчетата. Вълните при ултразвуковата обработка също така помагат за отделянето на мехурчетата от повърхностите на съда и принуждават по-малките мехурчета, намиращи се под повърхността на течността, да се издигнат до нея и да освободят задържания газ в околната среда.

Проверете на практика

Процесът на дегазиране и обезпеняване на течности може лесно да се направи видим. В стъклена лабораторна чаша с току-що налята чешмяна вода ултразвуковата обработка ще принуди малките суспендирани мехурчета да се слеят и бързо да се издигнат. Можете да видите този ефект на изображението по-долу, което показва хода на процеса.

Ултразвуково дегазиране на вода (5 секунди)

Разбърканото масло съдържа голям брой суспендирани мехурчета или пяна. Това е проблем особено при охлаждащите течности. В тях газовите мехурчета способстват за износване на помпи или дюзи вследствие на кавитация. Изображението по-долу, което показва хода на процеса, демонстрира ефекта на ултразвуковото обезпеняване.

Ултразвуково дегазиране: задържаните газови мехурчета се отстраняват от маслото с помощта на ултразвуковия апарат UP400St

Ултразвуковата обработка ще създаде малки вакуумни мехурчета в бистра, престояла вода. Тези мехурчета се изпълват с разтворен газ, който преминава в тях. В резултат мехурчетата нарастват и се издигат. Ефектът на дегазирането е ясно видим във всяка полупрозрачна течност.
Тъй като ултразвукът подпомага издигането на малките суспендирани мехурчета до повърхността на течността, той също така намалява времето на контакт между мехурчето и течността. Поради това той ограничава и повторното разтваряне на газа от мехурчето в течността. Това е от особен интерес за течности с по-висок вискозитет, като масла или смоли. Тъй като мехурчетата трябва да достигнат повърхността на течността, ултразвуковото дегазиране работи по-добре, ако съдът е плитък, така че времето за достигане до повърхността да е по-кратко.

Отвъд видимите ефекти

Измерването на ефектите от дегазирането чрез визуална оценка има ограничена точност. Измерванията на газовото съдържание са по-точен начин за определяне на ефективността на ултразвуковото дегазиране.

Флуидите съдържат определено количество разтворен газ. Концентрацията на газа зависи от фактори като температура, налягане на околната среда или разбъркване на течността. При постоянни условия концентрацията на газа ще се доближава до равновесна стойност. Ултразвуковото дегазиране ще промени условията, защото течността е подложена на въздействието на мехурчета с ниско налягане и на разбъркване. Следователно ултразвуковата обработка ще намали концентрацията на газа в течността под равновесното ниво.
Когато ултразвуковата обработка спре и първоначалните условия се възстановят, концентрацията на газа бавно ще се доближи отново до първоначалното равновесно ниво, освен ако течността няма контакт с никакъв газ, например в затворена бутилка. Тъй като повторното разтваряне на газа в течността е сравнително бавно, след ултразвуковата обработка е възможно да се работи с течността с ниско газово съдържание. Графиката по-долу илюстрира този ефект.

Илюстрация на ултразвуково дегазиране на вода

Дегазиране преди емулгиране и диспергиране

Ултразвуковото дегазиране може да подобри качеството на дисперсиите и емулсиите.

Проблемът

Емулсиите и дисперсиите често съдържат повърхностноактивни вещества, за да се повиши тяхната стабилност. Повърхностноактивните вещества ще възпрепятстват контакта и сливането или агломерацията на диспергирания материал в течната фаза. За тази цел повърхностноактивните вещества ще образуват слой около всяка частица. Същите повърхностноактивни вещества могат също така да обгръщат газови мехурчета, които са суспендирани в течната фаза. Такива стабилизирани мехурчета могат да се окажат много устойчиви. Стабилизираните мехурчета изразходват повърхностноактивно вещество, намаляват качеството на емулсията или дисперсията и могат да доведат до непостоянни показания при измерване на размера на частиците.

Решението: ултразвуково дегазиране

За да се намали проблемът със стабилизираните газови мехурчета, течностите трябва да се дегазират чрез ултразвукова обработка. Преди да добавите дисперсната фаза, например масло или прах, обработвайте течността с ултразвук, докато броят на образуваните мехурчета намалее. При смесване с други материали избягвайте образуването на нови мехурчета или вихър по време на разбъркването. Образуването им би увеличило бързо газовото съдържание.
 

Сондажен разтвор на водна основа преди и след ултразвуково дегазиране с ултразвуковия апарат UIP1000hd
Изследване и снимка от Amani et al. 2016

Принудително отделяне на въглеродния диоксид

Ефектът на дегазирането се използва при изпитване за течове на кенове и бутилки, съдържащи газирани напитки като кола, газирана вода или бира. Моля, щракнете тук за повече информация относно изпитването на бутилки за течове.

Накратко за ултразвуковото дегазиране

Ултразвуковото дегазиране на течности работи по-добре при следната конфигурация.

• 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 ултразвуковата обработка!
• Загрейте течността, за да намалите нейния вискозитет!
• Използвайте плитък съд за отделяне на газа по време на или след ултразвуковата обработка!
• Избягвайте турбулентно разбъркване, за да позволите на газовите мехурчета да се издигат!

Ултразвуковото дегазиране може да се използва в партиден режим или в поток. При работа в поток трябва да се монтира вертикална тръба за отвеждане на газа и да се използва газова помпа.

Литература / Източници

• 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.