Ultrazvučno otplinjavanje i uklanjanje pjene iz tekućina

Otplinjavanje i uklanjanje pjene iz tekućina pomoću ultrazvuka vrlo je učinkovit proces. Ultrazvučna obrada (sonikacija) uklanja sitne suspendirane mjehuriće plina iz tekućine i snižava razinu otopljenog plina ispod prirodne ravnotežne razine.

Otplinjavanje i uklanjanje pjene iz tekućina potrebno je u mnoge svrhe, kao što su sljedeći procesi:

• priprema uzoraka prije mjerenja veličine čestica radi izbjegavanja grešaka u mjerenju
• otplinjavanje ulja i maziva prije pumpanja radi smanjenja habanja pumpe uslijed kavitacije
• otplinjavanje tekućih prehrambenih proizvoda, npr. soka, umaka ili vina, radi smanjenja rasta mikroorganizama i produženja roka trajanja
• otplinjavanje polimera i lakova prije nanošenja, očvršćivanja ili vakuumske infuzije

Pri ultrazvučnoj obradi tekućina zvučni valovi koji se šire s površine zračenja u tekući medij uzrokuju naizmjenične cikluse visokog i niskog tlaka, čija učestalost ovisi o frekvenciji. Tijekom ciklusa niskog tlaka ultrazvučni valovi mogu stvoriti sitne vakuumske mjehuriće ili šupljine u tekućini. Veliki broj sitnih mjehurića stvara veliku ukupnu površinu mjehurića. Mjehurići su također dobro raspoređeni u tekućini. Otopljeni plin migrira u te vakuumske mjehuriće preko velike površine i povećava veličinu mjehurića.
Akustični valovi potiču dodir i koalescenciju susjednih mjehurića, što dovodi do ubrzanog rasta mjehurića. Valovi ultrazvučne obrade također pomažu da se mjehurići otresu s površina posude te prisiljavaju manje mjehuriće koji miruju ispod površine tekućine da se podignu i otpuste zarobljeni plin u okolinu.

Provjerite sami

Proces otplinjavanja i uklanjanja pjene iz tekućina može se lako učiniti vidljivim. U staklenoj čaši sa svježe natočenom vodom iz slavine ultrazvučna obrada prisilit će sitne suspendirane mjehuriće da se spoje i brzo se podignu. Taj učinak možete vidjeti na slici toka procesa u nastavku.

Ultrazvučno otplinjavanje vode (5 sekundi)

Uzburkano ulje sadrži veliki broj suspendiranih mjehurića ili pjenu. Posebno je to problem kod rashladnih sredstava. Tamo mjehurići plina potiču habanje pumpi ili mlaznica uzrokovano kavitacijom. Slika toka procesa u nastavku prikazuje učinak ultrazvučnog uklanjanja pjene.

Ultrazvučno otplinjavanje: zarobljeni mjehurići plina uklanjaju se iz ulja pomoću ultrazvučnog uređaja UP400St

Ultrazvučna obrada stvorit će sitne vakuumske mjehuriće u bistroj, odstajaloj vodi. Ti se mjehurići pune otopljenim plinom koji migrira u mjehuriće. Posljedično mjehurići rastu i podižu se. Učinak otplinjavanja dobro je vidljiv u svakoj prozirnoj tekućini.
Budući da ultrazvuk poboljšava podizanje sitnih suspendiranih mjehurića prema površini tekućine, skraćuje i vrijeme kontakta između mjehurića i tekućine. Iz tog razloga ograničava i ponovno otapanje plina iz mjehurića u tekućinu. To je od posebnog interesa za tekućine veće viskoznosti, kao što su ulja ili smole. Budući da se mjehurići moraju kretati prema površini tekućine, ultrazvučno otplinjavanje djeluje bolje ako je posuda plitka, pa je vrijeme do površine kraće.

Izvan vidljivih učinaka

Mjerenje učinaka otplinjavanja vizualnim pregledom ograničene je točnosti. Mjerenja sadržaja plina točniji su način za procjenu učinkovitosti ultrazvučnog otplinjavanja.

Tekućine sadrže određenu količinu otopljenog plina. Koncentracija plina ovisi o čimbenicima kao što su temperatura, tlak okoline ili miješanje tekućine. Pod stalnim uvjetima koncentracija plina približava se ravnoteži. Ultrazvučno otplinjavanje mijenja uvjete jer je tekućina izložena mjehurićima niskog tlaka i miješanju. Stoga će ultrazvučna obrada sniziti koncentraciju plina u tekućini ispod ravnotežne razine.
Kada se ultrazvučna obrada prekine i ponovno uspostave početni uvjeti, koncentracija plina polako će se ponovno približavati početnoj ravnotežnoj razini, osim ako tekućina nije izložena nikakvom plinu, npr. u zatvorenoj boci. Budući da je ponovno otapanje plina u tekućini prilično sporo, s tekućinom s niskim sadržajem plina moguće je raditi nakon ultrazvučne obrade. Grafikon u nastavku prikazuje taj učinak.

Prikaz ultrazvučnog otplinjavanja vode

Otplinjavanje prije emulgiranja i dispergiranja

Ultrazvučno otplinjavanje može poboljšati kvalitetu disperzija i emulzija.

Problem

Emulzije i disperzije često sadrže surfaktante radi povećanja stabilnosti. Surfaktanti sprječavaju dodir i koalescenciju ili aglomeraciju dispergiranog materijala u tekućoj fazi. U tu svrhu surfaktanti oko svake čestice stvaraju sloj. Isti surfaktanti mogu i obuhvatiti mjehuriće plina suspendirane u tekućoj fazi. Takvi stabilizirani mjehurići mogu se pokazati vrlo postojanima. Stabilizirani mjehurići troše surfaktant, smanjuju kvalitetu emulzije ili disperzije i mogu uzrokovati nepouzdana očitanja pri mjerenju veličine čestica.

Rješenje: ultrazvučno otplinjavanje

Kako bi se smanjio problem stabiliziranih mjehurića plina, tekućine treba otplinjavati ultrazvučnom obradom. Prije dodavanja disperzne faze, kao što su ulje ili prah, tekućinu izlažite ultrazvuku dok se broj nastalih mjehurića ne smanji. Pri umiješavanju drugih materijala izbjegavajte stvaranje novih mjehurića ili vrtloga tijekom miješanja. To bi brzo povećalo sadržaj plina.

Isplaka na bazi vode prije i poslije ultrazvučnog otplinjavanja pomoću ultrazvučnog uređaja UIP1000hd
Studija i slika: Amani i sur. 2016.

Istiskivanje ugljikovog dioksida

Učinak otplinjavanja koristi se pri ispitivanju nepropusnosti limenki i boca s gaziranim pićima, kao što su kola, soda ili pivo. Kliknite ovdje za više informacija o ispitivanju nepropusnosti boca.

Ultrazvučno otplinjavanje ukratko

Ultrazvučno otplinjavanje tekućina djeluje bolje uz sljedeću postavku.

• Primijenite niske do umjerene ultrazvučne amplitude!
• Koristite sonotrode s velikom površinom, npr. radijalno zračeće sonotrode!
• Osigurajte nizak tlak ili vakuum iznad površine tekućine tijekom ultrazvučne obrade!
• Zagrijte tekućinu kako biste smanjili njezinu viskoznost!
• Koristite plitku posudu za odvajanje plina tijekom ili nakon ultrazvučne obrade!
• Izbjegavajte turbulentno miješanje kako bi se mjehurići plina mogli podići!

Ultrazvučno otplinjavanje može se koristiti u šaržnom načinu rada ili inline. U slučaju inline rada treba ugraditi vertikalnu cijev za odvod plina i primijeniti plinsku pumpu.

Literatura / reference

• 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.