Ultrazvukové odplyňování a odpěňování kapalin

Odplyňování a odpěňování kapalin pomocí ultrazvuku je velmi efektivní proces. Ultrazvuku odstraňuje malé suspendované plynové bubliny z kapaliny a snižuje hladinu rozpuštěného plynu pod přirozenou rovnovážnou úroveň.

Odplyňování a odpěňování kapalin je nutné pro mnoho účelů, jako jsou následující procesy:

• Příprava vzorku před měřením velikosti částic, aby se předešlo chybám měření
• Odplyňování oleje a maziva před čerpáním, aby se snížilo opotřebení čerpadla v důsledku kavitace
• odplyňování tekutých potravin, např. džusů, omáček nebo vína, aby se snížil růst mikroorganismů a prodloužila trvanlivost
• odplyňování polymerů a laků před aplikací, vytvrzováním nebo vakuovou infuzí

Při sonikaci kapalin mají zvukové vlny, které se šíří z vyzařujícího povrchu do kapalného média, za následek střídání vysokotlakých a nízkotlakých cyklů, přičemž rychlost závisí na frekvenci. Během nízkotlakého cyklu mohou ultrazvukové vlny vytvářet v kapalině malé vakuové bubliny nebo dutiny. Velké množství malých bublin vytváří vysokou celkovou plochu bublin. Bubliny jsou také dobře rozloženy v kapalině. Rozpuštěný plyn migruje do těchto vakuových bublin přes velkou plochu povrchu a zvětšuje velikost bublin.
Akustické vlny podporují dotyk a koalescenci sousedních bublin, což vede ke zrychlenému růstu bublin. Sonikační vlny také pomohou setřást bubliny z povrchů nádob a donutí menší bubliny spočívající pod povrchem kapaliny, aby stoupaly a uvolňovaly zachycený plyn do životního prostředí.

Vyzkoušejte si to

Proces odplyňování a odpěňování kapalin lze snadno zviditelnit. Ve skleněné kádince s čerstvě nalitou vodou z vodovodu ultrazvuku donutí malé zavěšené bubliny se spojit a rychle se pohybovat nahoru. Tento efekt můžete vidět na obrázku průběhu níže.

Ultrazvukové odplyňování vody (5 sekund)

Promíchaný olej obsahuje velké množství suspendovaných bublin nebo pěny. Zejména u chladicích kapalin je to problém. Tam plynové bubliny podporují opotřebení čerpadel nebo trysek způsobené kavitací. Níže uvedený obrázek průběhu ukazuje ultrazvukový odpěňovací efekt.

Ultrazvukové odplyňování: Zachycené plynové bubliny jsou z oleje odstraněny pomocí ultrazvukového přístroje UP400St

Sonikace vytvoří malé vakuové bubliny v čisté, zatuchlé vodě. Tyto bubliny se plní rozpuštěným plynem, který migruje do bublin. V důsledku toho bubliny rostou a pohybují se nahoru. Odplyňovací účinek je dobře viditelný v jakékoli průsvitné kapalině.
Vzhledem k tomu, že ultrazvuk zlepšuje stoupání malých suspendovaných bublin na povrch kapaliny, zkracuje se také doba kontaktu mezi bublinou a kapalinou. Z tohoto důvodu také omezuje opětovné rozpouštění plynu z bubliny do kapaliny. To je zvláště zajímavé pro kapaliny s vyšší viskozitou, jako jsou oleje nebo pryskyřice. Vzhledem k tomu, že bubliny se musí pohybovat na povrchu kapaliny, ultrazvukové odplyňování funguje lépe, pokud je nádoba mělká, takže doba k povrchu je kratší.

Za hranicemi viditelných efektů

Měření účinků odplyňování vizuální kontrolou je omezeno na přesnost. Měření obsahu plynů je přesnější způsob, jak zjistit účinnost ultrazvukového odplyňování.

Kapaliny obsahují určité množství rozpuštěného plynu. Koncentrace plynu závisí na faktorech, jako je teplota, okolní tlak nebo míchání kapaliny. Za konstantních podmínek se koncentrace plynu přiblíží rovnováze. Ultrazvukové odplyňování změní podmínky, protože kapalina je vystavena nízkotlakým bublinám a míchání. Proto ultrazvuku sníží koncentraci plynu v kapalině pod rovnovážnou úroveň.
Když se sonikace zastaví a počáteční podmínky jsou obnoveny, koncentrace plynu se pomalu znovu přiblíží počáteční rovnovážné úrovni, pokud kapalina není vystavena žádnému plynu, např. v uzavřené láhvi. Vzhledem k tomu, že opětovné rozpouštění plynu do kapaliny je poměrně pomalé, je možné po sonikaci pracovat s kapalinou s nízkým obsahem plynu. Tento efekt znázorňuje níže uvedený graf.

Ukázka ultrazvukového odplyňování vody

Odplyňování před emulgací a dispergací

Ultrazvukové odplyňování může zlepšit kvalitu disperzí a emulzí.

Problém

Emulze a disperze často obsahují povrchově aktivní látky, aby se zvýšila jejich stabilita. Povrchově aktivní látky inhibují kontakt a koalescenci nebo aglomeraci dispergovaného materiálu v kapalné fázi. Za tímto účelem povrchově aktivní látky vytvoří vrstvu kolem každé částice. Stejné povrchově aktivní látky mohou také zapouzdřit plynové bubliny, které jsou suspendovány v kapalné fázi. Takto stabilizované bubliny se mohou ukázat jako velmi robustní. Stabilizované bubliny spotřebovávají povrchově aktivní látku, snižují kvalitu emulze nebo disperze a mohou generovat nepravidelné hodnoty při měření velikosti částic.

Řešení: Ultrazvukové odplyňování

Aby se snížil problém stabilizovaných plynových bublin, kapaliny by měly být odplyňovány sonikací. Před přidáním disperzní fáze, jako je olej nebo prášek, sonikujte kapalinu, dokud se počet generovaných bublin nesníží. Při míchání jiných materiálů se vyvarujte vytváření nových bublin nebo víru při míchání. Tím by se rychle zvýšil obsah plynu.
 

Water-based drilling mud before and after ultrasonic degassing with the sonicator UIP1000hd
Studie a obrázek: Amani et al. 2016

Vytlačování oxidu uhličitého ven

Efekt odplynění se využívá při testování těsnosti plechovek a lahví obsahujících sycené nápoje, jako je cola, soda nebo pivo. Kliknutím sem získáte více informací o testování těsnosti lahví.

Ultrazvukové odplyňování ve zkratce

Ultrazvukové odplyňování kapalin funguje lépe při použití následujícího nastavení.

• Aplikujte nízké až střední ultrazvukové amplitudy!
• Používejte sonotrody s velkým povrchem, např. radiálně emitující sonotrody!
• Při sonikaci zajistěte nízký tlak nebo vakuum nad povrchem kapaliny!
• Kapalinu zahřejte, abyste snížili její viskozitu!
• Použijte mělkou nádobu pro oddělení plynu během nebo po sonikaci!
• Vyhněte se turbulentnímu míchání, aby se plynové bubliny mohly pohybovat nahoru!

Ultrazvukové odplyňování lze použít v dávkovém režimu nebo inline. V případě inline provozu by mělo být instalováno stoupací potrubí pro vypouštění plynu a mělo by být použito plynové čerpadlo.

Literatura / Reference