Ultrazvukové odplyňování a odpěňování kapalin

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

Odplyňování a odpěňování kapalin je zapotřebí k mnoha účelům, například v následujících procesech:

• příprava vzorků před měřením velikosti částic, aby se zabránilo chybám měření
• odplyňování olejů a maziv před čerpáním za účelem snížení opotřebení čerpadel způsobeného kavitací
• odplyňování tekutých potravin, např. džusů, omáček nebo vína, za účelem omezení růstu mikroorganismů a prodloužení trvanlivosti
• odplyňování polymerů a laků před aplikací, vytvrzováním nebo vakuovou infuzí

Při sonikaci kapalin vedou zvukové vlny šířící se z vyzařovací plochy do kapalného média ke střídání cyklů vysokého a nízkého tlaku, jejichž četnost závisí na frekvenci. Během cyklu nízkého tlaku mohou ultrazvukové vlny v kapalině vytvářet malé vakuové bublinky neboli dutiny. Velký počet malých bublinek vytváří velkou celkovou plochu povrchu bublin. Bublinky jsou navíc v kapalině dobře rozptýleny. Rozpuštěný plyn přes tuto velkou plochu povrchu migruje do vakuových bublinek a zvětšuje jejich velikost.
Akustické vlny podporují dotyk a koalescenci sousedních bublin, což vede k jejich zrychlenému růstu. Sonikační vlny také pomáhají setřást bubliny ze stěn nádoby a přimějí menší bubliny nacházející se pod hladinou kapaliny vystoupat vzhůru a uvolnit zachycený plyn do okolí.

Vyzkoušejte si to

Proces odplyňování a odpěňování kapalin lze snadno zviditelnit. Ve skleněné kádince s čerstvě natočenou vodou z vodovodu přiměje sonikace malé suspendované bublinky ke koalescenci a k rychlému stoupání vzhůru. Tento efekt můžete vidět na obrázku znázorňujícím průběh níže.

Ultrazvukové odplyňování vody (5 sekund)

Míchaný olej obsahuje velké množství suspendovaných bublin nebo pěny. Problémem je to zejména u chladicích kapalin. Tam plynové bubliny podporují opotřebení čerpadel nebo trysek vyvolané kavitací. Obrázek znázorňující průběh níže ukazuje ultrazvukový odpěňovací účinek.

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

Sonikace vytváří v čiré, odstáté vodě malé vakuové bublinky. Tyto bublinky se plní rozpuštěným plynem, který do nich migruje. V důsledku toho bublinky rostou a stoupají vzhůru. Odplyňovací efekt je dobře viditelný v jakékoli průsvitné kapalině.
Protože ultrazvuk usnadňuje stoupání malých suspendovaných bublinek k hladině kapaliny, zkracuje také dobu kontaktu mezi bublinou a kapalinou. Z tohoto důvodu také omezuje opětovné rozpouštění plynu z bubliny do kapaliny. To je zvlášť zajímavé u kapalin s vyšší viskozitou, jako jsou oleje nebo pryskyřice. Protože se bubliny musí dostat k hladině kapaliny, funguje ultrazvukové odplyňování lépe, pokud je nádoba mělká, takže doba potřebná k dosažení hladiny je kratší.

Za hranicí viditelných efektů

Měření odplyňovacích účinků vizuální kontrolou má omezenou přesnost. Přesnějším způsobem, jak posoudit účinnost ultrazvukového odplyňování, jsou měření obsahu plynu.

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 přibližuje rovnovážnému stavu. Ultrazvukové odplyňování mění podmínky, protože kapalina je vystavena nízkotlakým bublinám a míchání. Sonikace proto sníží koncentraci plynu v kapalině pod rovnovážnou úroveň.
Když sonikace skončí a obnoví se původní podmínky, koncentrace plynu se bude opět pomalu přibližovat původní rovnovážné úrovni, ledaže kapalina není vystavena žádnému plynu, např. v uzavřené láhvi. Protože opětovné rozpouštění plynu v kapalině je poměrně pomalé, je možné s kapalinou s nízkým obsahem plynu po sonikaci pracovat. Graf níže tento efekt znázorňuje.

Znázornění ultrazvukového odplyňování vody

Odplyňování před emulgací a dispergací

Ultrazvukové odplyňování může zlepšit kvalitu disperzí a emulzí.

Problém

Emulze a disperze často obsahují tenzidy, aby se zvýšila jejich stabilita. Tenzidy brání kontaktu a koalescenci či aglomeraci dispergovaného materiálu v kapalné fázi. Za tímto účelem tvoří tenzidy kolem každé částice vrstvu. Tytéž tenzidy mohou také obalovat plynové bubliny suspendované v kapalné fázi. Takto stabilizované bubliny se mohou ukázat jako velmi odolné. Stabilizované bubliny spotřebovávají tenzid, snižují kvalitu emulze nebo disperze a mohou při měření velikosti částic vést k nespolehlivým, kolísavým hodnotám.

Řešení: ultrazvukové odplyňování

Aby se omezil problém stabilizovaných plynových bublin, měly by být kapaliny odplyněny sonikací. Před přidáním disperzní fáze, jako je olej nebo prášek, sonikujte kapalinu, dokud se počet vznikajících bublin nesníží. Při vmíchávání dalších materiálů se během míchání vyhněte vzniku nových bublin nebo víru. To by rychle zvýšilo obsah plynu.

Vrtný výplach na vodní bázi před ultrazvukovým odplyněním a po něm pomocí sonikátoru UIP1000hd
Studie a snímek: Amani et al. 2016

Vytěsnění oxidu uhličitého

Efekt odplynění se využívá při zkouškách těsnosti plechovek a lahví obsahujících sycené nápoje, jako je kola, limonáda nebo pivo. Klikněte prosím sem a získejte více informací o zkouškách těsnosti lahví.

Ultrazvukové odplyňování ve zkratce

Ultrazvukové odplyňování kapalin funguje lépe při použití následujícího uspořádání.

• Používejte nízké až střední amplitudy ultrazvuku!
• Používejte sonotrody s velkou plochou povrchu, např. radiálně vyzařující sonotrody!
• Během sonikace zajistěte nad hladinou kapaliny nízký tlak nebo vakuum!
• Kapalinu zahřejte, abyste snížili její viskozitu!
• Pro separaci plynu během sonikace nebo po ní používejte mělkou nádobu!
• Vyhněte se turbulentnímu míchání, aby plynové bubliny mohly stoupat vzhůru!

Ultrazvukové odplyňování lze provádět ve vsádkovém režimu nebo inline. V případě inline provozu by měla být instalována stoupací trubka pro odvod plynu a mělo by být použito plynové čerpadlo.

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.