Afgasning og afskumning af væsker med ultralyd

Afgasning og afskumning af væsker med ultralyd er en meget effektiv proces. Sonikering fjerner små suspenderede gasbobler fra væsken og reducerer indholdet af opløst gas til under det naturlige ligevægtsniveau.

Afgasning og afskumning af væsker er nødvendig til mange formål, såsom følgende processer:

• prøveforberedelse før måling af partikelstørrelse for at undgå målefejl
• afgasning af olie og smøremidler før pumpning for at reducere slid på pumper som følge af kavitation
• afgasning af flydende fødevarer, f.eks. juice, sauce eller vin, for at reducere mikrobiel vækst og forlænge holdbarheden
• afgasning af polymerer og lakker før påføring, hærdning eller vakuuminfusion

Ved sonikering af væsker medfører lydbølgerne, som udbreder sig fra den udstrålende overflade ind i de flydende medier, skiftende højtryks- og lavtrykscyklusser med en gentagelseshastighed, der afhænger af frekvensen. Under lavtrykscyklussen kan ultralydsbølgerne skabe små vakuumbobler eller hulrum i væsken. Det store antal små bobler giver et stort samlet overfladeareal af boblerne. Boblerne er også godt fordelt i væsken. Opløst gas vandrer ind i disse vakuumbobler via det store overfladeareal og øger boblernes størrelse.
De akustiske bølger fremmer kontakt og sammensmeltning mellem tilstødende bobler, hvilket får boblerne til at vokse hurtigere. Sonikeringsbølgerne hjælper også med at ryste bobler løs fra beholdernes overflader og tvinger mindre bobler, som befinder sig under væskeoverfladen, til at stige op gennem væsken og frigive den indesluttede gas til omgivelserne.

Prøv det selv

Processen med afgasning og afskumning af væsker kan nemt gøres synlig. I et bægerglas med frisk ophældt postevand får sonikering de små suspenderede bobler til at smelte sammen og hurtigt stige op. Du kan se denne effekt i billedserien nedenfor.

Afgasning af vand med ultralyd (5 sekunder)

Olie, der er blevet omrørt, indeholder et stort antal suspenderede bobler eller skum. Dette er især et problem i kølevæsker. Her fremmer gasboblerne kavitationsbetinget slid i pumper eller dyser. Billedserien nedenfor viser effekten af afskumning med ultralyd.

Afgasning med ultralyd: Indesluttede gasbobler fjernes fra olie ved hjælp af ultralydsapparatet UP400St

Sonikering danner små vakuumbobler i klart vand, der har stået et stykke tid. Disse bobler fyldes med opløst gas, som vandrer ind i boblerne. Derfor vokser boblerne og stiger op. Afgasningseffekten er tydeligt synlig i enhver gennemskinnelig væske.
Da ultralyden fremmer de små suspenderede boblers opstigning til væskeoverfladen, reducerer den også kontakttiden mellem boblen og væsken. Af denne grund begrænser den også genopløsningen af gas fra boblen i væsken. Dette er af særlig interesse for væsker med højere viskositet, såsom olier eller harpikser. Da boblerne skal bevæge sig op til væskeoverfladen, fungerer afgasning med ultralyd bedre, hvis beholderen er lav, så tiden til overfladen er kortere.

Ud over de synlige effekter

Måling af afgasningseffekterne ved visuel inspektion har begrænset nøjagtighed. Målinger af gasindholdet er en mere nøjagtig måde at vurdere effektiviteten af afgasning med ultralyd på.

Væsker indeholder en vis mængde opløst gas. Gaskoncentrationen afhænger af faktorer såsom temperatur, omgivende tryk eller omrøring af væsken. Under konstante forhold nærmer gaskoncentrationen sig en ligevægt. Afgasning med ultralyd ændrer forholdene, fordi væsken udsættes for bobler med lavt tryk og omrøring. Derfor sænker sonikering gaskoncentrationen i væsken til under ligevægtsniveauet.
Når sonikeringen stopper, og de oprindelige forhold genetableres, nærmer gaskoncentrationen sig langsomt det oprindelige ligevægtsniveau igen, medmindre væsken ikke udsættes for nogen gas, f.eks. i en lukket flaske. Da genopløsningen af gas i væsken foregår ret langsomt, er det muligt at arbejde med væsken med lavt gasindhold efter sonikering. Grafen nedenfor illustrerer denne effekt.

Illustration af afgasning af vand med ultralyd

Afgasning før emulgering og dispergering

Afgasning med ultralyd kan forbedre kvaliteten af dispersioner og emulsioner.

Problemet

Emulsioner og dispersioner indeholder ofte overfladeaktive stoffer for at øge deres stabilitet. De overfladeaktive stoffer hæmmer kontakt og sammensmeltning eller agglomerering af det dispergerede materiale i væskefasen. Til dette formål danner de overfladeaktive stoffer et lag omkring hver partikel. De samme overfladeaktive stoffer kan også indkapsle gasbobler, som er suspenderet i væskefasen. Sådanne stabiliserede bobler kan vise sig at være meget robuste. Stabiliserede bobler forbruger overfladeaktivt stof, reducerer emulsionens eller dispersionens kvalitet og kan give uregelmæssige måleresultater ved måling af partikelstørrelsen.

Løsningen: Afgasning med ultralyd

For at reducere problemet med stabiliserede gasbobler bør væsker afgasses ved sonikering. Før den disperse fase, såsom olie eller pulver, tilsættes, skal væsken sonikeres, indtil antallet af dannede bobler falder. Ved indblanding af andre materialer skal du undgå at danne nye bobler eller en hvirvel under omrøringen. Dannelse af nye bobler eller en hvirvel ville hurtigt øge gasindholdet.
 

Vandbaseret boremudder før og efter afgasning med ultralyd med ultralydsapparatet UIP1000hd
Undersøgelse og billede af Amani et al. 2016

Uddrivning af kuldioxid

Afgasningseffekten anvendes ved tæthedsprøvning af dåser og flasker med kulsyreholdige drikkevarer såsom cola, sodavand eller øl. Klik her for at få flere oplysninger om tæthedsprøvning af flasker.

Kort om afgasning med ultralyd

Afgasning af væsker med ultralyd fungerer bedre med følgende opsætning.

• Anvend lave til moderate ultralydsamplituder!
• Brug sonotroder med et stort overfladeareal, f.eks. radialt udstrålende sonotroder!
• Sørg for et lavt tryk eller vakuum over væskeoverfladen under sonikeringen!
• Opvarm væsken for at reducere dens viskositet!
• Brug en lav beholder til gasudskillelsen under eller efter sonikeringen!
• Undgå turbulent omrøring, så gasboblerne kan stige op!

Afgasning med ultralyd kan anvendes i batchdrift eller inline. Ved inline-drift bør der installeres et standrør til udledning af gassen og anvendes en gaspumpe.

Litteratur / Referencer

• 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.