Desgasificación y eliminación de espuma de líquidos por ultrasonidos

La desgasificación y la eliminación de espuma de líquidos mediante ultrasonidos constituyen un proceso muy eficaz. La ultrasonicación elimina las pequeñas burbujas de gas suspendidas en el líquido y reduce el contenido de gas disuelto por debajo del nivel de equilibrio natural.

La desgasificación y la eliminación de espuma de líquidos son necesarias para numerosos fines, como los siguientes procesos:

• preparación de muestras antes de medir el tamaño de partícula para evitar errores de medición
• desgasificación de aceites y lubricantes antes del bombeo para reducir el desgaste de las bombas debido a la cavitación
• desgasificación de alimentos líquidos, como zumos, salsas o vino, para reducir el crecimiento microbiano y prolongar su vida útil
• desgasificación de polímeros y barnices antes de su aplicación, curado o infusión al vacío

Al sonicar líquidos, las ondas sonoras que se propagan desde la superficie emisora hacia el medio líquido producen ciclos alternos de alta y baja presión, cuyo ritmo depende de la frecuencia. Durante el ciclo de baja presión, las ondas ultrasónicas pueden crear pequeñas burbujas de vacío o cavidades en el líquido. El gran número de pequeñas burbujas genera una elevada superficie total de burbujas. Además, estas se distribuyen bien por todo el líquido. El gas disuelto migra hacia estas burbujas de vacío a través de su amplia superficie y aumenta el tamaño de las burbujas.
Las ondas acústicas favorecen el contacto y la coalescencia de las burbujas adyacentes, lo que acelera su crecimiento. Las ondas de sonicación también ayudan a desprender las burbujas de las superficies del recipiente y hacen que las burbujas más pequeñas situadas bajo la superficie del líquido asciendan hasta ella y liberen el gas atrapado al entorno.

Póngalo a prueba

El proceso de desgasificación y eliminación de espuma de líquidos puede observarse fácilmente. En un vaso de precipitados de vidrio con agua del grifo recién vertida, la ultrasonicación hace que las pequeñas burbujas suspendidas se unan por coalescencia y asciendan rápidamente. Puede observar este efecto en la secuencia de imágenes que aparece a continuación.

Desgasificación ultrasónica del agua (5 segundos)

El aceite agitado contiene una gran cantidad de burbujas suspendidas o espuma. Esto constituye un problema especialmente en los líquidos refrigerantes, donde las burbujas de gas favorecen el desgaste por cavitación en bombas o boquillas. La secuencia de imágenes que aparece a continuación muestra el efecto de la eliminación de espuma por ultrasonidos.

Desgasificación ultrasónica: las burbujas de gas atrapadas se eliminan del aceite mediante el ultrasonicador UP400St

La sonicación genera pequeñas burbujas de vacío en agua clara que ha permanecido en reposo. Estas burbujas se llenan de gas disuelto, que migra hacia ellas. Como resultado, las burbujas crecen y ascienden. El efecto de desgasificación es claramente visible en cualquier líquido translúcido.
Como los ultrasonidos favorecen el ascenso de las pequeñas burbujas suspendidas hasta la superficie del líquido, también reducen el tiempo de contacto entre la burbuja y el líquido. Por este motivo, limitan asimismo la redisolución del gas de la burbuja en el líquido. Esto resulta especialmente interesante para líquidos de mayor viscosidad, como aceites o resinas. Dado que las burbujas deben desplazarse hasta la superficie del líquido, la desgasificación ultrasónica funciona mejor si el recipiente es poco profundo, de modo que el tiempo necesario para alcanzar la superficie sea menor.

Más allá de los efectos visibles

La medición de los efectos de la desgasificación mediante inspección visual tiene una precisión limitada. Las mediciones del contenido de gas permiten evaluar con mayor precisión la eficiencia de la desgasificación ultrasónica.

Los fluidos contienen cierta cantidad de gas disuelto. La concentración de gas depende de factores como la temperatura, la presión ambiente o la agitación del líquido. En condiciones constantes, la concentración de gas tiende a alcanzar un equilibrio. La desgasificación ultrasónica modifica estas condiciones, ya que el líquido se expone a burbujas de baja presión y a agitación. Por tanto, la ultrasonicación reduce la concentración de gas en el líquido por debajo del nivel de equilibrio.
Cuando se detiene la sonicación y se restablecen las condiciones iniciales, la concentración de gas vuelve a aproximarse lentamente al nivel de equilibrio inicial, salvo que el líquido no esté expuesto a ningún gas, por ejemplo, en una botella cerrada. Como la redisolución del gas en el líquido es bastante lenta, es posible trabajar con el líquido de bajo contenido de gas después de la sonicación. El gráfico que aparece a continuación ilustra este efecto.

Ilustración de la desgasificación ultrasónica del agua

Desgasificación antes de la emulsificación y la dispersión

La desgasificación ultrasónica puede mejorar la calidad de las dispersiones y las emulsiones.

El problema

Las emulsiones y dispersiones suelen contener tensioactivos para aumentar su estabilidad. Los tensioactivos inhiben el contacto y la coalescencia o aglomeración del material disperso en la fase líquida. Para ello, forman una capa alrededor de cada partícula. Estos mismos tensioactivos también pueden encapsular las burbujas de gas suspendidas en la fase líquida. Las burbujas estabilizadas de este modo pueden resultar muy resistentes. Las burbujas estabilizadas consumen tensioactivo, reducen la calidad de la emulsión o dispersión y pueden generar lecturas erráticas al medir el tamaño de partícula.

La solución: desgasificación ultrasónica

Para reducir el problema de las burbujas de gas estabilizadas, los líquidos deben desgasificarse mediante sonicación. Antes de añadir la fase dispersa, como aceite o polvo, sonique el líquido hasta que disminuya el número de burbujas generadas. Al incorporar otros materiales, evite generar nuevas burbujas o un vórtice durante la agitación. Esto aumentaría rápidamente el contenido de gas.
 

Lodo de perforación a base de agua antes y después de la desgasificación ultrasónica con el sonicador UIP1000hd
Estudio e imagen de Amani et al. 2016

Expulsión del dióxido de carbono

El efecto de la desgasificación se utiliza en las pruebas de estanqueidad de latas y botellas que contienen bebidas carbonatadas, como refrescos de cola, gaseosas o cerveza. Haga clic aquí para obtener más información sobre las pruebas de estanqueidad de botellas.

Desgasificación ultrasónica en pocas palabras

La desgasificación ultrasónica de líquidos funciona mejor con la siguiente configuración.

• ¡Aplique amplitudes ultrasónicas bajas o moderadas!
• ¡Utilice sonotrodos con una gran superficie, por ejemplo, sonotrodos de emisión radial!
• ¡Mantenga una presión baja o un vacío sobre la superficie del líquido durante la sonicación!
• ¡Caliente el líquido para reducir su viscosidad!
• ¡Utilice un recipiente poco profundo para separar el gas durante o después de la sonicación!
• ¡Evite la agitación turbulenta para permitir que las burbujas de gas asciendan!

La desgasificación ultrasónica puede utilizarse por lotes o en línea. En el caso de una operación en línea, debe instalarse un tubo vertical para la evacuación del gas y utilizarse una bomba de gas.

Bibliografía / Referencias

• 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.