Vedelike ultraheli degaseerimine ja vahutamise vähendamine

Vedelike degaseerimine ja vahu hävitamine ultraheli abil on väga tõhus protsess. Ultraheli töötlus eemaldab vedelikust väikesed hõljuvad gaasimullid ja vähendab lahustunud gaasi taset alla loomuliku tasakaalutaseme.

Vedelike degaseerimine ja vahu hävitamine on vajalik paljudel eesmärkidel, näiteks järgmistes protsessides:

• proovi ettevalmistamine enne osakeste suuruse mõõtmist mõõtmisvigade vältimiseks
• õli ja määrdeaine degaseerimine enne pumpamist, et vähendada kavitatsioonist tingitud pumba kulumist
• vedelate toiduainete, nt mahla, kastme või veini degaseerimine mikroobide kasvu vähendamiseks ja säilivusaja pikendamiseks
• polümeeride ja lakkide degaseerimine enne pealekandmist, kõvastamist või vaakuminfusiooni

Vedelike ultraheli töötlemisel (sonikeerimisel) tekitavad kiirgavalt pinnalt vedelasse keskkonda levivad helilained vahelduvaid kõrgrõhu- ja madalrõhutsükleid, mille sagedus sõltub kasutatavast sagedusest. Madalrõhutsükli ajal võivad ultrahelilained tekitada vedelikus väikseid vaakumimulle ehk tühimikke. Suur arv väikseid mulle moodustab suure mullipinna kogupindala. Mullid on ka vedelikus hästi jaotunud. Lahustunud gaas migreerub nendesse vaakumimullidesse suure pindala kaudu ja suurendab mullide suurust.
Akustilised lained soodustavad külgnevate mullide kokkupuudet ja koalestsentsi, mis viib mullide kiirenenud kasvuni. Ultraheli lained aitavad ka mulle anuma pindadelt maha raputada ning sunnivad vedeliku pinna all asuvaid väiksemaid mulle läbi vedeliku tõusma ja lõksu jäänud gaasi keskkonda vabastama.

Proovige järele

Vedelike degaseerimise ja vahu hävitamise protsessi on lihtne nähtavaks teha. Klaasist keeduklaasis värskelt valatud kraanivees sunnib ultraheli töötlus väikesed hõljuvad mullid ühinema ja kiiresti ülespoole liikuma. Seda efekti näete allolevalt etapipildilt.

Vee ultraheli degaseerimine (5 sekundit)

Segatud õli sisaldab suurt hulka hõljuvaid mulle ehk vahtu. Eriti jahutusvedelikes on see probleem. Seal soodustavad gaasimullid kavitatsioonist tingitud kulumist pumpades või düüsides. Allolev etapipilt näitab ultraheli vahu hävitamise efekti.

Ultraheli degaseerimine: lõksu jäänud gaasimullid eemaldatakse õlist ultraheli seadmega UP400St

Ultraheli töötlus tekitab selges, seisnud vees väikseid vaakumimulle. Need mullid täituvad lahustunud gaasiga, mis migreerub mullidesse. Seetõttu mullid kasvavad ja liiguvad ülespoole. Degaseerimisefekt on hästi nähtav igas läbipaistvas vedelikus.
Kuna ultraheli kiirendab väikeste hõljuvate mullide tõusmist vedeliku pinnale, lühendab see ka mulli ja vedeliku kokkupuuteaega. Seetõttu piirab see ka gaasi uuesti lahustumist mullist vedelikku. See on eriti oluline suurema viskoossusega vedelike, näiteks õlide või vaikude puhul. Kuna mullid peavad jõudma vedeliku pinnale, töötab ultraheli degaseerimine paremini, kui anum on madal, nii et aeg pinnani on lühem.

Nähtavatest efektidest kaugemale

Degaseerimisefektide mõõtmine visuaalse vaatluse teel on täpsuselt piiratud. Gaasisisalduse mõõtmised on täpsem viis ultraheli degaseerimise tõhususe hindamiseks.

Vedelikud sisaldavad teatud hulga lahustunud gaasi. Gaasi kontsentratsioon sõltub teguritest, nagu temperatuur, ümbritsev rõhk või vedeliku segamine. Püsivates tingimustes läheneb gaasi kontsentratsioon tasakaalule. Ultraheli degaseerimine muudab tingimusi, sest vedelik puutub kokku madalrõhumullide ja segamisega. Seetõttu langetab ultraheli töötlus gaasi kontsentratsiooni vedelikus alla tasakaalutaseme.
Kui ultraheli töötlus lõpeb ja algtingimused taastuvad, läheneb gaasi kontsentratsioon aeglaselt uuesti esialgsele tasakaalutasemele, välja arvatud juhul, kui vedelik ei puutu kokku ühegi gaasiga, nt suletud pudelis. Kuna gaasi uuesti lahustumine vedelikku on üsna aeglane, on pärast ultraheli töötlust võimalik töötada vähese gaasisisaldusega vedelikuga. Allolev graafik illustreerib seda efekti.

Vee ultraheli degaseerimise illustratsioon

Degaseerimine enne emulgeerimist ja dispergeerimist

Ultraheli degaseerimine võib parandada dispersioonide ja emulsioonide kvaliteeti.

Probleem

Sageli sisaldavad emulsioonid ja dispersioonid stabiilsuse suurendamiseks pindaktiivseid aineid. Pindaktiivsed ained takistavad dispergeeritud materjali kokkupuudet ja koalestsentsi või aglomeratsiooni vedelas faasis. Selleks moodustavad pindaktiivsed ained iga osakese ümber kihi. Samad pindaktiivsed ained võivad kapseldada ka vedelas faasis hõljuvaid gaasimulle. Sellised stabiliseeritud mullid võivad osutuda väga vastupidavaks. Stabiliseeritud mullid tarbivad pindaktiivset ainet, vähendavad emulsiooni või dispersiooni kvaliteeti ja võivad osakeste suuruse mõõtmisel anda ebakindlaid näite.

Lahendus: ultraheli degaseerimine

Stabiliseeritud gaasimullide probleemi vähendamiseks tuleks vedelikke degaseerida ultraheli töötlusega. Enne dispergeeritava faasi, näiteks õli või pulbri lisamist töödelge vedelikku ultrahelilainetega, kuni tekkinud mullide arv väheneb. Muude materjalide sisse segamisel vältige segamise ajal uute mullide või keerise teket. See suurendaks gaasisisaldust kiiresti.

Veepõhine puurmuda enne ja pärast ultraheli degaseerimist sonikaatoriga UIP1000hd
Uuring ja pilt: Amani jt 2016

Süsinikdioksiidi väljasurumine

Degaseerimisefekti kasutatakse karboniseeritud jooke, nagu kola, sooda või õlu, sisaldavate purkide ja pudelite lekketestimisel. Pudelite lekketestimise kohta lisateabe saamiseks klõpsake siia.

Ultraheli degaseerimine lühidalt

Vedelike ultraheli degaseerimine töötab paremini, kui kasutatakse järgmist seadistust.

• Rakendage madalaid kuni mõõdukaid ultraheli amplituude!
• Kasutage suure pindalaga sonotroode, nt radiaalselt kiirgavaid sonotroode!
• Looge ultraheli töötluse ajal vedeliku pinna kohale madal rõhk või vaakum!
• Soojendage vedelikku, et vähendada selle viskoossust!
• Kasutage gaasi eraldamiseks ultraheli töötluse ajal või pärast seda madalat anumat!
• Vältige turbulentset segamist, et gaasimullid saaksid ülespoole liikuda!

Ultraheli degaseerimist saab kasutada perioodilises režiimis või voolurežiimis (inline). Voolurežiimis töötamise korral tuleks paigaldada gaasi väljavoolu püsttoru ja kasutada gaasipumpa.

Kirjandus / viited

• 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.