گاززدایی و کف‌زدایی فراصوتی مایعات

گاززدایی و کف‌زدایی مایعات با استفاده از فراصوت، فرایندی بسیار مؤثر است. فراصوت‌دهی حباب‌های کوچک گاز معلق را از مایع حذف می‌کند و میزان گاز حل‌شده را به کمتر از سطح تعادل طبیعی کاهش می‌دهد.

گاززدایی و کف‌زدایی مایعات برای مقاصد بسیاری، از جمله فرایندهای زیر، ضروری است:

• آماده‌سازی نمونه پیش از اندازه‌گیری اندازهٔ ذرات برای جلوگیری از خطاهای اندازه‌گیری
• گاززدایی روغن و روانکار پیش از پمپاژ برای کاهش سایش پمپ ناشی از کاویتاسیون
• گاززدایی مواد غذایی مایع، مانند آب‌میوه، سس یا شراب، برای کاهش رشد میکروبی و افزایش ماندگاری
• گاززدایی پلیمرها و لاک‌ها پیش از اعمال، پخت یا تزریق تحت خلأ

هنگام فراصوت‌دهی مایعات، امواج صوتی که از سطح تابش‌کننده به محیط مایع منتشر می‌شوند، چرخه‌های متناوب پرفشار و کم‌فشار ایجاد می‌کنند که آهنگ تکرار آن‌ها به فرکانس بستگی دارد. در چرخهٔ کم‌فشار، امواج فراصوت می‌توانند حباب‌های کوچک خلأ یا حفره‌هایی در مایع ایجاد کنند. تعداد زیاد حباب‌های کوچک باعث می‌شود مجموع مساحت سطح حباب‌ها زیاد باشد. همچنین حباب‌ها به‌خوبی در مایع توزیع می‌شوند. گاز حل‌شده از طریق این سطح گسترده به درون حباب‌های خلأ منتقل می‌شود و اندازهٔ حباب‌ها را افزایش می‌دهد.
امواج آکوستیکی به تماس و هم‌جوشی حباب‌های مجاور کمک می‌کنند و در نتیجه رشد حباب‌ها شتاب می‌گیرد. امواج فراصوت‌دهی همچنین به جدا شدن حباب‌ها از سطوح ظرف بر اثر ارتعاش کمک می‌کنند و حباب‌های کوچک‌ترِ مستقر در زیر سطح مایع را وادار می‌کنند به سطح برسند و گاز محبوس را در محیط آزاد کنند.

خودتان آزمایش کنید

فرایند گاززدایی و کف‌زدایی مایعات را می‌توان به‌آسانی قابل مشاهده کرد. در یک بشر شیشه‌ای حاوی آب لوله‌کشی که تازه در آن ریخته شده است، فراصوت‌دهی حباب‌های کوچک معلق را وادار می‌کند به هم بپیوندند و به‌سرعت بالا بروند. این اثر را می‌توانید در تصویر مراحل پیشرفت فرایند در زیر ببینید.

گاززدایی فراصوتی آب (5 ثانیه)

روغن هم‌زده‌شده حاوی تعداد زیادی حباب معلق یا کف است. این موضوع به‌ویژه در سیالات خنک‌کننده مشکل‌ساز است. در این سیالات، حباب‌های گاز سایش ناشی از کاویتاسیون را در پمپ‌ها یا نازل‌ها تشدید می‌کنند. تصویر مراحل پیشرفت فرایند در زیر، اثر کف‌زدایی فراصوتی را نشان می‌دهد.

گاززدایی فراصوتی: حباب‌های گاز محبوس با استفاده از سونیکاتور UP400St از روغن حذف می‌شوند

فراصوت‌دهی در آب زلالِ مانده، حباب‌های کوچک خلأ ایجاد می‌کند. این حباب‌ها با گاز حل‌شده‌ای که به درون آن‌ها منتقل می‌شود، پر می‌شوند. در نتیجه، حباب‌ها رشد می‌کنند و بالا می‌روند. اثر گاززدایی در هر مایع نورگذری به‌خوبی قابل مشاهده است.
از آنجا که فراصوت بالا آمدن حباب‌های کوچک معلق تا سطح مایع را تسهیل می‌کند، زمان تماس حباب و مایع را نیز کاهش می‌دهد. به همین دلیل، حل شدن مجدد گاز از حباب در مایع را هم محدود می‌کند. این موضوع برای مایعات با گران‌روی بالاتر، مانند روغن‌ها یا رزین‌ها، اهمیت ویژه‌ای دارد. چون حباب‌ها باید به سطح مایع برسند، گاززدایی فراصوتی در ظرف کم‌عمق بهتر عمل می‌کند، زیرا زمان رسیدن به سطح کوتاه‌تر است.

فراتر از اثرات قابل مشاهده

اندازه‌گیری اثرات گاززدایی از طریق بررسی چشمی، دقت محدودی دارد. اندازه‌گیری میزان گاز، روش دقیق‌تری برای ارزیابی کارایی گاززدایی فراصوتی است.

سیالات حاوی مقدار معینی گاز حل‌شده هستند. غلظت گاز به عواملی مانند دما، فشار محیط یا هم‌زدن مایع بستگی دارد. در شرایط ثابت، غلظت گاز به تعادل نزدیک می‌شود. گاززدایی فراصوتی شرایط را تغییر می‌دهد، زیرا مایع در معرض حباب‌های کم‌فشار و هم‌زدن قرار می‌گیرد. بنابراین، فراصوت‌دهی غلظت گاز در مایع را به کمتر از سطح تعادل کاهش می‌دهد.
هنگامی که فراصوت‌دهی متوقف شود و شرایط اولیه دوباره برقرار گردد، غلظت گاز به‌آرامی دوباره به سطح تعادل اولیه نزدیک می‌شود، مگر آنکه مایع در معرض هیچ گازی نباشد، برای مثال در یک بطری بسته. از آنجا که حل شدن مجدد گاز در مایع نسبتاً کند است، می‌توان پس از فراصوت‌دهی با مایع کم‌گاز کار کرد. نمودار زیر این اثر را نشان می‌دهد.

نمایش گاززدایی فراصوتی آب

گاززدایی پیش از امولسیون‌سازی و پراکنده‌سازی

گاززدایی فراصوتی می‌تواند کیفیت دیسپرسیون‌ها و امولسیون‌ها را بهبود دهد.

مشکل

امولسیون‌ها و دیسپرسیون‌ها اغلب برای افزایش پایداری خود حاوی مواد فعال سطحی هستند. مواد فعال سطحی از تماس و هم‌جوشی یا تجمع مواد پراکنده‌شده در فاز مایع جلوگیری می‌کنند. برای این منظور، مواد فعال سطحی لایه‌ای پیرامون هر ذره تشکیل می‌دهند. همین مواد فعال سطحی می‌توانند حباب‌های گاز معلق در فاز مایع را نیز احاطه کنند. چنین حباب‌های پایدارشده‌ای ممکن است بسیار مقاوم باشند. حباب‌های پایدارشده مواد فعال سطحی را مصرف می‌کنند، کیفیت امولسیون یا دیسپرسیون را کاهش می‌دهند و می‌توانند هنگام اندازه‌گیری اندازهٔ ذرات، قرائت‌های نامنظم ایجاد کنند.

راه‌حل: گاززدایی فراصوتی

برای کاهش مشکل حباب‌های گاز پایدارشده، مایعات باید با فراصوت‌دهی گاززدایی شوند. پیش از افزودن فاز پراکنده، مانند روغن یا پودر، مایع را تا زمانی فراصوت‌دهی کنید که تعداد حباب‌های تولیدشده کاهش یابد. هنگام مخلوط کردن مواد دیگر، از ایجاد حباب‌های جدید یا گردابه در حین هم‌زدن جلوگیری کنید. این کار میزان گاز را به‌سرعت افزایش می‌دهد.
 

گل حفاری پایه‌آبی پیش و پس از گاززدایی فراصوتی با سونیکاتور UIP1000hd
پژوهش و تصویر از Amani et al. 2016

بیرون راندن دی‌اکسید کربن

از اثر گاززدایی در آزمون نشتی قوطی‌ها و بطری‌های حاوی نوشیدنی‌های گازدار، مانند کولا، سودا یا آبجو، استفاده می‌شود. برای کسب اطلاعات بیشتر دربارهٔ آزمون نشتی بطری، لطفاً اینجا کلیک کنید.

گاززدایی فراصوتی در یک نگاه

گاززدایی فراصوتی مایعات با به‌کارگیری آرایش و شرایط زیر بهتر عمل می‌کند.

• از دامنه‌های فراصوتی کم تا متوسط استفاده کنید!
• از سونوتْرودهایی با مساحت سطح زیاد، مانند سونوتْرودهای دارای تابش شعاعی، استفاده کنید!
• هنگام فراصوت‌دهی، بالای سطح مایع فشار کم یا خلأ ایجاد کنید!
• مایع را گرم کنید تا گران‌روی آن کاهش یابد!
• برای جداسازی گاز در حین فراصوت‌دهی یا پس از آن، از ظرف کم‌عمق استفاده کنید!
• از هم‌زدن متلاطم خودداری کنید تا حباب‌های گاز بتوانند بالا بروند!

گاززدایی فراصوتی را می‌توان به‌صورت ناپیوسته یا درون‌خطی انجام داد. در عملیات درون‌خطی، باید یک لولهٔ قائم برای تخلیهٔ گاز نصب و از یک پمپ گاز استفاده شود.

منابع علمی / مراجع

• 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.