Nesteiden kaasunpoisto ja vaahdonpoisto ultraäänellä

Nesteiden kaasunpoisto ja vaahdonpoisto ultraäänellä on erittäin tehokas prosessi. Ultraäänikäsittely poistaa nesteestä pieniä suspendoituneita kaasukuplia ja laskee liuenneen kaasun pitoisuuden luonnollisen tasapainotason alapuolelle.

Nesteiden kaasunpoistoa ja vaahdonpoistoa tarvitaan moniin tarkoituksiin, kuten seuraaviin prosesseihin:

• näytteiden valmistelu ennen hiukkaskoon mittausta mittausvirheiden välttämiseksi
• öljyn ja voiteluaineiden kaasunpoisto ennen pumppausta kavitaation aiheuttaman pumpun kulumisen vähentämiseksi
• nestemäisten elintarvikkeiden, esimerkiksi mehun, kastikkeen tai viinin, kaasunpoisto mikrobikasvun vähentämiseksi ja säilyvyysajan pidentämiseksi
• polymeerien ja lakkojen kaasunpoisto ennen levitystä, kovettamista tai alipaineinfuusiota

Nesteiden ultraäänikäsittelyssä säteilevältä pinnalta nestemäiseen väliaineeseen etenevät ääniaallot synnyttävät vuorottelevia korkean ja matalan paineen jaksoja, joiden toistumisnopeus riippuu taajuudesta. Matalan paineen jakson aikana ultraääniaallot voivat synnyttää nesteeseen pieniä tyhjiökuplia tai onteloita. Pienten kuplien suuri määrä tuottaa suuren kuplien kokonaispinta-alan. Kuplat ovat myös jakautuneet hyvin nesteeseen. Liuennut kaasu siirtyy näihin tyhjiökupliin suuren pinta-alan kautta ja kasvattaa kuplien kokoa.
Ääniaallot edistävät vierekkäisten kuplien kosketusta ja yhdistymistä, mikä nopeuttaa kuplien kasvua. Ultraäänikäsittelyn aallot auttavat myös irrottamaan kuplia astian pinnoilta ja pakottavat nesteen pinnan alapuolella olevat pienemmät kuplat nousemaan pinnan läpi ja vapauttamaan niihin jääneen kaasun ympäristöön.

Kokeile itse

Nesteiden kaasunpoisto- ja vaahdonpoistoprosessi voidaan helposti tehdä näkyväksi. Kun lasiseen keittolasiin on juuri kaadettu vesijohtovettä, ultraäänikäsittely pakottaa pienet suspendoituneet kuplat yhdistymään ja nousemaan nopeasti ylöspäin. Tämä vaikutus näkyy alla olevassa kuvasarjassa.

Veden kaasunpoisto ultraäänellä (5 sekuntia)

Sekoitettu öljy sisältää suuren määrän suspendoituneita kuplia tai vaahtoa. Tämä on ongelma erityisesti jäähdytysnesteissä. Niissä kaasukuplat edistävät kavitaation aiheuttamaa pumppujen tai suuttimien kulumista. Alla oleva kuvasarja näyttää ultraäänen vaahdonpoistovaikutuksen.

Kaasunpoisto ultraäänellä: öljyyn jääneet kaasukuplat poistetaan ultraäänilaitteella UP400St

Ultraäänikäsittely synnyttää pieniä tyhjiökuplia kirkkaaseen, seisoneeseen veteen. Nämä kuplat täyttyvät liuenneella kaasulla, joka siirtyy kupliin. Tämän seurauksena kuplat kasvavat ja nousevat ylöspäin. Kaasunpoistovaikutus näkyy selvästi kaikissa läpikuultavissa nesteissä.
Koska ultraääni edistää pienten suspendoituneiden kuplien nousua nesteen pinnalle, se lyhentää myös kuplan ja nesteen välistä kosketusaikaa. Tästä syystä se rajoittaa myös kaasun uudelleenliukenemista kuplasta nesteeseen. Tämä on erityisen kiinnostavaa viskoosimpien nesteiden, kuten öljyjen tai hartsien, kohdalla. Koska kuplien on noustava nesteen pinnalle, kaasunpoisto ultraäänellä toimii paremmin matalassa astiassa, jossa pinnalle nousuun kuluu vähemmän aikaa.

Näkyviä vaikutuksia syvemmälle

Kaasunpoiston vaikutusten mittaaminen silmämääräisellä tarkastelulla on tarkkuudeltaan rajallista. Kaasupitoisuuden mittaukset ovat tarkempi tapa arvioida ultraäänellä tehtävän kaasunpoiston tehokkuutta.

Nesteet sisältävät tietyn määrän liuennutta kaasua. Kaasun pitoisuus riippuu esimerkiksi lämpötilasta, ympäristön paineesta ja nesteen sekoittamisesta. Vakio-olosuhteissa kaasupitoisuus lähestyy tasapainoa. Kaasunpoisto ultraäänellä muuttaa olosuhteita, koska neste altistuu matalapaineisille kuplille ja sekoitukselle. Siksi ultraäänikäsittely laskee nesteen kaasupitoisuuden tasapainotason alapuolelle.
Kun ultraäänikäsittely lopetetaan ja alkuperäiset olosuhteet palautetaan, kaasupitoisuus lähestyy jälleen hitaasti alkuperäistä tasapainotasoa, ellei neste ole suojassa kaikilta kaasuilta esimerkiksi suljetussa pullossa. Koska kaasun uudelleenliukeneminen nesteeseen on melko hidasta, vähäkaasuista nestettä voidaan käyttää ultraäänikäsittelyn jälkeen. Alla oleva kaavio havainnollistaa tätä vaikutusta.

Havainnollistus veden kaasunpoistosta ultraäänellä

Kaasunpoisto ennen emulgointia ja dispergointia

Kaasunpoisto ultraäänellä voi parantaa dispersioiden ja emulsioiden laatua.

Ongelma

Emulsiot ja dispersiot sisältävät usein pinta-aktiivisia aineita niiden stabiilisuuden parantamiseksi. Pinta-aktiiviset aineet estävät dispergoidun materiaalin kosketusta ja yhdistymistä tai agglomeroitumista nestefaasissa. Tätä varten pinta-aktiiviset aineet muodostavat kerroksen jokaisen hiukkasen ympärille. Samat pinta-aktiiviset aineet voivat myös ympäröidä nestefaasiin suspendoituneita kaasukuplia. Näin stabiloidut kuplat voivat osoittautua erittäin kestäviksi. Stabiloidut kuplat kuluttavat pinta-aktiivista ainetta, heikentävät emulsion tai dispersion laatua ja voivat aiheuttaa epäsäännöllisiä mittaustuloksia hiukkaskokoa mitattaessa.

Ratkaisu: kaasunpoisto ultraäänellä

Stabiloitujen kaasukuplien aiheuttaman ongelman vähentämiseksi nesteistä tulisi poistaa kaasu ultraäänikäsittelyllä. Käsittele nestettä ultraäänellä ennen dispergoitavan faasin, kuten öljyn tai jauheen, lisäämistä, kunnes muodostuvien kuplien määrä vähenee. Kun sekoitat joukkoon muita materiaaleja, vältä uusien kuplien tai pyörteen muodostumista sekoituksen aikana. Niiden muodostuminen lisäisi kaasupitoisuutta nopeasti.
 

Vesipohjainen porausliete ennen kaasunpoistoa ultraäänellä ja sen jälkeen ultraäänilaitteella UIP1000hd
Tutkimus ja kuva: Amani ym. 2016

Hiilidioksidin poistaminen

Kaasunpoiston vaikutusta hyödynnetään hiilihapotettuja juomia, kuten kolaa, virvoitusjuomia tai olutta, sisältävien tölkkien ja pullojen vuototestauksessa. Napsauta tästä saadaksesi lisätietoja pullojen vuototestauksesta.

Kaasunpoisto ultraäänellä lyhyesti

Nesteiden kaasunpoisto ultraäänellä toimii paremmin seuraavilla järjestelyillä.

• Käytä pieniä tai kohtalaisia ultraääniamplitudeja!
• Käytä sonotrodeja, joiden pinta-ala on suuri, esimerkiksi säteittäisesti säteileviä sonotrodeja!
• Järjestä nesteen pinnan yläpuolelle matala paine tai tyhjiö ultraäänikäsittelyn ajaksi!
• Lämmitä nestettä sen viskositeetin pienentämiseksi!
• Käytä matalaa astiaa kaasun erottamiseen ultraäänikäsittelyn aikana tai sen jälkeen!
• Vältä turbulenttista sekoitusta, jotta kaasukuplat pääsevät nousemaan ylöspäin!

Kaasunpoistoa ultraäänellä voidaan käyttää eräprosessina tai jatkuvatoimisesti virtauslinjassa. Jatkuvatoimisessa virtauslinjakäytössä tulisi asentaa pystyputki kaasun poistamista varten ja käyttää kaasupumppua.

Kirjallisuus / Lähteet

• 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.