Dégazage et démoussage des liquides par ultrasons

Le dégazage et le démoussage des liquides par ultrasons constituent un procédé très efficace. La sonication élimine les petites bulles de gaz en suspension dans le liquide et abaisse la teneur en gaz dissous en dessous du niveau d’équilibre naturel.

Le dégazage et le démoussage des liquides sont nécessaires à de nombreuses fins, notamment dans les procédés suivants :

• préparation des échantillons avant la mesure de la taille des particules afin d’éviter les erreurs de mesure
• dégazage des huiles et des lubrifiants avant le pompage afin de réduire l’usure des pompes due à la cavitation
• dégazage des aliments liquides, par exemple les jus, les sauces ou le vin, afin de réduire la croissance microbienne et de prolonger la durée de conservation
• dégazage des polymères et des vernis avant l’application, le durcissement ou l’infusion sous vide

Lors de la sonication des liquides, les ondes sonores qui se propagent depuis la surface émettrice dans le milieu liquide produisent une alternance de cycles de haute et de basse pression, dont la cadence dépend de la fréquence. Pendant le cycle de basse pression, les ondes ultrasonores peuvent créer de petites bulles de vide ou des cavités dans le liquide. Le grand nombre de petites bulles produit une surface totale de bulles élevée. Les bulles sont également bien réparties dans le liquide. Le gaz dissous migre dans ces bulles de vide à travers cette grande surface et augmente la taille des bulles.
Les ondes acoustiques favorisent le contact et la coalescence des bulles adjacentes, ce qui accélère leur croissance. Les ondes de sonication contribuent également à détacher les bulles des parois du récipient et forcent les petites bulles situées sous la surface du liquide à remonter et à libérer le gaz piégé dans le milieu environnant.

Faites le test

Le procédé de dégazage et de démoussage des liquides peut facilement être rendu visible. Dans un bécher en verre contenant de l’eau du robinet qui vient d’être versée, la sonication force les petites bulles en suspension à fusionner et à remonter rapidement. Vous pouvez observer cet effet dans l’image ci-dessous, qui montre l’évolution du processus.

Dégazage de l’eau par ultrasons (5 secondes)

L’huile agitée contient un grand nombre de bulles en suspension ou de la mousse. Cela pose notamment problème dans les liquides de refroidissement. Les bulles de gaz y favorisent l’usure des pompes ou des buses provoquée par la cavitation. L’image ci-dessous montre l’évolution de l’effet de démoussage par ultrasons.

Dégazage par ultrasons : les bulles de gaz piégées sont éliminées de l’huile à l’aide de l’appareil à ultrasons UP400St

La sonication génère de petites bulles de vide dans de l’eau claire ayant reposé. Ces bulles se remplissent de gaz dissous qui migre dans les bulles. Elles grossissent donc et remontent. L’effet de dégazage est bien visible dans tout liquide translucide.
Comme les ultrasons favorisent la remontée des petites bulles en suspension vers la surface du liquide, ils réduisent également le temps de contact entre la bulle et le liquide. Ils limitent ainsi aussi la redissolution du gaz de la bulle dans le liquide. Cela présente un intérêt particulier pour les liquides de viscosité élevée, tels que les huiles ou les résines. Puisque les bulles doivent remonter jusqu’à la surface du liquide, le dégazage par ultrasons fonctionne mieux dans un récipient peu profond, qui réduit le temps nécessaire pour atteindre la surface.

Au-delà des effets visibles

La mesure des effets du dégazage par inspection visuelle offre une précision limitée. Les mesures de la teneur en gaz permettent d’évaluer plus précisément l’efficacité du dégazage par ultrasons.

Les fluides contiennent une certaine quantité de gaz dissous. La concentration en gaz dépend de facteurs tels que la température, la pression ambiante ou l’agitation du liquide. Dans des conditions constantes, la concentration en gaz tend vers un équilibre. Le dégazage par ultrasons modifie ces conditions, car le liquide est soumis à des bulles de basse pression et à une agitation. La sonication abaisse donc la concentration en gaz dans le liquide en dessous du niveau d’équilibre.
Lorsque la sonication s’arrête et que les conditions initiales sont rétablies, la concentration en gaz tend lentement à revenir au niveau d’équilibre initial, sauf si le liquide n’est exposé à aucun gaz, par exemple dans une bouteille fermée. Comme la redissolution du gaz dans le liquide est assez lente, il est possible de travailler avec le liquide à faible teneur en gaz après la sonication. Le graphique ci-dessous illustre cet effet.

Illustration du dégazage de l’eau par ultrasons

Dégazage avant l’émulsification et la dispersion

Le dégazage par ultrasons peut améliorer la qualité des dispersions et des émulsions.

Le problème

Les émulsions et les dispersions contiennent souvent des tensioactifs afin d’accroître leur stabilité. Les tensioactifs inhibent le contact et la coalescence ou l’agglomération de la matière dispersée dans la phase liquide. Pour cela, ils forment une couche autour de chaque particule. Ces mêmes tensioactifs peuvent également encapsuler les bulles de gaz en suspension dans la phase liquide. Les bulles ainsi stabilisées peuvent se révéler très résistantes. Elles consomment du tensioactif, réduisent la qualité de l’émulsion ou de la dispersion et peuvent produire des résultats de mesure erratiques lors de la mesure de la taille des particules.

La solution : le dégazage par ultrasons

Pour atténuer le problème des bulles de gaz stabilisées, les liquides doivent être dégazés par sonication. Avant d’ajouter la phase dispersée, telle que l’huile ou la poudre, soumettez le liquide à une sonication jusqu’à ce que le nombre de bulles générées diminue. Lors de l’incorporation d’autres matières, évitez de générer de nouvelles bulles ou un vortex pendant l’agitation. Cela augmenterait rapidement la teneur en gaz.
 

Boue de forage à base d’eau avant et après le dégazage par ultrasons avec l’appareil à ultrasons UIP1000hd
Étude et image d’Amani et al. 2016

Expulser le dioxyde de carbone

L’effet du dégazage est utilisé pour les tests d’étanchéité des canettes et des bouteilles contenant des boissons gazeuses, telles que le cola, les sodas ou la bière. Cliquez ici pour obtenir davantage d’informations sur les tests d’étanchéité des bouteilles.

Le dégazage par ultrasons en bref

Le dégazage des liquides par ultrasons fonctionne mieux dans les conditions suivantes.

• Appliquez des amplitudes ultrasonores faibles à modérées !
• Utilisez des sonotrodes présentant une grande surface, par exemple des sonotrodes à émission radiale !
• Maintenez une basse pression ou un vide au-dessus de la surface du liquide pendant la sonication !
• Chauffez le liquide pour réduire sa viscosité !
• Utilisez un récipient peu profond pour la séparation du gaz pendant ou après la sonication !
• Évitez une agitation turbulente afin de permettre aux bulles de gaz de remonter !

Le dégazage par ultrasons peut être utilisé par lots ou en ligne. Pour un fonctionnement en ligne, il convient d’installer un tube vertical d’évacuation du gaz et d’utiliser une pompe à gaz.

Bibliographie / Références

• 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.