סילוק גזים והסרת קצף מנוזלים באמצעות אולטרסאונד

סילוק גזים והסרת קצף מנוזלים באמצעות אולטרסאונד הם תהליך יעיל מאוד. הטיפול באולטרסאונד מסלק מהנוזל בועות גז קטנות המרחפות בו ומפחית את רמת הגז המומס אל מתחת לרמת שיווי המשקל הטבעית.

סילוק גזים והסרת קצף מנוזלים נדרשים למטרות רבות, כגון התהליכים הבאים:

• הכנת דגימות לפני מדידת גודל חלקיקים למניעת שגיאות מדידה
• סילוק גזים משמנים ומחומרי סיכה לפני שאיבה להפחתת שחיקת המשאבה עקב קוויטציה
• סילוק גזים ממזונות נוזליים, כגון מיץ, רוטב או יין, לצמצום צמיחת מיקרואורגניזמים ולהארכת חיי המדף
• סילוק גזים מפולימרים ומלכות לפני יישום, הקשיה או החדרה בוואקום

בעת סוניקציה של נוזלים, גלי הקול המתפשטים מהמשטח המקרין אל התווך הנוזלי יוצרים מחזורים מתחלפים של לחץ גבוה ולחץ נמוך, בקצבים התלויים בתדר. במהלך מחזור הלחץ הנמוך, גלי האולטרסאונד יכולים ליצור בנוזל בועות ואקום קטנות או חללים. המספר הרב של הבועות הקטנות יוצר שטח פנים כולל גדול של הבועות. הבועות גם מפוזרות היטב בנוזל. גז מומס עובר לתוך בועות הוואקום הללו דרך שטח הפנים הגדול ומגדיל את הבועות.
הגלים האקוסטיים מסייעים למגע ולהתלכדות של בועות סמוכות, וכך מאיצים את גדילתן. גלי הסוניקציה גם מסייעים לנתק בועות ממשטחי הכלי וגורמים לבועות קטנות יותר, הנמצאות מתחת לפני הנוזל, לעלות אל פניו ולשחרר את הגז הכלוא לסביבה.

העמידו זאת למבחן

אפשר להמחיש בקלות את תהליך סילוק הגזים והסרת הקצף מנוזלים. בכוס מעבדה מזכוכית המכילה מי ברז שנמזגו זה עתה, הטיפול באולטרסאונד גורם לבועות הקטנות המרחפות במים להתלכד ולעלות במהירות. ניתן לראות השפעה זו בתמונת התקדמות התהליך שלהלן.

סילוק גזים ממים באמצעות אולטרסאונד (5 שניות)

שמן שעבר ערבול מכיל מספר רב של בועות מרחפות או קצף. הדבר בעייתי במיוחד בנוזלי קירור. בנוזלים אלה, בועות הגז מעודדות שחיקה עקב קוויטציה במשאבות או בנחירים. תמונת התקדמות התהליך שלהלן מציגה את השפעת הסרת הקצף באמצעות אולטרסאונד.

סילוק גזים באמצעות אולטרסאונד: בועות גז כלואות מסולקות משמן באמצעות מכשיר האולטרסאונד UP400St

סוניקציה יוצרת בועות ואקום קטנות במים צלולים שעמדו זמן מה. בועות אלה מתמלאות בגז מומס העובר לתוכן. כתוצאה מכך הבועות גדלות ועולות. השפעת סילוק הגזים ניכרת היטב בכל נוזל המעביר אור.
מכיוון שהאולטרסאונד משפר את עלייתן של בועות קטנות המרחפות בנוזל אל פניו, הוא גם מקצר את זמן המגע בין הבועה לנוזל. מסיבה זו, הוא גם מגביל את התמוססות הגז מחדש מהבועה אל הנוזל. יש לכך חשיבות מיוחדת בנוזלים בעלי צמיגות גבוהה יותר, כגון שמנים או שרפים. מכיוון שהבועות צריכות להגיע אל פני הנוזל, סילוק הגזים באמצעות אולטרסאונד פועל טוב יותר בכלי רדוד, שבו זמן ההגעה אל פני הנוזל קצר יותר.

מעבר להשפעות הנראות לעין

מדידת השפעות סילוק הגזים באמצעות בדיקה חזותית מוגבלת בדיוק שלה. מדידות של תכולת הגז הן דרך מדויקת יותר להעריך את יעילות סילוק הגזים באמצעות אולטרסאונד.

נוזלים מכילים כמות מסוימת של גז מומס. ריכוז הגז תלוי בגורמים כגון טמפרטורה, לחץ הסביבה או ערבול הנוזל. בתנאים קבועים, ריכוז הגז יתקרב לשיווי משקל. סילוק גזים באמצעות אולטרסאונד משנה את התנאים, מכיוון שהנוזל נחשף לבועות בלחץ נמוך ולערבול. לכן, הטיפול באולטרסאונד מפחית את ריכוז הגז בנוזל אל מתחת לרמת שיווי המשקל.
כאשר הסוניקציה נפסקת והתנאים ההתחלתיים שבים להתקיים, ריכוז הגז יתקרב שוב באיטיות לרמת שיווי המשקל ההתחלתית, אלא אם הנוזל אינו חשוף לשום גז, למשל בבקבוק סגור. מכיוון שהתמוססות הגז מחדש בנוזל איטית למדי, אפשר לעבוד עם הנוזל בעל תכולת הגז הנמוכה לאחר הסוניקציה. הגרף שלהלן ממחיש השפעה זו.

המחשה של סילוק גזים ממים באמצעות אולטרסאונד

סילוק גזים לפני תחלוב ופיזור

סילוק גזים באמצעות אולטרסאונד יכול לשפר את איכותם של פיזורים ותחליבים.

הבעיה

לעיתים קרובות, תחליבים ופיזורים מכילים חומרים פעילי שטח כדי להגביר את יציבותם. החומרים פעילי השטח מעכבים את המגע ואת ההתלכדות או ההצטברות של החומר המפוזר בפאזה הנוזלית. לשם כך, החומרים פעילי השטח יוצרים שכבה סביב כל חלקיק. אותם חומרים פעילי שטח יכולים גם לעטוף בועות גז המרחפות בפאזה הנוזלית. בועות מיוצבות כאלה עשויות להתגלות כעמידות מאוד. בועות מיוצבות צורכות חומר פעיל שטח, מפחיתות את איכות התחליב או הפיזור ועלולות לגרום לקריאות לא עקביות בעת מדידת גודל החלקיקים.

הפתרון: סילוק גזים באמצעות אולטרסאונד

כדי לצמצם את בעיית בועות הגז המיוצבות, יש לסלק גזים מנוזלים באמצעות סוניקציה. לפני הוספת הפאזה המפוזרת, כגון שמן או אבקה, בצעו סוניקציה של הנוזל עד שמספר הבועות הנוצרות יפחת. בעת ערבוב חומרים אחרים לתוך הנוזל, הימנעו מיצירת בועות חדשות או מערבולת בזמן הערבול. יצירתן תגדיל במהירות את תכולת הגז.
 

בוץ קידוח על בסיס מים לפני ואחרי סילוק גזים באמצעות אולטרסאונד באמצעות מכשיר הסוניקציה UIP1000hd
מחקר ותמונה מאת Amani ואחרים, 2016

סילוק פחמן דו־חמצני

השפעת סילוק הגזים משמשת בבדיקות אטימות של פחיות ובקבוקים המכילים משקאות מוגזים, כגון קולה, סודה או בירה. לחצו כאן לקבלת מידע נוסף על בדיקות אטימות של בקבוקים.

סילוק גזים באמצעות אולטרסאונד בקצרה

סילוק גזים מנוזלים באמצעות אולטרסאונד פועל טוב יותר כאשר משתמשים במערך הבא.

• השתמשו באמפליטודות אולטרסוניות נמוכות עד בינוניות!
• השתמשו בסונוטרודות בעלות שטח פנים גדול, למשל סונוטרודות המקרינות בכיוון רדיאלי!
• צרו לחץ נמוך או ואקום מעל פני הנוזל בזמן הסוניקציה!
• חממו את הנוזל כדי להפחית את צמיגותו!
• השתמשו בכלי רדוד להפרדת הגז במהלך הסוניקציה או אחריה!
• הימנעו מערבול טורבולנטי כדי לאפשר לבועות הגז לעלות!

ניתן להשתמש בסילוק גזים באמצעות אולטרסאונד במצב אצווה או בקו הזרימה. במקרה של פעולה בקו הזרימה, יש להתקין צינור אנכי לפינוי הגז ולהשתמש במשאבת גז.

ספרות / מקורות

• 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.