Ultrazvučno otplinjavanje i uklanjanje pjene tekućina

Otplinjavanje i uklanjanje pjene tekućina pomoću ultrazvuka je vrlo učinkovit proces. Ultrasonication uklanja male suspendirane mjehuriće plina iz tekućine i smanjuje razinu otopljenog plina ispod razine prirodne ravnoteže.

Otplinjavanje i uklanjanje pjene tekućina potrebno je za mnoge svrhe, kao što su sljedeći procesi:

• priprema uzorka prije mjerenja veličine čestica kako bi se izbjegle pogreške u mjerenju
• otplinjavanje ulja i maziva prije pumpanja kako bi se smanjilo trošenje pumpe zbog kavitacije
• otplinjavanje tekuće hrane, npr. soka, umaka ili vina, kako bi se smanjio rast mikroba i produžio rok trajanja
• otplinjavanje polimera i lakova prije nanošenja, stvrdnjavanja ili vakuumske infuzije

Prilikom sonikiranja tekućina, zvučni valovi koji se šire od površine koja zrači u tekući medij rezultiraju izmjeničnim ciklusima visokog i niskog tlaka, s brzinama koje ovise o frekvenciji. Tijekom ciklusa niskog tlaka, ultrazvučni valovi mogu stvoriti male vakuumske mjehuriće ili šupljine u tekućini. Veliki broj malih mjehurića stvara veliku ukupnu površinu mjehurića. Mjehurići su također dobro raspoređeni u tekućini. Otopljeni plin migrira u te vakuumske mjehuriće preko velike površine i povećava veličinu mjehurića.
Akustični valovi podržavaju dodirivanje i spajanje susjednih mjehurića što dovodi do ubrzanog rasta mjehurića. Valovi ultrazvuka također će pomoći da se otresu mjehurići s površina posuda i natjerat će manje mjehuriće koji se nalaze ispod površine tekućine da se uzdignu i ispuste zarobljeni plin u okoliš.

Isprobajte ga

Proces otplinjavanja i uklanjanja pjene tekućina može se lako učiniti vidljivim. U staklenoj čaši sa svježe natočenom vodom iz slavine, ultrazvučna obrada će prisiliti male suspendirane mjehuriće da se spoje i brzo pomaknu prema gore. Ovaj učinak možete vidjeti na slici napretka u nastavku.

Ultrazvučno otplinjavanje vode (5 sekundi)

Miješano ulje sadrži velik broj suspendiranih mjehurića ili pjene. To je problem posebno u rashladnim tekućinama. Tamo mjehurići plina potiču trošenje crpki ili mlaznica izazvano kavitacijom. Slika napretka u nastavku prikazuje ultrazvučni učinak uklanjanja pjene.

Ultrazvučno otplinjavanje: zarobljeni mjehurići plina uklanjaju se iz ulja pomoću ultrazvučnog uređaja UP400St

Sonikacija će stvoriti male vakuumske mjehuriće u čistoj, ustajaloj vodi. Ovi mjehurići se pune otopljenim plinom koji migrira u mjehuriće. Posljedično, mjehurići rastu i pomiču se prema gore. Učinak otplinjavanja dobro je vidljiv u svakoj prozirnoj tekućini.
Budući da ultrazvuk poboljšava podizanje malih suspendiranih mjehurića na površinu tekućine, smanjuje i vrijeme kontakta između mjehurića i tekućine. Iz tog razloga također ograničava ponovno otapanje plina iz mjehurića u tekućinu. Ovo je od posebnog interesa za tekućine veće viskoznosti, kao što su ulja ili smole. Budući da se mjehurići moraju pomaknuti do površine tekućine, ultrazvučno otplinjavanje radi bolje ako je posuda plitka kako bi vrijeme do površine bilo kraće.

Izvan vidljivih učinaka

Mjerenje učinaka otplinjavanja vizualnim pregledom ograničeno je u točnosti. Mjerenja sadržaja plina točniji su način da se kaže o učinkovitosti ultrazvučnog otplinjavanja.

Tekućine sadrže određenu količinu otopljenog plina. Koncentracija plina ovisi o čimbenicima kao što su temperatura, tlak okoline ili miješanje tekućine. Pod stalnim uvjetima, koncentracija plina će se približiti ravnoteži. Ultrazvučno otplinjavanje promijenit će uvjete jer je tekućina izložena mjehurićima niskog tlaka i miješanju. Stoga će ultrazvučna obrada smanjiti koncentraciju plina u tekućini ispod razine ravnoteže.
Kada se sonikacija zaustavi i početni uvjeti se ponovno uspostave, koncentracija plina polako će se ponovno približiti početnoj ravnotežnoj razini, osim ako tekućina nije izložena nikakvom plinu, npr. u zatvorenoj boci. Budući da je ponovno otapanje plina u tekućini prilično sporo, moguće je raditi s tekućinom s niskim sadržajem plina nakon sonikacije. Grafikon u nastavku ilustrira ovaj učinak.

Ilustracija ultrazvučnog otplinjavanja vode

Otplinjavanje prije emulgiranja i dispergiranja

Ultrazvučno otplinjavanje može poboljšati kvalitetu disperzija i emulzija.

Problem

Često emulzije i disperzije sadrže površinski aktivne tvari kako bi se povećala njihova stabilnost. Surfaktanti će spriječiti kontakt i koalescenciju ili aglomeraciju dispergiranog materijala u tekućoj fazi. Za to će površinski aktivne tvari formirati sloj oko svake čestice. Isti surfaktanti također mogu inkapsulirati mjehuriće plina koji su suspendirani u tekućoj fazi. Takvi stabilizirani mjehurići mogu se pokazati vrlo robusnim. Stabilizirani mjehurići troše surfaktant, smanjuju kvalitetu emulzije ili disperzije i mogu generirati nepravilna očitanja pri mjerenju veličine čestica.

Rješenje: Ultrazvučno otplinjavanje

Kako bi se smanjio problem mjehurića stabiliziranog plina, tekućine treba degazirati sonikacijom. Prije dodavanja disperzne faze, poput ulja ili praha, sonicirate tekućinu dok se broj stvorenih mjehurića ne smanji. Prilikom miješanja drugih materijala, izbjegavajte stvaranje novih mjehurića ili vrtloga tijekom miješanja. To bi brzo povećalo sadržaj plina.
 

Water-based drilling mud before and after ultrasonic degassing with the sonicator UIP1000hd
Studija i slika Amani et al. 2016

Izbacivanje ugljičnog dioksida

Učinak otplinjavanja koristi se u ispitivanju nepropusnosti limenki i boca koje sadrže gazirana pića, poput cole, soda ili piva. Kliknite ovdje kako biste dobili više informacija o ispitivanju curenja boce.

Ultrazvučno otplinjavanje ukratko

Ultrazvučno otplinjavanje tekućina radi bolje kada se koristi sljedeća postava.

• Primijenite niske do umjerene ultrazvučne amplitude!
• Koristite sonotrode s velikom površinom, npr. radijalno emitirajuće sonotrode!
• Omogućite nizak tlak ili vakuum iznad površine tekućine tijekom sonikacije!
• Zagrijte tekućinu, da smanjite njenu viskoznost!
• Koristite plitku posudu za odvajanje plina tijekom ili nakon sonikacije!
• Izbjegavajte turbulentno miješanje kako biste omogućili mjehurićima plina da se pomaknu prema gore!

Ultrazvučno otplinjavanje može se koristiti u batch modu ili inline. U slučaju inline rada, potrebno je instalirati odvodnu cijev za ispuštanje plina i upotrijebiti plinsku pumpu.

Literatura / Reference