Ultrazvučno otplinjavanje i odpjenjivanje tekućina

Otplinjavanje i odpjenjivanje tekućina ultrazvukom vrlo je učinkovit postupak. Sonikacija uklanja male suspendirane mjehuriće plina iz tekućine i smanjuje razinu otopljenog plina ispod prirodne ravnotežne razine.

Otplinjavanje i odpjenjivanje tekućina potrebno je za mnoge svrhe, primjerice u sljedećim postupcima:

• priprema uzoraka prije mjerenja veličine čestica radi izbjegavanja pogrešaka pri mjerenju
• otplinjavanje ulja i maziva prije pumpanja radi smanjenja trošenja crpke uzrokovanog kavitacijom
• otplinjavanje tekućih namirnica, npr. soka, umaka ili vina, radi smanjenja rasta mikroorganizama i produljenja roka trajanja
• otplinjavanje polimera i lakova prije nanošenja, stvrdnjavanja ili vakuumske infuzije

Pri sonikaciji tekućina zvučni valovi koji se šire od površine koja ih emitira u tekući medij uzrokuju izmjenične cikluse visokog i niskog tlaka, čija brzina izmjenjivanja ovisi o frekvenciji. Tijekom ciklusa niskog tlaka ultrazvučni valovi mogu stvoriti male vakuumske mjehuriće ili šupljine u tekućini. Velik broj malih mjehurića stvara veliku ukupnu površinu mjehurića. Mjehurići su također dobro raspoređeni u tekućini. Otopljeni plin prelazi u te vakuumske mjehuriće preko velike površine i povećava njihovu veličinu.
Akustični valovi potiču dodirivanje i spajanje susjednih mjehurića, što dovodi do njihova ubrzanog rasta. Valovi nastali sonikacijom također pomažu odvojiti mjehuriće od površina posude i prisiljavaju manje mjehuriće koji se nalaze ispod površine tekućine da se podignu do površine i oslobode zarobljeni plin u okolinu.

Isprobajte

Postupak otplinjavanja i odpjenjivanja tekućina lako se može učiniti vidljivim. U laboratorijskoj staklenoj čaši sa svježe natočenom vodom iz slavine sonikacija će prisiliti male suspendirane mjehuriće da se spoje i brzo podignu prema površini. Taj učinak možete vidjeti na donjoj slici koja prikazuje tijek postupka.

Ultrazvučno otplinjavanje vode (5 sekundi)

Miješano ulje sadrži velik broj suspendiranih mjehurića ili pjenu. To je osobito problematično kod rashladnih tekućina. U njima mjehurići plina potiču trošenje crpki ili mlaznica uzrokovano kavitacijom. Donja slika koja prikazuje tijek postupka pokazuje učinak ultrazvučnog odpjenjivanja.

Ultrazvučno otplinjavanje: zarobljeni mjehurići plina uklanjaju se iz ulja ultrazvučnim uređajem UP400St

Sonikacija će stvoriti male vakuumske mjehuriće u bistroj, odstajaloj vodi. Ti se mjehurići pune otopljenim plinom koji prelazi u njih. Zbog toga mjehurići rastu i podižu se prema površini. Učinak otplinjavanja jasno je vidljiv u svakoj prozirnoj ili poluprozirnoj tekućini.
Budući da ultrazvuk pospješuje podizanje malih suspendiranih mjehurića prema površini tekućine, također skraćuje vrijeme kontakta između mjehurića i tekućine. Zbog toga ograničava i ponovno otapanje plina iz mjehurića u tekućini. To je osobito zanimljivo za tekućine veće viskoznosti, poput ulja ili smola. Budući da se mjehurići moraju podignuti do površine tekućine, ultrazvučno otplinjavanje djeluje bolje ako je posuda plitka, tako da je vrijeme potrebno za dolazak do površine kraće.

Više od vidljivih učinaka

Točnost mjerenja učinaka otplinjavanja vizualnim pregledom ograničena je. Mjerenja sadržaja plina precizniji su način procjene učinkovitosti ultrazvučnog otplinjavanja.

Fluidi sadrže određenu količinu otopljenog plina. Koncentracija plina ovisi o čimbenicima poput temperature, tlaka okoline ili miješanja tekućine. Pri stalnim uvjetima koncentracija plina približavat će se ravnotežnoj vrijednosti. Ultrazvučno otplinjavanje promijenit će uvjete jer je tekućina izložena mjehurićima niskog tlaka i miješanju. Stoga će sonikacija smanjiti koncentraciju plina u tekućini ispod ravnotežne razine.
Kada sonikacija prestane i ponovno se uspostave početni uvjeti, koncentracija plina polako će se ponovno približavati početnoj ravnotežnoj razini, osim ako tekućina nije izložena nikakvom plinu, npr. u zatvorenoj boci. Budući da je ponovno otapanje plina u tekućini prilično sporo, nakon sonikacije moguće je raditi s tekućinom s niskim sadržajem plina. Donji grafikon prikazuje taj učinak.

Prikaz ultrazvučnog otplinjavanja vode

Otplinjavanje prije emulgiranja i dispergiranja

Ultrazvučno otplinjavanje može poboljšati kvalitetu disperzija i emulzija.

Problem

Emulzije i disperzije često sadrže površinski aktivne tvari radi povećanja njihove stabilnosti. Površinski aktivne tvari sprječavaju kontakt i spajanje ili aglomeraciju dispergiranog materijala u tekućoj fazi. U tu svrhu površinski aktivne tvari stvaraju sloj oko svake čestice. Iste površinski aktivne tvari također mogu obaviti mjehuriće plina suspendirane u tekućoj fazi. Tako stabilizirani mjehurići mogu se pokazati vrlo postojanima. Stabilizirani mjehurići troše površinski aktivnu tvar, smanjuju kvalitetu emulzije ili disperzije i mogu uzrokovati nestalna očitanja pri mjerenju veličine čestica.

Rješenje: ultrazvučno otplinjavanje

Kako bi se ublažio problem stabiliziranih mjehurića plina, tekućine treba otpliniti sonikacijom. Prije dodavanja disperzne faze, poput ulja ili praha, sonicirajte tekućinu dok se broj nastalih mjehurića ne smanji. Pri umješavanju drugih materijala izbjegavajte stvaranje novih mjehurića ili vrtloga tijekom miješanja. Stvaranje novih mjehurića ili vrtloga brzo bi povećalo sadržaj plina.
 

Bušaća isplaka na bazi vode prije i nakon ultrazvučnog otplinjavanja ultrazvučnim uređajem UIP1000hd
Istraživanje i slika: Amani i sur. 2016

Istiskivanje ugljikova dioksida

Učinak otplinjavanja primjenjuje se pri ispitivanju nepropusnosti limenki i boca koje sadrže gazirana pića, poput kole, gaziranih bezalkoholnih pića ili piva. Kliknite ovdje za više informacija o ispitivanju nepropusnosti boca.

Ukratko o ultrazvučnom otplinjavanju

Ultrazvučno otplinjavanje tekućina djeluje bolje uz sljedeće postavke.

• Primjenjujte niske do umjerene ultrazvučne amplitude!
• Upotrebljavajte sonotrode velike površine, npr. sonotrode koje radijalno emitiraju ultrazvuk!
• Tijekom sonikacije osigurajte nizak tlak ili vakuum iznad površine tekućine!
• Zagrijte tekućinu kako biste smanjili njezinu viskoznost!
• Upotrebljavajte plitku posudu za odvajanje plina tijekom ili nakon sonikacije!
• Izbjegavajte turbulentno miješanje kako biste omogućili podizanje mjehurića plina prema površini!

Ultrazvučno otplinjavanje može se primjenjivati šaržno ili u protočnom načinu rada. Pri protočnom radu treba ugraditi uspravnu cijev za odvod plina i upotrebljavati crpku za plin.

Literatura / Reference

• 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.