Folyadékok ultrahangos gáztalanítása és habmentesítése

A folyadékok ultrahanggal végzett gáztalanítása és habmentesítése rendkívül hatékony eljárás. Az ultrahangos kezelés eltávolítja a folyadékban lebegő apró gázbuborékokat, és az oldott gáz mennyiségét a természetes egyensúlyi szint alá csökkenti.

A folyadékok gáztalanítása és habmentesítése számos célból szükséges, például a következő folyamatokhoz:

• minta-előkészítés a részecskeméret mérése előtt a mérési hibák elkerülése érdekében
• olajok és kenőanyagok gáztalanítása szivattyúzás előtt a kavitáció okozta szivattyúkopás csökkentése érdekében
• folyékony élelmiszerek, például gyümölcslé, szósz vagy bor gáztalanítása a mikroorganizmusok szaporodásának csökkentése és az eltarthatóság növelése érdekében
• polimerek és lakkok gáztalanítása felhordás, térhálósítás vagy vákuuminfúzió előtt

Folyadékok ultrahangos kezelésekor a sugárzó felületről a folyékony közegbe terjedő hanghullámok váltakozó nagynyomású és kisnyomású ciklusokat hoznak létre, amelyek ismétlődési üteme a frekvenciától függ. A kisnyomású ciklus során az ultrahanghullámok apró vákuumbuborékokat vagy üregeket hozhatnak létre a folyadékban. A sok apró buborék nagy összesített buborékfelületet eredményez. A buborékok emellett jól eloszlanak a folyadékban. Az oldott gáz a nagy felületen keresztül ezekbe a vákuumbuborékokba vándorol, és növeli a buborékok méretét.
Az akusztikus hullámok elősegítik a szomszédos buborékok érintkezését és összeolvadását, ami felgyorsítja a buborékok növekedését. Az ultrahanghullámok segítenek a buborékokat az edény felületéről is lerázni, és arra késztetik a folyadék felszíne alatt elhelyezkedő kisebb buborékokat, hogy a felszínre emelkedjenek, és a bennük rekedt gázt a környezetbe engedjék.

Tegye próbára!

A folyadékok gáztalanításának és habmentesítésének folyamata könnyen láthatóvá tehető. Egy frissen kitöltött csapvizet tartalmazó üveg főzőpohárban az ultrahangos kezelés a lebegő apró buborékokat összeolvadásra és gyors felemelkedésre készteti. Ez a hatás az alábbi képsorozaton látható.

Víz ultrahangos gáztalanítása (5 másodperc)

A kevert olaj nagy mennyiségű lebegő buborékot vagy habot tartalmaz. Ez különösen a hűtőfolyadékok esetében jelent problémát. Ezekben a gázbuborékok elősegítik a szivattyúk vagy fúvókák kavitáció okozta kopását. Az alábbi képsorozat az ultrahangos habmentesítés hatását mutatja.

Ultrahangos gáztalanítás: az olajban rekedt gázbuborékok eltávolítása az UP400St ultrahangos készülékkel

Az ultrahangos kezelés apró vákuumbuborékokat hoz létre a tiszta, állni hagyott vízben. Ezek a buborékok megtelnek a beléjük vándorló oldott gázzal. Ennek következtében a buborékok növekednek és felemelkednek. A gáztalanítás hatása minden áttetsző folyadékban jól látható.
Mivel az ultrahang elősegíti a lebegő apró buborékok felemelkedését a folyadék felszínére, a buborék és a folyadék közötti érintkezési időt is csökkenti. Emiatt a gáz buborékból a folyadékba történő visszaoldódását is korlátozza. Ez különösen a nagyobb viszkozitású folyadékok, például olajok vagy gyanták esetében érdekes. Mivel a buborékoknak a folyadék felszínére kell jutniuk, az ultrahangos gáztalanítás jobban működik sekély edényben, ahol rövidebb idő szükséges a felszín eléréséhez.

A látható hatásokon túl

A gáztalanítás hatásainak szemrevételezéssel történő mérése korlátozott pontosságú. A gáztartalom mérése pontosabb képet ad az ultrahangos gáztalanítás hatékonyságáról.

A folyadékok bizonyos mennyiségű oldott gázt tartalmaznak. A gáz koncentrációja olyan tényezőktől függ, mint a hőmérséklet, a környezeti nyomás vagy a folyadék keverése. Állandó körülmények között a gázkoncentráció egy egyensúlyi értékhez közelít. Az ultrahangos gáztalanítás megváltoztatja a körülményeket, mivel a folyadék kisnyomású buborékok és keverés hatásának van kitéve. Ezért az ultrahangos kezelés a folyadékban lévő gáz koncentrációját az egyensúlyi szint alá csökkenti.
Amikor az ultrahangos kezelés leáll, és a kezdeti körülmények helyreállnak, a gázkoncentráció lassan ismét a kezdeti egyensúlyi szinthez közelít, kivéve, ha a folyadék semmilyen gázzal nem érintkezik, például zárt palackban. Mivel a gáz visszaoldódása a folyadékba meglehetősen lassú, az ultrahangos kezelés után is lehet dolgozni az alacsony gáztartalmú folyadékkal. Az alábbi grafikon ezt a hatást szemlélteti.

A víz ultrahangos gáztalanításának szemléltetése

Gáztalanítás emulgeálás és diszpergálás előtt

Az ultrahangos gáztalanítás javíthatja a diszperziók és emulziók minőségét.

A probléma

Az emulziók és diszperziók gyakran tartalmaznak felületaktív anyagokat a stabilitásuk növelése érdekében. A felületaktív anyagok gátolják a diszpergált anyag érintkezését és összeolvadását vagy agglomerációját a folyadékfázisban. Ennek érdekében a felületaktív anyagok minden részecske körül réteget képeznek. Ugyanezek a felületaktív anyagok a folyadékfázisban lebegő gázbuborékokat is körülzárhatják. Az így stabilizált buborékok rendkívül ellenállónak bizonyulhatnak. A stabilizált buborékok felületaktív anyagot használnak fel, csökkentik az emulzió vagy diszperzió minőségét, és ingadozó mérési eredményeket okozhatnak a részecskeméret mérésekor.

A megoldás: ultrahangos gáztalanítás

A stabilizált gázbuborékok okozta probléma mérséklése érdekében a folyadékokat ultrahangos kezeléssel kell gáztalanítani. A diszpergált fázis, például olaj vagy por hozzáadása előtt kezelje ultrahanggal a folyadékot addig, amíg a keletkező buborékok száma csökken. Más anyagok bekeverésekor kerülje új buborékok vagy örvény létrehozását a keverés során. Ezek kialakulása gyorsan növelné a gáztartalmat.
 

Vízalapú fúróiszap ultrahangos gáztalanítás előtt és után az UIP1000hd ultrahangos készülékkel
Tanulmány és kép: Amani és munkatársai, 2016

A szén-dioxid eltávolítása

A gáztalanítás hatását szénsavas italokat, például kólát, szódavizet vagy sört tartalmazó dobozok és palackok szivárgásvizsgálatánál használják fel. Kattintson ide a palackok szivárgásvizsgálatával kapcsolatos további információkért.

Az ultrahangos gáztalanítás röviden

A folyadékok ultrahangos gáztalanítása az alábbi feltételek mellett jobban működik.

• Alkalmazzon alacsony vagy közepes ultrahangos amplitúdót!
• Használjon nagy felületű szonotró­dákat, például sugárirányban sugárzó szonotró­dákat!
• Az ultrahangos kezelés során biztosítson alacsony nyomást vagy vákuumot a folyadék felszíne felett!
• Melegítse a folyadékot a viszkozitásának csökkentése érdekében!
• Használjon sekély edényt a gáz leválasztásához az ultrahangos kezelés alatt vagy után!
• Kerülje a turbulens keverést, hogy a gázbuborékok felemelkedhessenek!

Az ultrahangos gáztalanítás szakaszos üzemmódban vagy folyamatba integrálva alkalmazható. Folyamatba integrált működés esetén a gáz elvezetésére felszálló csövet kell beépíteni, és gázszivattyút kell alkalmazni.

Szakirodalom / Hivatkozások

• 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.