Ultrahangos gáztalanítás és folyadékok habzása

A folyadékok gáztalanítása és habzása ultrahanggal nagyon hatékony folyamat. Az ultrahangos kezelés eltávolítja a kis szuszpendált gázbuborékokat a folyadékból, és csökkenti az oldott gáz szintjét a természetes egyensúlyi szint alatt.

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

• A minta előkészítése a szemcseméret mérése előtt a mérési hibák elkerülése érdekében
• olaj és kenőanyag gáztalanítása szivattyúzás előtt a szivattyú kavitáció miatti kopásának csökkentése érdekében
• folyékony élelmiszerek, pl. gyümölcslé, szósz vagy bor gáztalanítása a mikrobák növekedésének csökkentése és az eltarthatóság növelése érdekében
• polimerek és lakkok gáztalanítása felhordás előtt, kikeményedés vagy vákuuminfúzió

A folyadékok szonikálásakor a sugárzó felületről a folyékony közegbe terjedő hanghullámok váltakozó nagynyomású és alacsony nyomású ciklusokat eredményeznek, a frekvenciától függő sebességgel. Az alacsony nyomású ciklus alatt az ultrahangos hullámok kis vákuumbuborékokat vagy üregeket hozhatnak létre a folyadékban. A kis buborékok nagy száma nagy teljes buborékfelületet eredményez. A buborékok is jól eloszlanak a folyadékban. Az oldott gáz ezekbe a vákuumbuborékokba vándorol a nagy felületen keresztül, és növeli a buborékok méretét.
Az akusztikus hullámok támogatják a szomszédos buborékok érintését és összeolvadását, ami a buborékok felgyorsult növekedéséhez vezet. Az ultrahangos hullámok segítenek a buborékok rázásában az edény felületéről, és arra kényszerítik a folyadékfelszín alatt nyugvó kisebb buborékokat, hogy emelkedjenek át és engedjék el a csapdába esett gázt a környezetbe.

Tedd próbára

A folyadékok gáztalanításának és habzásgátlásának folyamata könnyen láthatóvá tehető. A frissen öntött csapvíz üvegpohárában az ultrahangos kezelés arra kényszeríti a kis felfüggesztett buborékokat, hogy összeolvadjanak és gyorsan mozogjanak. Ezt a hatást az alábbi folyamatképen láthatja.

A víz ultrahangos gáztalanítása (5 másodperc)

A kevert olaj nagy számú szuszpendált buborékot vagy habot tartalmaz. Ez különösen a hűtőfolyadékokban jelent problémát. Ott a gázbuborékok elősegítik a kavitáció okozta kopást a szivattyúkban vagy fúvókákban. Az alábbi folyamatkép az ultrahangos habzásgátló hatást mutatja.

Ultrahangos gáztalanítás: A csapdába esett gázbuborékokat eltávolítják az olajból az ultrahangos készülékkel UP400St

A szonikálás kis vákuumbuborékokat generál tiszta, elavult vízben. Ezek a buborékok oldott gázzal töltődnek fel, amely a buborékokba vándorol. Következésképpen a buborékok nőnek és felfelé mozognak. A gáztalanító hatás minden áttetsző folyadékban jól látható.
Mivel az ultrahang javítja a kis szuszpendált buborékok emelkedését a folyadék felületére, csökkenti a buborék és a folyadék közötti érintkezési időt is. Emiatt korlátozza a gáz újraoldódását a buborékból a folyadékba is. Ez különösen fontos a nagyobb viszkozitású folyadékok, például olajok vagy gyanták esetében. Mivel a buborékoknak a folyékony felületre kell mozogniuk, az ultrahangos gáztalanítás jobban működik, ha a tartály sekély, így a felületre való idő rövidebb.

A látható hatásokon túl

A gáztalanító hatások szemrevételezéssel történő mérésének pontossága korlátozott. A gáztartalom mérése pontosabb módja az ultrahangos gáztalanítás hatékonyságának.

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 egyensúlyba kerül. Az ultrahangos gáztalanítás megváltoztatja a feltételeket, mivel a folyadék alacsony nyomású buborékoknak és keverésnek van kitéve. Ezért az ultrahangos kezelés csökkenti a folyadék gázkoncentrációját az egyensúlyi szint alá.
Amikor az szonikálás leáll, és a kezdeti feltételek helyreállnak, a gázkoncentráció lassan ismét megközelíti a kezdeti egyensúlyi szintet, kivéve, ha a folyadék nincs kitéve semmilyen gáznak, pl. zárt palackban. Mivel a gáz újraoldódása a folyadékba meglehetősen lassú, az ultrahangos kezelés után az alacsony gáztartalmú folyadékkal dolgozhatunk. Az alábbi grafikon ezt a hatást szemlélteti.

Illusztráció ultrahangos gáztalanítás víz

Gáztalanítás emulgeálás és diszpergálás előtt

Az ultrahangos gáztalanítás javíthatja a diszperziók és emulziók minőségét.

A probléma

Gyakran az emulziók és diszperziók felületaktív anyagokat tartalmaznak stabilitásuk növelése érdekében. A felületaktív anyagok gátolják a diszpergált anyag érintkezését és összeolvadását vagy agglomerációját a folyékony fázisban. Ehhez a felületaktív anyagok réteget képeznek az egyes részecskék körül. Ugyanezek a felületaktív anyagok kapszulázhatják a folyékony fázisban szuszpendált gázbuborékokat is. Az ilyen stabilizált buborékok nagyon robusztusnak bizonyulhatnak. A stabilizált buborékok felületaktív anyagot fogyasztanak, csökkentik az emulzió vagy diszperzió minőségét, és hibás leolvasásokat generálhatnak a részecskeméret mérésekor.

A megoldás: ultrahangos gáztalanítás

A stabilizált gázbuborékok problémájának csökkentése érdekében a folyadékokat szonikálással gáztalanítani kell. A diszperziós fázis, például olaj vagy por hozzáadása előtt ultrahanggal kezeljük a folyadékot, amíg a generált buborékok száma csökken. Más anyagok keverésekor kerülje az új buborékok vagy örvények képződését keverés közben. Ez gyorsan növelné a gáztartalmat.
 

Water-based drilling mud before and after ultrasonic degassing with the sonicator UIP1000hd
Tanulmány és kép: Amani et al. 2016

A szén-dioxid kiszorítása

A gáztalanítás hatását szénsavas italokat, például kólát, szódát vagy sört tartalmazó dobozok és palackok szivárgásvizsgálatánál használják. Kérjük, kattintson ide, ha többet szeretne megtudni a palackszivárgás vizsgálatáról.

Ultrahangos gáztalanítás röviden

A folyadékok ultrahangos gáztalanítása jobban működik, ha a következő beállítást használja.

• Alkalmazzon alacsony vagy közepes ultrahangos amplitúdókat!
• Használjon nagy felületű sonotrodes-t, pl. sugárirányban kibocsátó sonotrodes!
• Szonikálás közben biztosítson alacsony nyomást vagy vákuumot a folyadékfelület felett!
• Melegítse fel a folyadékot, hogy csökkentse viszkozitását!
• Használjon sekély tartályt a gáz elválasztásához az ultrahangos kezelés alatt vagy után!
• Kerülje a turbulens keverést, hogy a gázbuborékok felfelé mozoghassanak!

Az ultrahangos gáztalanítás kötegelt üzemmódban vagy inline módban használható. Inline működés esetén a gáz kibocsátására szolgáló állványcsövet kell felszerelni, és gázszivattyút kell alkalmazni.

Irodalom / Hivatkozások