Penghilangan Gas dan Busa dari Cairan secara Ultrasonik

Penghilangan gas dan busa dari cairan menggunakan ultrasonik merupakan proses yang sangat efektif. Ultrasonikasi menghilangkan gelembung gas kecil yang tersuspensi dalam cairan dan menurunkan kadar gas terlarut hingga di bawah tingkat kesetimbangan alami.

Penghilangan gas dan busa dari cairan diperlukan untuk berbagai keperluan, seperti proses berikut:

• persiapan sampel sebelum pengukuran ukuran partikel untuk menghindari kesalahan pengukuran
• penghilangan gas dari minyak dan pelumas sebelum pemompaan untuk mengurangi keausan pompa akibat kavitasi
• penghilangan gas dari bahan pangan cair, misalnya jus, saus atau anggur, untuk mengurangi pertumbuhan mikroba dan memperpanjang masa simpan
• penghilangan gas dari polimer dan pernis sebelum aplikasi, pengerasan atau infusi vakum

Saat cairan disonikasi, gelombang suara yang merambat dari permukaan pemancar ke dalam medium cair menghasilkan siklus tekanan tinggi dan tekanan rendah secara bergantian, dengan laju yang bergantung pada frekuensi. Selama siklus tekanan rendah, gelombang ultrasonik dapat membentuk gelembung vakum kecil atau rongga dalam cairan. Banyaknya gelembung kecil menghasilkan luas permukaan total gelembung yang besar. Gelembung-gelembung tersebut juga tersebar dengan baik dalam cairan. Gas terlarut bermigrasi ke dalam gelembung vakum ini melalui permukaannya yang luas dan memperbesar ukuran gelembung.
Gelombang akustik membantu gelembung yang berdekatan saling bersentuhan dan menyatu, sehingga mempercepat pertumbuhan gelembung. Gelombang sonikasi juga membantu melepaskan gelembung dari permukaan wadah dan mendorong gelembung yang lebih kecil di bawah permukaan cairan untuk naik ke permukaan dan melepaskan gas yang terperangkap ke lingkungan.

Uji Sendiri

Proses penghilangan gas dan busa dari cairan dapat dengan mudah dibuat terlihat. Dalam gelas beker berisi air keran yang baru dituangkan, ultrasonikasi akan mendorong gelembung kecil yang tersuspensi untuk menyatu dan naik dengan cepat. Anda dapat melihat efek ini pada gambar tahapan proses di bawah.

Penghilangan Gas dari Air secara Ultrasonik (5 detik)

Minyak yang diaduk mengandung banyak gelembung tersuspensi atau busa. Hal ini menjadi masalah, khususnya pada cairan pendingin. Di dalam cairan tersebut, gelembung gas meningkatkan keausan akibat kavitasi pada pompa atau nosel. Gambar tahapan proses di bawah menunjukkan efek penghilangan busa secara ultrasonik.

Penghilangan gas secara ultrasonik: Gelembung gas yang terperangkap dihilangkan dari minyak menggunakan sonikator UP400St

Sonikasi akan menghasilkan gelembung vakum kecil dalam air jernih yang telah lama didiamkan. Gelembung ini terisi gas terlarut yang bermigrasi ke dalamnya. Akibatnya, gelembung membesar dan naik. Efek penghilangan gas terlihat jelas dalam cairan apa pun yang tembus cahaya.
Karena ultrasonik membantu gelembung kecil yang tersuspensi naik ke permukaan cairan, waktu kontak antara gelembung dan cairan juga berkurang. Oleh karena itu, pelarutan kembali gas dari gelembung ke dalam cairan juga dibatasi. Hal ini sangat bermanfaat untuk cairan dengan viskositas lebih tinggi, seperti minyak atau resin. Karena gelembung harus bergerak ke permukaan cairan, penghilangan gas secara ultrasonik bekerja lebih baik jika wadahnya dangkal, sehingga waktu untuk mencapai permukaan lebih singkat.

Melampaui Efek yang Terlihat

Pengukuran efek penghilangan gas melalui pemeriksaan visual memiliki ketelitian yang terbatas. Pengukuran kandungan gas merupakan cara yang lebih akurat untuk mengetahui efisiensi penghilangan gas secara ultrasonik.

Fluida mengandung sejumlah gas terlarut. Konsentrasi gas bergantung pada faktor-faktor seperti suhu, tekanan lingkungan atau pengadukan cairan. Dalam kondisi konstan, konsentrasi gas akan mendekati kesetimbangan. Penghilangan gas secara ultrasonik akan mengubah kondisi tersebut karena cairan mengalami paparan gelembung bertekanan rendah dan pengadukan. Oleh karena itu, ultrasonikasi akan menurunkan konsentrasi gas dalam cairan hingga di bawah tingkat kesetimbangan.
Ketika sonikasi berhenti dan kondisi awal dipulihkan, konsentrasi gas perlahan akan kembali mendekati tingkat kesetimbangan awal, kecuali jika cairan tidak terpapar gas apa pun, misalnya dalam botol tertutup. Karena pelarutan kembali gas ke dalam cairan berlangsung cukup lambat, cairan dengan kandungan gas rendah dapat digunakan setelah sonikasi. Grafik di bawah menggambarkan efek ini.

Ilustrasi Penghilangan Gas dari Air secara Ultrasonik

Penghilangan Gas sebelum Emulsifikasi dan Dispersi

Penghilangan gas secara ultrasonik dapat meningkatkan kualitas dispersi dan emulsi.

Masalah

Emulsi dan dispersi sering kali mengandung surfaktan untuk meningkatkan stabilitasnya. Surfaktan akan menghambat kontak serta penyatuan atau aglomerasi bahan yang terdispersi dalam fase cair. Untuk itu, surfaktan membentuk lapisan di sekeliling setiap partikel. Surfaktan yang sama juga dapat menyelubungi gelembung gas yang tersuspensi dalam fase cair. Gelembung yang distabilkan seperti ini dapat sangat tahan terhadap gangguan. Gelembung yang distabilkan menggunakan surfaktan yang tersedia, menurunkan kualitas emulsi atau dispersi, dan dapat menghasilkan pembacaan yang tidak menentu saat mengukur ukuran partikel.

Solusi: Penghilangan Gas secara Ultrasonik

Untuk mengurangi masalah gelembung gas yang distabilkan, gas dalam cairan harus dihilangkan melalui sonikasi. Sebelum menambahkan fase terdispersi, seperti minyak atau serbuk, sonikasi cairan hingga jumlah gelembung yang terbentuk berkurang. Saat mencampurkan bahan lain, hindari pembentukan gelembung baru atau pusaran selama pengadukan. Hal tersebut akan meningkatkan kandungan gas dengan cepat.
 

Lumpur pengeboran berbasis air sebelum dan sesudah penghilangan gas secara ultrasonik dengan sonikator UIP1000hd
Studi dan gambar oleh Amani et al. 2016

Mendorong Karbon Dioksida Keluar

Efek penghilangan gas digunakan dalam pengujian kebocoran kaleng dan botol yang berisi minuman berkarbonasi, seperti kola, soda atau bir. Silakan klik di sini untuk mendapatkan informasi lebih lanjut tentang pengujian kebocoran botol.

Sekilas tentang Penghilangan Gas secara Ultrasonik

Penghilangan gas dari cairan secara ultrasonik bekerja lebih baik dengan menggunakan pengaturan berikut.

• Terapkan amplitudo ultrasonik rendah hingga sedang!
• Gunakan sonotrode dengan luas permukaan yang besar, misalnya sonotrode yang memancarkan secara radial!
• Sediakan tekanan rendah atau vakum di atas permukaan cairan selama sonikasi!
• Panaskan cairan untuk mengurangi viskositasnya!
• Gunakan wadah dangkal untuk pemisahan gas selama atau setelah sonikasi!
• Hindari pengadukan turbulen agar gelembung gas dapat naik!

Penghilangan gas secara ultrasonik dapat digunakan dalam mode batch atau inline. Untuk pengoperasian inline, pipa tegak untuk pembuangan gas harus dipasang dan pompa gas harus digunakan.

Literatur / Referensi

• 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.