Degasaggio ad ultrasuoni e schiumatura di liquidi
La degassificazione e la schiumatura dei liquidi mediante ultrasuoni è un processo molto efficace. L'ultrasuoni rimuove le piccole bolle di gas sospese dal liquido e riduce il livello di gas dissolto al di sotto del livello di equilibrio naturale.
Il degassamento e la schiumatura dei liquidi sono necessari per molti scopi, come i seguenti processi:
- preparazione del campione prima della misurazione della dimensione delle particelle per evitare errori di misurazione
- degassamento dell'olio e del lubrificante prima del pompaggio per ridurre l'usura della pompa dovuta alla cavitazione
- degassificazione di alimenti liquidi, ad esempio succo, salsa o vino, per ridurre la crescita microbica e aumentare la durata di conservazione
- degasaggio di polimeri e vernici prima dell'applicazione, dell'indurimento o dell'infusione sotto vuoto
Quando si sonicizzano i liquidi, le onde sonore che si propagano dalla superficie radiante nel mezzo liquido danno luogo a cicli alternati di alta e bassa pressione, con tassi che dipendono dalla frequenza. Durante il ciclo di bassa pressione, le onde ultrasoniche possono creare piccole bolle di vuoto o vuoti nel liquido. Il gran numero di piccole bolle genera un'elevata superficie totale delle bolle. Le bolle sono anche ben distribuite nel liquido. Il gas disciolto migra in queste bolle di vuoto attraverso la grande superficie e aumenta la dimensione delle bolle.
Le onde acustiche supportano il contatto e la coalescenza di bolle adiacenti che portano ad una crescita accelerata delle bolle. Le onde di sonicazione contribuiranno anche a scuotere le bolle dalle superfici del recipiente e costringeranno le bolle più piccole che riposano sotto la superficie liquida a salire attraverso e rilasciare il gas intrappolato nell'ambiente.
Degassificazione a ultrasuoni dell'olio utilizzando un processore a ultrasuoni Hielscher 200 Watts.
Metterlo alla prova
Il processo di degassificazione e antischiuma dei liquidi può essere reso visibile facilmente. In un bicchiere di vetro di acqua di rubinetto appena versata, l'ultrasuono costringerà le piccole bolle sospese a coalizzarsi e a risalire rapidamente. Potete vedere questo effetto nell'immagine del progresso qui sotto.
degasaggio ad ultrasuoni dell'acqua (5 secondi)
L'olio agitato contiene un alto numero di bolle sospese o schiuma. In particolare nei refrigeranti, questo è un problema. Lì, le bolle di gas favoriscono l'usura indotta dalla cavitazione nelle pompe o negli ugelli. L'immagine progresso qui sotto mostra l'effetto antischiuma ad ultrasuoni.
Degassificazione a ultrasuoni: Le bolle di gas intrappolate vengono rimosse dall'olio utilizzando l'ultrasuoni UP400St
La sonicazione genera piccole bolle a vuoto in acqua limpida e stantia. Queste bolle si riempiono di gas dissolto, che migra nelle bolle. Di conseguenza le bolle crescono e si spostano verso l'alto. L'effetto di degassamento è ben visibile in qualsiasi liquido traslucido.
Poiché l'ultrasuono migliora la risalita di piccole bolle sospese verso la superficie del liquido, riduce anche il tempo di contatto tra la bolla e il liquido. Per questo motivo, limita anche la ri-dissoluzione del gas dalla bolla al liquido. Questo è di particolare interesse per i liquidi ad alta viscosità, come gli oli o le resine. Poiché le bolle devono spostarsi verso la superficie del liquido, il degassamento ultrasonico funziona meglio se il contenitore è poco profondo, in modo che il tempo per raggiungere la superficie sia più breve.
Oltre gli effetti visibili
La misurazione degli effetti del degassamento tramite ispezione visiva ha una precisione limitata. Le misurazioni del contenuto di gas sono un modo più accurato per dire dell'efficienza del degassamento ultrasonico.
I fluidi contengono una certa quantità di gas dissolto. La concentrazione di gas dipende da fattori come la temperatura, la pressione ambientale o l'agitazione del liquido. In condizioni costanti, la concentrazione di gas si avvicina all'equilibrio. Il degassamento ultrasonico cambierà le condizioni, perché il liquido è esposto a bolle a bassa pressione e all'agitazione. Pertanto, l'ultrasuonazione abbasserà la concentrazione di gas nel liquido al di sotto del livello di equilibrio.
Quando la sonicazione si ferma e le condizioni iniziali vengono ristabilite, la concentrazione di gas si avvicinerà lentamente di nuovo al livello di equilibrio iniziale, a meno che il liquido non sia esposto ad alcun gas, ad esempio in una bottiglia chiusa. Poiché la ridissoluzione del gas nel liquido è abbastanza lenta, è possibile lavorare con il liquido a basso contenuto di gas dopo la sonicazione. Il grafico qui sotto illustra questo effetto.
Illustrazione della degassificazione a ultrasuoni
Degasaggio prima dell'emulsione e della dispersione
Il degassamento a ultrasuoni può migliorare la qualità delle dispersioni e delle emulsioni.
Il problema
Spesso, emulsioni e dispersioni contengono tensioattivi per aumentarne la stabilità. I tensioattivi inibiscono il contatto e la coalescenza o agglomerazione del materiale disperso nella fase liquida. Per questo, i tensioattivi formeranno uno strato intorno ad ogni particella. Gli stessi tensioattivi possono anche incapsulare le bolle di gas sospese nella fase liquida. Tali bolle stabilizzate possono rivelarsi molto robuste. Le bolle stabilizzate consumano il tensioattivo, riducono la qualità dell'emulsione o della dispersione e possono generare letture errate quando si misura la dimensione delle particelle.
La soluzione
Per ridurre il problema delle bolle di gas stabilizzate, i liquidi dovrebbero essere degassificati mediante sonicazione. Prima di aggiungere la fase disperdente, come olio o polvere, sonicare il liquido fino a quando il numero di bolle generate si riduce. Quando si mescolano altri materiali, evitare di generare nuove bolle o un vortice durante l'agitazione. Questo aumenterebbe rapidamente il contenuto di gas.
Forzare l'anidride carbonica verso l'esterno
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Degasaggio ad ultrasuoni in breve
Il degassamento ultrasonico dei liquidi funziona meglio quando si usa il seguente setup.
- Applicare ampiezze di ultrasuoni da basse a moderate!
- Utilizzare sonotrodi con una grande superficie, ad esempio sonotrodi ad emissione radiale!
- Durante la sonicazione, mantenere una bassa pressione o il vuoto sopra la superficie del liquido!
- Riscaldare il liquido, per ridurne la viscosità!
- Utilizzare un contenitore poco profondo per la separazione dei gas durante o dopo la sonicazione!
- Evitare l'agitazione turbolenta per permettere alle bolle di gas di risalire!
Il degassamento a ultrasuoni può essere usato in modalità batch o in linea. Nel caso di un'operazione in linea, si dovrebbe installare un tubo di supporto per lo scarico del gas e applicare una pompa del gas.