Degasaggio e abbattimento della schiuma nei liquidi mediante ultrasuoni

Il degasaggio e l’abbattimento della schiuma nei liquidi mediante ultrasuoni sono processi molto efficaci. La sonicazione rimuove dal liquido le piccole bolle di gas in sospensione e riduce il livello di gas disciolto al di sotto del livello di equilibrio naturale.

Il degasaggio e l’abbattimento della schiuma nei liquidi sono necessari per numerosi scopi, come nei seguenti processi:

• preparazione dei campioni prima della misurazione delle dimensioni delle particelle per evitare errori di misurazione
• degasaggio di oli e lubrificanti prima del pompaggio per ridurre l’usura delle pompe dovuta alla cavitazione
• degasaggio di alimenti liquidi, ad esempio succhi, salse o vino, per ridurre la crescita microbica e prolungare la durata di conservazione
• degasaggio di polimeri e vernici prima dell’applicazione, dell’indurimento o dell’infusione sottovuoto

Durante la sonicazione dei liquidi, le onde sonore che si propagano dalla superficie emittente nel mezzo liquido producono cicli alternati di alta e bassa pressione, con una cadenza che dipende dalla frequenza. Durante il ciclo di bassa pressione, le onde ultrasoniche possono creare piccole bolle di vuoto o cavità nel liquido. Il gran numero di piccole bolle genera un’elevata superficie totale delle bolle. Le bolle sono inoltre ben distribuite nel liquido. Il gas disciolto migra in queste bolle di vuoto attraverso l’ampia superficie e ne aumenta le dimensioni.
Le onde acustiche favoriscono il contatto e la coalescenza delle bolle adiacenti, accelerandone la crescita. Le onde di sonicazione contribuiscono inoltre a staccare le bolle dalle superfici del recipiente e spingono le bolle più piccole situate sotto la superficie del liquido a risalire e a liberare nell’ambiente il gas intrappolato.

Mettetelo alla prova

Il processo di degasaggio e abbattimento della schiuma nei liquidi può essere reso facilmente visibile. In un becher di vetro contenente acqua di rubinetto appena versata, la sonicazione induce le piccole bolle in sospensione a coalescere e a risalire rapidamente. Questo effetto è visibile nella sequenza di immagini qui sotto.

Degasaggio a ultrasuoni dell’acqua (5 secondi)

L’olio agitato contiene un gran numero di bolle in sospensione o schiuma. Questo rappresenta un problema soprattutto nei liquidi refrigeranti. In questi liquidi, le bolle di gas favoriscono l’usura indotta dalla cavitazione nelle pompe o negli ugelli. La sequenza di immagini qui sotto mostra l’effetto degli ultrasuoni sull’abbattimento della schiuma.

Degasaggio a ultrasuoni: le bolle di gas intrappolate vengono rimosse dall’olio mediante il sonicatore UP400St

La sonicazione genera piccole bolle di vuoto nell’acqua limpida lasciata a riposo. Queste bolle si riempiono di gas disciolto, che migra al loro interno. Di conseguenza, le bolle crescono e risalgono. L’effetto di degasaggio è ben visibile in qualsiasi liquido traslucido.
Poiché gli ultrasuoni favoriscono la risalita delle piccole bolle in sospensione verso la superficie del liquido, riducono anche il tempo di contatto tra la bolla e il liquido. Per questo motivo, limitano anche la ridissoluzione del gas dalla bolla nel liquido. Questo è particolarmente interessante per i liquidi a viscosità più elevata, come oli o resine. Poiché le bolle devono raggiungere la superficie del liquido, il degasaggio a ultrasuoni funziona meglio se il recipiente è poco profondo, così da ridurre il tempo necessario per raggiungere la superficie.

Oltre gli effetti visibili

La misurazione degli effetti del degasaggio mediante ispezione visiva ha una precisione limitata. Le misurazioni del contenuto di gas consentono una valutazione più accurata dell’efficienza del degasaggio a ultrasuoni.

I fluidi contengono una certa quantità di gas disciolto. La concentrazione di gas dipende da fattori quali la temperatura, la pressione ambiente o l’agitazione del liquido. In condizioni costanti, la concentrazione di gas tende a raggiungere un equilibrio. Il degasaggio a ultrasuoni modifica queste condizioni, poiché il liquido è esposto a bolle a bassa pressione e all’agitazione. Pertanto, la sonicazione riduce la concentrazione di gas nel liquido al di sotto del livello di equilibrio.
Quando la sonicazione si interrompe e vengono ripristinate le condizioni iniziali, la concentrazione di gas torna lentamente ad avvicinarsi 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 piuttosto lenta, è possibile lavorare con il liquido a basso contenuto di gas dopo la sonicazione. Il grafico qui sotto illustra questo effetto.

Illustrazione del degasaggio a ultrasuoni dell’acqua

Degasaggio prima dell’emulsificazione e della dispersione

Il degasaggio a ultrasuoni può migliorare la qualità delle dispersioni e delle emulsioni.

Il problema

Spesso le emulsioni e le dispersioni contengono tensioattivi per aumentarne la stabilità. I tensioattivi inibiscono il contatto e la coalescenza o l’agglomerazione del materiale disperso nella fase liquida. A questo scopo, i tensioattivi formano uno strato attorno a ciascuna particella. Gli stessi tensioattivi possono anche incapsulare le bolle di gas in sospensione nella fase liquida. Queste bolle stabilizzate possono risultare molto resistenti. Le bolle stabilizzate consumano tensioattivo, riducono la qualità dell’emulsione o della dispersione e possono generare letture irregolari durante la misurazione delle dimensioni delle particelle.

La soluzione: il degasaggio a ultrasuoni

Per ridurre il problema delle bolle di gas stabilizzate, i liquidi devono essere degasati mediante sonicazione. Prima di aggiungere la fase dispersa, come olio o polvere, sottoponete il liquido a sonicazione finché il numero di bolle generate non diminuisce. Quando incorporate altri materiali, evitate di generare nuove bolle o un vortice durante l’agitazione. Ciò aumenterebbe rapidamente il contenuto di gas.
 

Fango di perforazione a base acquosa prima e dopo il degasaggio a ultrasuoni con il sonicatore UIP1000hd
Studio e immagine di Amani et al. 2016

Espulsione dell’anidride carbonica

L’effetto del degasaggio viene utilizzato nelle prove di tenuta di lattine e bottiglie contenenti bevande gassate, come cola, bibite gassate o birra. Fate clic qui per ulteriori informazioni sulle prove di tenuta delle bottiglie.

Il degasaggio a ultrasuoni in breve

Il degasaggio a ultrasuoni dei liquidi funziona meglio adottando la seguente configurazione.

• Applicate ampiezze ultrasoniche da basse a moderate!
• Utilizzate sonotrodi con un’ampia superficie, ad esempio sonotrodi a emissione radiale!
• Mantenete una bassa pressione o il vuoto sopra la superficie del liquido durante la sonicazione!
• Riscaldate il liquido per ridurne la viscosità!
• Utilizzate un recipiente poco profondo per la separazione del gas durante o dopo la sonicazione!
• Evitate l’agitazione turbolenta per consentire alle bolle di gas di risalire!

Il degasaggio a ultrasuoni può essere utilizzato in modalità batch o in linea. Nel caso del funzionamento in linea, occorre installare un tubo verticale per lo scarico del gas e utilizzare una pompa per gas.

Bibliografia / Riferimenti

• 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.