液体の超音波脱気と消泡

超音波を用いた液体の脱気と消泡は、非常に効果的なプロセスです。超音波処理は、液体中に浮遊する小さな気泡を除去し、溶存ガス量を自然な平衡状態の水準よりも低下させます。

液体の脱気と消泡は、次のようなプロセスをはじめ、多くの目的で必要とされます。

• 測定誤差を防ぐための、粒子径測定前のサンプル調製
• キャビテーションによるポンプの摩耗を低減するための、送液前の油や潤滑剤の脱気
• 微生物の増殖を抑え、保存期間を延ばすための、ジュース、ソース、ワインなどの液状食品の脱気
• 塗布、硬化、真空含浸前のポリマーやワニスの脱気

液体を超音波処理すると、放射面から液体媒体中へ伝播する音波によって、高圧と低圧の周期が交互に生じます。その繰り返し速度は周波数に依存します。低圧周期では、超音波が液体中に小さな真空気泡や空洞を形成することがあります。多数の小さな気泡によって、気泡の総表面積が大きくなります。また、気泡は液体中に広く分布します。溶存ガスは、この大きな表面積を介して真空気泡内へ移動し、気泡を大きくします。
音波は隣接する気泡の接触と合一を促し、気泡の成長を加速させます。超音波処理による波は、容器の表面に付着した気泡を振り落とす働きもあり、液面下にとどまっている小さな気泡を液面まで上昇させ、閉じ込められたガスを周囲へ放出させます。

実際に試してみましょう

液体の脱気と消泡の過程は、簡単に目で確認できます。ガラス製ビーカーに注いだばかりの水道水を超音波処理すると、浮遊する小さな気泡が合一し、急速に上昇します。この効果は、下の経過画像で確認できます。

水の超音波脱気（5 秒）

撹拌された油には、多数の浮遊気泡や泡が含まれています。これは特に冷却液で問題になります。冷却液中の気泡は、ポンプやノズルでキャビテーションによる摩耗を促進します。下の経過画像は、超音波による消泡効果を示しています。

超音波脱気：超音波処理装置UP400Stを用いて、油中に閉じ込められた気泡を除去

透明な、しばらく静置した水を超音波処理すると、小さな真空気泡が生じます。これらの気泡には、気泡内へ移動してきた溶存ガスが充填されます。その結果、気泡は成長して上昇します。脱気効果は、光を透過する液体であれば、どの液体でもよく観察できます。
超音波は、浮遊する小さな気泡の液面への上昇を促進するため、気泡と液体の接触時間も短縮します。このため、気泡から液体へのガスの再溶解も抑えます。これは、油や樹脂など、粘度が高い液体で特に有用です。気泡は液面まで移動する必要があるため、液面に達するまでの時間が短くなる浅い容器を使うと、超音波脱気の効果が高まります。

目に見える効果の先へ

目視による脱気効果の測定には、精度に限界があります。超音波脱気の効率をより正確に把握するには、ガス含有量の測定が適しています。

流体には、一定量の溶存ガスが含まれています。ガス濃度は、温度、周囲の圧力、液体の撹拌などの要因に依存します。条件が一定であれば、ガス濃度は平衡状態に近づきます。超音波脱気では、液体が低圧の気泡と撹拌の作用を受けるため、条件が変化します。そのため、超音波処理によって液体中のガス濃度は平衡状態の水準よりも低くなります。
超音波処理を停止し、初期条件が再び整うと、密閉したボトル内など、液体がいかなるガスにもさらされていない場合を除き、ガス濃度はゆっくりと再び初期の平衡状態の水準に近づきます。液体へのガスの再溶解は比較的遅いため、超音波処理後もガス含有量の低い液体を使用できます。下のグラフは、この効果を示しています。

水の超音波脱気の図解

乳化・分散前の脱気

超音波脱気は、分散液やエマルションの品質を向上させることができます。

問題

エマルションや分散液には、安定性を高めるために界面活性剤が含まれていることがよくあります。界面活性剤は、液相中の分散物質の接触と合一、または凝集を抑制します。そのために、界面活性剤は各粒子の周囲に層を形成します。同じ界面活性剤は、液相中に浮遊する気泡を包み込むこともあります。このように安定化された気泡は、非常に壊れにくくなることがあります。安定化された気泡は界面活性剤を消費し、エマルションや分散液の品質を低下させ、粒子径測定で不規則な測定値を生じさせることがあります。

解決策：超音波脱気

安定化された気泡の問題を軽減するには、液体を超音波処理によって脱気する必要があります。油や粉末などの分散相を加える前に、発生する気泡の数が減るまで液体を超音波処理してください。他の材料を混合する際は、撹拌中に新たな気泡や渦を発生させないようにしてください。気泡や渦が発生すると、ガス含有量が急速に増加します。
 

水性掘削泥水の超音波脱気前後の状態 （超音波処理装置UIP1000hdを使用）
研究および画像：Amani et al. 2016

二酸化炭素の放出を促進

脱気効果は、コーラ、ソーダ、ビールなどの炭酸飲料が入った缶やボトルの漏れ試験に利用されています。 ボトルの漏れ試験の詳細については、こちらをクリックしてください。

超音波脱気の要点

次の条件を用いると、液体の超音波脱気の効果が高まります。

• 超音波振幅は低から中程度に設定してください！
• 半径方向に放射するソノトロードなど、表面積の大きいソノトロードを使用してください！
• 超音波処理中は、液面上の空間を低圧または真空にしてください！
• 液体を加熱し、粘度を下げてください！
• 超音波処理中または処理後にガスを分離するには、浅い容器を使用してください！
• 気泡が上昇できるよう、乱流を伴う撹拌を避けてください！

超音波脱気は、バッチ方式でもインライン方式でも使用できます。インライン運転の場合は、ガス排出用の立ち上がり管を設置し、ガスポンプを使用する必要があります。

文献 / 参考資料

• 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.