液体の超音波脱気と脱泡
超音波を使った液体の脱気と脱泡は、非常に効果的なプロセスである。超音波処理により、液体から小さな浮遊ガスバブルを除去し、溶存ガスレベルを自然平衡レベル以下に低下させます。
液体の脱気・脱泡は、以下のような多くのプロセスで必要とされる：
- 測定誤差を避けるための粒子径測定前の試料調整
- キャビテーションによるポンプの摩耗を低減するため、ポンピング前にオイルと潤滑油を脱気する。
- 液体食品（ジュース、ソース、ワインなど）のガス抜き。微生物の繁殖を抑え、保存性を高める。
- 塗布、硬化または真空注入前のポリマーおよびワニスのガス抜き
液体を超音波処理する場合、放射表面から液体媒体中に伝播する音波は、周波数によって異なる割合で、高圧サイクルと低圧サイクルを交互に繰り返します。低圧サイクルの間、超音波は液体中に小さな真空の気泡や空隙を作ることができる。小さな気泡の数が多いため、気泡の総表面積が大きくなる。また、気泡は液体中によく分散している。溶存ガスは、大きな表面積を介してこれらの真空気泡に移動し、気泡のサイズを大きくする。
音響波は、隣接する気泡の接触と合体をサポートし、気泡の成長を加速させます。超音波はまた、容器表面から気泡を振り落とすのに役立ち、液面下に静止している小さな気泡を強制的に上昇させ、周囲に封じ込められたガスを放出させる。
Hielscher社製200ワット超音波プロセッサーを使用したオイルの超音波脱気。
テストする
液体の脱気と脱泡のプロセスは、簡単に見ることができる。注ぎたての水道水を入れたガラスビーカーでは、超音波によって小さな浮遊泡が合体し、急速に上昇する。下の経過画像でこの効果を見ることができる。
水の超音波脱気（5秒）
攪拌されたオイルには、浮遊気泡や泡が多く含まれる。特にクーラントではこれが問題となる。そこでは、気泡がポンプやノズルの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、超音波消泡効果を示しています。
超音波ガス抜き：超音波脱気装置UP400Stを使用して、オイルから気泡を除去します。
ソニケーションは、透明な水の中に小さな真空の泡を発生させる。この気泡は溶存ガスで満たされ、溶存ガスは気泡の中に移動する。その結果、気泡は成長し、上昇する。脱気効果は、半透明の液体であればよく見える。
超音波は小さな浮遊気泡の液面への浮上を良くするため、気泡と液体の接触時間も短くなる。このため、気泡から液体への気体の再溶解も制限される。これは、油や樹脂のような粘度の高い液体の場合に特に興味深い。気泡は液面まで移動しなければならないので、液面までの時間が短くなるように容器を浅くすれば、超音波脱気はより効果的に機能する。
目に見える効果を超えて
目視による脱気効果の測定は、精度に限界がある。ガス含有量の測定は、超音波脱ガス効率についてのより正確な方法である。
液体には一定量の溶存ガスが含まれている。気体の濃度は、温度、周囲圧力、液体の攪拌などの要因に依存する。一定の条件下では、ガス濃度は平衡に近づく。超音波脱気は、液体が低圧の気泡と攪拌にさらされるため、条件を変えることになる。したがって、超音波処理により、液体中のガス濃度は平衡レベル以下に低下する。
超音波処理を停止し、初期条件を再確立すると、密閉ボトル内などで液体が気体にさらされない限り、気体濃度は徐々に再び初期平衡レベルに近づく。液体へのガスの再溶解はかなり遅いため、超音波処理後の低ガス液体を使用して作業することは可能である。下のグラフはこの効果を示している。
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る。
問題点
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多い。界面活性剤は、液相中での分散物質の接触や合体、凝集を抑制する。このため、界面活性剤は各粒子の周囲に層を形成する。同じ界面活性剤は、液相中に浮遊する気泡をカプセル化することもできる。このような安定化気泡は、非常に頑強であることが証明できる。安定化し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、粒子径を測定する際に不安定な測定値を発生させる可能性がある。
ソリューション超音波脱気
安定化した気泡の問題を軽減するために、液体は超音波処理によって脱気されるべきである。オイルやパウダーなどの分散相を添加する前に、発生する気泡の数が減るまで液体を超音波処理する。他の材料を混合する場合は、攪拌中に新たな気泡や渦を発生させないようにする。これはガス含有量を急速に増加させることになる。
超音波脱気処理前後の水系掘削泥水 超音波処理装置 UIP1000hd を使用して
アマニらによる研究と写真（2016年
二酸化炭素の強制排出
脱ガスの効果は、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リークテストに利用されている。 ボトル・リーク検査の詳細については、こちらをクリックしてください。
超音波脱気の概要
液体の超音波脱気は、次のようなセットアップをするとうまくいく。
- 低～中程度の超音波振幅を加える！
- 放射状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する！
- 超音波処理中は、液面上を低圧または真空にする！
- 液体を加熱し、粘度を下げる！
- 超音波処理中または後のガス分離には、浅い容器を使用する！
- 乱流攪拌を避け、気泡が上に移動するようにする！
超音波脱ガスはバッチ式とインライン式がある。インラインの場合、ガス排出用のスタンドパイプを設置し、ガスポンプを適用する。
文献・参考文献
- 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.
超音波脱気装置
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