액체의 초음파 탈기 및 소포

초음파를 이용한 액체의 탈기 및 소포는 매우 효과적인 공정입니다. 초음파 처리는 액체에 부유하는 작은 기포를 제거하고 용존 가스의 농도를 자연 평형 수준 아래로 낮춥니다.

액체의 탈기 및 소포는 다음과 같은 공정을 비롯한 여러 목적에 필요합니다:

• 측정 오류를 방지하기 위한 입자 크기 측정 전 시료 준비
• 캐비테이션으로 인한 펌프 마모를 줄이기 위한 펌핑 전 오일 및 윤활제 탈기
• 미생물 증식을 줄이고 보존 기간을 늘리기 위한 주스, 소스, 와인 등 액상 식품의 탈기
• 도포, 경화 또는 진공 함침 전 고분자 및 바니시 탈기

액체를 초음파 처리하면 방사면에서 액체 매질로 전파되는 음파에 의해 고압 주기와 저압 주기가 번갈아 발생하며, 그 반복 속도는 주파수에 따라 달라집니다. 저압 주기 동안 초음파는 액체 내에 작은 진공 기포나 공동을 생성할 수 있습니다. 다수의 작은 기포는 큰 총 기포 표면적을 형성합니다. 또한 기포는 액체 내에 고르게 분포합니다. 용존 가스는 이 넓은 표면을 통해 진공 기포 안으로 이동하여 기포의 크기를 증가시킵니다.
음파는 인접한 기포의 접촉과 합체를 촉진하여 기포의 성장을 가속합니다. 또한 초음파는 용기 표면에 붙은 기포를 떨어뜨리는 데 도움을 주고, 액면 아래에 머물러 있는 더 작은 기포를 액면 위로 상승시켜 갇혀 있던 가스를 주변으로 방출하게 합니다.

직접 시험해 보세요

액체의 탈기 및 소포 과정은 쉽게 눈으로 확인할 수 있습니다. 수돗물을 갓 부은 유리 비커에 초음파를 가하면 부유하는 작은 기포가 합체하여 빠르게 위로 이동합니다. 아래의 진행 과정 이미지에서 이러한 효과를 확인할 수 있습니다.

물의 초음파 탈기(5초)

교반된 오일에는 부유하는 기포나 거품이 다량 포함되어 있습니다. 특히 냉각액에서는 이것이 문제가 됩니다. 냉각액 속 기포는 펌프나 노즐에서 캐비테이션으로 인한 마모를 촉진합니다. 아래의 진행 과정 이미지는 초음파 소포 효과를 보여 줍니다.

초음파 탈기: 초음파 처리기 UP400St를 사용하여 오일에 갇힌 기포를 제거합니다

초음파 처리는 맑고 오래 고여 있던 물에 작은 진공 기포를 생성합니다. 용존 가스가 이 기포 안으로 이동하여 기포를 채웁니다. 그 결과 기포가 커지고 위로 이동합니다. 빛이 투과되는 액체라면 어느 것이든 탈기 효과를 뚜렷하게 확인할 수 있습니다.
초음파는 부유하는 작은 기포가 액면으로 상승하는 것을 촉진하므로 기포와 액체 사이의 접촉 시간도 줄여 줍니다. 따라서 기포 속 가스가 액체에 다시 용해되는 것도 제한합니다. 이는 오일이나 수지와 같이 점도가 높은 액체에서 특히 유용합니다. 기포가 액면까지 이동해야 하므로 용기가 얕아 액면까지 도달하는 시간이 짧을수록 초음파 탈기가 더 효과적으로 이루어집니다.

눈에 보이는 효과를 넘어

육안 검사로 탈기 효과를 측정하는 데에는 정확도의 한계가 있습니다. 가스 함량 측정은 초음파 탈기 효율을 더 정확하게 파악하는 방법입니다.

유체에는 일정량의 용존 가스가 포함되어 있습니다. 가스 농도는 온도, 주변 압력 또는 액체의 교반과 같은 요인에 따라 달라집니다. 조건이 일정하면 가스 농도는 평형에 가까워집니다. 초음파 탈기는 액체를 저압 기포와 교반에 노출시키므로 이러한 조건을 바꿉니다. 따라서 초음파 처리는 액체의 가스 농도를 평형 수준 아래로 낮춥니다.
초음파 처리를 중단하고 초기 조건이 다시 형성되면, 밀폐된 병 안에서처럼 액체가 어떠한 가스에도 노출되지 않는 경우를 제외하고는 가스 농도가 다시 초기 평형 수준에 서서히 가까워집니다. 가스가 액체에 다시 용해되는 속도는 상당히 느리므로 초음파 처리 후에도 가스 함량이 낮은 액체를 사용하여 작업할 수 있습니다. 아래 그래프는 이러한 효과를 보여 줍니다.

물의 초음파 탈기 도해

유화 및 분산 전 탈기

초음파 탈기는 분산액과 유화액의 품질을 향상시킬 수 있습니다.

문제점

유화액과 분산액에는 안정성을 높이기 위해 계면활성제가 포함되는 경우가 많습니다. 계면활성제는 액상 내 분산 물질의 접촉과 합체 또는 응집을 억제합니다. 이를 위해 계면활성제는 각 입자 주위에 층을 형성합니다. 이러한 계면활성제는 액상에 부유하는 기포를 둘러쌀 수도 있습니다. 이렇게 안정화된 기포는 매우 견고할 수 있습니다. 안정화된 기포는 계면활성제를 소모하고 유화액이나 분산액의 품질을 떨어뜨리며, 입자 크기를 측정할 때 불규칙한 측정값을 유발할 수 있습니다.

해결책: 초음파 탈기

안정화된 기포로 인한 문제를 줄이려면 초음파 처리로 액체를 탈기해야 합니다. 오일이나 분말과 같은 분산상을 첨가하기 전에 생성되는 기포의 수가 줄어들 때까지 액체를 초음파 처리하십시오. 다른 물질을 혼합할 때는 교반 중 새로운 기포나 와류가 발생하지 않도록 하십시오. 이러한 기포나 와류는 가스 함량을 빠르게 증가시킵니다.
 

수성 시추 이수의 초음파 탈기 전후 모습: 초음파 처리기 UIP1000hd 사용
연구 및 사진: Amani et al. 2016

이산화탄소 배출

탈기 효과는 콜라, 소다 또는 맥주와 같은 탄산음료가 담긴 캔과 병의 누출 시험에 활용되고 있습니다. 병 누출 시험에 관한 자세한 정보를 보려면 여기를 클릭하십시오.

초음파 탈기 개요

다음과 같이 설정하면 액체의 초음파 탈기가 더 효과적으로 이루어집니다.

• 낮거나 중간 정도의 초음파 진폭을 적용하십시오!
• 방사형으로 초음파를 방출하는 소노트로드와 같이 표면적이 큰 소노트로드를 사용하십시오!
• 초음파 처리 중 액면 위에 저압 또는 진공 상태를 조성하십시오!
• 액체를 가열하여 점도를 낮추십시오!
• 초음파 처리 중 또는 처리 후 가스 분리를 위해 얕은 용기를 사용하십시오!
• 기포가 위로 이동할 수 있도록 난류를 일으키는 교반을 피하십시오!

초음파 탈기는 배치 방식 또는 인라인 방식으로 사용할 수 있습니다. 인라인 운전의 경우 가스 배출용 수직관을 설치하고 가스 펌프를 사용해야 합니다.

문헌 / 참고 자료

• 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.