Šķidrumu degazēšana un putu likvidēšana ar ultraskaņu

Šķidrumu degazēšana un putu likvidēšana ar ultraskaņu ir ļoti efektīvs process. Apstrāde ar ultraskaņu izvada no šķidruma sīkus, tajā suspendētus gāzes burbuļus un samazina izšķīdušās gāzes saturu zem dabiskā līdzsvara līmeņa.

Šķidrumu degazēšana un putu likvidēšana ir nepieciešama daudziem mērķiem, piemēram, šādos procesos:

• paraugu sagatavošana pirms daļiņu izmēra mērīšanas, lai izvairītos no mērījumu kļūdām
• eļļas un smērvielu degazēšana pirms sūknēšanas, lai samazinātu kavitācijas izraisītu sūkņa nodilumu
• šķidru pārtikas produktu, piemēram, sulas, mērces vai vīna, degazēšana, lai samazinātu mikroorganismu augšanu un pagarinātu glabāšanas laiku
• polimēru un laku degazēšana pirms uzklāšanas, cietināšanas vai vakuuma infūzijas

Apstrādājot šķidrumus ar ultraskaņu, skaņas viļņi, kas izplatās no izstarojošās virsmas šķidrajā vidē, rada pārmaiņus augsta un zema spiediena ciklus, kuru atkārtošanās ātrums ir atkarīgs no frekvences. Zema spiediena cikla laikā ultraskaņas viļņi šķidrumā var radīt sīkus vakuuma burbuļus vai dobumus. Lielais sīko burbuļu skaits veido lielu burbuļu kopējo virsmas laukumu. Burbuļi ir arī labi izkliedēti šķidrumā. Caur lielo virsmas laukumu izšķīdusī gāze pārvietojas šajos vakuuma burbuļos un palielina to izmēru.
Akustiskie viļņi veicina blakus esošo burbuļu saskaršanos un saplūšanu, paātrinot to augšanu. Ultraskaņas viļņi arī palīdz atraut burbuļus no trauka virsmām un liek mazākiem burbuļiem, kas atrodas zem šķidruma virsmas, pacelties līdz tai un izdalīt ieslēgto gāzi apkārtējā vidē.

Izmēģiniet paši

Šķidrumu degazēšanas un putu likvidēšanas procesu var viegli padarīt redzamu. Stikla vārglāzē ar tikko ielietu krāna ūdeni apstrāde ar ultraskaņu liek sīkajiem suspendētajiem burbuļiem saplūst un strauji celties augšup. Šo efektu var redzēt tālāk redzamajā procesa gaitas attēlā.

Ūdens degazēšana ar ultraskaņu (5 sekundes)

Maisīta eļļa satur daudz suspendētu burbuļu vai putu. Tas rada problēmas jo īpaši dzesēšanas šķidrumos. Tajos gāzes burbuļi veicina kavitācijas izraisītu sūkņu vai sprauslu nodilumu. Tālāk redzamajā procesa gaitas attēlā parādīta putu likvidēšanas ar ultraskaņu iedarbība.

Degazēšana ar ultraskaņu: ieslēgtie gāzes burbuļi tiek izvadīti no eļļas, izmantojot ultraskaņas ierīci UP400St

Apstrāde ar ultraskaņu rada sīkus vakuuma burbuļus dzidrā, nostāvējušā ūdenī. Šie burbuļi piepildās ar izšķīdušo gāzi, kas pārvietojas burbuļos. Tādēļ burbuļi aug un ceļas augšup. Degazēšanas efekts ir labi redzams jebkurā gaismu caurlaidīgā šķidrumā.
Tā kā ultraskaņa veicina sīko suspendēto burbuļu pacelšanos līdz šķidruma virsmai, tā arī samazina burbuļa un šķidruma saskares laiku. Tādēļ tā arī ierobežo gāzes atkārtotu izšķīšanu šķidrumā no burbuļa. Tas ir īpaši nozīmīgi šķidrumiem ar augstāku viskozitāti, piemēram, eļļām vai sveķiem. Tā kā burbuļiem ir jāpaceļas līdz šķidruma virsmai, degazēšana ar ultraskaņu darbojas labāk, ja trauks ir sekls, jo tad laiks līdz virsmas sasniegšanai ir īsāks.

Papildus redzamajai iedarbībai

Degazēšanas iedarbības noteikšanai ar vizuālu pārbaudi ir ierobežota precizitāte. Gāzes satura mērījumi ir precīzāks veids, kā novērtēt degazēšanas ar ultraskaņu efektivitāti.

Šķidrumi satur noteiktu daudzumu izšķīdušas gāzes. Gāzes koncentrācija ir atkarīga no tādiem faktoriem kā temperatūra, apkārtējās vides spiediens vai šķidruma maisīšana. Nemainīgos apstākļos gāzes koncentrācija tuvosies līdzsvara līmenim. Degazēšana ar ultraskaņu maina apstākļus, jo šķidrums tiek pakļauts zema spiediena burbuļu un maisīšanas iedarbībai. Tādēļ apstrāde ar ultraskaņu samazina gāzes koncentrāciju šķidrumā zem līdzsvara līmeņa.
Kad apstrāde ar ultraskaņu beidzas un atjaunojas sākotnējie apstākļi, gāzes koncentrācija atkal lēnām tuvojas sākotnējam līdzsvara līmenim, izņemot gadījumus, kad šķidrums nesaskaras ne ar kādu gāzi, piemēram, slēgtā pudelē. Tā kā gāzes atkārtota izšķīšana šķidrumā noris diezgan lēni, pēc apstrādes ar ultraskaņu ir iespējams strādāt ar šķidrumu, kurā ir zems gāzes saturs. Tālāk redzamais grafiks ilustrē šo efektu.

Ūdens degazēšanas ar ultraskaņu ilustrācija

Degazēšana pirms emulģēšanas un disperģēšanas

Degazēšana ar ultraskaņu var uzlabot dispersiju un emulsiju kvalitāti.

Problēma

Emulsijas un dispersijas bieži satur virsmaktīvās vielas, lai palielinātu to stabilitāti. Virsmaktīvās vielas kavē disperģētā materiāla saskaršanos un saplūšanu vai aglomerāciju šķidrajā fāzē. Šim nolūkam virsmaktīvās vielas veido slāni ap katru daļiņu. Tās pašas virsmaktīvās vielas var arī apņemt gāzes burbuļus, kas ir suspendēti šķidrajā fāzē. Šādi stabilizēti burbuļi var izrādīties ļoti noturīgi. Stabilizēti burbuļi patērē virsmaktīvo vielu, samazina emulsijas vai dispersijas kvalitāti un var radīt svārstīgus rādījumus, mērot daļiņu izmēru.

Risinājums: degazēšana ar ultraskaņu

Lai mazinātu stabilizēto gāzes burbuļu radīto problēmu, šķidrumi jādegazē, apstrādājot tos ar ultraskaņu. Pirms dispersās fāzes, piemēram, eļļas vai pulvera, pievienošanas apstrādājiet šķidrumu ar ultraskaņu, līdz radušos burbuļu skaits samazinās. Iemaisot citus materiālus, izvairieties no jaunu burbuļu vai virpuļa veidošanās maisīšanas laikā. Tas strauji palielinātu gāzes saturu.
 

Ūdens bāzes urbšanas šķīdums pirms un pēc degazēšanas ar ultraskaņu ar ultraskaņas ierīci UIP1000hd
Pētījums un attēls: Amani et al. 2016

Oglekļa dioksīda izvadīšana

Degazēšanas efektu izmanto, pārbaudot hermētiskumu skārdenēm un pudelēm, kurās ir gāzēti dzērieni, piemēram, kola, gāzēts atspirdzinošais dzēriens vai alus. Lūdzu, noklikšķiniet šeit, lai iegūtu vairāk informācijas par pudeļu hermētiskuma pārbaudi.

Īsumā par degazēšanu ar ultraskaņu

Šķidrumu degazēšana ar ultraskaņu darbojas labāk, ja ievēro šādus nosacījumus.

• Izmantojiet zemas līdz mērenas ultraskaņas amplitūdas!
• Izmantojiet sonotrodes ar lielu virsmas laukumu, piemēram, radiāli izstarojošas sonotrodes!
• Apstrādes ar ultraskaņu laikā nodrošiniet zemu spiedienu vai vakuumu virs šķidruma virsmas!
• Sildiet šķidrumu, lai samazinātu tā viskozitāti!
• Izmantojiet seklu trauku gāzes atdalīšanai apstrādes ar ultraskaņu laikā vai pēc tās!
• Izvairieties no turbulentas maisīšanas, lai gāzes burbuļi varētu celties augšup!

Degazēšanu ar ultraskaņu var izmantot partiju režīmā vai plūsmā. Darbībai plūsmā jāuzstāda vertikāla caurule gāzes izvadīšanai un jāizmanto gāzes sūknis.

Literatūra / Atsauces

• 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.