Ultradźwiękowe odgazowywanie i odpienianie cieczy
Odgazowywanie i odpienianie cieczy za pomocą ultradźwięków jest bardzo skutecznym procesem. Ultradźwięki usuwają małe zawieszone pęcherzyki gazu z cieczy i zmniejszają poziom rozpuszczonego gazu poniżej naturalnego poziomu równowagi.
Odgazowywanie i odpienianie cieczy jest wymagane do wielu celów, takich jak następujące procesy:
- przygotowanie próbki przed pomiarem wielkości cząstek w celu uniknięcia błędów pomiarowych
- odgazowanie oleju i smaru przed pompowaniem w celu zmniejszenia zużycia pompy spowodowanego kawitacją
- odgazowywanie płynnej żywności, np. soków, sosów lub wina, w celu ograniczenia rozwoju drobnoustrojów i wydłużenia okresu przydatności do spożycia
- odgazowywanie polimerów i lakierów przed aplikacją, utwardzaniem lub infuzją próżniową
Podczas sonikowania cieczy fale dźwiękowe, które rozchodzą się od powierzchni promieniującej do ciekłych mediów, powodują naprzemienne cykle wysokiego i niskiego ciśnienia, z szybkościami zależnymi od częstotliwości. Podczas cyklu niskiego ciśnienia fale ultradźwiękowe mogą tworzyć małe pęcherzyki próżniowe lub puste przestrzenie w cieczy. Duża liczba małych pęcherzyków generuje wysoką całkowitą powierzchnię pęcherzyków. Pęcherzyki są również dobrze rozmieszczone w cieczy. Rozpuszczony gaz migruje do tych pęcherzyków próżniowych poprzez dużą powierzchnię i zwiększa rozmiar pęcherzyków.
Fale akustyczne wspomagają dotykanie i koalescencję sąsiednich pęcherzyków, prowadząc do przyspieszonego wzrostu pęcherzyków. Fale ultradźwiękowe pomogą również strząsnąć pęcherzyki z powierzchni naczynia i zmuszą mniejsze pęcherzyki spoczywające pod powierzchnią cieczy do uniesienia się i uwolnienia uwięzionego gazu do otoczenia.
Ultradźwiękowe odgazowanie oleju przy użyciu procesora ultradźwiękowego Hielscher 200 Watts.
Przetestuj to
Proces odgazowywania i odpieniania cieczy można łatwo zaobserwować. W szklanej zlewce ze świeżo nalaną wodą z kranu, ultradźwięki zmuszą małe zawieszone pęcherzyki do koalescencji i szybkiego przemieszczania się w górę. Efekt ten można zobaczyć na poniższym obrazie postępu.
Ultradźwiękowe odgazowanie wody (5 sekund)
Mieszany olej zawiera dużą liczbę zawieszonych pęcherzyków lub piany. Stanowi to problem w szczególności w chłodziwach. Pęcherzyki gazu przyczyniają się tam do kawitacyjnego zużycia pomp lub dysz. Poniższy obraz przedstawia efekt odpieniania ultradźwiękowego.
Odgazowanie ultradźwiękowe: Uwięzione pęcherzyki gazu są usuwane z oleju za pomocą ultrasonografu UP400St
Sonikacja generuje małe pęcherzyki próżniowe w czystej, nieświeżej wodzie. Pęcherzyki te wypełniają się rozpuszczonym gazem, który migruje do pęcherzyków. W rezultacie pęcherzyki rosną i przemieszczają się w górę. Efekt odgazowania jest dobrze widoczny w każdej półprzezroczystej cieczy.
Ponieważ ultradźwięki poprawiają unoszenie się małych zawieszonych pęcherzyków na powierzchni cieczy, skracają również czas kontaktu między pęcherzykiem a cieczą. Z tego powodu ogranicza również ponowne rozpuszczanie gazu z pęcherzyka do cieczy. Ma to szczególne znaczenie w przypadku cieczy o wyższej lepkości, takich jak oleje lub żywice. Ponieważ pęcherzyki muszą przemieszczać się do powierzchni cieczy, odgazowanie ultradźwiękowe działa lepiej, jeśli pojemnik jest płytki, dzięki czemu czas do powierzchni jest krótszy.
Poza widocznymi efektami
Pomiar efektów odgazowania poprzez kontrolę wzrokową ma ograniczoną dokładność. Pomiary zawartości gazu są dokładniejszym sposobem określenia skuteczności odgazowywania ultradźwiękowego.
Płyny zawierają pewną ilość rozpuszczonego gazu. Stężenie gazu zależy od czynników, takich jak temperatura, ciśnienie otoczenia lub mieszanie cieczy. W stałych warunkach stężenie gazu zbliża się do stanu równowagi. Odgazowanie ultradźwiękowe zmieni warunki, ponieważ ciecz jest narażona na działanie pęcherzyków pod niskim ciśnieniem i mieszanie. Dlatego ultradźwięki obniżą stężenie gazu w cieczy poniżej poziomu równowagi.
Po zatrzymaniu sonikacji i przywróceniu warunków początkowych, stężenie gazu będzie powoli zbliżać się do początkowego poziomu równowagi, chyba że ciecz nie jest narażona na działanie gazu, np. w zamkniętej butelce. Ponieważ ponowne rozpuszczanie gazu w cieczy jest dość powolne, możliwa jest praca z cieczą o niskiej zawartości gazu po sonikacji. Poniższy wykres ilustruje ten efekt.
Ilustracja ultradźwiękowego odgazowywania wody
Odgazowanie przed emulgowaniem i dyspergowaniem
Odgazowanie ultradźwiękowe może poprawić jakość dyspersji i emulsji.
Problem
Często emulsje i dyspersje zawierają środki powierzchniowo czynne w celu zwiększenia ich stabilności. Środki powierzchniowo czynne hamują kontakt i koalescencję lub aglomerację zdyspergowanego materiału w fazie ciekłej. W tym celu środki powierzchniowo czynne tworzą warstwę wokół każdej cząstki. Te same środki powierzchniowo czynne mogą również hermetyzować pęcherzyki gazu zawieszone w fazie ciekłej. Takie stabilizowane pęcherzyki mogą okazać się bardzo wytrzymałe. Stabilizowane pęcherzyki zużywają środek powierzchniowo czynny, obniżają jakość emulsji lub dyspersji i mogą generować błędne odczyty podczas pomiaru wielkości cząstek.
Rozwiązanie: Odgazowanie ultradźwiękowe
Aby zmniejszyć problem stabilizowanych pęcherzyków gazu, ciecze powinny być odgazowywane za pomocą sonikacji. Przed dodaniem fazy rozproszonej, takiej jak olej lub proszek, należy poddać ciecz działaniu ultradźwięków do momentu zmniejszenia liczby generowanych pęcherzyków. Podczas mieszania z innymi materiałami należy unikać generowania nowych pęcherzyków lub wirów podczas mieszania. Spowodowałoby to szybki wzrost zawartości gazu.
Wypychanie dwutlenku węgla
Efekt odgazowania jest wykorzystywany w testach szczelności puszek i butelek zawierających napoje gazowane, takie jak cola, napoje gazowane lub piwo. Kliknij tutaj, aby uzyskać więcej informacji na temat testowania szczelności butelek.
Odgazowywanie ultradźwiękowe w skrócie
Ultradźwiękowe odgazowywanie cieczy działa lepiej, gdy używana jest następująca konfiguracja.
- Stosować niskie lub umiarkowane amplitudy ultradźwięków!
- Używać sonotrod o dużej powierzchni, np. sonotrod emitujących promieniście!
- Zapewnić niskie ciśnienie lub podciśnienie nad powierzchnią cieczy podczas sonikacji!
- Podgrzać płyn, aby zmniejszyć jego lepkość!
- Użyj płytkiego pojemnika do separacji gazu podczas lub po sonikacji!
- Unikaj burzliwego mieszania, aby umożliwić przemieszczanie się pęcherzyków gazu w górę!
Odgazowanie ultradźwiękowe może być stosowane w trybie wsadowym lub liniowym. W przypadku operacji inline należy zainstalować rurę stojącą do odprowadzania gazu i zastosować pompę gazową.