Ultradźwiękowe odgazowywanie i odpienianie cieczy

Odgazowywanie i odpienianie cieczy za pomocą ultradźwięków to bardzo skuteczny proces. Sonikacja usuwa z cieczy małe, zawieszone w niej pęcherzyki gazu i obniża zawartość rozpuszczonego gazu poniżej naturalnego poziomu równowagi.

Odgazowywanie i odpienianie cieczy jest wymagane do wielu celów, na przykład w następujących procesach:

• przygotowanie próbek przed pomiarem wielkości cząstek w celu uniknięcia błędów pomiarowych
• odgazowywanie olejów i środków smarnych przed pompowaniem w celu ograniczenia zużycia pomp spowodowanego kawitacją
• odgazowywanie płynnych produktów spożywczych, 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 sonikacji cieczy fale dźwiękowe rozchodzące się od powierzchni emitującej do ośrodka ciekłego powodują naprzemienne cykle wysokiego i niskiego ciśnienia, których tempo zależy od częstotliwości. Podczas cyklu niskiego ciśnienia fale ultradźwiękowe mogą tworzyć w cieczy małe pęcherzyki próżniowe lub puste przestrzenie. Duża liczba małych pęcherzyków zapewnia dużą łączną powierzchnię pęcherzyków. Pęcherzyki są również dobrze rozmieszczone w cieczy. Rozpuszczony gaz przenika do tych pęcherzyków próżniowych przez ich dużą powierzchnię i zwiększa ich rozmiar.
Fale akustyczne sprzyjają stykaniu się i koalescencji sąsiadujących pęcherzyków, co prowadzi do ich przyspieszonego wzrostu. Fale wywołujące sonikację pomagają również odrywać pęcherzyki od powierzchni naczyń i wymuszają unoszenie się mniejszych pęcherzyków znajdujących się pod powierzchnią cieczy ku tej powierzchni oraz uwalnianie uwięzionego gazu do otoczenia.

Sprawdź to w praktyce

Proces odgazowywania i odpieniania cieczy można łatwo uwidocznić. W szklanej zlewce ze świeżo nalaną wodą wodociągową sonikacja wymusi koalescencję małych, zawieszonych pęcherzyków i ich szybkie unoszenie się. Efekt ten można zobaczyć na poniższej ilustracji przedstawiającej przebieg procesu.

Ultradźwiękowe odgazowywanie wody (5 sekund)

Mieszany olej zawiera dużą liczbę zawieszonych pęcherzyków lub pianę. Jest to problem szczególnie w przypadku cieczy chłodzących. Pęcherzyki gazu sprzyjają w nich zużyciu pomp lub dysz spowodowanemu kawitacją. Poniższa ilustracja przedstawiająca przebieg procesu pokazuje efekt odpieniania ultradźwiękowego.

Odgazowywanie ultradźwiękowe: uwięzione pęcherzyki gazu są usuwane z oleju za pomocą sonikatora UP400St

Sonikacja wytwarza małe pęcherzyki próżniowe w klarownej, odstanej wodzie. Pęcherzyki te wypełniają się rozpuszczonym gazem, który do nich przenika. W rezultacie pęcherzyki rosną i unoszą się. Efekt odgazowywania jest dobrze widoczny w każdej cieczy przepuszczającej światło.
Ponieważ ultradźwięki ułatwiają unoszenie się małych, zawieszonych pęcherzyków ku powierzchni cieczy, skracają również czas kontaktu między pęcherzykiem a cieczą. Z tego powodu ograniczają także ponowne rozpuszczanie się gazu z pęcherzyka w cieczy. Ma to szczególne znaczenie w przypadku cieczy o większej lepkości, takich jak oleje lub żywice. Ponieważ pęcherzyki muszą dotrzeć do powierzchni cieczy, odgazowywanie ultradźwiękowe działa lepiej, gdy pojemnik jest płytki, dzięki czemu czas dotarcia do powierzchni jest krótszy.

Poza widocznymi efektami

Ocena efektów odgazowywania na podstawie oględzin ma ograniczoną dokładność. Pomiary zawartości gazu pozwalają dokładniej określić skuteczność odgazowywania ultradźwiękowego.

Ciecze zawierają pewną ilość rozpuszczonego gazu. Stężenie gazu zależy od czynników takich jak temperatura, ciśnienie otoczenia lub mieszanie cieczy. W stałych warunkach stężenie gazu będzie zbliżać się do poziomu równowagi. Odgazowywanie ultradźwiękowe zmienia te warunki, ponieważ ciecz jest poddawana działaniu pęcherzyków o niskim ciśnieniu i mieszaniu. Dlatego sonikacja obniża stężenie gazu w cieczy poniżej poziomu równowagi.
Po zakończeniu sonikacji i przywróceniu warunków początkowych stężenie gazu będzie ponownie powoli zbliżać się do początkowego poziomu równowagi, chyba że ciecz nie jest narażona na kontakt z żadnym gazem, np. w zamkniętej butelce. Ponieważ ponowne rozpuszczanie się gazu w cieczy jest dość powolne, po sonikacji można pracować z cieczą o niskiej zawartości gazu. Poniższy wykres ilustruje ten efekt.

Ilustracja ultradźwiękowego odgazowywania wody

Odgazowywanie przed emulgowaniem i dyspergowaniem

Odgazowywanie ultradźwiękowe może poprawić jakość dyspersji i emulsji.

Problem

Emulsje i dyspersje często zawierają środki powierzchniowo czynne zwiększające ich stabilność. Środki powierzchniowo czynne hamują kontakt oraz koalescencję lub aglomerację materiału rozproszonego w fazie ciekłej. W tym celu tworzą warstwę wokół każdej cząstki. Te same środki powierzchniowo czynne mogą również otaczać pęcherzyki gazu zawieszone w fazie ciekłej. Takie ustabilizowane pęcherzyki mogą okazać się bardzo trwałe. Ustabilizowane pęcherzyki zużywają środek powierzchniowo czynny, obniżają jakość emulsji lub dyspersji i mogą powodować nieregularne odczyty podczas pomiaru wielkości cząstek.

Rozwiązanie: odgazowywanie ultradźwiękowe

Aby ograniczyć problem ustabilizowanych pęcherzyków gazu, należy odgazować ciecze za pomocą sonikacji. Przed dodaniem fazy rozproszonej, takiej jak olej lub proszek, należy poddawać ciecz sonikacji, aż liczba powstających pęcherzyków się zmniejszy. Podczas dodawania i mieszania innych materiałów należy unikać tworzenia nowych pęcherzyków lub wiru. Ich powstawanie szybko zwiększyłoby zawartość gazu.
 

Płuczka wiertnicza na bazie wody przed odgazowywaniem ultradźwiękowym i po nim za pomocą sonikatora UIP1000hd
Badanie i zdjęcie: Amani i in. 2016

Usuwanie dwutlenku węgla

Efekt odgazowywania wykorzystuje się w badaniach szczelności puszek i butelek zawierających napoje gazowane, takie jak cola, gazowane napoje bezalkoholowe lub piwo. Kliknij tutaj, aby uzyskać więcej informacji o badaniu szczelności butelek.

Odgazowywanie ultradźwiękowe w skrócie

Ultradźwiękowe odgazowywanie cieczy działa lepiej przy zastosowaniu poniższych warunków.

• Stosuj niskie lub umiarkowane amplitudy ultradźwięków!
• Używaj sonotrod o dużej powierzchni, np. sonotrod emitujących promieniowo!
• Zapewnij niskie ciśnienie lub próżnię nad powierzchnią cieczy podczas sonikacji!
• Podgrzej ciecz, aby zmniejszyć jej lepkość!
• Używaj płytkiego pojemnika do oddzielania gazu podczas sonikacji lub po niej!
• Unikaj mieszania turbulentnego, aby umożliwić unoszenie się pęcherzyków gazu!

Odgazowywanie ultradźwiękowe można stosować w trybie okresowym lub przepływowym. W przypadku pracy w trybie przepływowym należy zainstalować pionową rurę do odprowadzania gazu i zastosować pompę gazu.

Literatura / Źródła

• 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.