Desgaseificação e desespumação ultrassónica de líquidos

A desgaseificação e a antiespuma de líquidos por ultra-sons é um processo muito eficaz. A ultra-sons elimina do líquido pequenas bolhas de gás em suspensão e reduz o nível de gás dissolvido abaixo do nível de equilíbrio natural.

A desgaseificação e a antiespuma de líquidos são necessárias para muitos fins, tais como os seguintes processos:

• preparação da amostra antes da medição do tamanho das partículas para evitar erros de medição
• desgaseificação do óleo e do lubrificante antes da bombagem para reduzir o desgaste da bomba devido à cavitação
• desgaseificação de alimentos líquidos, por exemplo, sumo, molho ou vinho, para reduzir o crescimento microbiano e aumentar o prazo de validade
• desgaseificação de polímeros e vernizes antes da aplicação, da cura ou da infusão sob vácuo

Ao sonicar líquidos, as ondas sonoras que se propagam da superfície radiante para o meio líquido resultam em ciclos alternados de alta pressão e baixa pressão, com taxas que dependem da frequência. Durante o ciclo de baixa pressão, as ondas ultra-sónicas podem criar pequenas bolhas de vácuo ou espaços vazios no líquido. O grande número de pequenas bolhas gera uma elevada área de superfície total de bolhas. As bolhas também estão bem distribuídas no líquido. O gás dissolvido migra para estas bolhas de vácuo através da grande área de superfície e aumenta o tamanho das bolhas.
As ondas acústicas apoiam o toque e a coalescência de bolhas adjacentes, levando a um crescimento acelerado das bolhas. As ondas de sonicação também ajudarão a sacudir as bolhas das superfícies dos recipientes e forçarão as bolhas mais pequenas que repousam abaixo da superfície do líquido a subir e a libertar o gás aprisionado para o ambiente.

Teste-o

O processo de desgaseificação e de formação de espuma dos líquidos pode ser facilmente visível. Num copo de vidro com água da torneira acabada de verter, a ultrassonografia obriga as pequenas bolhas em suspensão a coalescerem e a subirem rapidamente. Pode ver este efeito na imagem de progresso abaixo.

Desgaseificação ultra-sónica da água (5 segundos)

O óleo agitado contém um elevado número de bolhas ou espuma em suspensão. Isto é particularmente problemático nos líquidos de refrigeração. Aí, as bolhas de gás promovem o desgaste induzido pela cavitação em bombas ou bicos. A imagem de progresso abaixo mostra o efeito antiespumante ultrassónico.

Desgaseificação por ultra-sons: As bolhas de gás aprisionadas são removidas do óleo utilizando o ultrassom UP400St

A sonicação gera pequenas bolhas de vácuo em água limpa e gasosa. Estas bolhas enchem-se de gás dissolvido, que migra para as bolhas. Consequentemente, as bolhas crescem e deslocam-se para cima. O efeito de desgaseificação é bem visível em qualquer líquido translúcido.
Como o ultrassom melhora a subida de pequenas bolhas suspensas para a superfície do líquido, também reduz o tempo de contacto entre a bolha e o líquido. Por esta razão, limita também a redissolução do gás da bolha para o líquido. Isto é de particular interesse para líquidos de maior viscosidade, tais como óleos ou resinas. Uma vez que as bolhas têm de se deslocar para a superfície do líquido, a desgaseificação por ultra-sons funciona melhor se o recipiente for pouco profundo, para que o tempo até à superfície seja mais curto.

Para além dos efeitos visíveis

A medição dos efeitos de desgaseificação por inspeção visual é limitada em termos de precisão. As medições do teor de gás são uma forma mais precisa de conhecer a eficiência da desgaseificação por ultra-sons.

Os fluidos contêm uma certa quantidade de gás dissolvido. A concentração de gás depende de factores como a temperatura, a pressão ambiente ou a agitação do líquido. Em condições constantes, a concentração de gás aproximar-se-á de um equilíbrio. A desgaseificação por ultra-sons irá alterar as condições, porque o líquido é exposto a bolhas de baixa pressão e agitação. Por conseguinte, a ultrassonificação reduzirá a concentração de gás no líquido para um nível inferior ao de equilíbrio.
Quando a sonicação pára e as condições iniciais são restabelecidas, a concentração de gás aproximar-se-á lentamente do nível de equilíbrio inicial, a menos que o líquido não seja exposto a qualquer gás, por exemplo, numa garrafa fechada. Uma vez que a redissolução do gás no líquido é bastante lenta, é possível trabalhar com o líquido com baixo teor de gás após a sonicação. O gráfico abaixo ilustra este efeito.

Ilustração da desgaseificação ultra-sónica da água

Desgaseificação antes da Emulsificação e Dispersão

A desgaseificação por ultra-sons pode melhorar a qualidade das dispersões e emulsões.

O problema

Muitas vezes, as emulsões e dispersões contêm tensioactivos para aumentar a sua estabilidade. Os tensioactivos inibem o contacto e a coalescência ou aglomeração do material disperso na fase líquida. Para tal, os tensioactivos formam uma camada à volta de cada partícula. Os mesmos tensioactivos podem também encapsular as bolhas de gás que estão suspensas na fase líquida. Estas bolhas estabilizadas podem revelar-se muito robustas. As bolhas estabilizadas consomem tensioativo, reduzem a qualidade da emulsão ou dispersão e podem gerar leituras erráticas quando se mede o tamanho das partículas.

A solução: Desgaseificação por ultra-sons

A fim de reduzir o problema das bolhas de gás estabilizadas, os líquidos devem ser desgaseificados por sonicação. Antes de adicionar a fase dispersa, como o óleo ou o pó, sonicar o líquido até reduzir o número de bolhas geradas. Ao misturar outros materiais, evitar a formação de novas bolhas ou de um vórtice durante a agitação. Isto aumentaria rapidamente o teor de gás.
 

Lama de perfuração à base de água antes e depois da desgaseificação por ultrassons com o sonicador UIP1000hd
Estudo e imagem de Amani et al. 2016

Forçar a saída do dióxido de carbono

O efeito da desgaseificação está a ser utilizado no teste de fugas de latas e garrafas que contêm bebidas gaseificadas, como cola, refrigerante ou cerveja. Clique aqui para obter mais informações sobre o teste de fugas em garrafas.

Desgaseificação por ultra-sons em resumo

A desgaseificação ultra-sónica de líquidos funciona melhor quando se utiliza a seguinte configuração.

• Aplicar amplitudes de ultra-sons baixas a moderadas!
• Utilizar sonotrodos com uma grande área de superfície, por exemplo, sonotrodos de emissão radial!
• Durante a sonicação, manter uma baixa pressão ou vácuo acima da superfície do líquido!
• Aquecer o líquido, para reduzir a sua viscosidade!
• Utilizar um recipiente pouco fundo para a separação do gás durante ou após a sonicação!
• Evitar a agitação turbulenta para permitir a subida das bolhas de gás!

A desgaseificação por ultra-sons pode ser utilizada em modo descontínuo ou em linha. No caso de uma operação em linha, deve ser instalado um tubo vertical para a descarga do gás e deve ser aplicada uma bomba de gás.

Literatura / Referências