Desgaseificação e eliminação de espuma de líquidos por ultrassons

A desgaseificação e a eliminação de espuma de líquidos por ultrassons constituem um processo muito eficaz. A ultrassonicação remove pequenas bolhas de gás em suspensão no líquido e reduz o nível de gás dissolvido para um valor inferior ao nível de equilíbrio natural.

A desgaseificação e a eliminação de espuma de líquidos são necessárias para muitas finalidades, como nos seguintes processos:

• preparação de amostras antes da medição do tamanho das partículas para evitar erros de medição
• desgaseificação de óleos e lubrificantes antes da bombagem para reduzir o desgaste das bombas devido à cavitação
• desgaseificação de alimentos líquidos, por exemplo, sumos, molhos ou vinho, para reduzir o crescimento microbiano e aumentar o prazo de conservação
• desgaseificação de polímeros e vernizes antes da aplicação, cura ou infusão a vácuo

Durante a sonicação de líquidos, as ondas sonoras que se propagam da superfície emissora para o meio líquido dão origem a ciclos alternados de alta e baixa pressão, cuja taxa de repetição depende da frequência. Durante o ciclo de baixa pressão, as ondas ultrassónicas podem criar pequenas bolhas de vácuo ou cavidades no líquido. O grande número de pequenas bolhas gera uma elevada área superficial total das bolhas. As bolhas estão também bem distribuídas no líquido. O gás dissolvido migra para estas bolhas de vácuo através da sua grande área superficial e aumenta o tamanho das bolhas.
As ondas acústicas favorecem o contacto e a coalescência de bolhas adjacentes, levando a um crescimento acelerado das bolhas. As ondas de sonicação também ajudam a desprender as bolhas das superfícies dos recipientes e forçam as bolhas mais pequenas que se encontram abaixo da superfície do líquido a subir até à superfície e a libertar o gás retido para o ambiente.

Ponha à prova

É fácil tornar visível o processo de desgaseificação e eliminação de espuma de líquidos. Num copo de vidro com água da torneira acabada de verter, a ultrassonicação força as pequenas bolhas em suspensão a coalescer e a subir rapidamente. Pode observar este efeito na imagem da evolução do processo abaixo.

Desgaseificação de água por ultrassons (5 segundos)

O óleo agitado contém um elevado número de bolhas em suspensão ou espuma. Isto constitui um problema, em particular nos fluidos de refrigeração. Nestes fluidos, as bolhas de gás promovem o desgaste induzido pela cavitação em bombas ou bocais. A imagem da evolução do processo abaixo mostra o efeito da eliminação de espuma por ultrassons.

Desgaseificação por ultrassons: as bolhas de gás retidas são removidas do óleo com o sonicador UP400St

A sonicação gera pequenas bolhas de vácuo em água límpida que tenha ficado em repouso. Estas bolhas enchem-se de gás dissolvido, que migra para o seu interior. Consequentemente, as bolhas crescem e sobem. O efeito de desgaseificação é bem visível em qualquer líquido translúcido.
Como os ultrassons favorecem a subida das pequenas bolhas em suspensão até à superfície do líquido, também reduzem o tempo de contacto entre a bolha e o líquido. Por este motivo, também limitam a redissolução do gás da bolha no líquido. Isto é de particular interesse para líquidos de maior viscosidade, como óleos ou resinas. Uma vez que as bolhas têm de se deslocar até à superfície do líquido, a desgaseificação por ultrassons funciona melhor se o recipiente for pouco profundo, para que o tempo necessário para atingir a superfície seja menor.

Para além dos efeitos visíveis

A medição dos efeitos da desgaseificação por inspeção visual tem uma precisão limitada. As medições do teor de gás são uma forma mais precisa de avaliar a eficiência da desgaseificação por ultrassons.

Os fluidos contêm uma determinada quantidade de gás dissolvido. A concentração de gás depende de fatores como a temperatura, a pressão ambiente ou a agitação do líquido. Em condições constantes, a concentração de gás aproxima-se de um equilíbrio. A desgaseificação por ultrassons altera as condições, porque o líquido é exposto a bolhas de baixa pressão e a agitação. Por conseguinte, a ultrassonicação reduz a concentração de gás no líquido para um valor inferior ao nível de equilíbrio.
Quando a sonicação termina e as condições iniciais são restabelecidas, a concentração de gás volta a aproximar-se lentamente do nível de equilíbrio inicial, a menos que o líquido não esteja exposto a qualquer gás, por exemplo, numa garrafa fechada. Como 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 de água por ultrassons

Desgaseificação antes da emulsificação e da dispersão

A desgaseificação por ultrassons pode melhorar a qualidade das dispersões e emulsões.

O problema

As emulsões e dispersões contêm frequentemente tensioativos para aumentar a sua estabilidade. Os tensioativos inibem o contacto e a coalescência ou aglomeração do material disperso na fase líquida. Para isso, os tensioativos formam uma camada em torno de cada partícula. Os mesmos tensioativos também podem encapsular bolhas de gás em suspensão na fase líquida. Estas bolhas estabilizadas podem revelar-se muito resistentes. As bolhas estabilizadas consomem tensioativo, reduzem a qualidade da emulsão ou dispersão e podem gerar leituras erráticas na medição do tamanho das partículas.

A solução: desgaseificação por ultrassons

Para reduzir o problema das bolhas de gás estabilizadas, os líquidos devem ser desgaseificados por sonicação. Antes de adicionar a fase dispersa, como óleo ou pó, submeta o líquido a sonicação até que o número de bolhas geradas diminua. Ao incorporar outros materiais, evite gerar novas bolhas ou um vórtice durante a agitação. A geração de novas bolhas ou de um vórtice 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 é utilizado em ensaios de estanquidade de latas e garrafas que contêm bebidas gaseificadas, como cola, refrigerantes ou cerveja. Clique aqui para obter mais informações sobre ensaios de estanquidade de garrafas.

Desgaseificação por ultrassons em poucas palavras

A desgaseificação de líquidos por ultrassons funciona melhor quando se utiliza a seguinte configuração.

• Aplique amplitudes ultrassónicas baixas a moderadas!
• Utilize sonotrodos com uma grande área superficial, por exemplo, sonotrodos de emissão radial!
• Mantenha uma baixa pressão ou vácuo acima da superfície do líquido durante a sonicação!
• Aqueça o líquido para reduzir a sua viscosidade!
• Utilize um recipiente pouco profundo para a separação do gás durante ou após a sonicação!
• Evite a agitação turbulenta para permitir que as bolhas de gás subam!

A desgaseificação por ultrassons 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 utilizada uma bomba de gás.

Bibliografia / Referências

• 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.