Degazarea și despumarea ultrasonică a lichidelor

Degazarea și despumarea lichidelor cu ajutorul ultrasunetelor este un proces foarte eficient. Ultrasonicarea îndepărtează micile bule de gaz aflate în suspensie din lichid și reduce nivelul gazului dizolvat sub nivelul natural de echilibru.

Degazarea și despumarea lichidelor sunt necesare în multe scopuri, cum ar fi următoarele procese:

• prepararea probelor înainte de măsurarea dimensiunii particulelor, pentru a evita erorile de măsurare
• degazarea uleiurilor și lubrifianților înainte de pompare, pentru a reduce uzura pompelor cauzată de cavitație
• degazarea alimentelor lichide, de ex. suc, sos sau vin, pentru a reduce dezvoltarea microbiană și a prelungi termenul de valabilitate
• degazarea polimerilor și lacurilor înainte de aplicare, întărire sau infuzie în vid

La sonicarea lichidelor, undele sonore care se propagă de la suprafața radiantă în mediul lichid generează cicluri alternante de presiune înaltă și presiune joasă, cu o rată care depinde de frecvență. În timpul ciclului de presiune joasă, undele ultrasonice pot crea mici bule de vid sau goluri în lichid. Numărul mare de bule mici generează o suprafață totală mare a bulelor. De asemenea, bulele sunt bine distribuite în lichid. Gazul dizolvat migrează în aceste bule de vid prin suprafața mare și mărește dimensiunea bulelor.
Undele acustice favorizează contactul și coalescența bulelor adiacente, ceea ce duce la o creștere accelerată a bulelor. Undele de sonicare vor contribui, de asemenea, la desprinderea bulelor de pe suprafețele vasului și vor forța bulele mai mici aflate sub suprafața lichidului să se ridice și să elibereze gazul captiv în mediul înconjurător.

Puneți-o la încercare

Procesul de degazare și despumare a lichidelor poate fi făcut vizibil cu ușurință. Într-un pahar de laborator din sticlă cu apă de la robinet proaspăt turnată, ultrasonicarea va forța micile bule aflate în suspensie să coalescă și să urce rapid. Puteți observa acest efect în imaginea de progres de mai jos.

Degazarea ultrasonică a apei (5 secunde)

Uleiul agitat conține un număr mare de bule în suspensie sau spumă. Aceasta este o problemă în special în cazul lichidelor de răcire. Acolo, bulele de gaz favorizează uzura indusă de cavitație în pompe sau duze. Imaginea de progres de mai jos arată efectul de despumare ultrasonică.

Degazare ultrasonică: bulele de gaz captive sunt îndepărtate din ulei cu ajutorul ultrasonicatorului UP400St

Sonicarea va genera mici bule de vid în apa limpede, stătută. Aceste bule se umplu cu gaz dizolvat, care migrează în bule. În consecință, bulele cresc și urcă. Efectul de degazare este bine vizibil în orice lichid translucid.
Deoarece ultrasunetele favorizează ridicarea micilor bule în suspensie la suprafața lichidului, ele reduc și timpul de contact dintre bulă și lichid. Din acest motiv, ele limitează și redizolvarea gazului din bulă în lichid. Acest lucru prezintă un interes deosebit pentru lichidele cu vâscozitate mai mare, cum ar fi uleiurile sau rășinile. Deoarece bulele trebuie să se deplaseze la suprafața lichidului, degazarea ultrasonică funcționează mai bine dacă recipientul este puțin adânc, astfel încât timpul până la suprafață să fie mai scurt.

Dincolo de efectele vizibile

Măsurarea efectelor degazării prin inspecție vizuală are o precizie limitată. Măsurătorile conținutului de gaz reprezintă o modalitate mai precisă de a evalua eficiența degazării ultrasonice.

Fluidele conțin o anumită cantitate de gaz dizolvat. Concentrația gazului depinde de factori precum temperatura, presiunea ambiantă sau agitarea lichidului. În condiții constante, concentrația gazului se va apropia de un echilibru. Degazarea ultrasonică va modifica condițiile, deoarece lichidul este expus bulelor de presiune joasă și agitării. Prin urmare, ultrasonicarea va reduce concentrația gazului din lichid sub nivelul de echilibru.
Când sonicarea se oprește și condițiile inițiale sunt restabilite, concentrația gazului se va apropia din nou, lent, de nivelul inițial de echilibru, cu excepția cazului în care lichidul nu este expus niciunui gaz, de ex. într-o sticlă închisă. Deoarece redizolvarea gazului în lichid este destul de lentă, este posibil să se lucreze cu lichidul sărac în gaz după sonicare. Graficul de mai jos ilustrează acest efect.

Ilustrarea degazării ultrasonice a apei

Degazarea înainte de emulsionare și dispersare

Degazarea ultrasonică poate îmbunătăți calitatea dispersiilor și emulsiilor.

Problema

Adesea, emulsiile și dispersiile conțin surfactanți pentru a le crește stabilitatea. Surfactanții vor inhiba contactul și coalescența sau aglomerarea materialului dispersat în faza lichidă. În acest scop, surfactanții vor forma un strat în jurul fiecărei particule. Aceiași surfactanți pot încapsula, de asemenea, bulele de gaz aflate în suspensie în faza lichidă. Astfel de bule stabilizate se pot dovedi foarte robuste. Bulele stabilizate consumă surfactant, reduc calitatea emulsiei sau dispersiei și pot genera citiri eronate la măsurarea dimensiunii particulelor.

Soluția: degazarea ultrasonică

Pentru a reduce problema bulelor de gaz stabilizate, lichidele trebuie degazate prin sonicare. Înainte de a adăuga faza dispersă, cum ar fi uleiul sau pulberea, sonicați lichidul până când numărul de bule generate scade. Când încorporați alte materiale, evitați generarea de bule noi sau a unui vortex în timpul agitării. Acest lucru ar crește rapid conținutul de gaz.

Noroi de foraj pe bază de apă înainte și după degazarea ultrasonică cu sonicatorul UIP1000hd
Studiu și imagine: Amani et al. 2016

Eliminarea forțată a dioxidului de carbon

Efectul de degazare este utilizat la testarea etanșeității dozelor și sticlelor care conțin băuturi carbogazoase, cum ar fi cola, sucurile carbogazoase sau berea. Faceți clic aici pentru a obține mai multe informații despre testarea etanșeității sticlelor.

Degazarea ultrasonică pe scurt

Degazarea ultrasonică a lichidelor funcționează mai bine atunci când se utilizează următoarea configurație.

• Aplicați amplitudini ultrasonice mici până la moderate!
• Utilizați sonotrode cu suprafață mare, de ex. sonotrode cu emisie radială!
• Asigurați o presiune joasă sau vid deasupra suprafeței lichidului în timpul sonicării!
• Încălziți lichidul pentru a-i reduce vâscozitatea!
• Utilizați un recipient puțin adânc pentru separarea gazului în timpul sau după sonicare!
• Evitați agitarea turbulentă, pentru a permite bulelor de gaz să urce!

Degazarea ultrasonică poate fi utilizată în regim discontinuu (batch) sau în linie. În cazul funcționării în linie, trebuie instalată o conductă verticală pentru evacuarea gazului și trebuie utilizată o pompă de gaz.

Literatură / Referințe

• 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.