Ультразвуковая дегазация и пеногасение жидкостей

Дегазация и пеногасение жидкостей с помощью ультразвука является очень эффективным процессом. Ультразвук удаляет из жидкости мелкие взвешенные пузырьки газа и снижает уровень растворенного газа ниже естественного равновесного уровня.

Дегазация и пенообразование жидкостей необходимы для многих целей, таких как следующие процессы:

• Подготовка образцов перед измерением размера частиц во избежание ошибок измерения
• Дегазация масла и смазочных материалов перед перекачкой для снижения износа насоса из-за кавитации
• Дегазация жидких пищевых продуктов, например, сока, соуса или вина, для уменьшения роста микроорганизмов и увеличения срока годности
• Дегазация полимеров и лаков перед нанесением, отверждение или вакуумная инфузия

При ультразвуковой обработке жидкостей звуковые волны, распространяющиеся от излучающей поверхности в жидкую среду, приводят к чередованию циклов высокого и низкого давления, скорость которых зависит от частоты. Во время цикла низкого давления ультразвуковые волны могут создавать небольшие вакуумные пузырьки или пустоты в жидкости. Большое количество мелких пузырьков создает большую общую площадь поверхности пузырьков. Пузырьки также хорошо распределяются в жидкости. Растворенный газ мигрирует в эти вакуумные пузырьки через большую площадь поверхности и увеличивает размер пузырьков.
Акустические волны поддерживают соприкосновение и слияние соседних пузырьков, что приводит к ускоренному росту пузырьков. Ультразвуковые волны также помогут стряхнуть пузыри с поверхностей сосудов и заставят более мелкие пузырьки, находящиеся ниже поверхности жидкости, подняться и выпустить захваченный газ в окружающую среду.

Испытайте это на прочность

Процесс дегазации и пеногасления жидкостей можно легко сделать видимым. В стеклянном стакане со свеженалитой водопроводной водой ультразвук заставит маленькие взвешенные пузырьки слиться и быстро подняться вверх. Вы можете увидеть этот эффект на изображении прогресса ниже.

Ультразвуковая дегазация воды (5 секунд)

Перемешанное масло содержит большое количество взвешенных пузырьков или пены. В частности, в охлаждающих жидкостях это проблема. Там пузырьки газа способствуют кавитационному износу насосов или форсунок. На приведенном ниже изображении прогресса показан эффект ультразвукового пенообразования.

Ультразвуковая дегазация: Захваченные пузырьки газа удаляются из масла с помощью ультразвукового аппарата UP400St

Ультразвуковая обработка создает небольшие вакуумные пузырьки в прозрачной, затхлой воде. Эти пузырьки заполняются растворенным газом, который мигрирует в пузырьки. Следовательно, пузырьки растут и движутся вверх. Эффект дегазации хорошо заметен в любой полупрозрачной жидкости.
Поскольку ультразвук улучшает подъем мелких взвешенных пузырьков на поверхность жидкости, он также сокращает время контакта между пузырьком и жидкостью. По этой причине он также ограничивает повторное растворение газа из пузырька в жидкость. Это представляет особый интерес для жидкостей с более высокой вязкостью, таких как масла или смолы. Поскольку пузырьки должны переместиться на поверхность жидкости, ультразвуковая дегазация работает лучше, если емкость неглубокая, чтобы время выхода на поверхность было короче.

За пределами видимых эффектов

Точность измерения эффектов дегазации с помощью визуального контроля ограничена. Измерение содержания газов – это более точный способ узнать об эффективности ультразвуковой дегазации.

Жидкости содержат определенное количество растворенного газа. Концентрация газа зависит от таких факторов, как температура, давление окружающей среды или перемешивание жидкости. При постоянных условиях концентрация газа будет приближаться к равновесию. Ультразвуковая дегазация изменит условия, ведь жидкость подвергается воздействию пузырьков низкого давления и перемешиванию. Таким образом, ультразвуковое воздействие снизит концентрацию газа в жидкости ниже равновесного уровня.
Когда ультразвуковая обработка прекращается и начальные условия восстанавливаются, концентрация газа снова будет медленно приближаться к начальному равновесному уровню, если жидкость не подвергается воздействию какого-либо газа, например, в закрытой бутылке. Поскольку повторное растворение газа в жидкости происходит довольно медленно, можно работать с жидкостью с низким содержанием газа после ультразвуковой обработки. Этот эффект показан на приведенном ниже графике.

Иллюстрация ультразвуковой дегазации воды

Дегазация перед эмульгированием и диспергированием

Ультразвуковая дегазация позволяет улучшить качество дисперсий и эмульсий.

Проблема

Часто эмульсии и дисперсии содержат поверхностно-активные вещества для повышения их стабильности. Поверхностно-активные вещества препятствуют контакту и коалесценции или агломерации диспергированного материала в жидкой фазе. Для этого поверхностно-активные вещества сформируют слой вокруг каждой частицы. Эти же поверхностно-активные вещества могут инкапсулировать пузырьки газа, взвешенные в жидкой фазе. Такие стабилизированные пузырьки могут оказаться очень прочными. Стабилизированные пузырьки потребляют поверхностно-активное вещество, снижают качество эмульсии или дисперсии и могут давать неустойчивые показания при измерении размера частиц.

Решение: ультразвуковая дегазация

Чтобы уменьшить проблему стабилизированных пузырьков газа, жидкости следует дегазировать с помощью ультразвука. Перед добавлением дисперсной фазы, такой как масло или порошок, обрабатывайте жидкость ультразвуком до тех пор, пока количество образующихся пузырьков не уменьшится. При смешивании с другими материалами избегайте образования новых пузырьков или вихря при перемешивании. Это позволило бы быстро увеличить содержание газа.
 

Water-based drilling mud before and after ultrasonic degassing with the sonicator UIP1000hd
Исследование и фото Amani et al. 2016

Вытеснение углекислого газа

Эффект дегазации используется при тестировании на герметичность банок и бутылок, содержащих газированные напитки, такие как кола, газировка или пиво. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы получить дополнительную информацию о тестировании на герметичность бутылок.

Коротко об ультразвуковой дегазации

Ультразвуковая дегазация жидкостей работает лучше при использовании следующей установки.

• Применяйте ультразвуковые амплитуды с низкой и умеренной амплитудой!
• Используйте сонотроды с большой площадью поверхности, например, радиально излучающие сонотроды!
• Обеспечьте низкое давление или вакуум над поверхностью жидкости во время ультразвуковой обработки!
• Нагрейте жидкость, чтобы уменьшить ее вязкость!
• Используйте неглубокую емкость для отделения газов во время или после ультразвуковой обработки!
• Избегайте бурного перемешивания, чтобы пузырьки газа могли подняться вверх!

Ультразвуковая дегазация может использоваться в периодическом режиме или в потоке. В случае поточной работы следует установить стояк для сброса газа и подключить газовый насос.

Литература / Литература