Ultrazvukové odplyňovanie a odpeňovanie kvapalín

Odplyňovanie a odpeňovanie kvapalín pomocou ultrazvuku je veľmi efektívny proces. Ultrazvuk odstraňuje malé suspendované bubliny plynu z kvapaliny a znižuje hladinu rozpusteného plynu pod úroveň prirodzenej rovnováhy.

Odplyňovanie a odpeňovanie kvapalín je potrebné na mnohé účely, napríklad na nasledujúce procesy:

• príprava vzorky pred meraním veľkosti častíc, aby sa predišlo chybám merania
• odplynenie oleja a maziva pred čerpaním, aby sa znížilo opotrebovanie čerpadla v dôsledku kavitácie
• odplyňovanie tekutých potravín, napr. džúsu, omáčky alebo vína, na zníženie rastu mikróbov a predĺženie trvanlivosti
• odplyňovanie polymérov a lakov pred aplikáciou, vytvrdzovaním alebo vákuovou infúziou

Pri sonikovaní kvapalín majú zvukové vlny, ktoré sa šíria z vyžarujúceho povrchu do kvapalného média, za následok striedanie vysokotlakových a nízkotlakových cyklov s rýchlosťou v závislosti od frekvencie. Počas nízkotlakového cyklu môžu ultrazvukové vlny vytvárať malé vákuové bubliny alebo dutiny v kvapaline. Veľký počet malých bublín vytvára vysokú celkovú plochu povrchu bublín. Bubliny sú tiež dobre rozložené v kvapaline. Rozpustený plyn migruje do týchto vákuových bublín cez veľkú povrchovú plochu a zväčšuje veľkosť bublín.
Akustické vlny podporujú dotyk a zlučovanie susedných bublín, čo vedie k zrýchlenému rastu bublín. Ultrazvukové vlny tiež pomôžu striasť bubliny z povrchov ciev a prinútia menšie bubliny ležiace pod povrchom kvapaliny stúpať a uvoľňovať zachytený plyn do životného prostredia.

Otestujte to

Proces odplyňovania a odpeňovania kvapalín je možné ľahko zviditeľniť. V sklenenej kadičke s čerstvo naliatou vodou z vodovodu ultrazvuk prinúti malé suspendované bubliny spojiť sa a rýchlo sa pohybovať nahor. Tento efekt môžete vidieť na obrázku priebehu nižšie.

Ultrazvukové odplyňovanie vody (5 sekúnd)

Miešaný olej obsahuje veľké množstvo suspendovaných bublín alebo peny. To je problém najmä v chladiacich kvapalinách. Tam plynové bubliny podporujú opotrebovanie vyvolané kavitáciou v čerpadlách alebo dýzach. Obrázok priebehu nižšie ukazuje ultrazvukový odpeňovací účinok.

Ultrazvukové odplyňovanie: Zachytené plynové bubliny sa z oleja odstránia pomocou ultrazvuku UP400St

Sonikácia vytvorí malé vákuové bubliny v čistej, zatuchnutej vode. Tieto bubliny sa naplnia rozpusteným plynom, ktorý migruje do bublín. V dôsledku toho bubliny rastú a posúvajú sa nahor. Odplyňovací efekt je dobre viditeľný v akejkoľvek priesvitnej kvapaline.
Keďže ultrazvuk zlepšuje stúpanie malých suspendovaných bublín na povrch kvapaliny, skracuje aj čas kontaktu medzi bublinou a kvapalinou. Z tohto dôvodu obmedzuje aj opätovné rozpúšťanie plynu z bubliny do kvapaliny. To je obzvlášť zaujímavé pre kvapaliny s vyššou viskozitou, ako sú oleje alebo živice. Pretože sa bubliny musia pohybovať na povrch kvapaliny, ultrazvukové odplyňovanie funguje lepšie, ak je nádoba plytká, takže čas na povrch je kratší.

Za viditeľnými efektmi

Meranie účinkov odplyňovania vizuálnou kontrolou má obmedzenú presnosť. Merania obsahu plynu sú presnejším spôsobom, ako zistiť účinnosť ultrazvukového odplyňovania.

Kvapaliny obsahujú určité množstvo rozpusteného plynu. Koncentrácia plynu závisí od faktorov, ako je teplota, okolitý tlak alebo miešanie kvapaliny. Za konštantných podmienok sa koncentrácia plynu priblíži k rovnováhe. Ultrazvukové odplyňovanie zmení podmienky, pretože kvapalina je vystavená bublinám nízkeho tlaku a miešaniu. Preto ultrazvuk zníži koncentráciu plynu v kvapaline pod rovnovážnu úroveň.
Keď sa sonikácia zastaví a obnovia sa počiatočné podmienky, koncentrácia plynu sa pomaly opäť priblíži k počiatočnej rovnovážnej úrovni, pokiaľ kvapalina nie je vystavená žiadnemu plynu, napr. v uzavretej fľaši. Pretože opätovné rozpúšťanie plynu v kvapaline je pomerne pomalé, je možné pracovať s kvapalinou s nízkym obsahom plynu po sonikácii. Nižšie uvedený graf znázorňuje tento efekt.

Ilustrácia ultrazvukového odplyňovania vody

Odplynenie pred emulgáciou a dispergáciou

Ultrazvukové odplyňovanie môže zlepšiť kvalitu disperzií a emulzií.

Problém

Emulzie a disperzie často obsahujú povrchovo aktívne látky, aby sa zvýšila ich stabilita. Povrchovo aktívne látky zabraňujú kontaktu a koalescencii alebo aglomerácii dispergovaného materiálu v kvapalnej fáze. Za týmto účelom povrchovo aktívne látky vytvoria vrstvu okolo každej častice. Rovnaké povrchovo aktívne látky môžu tiež zapuzdriť plynové bubliny, ktoré sú suspendované v kvapalnej fáze. Takéto stabilizované bubliny sa môžu ukázať ako veľmi robustné. Stabilizované bubliny spotrebúvajú povrchovo aktívnu látku, znižujú kvalitu emulzie alebo disperzie a pri meraní veľkosti častíc môžu generovať nepravidelné hodnoty.

Riešenie: Ultrazvukové odplyňovanie

Aby sa znížil problém stabilizovaných plynových bublín, kvapaliny by sa mali odplyniť sonikaciou. Pred pridaním disperznej fázy, ako je olej alebo prášok, tekutinu sonikujte, kým sa počet vytvorených bublín nezníži. Pri miešaní iných materiálov sa vyhnite vytváraniu nových bublín alebo vírov počas miešania. Tým by sa rýchlo zvýšil obsah plynu.
 

Water-based drilling mud before and after ultrasonic degassing with the sonicator UIP1000hd
Štúdia a obrázok od Amani et al. 2016

Vytláčanie oxidu uhličitého von

Účinok odplyňovania sa využíva pri testovaní tesnosti plechoviek a fliaš obsahujúcich sýtené nápoje, ako je cola, sóda alebo pivo. Kliknutím sem získate viac informácií o testovaní tesnosti fliaš.

Ultrazvukové odplyňovanie v skratke

Ultrazvukové odplyňovanie kvapalín funguje lepšie pri použití nasledujúceho nastavenia.

• Aplikujte nízke až stredné ultrazvukové amplitúdy!
• Používajte sonotrody s veľkou plochou, napr. radiálne vyžarujúce sonotrody!
• Počas sonikovania zabezpečte nízky tlak alebo vákuum nad povrchom kvapaliny!
• Zahrejte kvapalinu, aby ste znížili jej viskozitu!
• Na separáciu plynov počas alebo po sonikácii použite plytkú nádobu!
• Vyhnite sa turbulentnému miešaniu, aby sa plynové bubliny mohli pohybovať nahor!

Ultrazvukové odplyňovanie je možné použiť v dávkovom režime alebo inline. V prípade inline prevádzky by sa malo nainštalovať stojanové potrubie na vypúšťanie plynu a malo by sa použiť plynové čerpadlo.

Literatúra / Referencie