Ultrazvukové odplyňovanie a odpeňovanie kvapalín

Odplyňovanie a odpeňovanie kvapalín pomocou ultrazvuku je veľmi účinný proces. Pôsobenie ultrazvuku odstraňuje z kvapaliny malé rozptýlené plynové bubliny a znižuje obsah rozpusteného plynu pod prirodzenú rovnovážnu úroveň.

Odplyňovanie a odpeňovanie kvapalín je potrebné na mnohé účely, napríklad pri nasledujúcich procesoch:

• príprava vzoriek pred meraním veľkosti častíc na zabránenie chybám merania
• odplyňovanie olejov a mazív pred čerpaním na zníženie opotrebovania čerpadiel spôsobeného kavitáciou
• odplyňovanie tekutých potravín, napr. šťavy, omáčky alebo vína, na obmedzenie rastu mikroorganizmov a predĺženie trvanlivosti
• odplyňovanie polymérov a lakov pred nanášaním, vytvrdzovaním alebo vákuovou infúziou

Pri sonikácii kvapalín spôsobujú zvukové vlny šíriace sa z vyžarujúceho povrchu do kvapalného média striedanie cyklov vysokého a nízkeho tlaku, pričom rýchlosť ich striedania závisí od frekvencie. Počas nízkotlakového cyklu môžu ultrazvukové vlny vytvárať v kvapaline malé vákuové bubliny alebo dutiny. Veľký počet malých bublín vytvára veľký celkový povrch bublín. Bubliny sú tiež dobre rozptýlené v kvapaline. Rozpustený plyn preniká cez tento veľký povrch do vákuových bublín a zväčšuje ich veľkosť.
Akustické vlny podporujú vzájomný kontakt a splývanie susedných bublín, čo vedie k ich zrýchlenému rastu. Ultrazvukové vlny tiež pomáhajú uvoľňovať bubliny z povrchov nádob a nútia menšie bubliny nachádzajúce sa pod hladinou kvapaliny stúpať na hladinu a uvoľňovať zachytený plyn do okolitého prostredia.

Vyskúšajte si to

Proces odplyňovania a odpeňovania kvapalín možno ľahko zviditeľniť. V sklenenej kadičke s čerstvo naliatou vodou z vodovodu prinúti pôsobenie ultrazvuku malé rozptýlené bubliny splývať a rýchlo stúpať na hladinu. Tento účinok môžete vidieť na obrázku nižšie, ktorý zachytáva priebeh procesu.

Ultrazvukové odplyňovanie vody (5 sekúnd)

Premiešavaný olej obsahuje veľké množstvo rozptýlených bublín alebo peny. To predstavuje problém najmä v chladiacich kvapalinách. Plynové bubliny v nich podporujú opotrebovanie čerpadiel alebo dýz spôsobené kavitáciou. Obrázok nižšie zachytáva priebeh ultrazvukového odpeňovania.

Ultrazvukové odplyňovanie: Zachytené plynové bubliny sa z oleja odstraňujú pomocou ultrazvukového prístroja UP400St

Sonikácia vytvára v čírej odstátej vode malé vákuové bubliny. Tieto bubliny sa napĺňajú rozpusteným plynom, ktorý do nich preniká. V dôsledku toho bubliny rastú a stúpajú na hladinu. Účinok odplyňovania je dobre viditeľný v každej priesvitnej kvapaline.
Keďže ultrazvuk podporuje stúpanie malých rozptýlených bublín k hladine kvapaliny, skracuje aj čas kontaktu medzi bublinou a kvapalinou. Z tohto dôvodu tiež obmedzuje opätovné rozpúšťanie plynu z bubliny do kvapaliny. To je obzvlášť zaujímavé pri kvapalinách s vyššou viskozitou, ako sú oleje alebo živice. Keďže bubliny musia vystúpiť na hladinu kvapaliny, ultrazvukové odplyňovanie funguje lepšie v plytkej nádobe, v ktorej je čas potrebný na dosiahnutie hladiny kratší.

Viac než viditeľné účinky

Meranie účinkov odplyňovania vizuálnou kontrolou má obmedzenú presnosť. Meranie obsahu plynu je presnejším spôsobom hodnotenia účinnosti ultrazvukového odplyňovania.

Kvapaliny obsahujú určité množstvo rozpusteného plynu. Koncentrácia plynu závisí od faktorov, ako sú teplota, okolitý tlak alebo premiešavanie kvapaliny. Pri stálych podmienkach sa koncentrácia plynu približuje k rovnovážnej hodnote. Ultrazvukové odplyňovanie mení tieto podmienky, pretože kvapalina je vystavená pôsobeniu bublín s nízkym tlakom a premiešavaniu. Pôsobenie ultrazvuku preto znižuje koncentráciu plynu v kvapaline pod rovnovážnu úroveň.
Po zastavení sonikácie a obnovení pôvodných podmienok sa koncentrácia plynu opäť pomaly približuje k pôvodnej rovnovážnej úrovni, pokiaľ kvapalina nie je izolovaná od akéhokoľvek plynu, napr. v uzavretej fľaši. Keďže opätovné rozpúšťanie plynu do kvapaliny je pomerne pomalé, po sonikácii možno pracovať s kvapalinou s nízkym obsahom plynu. Tento účinok znázorňuje graf nižšie.

Znázornenie ultrazvukového odplyňovania vody

Odplyňovanie pred emulgáciou a dispergovaním

Ultrazvukové odplyňovanie môže zlepšiť kvalitu disperzií a emulzií.

Problém

Emulzie a disperzie často obsahujú povrchovo aktívne látky na zvýšenie ich stability. Povrchovo aktívne látky bránia kontaktu a splývaniu alebo aglomerácii dispergovaného materiálu v kvapalnej fáze. Na tento účel vytvárajú okolo každej častice vrstvu. Tie isté povrchovo aktívne látky môžu tiež obaľovať plynové bubliny rozptýlené v kvapalnej fáze. Takto stabilizované bubliny môžu byť veľmi odolné. Stabilizované bubliny spotrebúvajú povrchovo aktívnu látku, znižujú kvalitu emulzie alebo disperzie a môžu spôsobovať kolísavé hodnoty pri meraní veľkosti častíc.

Riešenie: Ultrazvukové odplyňovanie

Na zmiernenie problému so stabilizovanými plynovými bublinami by sa kvapaliny mali odplyniť sonikáciou. Pred pridaním dispergovanej fázy, napríklad oleja alebo prášku, sonikujte kvapalinu, kým sa počet vznikajúcich bublín nezníži. Pri primiešavaní ďalších materiálov zabráňte tvorbe nových bublín alebo víru počas miešania. To by rýchlo zvýšilo obsah plynu.
 

Vrtný výplach na vodnej báze pred ultrazvukovým odplyňovaním a po ňom pomocou ultrazvukového prístroja UIP1000hd
Štúdia a obrázok: Amani a kol. 2016

Vypudzovanie oxidu uhličitého

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

Ultrazvukové odplyňovanie v skratke

Ultrazvukové odplyňovanie kvapalín funguje lepšie pri použití nasledujúceho usporiadania.

• Používajte nízke až stredné amplitúdy ultrazvuku!
• Používajte sonotródy s veľkým povrchom, napr. radiálne vyžarujúce sonotródy!
• Počas sonikácie zabezpečte nad hladinou kvapaliny nízky tlak alebo vákuum!
• Zahrejte kvapalinu, aby ste znížili jej viskozitu!
• Na oddelenie plynu počas sonikácie alebo po nej používajte plytkú nádobu!
• Vyhnite sa turbulentnému premiešavaniu, aby plynové bubliny mohli stúpať na hladinu!

Ultrazvukové odplyňovanie možno používať vo vsádzkovom režime alebo v prietokovom režime. Pri prietokovej prevádzke by sa malo nainštalovať zvislé potrubie na odvod plynu a použiť čerpadlo na plyn.

Literatúra / Referencie

• 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.