Ultrazvočno razplinjevanje in penjenje tekočin

Razplinjevanje in penjenje tekočin z ultrazvočnim je zelo učinkovit proces. Ultrasonication odstrani majhne suspendirane plinske mehurčke iz tekočine in zmanjša raven raztopljenega plina pod naravno raven ravnovesja.

Razplinjevanje in penjenje tekočin je potrebno za številne namene, kot so naslednji postopki:

• Priprava vzorca pred merjenjem velikosti delcev, da se izognemo napakam pri merjenju
• razplinjevanje olja in maziva pred črpanjem za zmanjšanje obrabe črpalke zaradi kavitacije
• razplinjevanje tekočih živil, npr. soka, omake ali vina, da se zmanjša rast mikrobov in podaljša rok uporabnosti
• razplinjevanje polimerov in lakov pred nanosom, strjevanjem ali vakuumsko infuzijo

Pri ultrazvočnih tekočinah zvočni valovi, ki se širijo s sevalne površine v tekoče medije, povzročijo izmenične visokotlačne in nizkotlačne cikle, s hitrostmi, ki so odvisne od frekvence. Med nizkotlačnim ciklom lahko ultrazvočni valovi ustvarijo majhne vakuumske mehurčke ali praznine v tekočini. Veliko število majhnih mehurčkov ustvarja visoko skupno površino mehurčkov. Mehurčki so tudi dobro porazdeljeni v tekočini. Raztopljeni plin migrira v te vakuumske mehurčke preko velike površine in poveča velikost mehurčkov.
Akustični valovi podpirajo dotikanje in združevanje sosednjih mehurčkov, kar vodi do pospešene rasti mehurčkov. Ultrazvočni valovi bodo pomagali tudi stresati mehurčke s površin plovil in prisilili manjše mehurčke, ki ležijo pod površino tekočine, da se dvignejo in sprostijo ujeti plin v okolje.

Preizkusite ga

Postopek razplinjevanja in penjenja tekočin je lahko zlahka viden. V stekleni čaši sveže izlite vode iz pipe bo ultrazvok prisilil majhne suspendirane mehurčke, da se združijo in se hitro premaknejo navzgor. Ta učinek si lahko ogledate na spodnji sliki napredka.

Ultrazvočno razplinjevanje vode (5 sekund)

Mešano olje vsebuje veliko število suspendiranih mehurčkov ali pene. To je problem zlasti pri hladilnih sredstvih. Tam plinski mehurčki spodbujajo kavitacijsko povzročeno obrabo v črpalkah ali šobah. Spodnja slika napredka prikazuje ultrazvočni učinek penjenja.

Ultrazvočno razplinjevanje: Ujeti plinski mehurčki se odstranijo iz olja z ultrazvočnim aparatom UP400St

Sonication bo ustvaril majhne vakuumske mehurčke v čisti, zastareli vodi. Ti mehurčki se napolnijo z raztopljenim plinom, ki migrira v mehurčke. Posledično mehurčki rastejo in se premikajo navzgor. Učinek razplinjevanja je dobro viden v vsaki prosojni tekočini.
Ker ultrazvok izboljša dvig majhnih suspendiranih mehurčkov na površino tekočine, zmanjša tudi čas stika med mehurčkom in tekočino. Zato omejuje tudi ponovno raztapljanje plina iz mehurčka v tekočino. To je še posebej zanimivo za tekočine z višjo viskoznostjo, kot so olja ali smole. Ker se morajo mehurčki premakniti na površino tekočine, ultrazvočno razplinjevanje deluje bolje, če je posoda plitka, tako da je čas do površine krajši.

Onkraj vidnih učinkov

Natančnost merjenja učinkov razplinjevanja z vizualnim pregledom je omejena. Meritve vsebnosti plina so natančnejši način za ugotavljanje učinkovitosti ultrazvočnega razplinjevanja.

Tekočine vsebujejo določeno količino raztopljenega plina. Koncentracija plina je odvisna od dejavnikov, kot so temperatura, tlak okolja ali mešanje tekočine. V stalnih pogojih se bo koncentracija plina približala ravnovesju. Ultrazvočno razplinjevanje bo spremenilo pogoje, ker je tekočina izpostavljena mehurčkom nizkega tlaka in mešanju. Zato bo ultrazvok znižal koncentracijo plina v tekočini pod raven ravnovesja.
Ko se ultrazvočno razbijanje ustavi in se ponovno vzpostavijo začetni pogoji, se bo koncentracija plina počasi spet približala začetni ravni ravnovesja, razen če tekočina ni izpostavljena nobenemu plinu, npr. v zaprti steklenici. Ker je ponovno raztapljanje plina v tekočino precej počasno, je mogoče po ultrazvočni obdelavi delati s tekočino z nizko vsebnostjo plina. Spodnji graf ponazarja ta učinek.

Ilustracija ultrazvočnega razplinjevanja vode

Razplinjevanje pred emulgiranjem in razprševanjem

Ultrazvočno razplinjevanje lahko izboljša kakovost disperzij in emulzij.

Težava

Pogosto emulzije in disperzije vsebujejo površinsko aktivne snovi, da se poveča njihova stabilnost. Površinsko aktivne snovi zavirajo stik in koalescenco ali aglomeracijo razpršenega materiala v tekoči fazi. Za to bodo površinsko aktivne snovi tvorile plast okoli vsakega delca. Iste površinsko aktivne snovi lahko inkapsulirajo tudi plinske mehurčke, ki so suspendirani v tekoči fazi. Takšni stabilizirani mehurčki se lahko izkažejo za zelo robustne. Stabilizirani mehurčki porabijo površinsko aktivno snov, zmanjšajo kakovost emulzije ali disperzije in lahko ustvarijo neenakomerne odčitke pri merjenju velikosti delcev.

Rešitev: ultrazvočno razplinjevanje

Da bi zmanjšali problem stabiliziranih plinskih mehurčkov, je treba tekočine razpliniti z ultrazvočnim razbijanjem. Pred dodajanjem disperzne faze, kot je olje ali prašek, posodite tekočino, dokler se število ustvarjenih mehurčkov ne zmanjša. Pri mešanju drugih materialov se izogibajte ustvarjanju novih mehurčkov ali vrtinca med mešanjem. To bi hitro povečalo vsebnost plina.
 

Water-based drilling mud before and after ultrasonic degassing with the sonicator UIP1000hd
Študija in slika Amani et al. 2016

Iztiskanje ogljikovega dioksida

Učinek razplinjevanja se uporablja pri testiranju puščanja pločevink in steklenic, ki vsebujejo gazirane pijače, kot so kola, soda ali pivo. Kliknite tukaj, če želite več informacij o testiranju puščanja steklenic.

Ultrazvočno razplinjevanje na kratko

Ultrazvočno razplinjevanje tekočin deluje bolje pri uporabi naslednje nastavitve.

• Uporabite nizke do zmerne ultrazvočne amplitude!
• Uporabite sonotrode z veliko površino, npr. Sonotrode, ki radialno oddajajo sonotrode!
• Med ultrazvočnim razbijanjem zagotovite nizek tlak ali vakuum nad površino tekočine!
• Segrejte tekočino, da zmanjšate njeno viskoznost!
• Uporabite plitvo posodo za ločevanje plina med ali po ultrazvočnem razbijanju!
• Izogibajte se turbulentnemu vznemirjanju, da se plinski mehurčki premaknejo navzgor!

Ultrazvočno razplinjevanje se lahko uporablja v paketnem načinu ali v liniji. V primeru inline delovanja je treba namestiti stojalno cev za odvajanje plina in uporabiti plinsko črpalko.

Literatura / Reference