Ultrazvočno razplinjevanje in odstranjevanje pene iz tekočin

Razplinjevanje in odstranjevanje pene iz tekočin z ultrazvokom je zelo učinkovit postopek. Sonikacija odstrani majhne suspendirane plinske mehurčke iz tekočine in zmanjša vsebnost raztopljenega plina pod naravno ravnovesno raven.

Razplinjevanje in odstranjevanje pene iz tekočin je potrebno za številne namene, na primer pri naslednjih postopkih:

• priprava vzorcev pred merjenjem velikosti delcev za preprečevanje merilnih napak
• razplinjevanje olj in maziv pred črpanjem za zmanjšanje obrabe črpalk zaradi kavitacije
• razplinjevanje tekočih živil, npr. soka, omake ali vina, za zmanjšanje rasti mikroorganizmov in podaljšanje roka uporabnosti
• razplinjevanje polimerov in lakov pred nanašanjem, utrjevanjem ali vakuumsko infuzijo

Pri sonikaciji tekočin zvočni valovi, ki se širijo od sevalne površine v tekoči medij, povzročajo izmenjujoče se cikle visokega in nizkega tlaka, katerih hitrost ponavljanja je odvisna od frekvence. Med ciklom nizkega tlaka lahko ultrazvočni valovi v tekočini ustvarijo majhne vakuumske mehurčke ali votline. Veliko število majhnih mehurčkov ustvari veliko skupno površino mehurčkov. Mehurčki so tudi dobro porazdeljeni po tekočini. Raztopljeni plin prehaja v te vakuumske mehurčke prek velike površine in povečuje njihovo velikost.
Zvočni valovi spodbujajo stik in zlivanje sosednjih mehurčkov, kar pospeši njihovo rast. Ultrazvočni valovi pomagajo tudi pri odstranjevanju mehurčkov s površin posode ter prisilijo manjše mehurčke, ki se zadržujejo pod gladino tekočine, da se dvignejo do gladine in sprostijo ujeti plin v okolje.

Preizkusite

Postopek razplinjevanja in odstranjevanja pene iz tekočin je mogoče preprosto prikazati. V stekleni čaši s sveže natočeno vodo iz pipe sonikacija povzroči, da se majhni suspendirani mehurčki združijo in hitro dvignejo. Ta učinek lahko vidite na spodnjem prikazu poteka.

Ultrazvočno razplinjevanje vode (5 sekund)

Mešano olje vsebuje veliko suspendiranih mehurčkov ali pene. To je težava zlasti pri hladilnih tekočinah. V njih plinski mehurčki spodbujajo obrabo črpalk ali šob zaradi kavitacije. Spodnji prikaz poteka prikazuje učinek ultrazvočnega odstranjevanja pene.

Ultrazvočno razplinjevanje: ujeti plinski mehurčki se odstranijo iz olja z ultrazvočno napravo UP400St

Sonikacija v bistri, postani vodi ustvari majhne vakuumske mehurčke. Ti mehurčki se napolnijo z raztopljenim plinom, ki prehaja vanje. Zato mehurčki rastejo in se dvigajo. Učinek razplinjevanja je dobro viden v vsaki prosojni tekočini.
Ker ultrazvok pospešuje dvigovanje majhnih suspendiranih mehurčkov do gladine tekočine, skrajša tudi čas stika med mehurčkom in tekočino. Zato omejuje tudi ponovno raztapljanje plina iz mehurčka v tekočino. To je še posebej zanimivo pri tekočinah z višjo viskoznostjo, kot so olja ali smole. Ker se morajo mehurčki dvigniti do gladine tekočine, je ultrazvočno razplinjevanje učinkovitejše v plitvi posodi, saj je čas dvigovanja do gladine krajši.

Onkraj vidnih učinkov

Merjenje učinkov razplinjevanja z vizualnim pregledom ima omejeno natančnost. Meritve vsebnosti plina so natančnejši način ugotavljanja učinkovitosti ultrazvočnega razplinjevanja.

Tekočine vsebujejo določeno količino raztopljenega plina. Koncentracija plina je odvisna od dejavnikov, kot so temperatura, tlak okolice ali mešanje tekočine. Pri nespremenjenih pogojih se koncentracija plina približuje ravnovesju. Ultrazvočno razplinjevanje spremeni pogoje, ker je tekočina izpostavljena mehurčkom z nizkim tlakom in mešanju. Zato sonikacija zniža koncentracijo plina v tekočini pod ravnovesno raven.
Ko se sonikacija ustavi in se znova vzpostavijo začetni pogoji, se koncentracija plina počasi spet približuje začetni ravnovesni ravni, razen če tekočina ni izpostavljena nobenemu plinu, npr. v zaprti steklenici. Ker je ponovno raztapljanje plina v tekočini precej počasno, je po sonikaciji mogoče delati s tekočino z nizko vsebnostjo plina. Spodnji graf prikazuje ta učinek.

Prikaz ultrazvočnega razplinjevanja vode

Razplinjevanje pred emulgiranjem in dispergiranjem

Ultrazvočno razplinjevanje lahko izboljša kakovost disperzij in emulzij.

Težava

Emulzije in disperzije pogosto vsebujejo površinsko aktivne snovi za povečanje stabilnosti. Površinsko aktivne snovi zavirajo stik in zlivanje ali aglomeracijo dispergiranega materiala v tekoči fazi. V ta namen okoli vsakega delca oblikujejo plast. Iste površinsko aktivne snovi lahko obdajo tudi plinske mehurčke, ki so suspendirani v tekoči fazi. Takšni stabilizirani mehurčki so lahko zelo odporni. Stabilizirani mehurčki porabljajo površinsko aktivno snov, zmanjšujejo kakovost emulzije ali disperzije in lahko povzročijo nestanovitne odčitke pri merjenju velikosti delcev.

Rešitev: ultrazvočno razplinjevanje

Da bi zmanjšali težavo stabiliziranih plinskih mehurčkov, je treba tekočine razpliniti s sonikacijo. Pred dodajanjem dispergirane faze, kot sta olje ali prah, tekočino sonicirajte, dokler se število nastalih mehurčkov ne zmanjša. Pri vmešavanju drugih materialov se izogibajte nastajanju novih mehurčkov ali vrtinca med mešanjem. Nastajanje mehurčkov ali vrtinca bi hitro povečalo vsebnost plina.
 

Vrtalna izplaka na vodni osnovi pred ultrazvočnim razplinjevanjem in po njem z ultrazvočno napravo UIP1000hd
Raziskava in slika: Amani et al. 2016

Odstranjevanje ogljikovega dioksida

Učinek razplinjevanja se uporablja pri preizkušanju tesnosti pločevink in steklenic, ki vsebujejo gazirane pijače, kot so kola, gazirane brezalkoholne pijače ali pivo. Kliknite tukaj za več informacij o preizkušanju tesnosti steklenic.

Na kratko o ultrazvočnem razplinjevanju

Ultrazvočno razplinjevanje tekočin je učinkovitejše ob uporabi naslednje postavitve.

• Uporabljajte nizke do zmerne ultrazvočne amplitude!
• Uporabljajte sonotrode z veliko površino, npr. sonotrode, ki sevajo radialno!
• Med sonikacijo zagotovite nizek tlak ali vakuum nad gladino tekočine!
• Segrejte tekočino, da zmanjšate njeno viskoznost!
• Za izločanje plina med sonikacijo ali po njej uporabite plitvo posodo!
• Izogibajte se turbulentnemu mešanju, da se lahko plinski mehurčki dvigajo!

Ultrazvočno razplinjevanje se lahko uporablja v šaržnem načinu ali v pretočnem sistemu. Pri delovanju v pretočnem sistemu je treba namestiti navpično cev za odvajanje plina in uporabiti plinsko črpalko.

Literatura / Viri

• 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.