Ultraljudsbaserad avgasning och avskumning av vätskor

Avgasning och avskumning av vätskor med ultraljud är en mycket effektiv process. Ultraljudsbehandling avlägsnar små suspenderade gasbubblor från vätskan och sänker halten löst gas under den naturliga jämviktsnivån.

Avgasning och avskumning av vätskor behövs för många ändamål, till exempel följande processer:

• provberedning före partikelstorleksmätning för att undvika mätfel
• avgasning av olja och smörjmedel före pumpning för att minska pumpslitage orsakat av kavitation
• avgasning av flytande livsmedel, t.ex. juice, sås eller vin, för att minska mikrobiell tillväxt och förlänga hållbarheten
• avgasning av polymerer och lacker före applicering, härdning eller vakuuminfusion

Vid ultraljudsbehandling av vätskor ger ljudvågorna som fortplantas från den utstrålande ytan in i vätskemediet upphov till omväxlande högtrycks- och lågtryckscykler, vars takt beror på frekvensen. Under lågtryckscykeln kan ultraljudsvågorna skapa små vakuumbubblor eller hålrum i vätskan. Det stora antalet små bubblor ger en stor sammanlagd bubbelyta. Bubblorna är också väl fördelade i vätskan. Löst gas vandrar in i dessa vakuumbubblor via den stora ytan och ökar bubblornas storlek.
De akustiska vågorna främjar kontakt och sammansmältning mellan intilliggande bubblor, vilket får bubblorna att växa snabbare. Ultraljudsvågorna hjälper också till att skaka loss bubblor från kärlets ytor och tvingar mindre bubblor som befinner sig under vätskeytan att stiga upp genom ytan och släppa ut den inneslutna gasen till omgivningen.

Prova själv

Processen för avgasning och avskumning av vätskor kan enkelt synliggöras. I en glasbägare med nyss upphällt kranvatten får ultraljudsbehandling de små suspenderade bubblorna att smälta samman och snabbt stiga uppåt. Du kan se denna effekt i bildserien nedan.

Ultraljudsbaserad avgasning av vatten (5 sekunder)

Omrörd olja innehåller ett stort antal suspenderade bubblor eller skum. Detta är ett problem särskilt i kylvätskor. Där främjar gasbubblorna kavitationsorsakat slitage i pumpar eller munstycken. Bildserien nedan visar ultraljudets avskumningseffekt.

Ultraljudsbaserad avgasning: Inneslutna gasbubblor avlägsnas från olja med ultraljudsapparaten UP400St

Ultraljudsbehandling genererar små vakuumbubblor i klart, stillastående vatten. Dessa bubblor fylls med löst gas som vandrar in i bubblorna. Därmed växer bubblorna och stiger uppåt. Avgasningseffekten syns tydligt i alla genomskinliga eller genomlysande vätskor.
Eftersom ultraljudet underlättar för små suspenderade bubblor att stiga till vätskeytan minskar det också kontakttiden mellan bubblan och vätskan. Därmed begränsar det också återupplösningen av gas från bubblan i vätskan. Detta är särskilt intressant för vätskor med högre viskositet, såsom oljor eller hartser. Eftersom bubblorna måste ta sig till vätskeytan fungerar ultraljudsbaserad avgasning bättre om behållaren är grund, så att tiden till ytan blir kortare.

Bortom de synliga effekterna

Mätning av avgasningseffekterna genom visuell inspektion har begränsad noggrannhet. Mätningar av gashalten är ett noggrannare sätt att bedöma effektiviteten hos ultraljudsbaserad avgasning.

Fluider innehåller en viss mängd löst gas. Gaskoncentrationen beror på faktorer såsom temperatur, omgivningstryck eller omrörning av vätskan. Under konstanta förhållanden närmar sig gaskoncentrationen en jämvikt. Ultraljudsbaserad avgasning förändrar förhållandena eftersom vätskan utsätts för bubblor med lågt tryck och omrörning. Därför sänker ultraljudsbehandling gaskoncentrationen i vätskan till under jämviktsnivån.
När ultraljudsbehandlingen upphör och de ursprungliga förhållandena återställs närmar sig gaskoncentrationen långsamt den ursprungliga jämviktsnivån igen, utom när vätskan inte exponeras för någon gas, t.ex. i en sluten flaska. Eftersom återupplösningen av gas i vätskan sker ganska långsamt är det möjligt att arbeta med vätskan med låg gashalt efter ultraljudsbehandlingen. Diagrammet nedan illustrerar denna effekt.

Illustration av ultraljudsbaserad avgasning av vatten

Avgasning före emulgering och dispergering

Ultraljudsbaserad avgasning kan förbättra kvaliteten på dispersioner och emulsioner.

Problemet

Emulsioner och dispersioner innehåller ofta ytaktiva ämnen för att öka stabiliteten. De ytaktiva ämnena hämmar kontakt och sammansmältning eller agglomerering av det dispergerade materialet i vätskefasen. För detta bildar de ytaktiva ämnena ett skikt runt varje partikel. Samma ytaktiva ämnen kan också kapsla in gasbubblor som är suspenderade i vätskefasen. Sådana stabiliserade bubblor kan visa sig vara mycket motståndskraftiga. Stabiliserade bubblor förbrukar ytaktiva ämnen, försämrar emulsionens eller dispersionens kvalitet och kan ge oregelbundna mätvärden vid partikelstorleksmätning.

Lösningen: Ultraljudsbaserad avgasning

För att minska problemet med stabiliserade gasbubblor bör vätskor avgasas med ultraljudsbehandling. Innan den dispersa fasen, såsom olja eller pulver, tillsätts ska vätskan ultraljudsbehandlas tills antalet bubblor som bildas minskar. När andra material blandas in ska du undvika att skapa nya bubblor eller en virvel under omrörningen. Detta skulle snabbt öka gashalten.
 

Vattenbaserad borrvätska före och efter ultraljudsbaserad avgasning med ultraljudsapparaten UIP1000hd
Studie och bild av Amani et al. 2016

Driva ut koldioxid

Avgasningseffekten används vid täthetsprovning av burkar och flaskor som innehåller kolsyrade drycker, såsom cola, läsk eller öl. Klicka här för mer information om täthetsprovning av flaskor.

Ultraljudsbaserad avgasning i korthet

Ultraljudsbaserad avgasning av vätskor fungerar bättre med följande uppställning.

• Använd låga till måttliga ultraljudsamplituder!
• Använd sonotroder med stor yta, t.ex. radiellt utstrålande sonotroder!
• Skapa ett lågt tryck eller vakuum ovanför vätskeytan under ultraljudsbehandlingen!
• Värm vätskan för att minska dess viskositet!
• Använd en grund behållare för gasavskiljningen under eller efter ultraljudsbehandlingen!
• Undvik turbulent omrörning så att gasbubblorna kan stiga uppåt!

Ultraljudsbaserad avgasning kan användas satsvis eller inline. Vid inline-drift bör ett stigrör för avledning av gasen installeras och en gaspump användas.

Litteratur / Referenser

• 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.