การไล่ก๊าซและกำจัดฟองออกจากของเหลวด้วยอัลตราโซนิก

การไล่ก๊าซและกำจัดฟองออกจากของเหลวด้วยอัลตราโซนิกเป็นกระบวนการที่มีประสิทธิภาพอย่างมาก การใช้อัลตราโซนิกกำจัดฟองก๊าซขนาดเล็กที่แขวนลอยอยู่ในของเหลว และลดระดับก๊าซที่ละลายอยู่ให้ต่ำกว่าระดับสมดุลตามธรรมชาติ

การไล่ก๊าซและกำจัดฟองออกจากของเหลวจำเป็นสำหรับวัตถุประสงค์หลายประการ เช่น กระบวนการต่อไปนี้:

• การเตรียมตัวอย่างก่อนการวัดขนาดอนุภาคเพื่อหลีกเลี่ยงข้อผิดพลาดในการวัด
• การไล่ก๊าซออกจากน้ำมันและสารหล่อลื่นก่อนการสูบ เพื่อลดการสึกหรอของปั๊มเนื่องจากคาวิเทชัน
• การไล่ก๊าซออกจากอาหารเหลว เช่น น้ำผลไม้ ซอส หรือไวน์ เพื่อลดการเจริญเติบโตของจุลินทรีย์และยืดอายุการเก็บรักษา
• การไล่ก๊าซออกจากพอลิเมอร์และวาร์นิชก่อนการใช้งาน การทำให้แข็งตัว หรือการแทรกซึมด้วยสุญญากาศ

เมื่อใช้คลื่นอัลตราโซนิกกับของเหลว คลื่นเสียงที่แพร่จากพื้นผิวแผ่คลื่นเข้าสู่ตัวกลางของเหลวจะทำให้เกิดวัฏจักรความดันสูงและความดันต่ำสลับกัน โดยมีอัตราที่ขึ้นอยู่กับความถี่ ในช่วงวัฏจักรความดันต่ำ คลื่นอัลตราโซนิกสามารถสร้างฟองสุญญากาศขนาดเล็กหรือโพรงในของเหลวได้ ฟองขนาดเล็กจำนวนมากทำให้พื้นที่ผิวรวมของฟองมีค่าสูง อีกทั้งฟองยังกระจายตัวอย่างทั่วถึงในของเหลว ก๊าซที่ละลายอยู่จะเคลื่อนเข้าสู่ฟองสุญญากาศเหล่านี้ผ่านพื้นที่ผิวขนาดใหญ่ และทำให้ฟองมีขนาดเพิ่มขึ้น
คลื่นเสียงช่วยให้ฟองที่อยู่ใกล้กันสัมผัสและรวมตัวกัน ส่งผลให้ฟองขยายตัวเร็วขึ้น คลื่นอัลตราโซนิกยังช่วยสั่นให้ฟองหลุดออกจากพื้นผิวภาชนะ และผลักดันให้ฟองขนาดเล็กที่อยู่ใต้ผิวของเหลวลอยขึ้นผ่านผิวของเหลวและปล่อยก๊าซที่กักอยู่สู่สภาพแวดล้อม

ทดลองทดสอบ

สามารถทำให้เห็นกระบวนการไล่ก๊าซและกำจัดฟองออกจากของเหลวได้อย่างง่ายดาย ในบีกเกอร์แก้วที่บรรจุน้ำประปาซึ่งเพิ่งเทลงไป การใช้อัลตราโซนิกจะผลักดันให้ฟองขนาดเล็กที่แขวนลอยอยู่รวมตัวกันและลอยขึ้นอย่างรวดเร็ว คุณสามารถเห็นผลนี้ได้จากภาพแสดงลำดับการเปลี่ยนแปลงด้านล่าง

การไล่ก๊าซออกจากน้ำด้วยอัลตราโซนิก (5 วินาที)

น้ำมันที่ถูกกวนมีฟองที่แขวนลอยอยู่หรือโฟมเป็นจำนวนมาก ซึ่งเป็นปัญหาโดยเฉพาะในสารหล่อเย็น ในกรณีนี้ ฟองก๊าซส่งเสริมการสึกหรอที่เกิดจากคาวิเทชันในปั๊มหรือหัวฉีด ภาพแสดงลำดับการเปลี่ยนแปลงด้านล่างแสดงผลของการกำจัดฟองด้วยอัลตราโซนิก

การไล่ก๊าซด้วยอัลตราโซนิก: กำจัดฟองก๊าซที่กักอยู่ในน้ำมันโดยใช้เครื่องอัลตราโซนิก UP400St

การใช้อัลตราโซนิกจะสร้างฟองสุญญากาศขนาดเล็กในน้ำใสที่ตั้งทิ้งไว้ ฟองเหล่านี้จะเต็มไปด้วยก๊าซที่ละลายอยู่ซึ่งเคลื่อนเข้าสู่ฟอง ส่งผลให้ฟองขยายตัวและลอยขึ้น สามารถเห็นผลของการไล่ก๊าซได้อย่างชัดเจนในของเหลวทุกชนิดที่โปร่งแสง
เนื่องจากอัลตราโซนิกช่วยให้ฟองขนาดเล็กที่แขวนลอยอยู่ลอยขึ้นสู่ผิวของเหลวได้ดีขึ้น จึงลดระยะเวลาที่ฟองสัมผัสกับของเหลวด้วย ด้วยเหตุนี้ จึงจำกัดการละลายกลับของก๊าซจากฟองเข้าสู่ของเหลวด้วยเช่นกัน ผลนี้มีความน่าสนใจเป็นพิเศษสำหรับของเหลวที่มีความหนืดสูงกว่า เช่น น้ำมันหรือเรซิน เนื่องจากฟองต้องเคลื่อนขึ้นสู่ผิวของเหลว การไล่ก๊าซด้วยอัลตราโซนิกจึงได้ผลดีกว่าเมื่อใช้ภาชนะตื้น เพื่อให้ระยะเวลาที่ฟองเคลื่อนถึงผิวของเหลวสั้นลง

นอกเหนือจากผลที่มองเห็นได้

การวัดผลของการไล่ก๊าซด้วยการตรวจดูด้วยตาเปล่ามีข้อจำกัดด้านความแม่นยำ การวัดปริมาณก๊าซเป็นวิธีที่แม่นยำกว่าในการประเมินประสิทธิภาพของการไล่ก๊าซด้วยอัลตราโซนิก

ของไหลมีก๊าซที่ละลายอยู่ในปริมาณหนึ่ง ความเข้มข้นของก๊าซขึ้นอยู่กับปัจจัยต่าง ๆ เช่น อุณหภูมิ ความดันแวดล้อม หรือการกวนของเหลว ภายใต้สภาวะคงที่ ความเข้มข้นของก๊าซจะเข้าใกล้สมดุล การไล่ก๊าซด้วยอัลตราโซนิกจะเปลี่ยนสภาวะเหล่านี้ เนื่องจากของเหลวสัมผัสกับฟองที่มีความดันต่ำและเกิดการกวน ดังนั้น การใช้อัลตราโซนิกจะลดความเข้มข้นของก๊าซในของเหลวให้ต่ำกว่าระดับสมดุล
เมื่อหยุดการใช้อัลตราโซนิกและกลับสู่สภาวะเริ่มต้น ความเข้มข้นของก๊าซจะค่อย ๆ เข้าใกล้ระดับสมดุลเริ่มต้นอีกครั้ง เว้นแต่ของเหลวจะไม่สัมผัสกับก๊าซใด ๆ เช่น อยู่ในขวดที่ปิดไว้ เนื่องจากก๊าซละลายกลับเข้าสู่ของเหลวค่อนข้างช้า จึงสามารถใช้งานของเหลวที่มีปริมาณก๊าซต่ำหลังการใช้อัลตราโซนิกได้ กราฟด้านล่างแสดงผลนี้

ภาพประกอบการไล่ก๊าซออกจากน้ำด้วยอัลตราโซนิก

การไล่ก๊าซก่อนการทำอิมัลชันและการกระจายตัว

การไล่ก๊าซด้วยอัลตราโซนิกสามารถปรับปรุงคุณภาพของระบบกระจายตัวและอิมัลชันได้

ปัญหา

อิมัลชันและระบบกระจายตัวมักมีสารลดแรงตึงผิวเพื่อเพิ่มความเสถียร สารลดแรงตึงผิวจะยับยั้งการสัมผัสและการรวมตัวหรือการเกาะกลุ่มของวัสดุที่กระจายอยู่ในเฟสของเหลว โดยสารลดแรงตึงผิวจะสร้างชั้นล้อมรอบอนุภาคแต่ละอนุภาค สารลดแรงตึงผิวชนิดเดียวกันนี้ยังสามารถห่อหุ้มฟองก๊าซที่แขวนลอยอยู่ในเฟสของเหลวได้ด้วย ฟองที่ถูกทำให้เสถียรเช่นนี้อาจมีความคงทนสูงมาก ฟองที่ถูกทำให้เสถียรใช้สารลดแรงตึงผิวไป ลดคุณภาพของอิมัลชันหรือระบบกระจายตัว และสามารถทำให้ค่าที่อ่านได้ในการวัดขนาดอนุภาคไม่สม่ำเสมอ

วิธีแก้ไข: การไล่ก๊าซด้วยอัลตราโซนิก

เพื่อลดปัญหาฟองก๊าซที่ถูกทำให้เสถียร ควรไล่ก๊าซออกจากของเหลวด้วยอัลตราโซนิก ก่อนเติมเฟสกระจาย เช่น น้ำมันหรือผง ให้ใช้คลื่นอัลตราโซนิกกับของเหลวจนจำนวนฟองที่เกิดขึ้นลดลง เมื่อผสมวัสดุอื่นเข้าไป ให้หลีกเลี่ยงการทำให้เกิดฟองใหม่หรือกระแสวนขณะกวน การเกิดฟองใหม่หรือกระแสวนจะทำให้ปริมาณก๊าซเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว
 

โคลนเจาะฐานน้ำก่อนและหลังการไล่ก๊าซด้วยอัลตราโซนิก โดยใช้เครื่องอัลตราโซนิก UIP1000hd
การศึกษาและภาพโดย Amani et al. 2016

การขับคาร์บอนไดออกไซด์ออก

ผลของการไล่ก๊าซถูกนำมาใช้ในการทดสอบการรั่วของกระป๋องและขวดที่บรรจุเครื่องดื่มอัดลม เช่น โคล่า โซดา หรือเบียร์ โปรดคลิกที่นี่เพื่อดูข้อมูลเพิ่มเติมเกี่ยวกับการทดสอบการรั่วของขวด

ภาพรวมการไล่ก๊าซด้วยอัลตราโซนิก

การไล่ก๊าซออกจากของเหลวด้วยอัลตราโซนิกได้ผลดีกว่าเมื่อใช้การจัดระบบดังต่อไปนี้

• ใช้แอมพลิจูดของคลื่นอัลตราโซนิกในระดับต่ำถึงปานกลาง!
• ใช้โซโนโทรดที่มีพื้นที่ผิวขนาดใหญ่ เช่น โซโนโทรดที่แผ่คลื่นในแนวรัศมี!
• ทำให้บริเวณเหนือผิวของเหลวมีความดันต่ำหรือเป็นสุญญากาศขณะใช้อัลตราโซนิก!
• ให้ความร้อนแก่ของเหลวเพื่อลดความหนืด!
• ใช้ภาชนะตื้นสำหรับการแยกก๊าซระหว่างหรือหลังการใช้อัลตราโซนิก!
• หลีกเลี่ยงการกวนแบบปั่นป่วนเพื่อให้ฟองก๊าซลอยขึ้นได้!

การไล่ก๊าซด้วยอัลตราโซนิกสามารถใช้ได้ทั้งแบบแบตช์และแบบอินไลน์ ในกรณีที่ดำเนินการแบบอินไลน์ ควรติดตั้งท่อแนวตั้งสำหรับระบายก๊าซและใช้ปั๊มก๊าซ

วรรณกรรม / เอกสารอ้างอิง

• 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.