Sıvıların Ultrasonik Gaz Giderimi ve Köpük Giderimi

Ultrason kullanılarak sıvıların gazının ve köpüğünün giderilmesi çok etkili bir işlemdir. Ultrasonikasyon, sıvıdaki küçük askıda gaz kabarcıklarını uzaklaştırır ve çözünmüş gaz düzeyini doğal denge düzeyinin altına düşürür.

Sıvıların gazının ve köpüğünün giderilmesi, aşağıdaki işlemler gibi birçok amaç için gereklidir:

• ölçüm hatalarını önlemek için parçacık boyutu ölçümünden önce numune hazırlama
• kavitasyondan kaynaklanan pompa aşınmasını azaltmak için pompalamadan önce yağların ve yağlayıcıların gazının giderilmesi
• mikrobiyal büyümeyi azaltmak ve raf ömrünü uzatmak için meyve suyu, sos veya şarap gibi sıvı gıdaların gazının giderilmesi
• uygulama, kürleme veya vakum infüzyonundan önce polimerlerin ve verniklerin gazının giderilmesi

Sıvılara sonikasyon uygulandığında, ışınım yapan yüzeyden sıvı ortama yayılan ses dalgaları, tekrarlanma hızları frekansa bağlı olan, birbirini izleyen yüksek basınç ve düşük basınç döngüleri oluşturur. Düşük basınç döngüsü sırasında ultrasonik dalgalar, sıvıda küçük vakum kabarcıkları veya boşluklar oluşturabilir. Çok sayıda küçük kabarcık, yüksek bir toplam kabarcık yüzey alanı oluşturur. Kabarcıklar sıvı içinde de iyi dağılmıştır. Çözünmüş gaz, geniş yüzey alanı üzerinden bu vakum kabarcıklarının içine geçer ve kabarcıkların boyutunu artırır.
Akustik dalgalar, komşu kabarcıkların birbirine temas etmesini ve birleşmesini destekleyerek kabarcıkların büyümesini hızlandırır. Sonikasyon dalgaları ayrıca kabarcıkların kap yüzeylerinden ayrılmasına yardımcı olur ve sıvı yüzeyinin altında bulunan daha küçük kabarcıkların yüzeye yükselmesini ve hapsolmuş gazı ortama salmasını sağlar.

Deneyerek Görün

Sıvıların gazının ve köpüğünün giderilmesi işlemi kolayca görünür hâle getirilebilir. Yeni doldurulmuş musluk suyu içeren bir cam beherde ultrasonikasyon, küçük askıda kabarcıkların birleşmesini ve hızla yukarı hareket etmesini sağlar. Bu etkiyi aşağıdaki süreç görselinde görebilirsiniz.

Suyun Ultrasonik Gaz Giderimi (5 saniye)

Çalkalanmış yağ, çok sayıda askıda kabarcık veya köpük içerir. Bu, özellikle soğutma sıvılarında bir sorundur. Bu sıvılardaki gaz kabarcıkları, pompalarda veya nozullarda kavitasyon kaynaklı aşınmayı artırır. Aşağıdaki süreç görseli, ultrasonik köpük giderme etkisini gösterir.

Ultrasonik gaz giderimi: Hapsolmuş gaz kabarcıkları, UP400St sonikatörü kullanılarak yağdan uzaklaştırılır

Sonikasyon, berrak ve beklemiş suda küçük vakum kabarcıkları oluşturur. Bu kabarcıklar, içlerine geçen çözünmüş gazla dolar. Bunun sonucunda kabarcıklar büyür ve yukarı hareket eder. Gaz giderme etkisi, ışık geçiren her sıvıda açıkça görülebilir.
Ultrason, küçük askıda kabarcıkların sıvı yüzeyine yükselmesini kolaylaştırdığından, kabarcık ile sıvı arasındaki temas süresini de azaltır. Bu nedenle gazın kabarcıktan sıvıya yeniden çözünmesini de sınırlar. Bu, yağlar veya reçineler gibi daha yüksek viskoziteli sıvılar için özellikle önemlidir. Kabarcıkların sıvı yüzeyine ulaşması gerektiğinden, yüzeye ulaşma süresini kısaltan sığ bir kap kullanıldığında ultrasonik gaz giderimi daha iyi sonuç verir.

Görünür Etkilerin Ötesinde

Gaz giderme etkilerinin görsel incelemeyle ölçülmesinin doğruluğu sınırlıdır. Gaz içeriği ölçümleri, ultrasonik gaz giderme verimliliğini değerlendirmek için daha doğru bir yöntemdir.

Akışkanlar belirli miktarda çözünmüş gaz içerir. Gaz konsantrasyonu; sıcaklık, ortam basıncı veya sıvının çalkalanması gibi etkenlere bağlıdır. Sabit koşullarda gaz konsantrasyonu bir dengeye yaklaşır. Ultrasonik gaz giderimi, sıvı düşük basınçlı kabarcıklara ve çalkalanmaya maruz kaldığı için koşulları değiştirir. Bu nedenle ultrasonikasyon, sıvıdaki gaz konsantrasyonunu denge düzeyinin altına düşürür.
Sonikasyon durduğunda ve başlangıç koşulları yeniden sağlandığında, sıvı herhangi bir gaza maruz kalmadığı sürece – örneğin kapalı bir şişede – gaz konsantrasyonu başlangıçtaki denge düzeyine yeniden yaklaşmaz; aksi durumda bu düzeye yavaşça yeniden yaklaşır. Gazın sıvıda yeniden çözünmesi oldukça yavaş olduğundan, sonikasyondan sonra düşük gaz içerikli sıvıyla çalışmak mümkündür. Aşağıdaki grafik bu etkiyi gösterir.

Suyun Ultrasonik Gaz Gideriminin Gösterimi

Emülsifiye Etme ve Disperse Etme Öncesinde Gaz Giderimi

Ultrasonik gaz giderimi, dispersiyonların ve emülsiyonların kalitesini artırabilir.

Sorun

Emülsiyonlar ve dispersiyonlar, stabilitelerini artırmak için çoğu zaman yüzey aktif maddeler içerir. Yüzey aktif maddeler, sıvı fazdaki disperse malzemenin temasını ve birleşmesini veya aglomerasyonunu engeller. Bunun için yüzey aktif maddeler her parçacığın etrafında bir tabaka oluşturur. Aynı yüzey aktif maddeler, sıvı fazda askıda bulunan gaz kabarcıklarını da kaplayabilir. Bu şekilde stabilize edilmiş kabarcıklar çok dayanıklı olabilir. Stabilize edilmiş kabarcıklar yüzey aktif madde tüketir, emülsiyonun veya dispersiyonun kalitesini düşürür ve parçacık boyutu ölçülürken düzensiz ölçüm sonuçlarına yol açabilir.

Çözüm: Ultrasonik Gaz Giderimi

Stabilize edilmiş gaz kabarcıkları sorununu azaltmak için sıvıların gazı sonikasyonla giderilmelidir. Yağ veya toz gibi disperse fazı eklemeden önce, oluşan kabarcıkların sayısı azalana kadar sıvıya sonikasyon uygulayın. Diğer malzemeleri karıştırarak eklerken, karıştırma sırasında yeni kabarcıklar veya girdap oluşturmaktan kaçının. Bunların oluşması gaz içeriğini hızla artırır.
 

Su bazlı sondaj çamurunun ultrasonik gaz giderme öncesi ve sonrası görünümü; gaz giderme işlemi UIP1000hd sonikatörüyle gerçekleştirilmiştir
Çalışma ve görsel: Amani et al. 2016

Karbondioksitin Dışarı Çıkarılması

Gaz giderme etkisi, kola, gazoz veya bira gibi gazlı içecekler içeren kutuların ve şişelerin sızdırmazlık testlerinde kullanılır. Şişelerin sızdırmazlık testi hakkında daha fazla bilgi almak için lütfen buraya tıklayın.

Kısaca Ultrasonik Gaz Giderimi

Sıvıların ultrasonik gaz giderimi, aşağıdaki düzenleme kullanıldığında daha iyi sonuç verir.

• Düşük ile orta düzey arasında ultrasonik genlikler uygulayın!
• Geniş yüzey alanına sahip sonotrotlar, örneğin radyal olarak ışınım yapan sonotrotlar kullanın!
• Sonikasyon sırasında sıvı yüzeyinin üzerinde düşük basınç veya vakum sağlayın!
• Viskozitesini azaltmak için sıvıyı ısıtın!
• Sonikasyon sırasında veya sonrasında gazın ayrılması için sığ bir kap kullanın!
• Gaz kabarcıklarının yukarı hareket edebilmesi için türbülanslı karıştırmadan kaçının!

Ultrasonik gaz giderimi, kesikli modda veya hat içinde kullanılabilir. Hat içinde çalışılması durumunda, gazın tahliyesi için dikey bir boru kurulmalı ve bir gaz pompası kullanılmalıdır.

Literatür / Kaynaklar

• 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.