Khử khí và phá bọt chất lỏng bằng siêu âm

Khử khí và phá bọt chất lỏng bằng siêu âm là một quá trình rất hiệu quả. Xử lý siêu âm loại bỏ các bọt khí nhỏ lơ lửng khỏi chất lỏng và giảm hàm lượng khí hòa tan xuống dưới mức cân bằng tự nhiên.

Việc khử khí và phá bọt chất lỏng cần thiết cho nhiều mục đích, chẳng hạn như các quá trình sau:

• chuẩn bị mẫu trước khi đo kích thước hạt để tránh sai số đo
• khử khí dầu và chất bôi trơn trước khi bơm để giảm mài mòn bơm do xâm thực
• khử khí thực phẩm dạng lỏng, ví dụ như nước ép, nước xốt hoặc rượu vang, để giảm sự phát triển của vi sinh vật và kéo dài thời hạn bảo quản
• khử khí polyme và vecni trước khi thi công, đóng rắn hoặc truyền thấm chân không

Khi xử lý chất lỏng bằng siêu âm, các sóng âm truyền từ bề mặt phát xạ vào môi trường lỏng tạo ra các chu kỳ áp suất cao và áp suất thấp luân phiên, với tốc độ lặp lại phụ thuộc vào tần số. Trong chu kỳ áp suất thấp, sóng siêu âm có thể tạo ra các bọt chân không nhỏ hoặc các khoang rỗng trong chất lỏng. Số lượng lớn các bọt nhỏ tạo nên tổng diện tích bề mặt bọt lớn. Các bọt cũng phân bố đều trong chất lỏng. Khí hòa tan di chuyển vào các bọt chân không này qua diện tích bề mặt lớn và làm tăng kích thước bọt.
Các sóng âm thúc đẩy sự tiếp xúc và hợp nhất của các bọt liền kề, khiến bọt phát triển nhanh hơn. Sóng siêu âm cũng giúp làm các bọt bong khỏi bề mặt bình chứa và buộc các bọt nhỏ hơn nằm dưới bề mặt chất lỏng nổi lên, giải phóng khí bị giữ bên trong ra môi trường.

Hãy thử nghiệm

Quá trình khử khí và phá bọt chất lỏng có thể dễ dàng được quan sát trực tiếp. Trong một cốc thủy tinh chứa nước máy vừa rót, xử lý siêu âm sẽ buộc các bọt nhỏ lơ lửng hợp nhất và nhanh chóng nổi lên. Bạn có thể thấy hiệu ứng này trong hình ảnh diễn tiến bên dưới.

Khử khí nước bằng siêu âm (5 giây)

Dầu bị khuấy động chứa nhiều bọt khí lơ lửng hoặc bọt. Đây là một vấn đề, đặc biệt đối với chất làm mát. Trong đó, các bọt khí thúc đẩy sự mài mòn do xâm thực ở bơm hoặc vòi phun. Hình ảnh diễn tiến bên dưới cho thấy hiệu ứng phá bọt bằng siêu âm.

Khử khí bằng siêu âm: Các bọt khí bị giữ bên trong dầu được loại bỏ bằng thiết bị siêu âm UP400St

Xử lý siêu âm sẽ tạo ra các bọt chân không nhỏ trong nước trong đã để lâu. Khí hòa tan di chuyển vào và lấp đầy các bọt này. Do đó, các bọt lớn lên và nổi lên. Hiệu ứng khử khí có thể quan sát rõ trong bất kỳ chất lỏng nào cho ánh sáng xuyên qua.
Vì siêu âm thúc đẩy các bọt nhỏ lơ lửng nổi lên bề mặt chất lỏng, nên nó cũng làm giảm thời gian tiếp xúc giữa bọt và chất lỏng. Vì lý do này, nó cũng hạn chế sự hòa tan trở lại của khí từ bọt vào chất lỏng. Điều này đặc biệt đáng quan tâm đối với các chất lỏng có độ nhớt cao hơn, chẳng hạn như dầu hoặc nhựa. Vì các bọt phải di chuyển lên bề mặt chất lỏng, khử khí bằng siêu âm hoạt động tốt hơn khi bình chứa nông, giúp rút ngắn thời gian di chuyển lên bề mặt.

Ngoài những hiệu ứng có thể quan sát

Việc đo lường hiệu quả khử khí bằng quan sát trực tiếp có độ chính xác hạn chế. Đo hàm lượng khí là cách chính xác hơn để đánh giá hiệu quả khử khí bằng siêu âm.

Chất lưu chứa một lượng khí hòa tan nhất định. Nồng độ khí phụ thuộc vào các yếu tố như nhiệt độ, áp suất môi trường hoặc sự khuấy động chất lỏng. Trong điều kiện không đổi, nồng độ khí sẽ tiến tới trạng thái cân bằng. Khử khí bằng siêu âm sẽ thay đổi các điều kiện này vì chất lỏng chịu tác động của các bọt áp suất thấp và sự khuấy động. Do đó, xử lý siêu âm sẽ hạ nồng độ khí trong chất lỏng xuống dưới mức cân bằng.
Khi quá trình xử lý siêu âm dừng lại và các điều kiện ban đầu được tái lập, nồng độ khí sẽ từ từ tiến về mức cân bằng ban đầu, trừ khi chất lỏng không tiếp xúc với bất kỳ khí nào, ví dụ như trong chai kín. Vì khí hòa tan trở lại vào chất lỏng khá chậm, có thể sử dụng chất lỏng có hàm lượng khí thấp sau khi xử lý siêu âm. Đồ thị bên dưới minh họa hiệu ứng này.

Minh họa quá trình khử khí nước bằng siêu âm

Khử khí trước khi nhũ hóa và phân tán

Khử khí bằng siêu âm có thể cải thiện chất lượng của hệ phân tán và nhũ tương.

Vấn đề

Nhũ tương và hệ phân tán thường chứa các chất hoạt động bề mặt để tăng độ ổn định. Các chất hoạt động bề mặt sẽ ức chế sự tiếp xúc và hợp nhất hoặc kết tụ của vật liệu phân tán trong pha lỏng. Để thực hiện điều này, các chất hoạt động bề mặt sẽ tạo thành một lớp bao quanh mỗi hạt. Chính các chất hoạt động bề mặt này cũng có thể bao bọc các bọt khí lơ lửng trong pha lỏng. Các bọt được ổn định như vậy có thể rất bền vững. Các bọt được ổn định tiêu hao chất hoạt động bề mặt, làm giảm chất lượng của nhũ tương hoặc hệ phân tán và có thể tạo ra các kết quả đo thất thường khi đo kích thước hạt.

Giải pháp: Khử khí bằng siêu âm

Để giảm vấn đề do các bọt khí được ổn định gây ra, chất lỏng nên được khử khí bằng xử lý siêu âm. Trước khi thêm pha phân tán, chẳng hạn như dầu hoặc bột, hãy xử lý siêu âm chất lỏng cho đến khi số lượng bọt được tạo ra giảm xuống. Khi trộn thêm các vật liệu khác, hãy tránh tạo bọt mới hoặc xoáy trong khi khuấy. Điều này sẽ làm tăng nhanh hàm lượng khí.
 

Dung dịch khoan gốc nước trước và sau khi khử khí bằng siêu âm bằng thiết bị siêu âm UIP1000hd
Nghiên cứu và hình ảnh của Amani và cộng sự, 2016

Đẩy cacbon dioxit ra ngoài

Hiệu ứng khử khí được sử dụng trong kiểm tra rò rỉ lon và chai chứa đồ uống có ga, chẳng hạn như cola, soda hoặc bia. Vui lòng nhấp vào đây để biết thêm thông tin về kiểm tra rò rỉ chai.

Khái quát về khử khí bằng siêu âm

Khử khí chất lỏng bằng siêu âm hoạt động tốt hơn khi áp dụng cách thiết lập sau.

• Áp dụng biên độ siêu âm từ thấp đến trung bình!
• Sử dụng đầu sonotrode có diện tích bề mặt lớn, ví dụ như đầu sonotrode phát xạ theo hướng xuyên tâm!
• Tạo áp suất thấp hoặc chân không phía trên bề mặt chất lỏng trong khi xử lý siêu âm!
• Gia nhiệt chất lỏng để giảm độ nhớt!
• Sử dụng bình chứa nông để tách khí trong hoặc sau khi xử lý siêu âm!
• Tránh khuấy gây dòng chảy rối để các bọt khí có thể nổi lên!

Khử khí bằng siêu âm có thể được thực hiện theo mẻ hoặc trực tiếp trên dòng chảy. Khi vận hành trực tiếp trên dòng chảy, nên lắp đặt một ống đứng để thoát khí và sử dụng một bơm khí.

Tài liệu / Tài liệu tham khảo

• 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.