Khử không khí khỏi chất lỏng bằng siêu âm với hiệu suất cao

Mặc dù khử khí hoặc thoát khí thường là một công đoạn xử lý cực kỳ tốn thời gian, siêu âm có thể đẩy nhanh đáng kể sự hợp nhất của các bọt khí và quá trình nổi lên của chúng. Quá trình thoát khí bằng siêu âm có thể được thực hiện trong các hệ thống theo mẻ và trên đường ống, đồng thời có thể kết hợp với các kỹ thuật khử khí thông thường như sục khí trơ, thiết bị khử khí dùng cánh khuấy, gia nhiệt hoặc chân không để nâng cao hiệu suất và tốc độ loại bỏ khí.

Loại bỏ khí khỏi chất lỏng

Các thuật ngữ khử không khí, khử khí và thoát khí đề cập đến việc loại bỏ khí tự do và khí hòa tan, đặc biệt là các khí có tính phản ứng như oxy hoặc CO2, khỏi lưu chất. Việc loại bỏ oxy rất quan trọng để ngăn ngừa những biến đổi có hại của sản phẩm cuối cùng và cải thiện quá trình xử lý ở các công đoạn tiếp theo. Khử khí là một công đoạn xử lý cần thiết trong nhiều ứng dụng và ngành công nghiệp. Trong sản xuất công nghiệp, khử khí là một công đoạn phổ biến nhằm bảo đảm độ ổn định, chất lượng và duy trì các tiêu chuẩn sản phẩm một cách nhất quán. Oxy là một yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng và độ ổn định của sản phẩm ở nhiều mức độ khác nhau.
Do đó, khử không khí là một công đoạn xử lý đã được áp dụng rộng rãi trong ngành thực phẩm và đồ uống, hóa chất, dược phẩm và mỹ phẩm. Trong các phòng thí nghiệm, mẫu cũng thường cần được khử khí trước khi phân tích (ví dụ: trước khi thực hiện HPLC, các phép thử, đo hạt, v.v.).
Các quá trình trộn sử dụng, chẳng hạn, máy trộn có lưỡi tạo lực cắt cao hoặc máy trộn cánh khuấy quay thường khiến việc khử khí cho sản phẩm sau đó trở nên cần thiết, vì những kỹ thuật trộn này thường đưa một lượng lớn khí vào sản phẩm. Khí và không khí bị cuốn vào như vậy thường gây ảnh hưởng tiêu cực đến sản phẩm, vì chúng có thể làm chất béo và dầu bị ôi, làm sản phẩm suy giảm chất lượng do oxy hóa, biến màu và những thay đổi không mong muốn về mùi và vị.  Vì các sản phẩm đã khử khí ổn định hơn về mặt hóa học và có thời hạn sử dụng dài hơn, khử khí là một công đoạn xử lý thiết yếu đòi hỏi kỹ thuật đáng tin cậy.
 

Khử khí bằng siêu âm: Các bọt khí bị giữ lại được loại bỏ khỏi dầu bằng máy siêu âm UP400St

Khử khí và khử không khí bằng siêu âm

Khử khí và khử không khí bằng siêu âm là một giải pháp thay thế có hiệu quả rất cao cho các phương pháp khử khí truyền thống đối với chất lỏng, bao gồm đun sôi, giảm áp suất xuống mức chân không hoặc sục khí trơ. Những phương pháp khử khí truyền thống này thường có các nhược điểm như phân hủy nhiệt (do gia nhiệt), quá trình xử lý tốn thời gian và năng lượng và/hoặc loại bỏ khí không đầy đủ. Khử khí bằng siêu âm dựa trên nguyên lý hoạt động của hiện tượng xâm thực âm học. Khi sóng siêu âm công suất cao được truyền vào chất lỏng, chất lỏng lần lượt bị nén và giãn nở trong các chu kỳ áp suất cao và áp suất thấp. Trong các chu kỳ áp suất thấp, những bọt chân không rất nhỏ (được gọi là bọt xâm thực) hình thành và lớn dần qua nhiều chu kỳ áp suất. Trong các chu kỳ phát triển của bọt này, khí hòa tan trong chất lỏng đi vào bọt chân không, khiến bọt chân không chuyển thành các bọt khí đang lớn dần. Ngoài ra, các dòng rối vi mô và tia chất lỏng gây ra sự khuấy trộn và truyền khối mạnh mẽ. Những điều kiện do siêu âm tạo ra này khiến các bọt khí hợp nhất, tức là các bọt khí hòa tan nhỏ kết hợp thành các bọt khí lớn hơn, nhanh chóng nổi lên bề mặt chất lỏng rồi thoát ra khỏi chất lỏng tại đó.
Những thay đổi nhiệt độ do dao động siêu âm và hiện tượng xâm thực gây ra chỉ giới hạn trong các vùng cục bộ rất nhỏ, và mức tăng nhiệt độ trong toàn bộ thể tích có thể được bỏ qua vì không ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm.
 

Sự giảm lượng oxy hòa tan theo thời gian ở tần số siêu âm 24 kHz khi sử dụng máy siêu âm UP400ST ở các biên độ 100 %, 80 %, 60 %, 40% và 20 %.
Nghiên cứu: ©Rognerud et al., 2020.

 
Tùy thuộc vào thể tích, độ nhớt và lượng khí lẫn trong chất lỏng hoặc huyền phù, quá trình khử không khí bằng siêu âm có thể được thực hiện theo mẻ hoặc trên dòng chảy. Đầu dò siêu âm công suất cao tạo ra hiện tượng xâm thực âm trong chất lỏng, giúp khử khí hiệu quả.
Khử khí bằng siêu âm cũng có thể được áp dụng để cải thiện các hệ thống khử khí hiện có như gia nhiệt, chân không hoặc sục khí.
Khử khí và phá bọt bằng siêu âm được sử dụng ở quy mô công nghiệp để loại bỏ khí hòa tan khỏi nước, dầu, thực phẩm và đồ uống, dung dịch hóa chất, chất lỏng thủy lực, chất làm mát, dung dịch khoan, dầu thô, nhũ tương, sơn, mực in, chất kết dính, véc ni, lớp phủ, nhựa epoxy, dầu gội, chất tẩy rửa và nhiều sản phẩm khác.
 

Khử khí bằng siêu âm sử dụng hệ thống buồng dòng chảy. Thí nghiệm này sử dụng một nguyên mẫu vòng tuần hoàn nước quy mô nhỏ có thể tích 0,8 gallon, lưu lượng khí trơ 0,2 sfcm/min và cường độ 275 W/cm2. Kết quả cho thấy thời gian loại bỏ oxy giảm khoảng 70%.
Nghiên cứu và hình ảnh: Rubio và cộng sự, 2016

Khử khí bằng siêu âm trong hệ thống xử lý trên dòng chảy sử dụng thiết bị siêu âm UIP1000hdT với buồng dòng chảy.

Sục khí được tăng cường bằng siêu âm

Sục khí trơ vào chất lỏng (còn gọi là thổi rửa bằng khí trơ) là phương pháp xử lý phổ biến để loại bỏ các khí không mong muốn như oxy và carbon dioxide khỏi chất lỏng. Nitơ, argon, heli và các khí trơ khác thường được sử dụng cho các ứng dụng sục khí. Sục một loại khí có độ tinh khiết cao (thường là khí trơ) qua dung dịch có thể loại bỏ các khí hòa tan không mong muốn, thường có tính phản ứng, như oxy và carbon dioxide. Quá trình sục khí dựa vào sự truyền khối và bản thân quá trình này diễn ra khá chậm. Để tăng cường quá trình sục khí trơ, dung dịch lỏng–khí thường được khuấy mạnh và sục khí trong thời gian dài. Xử lý bằng siêu âm là kỹ thuật tăng cường khử khí, giúp cải thiện đáng kể sự truyền khối và nhờ đó cải thiện quá trình sục khí. Khi sóng siêu âm công suất cao được truyền vào chất lỏng hoặc huyền phù, các bọt xâm thực được tạo ra. Những bọt xâm thực này phá vỡ các bọt khí thổi rửa lớn thành các bọt nhỏ và phân tán chúng đồng đều, giúp khử khí nhanh hơn và triệt để hơn. Sự khuấy trộn mạnh và dòng chảy rối do siêu âm tạo ra thúc đẩy sự truyền khối khí–lỏng, nhờ đó loại bỏ nhanh các khí không mong muốn.
Để đẩy nhanh và nâng cao hiệu quả của quá trình sục khí, siêu âm hiệu năng cao được sử dụng để cải thiện hiệu suất truyền khối giữa khí và chất lỏng thông qua tác động cơ học của siêu âm. Các tác động cơ học của siêu âm do xâm thực âm tạo ra bao gồm chênh lệch áp suất và nhiệt độ cục bộ, dòng chảy rối vi mô và sự khuấy trộn. Các lực này cải thiện hiệu quả khử khí bằng cách góp phần tăng sự truyền khối do khuếch tán nhờ sự phá vỡ bọt, phân tán bọt và sự gia tăng diện tích bề mặt phân cách sau đó, cuối cùng giúp loại bỏ nhanh khí bị giữ trong chất lỏng.
Để đạt được hiệu quả thoát khí mong muốn, cần xử lý bằng siêu âm công suất cao. Khi chất lỏng được sục khí trơ trong dòng chảy hai pha, khuếch tán chỉnh lưu là hiện tượng mong muốn để tăng sự truyền khối và tốc độ loại bỏ khí hòa tan. Việc áp dụng khuếch tán chỉnh lưu có thể khó khăn vì các bọt khí bị giữ lại và hòa tan có xu hướng tránh đi vào trường xâm thực siêu âm ở cường độ thấp. Tuy nhiên, ở cường độ cao hơn (cao hơn 300 W/cm² ở khoảng 20 kHz), các bọt khí không còn tránh vùng xâm thực và bị phá vỡ bởi các lực cơ học của siêu âm. (xem Jagannathan và cộng sự, 2011)

Các hệ thống khử khí bằng siêu âm công suất cao

Hielscher Ultrasonics là nhà sản xuất có kinh nghiệm lâu năm về thiết bị siêu âm hiệu suất cao được sử dụng trên toàn thế giới trong các phòng thí nghiệm và sản xuất công nghiệp. Khử khí cho chất lỏng và huyền phù là một ứng dụng có yêu cầu cao, đòi hỏi các đầu dò siêu âm công suất cao có thể truyền dao động với biên độ đã thiết lập vào chất lỏng để loại bỏ các bọt khí và túi không khí bị giữ bên trong. Tất cả các thiết bị siêu âm Hielscher đều được thiết kế và chế tạo để vận hành 24/7 ở mức toàn tải. Các bộ xử lý siêu âm có nhiều lựa chọn, từ máy siêu âm phòng thí nghiệm nhỏ gọn 50 oát đến các hệ thống siêu âm mạnh mẽ 16.000 oát lắp trên đường ống. Nhiều loại bộ khuếch đại biên độ, đầu sonotrode và buồng dòng chảy cho phép thiết lập riêng từng hệ thống khử khí bằng siêu âm phù hợp với chất lỏng, độ nhớt và lượng khí bị giữ bên trong.
Để loại bỏ không khí và khử khí khỏi kim loại lỏng, cần thiết lập và duy trì biên độ chính xác. Hielscher Ultrasonics sản xuất các đầu dò siêu âm hiệu suất cao có thông số biên độ và nhiệt độ được tối ưu hóa cao cho từng quy trình. Nếu ứng dụng khử khí của bạn đòi hỏi các thông số kỹ thuật đặc biệt, chúng tôi có thể cung cấp các đầu sonotrode siêu âm được tùy chỉnh. Độ bền của thiết bị siêu âm Hielscher cho phép vận hành 24/7 với tải nặng và trong môi trường khắc nghiệt.

Theo mẻ và trên đường ống

Các đầu dò siêu âm Hielscher dùng để khử khí có thể được sử dụng để khử khí và loại bỏ không khí theo mẻ cũng như liên tục trên đường ống. Tùy theo thể tích, độ nhớt và lượng khí bị giữ bên trong, chúng tôi sẽ đề xuất cho bạn cấu hình khử khí bằng siêu âm phù hợp nhất.

Đầu dò siêu âm để khử khí cho mọi thể tích

Danh mục sản phẩm của Hielscher Ultrasonics bao quát toàn bộ các bộ xử lý siêu âm, từ máy siêu âm phòng thí nghiệm nhỏ gọn, các hệ thống để bàn và thí điểm đến các bộ xử lý siêu âm hoàn toàn ở quy mô công nghiệp với công suất xử lý nhiều xe tải nguyên liệu mỗi giờ. Danh mục sản phẩm đầy đủ cho phép chúng tôi cung cấp cho bạn thiết bị khử khí bằng siêu âm phù hợp nhất với chất lỏng, công suất xử lý và mục tiêu sản xuất của bạn.

Biên độ có thể điều khiển chính xác để đạt kết quả tối ưu

Tất cả các hệ thống khử khí bằng siêu âm Hielscher đều có thể được điều khiển chính xác và nhờ đó là những thiết bị làm việc bền bỉ, đáng tin cậy. Biên độ là một trong những thông số quy trình then chốt ảnh hưởng đến hiệu suất và hiệu quả khử khí do tác động cơ học của siêu âm. Tất cả các bộ xử lý của Hielscher Ultrasonics đều cho phép thiết lập biên độ chính xác. Đầu sonotrode và bộ khuếch đại biên độ là các phụ kiện cho phép thay đổi biên độ trong phạm vi còn rộng hơn. Các bộ xử lý siêu âm công nghiệp của Hielscher có thể tạo ra biên độ rất cao và cung cấp cường độ siêu âm cần thiết cho các ứng dụng có yêu cầu cao. Có thể dễ dàng duy trì liên tục biên độ lên đến 200µm khi vận hành 24/7.
Việc thiết lập biên độ chính xác và giám sát liên tục các thông số quy trình siêu âm thông qua phần mềm thông minh cho phép bạn điều chỉnh các thông số quy trình siêu âm để khử khí bằng siêu âm đạt hiệu quả cao nhất. Xử lý siêu âm tối ưu để loại bỏ khí với hiệu suất cao!
Độ bền của thiết bị siêu âm Hielscher cho phép vận hành 24/7 với tải nặng và trong môi trường khắc nghiệt. Điều này khiến thiết bị siêu âm Hielscher trở thành công cụ làm việc đáng tin cậy, đáp ứng các yêu cầu của quy trình loại bỏ không khí của bạn.

Chất lượng cao nhất – Được thiết kế và chế tạo tại Đức

Là một doanh nghiệp do gia đình sở hữu và điều hành, Hielscher ưu tiên các tiêu chuẩn chất lượng cao nhất cho các bộ xử lý siêu âm của mình. Tất cả các máy siêu âm đều được thiết kế, chế tạo và kiểm tra kỹ lưỡng tại trụ sở chính của chúng tôi ở Teltow gần Berlin, Đức. Độ bền và độ tin cậy của thiết bị siêu âm Hielscher khiến chúng trở thành thiết bị làm việc bền bỉ trong hoạt động sản xuất của bạn. Khả năng vận hành 24/7 ở mức toàn tải và trong môi trường khắc nghiệt là đặc tính vốn có của các thiết bị khử khí hiệu suất cao của Hielscher.