Ultralydsafgasning og skumdæmpning af væsker

Afgasning og skumdæmpning af væsker ved hjælp af ultralyd er en meget effektiv proces. Ultralydbehandling fjerner små suspenderede gasbobler fra væsken og reducerer niveauet af opløst gas under det naturlige ligevægtsniveau.

Afgasning og skumdæmpning af væsker er påkrævet til mange formål, såsom følgende processer:

• prøveforberedelse før partikelstørrelsesmåling for at undgå målefejl
• Afgasning af olie og smøremiddel før pumpning for at reducere pumpeslid på grund af kavitation
• Afgasning af flydende fødevarer, f.eks. juice, sauce eller vin, for at reducere mikrobiel vækst og øge holdbarheden
• Afgasning af polymerer og lakker før påføring, hærdning eller vakuuminfusion

Ved sonikering af væsker resulterer lydbølgerne, der forplanter sig fra den udstrålende overflade ind i det flydende medie, i skiftende højtryks- og lavtrykscyklusser med hastigheder afhængigt af frekvensen. Under lavtrykscyklussen kan ultralydsbølgerne skabe små vakuumbobler eller hulrum i væsken. Det store antal små bobler genererer et højt samlet bobleoverfladeareal. Boblerne er også godt fordelt i væsken. Opløst gas migrerer ind i disse vakuumbobler via det store overfladeareal og øger boblernes størrelse.
De akustiske bølger understøtter berøring og sammensmeltning af tilstødende bobler, hvilket fører til en accelereret vækst af boblerne. Sonikeringsbølgerne vil også hjælpe med at ryste bobler af fartøjets overflader og vil tvinge mindre bobler, der hviler under væskeoverfladen, til at stige igennem og frigive den indespærrede gas til miljøet.

Sæt det på prøve

Processen med afgasning og skumdæmpning af væsker kan let synliggøres. I et glasbæger med friskhældt postevand vil ultralydbehandling tvinge de små suspenderede bobler til at smelte sammen og bevæge sig hurtigt op. Du kan se denne effekt i statusbilledet nedenfor.

Ultralydsafgasning af vand (5 sekunder)

Omrørt olie indeholder et stort antal suspenderede bobler eller skum. Især i kølevæsker er dette et problem. Der fremmer gasboblerne kavitationsinduceret slid i pumper eller dyser. Fremskridtsbilledet nedenfor viser ultralydsskumdæmpende effekt.

Ultralydsafgasning: Indespærrede gasbobler fjernes fra olie ved hjælp af ultralydsapparatet UP400St

Sonikering vil generere små vakuumbobler i klart, forældet vand. Disse bobler fyldes med opløst gas, der migrerer ind i boblerne. Som følge heraf vokser boblerne og bevæger sig op. Afgasningseffekten er godt synlig i enhver gennemsigtig væske.
Da ultralyden forbedrer stigningen af små suspenderede bobler til væskeoverfladen, reducerer den også kontakttiden mellem boblen og væsken. Af denne grund begrænser det også genopløsningen af gas fra boblen til væsken. Dette er af særlig interesse for væsker med højere viskositet, såsom olier eller harpikser. Da boblerne skal bevæge sig til væskeoverfladen, fungerer ultralydsafgasningen bedre, hvis beholderen er lav, så tiden til overfladen er kortere.

Ud over de synlige effekter

Målingen af afgasningseffekterne ved visuel inspektion er begrænset i nøjagtighed. Gasindholdsmålinger er en mere nøjagtig måde at fortælle om ultralydsafgasningseffektivitet.

Væsker indeholder en vis mængde opløst gas. Koncentrationen af gas afhænger af faktorer som temperatur, omgivelsestryk eller omrøring af væsken. Under konstante forhold vil gaskoncentrationen nærme sig en ligevægt. Ultralydsafgasning vil ændre forholdene, fordi væsken udsættes for lavtryksbobler og omrøring. Derfor vil ultralydbehandling sænke gaskoncentrationen i væsken til under ligevægtsniveauet.
Når sonikeringen stopper, og de indledende betingelser er genetableret, vil gaskoncentrationen langsomt nærme sig det oprindelige ligevægtsniveau igen, medmindre væsken ikke udsættes for nogen gas, f.eks. i en lukket flaske. Fordi genopløsningen af gas i væsken er temmelig langsom, er det muligt at arbejde med lavgasvæsken efter sonikering. Grafen nedenfor illustrerer denne effekt.

Illustration af ultralydsafgasning af vand

Afgasning før emulgering og dispergering

Ultralydsafgasning kan forbedre kvaliteten af dispersioner og emulsioner.

Problemet

Ofte indeholder emulsioner og dispersioner overfladeaktive stoffer for at øge deres stabilitet. De overfladeaktive stoffer vil hæmme kontakten og koalescensen eller agglomerationen af det dispergerede materiale i væskefasen. Til dette vil de overfladeaktive stoffer danne et lag omkring hver partikel. De samme overfladeaktive stoffer kan også indkapsle gasbobler, der er suspenderet i væskefasen. Sådanne stabiliserede bobler kan vise sig at være meget robuste. Stabiliserede bobler forbruger overfladeaktivt stof, reducerer kvaliteten af emulsionen eller dispersionen og kan generere uregelmæssige aflæsninger ved måling af partikelstørrelsen.

Løsningen: Ultralydsafgasning

For at reducere problemet med stabiliserede gasbobler skal væsker afgasses ved sonikering. Før du tilsætter dispersionsfasen, såsom olie eller pulver, sonikeres væsken, indtil antallet af genererede bobler reduceres. Når du blander andre materialer i, skal du undgå at generere nye bobler eller en hvirvel under omrøring. Dette ville øge gasindholdet hurtigt.
 

Water-based drilling mud before and after ultrasonic degassing with the sonicator UIP1000hd
Studie og billede af Amani et al. 2016

Tvinger kuldioxid ud

Effekten af afgasning bruges til lækagetest af dåser og flasker, der indeholder kulsyreholdige drikkevarer, såsom cola, sodavand eller øl. Klik her for at få mere information om flaskelækagetest.

Kort om ultralydsafgasning

Ultralydsafgasning af væsker fungerer bedre, når du bruger følgende opsætning.

• Anvend lave til moderate ultralydsamplituder!
• Brug sonotroder med et stort overfladeareal, f.eks. radialt emitterende sonotroder!
• Sørg for et lavt tryk eller vakuum over væskeoverfladen, mens du sonikerer!
• Opvarm væsken for at reducere dens viskositet!
• Brug en lav beholder til gasadskillelsen under eller efter sonikeringen!
• Undgå turbulent omrøring, så gasboblerne kan bevæge sig op!

Ultralydsafgasning kan bruges i batch-tilstand eller inline. I tilfælde af en inline-drift skal der installeres et standrør til udledning af gassen, og der skal anvendes en gaspumpe.

Litteratur / Referencer