Ultrasoon ontgassen en ontschuimen van vloeistoffen

Het ontgassen en ontschuimen van vloeistoffen met ultrageluid is een zeer effectief proces. Ultrasone behandeling verwijdert kleine zwevende gasbellen uit de vloeistof en verlaagt het gehalte aan opgelost gas tot onder het natuurlijke evenwichtsniveau.

Het ontgassen en ontschuimen van vloeistoffen is voor veel doeleinden nodig, zoals bij de volgende processen:

• monstervoorbereiding vóór de deeltjesgroottemeting om meetfouten te voorkomen
• ontgassen van olie en smeermiddelen vóór het verpompen om pompslijtage door cavitatie te verminderen
• ontgassen van vloeibare voedingsmiddelen, bijv. sap, saus of wijn, om microbiële groei te verminderen en de houdbaarheid te verlengen
• ontgassen van polymeren en lakken vóór het aanbrengen, uitharden of vacuüminfusie

Bij de sonicatie van vloeistoffen veroorzaken de geluidsgolven die zich vanaf het uitstralende oppervlak in de vloeibare media voortplanten afwisselende hogedruk- en lagedrukcycli, waarvan de snelheid afhankelijk is van de frequentie. Tijdens de lagedrukcyclus kunnen de ultrasone golven kleine vacuümbellen of holtes in de vloeistof creëren. Het grote aantal kleine bellen zorgt voor een groot totaal beloppervlak. De bellen zijn ook goed verdeeld in de vloeistof. Opgelost gas migreert via het grote oppervlak naar deze vacuümbellen en vergroot de bellen.
De akoestische golven bevorderen het contact en de coalescentie van aangrenzende bellen, waardoor de bellen sneller groeien. De sonicatiegolven helpen ook om bellen van de oppervlakken van vaten los te schudden en dwingen kleinere bellen die zich onder het vloeistofoppervlak bevinden om door de vloeistof op te stijgen en het ingesloten gas aan de omgeving af te geven.

Neem de proef op de som

Het proces van ontgassen en ontschuimen van vloeistoffen kan eenvoudig zichtbaar worden gemaakt. In een glazen bekerglas met vers ingeschonken kraanwater dwingt ultrasone behandeling de kleine zwevende bellen om samen te vloeien en snel op te stijgen. Dit effect is te zien in de onderstaande afbeelding van het procesverloop.

Ultrasoon ontgassen van water (5 seconden)

Olie die in beweging is gebracht bevat een groot aantal zwevende bellen of schuim. Vooral in koelvloeistoffen is dit een probleem. Daar bevorderen de gasbellen slijtage door cavitatie in pompen of spuitmonden. De onderstaande afbeelding van het procesverloop toont het ultrasone ontschuimingseffect.

Ultrasoon ontgassen: ingesloten gasbellen worden uit olie verwijderd met de sonicator UP400St

Sonicatie genereert kleine vacuümbellen in helder water dat heeft gestaan. Deze bellen vullen zich met opgelost gas dat naar de bellen migreert. Daardoor groeien de bellen en stijgen ze op. Het ontgassingseffect is duidelijk zichtbaar in elke doorschijnende vloeistof.
Omdat ultrageluid het opstijgen van kleine zwevende bellen naar het vloeistofoppervlak bevordert, verkort het ook de contacttijd tussen de bel en de vloeistof. Om deze reden beperkt het ook het opnieuw oplossen van gas uit de bel in de vloeistof. Dit is vooral van belang voor vloeistoffen met een hogere viscositeit, zoals oliën of harsen. Omdat de bellen naar het vloeistofoppervlak moeten bewegen, werkt ultrasoon ontgassen beter als de houder ondiep is, zodat de tijd om het oppervlak te bereiken korter is.

Meer dan de zichtbare effecten

Het meten van de ontgassingseffecten door visuele inspectie heeft een beperkte nauwkeurigheid. Metingen van het gasgehalte zijn een nauwkeurigere manier om de efficiëntie van ultrasoon ontgassen te beoordelen.

Vloeistoffen bevatten een bepaalde hoeveelheid opgelost gas. De gasconcentratie hangt af van factoren zoals temperatuur, omgevingsdruk of het in beweging brengen van de vloeistof. Onder constante omstandigheden zal de gasconcentratie een evenwicht benaderen. Ultrasoon ontgassen verandert de omstandigheden, omdat de vloeistof wordt blootgesteld aan bellen met lage druk en in beweging wordt gebracht. Daarom verlaagt ultrasone behandeling de gasconcentratie in de vloeistof tot onder het evenwichtsniveau.
Wanneer de sonicatie stopt en de oorspronkelijke omstandigheden worden hersteld, zal de gasconcentratie langzaam weer het oorspronkelijke evenwichtsniveau benaderen, tenzij de vloeistof aan geen enkel gas wordt blootgesteld, bijv. in een gesloten fles. Omdat gas vrij langzaam opnieuw in de vloeistof oplost, is het mogelijk om na sonicatie met de vloeistof met een laag gasgehalte te werken. De onderstaande grafiek illustreert dit effect.

Illustratie van ultrasoon ontgassen van water

Ontgassen vóór emulgeren en dispergeren

Ultrasoon ontgassen kan de kwaliteit van dispersies en emulsies verbeteren.

Het probleem

Emulsies en dispersies bevatten vaak oppervlakteactieve stoffen om hun stabiliteit te verhogen. De oppervlakteactieve stoffen remmen het contact en de coalescentie of agglomeratie van het gedispergeerde materiaal in de vloeistoffase. Hiervoor vormen de oppervlakteactieve stoffen een laag rond elk deeltje. Dezelfde oppervlakteactieve stoffen kunnen ook gasbellen inkapselen die in de vloeistoffase zweven. Dergelijke gestabiliseerde bellen kunnen zeer robuust blijken te zijn. Gestabiliseerde bellen verbruiken oppervlakteactieve stof, verminderen de kwaliteit van de emulsie of dispersie en kunnen onregelmatige meetwaarden veroorzaken bij het meten van de deeltjesgrootte.

De oplossing: ultrasoon ontgassen

Om het probleem van gestabiliseerde gasbellen te verminderen, moeten vloeistoffen door sonicatie worden ontgast. Onderwerp de vloeistof aan sonicatie voordat u de disperse fase, zoals olie of poeder, toevoegt, totdat het aantal gevormde bellen afneemt. Voorkom bij het inmengen van andere materialen dat tijdens het roeren nieuwe bellen of een draaikolk ontstaan. Dit zou het gasgehalte snel verhogen.
 

Boorvloeistof op waterbasis vóór en na ultrasoon ontgassen met de sonicator UIP1000hd
Onderzoek en afbeelding van Amani et al. 2016

Koolstofdioxide uitdrijven

Het ontgassingseffect wordt gebruikt bij het testen op lekkage van blikjes en flessen met koolzuurhoudende dranken, zoals cola, frisdrank of bier. Klik hier voor meer informatie over het testen van flessen op lekkage.

Ultrasoon ontgassen in het kort

Het ultrasoon ontgassen van vloeistoffen werkt beter met de volgende opstelling.

• Pas lage tot matige ultrasone amplitudes toe!
• Gebruik sonotroden met een groot oppervlak, bijv. radiaal uitstralende sonotroden!
• Zorg tijdens de sonicatie voor een lage druk of een vacuüm boven het vloeistofoppervlak!
• Verwarm de vloeistof om de viscositeit te verlagen!
• Gebruik een ondiepe houder voor de gasafscheiding tijdens of na de sonicatie!
• Vermijd turbulente beweging zodat de gasbellen kunnen opstijgen!

Ultrasoon ontgassen kan in batchmodus of inline worden toegepast. Bij inline gebruik moet een standpijp voor de afvoer van het gas worden geïnstalleerd en moet een gaspomp worden gebruikt.

Literatuur / Referenties

• 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.