Ultrasoon Ontgassen en Ontschuimen van Vloeistoffen
Het ontgassen en schuimvrij maken van vloeistoffen met behulp van ultrasoon is een zeer effectief proces. Ultrasoon verwijderen kleine zwevende gasbellen uit de vloeistof en verlagen het niveau van opgelost gas tot onder het natuurlijke evenwichtsniveau.
Het ontgassen en schuimen van vloeistoffen is nodig voor veel doeleinden, zoals de volgende processen:
- monstervoorbereiding vóór de deeltjesgroottemeting om meetfouten te voorkomen
- olie en smeermiddel ontgassen voor het pompen om slijtage van de pomp door cavitatie te verminderen
- ontgassen van vloeibaar voedsel, zoals sap, saus of wijn, om microbiële groei te verminderen en de houdbaarheid te verlengen
- ontgassen van polymeren en vernissen vóór het aanbrengen, uitharden of vacuüm infusie
Bij het ultrasoon maken van vloeistoffen resulteren de geluidsgolven die zich voortplanten vanaf het stralingsoppervlak in het vloeibare medium in afwisselende hogedruk- en lagedrukcycli, waarbij de snelheid afhangt van de frequentie. Tijdens de lagedrukcyclus kunnen de ultrasone golven kleine vacuümbelletjes of holtes in de vloeistof creëren. Het grote aantal kleine belletjes genereert een groot totaal bubbeloppervlak. De bellen zijn ook goed verdeeld in de vloeistof. Opgelost gas migreert in deze vacuümbellen via het grote oppervlak en vergroot de grootte van de bellen.
De akoestische golven ondersteunen het aanraken en samensmelten van aangrenzende bellen, wat leidt tot een versnelde groei van de bellen. De sonicatiegolven helpen ook om de bellen van het oppervlak van het vat te schudden en dwingen kleinere bellen die zich onder het vloeistofoppervlak bevinden om naar boven te komen en het ingesloten gas aan de omgeving af te geven.
Ultrasoon ontgassen van olie met een Hielscher 200 Watt ultrasone processor.
Op de proef stellen
Het proces van het ontgassen en schuimen van vloeistoffen kan gemakkelijk zichtbaar worden gemaakt. In een glazen bekerglas met vers ingeschonken kraanwater zal ultrasoon geluid de kleine zwevende belletjes dwingen samen te smelten en snel naar boven te bewegen. Je kunt dit effect zien in de voortgangsafbeelding hieronder.
Ultrasone ontgassing van water (5 seconden)
Roerolie bevat een groot aantal zwevende bellen of schuim. Vooral in koelvloeistoffen is dit een probleem. Daar bevorderen de gasbellen door cavitatie veroorzaakte slijtage in pompen of sproeiers. De voortgangsafbeelding hieronder toont het ultrasone ontschuimingseffect.
Ultrasoon ontgassen: Ingesloten gasbellen worden uit olie verwijderd met de ultrasoon UP400St.
Sonificatie genereert kleine vacuümbelletjes in helder, muf water. Deze belletjes vullen zich met opgelost gas, dat in de belletjes trekt. Hierdoor groeien de belletjes en bewegen ze omhoog. Het ontgassingseffect is goed zichtbaar in elke doorschijnende vloeistof.
Omdat ultrageluid het opstijgen van kleine zwevende bellen naar het vloeistofoppervlak verbetert, vermindert het ook de contacttijd tussen de bel en de vloeistof. Daarom wordt ook het opnieuw oplossen van gas uit de bel naar de vloeistof beperkt. Dit is vooral interessant voor vloeistoffen met een hogere viscositeit, zoals oliën of harsen. Omdat de bellen naar het vloeistofoppervlak moeten bewegen, werkt ultrasoon ontgassen beter als de container ondiep is, zodat de tijd tot het oppervlak korter is.
Verder dan de zichtbare effecten
Het meten van de ontgassingseffecten door visuele inspectie is beperkt in nauwkeurigheid. Gasinhoudsmetingen zijn een nauwkeurigere manier om iets te zeggen over de ultrasone ontgassingsefficiëntie.
Vloeistoffen bevatten een bepaalde hoeveelheid opgelost gas. De gasconcentratie is afhankelijk van factoren zoals temperatuur, omgevingsdruk of agitatie van de vloeistof. Onder constante omstandigheden zal de gasconcentratie een evenwicht benaderen. Ultrasoon ontgassen verandert de omstandigheden, omdat de vloeistof wordt blootgesteld aan lage druk bellen en agitatie. Daarom zal ultrasoon ontgassen de gasconcentratie in de vloeistof verlagen tot onder het evenwichtsniveau.
Wanneer de sonicatie stopt en de initiële condities worden hersteld, zal de gasconcentratie weer langzaam het initiële evenwichtsniveau benaderen, tenzij de vloeistof niet wordt blootgesteld aan gas, bijvoorbeeld in een gesloten fles. Omdat het weer oplossen van gas in de vloeistof vrij langzaam gaat, is het mogelijk om met de gasarme vloeistof te werken na sonicatie. De grafiek hieronder 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
Vaak bevatten emulsies en dispersies oppervlakteactieve stoffen om hun stabiliteit te vergroten. De oppervlakteactieve stoffen zullen het contact en de coalescentie of agglomeratie van het gedispergeerde materiaal in de vloeibare fase verhinderen. Hiervoor vormen de oppervlakteactieve stoffen een laag rond elk deeltje. Dezelfde oppervlakte-actieve stoffen kunnen ook gasbellen inkapselen die in de vloeibare fase zweven. Zulke gestabiliseerde bellen kunnen erg robuust zijn. Gestabiliseerde bellen verbruiken oppervlakte-actieve stof, verminderen de kwaliteit van de emulsie of dispersie en kunnen onregelmatige waarden genereren bij het meten van de deeltjesgrootte.
De oplossing: Ultrasoon Ontgassen
Om het probleem van gestabiliseerde gasbellen te verminderen, moeten vloeistoffen worden ontgast door middel van sonicatie. Voordat de disperse fase, zoals olie of poeder, wordt toegevoegd, moet de vloeistof worden gesonitiseerd totdat het aantal gegenereerde bellen afneemt. Wanneer je andere materialen mengt, moet je voorkomen dat er nieuwe bellen of een draaikolk ontstaan tijdens het roeren. Hierdoor zou het gasgehalte snel toenemen.
Kooldioxide uitdrijven
Het effect van ontgassen wordt gebruikt bij het testen van lekken in blikjes en flessen met koolzuurhoudende dranken, zoals cola, frisdrank of bier. Klik hier voor meer informatie over lektests op flessen.
Ultrasoon Ontgassen in het kort
Het ultrasoon ontgassen van vloeistoffen werkt beter met de volgende opstelling.
- Gebruik lage tot gemiddelde ultrasone amplitudes!
- Gebruik sonotroden met een groot oppervlak, bijv. sonotroden met radiale emissie!
- Zorg voor een lage druk of vacuüm boven het vloeistofoppervlak tijdens het sonificeren!
- Verwarm de vloeistof om de viscositeit te verminderen!
- Gebruik een ondiepe bak voor de gasscheiding tijdens of na de sonicatie!
- Vermijd turbulent roeren zodat de gasbellen omhoog kunnen bewegen!
Ultrasoon ontgassen kan in batchmodus of inline worden gebruikt. Bij inline gebruik moet een standpijp voor de afvoer van het gas worden geïnstalleerd en een gaspomp worden toegepast.