Ultraljudsavgasning och skumdämpning av vätskor
Avgasning och skumdämpning av vätskor med hjälp av ultraljud är en mycket effektiv process. Ultraljud tar bort små suspenderade gasbubblor från vätskan och minskar nivån av upplöst gas under den naturliga jämviktsnivån.
Avgasning och skumdämpning av vätskor krävs för många ändamål, till exempel följande processer:
- Provberedning före mätning av partikelstorlek för att undvika mätfel
- avgasning av olja och smörjmedel före pumpning för att minska pumpslitage på grund av kavitation
- avgasning av flytande livsmedel, t.ex. juice, sås eller vin, för att minska mikrobiell tillväxt och öka hållbarheten
- avgasning av polymerer och lacker före applicering, härdning eller vakuuminfusion
Vid ultraljudsbehandling av vätskor resulterar ljudvågorna som sprider sig från den strålande ytan till det flytande mediet i omväxlande högtrycks- och lågtryckscykler, med hastigheter beroende på frekvensen. Under lågtryckscykeln kan ultraljudsvågorna skapa små vakuumbubblor eller hålrum i vätskan. Det stora antalet små bubblor genererar en hög total bubbelyta. Bubblorna är också väl fördelade i vätskan. Upplöst gas vandrar in i dessa vakuumbubblor via den stora ytan och ökar storleken på bubblorna.
De akustiska vågorna stöder beröring och sammansmältning av intilliggande bubblor, vilket leder till en accelererad tillväxt av bubblorna. Ultraljudsbehandling vågor kommer också att bidra till att skaka bubblor av kärlets ytor och kommer att tvinga mindre bubblor som vilar under vätskeytan att stiga igenom och släppa ut den instängda gasen till miljön.
Ultraljudsavgasning av olja med hjälp av en Hielscher 200 Watt ultraljudsprocessor.
Sätt det på prov
Processen för avgasning och skumdämpning av vätskor kan lätt göras synlig. I en glasbägare med nyhällt kranvatten kommer ultraljud att tvinga de små suspenderade bubblorna att sammansmälta och röra sig snabbt. Du kan se denna effekt i förloppsbilden nedan.
Ultraljudsavgasning av vatten (5 sekunder)
Omrörd olja innehåller ett stort antal suspenderade bubblor eller skum. Särskilt i kylvätskor är detta ett problem. Där främjar gasbubblorna kavitationsinducerat slitage i pumpar eller munstycken. Förloppsbilden nedan visar den ultraljudsskumdämpande effekten.
Ultraljud avgasning: Instängda gasbubblor avlägsnas från olja med hjälp av ultraljudsapparaten UP400St
Ultraljudsbehandling kommer att generera små vakuumbubblor i klart, gammalt vatten. Dessa bubblor fylls med upplöst gas som vandrar in i bubblorna. Följaktligen växer bubblorna och rör sig uppåt. Avgasningseffekten är väl synlig i alla genomskinliga vätskor.
Eftersom ultraljudet förbättrar uppkomsten av små suspenderade bubblor till vätskeytan, minskar det också kontakttiden mellan bubblan och vätskan. Av denna anledning begränsar det också upplösningen av gas från bubblan till vätskan. Detta är av särskilt intresse för vätskor med högre viskositet, såsom oljor eller hartser. Eftersom bubblorna måste flytta till vätskeytan fungerar ultraljudsavgasningen bättre om behållaren är grund så att tiden till ytan blir kortare.
Bortom de synliga effekterna
Mätningen av avgasningseffekterna genom visuell inspektion är begränsad i noggrannhet. Gasinnehållsmätningar är ett mer exakt sätt att berätta om ultraljudsavgasningseffektivitet.
Vätskor innehåller en viss mängd upplöst gas. Koncentrationen av gas beror på faktorer, såsom temperatur, omgivningstryck eller omrörning av vätskan. Under konstanta förhållanden kommer gaskoncentrationen att närma sig en jämvikt. Ultraljudsavgasning kommer att förändra förhållandena, eftersom vätskan utsätts för lågtrycksbubblor och omrörning. Därför kommer ultraljud att sänka gaskoncentrationen i vätskan till under jämviktsnivån.
När ultraljudsbehandling upphör och de ursprungliga förhållandena återupprättas, kommer gaskoncentrationen långsamt att närma sig den ursprungliga jämviktsnivån igen, såvida inte vätskan inte utsätts för någon gas, t.ex. i en sluten flaska. Eftersom upplösningen av gas i vätskan är ganska långsam, är det möjligt att arbeta med låggasvätskan efter ultraljudsbehandling. Diagrammet nedan illustrerar denna effekt.
Illustration av ultraljudsavgasning av vatten
Avgasning före emulgering och dispergering
Ultraljudsavgasning kan förbättra kvaliteten på dispersioner och emulsioner.
Problemet
Ofta innehåller emulsioner och dispersioner ytaktiva ämnen för att öka deras stabilitet. De ytaktiva ämnena kommer att hämma kontakt och sammansmältning eller agglomerering av det dispergerade materialet i vätskefasen. För detta kommer de ytaktiva ämnena att bilda ett lager runt varje partikel. Samma ytaktiva ämnen kan också kapsla in gasbubblor som är suspenderade i vätskefas. Sådana stabiliserade bubblor kan visa sig vara mycket robusta. Stabiliserade bubblor förbrukar ytaktivt ämne, minskar kvaliteten på emulsionen eller dispersionen och kan generera oregelbundna avläsningar vid mätning av partikelstorleken.
Lösningen: Avgasning med ultraljud
För att minska problemet med stabiliserade gasbubblor bör vätskor avgasas genom ultraljudsbehandling. Innan du tillsätter dispergeringsfasen, såsom olja eller pulver, sonikera vätskan tills antalet genererade bubblor minskar. När du blandar i andra material, undvik att generera nya bubblor eller en virvel under omrörning. Detta skulle öka gashalten snabbt.
Tvingar ut koldioxid
Effekten av avgasning används vid läckagetestning av burkar och flaskor som innehåller kolsyrade drycker, såsom cola, läsk eller öl. Klicka här för att få mer information om testning av flaskläckage.
Ultraljudsavgasning i korthet
Ultraljudsavgasning av vätskor fungerar bättre när du använder följande inställning.
- Applicera låga till måttliga ultraljudsamplituder!
- Använd sonotroder med stor yta, t.ex. radiellt emitterande sonotroder!
- Ge ett lågt tryck eller vakuum ovanför vätskeytan medan du ultraljudsbehandlar!
- Värm vätskan för att minska dess viskositet!
- Använd en grund behållare för gasseparation under eller efter ultraljudsbehandlingen!
- Undvik turbulent omrörning så att gasbubblorna kan röra sig uppåt!
Ultraljudsavgasning kan användas i batchläge eller inline. Vid inline-drift bör ett ståndrör för utsläpp av gasen installeras och en gaspump bör användas.