Suspensie: wat het is en hoe u uitzakken voorkomt

Een suspensie is een mengsel waarin fijne, niet-opgeloste vaste deeltjes zweven in een vloeistof. Omdat die vaste deeltjes meestal zwaarder zijn dan de vloeistof eromheen, zakken ze bij stilstand na verloop van tijd uit naar de bodem. In een industrieel proces voorkomt u dit bezinken door poederklontjes fijn op te breken, de viscositeit van de vloeistof te verhogen of het mengsel gericht in beweging te houden.

Wat is een suspensie in een industrieel mengproces?

Een suspensie is een heterogeen mengsel van fijne, niet-opgeloste vaste deeltjes in een doorlopende vloeistoffase. De vaste stof lost niet op, maar blijft als losse korreltjes of kristallen aanwezig in de dragervloeistof. Laat u het mengsel met rust, dan trekt de zwaartekracht de deeltjes vroeg of laat naar beneden.

Daarmee verschilt een suspensie van een oplossing en een emulsie. In een oplossing verdeelt een vaste stof zich op moleculair niveau in de vloeistof, zoals suiker in water, waarna het niet meer uitzakt. Een emulsie bestaat uit twee vloeistoffen die niet in elkaar oplossen, zoals olie en water, waarbij de ene vloeistof als fijne druppels in de andere zweeft.

In de procesindustrie komt u suspensies overal tegen. Denk aan titaandioxide en vulstoffen in verf en coatings, mineralen en katalysatoren in de chemie, of cacaodeeltjes en plantenvezels in dranken. Bij farmaceutische suspensies bestaat de doorlopende vloeistoffase uit een waterige of olieachtige vloeistof die vloeibaar genoeg blijft om het product door schudden of roeren weer homogeen te maken.

Gaat het beheersen van de suspensie mis op de werkvloer, dan merkt u dat direct aan de installatie en het eindproduct. Door sedimentatie van vaste deeltjes ontstaat een taaie sliblaag op de tankbodem of raken bodemafsluiters en leidingen verstopt. Tijdens het afvullen ziet u kleurverschillen of een verlopende concentratie tussen de eerste en de laatste verpakkingen van een batch.

Waarom zakt een suspensie uit naar de bodem?

Een suspensie zakt uit omdat de zwaartekracht continu aan de zwevende deeltjes trekt. De valsnelheid hangt af van de deeltjesgrootte, het dichtheidsverschil tussen poeder en vloeistof, de weerstand van die vloeistof en de stroming in de mengtank.

De deeltjes of agglomeraten zijn te grof

Grote en zware deeltjes vallen veel sneller door een vloeistof dan fijne deeltjes. Vaak zijn de grondstoffen zelf fijn genoeg gemalen, maar plakken de poederdeeltjes bij het doseren aan elkaar tot klontjes (agglomeraten). Als het mengproces deze clusters niet volledig opbreekt en bevochtigt, gedragen ze zich als grote deeltjes en zakken ze snel naar de bodem. Het voorkomen van klontvorming bij het poeder mengen is daarom de eerste stap naar een stabiele suspensie.

De vloeistof biedt te weinig weerstand

Een waterdunne vloeistof remt de valbeweging van vaste deeltjes nauwelijks af. Zolang het roerwerk draait, houdt de stroming de vaste stof nog in beweging. Zodra de menger stopt voor transport, opslag of onderhoud, zakken de deeltjes ongehinderd naar het laagste punt van de ketel.

Groot verschil in dichtheid tussen poeder en vloeistof

Hoe zwaarder de vaste stof is ten opzichte van de vloeistof, hoe sterker de neerwaartse kracht. Minerale poeders en metaaloxiden hebben een hoge soortelijke massa en zakken daardoor snel uit. Andersom komt ook voor: bevat een slecht bevochtigd poeder nog veel ingesloten lucht, dan is het klontje lichter dan de vloeistof en vormt het een drijvende poederlaag bovenop het product.

Onvoldoende verticale stroming bij de tankbodem

Een roerwerk dat het product alleen horizontaal ronddraait, houdt zware deeltjes niet zwevend. Zonder een gerichte verticale stroming tot op de tankbodem rollen de vaste deeltjes over de bodem naar de wand of het midden van de ketel. Daar hopen ze zich op in dode hoeken waar de vloeistofsnelheid te laag is om ze weer op te tillen.

Los bezinksel of een harde koek op de bodem?

Niet elk bezinksel levert hetzelfde probleem op: een losse sliblaag roert u zo weer op, terwijl een compacte, harde koek op de bodem het roerwerk kan blokkeren. Dat verschil hangt af van de manier waarop de deeltjes op elkaar stapelen tijdens het zakken.

Een harde koek (caking) ontstaat wanneer afzonderlijke, goed gedispergeerde deeltjes langzaam stuk voor stuk naar de bodem zakken. Omdat ze elkaar afstoten, rollen ze op de bodem in de kleinst mogelijke holtes tussen de andere deeltjes. Ze persen de vloeistof ertussenuit en vormen een dichte, bijna droge laag waar een roerwerk bij het herstarten niet meer doorheen komt.

Vormen de deeltjes in de vloeistof daarentegen een los netwerk van kleine vlokjes, dan zakken ze als een luchtige structuur naar beneden. Er blijft veel vloeistof tussen de deeltjes ingesloten. Het bezinksel neemt meer ruimte in op de bodem, maar blijft zacht: een korte draai van het roerwerk brengt de massa direct weer in suspensie.

Hoe houdt u een suspensie stabiel in proces en opslag?

U houdt een suspensie stabiel door de valsnelheid van de deeltjes te vertragen en het stapelen op de bodem tegen te gaan. Dat stuurt u via de deeltjesgrootte, de vloeistofeigenschappen en de poederdosering.

Agglomeraten opbreken tot fijne deeltjes

Verklein poederclusters tijdens de aanmaak met voldoende mechanische kracht (afschuiving) tot hun oorspronkelijke deeltjesgrootte. Fijnere deeltjes ondervinden naar verhouding veel meer wrijving van de vloeistof en zakken daardoor trager uit. Bovendien vergroot u zo het totale oppervlak van de vaste stof, waardoor stabilisatoren beter aanhechten.

De viscositeit bij stilstand verhogen

Als u in een opslagverpakking niet kunt roeren, moet de vloeistof zelf het uitzakken remmen. De invloed van viscositeit op het mengproces en op de opslagstabiliteit is hierbij groot. Vaak kiest men een verdikkingsmiddel dat de vloeistof thixotroop maakt. Het product bouwt dan in rust een lichte gelstructuur op die de deeltjes vasthoudt, maar wordt weer dun en vloeibaar zodra u gaat pompen, roeren of afvullen.

Volgorde van doseren en bevochtiging verbeteren

Voeg poeders toe op een plek met veel turbulentie, of zuig ze onder het vloeistofoppervlak in. Elk deeltje moet eerst volledig door vloeistof zijn omhuld voordat het andere deeltjes raakt. Doseer verdikkingsmiddelen pas nadat de zware poeders en pigmenten volledig zijn gedispergeerd; in een al ingedikte vloeistof krijgt u poederklonten veel lastiger weg.

Welke mengtechniek past bij het maken en bijhouden?

Het aanmaken van een suspensie vraagt om een andere menger dan het in beweging houden ervan in een voorraad- of afvultank. Dit heeft direct te maken met het verschil tussen mengen en dispergeren: bij de aanmaak oefent u kracht uit op de deeltjes, bij het bewaren houdt u alleen stroming in stand.

Voor de aanmaakfase is hoge afschuiving nodig om lucht uit het poeder te persen en agglomeraten open te breken. Afhankelijk van de viscositeit en de hardheid van de klontjes gebruikt u hiervoor een snelstrevende dissolver (tandschijfmenger) of een rotor-statormenger. Deze machines trekken de poederclusters met hoge snelheid door een smalle spleet of langs scherpe tanden.

Gaat de aangemaakte suspensie naar een buffertank, dan is een snelstrevende menger juist ongeschikt. Die verbruikt veel energie, brengt onnodig warmte in het product en creëert te weinig stroming onderin een grote tank. Voor het zwevend houden kiest u een rustig draaiend, axiaal pompend roerwerk met schuine bladen of een schroefprofiel. Samen met stromingsbrekers langs de wand en bij voorkeur een gebolde tankbodem zorgt dit voor een verticale lus: de vloeistof stroomt langs de bodem en tilt de deeltjes continu omhoog.

Welk toerental en welke roerwerkdiameter nodig zijn om alle vaste stof net van de bodem te houden zonder lucht in te slaan, verschilt per receptuur en ketelvorm. Bij lastige poeders of afwijkende tanks vraagt dit om een doorrekening of een mengproef door een ervaren specialist in industriële mengtechniek.

Veelgestelde vragen over suspensies

Wat u morgen in uw eigen productie kunt nagaan

Zakt uw product uit in de ketel of in de eindverpakking, dan achterhaalt u met een gerichte controle in de fabriek waar het probleem zit.

• Uitzakproef uitvoeren. Vul een doorzichtige maatcilinder direct na het mengen met uw product en laat deze op het lab of naast de lijn staan. Kijk hoe snel er bovenin een heldere vloeistoflaag ontstaat en voel met een roerstaaf of het bezinksel op de bodem zacht en los blijft, of een harde koek vormt.
• Monsters nemen tijdens het afvullen. Neem tijdens het legen van de productietank een monster aan het begin, in het midden en aan het einde van de afvulrun. Laat van deze monsters het drogestofgehalte of de dichtheid bepalen om te controleren of het roerwerk in de buffertank de suspensie homogeen houdt.
• Procesgegevens vastleggen. Breng uw procesgegevens in kaart voordat u een aanpassing aan het roerwerk overweegt: noteer het aandeel vaste stof, de dichtheid van poeder en vloeistof, de viscositeit en de ketelafmetingen. Met onze checklist voor een offerteaanvraag verzamelt u deze gegevens gestructureerd voor een gesprek met een ervaren specialist in industriële mengtechniek.