Dispergieren und Deagglomerieren mittels Ultraschall

Das Dispergieren und Deagglomerieren von Feststoffen in Flüssigkeiten ist ein wichtiger Anwendungsbereich für Ultraschallgeräte. Ultraschallkavitation erzeugt hohe Scherkräfte, welche die Partikelagglomerate in einzelne dispergierte Partikel aufbricht.

Das Mischen von Pulvern in Flüssigkeiten ist ein häufig genutztes Verfahren für die Herstellung verschiedener Produkte, so beispielsweise von Farben, Tinte, Shampoos, Getränken oder Polituren. Die einzelnen Partikel werden durch verschiedene physikalische und chemische Anziehungskräfte, einschließlich der Van-der-Waals-Kräfte und Flüssigkeitsoberflächenspannung, zusammengehalten. Dieser Effekt ist in Flüssigkeiten mit höherer Viskosität, wie z. B. bei Polymeren und Kunstharzen, stärker. Um Partikel in einem flüssigen Medium zu deagglomerieren oder dispergieren, müssen diese Anziehungskräfte überwunden werden.

Das Anwenden mechanischer Kräfte bricht die Partikel aus den Agglomeraten heraus. Ebenso wird Flüssigkeit zwischen die Partikel gedrängt. Um Pulver in Flüssigkeiten zu dispergieren, können verschiedene Technologien eingesetzt werden; diese schließen Hochdruckhomogenisatoren, Rührwerkmühlen, Strahlenmühlen und Rotor-Stator-Mischer ein.

Das Beschallen mit intensivem Ultraschall stellt eine interessante Alternative zu diesen Technologien dar. Bei der Beschallung von Flüssigkeiten entstehen durch die Schallwellen abwechselnd Hochdruck-Phasen (Kompression/ Verdichtung) und Niederdruck-Phasen (Rarefaktion/ Entspannung). Dadurch werden wiederum mechanische Einflüsse erzeugt, die auf die elektrostatischen Anziehungskräfte (z. B. Van-der-Waals-Kräfte) wirken. Ultraschallkavitation verursacht in Flüssigkeiten Hochgeschwindigkeitsstrahlen von bis zu 1000km/h. Solche Strahlen pressen Flüssigkeit unter hohem Druck zwischen die Partikel und trennen sie dadurch voneinander. Kleinere Partikel werden in den Flüssigkeitsstrahlen beschleunigt und kollidieren bei hohen Geschwindigkeiten miteinander. Dies macht Ultraschall zu einer effektiven Methode des Dispergierens und Deagglomerierens, aber ebenso auch zu einer erfolgreichen Methode des Mahlens und Feinschleifens. Partikel können dabei auf Mikrogröße und sub micron-size verkleinert werden.

Dispergieren und Deagglomerieren in jedem Größenmaßstab

Hielscher bietet Ultraschallgeräte zum Dispergieren und Deagglomerieren jeden Volumens im Batch oder im In-line-Prozess. Ultraschall-Laborgeräte werden für Volumina zwischen 0,1ml und ungefähr 2l verwendet. Ultraschallgeräte im Industriemaßstab kommen bei Prozessentwicklungen und Produktionen für Batches zwischen 0,5l bis etwa 2000l oder für Durchflussraten von 0,1l bis 20m³ pro Stunde zum Einsatz

In der unten stehenden Tabelle finden sie allgemeine Geräteempfehlungen, bei denen jeweils das Batch-Volumen oder die Durchflussrate berücksichtigt worden sind. Klicken Sie auf den Gerätetyp, um zum jeweiligen Gerät weitere Informationen zu erhalten.

Problemloses Scale-Up

Im Gegensatz zu anderen Methoden des Dispergierens kann Ultraschall einfach und problemlos von Labor- auf Industriegröße hochskaliert werden. Versuche im Labor ermöglichen in einem ersten Schritt, das benötigte Equipment genau auszuwählen und zusammenzustellen. Wird anschließend auf die endgültige Größe hochskaliert, so entspricht das Prozessergebnis genau den Ergebnissen, die schon bei Versuchen im Labormaßstab erzielt wurden.

Robust und einfach zu reinigen

Ultraschall wird normalerweise über eine Ultraschallsonotrode auf Flüssigkeiten übertragen. Dieses normalerweise symmetrisch runde Teil - die Sonotrode - besteht aus massivem Titan. Sie ist das einzige Teil, welches sich in der Flüssigkeit bewegt/vibriert und ist dadurch das einzige Verschleißteil, das jedoch einfach und schnell innerhalb weniger Minuten ausgetauscht werden kann. Ein schwingungsentkoppelnder Flansch ermöglicht es, die Sonotrode auf offene und auf geschlossene, unter Druck stehende Behälter ebenso wie auf Durchflusszellen jeglicher Art zu montieren. Dazu werden keine Halterungen benötigt. Alle übrigen Teile, die mit der Flüssigkeit in Berührung kommen, bestehen aus Edelstahl. Durchflussreaktoren bestehen generell aus Edelstahl, haben eine einfache Form und Geometrie und können problemlos und einfach auseinandergenommen und gereinigt werden. Es gibt keine kleinen Öffnungen oder schwer erreichbare Ecken.

Ultraschallreinigen an Ort und Stelle

Ultraschall ist auch bekannt für seine Anwendungen zum Reinigen, so zum Reinigen von Oberflächen oder einzelner Teile. Die Ultraschallintensität, die für das Dispergieren zum Einsatz kommt, ist um ein Vielfaches höher als die Intensität, die für das gewöhnliche Ultraschallreinigen verwendet wird. Daher kann die Ultraschallleistung für den Reinigungsvorgang während des Auswaschens und Spülens genutzt werden, indem die Kavitation die Partikel und die flüssigen Rückstände von der Sonotrode und den Wänden der Durchflusszelle entfernt.

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