Hielscher – Ultraschall-Technologie

Entgasen und Entschäumen von Flüssigkeiten mittels Ultraschall

Das Entgasen und Entschäumen von Flüssigkeiten ist eine der vielen Anwendungen der Ultraschallgeräte aus dem Hause Hielscher. Hierbei wird die beschallte Flüssigkeit von Mikrobläschen befreit, und die Konzentration gelöster Gase kann unter das natürliche Gleichgewichtsniveau gesenkt werden.

Flüssigkeiten müssen aus vielen Gründen für verschiedene Anwendungen entgast werden, z. B.

  • zur Vorbereitung von Proben vor der Partikelgrößenmessung, um Messfehler zu vermeiden
  • das Entgasen und Entschäumen von Ölen und Schmierstoffen vor dem Pumpen, um den durch Kavitation hervorgerufenen Pumpenverschleiß zur reduzieren
  • das Entgasen von flüssigen Lebensmitteln, wie z.B. Säfte, Saucen oder Wein, um das Wachstum aerober Mikroben zu reduzieren und damit die Haltbarkeit der Lebensmittel zu erhöhen
  • Entgasen und Entschäumen von Polymeren und Lacken vor der Verwendung oder vor dem Härten

Bei der Beschallung von Flüssigkeiten erzeugen die durch die Flüssigkeit dringenden Schallwellen einen alternierenden Zyklus von Überdruck (Kompression) und Unterdruck (Rarefaktion). Infolge des Unterdrucks können im Ultraschallfeld kleine Vakuumblasen (Hohlräume) entstehen. Durch die geringe Blasengröße und die erhebliche Anzahl an Bläschen ergibt sich eine sehr hohe Blasengesamtoberfläche in der Flüssigkeit, auf deren einen Seite sich ein Vakuum und auf der anderen Seite sich die zu entgasende Flüssigkeit befindet. Außerdem sind die Blasen sehr gleichmäßig in der Flüssigkeit verteilt. Das in der Flüssigkeit gelöste Gas migriert über diese große Oberfläche zügig in die Vakuumblasen und lässt diese aufgrund des steigenden Drucks wachsen. Die Ultraschallwellen unterstützen die Annäherung und das Zusammenwachsen nahegelegener Blasen und führen so zu einem beschleunigten Blasenwachstum. Außerdem können die Ultraschallwellen Bläschen von der Gefäßwand abschütteln und Bläschen, welche sich unter der Flüssigkeitsoberfläche befinden, durch die Oberfläche hindurchdringen lassen. So können die Blasen das enthaltene Gas an die Umgebungsluft abgeben.

Einfaches Erproben

Das ultraschallgestützte Entgasen und Entschäumen von Flüssigkeiten kann sehr einfach sichtbar gemacht werden. In einem frisch befüllten Becherglas führt die Beschallung zu einem Zusammenwachsen der kleinen Mikrobläschen (Trübung), welche dadurch schneller aufsteigen. Im Folgenden sehen Sie zwei Bilder, welche diesen Effekt veranschaulichen. Bitte klicken Sie auf das jeweilige Bild, um es zu vergrößern.

Entgasen und Entschäumen von Wasser mittels Ultraschall
Entgasen von Wasser (5 Sekunden)

Turbulent bewegtes Öl enthält eine große Anzahl feiner Bläschen (Schaum). Vor allem bei Kühlflüssigkeiten stellen diese Bläschen ein Problem dar, da sie kavitationsbedingten Verschleiß in Pumpen und Düsen verursachen. Das unten stehende Bild zeigt Ihnen den durch Ultraschall bewirkten Entschäumungseffekt. Bitte klicken Sie auf das jeweilige Bild, um dieses zu vergrößern.

Entgasen und Entschäumen von Wasser mittels Ultraschall
Entschäumen von Öl (5 Sekunden)

Selbst in abgestandenem Wasser (z. B. nach 24h), erzeugt der Ultraschall kleine Vakuumbläschen im klaren Wasser. Diese Blasen nehmen gelöstes Gas an der Oberfläche ab. Dieser Effekt kann in allen transparenten und transluzenten Flüssigkeiten leicht beobachtet werden. Ultraschall beschleunigt auch das Aufsteigen der Blasen. Dieser Einfluss ist besonders bei Stoffen, wie z. B. Öl oder Polymeren interessant. Außerdem verkürzt die erhöhte Aufstiegsgeschwindigkeit. Die Re-Migration der Gase in der Flüssigkeit wird dadurch deutlich verringert. Da die Blasen zur Oberfläche aufsteigen müssen, ist die Verwendung eines relativ niedrigen Gefäßes vorteilhaft.

Jenseits des Sichtbaren

Die optische Bewertung des Entgasens ist nur beschränkt aussagekräftig im Vergleich zu quantitativen Messverfahren. Flüssigkeiten weisen eine bestimmte Konzentration auf. Diese Konzentration hängt von vielen Faktoren, wie z. B. der Temperatur, dem Umgebungsdruck oder der turbulenten Bewegung der Flüssigkeit ab. Unter konstanten Umgebungsbedingungen stellt sich ein Gaskonzentrationsgleichgewicht ein. Der Einsatz von Ultraschall verändert die Umgebungsbedingungen, Aus diesem Grund führt die Beschallung zu einer Absenkung des Konzentrationsgleichgewichts – die Gaskonzentration sinkt. Wird die Beschallung beendet und die alten Umgebungsparameter wieder hergestellt, so nähert sich die Gaskonzentration an, da Gas durch die Flüssigkeitsoberfläche in die Flüssigkeit gelangt. Dieser Effekt kann dadurch verhindert werden, dass die Flüssigkeit in einem Behälter ohne Gas aufbewahrt wird. Da die Re-Migration des Gases sehr langsam erfolgt, kann in der Zwischenzeit mit der entgasten Flüssigkeit gearbeitet werden. Die folgenden Darstellung stellt den Ablauf grafisch dar.

Illustration der Entgasung mittels Ultraschall

Entgasen vor dem Emulgieren und Dispergieren

Das Entgasen und Entschäumen mittels Ultraschall kann die Qualität von Emulsionen und Dispersionen erheblich verbessern.

Das Problem

Äh Emulsionen und Dispersionen zu stabilisieren, werden vonmals Hilfsstoffe (oberflächenaktive Substanzen) Diese Stoffe vermindern das Aneinanderhaften und das Zusammenwachsen der einzelnen Partikel. Dafür bilden die oberflächenaktiven Substanzen eine Schicht um die dispergierten oder emulgierten Partikel. Diese Schicht kann sich jedoch auch um Gasbläschen bilden. Auf diese Weise können stabilisierte Bläschen sehr robust sein. Durch diese Blasen erhöht sich der Bedarf an Zusatzstoffen, die die Qualität der Emulsion oder Dispersion verringern.

Die Lösung

Um das Problem stabilisierter Gasbläschen zu vermeiden. Dazu wird die Flüssigkeit vor der Einmischen der dispersen Phase beschallt. Beim Einrühren der dispersen Phase sollte darauf geachtet werden, dass die Bildung neuer Blasen verhindert wird. Andernfalls würde sich der Gasgehalt schnell wieder erhöhen.

Kohlendioxid ausülen zur Leckageprüfung

Der Effekt des Entgasens kann auch vollkommen anders verwendet werden. Bei der Leckageprüfung von Flaschen und Dosen mit Kohlensäurehaltigen Getränken, wie Bier, Cola oder Mineralwasser, wird das enge CO2 durch die Gefäßwand angeregt und der Behälterinnendruck deutlich gesteigert. Klicken Sie hier.

Entgasen mit Ultraschall

Das Entgasen von Flüssigkeiten mittels Ultraschall funktioniert besser, wenn Sie:

  • kleine bis mittlere Amplituden verwenden
  • Sonotroden mit mittlerer bis großer Oberfläche einsetzen
  • den über die Flüssigkeit herrschenden Gasdruck reduzieren (z. B. Vakuum)
  • die Flüssigkeit erhöhenmen
  • einen horizontalen Behälter verwenden
  • turbulente Strömungen vermeiden

Das Entgasen mittels Ultraschall kann sowohl im Batch als auch im Durchfluss geschehen. Beim Inline-Einsatz sollte eine Gasabführung mit Gaspumpe installiert werden.

Mehr Informationen zum Ultraschall-Entgasen

Wir empfehlen die folgenden Geräte für die Entgasen der unteren technischen Daten. Bitte nutzen Sie das Formular, um Ihre Entgasungsanwendung zu beschreiben. Wir sind Ihnen bei der Auswahl behilflich.









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Entgasen von Öl mittels UP200S mit Sonotrode S40

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