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.

Das Entgasen von Flüssigkeiten ist eine typische Anwendung von Hielscher Ultraschallgeräten. Das Video zeigt das Hielscher UP200S beim Entgasen von Wasser.

Entgasen von Wasser mittels UP200S mit Sonotrode S40

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 oft eine große Anzahl feiner Bläschen (Schaum). Besonders 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 aus der Flüssigkeit auf, steigen zur Oberfläche, öffnen sich und geben das Gas an die Umgebung 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 mit höherer Viskosität, wie z. B. Öl oder Polymeren interessant. Zudem verkürzt die erhöhte Aufstiegsgeschwindigkeit die Zeit, welche die Blasen bis zur Oberfläche benötigen. Die Re-Migration des in der Blase enthaltenen Gases in die Flüssigkeit wird dadurch deutlich verringert. Da die Blasen zur Oberfläche aufsteigen müssen, ist die Verwendung eines relativ flachen Gefäßes vorteilhaft.

Das Entgasen von Flüssigkeiten ist eine typische Anwendung von Hielscher
Ultraschallgeräten. Das Video zeigt das Hielscher UP200S beim Entgasen von Öl.

Entgasen von Öl mittels UP200S mit
Sonotrode S40

Jenseits des Sichtbaren

Die optische Bewertung des Entgasens ist nur beschränkt aussagekräftig im Vergleich zu quantitativen Messverfahren. Flüssigkeiten weisen eine bestimmte Konzentration gelöster Gase 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, da die Flüssigkeit Vakuumbläschen und turbulenten Strömungen ausgesetzt ist. Aus diesem Grund führt die Beschallung zu einer Absenkung des Konzentrationsgleichgewichts – die Gaskonzentration sinkt. Wird die Beschallung beendet und werden die alten Umgebungsparameter wieder hergestellt, so nähert sich die Gaskonzentration langsam dem ursprünglichen Gleichgewichtswert 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 folgende Darstellung stellt den oben beschriebenen 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

Um Emulsionen und Dispersionen zu stabilisieren, werden oftmals Hilfsstoffe (oberflächenaktive Substanzen) zugesetzt. 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 stabilisierte Bläschen können sehr robust sein. Durch diese Blasen erhöht sich gleichzeitig der Bedarf an Zusatzstoffen, sie reduzieren die Qualität der Emulsion oder Dispersion und erschweren eine zuverlässige Partikelgrößenbestimmung.

Die Lösung

Um das Problem stabilisierter Gasbläschen zur vermeiden, können die Flüssigkeiten vor dem Emulgieren und Dispergieren einfach durch Beschallung entgast werden. Dazu wird die Flüssigkeit vor dem Einmischen der dispersen Phase beschallt, bis sich die Anzahl aufsteigender Blasen erheblich verringert hat. Beim Einrühren der dispersen Phase sollte darauf geachtet werden, dass die Bildung neuer Blasen verhindert wird, indem die Erzeugung turbulenter Strömungen vermieden wird. Andernfalls würde sich der Gasgehalt schnell wieder erhöhen.

Kohlendioxid aus Flüssigkeiten 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 enthaltene CO
2 durch die Gefäßwand angeregt und der Behälterinnendruck deutlich gesteigert. Klicken Sie hier um mehr über diese Anwendung zu lesen.

Zusammenfassung: 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 der Flüssigkeit herrschenden Gasdruck reduzieren (z. B. Vakuum)
  • die Flüssigkeit erwärmen
  • einen flachen 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.

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