Entgasen und Entschäumen von Flüssigkeiten mittels Ultraschall

Die Entgasung und Entschäumung von Flüssigkeiten mit Ultraschall ist ein sehr effektives Verfahren. Durch die Ultraschallbehandlung werden kleine schwebende Gasbläschen aus der Flüssigkeit entfernt und der Gehalt an gelöstem Gas unter den natürlichen Gleichgewichtswert gesenkt.

Das Entgasen und Entschäumen von Flüssigkeiten wird für viele Zwecke benötigt, z. B. für die folgenden Prozesse:

• Probenvorbereitung vor der Partikelgrößenmessung zur Vermeidung von Messfehlern
• Öl- und Schmierstoffentgasung vor dem Pumpen zur Reduzierung des Pumpenverschleißes durch Kavitation
• Entgasung von flüssigen Lebensmitteln, z. B. Saft, Soße oder Wein, um mikrobielles Wachstum zu reduzieren und die Haltbarkeit zu erhöhen
• Entgasung von Polymeren und Lacken vor der Applikation, Aushärtung oder Vakuuminfusion

Bei der Beschallung von Flüssigkeiten führen die Schallwellen, die sich von der Sonotrode-Oberfläche in das flüssige Medium ausbreiten, zu abwechselnden Hoch- und Niederdruckzyklen, deren Rate von der Frequenz abhängt. Während des Niederdruckzyklus können die Ultraschallwellen kleine Vakuumbläschen oder Hohlräume in der Flüssigkeit erzeugen. Die große Anzahl der kleinen Blasen erzeugt eine große Gesamtblasenoberfläche. Die Bläschen sind außerdem gut in der Flüssigkeit verteilt. Gelöstes Gas wandert über die große Oberfläche in diese Vakuumblasen ein und vergrößert die Blasen.
Die Schallwellen unterstützen die Berührung und das Zusammenwachsen benachbarter Blasen, was zu einem beschleunigten Wachstum der Blasen führt. Die Beschallungswellen helfen auch, Blasen von der Behälteroberfläche abzuschütteln und zwingen kleinere, unter der Flüssigkeitsoberfläche ruhende Blasen, aufzusteigen und das eingeschlossene Gas an die Umgebung abzugeben.

Einfache Erprobung

Der Vorgang des Entgasens und Entschäumens von Flüssigkeiten kann leicht sichtbar gemacht werden. In einem Glasbecher mit frisch eingefülltem Leitungswasser werden durch die Beschallung die kleinen schwebenden Bläschen gezwungen, zusammenzuwachsen und sich schnell nach oben zu bewegen. Sie können diesen Effekt in dem untenstehenden Verlaufsbild sehen.

Ultraschall-Entgasung von Wasser (5 Sekunden)

Bewegtes Öl enthält eine hohe Anzahl von Schwebeblasen oder Schaum. Insbesondere in Kühlmitteln ist dies ein Problem. Dort fördern die Gasblasen kavitationsbedingten Verschleiß in Pumpen oder Düsen. Das untenstehende Verlaufsbild zeigt die Wirkung der Ultraschallentschäumung.

Ultraschall-Entgasung: Eingeschlossene Gasblasen werden mit dem Ultraschallgerät UP400St aus dem Öl entfernt

Durch die Beschallung werden in klarem, abgestandenem Wasser kleine Vakuumbläschen erzeugt. Diese Blasen füllen sich mit gelöstem Gas, das in die Blasen einwandert. Infolgedessen wachsen die Blasen und bewegen sich nach oben. Der Entgasungseffekt ist in jeder durchsichtigen Flüssigkeit gut sichtbar.
Da der Ultraschall das Aufsteigen kleiner schwebender Blasen an die Flüssigkeitsoberfläche verbessert, verringert er auch die Kontaktzeit zwischen der Blase und der Flüssigkeit. Aus diesem Grund begrenzt er auch die Rücklösung von Gas aus der Blase in die Flüssigkeit. Dies ist besonders bei Flüssigkeiten mit höherer Viskosität, wie z. B. Ölen oder Harzen, von Interesse. Da sich die Blasen zur Flüssigkeitsoberfläche bewegen müssen, funktioniert die Ultraschallentgasung besser, wenn der Behälter flach ist, damit die Zeit bis zur Oberfläche kürzer ist.

Jenseits der sichtbaren Effekte

Die Messung der Entgasungseffekte durch Sichtprüfung ist in ihrer Genauigkeit begrenzt. Die Messung des Gasgehalts ist ein genauerer Weg, um die Effizienz der Ultraschallentgasung zu bestimmen.

Flüssigkeiten enthalten eine bestimmte Menge an gelöstem Gas. Die Konzentration des Gases hängt von Faktoren wie Temperatur, Umgebungsdruck oder Bewegung der Flüssigkeit ab. Unter konstanten Bedingungen wird sich die Gaskonzentration einem Gleichgewicht annähern. Bei der Ultraschallentgasung ändern sich die Bedingungen, da die Flüssigkeit Niederdruckblasen und Agitation ausgesetzt wird. Daher wird durch die Ultraschallentgasung die Gaskonzentration in der Flüssigkeit unter den Gleichgewichtswert gesenkt.
Wenn die Beschallung endet und die Ausgangsbedingungen wieder hergestellt sind, nähert sich die Gaskonzentration langsam wieder dem anfänglichen Gleichgewichtsniveau an, es sei denn, die Flüssigkeit ist keinem Gas ausgesetzt, z. B. in einer geschlossenen Flasche. Da sich das Gas nur sehr langsam wieder in der Flüssigkeit löst, ist es möglich, mit der gasarmen Flüssigkeit nach der Beschallung zu arbeiten. Die folgende Grafik veranschaulicht diesen Effekt.

Illustration der Ultraschallentgasung von Wasser

Entgasen vor dem Emulgieren und Dispergieren

Die Ultraschall-Entgasung kann die Qualität von Dispersionen und Emulsionen verbessern.

Das Problem

Häufig enthalten Emulsionen und Dispersionen Tenside, um deren Stabilität zu erhöhen. Die Tenside hemmen den Kontakt und die Koaleszenz oder Agglomeration des dispergierten Materials in der flüssigen Phase. Zu diesem Zweck bilden die Tenside eine Schicht um jedes Teilchen. Die gleichen Tenside können auch Gasblasen einkapseln, die in der flüssigen Phase suspendiert sind. Solche stabilisierten Blasen können sich als sehr robust erweisen. Stabilisierte Blasen verbrauchen Tensid, verringern die Qualität der Emulsion oder Dispersion und können bei der Messung der Partikelgröße zu fehlerhaften Messwerten führen.

Die Lösung: Ultraschall-Entgasung

Um das Problem der stabilisierten Gasblasen zu reduzieren, sollten Flüssigkeiten durch Beschallung entgast werden. Beschallen Sie vor der Zugabe der dispersen Phase, wie z. B. Öl oder Pulver, die Flüssigkeit, bis die Anzahl der erzeugten Blasen abnimmt. Vermeiden Sie beim Einmischen anderer Materialien die Erzeugung neuer Blasen oder eines Wirbels während des Rührens. Dadurch würde der Gasgehalt schnell ansteigen.
 

Water-based drilling mud before and after ultrasonic degassing with the sonicator UIP1000hd
Studie und Bild: Amani et al. 2016

Kohlendioxid herausdrücken

Der Effekt der Entgasung wird bei der Dichtheitsprüfung von Dosen und Flaschen mit kohlensäurehaltigen Getränken, wie Cola, Limonade oder Bier, genutzt. Bitte klicken Sie hier, um mehr Informationen über die Dichtheitsprüfung von Flaschen zu erhalten.

Ultraschall-Entgasung in Kürze

Die Ultraschallentgasung von Flüssigkeiten funktioniert besser, wenn Sie den folgenden Aufbau verwenden.

• Wenden Sie niedrige bis mittlere Ultraschall-Amplituden an!
• Verwenden Sie Sonotroden mit einer großen Oberfläche, z. B. radial abstrahlende Sonotroden!
• Sorgen Sie während des Beschallungsvorgangs für einen niedrigen Druck oder ein Vakuum über der Flüssigkeitsoberfläche!
• Erhitzen Sie die Flüssigkeit, um ihre Viskosität zu verringern!
• Verwenden Sie einen flachen Behälter für die Gasabscheidung während oder nach der Beschallung!
• Vermeiden Sie turbulentes Rühren, damit die Gasblasen nach oben wandern können!

Die Ultraschall-Entgasung kann im Batch-Betrieb oder im Inline-Betrieb eingesetzt werden. Im Falle eines Inline-Betriebs sollte ein Standrohr für die Ableitung des Gases installiert und eine Gaspumpe eingesetzt werden.

Literatur / Literaturhinweise