Entgasen und Entschäumen von Flüssigkeiten mittels Ultraschall

Die Entgasung und Entschäumung von Flüssigkeiten mittels Ultraschall ist ein sehr wirksames Verfahren. Die Ultraschallbehandlung entfernt kleine suspendierte Gasblasen aus der Flüssigkeit und senkt den Gehalt an gelöstem Gas unter das natürliche Gleichgewichtsniveau.

Die Entgasung und Entschäumung von Flüssigkeiten ist für viele Zwecke erforderlich, beispielsweise bei folgenden Prozessen:

• Probenvorbereitung vor der Partikelgrößenmessung zur Vermeidung von Messfehlern
• Entgasung von Ölen und Schmierstoffen vor dem Pumpen zur Verringerung des Pumpenverschleißes durch Kavitation
• Entgasung flüssiger Lebensmittel, z. B. Saft, Sauce oder Wein, zur Verringerung des mikrobiellen Wachstums und zur Verlängerung der Haltbarkeit
• Entgasung von Polymeren und Lacken vor dem Auftragen, Aushärten oder der Vakuuminfusion

Bei der Beschallung von Flüssigkeiten breiten sich Schallwellen von der abstrahlenden Oberfläche in das flüssige Medium aus und erzeugen abwechselnde Hochdruck- und Niederdruckzyklen, deren Wiederholungsrate von der Frequenz abhängt. Während des Niederdruckzyklus können die Ultraschallwellen kleine Vakuumblasen oder Hohlräume in der Flüssigkeit erzeugen. Die große Anzahl kleiner Blasen ergibt eine große Gesamtoberfläche. Die Blasen sind zudem gut in der Flüssigkeit verteilt. Gelöstes Gas gelangt über diese große Oberfläche in die Vakuumblasen und vergrößert sie.
Die Schallwellen fördern den Kontakt und die Koaleszenz benachbarter Blasen, wodurch diese schneller wachsen. Die Ultraschallwellen helfen außerdem dabei, Blasen von Behälteroberflächen abzulösen, und bringen kleinere Blasen unterhalb der Flüssigkeitsoberfläche dazu, aufzusteigen und das eingeschlossene Gas an die Umgebung abzugeben.

Testen Sie es selbst

Der Prozess der Entgasung und Entschäumung von Flüssigkeiten lässt sich leicht sichtbar machen. In einem Becherglas mit frisch eingefülltem Leitungswasser bewirkt die Ultraschallbehandlung, dass die kleinen suspendierten Blasen zusammenfließen und rasch aufsteigen. Diesen Effekt können Sie in der folgenden Bildfolge sehen.

Ultraschallentgasung von Wasser (5 Sekunden)

Durchmischtes Öl enthält viele suspendierte Blasen oder Schaum. Besonders bei Kühlmitteln ist dies ein Problem. Dort fördern die Gasblasen kavitationsbedingten Verschleiß an Pumpen oder Düsen. Die folgende Bildfolge zeigt die entschäumende Wirkung des Ultraschalls.

Ultraschallentgasung: Eingeschlossene Gasblasen werden mit dem Ultraschallgerät UP400St aus Öl entfernt

Die Beschallung erzeugt kleine Vakuumblasen in klarem, abgestandenem Wasser. Diese Blasen füllen sich mit gelöstem Gas, das in die Blasen wandert. Dadurch wachsen die Blasen und steigen auf. Der Entgasungseffekt ist in jeder lichtdurchlässigen Flüssigkeit gut sichtbar.
Da Ultraschall das Aufsteigen kleiner suspendierter Blasen zur Flüssigkeitsoberfläche fördert, verkürzt er auch die Kontaktzeit zwischen Blase und Flüssigkeit. Dadurch begrenzt er zugleich die Rücklösung von Gas aus der Blase in die Flüssigkeit. Dies ist besonders bei Flüssigkeiten mit höherer Viskosität wie Ölen oder Harzen von Interesse. Da die Blasen zur Flüssigkeitsoberfläche aufsteigen müssen, funktioniert die Ultraschallentgasung besser in einem flachen Behälter, weil sie dann weniger Zeit benötigen, um die Oberfläche zu erreichen.

Über die sichtbaren Effekte hinaus

Die Beurteilung der Entgasungseffekte durch Sichtprüfung ist nur begrenzt genau. Messungen des Gasgehalts ermöglichen genauere Aussagen über die Effizienz der Ultraschallentgasung.

Flüssigkeiten enthalten eine bestimmte Menge gelösten Gases. Die Gaskonzentration hängt von Faktoren wie Temperatur, Umgebungsdruck oder Durchmischung der Flüssigkeit ab. Unter konstanten Bedingungen nähert sich die Gaskonzentration einem Gleichgewicht an. Die Ultraschallentgasung verändert diese Bedingungen, weil die Flüssigkeit Blasen mit niedrigem Innendruck und einer Durchmischung ausgesetzt wird. Daher senkt die Ultraschallbehandlung die Gaskonzentration in der Flüssigkeit unter das Gleichgewichtsniveau.
Wenn die Beschallung endet und die ursprünglichen Bedingungen wiederhergestellt werden, nähert sich die Gaskonzentration langsam wieder dem ursprünglichen Gleichgewichtsniveau an, sofern die Flüssigkeit nicht von jeglichem Gaskontakt abgeschirmt ist, z. B. in einer geschlossenen Flasche. Da sich Gas nur relativ langsam wieder in der Flüssigkeit löst, kann nach der Beschallung mit der gasarmen Flüssigkeit gearbeitet werden. Das folgende Diagramm veranschaulicht diesen Effekt.

Darstellung der Ultraschallentgasung von Wasser

Entgasung vor dem Emulgieren und Dispergieren

Die Ultraschallentgasung kann die Qualität von Dispersionen und Emulsionen verbessern.

Das Problem

Emulsionen und Dispersionen enthalten häufig Tenside, um ihre Stabilität zu erhöhen. Die Tenside hemmen den Kontakt und die Koaleszenz oder Agglomeration des dispergierten Materials in der flüssigen Phase. Dazu bilden sie eine Schicht um jedes Partikel. Dieselben Tenside können auch Gasblasen umhüllen, die in der flüssigen Phase suspendiert sind. Solche stabilisierten Blasen können sich als sehr widerstandsfähig erweisen. Stabilisierte Blasen binden Tenside, verringern die Qualität der Emulsion oder Dispersion und können bei der Partikelgrößenmessung zu unregelmäßigen Messwerten führen.

Die Lösung: Ultraschallentgasung

Um das Problem stabilisierter Gasblasen zu verringern, sollten Flüssigkeiten durch Beschallung entgast werden. Beschallen Sie die Flüssigkeit vor der Zugabe der dispersen Phase, beispielsweise Öl oder Pulver, so lange, bis die Anzahl der entstehenden Blasen abnimmt. Vermeiden Sie beim Einmischen anderer Materialien, dass durch das Rühren neue Blasen oder ein Strudel entstehen. Die Bildung neuer Blasen oder eines Strudels würde den Gasgehalt rasch erhöhen.
 

Wasserbasierte Bohrspülung vor und nach der Ultraschallentgasung mit dem Ultraschallgerät UIP1000hd
Studie und Bild von Amani et al. 2016

Kohlendioxid austreiben

Der Entgasungseffekt wird bei der Dichtheitsprüfung von Dosen und Flaschen mit kohlensäurehaltigen Getränken wie Cola, Limonade oder Bier genutzt. Klicken Sie hier, um weitere Informationen zur Dichtheitsprüfung von Flaschen zu erhalten.

Ultraschallentgasung im Überblick

Die Ultraschallentgasung von Flüssigkeiten funktioniert besser, wenn Sie die folgenden Bedingungen einhalten.

• Verwenden Sie niedrige bis moderate Ultraschallamplituden!
• Verwenden Sie Sonotroden mit großer Oberfläche, z. B. radial abstrahlende Sonotroden!
• Sorgen Sie während der Beschallung für einen niedrigen Druck oder ein Vakuum oberhalb der Flüssigkeitsoberfläche!
• Erwärmen Sie die Flüssigkeit, um ihre Viskosität zu verringern!
• Verwenden Sie einen flachen Behälter zur Gasabscheidung während oder nach der Beschallung!
• Vermeiden Sie turbulente Durchmischung, damit die Gasblasen aufsteigen können!

Die Ultraschallentgasung kann im Chargenbetrieb oder inline eingesetzt werden. Bei einem Inline-Betrieb sollte ein Standrohr zur Ableitung des Gases installiert und eine Gaspumpe eingesetzt werden.

Literatur / Referenzen

• Rognerud, Maren; Solemslie, Bjørn; Islam, Md Hujjatul; Pollet, Bruno (2020): How to Avoid Total Dissolved Gas Supersaturation in Water from Hydropower Plants by Employing Ultrasound. Journal of Physics: Conference Series 2020.
• Mahmood Amani, Salem Al-Juhani, Mohammed Al-Jubouri, Rommel Yrac, Abdullah Taha (2016): Application of Ultrasonic Waves for Degassing of Drilling Fluids and Crude Oils. Advances in Petroleum Exploration and Development Vol. 11, No. 2, 2016. 21-30.
• Haghayeghi R.; Kapranos P. (2014): The effect of processing parameters on ultrasonic degassing efficiency. Materials Letter Volume 116, 1 February 2014. 399-401.
• Servant G.; Caltagirone J.P.; Gérard A.; Laborde J.L.; Hita A. (2000): Numerical simulation of cavitation bubble dynamics induced by ultrasound waves in a high frequency reactor. Ultrasonics Sonochemistry Volume 7, Issue 4, October 2000. 217-227.