Experimentelle ultraschallbasierte konventionelle akustochemische Ausrüstung

Einführung in die ultraschallbasierte akustische Chemie

Vom 8. bis 11. April 1986 fand am University of Warwick im Vereinigten Königreich das erste Internationale Symposium über Chemie statt, das die Geburt eines neuen interdisziplinären Fachgebiets namens Sonochemie markierte – einem Zweig der Chemie, der chemische Reaktionen oder Veränderungen in Reaktionsprozessen untersucht, die durch mechanische Wellen ausgelöst werden; diese Disziplin wird auch als Mechanische-Wellen-Chemie bezeichnet. Die Wellenlänge mechanischer Wellen, die in chemischen Reaktionen eingesetzt werden, liegt typischerweise zwischen 6,9 und 17 Millimetern; Geräte, die diese Wellen erzeugen, werden als mechanische Wellengeneratoren bezeichnet, deren Kernkomponenten piezoelektrische Kristalle oder magnetostruktive Elemente sind. Die Sonochemie ist im Wesentlichen eine aufstrebende interdisziplinäre Wissenschaft, die sich darauf konzentriert, chemische Reaktionen mithilfe mechanischer Wellen zu beschleunigen und die Ausbeuten zu steigern. Diese Reaktionen resultieren nicht aus direkten Wechselwirkungen zwischen mechanischen Wellen und molekularen Substanzen, da die üblicherweise in Flüssigkeiten verwendeten Wellenlängen (10 cm bis 0,015 cm) deutlich größer sind als die molekulare Skala. Stattdessen gehen sonochemische Reaktionen hauptsächlich auf kavitationsbedingte Effekte zurück, die durch mechanische Wellen ausgelöst werden – also auf die Bildung, das Wachstum, die Kontraktion und schließlich den Kollaps von Blasen innerhalb von Flüssigkeiten, wodurch spezifische physikalische und chemische Umwandlungen ausgelöst werden.

Chemische Grundlagen der Akustik

Kavitationseffekt – Wenn mechanische Wellen sich durch eine Flüssigkeit ausbreiten, erzeugt die intensive Bewegung der Flüssigkeitsteilchen kleine Hohlräume innerhalb der Flüssigkeit. Diese Hohlräume dehnen sich rasch aus und kollabieren wieder, wodurch heftige Kollisionen zwischen den Teilchen entstehen, die Drücke im Bereich von mehreren tausend bis zu zehntausend Atmosphären erzeugen. Solch intensive Wechselwirkungen zwischen den Teilchen führen zu einem plötzlichen Temperaturanstieg der Flüssigkeit und bewirken eine wirksame Durchmischung, die die Emulgierung zweier nicht mischbarer Flüssigkeiten (z. B. Wasser und Öl) ermöglicht, die Lösung von Stoffen beschleunigt und chemische Reaktionen fördert. Diese verschiedenen Effekte, die mechanische Wellen in einer Flüssigkeit hervorrufen, werden zusammenfassend als Kavitationseffekt mechanischer Wellen bezeichnet.

Mechanischer Welleneffekt – Während der Ausbreitung interagieren mechanische Wellen mit dem Medium und verursachen dabei Änderungen von Phase und Amplitude, die den Zustand, die Zusammensetzung, die Struktur, die Funktion und die Eigenschaften des Mediums beeinflussen können. Solche Änderungen werden als mechanischer Welleneffekt bezeichnet. Die Wechselwirkung zwischen mechanischen Wellen und dem Medium lässt sich in mechanische Mechanismen und Kavitationsmechanismen unterteilen. In einem chemischen Reaktionssystem, das durch mechanische Wellen gefördert wird, wirken diese Mechanismen einzeln oder synergistisch, um die Reaktion zu katalysieren. Der Einsatz mechanischer Wellen in chemischen Reaktionen erhöht die Reaktionsgeschwindigkeit, verkürzt die Reaktionszeit, verbessert die Selektivität und ermöglicht die Initiierung von Reaktionen, die ohne mechanische Wellen nicht stattfinden würden. Aufgrund ihrer einzigartigen Reaktionsmerkmale hat die mechanische Wellenchemie erhebliche Aufmerksamkeit erlangt und stellt eines der wichtigsten und dynamischsten Forschungsgebiete der Synthesechemie dar.

Einführung in die Emulgierung

Die Herstellungsverfahren für Emulsionen variieren je nach Industriebranchen erheblich, abhängig von den verwendeten Komponenten (Gemische aus verschiedenen Stoffen in Lösung), den Emulgierungsverfahren und zusätzlichen Verarbeitungsbedingungen. Eine Emulsion ist eine Dispersion zweier oder mehrerer nicht mischbarer Flüssigkeiten; Ultraschall-Emulgiergeräte übertragen hochintensive Ultraschallenergie, um die flüssige Phase (dispergierte Phase) in kleine Tröpfchen innerhalb der zweiten Phase (kontinuierliche Phase) zu zerstreuen.

Zwei Flüssigkeiten können verschiedene Emulsionstypen bilden; beispielsweise Öl-in-Wasser- und Wasser-in-Öl-Emulsionen. Bei einer Öl-in-Wasser-Emulsion fungiert das Öl als dispergierte Phase, während Wasser als Dispersionsmedium dient. Umgekehrt können sie Wasser-in-Öl-Emulsionen bilden, bei denen Wasser die dispergierte Phase und Öl die kontinuierliche Phase bildet. Darüber hinaus können auch mehrphasige Emulsionskonfigurationen entstehen, darunter „Wasser-in-Öl-in-Wasser“- und „Öl-in-Wasser-in-Öl“-Emulsionen.

Einführung in die Ultraschall-Emulgierung

Die ultraschallgestützte Emulgierung bezeichnet den Prozess der gleichmäßigen Vermischung zweier (oder mehrerer) nicht mischbarer Flüssigkeiten unter Einwirkung von Ultraschallenergie, um ein Dispersionsystem zu erzeugen, bei dem eine Flüssigkeit gleichmäßig in der anderen verteilt ist und so eine Emulsion bildet. Die ultraschallgestützte Emulgierungstechnologie wird breit in verschiedenen Industriesektoren eingesetzt, darunter Lebensmittelverarbeitung, Papierherstellung, Beschichtungen, chemische Industrie, Pharmazie, Textilindustrie, Erdölindustrie und Metallurgie.

Emulsionsprozess

Die ultraschallinduzierte Emulgierung wird durch Kavitationseffekte hervorgerufen. Ultraschallwellen, die sich durch eine Flüssigkeit ausbreiten, bewirken eine kontinuierliche Kompression und Expansion der Flüssigkeit. Hochintensiver Ultraschall liefert die für die Phasendispersion erforderliche Energie. Wenn der maximale Druck erreicht ist, kommt es an Stellen mit schwächeren Kohäsionskräften zum Flüssigkeitsbruch. An der Bruchstelle entsteht daraufhin ein Überdruck, der zur Bildung von Hohlräumen führt. In diesen Hohlräumen entstehen innerhalb kurzer Zeit Blasen aus den in der Flüssigkeit gelösten Gasen.

Emulsionsinstabilität führt zur Koaleszenz

Um die neu gebildeten Tröpfchen der dispergierten Phase zu stabilisieren und eine Koaleszenz zu verhindern, werden der Emulsion ein Emulgator (ein Tensid) sowie ein Stabilisator zugegeben. Die endgültige Tröpfchengrößenverteilung bleibt auf demselben Niveau wie nach dem Tröpfchenbruch in der ultraschallinduzierten Dispersionszone.

Der Kavitationsprozess wird durch Frequenz und Intensität der Ultraschallwellen beeinflusst. Die Bildung von Hohlräumen in einem Medium hängt weitgehend von der Anwesenheit ungelöster Gase ab, die in der Flüssigkeit suspendiert sind; diese Gase wirken dabei als Katalysatoren. Unter bestimmten Druckbedingungen wird die Hohlraumbildung bis zu einem gewissen Grad durch die Entwicklungszeit und die Ultraschallfrequenz bestimmt. Die ultraschallgestützte Emulgierung stellt einen Wettbewerb zwischen entgegengesetzten Prozessen dar; daher müssen geeignete Betriebsbedingungen und Frequenzen gewählt werden, um sicherzustellen, dass der Zerstörungseffekt überwiegt.

Die erforderliche maximale Schallintensität zur Herstellung einer Öl-in-Wasser-Emulsion ist deutlich niedriger als die für eine Wasser-in-Öl-Emulsion benötigte. Die Art des akustischen Feldes – insbesondere die Anwendung von Laufwellen – beeinflusst den Emulgierungsprozess und führt zu einer höheren Effizienz im Vergleich zur Verwendung stehender Wellen. Dies lässt sich dadurch erklären, dass im Feld stehender Wellen die Koaleszenz – der entgegengesetzte Vorgang zur Dispersion – dominiert.

Ultrasonische Paraffin-Emulsionsversuche

Geräteübersicht

Das System besteht aus einem oder mehreren Ultraschallprozessoren mit Leistungskapazitäten im Bereich von mehreren Kilowatt und schließt damit effektiv die Lücke zwischen Laborforschung und industrieller Produktion. Es liefert Ergebnisse, die mit denen heutiger hochwertigster Hochdruckhomogenisatoren vergleichbar sind, und ermöglicht die Herstellung fein disperser Emulsionen sowohl im Durchfluss- als auch im Chargenbetrieb. Die Anlage erfordert nur geringen Wartungsaufwand und ist äußerst benutzerfreundlich in Betrieb und Reinigung. Die stufenlos einstellbare Leistungsabgabe ermöglicht eine präzise Anpassung an spezifische Emulsifikationsanforderungen.

Aus verschiedenen Winkeln betrachtet

Vorteile herkömmlicher Werkzeugschlagkopf-Ausrüstung:

1. Möglichkeit, die Art der Emulsion zu steuern.

2. Der für die Emulsionsherstellung erforderliche Energieaufwand ist gering.

3. Die resultierende Emulsion weist eine verbesserte Stabilität auf; einige Formulierungen bleiben mehrere Monate bis über sechs Monate stabil.

4. Hohe Konzentration: Die reine Emulsionskonzentration kann 30 % überschreiten; bei Zugabe eines Emulgators ist sogar eine Konzentration von bis zu 70 % erreichbar.

5. Geringe Kosten: Ein zentrales Merkmal der Ultraschall-Emulgierung ist ihre Fähigkeit, hochstabile Emulsionen mit minimalem oder gar keinem Einsatz von Emulgatoren herzustellen.

6. Im Vergleich zu herkömmlichen Emulgierverfahren und -geräten (wie Propellern, Kolloidmühlen und Homogenisatoren) bietet die Ultraschall-Emulgierung zahlreiche Vorteile.

Anzeigetest

Während der Ultraschallbehandlung von Flüssigkeiten erzeugen sich durch das Flüssigkeitsmedium fortpflanzende Schallwellen abwechselnde Hochdruck-(Kompressions-) und Niederdruck-(Depressions-)Zyklen. In diesen Druckzyklen bilden sich im Flüssigkeitsmedium winzige Vakuumblasen oder Hohlräume; sobald diese Blasen ein Volumen erreichen, bei dem sie keine Energie mehr aufnehmen können, kollabieren sie heftig – ein Phänomen, das als Kavitation bezeichnet wird. Bei diesem Implosionsvorgang entstehen extrem hohe lokale Temperaturen und Drücke, und die Implosion der Kavitationsblasen führt zu Flüssigkeitsstrahlgeschwindigkeiten von bis zu 280 m/s.

Anlagenparameter

Anwendungen von sonochemischen Geräten

Ultraschall-Emulgiergeräte werden in zahlreichen Industriebereichen wie Lebensmittel, Papierherstellung, Beschichtungen, Chemie, Pharmazie, Textilien, Erdöl und Metallurgie breit eingesetzt. Sie lassen sich problemlos in bestehende Produktionslinien integrieren und ermöglichen es Herstellern, ihre Anlagen kostengünstig zu modernisieren. Die Ultraschall-Emulgierung erlaubt zudem die Herstellung von Emulsionen, die mit herkömmlichen Verfahren nicht erzielbar sind. Während konventionelle Mischverfahren lediglich 5 %ige Wachsemulsionen in Wasser erzeugen können, ist es bemerkenswert, dass mittels Ultraschallleistung Emulsionen mit einem Wachstanteil von bis zu 20 % hergestellt werden können.

Leitfaden zu häufig gestellten Fragen

1. Was ist zu tun, wenn die Temperatur während der Flüssigkeitsverarbeitung übermäßig hoch ist?

① Verwenden Sie den Impulsbetrieb. ② Kombinieren Sie Kühlung mit Eis und Impulsbetrieb. ③ Der Kühler stellt zusätzliche Kühlleistung bereit. ④ Verwenden Sie während der Verarbeitung einen Werkzeughalter, der hohe Temperaturen widersteht.

2. Wie wird der Wandler gekühlt?

Eine längere Ultraschallbehandlung kann dazu führen, dass Wärme von der Sonde auf den Wandler übertragen wird. Eine Überhitzung kann den Wandler und das gesamte Ultraschallsystem schwer beschädigen. Für größere Proben, die eine kontinuierliche Bearbeitung über mehr als 30 Minuten erfordern, wird empfohlen, am Wandler eine Luftkühlvorrichtung anzubringen.

3. Wie wählt man den geeigneten Behälter aus?

Behälterform und -größe: Schmale Behälter sind breiten Behältern vorzuziehen, da die Ultraschallenergie an der Endfläche erzeugt und nach unten übertragen wird. Während der Probenaufbereitung wird die Flüssigkeit nach unten gedrückt und in alle Richtungen verteilt. Ist der Behälter zu breit, kann keine wirksame Durchmischung erreicht werden, und einige Proben bleiben möglicherweise unbehandelt am Rand zurück. Bei einem gegebenen Volumen ist die Verarbeitungszeit in breiteren Behältern kürzer als in schmalen Behältern (etwa doppelt so lang). Außerdem darf die Sonde die Seitenwände oder den Boden des Behälters nicht berühren. Durchmesser der Endfläche: – 1/4 Zoll (6 mm): Verarbeitungsbereich: 10 ml – 50 ml; – 1/2 Zoll (12 mm): Verarbeitungsbereich: 20 ml – 250 ml; – 3/4 Zoll (19 mm): Verarbeitungsbereich: 50 ml – 500 ml; – 1 Zoll (25 mm): Verarbeitungsbereich: 100 ml – 1000 ml. Jeder Werkzeughalter weist einen empfohlenen Probenvolumenbereich auf; die Verwendung der passenden Werkzeughaltergröße ist nicht nur entscheidend, um die Verarbeitungszeit zu verkürzen, sondern auch, um die Lebensdauer zu verlängern. Der Einsatz eines Rührstabes kann die maximale Verarbeitungskapazität der Sonde weiter erhöhen.

4. Welche minimale Tröpfchengröße ist mit der Ultraschallverarbeitung erreichbar?

Ultraschallprozessoren können zur Herstellung stabiler, hochwertiger Nanoemulsionen eingesetzt werden, darunter halbdurchsichtige Nanoemulsionen mit Tröpfchengrößen unter 100 nm.

5. Ist die Verwendung einer konstanten Leistung von 70 % für die Probenaufbereitung angemessen?

Sie sollten andere Leistungsstufen testen und deren Auswirkungen auf die Ergebnisse bewerten. Falls identische Ergebnisse bei 50 % erzielt werden, besteht keine Notwendigkeit, 70 % zu verwenden. Es wird jedoch empfohlen, die Leistung unter 80 % zu halten, um die Lebensdauer der Sonde zu verlängern.

6. Eintauchtiefe des schwingenden Elements und Probleme mit Blasenbildung.

Die Spitze des Werkzeugs muss ordnungsgemäß eingetaucht sein; wenn die Spitze nicht vollständig eingetaucht ist, kann die Probe schäumen oder Blasen bilden. Ist die Spitze zu tief eingetaucht, kann eine wirksame Probenumwälzung nicht stattfinden. Beide Szenarien führen zu schlechten Ergebnissen. Schaumbildung tritt häufig auf, wenn das Probenvolumen unter 1 mL liegt, und kann zudem durch eine zu hohe Amplitude verursacht werden.

7. Wie lässt sich Kavitation auf der Spitzenoberfläche von Flüssigkeitshandhabungswerkzeugköpfen beheben?

Die Ausrüstung ist mit austauschbaren Spitzenwerkzeugköpfen (Ersatzkappen) ausgestattet, die an ihren Enden starre Gewinde zur Verbindung mit dem Werkzeugkopf aufweisen. Wenn die Ersatzkappe durch Kavitation verschleißt, kann sie entfernt und ausgetauscht werden.

8. Ist Ultraschall für den Menschen schädlich? Welche Sicherheitsvorkehrungen sind zu treffen?

Lärm ist die einzige bekannte Gefährdung. Um die Geräuschentwicklung eines Ultraschallprozessors auf ein akzeptables Niveau zu senken, sollte sie auf etwa 25 BA reduziert werden. Die einfachste Lösung besteht darin, professionelle geräuschdämmende Ohrstöpsel zu tragen; diese sind kostengünstig und weit verbreitet, ihre Verwendung kann jedoch in vielen öffentlichen Umgebungen unpraktisch sein. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, den Ultraschallprozessor in eine lärmreduzierende Abschirmung (Schalldämpfer oder schallisolierte Gehäuse) einzubauen. Für Laborgeräte sind solche Abschirmungen leicht erhältlich, müssen jedoch eine ausreichende Lärmminderungsleistung bieten.