Verschmutzung auf den Leib gerückt

Die drei Hauptanwendungsgebiete der Ultraschalltechnik sind Sonochemie, Ultraschallreinigung und ultraschallunterstützte Siebtechnik. Darüber hinaus gibt es diverse Anwendungen. Es folgt ein Auszug über die heute wichtigsten ultraschalltechnischen Verfahren.

Die Ultraschall-Verfahrenstechnik kann zum Beispiel zur Reduktion von Partikelgrößen bei Mineralien, Pulvern und Emulsionen oder zur Wasseraufbereitung genutzt werden. Eine einzigartige Methode stellt die Ultraschall-Verfahrenstechnik bei der Aktivierung und Beschleunigung chemischer, petrochemischer und Polymerisationsvorgängen dar. In der chemischen Synthese unterstützt Ultraschall organometallische Zwischenprodukte und die meisten Arten katalytischer Vorgänge, einschließlich Phasentransfer feststoffbasierender Arten und Enzyme. Ferner werden durch den Ultraschalleinfluss heterogene Reaktionen im allgemeinen beschleunigt und günstig beeinflusst.

In einer Vielzahl elektro-chemischer Vorgänge bewirkt Ultraschall einen besseren elektrischen Wirkungsgrad und trägt zur Verhinderung von Elektrodenverschmutzung bei, was insbesondere bei der Elektroplattierung von großem Nutzen ist. In der Biotechnologie wird Ultraschall sowohl bei der spezifischen Aktivierung (bzw. Deaktivierung) von Enzymen als auch bei der Manipulation und Trennung biologischer Zellen zur gezielten Freisetzung ihres Inhalts angewandt.

Die Wirkung von Ultraschall in flüssigen Medien beruht auf den unterschiedlichsten Effekten, welche durch Kavitation hervorgerufen werden. Wie alle Schallwellen breitet sich auch Ultraschall in einem flüssigen Medium durch eine Abfolge von Kompressions- und Unterdruckwellen aus, die in den Molekülen des Mediums induziert werden. Bei ausreichend hoher Ultraschallintensität werden in der Schwingungs-Unterdruckphase die Bindekräfte zwischen den Molekülen soweit reduziert, dass sich mikroskopisch kleine Luftblasen bilden, wobei der Druck in der Luftblase den atmosphärischen Druck erheblich überschreitet. Durch die nach Sekundenbruchteilen folgende Überdruckphase implodieren diese Luftblasen wieder, wodurch bei schneller Zyklusfolge genügend Energie für chemische und mechanische Effekte freigesetzt wird.

Abhängig von den jeweiligen Applikationsanforderungen kommen verschiedene Geräte zur Anwendung. Der mikrocomputergesteuerte Ultraschallprozessor DG-100 ist speziell für labormäßige Untersuchungs- und Forschungsarbeiten konzipiert.

Der Ultraschallgenerator zeichnet sich einerseits durch eine Konstantregelung der vorgewählten Amplitude und andererseits durch eine vollautomatische Frequenz-nachlaufregulierung aus. Da die Schwingungsamplitude einen charakteristischen Prozessparameter darstellt, ist die Konstantregelung der Amplitude während dem Betrieb ein entscheidender Faktor, um vergleichbare und reproduzierbare Ergebnisse zu erzielen.

Ultraschall Hochleistungs-Durchflussreaktoren werden sowohl in der Forschung als auch für sonochemische Produktionsprozesse auf kontinuierlicher Basis eingesetzt. Je nach anwendungsspezifischen Bedürfnissen werden auch Spezialausführungen mit mehreren Kilowatt Leistung konzipiert und hergestellt. Die zur Anwendung kommenden Resonatoren können die unterschiedlichsten Formen und Größen aufweisen und werden applikationsspezifisch aufgrund der erforderlichen Leistungsdichte festgelegt. Im Wesentlichen unterscheidet man zwischen Stabresonatoren mit radialer, einseitiger Abstrahlung nach außen oder stirnseitiger Abstrahlung am Stabende, Rohrresonatoren mit radialer, doppelseitiger Abstrahlfläche oder Hochleistungs-Radialresonatoren mit Abstrahlung nach innen mit zusätzlichem Fokussierungseffekt. Der Universal-Ultraschall-Durchflussreaktor beinhaltet eine rostfreie Durchflusskammer mit Ein- und Auslaufanschlüssen, einen innenliegenden, stabförmigen Titanresonator mit radialer Abstrahlung sowie einen PZT-Ultraschallwandler in Ex-Schutz-Ausführung für Dauerbetrieb (Frequenz 20 kHz, Leistung 1000 W). Die Schwingungsamplitude kann mit einem externen Analogsignal prozessbezogen (z. B. in Funktion der Beschallungszeit, Durchflussmenge, Temperator oder Viskosität) simultan reguliert werden.

Telsonic bietet auf dem Gebiet der Ultraschallreinigung eine breite Palette von Geräten und Komponenten an. Für kleinere Reinigungsaufgaben sowie einen optimalen Einsatz im Labor ist die Mikroprozessor-gesteuerte Kompaktgeräteserie TMC entwickelt worden, die eine genaue Prozessüberwachung und damit höchste Reproduzierbarkeit gewährleistet. Für größere und industrielle Reinigungsanwendungen werden vorwiegend patentierte Ultraschall-Rohrresonatorsysteme mit unterschiedlichen Frequenzen und Leistungsklassen eingesetzt. Rohrresonatoren sind Radialschwinger mit der Längsabmessung einer vielfachen halben Wellenlänge (l/2) und weisen einen sehr hohen Energieumwandlungswirkungsgrad ( >95%) auf. Die schlanke Bauform und Einbaulängen von bis zu 1,7 m eröffnen neue Anwendungsperspektiven wie die Reinigung von Hohlräumen oder Reaktorgefäßen. Der Einbau der Rohrresonatoren kann in jeder Lage und Neigung erfolgen. Je nach Größe der Reinigungsbäder und der erforderlichen spezifischen Leistung wird die Anzahl der zu installierenden Einheiten bestimmt, dabei sind nach oben keine Grenzen gesetzt.

In der chemischen Industrie müssen die unterschiedlichsten Schüttgüter, vor allem aber auch Pulversorten mit geringen Partikelgrößen, abgesiebt und klassiert werden. Dabei ist eine zu geringe Durchsatzleistung und das Verstopfen des Siebgewebes oft ein Problem.

Herkömmliche Siebtechnik beruht im Wesentlichen auf einer Vibrations- und Taumelbewegung des Siebes, die für den Durchsatz sowie die Separierung des Überkorns verantwortlich ist. Bei der ultraschallunterstützten Siebtechnik wird das Siebgewebe zusätzlich mit einer gleichmäßig schwingenden Bewegung im Mikrometerbereich überlagert. Dadurch wird die Reibung zwischen Siebgewebe und Schüttgut reduziert, was in Abhängigkeit des Siebgutes zu einer beträchtlichen Steigerung der Durchsatzleistung führen kann. Gleichzeitig vermindert Ultraschall die Verstopfungstendenz des Siebgewebes und die damit verbundenen Unterhaltskosten reduzieren sich auf ein Minimum. Ein Ultraschallgenerator erzeugt hochfrequente Schwingungen, welche im Konverter in mechanische Schwingungen umgewandelt und über Resonatoren gleichmäßig auf das aufgeklebte Siebgewebe übertragen werden.

In Abhängigkeit der Prozessbedingungen und Art der Schüttgüter lassen sich massive Durchsatzsteigerungen erzielen (bis das 10-fache und mehr). Als Folge der Mikroschwingungen ergibt sich ein kontinuierlicher Reinigungseffekt, was die Siebreinigungsintervalle erheblich erhöhen oder sogar eliminieren kann. Weitere interessante Nebeneffekte sind effizientes Sieben bei feinen Maschenweiten, konstantbleibende Korngrößenverteilung über große Zeiträume, höherer Ausnutzungsgrad, bessere Trennschärfe, Förderung des Zerfalls von Agglomeraten, geringere Staubentwicklung, Substitution von Reinigungshilfen (keine Verunreinigungen durch Verschleiß) sowie höhere Siebstandzeiten.

Das System ist Staub-Ex-Schutz-zertifiziert und ermöglicht jederzeit eine Flüssigkeitsreinigung des Siebes. Der Siebrahmen kann durch den Anwender selbst neu bespannt werden. Sonoscreen ist geeignet für den Einsatz im Maschenweitenbereich von 20 bis 1000 mm, wobei die erzielbaren Effekte vor allem im unteren Bereich interessant sind. Die meisten handelsüblichen Siebmaschinen lassen sich problemlos mit dem Ultraschallsiebsystem nachrüsten.