DE60318666T2

DE60318666T2 - Verfahren und Vorrichtung zur schnellen Charakterisierung von Verschäumbarkeit und Schaumstabilität

Info

Publication number: DE60318666T2
Application number: DE60318666T
Authority: DE
Inventors: Klaus Dr. Habil. Lunkenheimer; Kazimierz Dr. Habil. Malysa; Gabriele Dipl.-Ing. Wienskol; Marta Dipl.-Ing. Baranska
Original assignee: Max Planck Gesellschaft zur Foerderung der Wissenschaften eV
Current assignee: Max Planck Gesellschaft zur Foerderung der Wissenschaften eV
Priority date: 2002-10-31
Filing date: 2003-10-31
Publication date: 2009-01-22
Anticipated expiration: 2023-11-01
Also published as: EP1416261B1; EP1416261A3; DE60318666D1; ATE384255T1; EP1416261A2

Description

Die Erfindung betrifft das Gebiet der Evaluierung und Charakterisierung der Schäumbarkeit unterschiedlicher Schäumungsmittel sowie der Eigenschaften und der Stabilität von Schäumen, welche unter Verwendung eines einfachen und schnellen Verfahrens gebildet werden.
Ungeachtet der Tatsache, dass man in vielen industriellen Prozessen und im täglichen Leben Schäumen mit sehr unterschiedlicher Stabilität begegnet, existiert kein allgemein anwendbarer, einfacher, schneller, reproduzierbarer und verlässlicher Test bzw. existiert kein allgemein anwendbares, einfaches, schnelles, reproduzierbares und verlässliches Verfahren zur Evaluierung von Schäumen. Es stehen verschiedene Tests und Parameter zur Charakterisierung von Schäumen zur Verfügung. So stellen beispielsweise das Bartsch-(Schüttel)- und das Ross-Miles-(Eingießtest)-Verfahren gemäß unserer Ansicht die am häufigsten verwendeten Tests zum Vergleich der Schäumbarkeit von Lösungen dar [1]. Im Schütteltest wird eine bestimmte Menge an Lösung in einem verschlossenen Zylinder kräftig geschüttelt. Im Ross-Miles-Verfahren wird eine definierte Menge an Lösung aus dem oberen Gefäß durch eine Öffnung mit definiertem Durchmesser auf ein Bett derselben Lösung, welche sich in einem Zylinder in standardisiertem Abstand von der Öffnung befindet, gegossen. Das gebildete Schaumvolumen und die Lebensdauer entweder der Gesamthöhe oder der halben Höhe des gebildeten Schaums werden in beiden Verfahren gemessen [2, 3]. Der Hauptvorteil und die Ursache für die weit verbreitete Anwendung dieser Verfahren besteht in deren Einfachheit. Um die Reproduzierbarkeit dieser verschiedenen Verfahren zu verbessern, wurden Modifizierungen und eine Standardisierung vorgenommen [3–6]. Eine interessante Modifizierung wurde kürzlich von Pinazo et al. [7] vorgeschlagen. Im Gegensatz zum klassischen Ross-Miles-Test hielten sie das Flüssigkeitsvolumen in dem Gefäß durch kontinuierliches Zurückpumpen der nach unten getropften Lösung konstant. Die anfängliche Schaumhöhe wurde nach 1-minütigem Ausfließen der Lösung gemessen, und die mit der Zeit auftretenden Veränderungen der Schaumhöhe wurden bestimmt. Allerdings haben der Schütteltest und das Ross-Miles-Verfahren den gleichen und fundamentalen Nachteil gemein, dass die in das System eingebrachte Menge an Gas überhaupt nicht kontrolliert wird.
Gewiss existieren andere in Schäumbarkeitsstudien angewendete Verfahren, in welchen die Menge sowie die Geschwindigkeit des in das System eingebrachten Gases wohlkontrolliert werden, wie beispielsweise die pneumatischen Verfahren [2, 3, 8, 9]. Allerdings sind diese Verfahren komplizierter, aufwändiger, und können in einem Standardverfahren für Systeme, welche Schäume sehr unterschiedlicher Stabilität ergeben, kaum angewendet werden [10].
Der allgemeine Mangel an methodischer Charakterisierung des Schaumverhaltens bedeutet, dass kein einheitliches, standardisiertes Verfahren existiert, mittels welchem alle Arten von Schäumen unter Verwendung identischer Parameter und/oder Randbedingungen charakterisiert werden können.
Gegenwärtig ist eine Vorrichtung kommerziell erhältlich, welche Foamscan genannt wird [11, 12]. Dieses Verfahren wendet die für die Charakterisierung instabiler Schäume wohlbekannte pneumatische Technik an [2, 13, 14]. Der Schaum wird in einem Glasrohr erzeugt und seine zeitabhängige Höhe mittels Bildverarbeitung gemessen, während die verbleibende Flüssigkeit mittels eines Konduktivitätsmessgeräts gemessen wird. Die Schaumlösungen werden derart charakterisiert, dass ein Gas solange mit konstantem Fluss durch die Lösungen hindurchgeleitet wird, bis in allen Fällen eine identische Schaumhöhe erreicht ist. Diese maximale Höhe wird als Referenzzustand verwendet. In der Foamscan-Vorrichtung sind der Gasfluss und das Ende des Hindurchleitens definiert. Allerdings ist der zur Bildung eines identischen Schaumvolumens benötigte Zeitraum des Hindurchleitens ziemlich lange, nämlich in der Größenordnung von wenigen Minuten. In [11] beläuft sich diese Zeit auf 8 Minuten (kommerzielle Seifenlösungen). Es wird versucht, eine Charakterisierung der Schaumentwicklung durch Unterscheidung zweier Zeiträume vorzunehmen, welche jeweils beide den Abfluss von Lösung und den Schaumzerfall in unterschiedlichen Anteilen erfassen.
Verschiedene Parameter, wie beispielsweise die Schäumungskapazität, die maximale Schaumdichte, oder die Halbwertszeit von Flüssigkeit in einem Schaum, leiten sich aus der Zeitabhängigkeit der mit dem Referenzzustand in Beziehung stehenden Parameter ab [11, 12]. Zusätzlich wurde mittels Videobildanalyse eine Charakterisierung der Textur vorgenommen. Das Ergebnis ist allerdings enttäuschend. Folglich wird in [11] ausgeführt, dass ,,... Das vorgeschlagene Verfahren einer (Videobild)-Analyse der Textur gestattet keine Untersuchungen des physikalischen Mechanismus der Schaumbildung und -destabilisierung...".
Kürzlich wurde eine weitere Testvorrichtung für Schäume, genannt SITA Foam Tester 2000, entwickelt [15, 16]. In diesem Verfahren erfolgt die Zufuhr von Luft mittels eines Rotors, und die Schaumhöhe wird mechanisch mittels verschiedener, oberhalb des Schaums befindlicher Stahlnadeln gemessen. Dieses Verfahren ist lediglich bei sehr stabilen Schäumen anwendbar. Eine Messung der Schaumhöhe durch eine gewisse Abwärtsbewegung verschiedener Nadeln ist nicht nur unzweckmäßig, sondern beeinflusst auch den Schaum, da der Kontakt der Nadeln mit der obersten Schaumschicht zu deren Zerfall führen kann. Schließlich ist auch die Gaszufuhr nicht wohldefiniert.
U.S. 5,465,610 beschreibt eine Vorrichtung zur Charakterisierung der Schäumungseigenschaften eines in einer Flüssigkeit zumindest teilweise löslichen Produkts. Die Vorrichtung umfasst eine transparente Analysesäule, welche an ihrer Grundfläche mit einem porösen Filter ausgebildet ist, der die homogene Einbringung eines Gasflusses in die Säule gestattet, um hierdurch ein Aufschäumen des an der Grundfläche der Säule befindlichen Produkts zu bewirken. Die Vorrichtung umfasst weiterhin ein automatisches Messsystem zur Bestimmung der in der Säule gebildeten Schaumhöhe, ein automatisches Messsystem zur Bestimmung des Volumens des den Schaum bildenden Produkts, Mittel zur Visualisierung und/oder Verarbeitung der Messdaten, sowie ein Druckausgleichssystem zur Vermeidung von Abfluss und Perkolation des Produkts durch den Filter, sobald die Gasinjektion beendet wird.
EP 0 252 738 A2 betrifft ein Schaummessgerät, welches zur Charakterisierung der Schäumungstendenz von Flüssigkeiten und des Leistungsvermögens von Anti-Schaum-Formulierungen verwendet wird, wobei das Schaummessgerät (a) eine thermostatisch kontrollierte Schaumsäule, welche an einem Ende offen ist und am anderen Ende ein Maschengebilde mit einer im Wesentlichen einheitlichen Porengröße enthält, (b) Mittel zum Hindurchleiten eines Gases durch das Maschengebilde in die Säule bei einer vorbestimmten Temperatur und einem vorbestimmten Druck, und (c) Mittel zum Messen des Volumens an Schaum, welcher nach Hindurchleiten des Gases durch eine zu untersuchende, auf dem Maschengebilde der Säule platzierte Flüssigkeit erzeugt wird, umfasst.
EP 0 990 878 A1 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung der Stabilität einer auf einer Flüssigkeitssäule befindlichen Schaumschicht durch Messen des Zeitintervalls, während dessen sich eine Oberfläche der Schaumschicht unter bestimmten Gegebenheiten um eine bestimmte Strecke bewegt, wobei das Zeitintervall anschließend mit einem mit der Strecke korrelierenden Referenzzeitintervall verglichen wird.
Die vorstehend beschriebenen Verfahren sind nicht vollkommen zufriedenstellend und häufig aufwändig, zeitraubend und nicht reproduzierbar. Die Parameter und Verfahren sind häufig entweder ausschließlich für metastabile oder ausschließlich für instabile Schäume geeignet. Darüber hinaus stehen sie mit grundlegenden Eigenschaften der untersuchten Schaumsysteme mitunter nicht in Beziehung.
Daher war es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein einfaches, schnelles, reproduzierbares und allgemein anwendbares Verfahren zur Bestimmung und Evaluierung von Schaumeigenschaften bereitzustellen. Es war eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein relativ kostengünstiges Verfahren zur Untersuchung der Schaumstabilität einer beliebigen Schaumlösung mittels eines wohldefinierten Prozesses unter wohldefinierten Bedingungen bereitzustellen. Eine weitere Aufgabe war die Bereitstellung einer einfachen, entweder manuellen oder automatischen Vorrichtung, welche zur Durchführung der Schäumungstests verwendet werden kann, sowie eines Verfahrens, welches eine schnelle Unterscheidung von Schäumen unterschiedlicher Stabilität sowie eine Evaluierung der Stabilität der Schäume unter Verwendung geeigneter Parameter, welche sich auf physikalisch wohldefinierte Randbedingungen beziehen, ermöglicht.
Es war eine weitere Aufgabe, eine Vorrichtung bereitzustellen, welche unter Verwendung desselben Verfahrens, das manuell und automatisch betrieben werden kann, und unter Verwendung derselben Parameter zur Charakterisierung sowohl (meta)stabiler als auch instabiler Schaumsysteme verwendet werden kann.
Erfindungsgemäß werden diese Aufgaben durch ein Verfahren zur Bestimmung und/oder Evaluierung der Schaumeigenschaften einer Lösung, wie in Anspruch 1 und 9 definiert, gelöst, wobei ein vorbestimmtes Volumen an Gas in ein vorbestimmtes Volumen einer zu untersuchenden Lösung eingebracht wird und die Schaumhöhe h^F oder/und der Ausfluss an Lösung h^S gemessen werden. Da der Querschnitt der Schaumsäule konstant ist, ist es darüber hinaus möglich, die korrespondierenden Volumina an Schaum V^F oder an abgeflossener Lösung V^S zu bestimmen.
Eine definierte Menge an Gas, bevorzugt Luft, wird in einem definierten Volumen an Lösung durch Einbringen des Gases in die Lösung mit definierter Geschwindigkeit dispergiert. Der Prozess kann sowohl manuell als auch automatisch durchgeführt werden. Die Schaumhöhe und der Ausfluss an Lösung werden in Abhängigkeit von der Zeit gleichzeitig gemessen.
Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Charakterisierung von Schäumen sind insbesondere:

– wohldefinierte Randbedingungen (Volumen an Lösung, Volumen an dispergiertem Gas, Bedingungen der Gaszufuhr)
– einstellbarer und messbarer Gasgehalt pro Volumeneinheit an Lösung (zweckdienlich für eine theoretische Beschreibung der Schäumbarkeit). Dies ist bei anderen Verfahren wie Bartsch, Ross-Miles oder bei Verfahren, bei welchen ein Rühren, Schütteln, Schlagen, etc. Anwendung findet, kaum möglich
– Parameter, mittels welchen die Schaumstabilität charakterisiert wird, beziehen sich auf physikalisch sinnvolle und wohldefinierte Bedingungen. Sie reagieren sehr empfindlich auf die Schaumstabilität und umfassen mehrere Zehnerpotenzen
– instabile und metastabile Schäume können mittels eines identischen Verfahrens charakterisiert werden
– Einfachheit
– Schnelligkeit: die Schaumstabilität sehr stabiler Schäume kann mittels Kurzzeitmessungen angemessen charakterisiert werden
– angemessene Reproduzierbarkeit.

Unter Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens können Schäume und Schaumeigenschaften auf standardisierte Art und Weise gemessen werden, wobei die zu bestimmenden Parameter nicht willkürlich ausgewählt werden, sondern eine physikochemische Grundlage besitzen. Erfindungsgemäß wird ein vorbestimmtes Volumen an Gas in eine zu untersuchende Lösung, z. B. in eine Lösung eines Tensids oder in Lösungen, für welche Schaumeigenschaften von Bedeutung sind, wie beispielsweise Bier, Abwasser, Tensidlösungen, etc., eingebracht, wobei ein vorbestimmtes Volumen einer derartigen Lösung verwendet wird. Der allgemeine Aufbau ist weiterhin dadurch definiert, dass die Volumina an Lösung und Gas vorab definiert werden. So beträgt beispielsweise das Verhältnis von Volumen an Lösung zu Volumen an Gas 1:10 bis 10:1, bevorzugt 1:5 bis 5:1, und besonders bevorzugt 1:1.8 bis 1:2.2. Die Verwendung eines Verhältnisses von Volumen an Lösung zu Volumen an eingebrachtem Gas von 1:2 hat sich als besonders günstig erwiesen. Bevorzugt wird das Gas mit einer konstanten Geschwindigkeit in die Lösung eingebracht, z. B. mit einer Geschwindigkeit von 1 bis 100 l/h, stärker bevorzugt mit 10 bis 30 l/h, und insbesondere etwa 18 l/h. Daher sind die zur Bildung des Schaums verwendeten Mengen an Gas und Lösung erfindungsgemäß wohlkontrolliert.
Anschließend werden die Schaumhöhe und/oder der Abfluss an Lösung zur Charakterisierung der Schäume gemessen, wobei physikochemische Parameter der Schäume aus diesen gemessenen Mengen abgeleitet werden können. Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung liegt darin, dass alle Arten von Schäumen, d. h. metastabile und instabile Schäume, mittels desselben Verfahrens quantitativ untersucht werden können. Die zu messenden charakteristischen physikalischen Werte liefern für alle Arten von Schäumen signifikante Werte. Es werden in jedem Fall definierte und gleiche Randbedingungen angewendet.
Durch Anwendung definierter und einheitlicher Randbedingungen werden erfindungsgemäß die Voraussetzungen für eine Untersuchung des Mechanismus von Schaumzerfall und Schaumstabilität bereitgestellt.
Prinzipiell kann der Schaumzerfall entsprechend dem Verhältnis von Volumen an zerfallenem Schaum und dem korrespondierenden Volumen an abgeflossener Lösung durch drei unterschiedliche Phasen des Zerfalls beschrieben werden: a) Anfangsphase: lediglich Synärese von ausfließender Lösung, kein Schaumzerfall; b) Zwischenphase (Übergangsphase): Synärese und Zerfall treten gleichzeitig auf; c) Endphase: vernachlässigbare Synärese, lediglich der Zerfall schreitet voran.
Die zur Charakterisierung der Schaumstabilität verwendeten Parameter sind entweder die Dauer derartiger Zeiträume oder aber die Abflussgeschwindigkeit in charakteristischen Phasen des zerfallenden Schaumsystems.
Insbesondere werden einer oder mehrere der nachfolgend ausführlich beschriebenen Parameter, welche aus Δh^F, Δh^S, Δh^F/Δh^S, t_dev, t_trans, V_dev ^S, v^F _dev oder/und v₀ ausgewählt sind, bestimmt. Δh^F = (h₀ ^F – h_t ^F) und Δh^S = (h_t ^S – h₀ ^S), wobei h₀ ^F und h₀ ^S die Höhen von Schaum und Lösung unmittelbar nach der Einbringung des Gases (t = 0) sind, während h_t ^F und h_t ^S die Höhen von Schaum und Lösung zum Zeitpunkt t darstellen.
Das erfindungsgemäße Verfahren und die angegebenen Parameter gestatten eine Bestimmung i) der Schäumbarkeit, ii) der Schaumstabilität, iii) des Flüssiggehalts im Schaum oder/und der Abflussgeschwindigkeiten.
Somit können erfindungsgemäß neue Parameter zur Charakterisierung von Schaumeigenschaften abgeleitet werden, welche sowohl auf metastabile als auch auf instabile Schäume anwendbar sind. Dies ermöglicht kürzere Zeiten für eine Untersuchung von Schaumsystemen. Die Beschreibung der Schaumstabilität kann hierdurch beträchtlich verbessert werden, da sie anstatt mit willkürlich gewählten Bedingungen mit sinnvollen, physikalisch wohldefinierten Bedingungen in Beziehung gesetzt werden kann.
Das Verfahren gestattet es, Informationen hinsichtlich der Stabilität metastabiler Schäume mittels eines lediglich einige Minuten dauernden Tests zu erhalten, anstatt Messungen der Schaumhalbwertszeit vorzunehmen, welche Stunden dauern (siehe Ross-Miles-Verfahren).
Die neuen Stabilitäts- oder/und Schäumbarkeitsparameter korrelieren nicht nur mit den bisher für bestimmte Verfahren zur Charakterisierung stabiler Schäume verwendeten Parametern, wie beispielsweise der Schaumhalbwertszeit oder dem R5-Parameter. Vielmehr kann die Schaumstabilität instabiler Schäume erstmals unter Verwendung derselben Parameter charakterisiert werden. Dies ermöglicht eine Standardisierung und Vereinheitlichung aller Verfahren zur Charakterisierung von Schäumen.
Die erfindungsgemäßen Testexperimente sind einfach, schnell und reproduzierbar. Eine weitere Automatisierung des Testverfahrens ist problemlos möglich. Während als Gas bevorzugt Luft verwendet wird, sind allgemein unterschiedliche Arten von Gasen anwendbar.
Erfindungsgemäß wird zunächst ein vorbestimmtes Volumen an Gas in ein vorbestimmtes Volumen einer zu untersuchenden Lösung, bevorzugt mit einer vorbestimmten Geschwindigkeit, eingebracht. Hierbei wird zu einem Zeitpunkt t₀ eine bestimmte Menge an Schaum, und folglich eine bestimmte Schaumhöhe, gebildet. Unmittelbar nach Bildung des Schaums, d. h. in der Anfangsphase, bildet sich aus dem Schaum ausschließlich Flüssigkeit, d. h. die Abnahme der Schaumhöhe entspricht gerade der Zunahme an Lösung, d. h. Δh^F = Δh^S. Folglich gilt in der Anfangsphase Δh^F/Δh^S = 1. Im Falle stabiler Schäume dauert die Anfangsphase mindestens 2 s, stärker bevorzugt mindestens 5 s, und besonders bevorzugt mindestens 10 s. Zu einem Zeitpunkt t_dev beginnt der Zerfall des Schaums. Folglich treten während der Zwischen- oder Übergangsphase Synärese und Zerfall gleichzeitig auf. Dies bedeutet, dass Δh^F > Δh^S und somit Δh^F/Δh^S > 1 ist. Tritt eine Übergangsphase auf, so bedeutet dies, dass bereits ein Zerfall des Schaums stattfindet, während der Schaum noch immer Flüssigkeit enthält. Schließlich tritt der Schaum in die Endphase ein, in welcher lediglich ein Zerfall des Schaums stattfindet, allerdings keine merkliche Menge an Lösung mehr gebildet wird. In dieser Phase enthält der Schaum praktisch keine Flüssigkeit mehr, womit Δh^F >> Δh^S ist.
Erfindungsgemäß werden bevorzugt die nachfolgenden Mengen in standardisierter Art und Weise bestimmt:

a) Abhängigkeit der Schaumhöhe von der Zeit,
b) Menge an Lösung, welche, bezogen auf die Zeit, infolge Synärese aus der Schaumsäule ausfließt,
c) charakteristische Zeitintervalle verschiedener Phasen des Schaumzerfalls, oder/und
d) Abflussgeschwindigkeiten in charakteristischen Phasen des Schaumzerfalls.

Um das Verhalten eines aus einer Lösung gebildeten Schaums zu analysieren und allgemein zu charakterisieren, werden bevorzugt die nachfolgenden Abhängigkeiten verwendet:
Die Höhe der Schaumsäule, h^F, wird zusammen mit der korrespondierenden Höhe der Lösungssäule, h^S, bezogen auf die Zeit erfasst. Der Referenzzustand to bezeichnet jenen Zeitpunkt, an welchem die Gaszufuhr beendet ist. Anschließend wird die Abnahme der Schaumsäule, Δh^F = (h₀ ^F – h_t ^F), gegen die korrespondierende Zunahme der einer Synärese unterliegenden Lösung, Δh^S = (h^S _t – h^S ₀), aufgetragen. Gemäß dem charakteristischen Verhalten dieser Abhängigkeit können Schäume allgemein durch drei verschiedene Phasen des Schaumzerfalls unterschieden werden, wodurch verschiedene Schaumarten unterschieden werden können. Die drei Phasen sind durch das Verhalten in ihrer

i) Anfangsphase,
ii) Übergangsphase, und
iii) Endphase

Innerhalb dieser charakteristischen Phasen begegnet man dem nachfolgenden typischen Verhalten des Schaumzerfalls.
In der Anfangsphase findet lediglich Synärese statt, d. h. die Abnahme des Schaumvolumens wird lediglich durch den Abfluss der in dem Schaum enthaltenen Lösung hervorgerufen. In Phase ii) treten Schaumabfluss und Schaumzerfall gleichzeitig auf, während in der Endphase iii) der Abfluss vernachlässigbar ist und der Schaumzerfall überwiegt.
Der Begriff „Flüssiggehalt", wie er hierin verwendet wird, bezeichnet die in dem gesamten Schaum enthaltene Menge an Lösung.
Der Begriff „Abfluss" bezeichnet den Prozess des Ablaufs (Ausflusses) der Lösung aus den Schaumschichten. Aufgrund des Abflusses nimmt der Flüssiggehalt im Schaum ab und die Schaumfilme werden dünner.
Mittels dieser Phasen kann das Schaumverhalten wie folgt quantitativ charakterisiert werden:

a) ist das zerfallene Schaumvolumen anfänglich, d. h. bei sehr kurzen Zeiten, größer als die ausfließende Lösung, d. h. ist Δh^F > Δh^S, so bedeutet dies, dass der Schaum instabil ist.
b) tritt anfänglich ein ausgeprägter Zeitraum auf (z. B. mindestens 2 s, stärker bevorzugt 10 s), welcher durch Δh^F = Δh^S und/oder Δh^F/Δh^S = 1 charakterisiert ist, so bedeutet dies, dass innerhalb dieses Zeitraums kein Schaumzerfall stattfindet, d. h. der Schaum ist stabil.

Die stabilen Schäume können durch das Auftreten eines Übergangszustandes weiter unterschieden werden. Die Anfangsphase eines stabilen Schaumverhaltens wird durch Δh^F/Δh^S = 1 beschrieben. Zu späteren Zeitpunkten, d. h. bei t > t_dev, wird ihr Verhalten durch Δh^F/Δh^S >> 1, insbesondere Δh^F/Δh^S > 10, bevorzugt h^F/h^S = 100 beschrieben. Die letztere Bedingung bedeutet, dass das Schaumsystem sehr stabil ist. Wenn allerdings ein ausgeprägter Übergangszustand (mit einer Dauer von mindestens 2 s, stärker bevorzugt von mindestens 10 s) auftritt, welcher die alternativen Anfangs- und Endphasen miteinander verbindet und durch Δh^F/Δh^S > 1, insbesondere 1.1 < Δh^F/Δh^S < 5, bevorzugt 1.5 < Δh^F/Δh^S < 3 charakterisiert ist, so bedeutet dies, dass der stabile Schaum eine mittlere Stabilität aufweist.
Diese unterschiedlichen Merkmale sind in 2 für drei unterschiedliche Schaumsysteme dargestellt, nämlich für eine 1.5 × 10^–3 M Lösung von Oktansäure als ein Beispiel für ein instabiles Schaumsystem, für eine 3 × 10^–4 M Lösung von Natriumdodecylsulfat als ein Beispiel für ein stabiles Schaumsystem mit mittlerer Stabilität, sowie für eine 3 × 10^–4 M Lösung von Decyl-β-D-glucopyranosid als ein Beispiel für ein sehr stabiles Schaumsystem.
Um das dynamische Schaumverhalten zu charakterisieren, werden erfindungsgemäß verschiedene Parameter verwendet, welche dich auf die charakteristischen physikalischen Phasen des Schaumzerfalls beziehen.

a) Die Differenz (Δh^F – Δh^S) = f(t), bezogen auf die Zeit, wird zur Bestimmung jenes Zeitpunkts verwendet, an welchem der Zerfall der Schaumschicht einsetzt. Dies ist der Zeitpunkt, an welchem der Wert (Δh^F – Δh^S) für Zeitpunkte t > t_dev mit zunehmender Dauer von null abzuweichen beginnt. Dieser charakteristische Zeitpunkt wird Abweichungszeitpunkt t_dev genannt. Je größer der Wert von t_dev ist, desto stabiler ist der Schaum. Das charakteristische Verhalten (Δh^F – Δh^S) = f(t) ist in 3a für Lösungen verschiedener Tenside dargestellt. Diese Figur macht deutlich, dass t_dev einige Zehnerpotenzen umfassen kann. Bei instabilen Schäumen ist t_dev bevorzugt ≤ 1 s, insbesondere ≤ 0.5 s, und stärker bevorzugt ≤ 0.25 s. Bei stabilen Schäumen ist t_dev bevorzugt > 1 s, stärker bevorzugt > 10 s.
b) Zweckmäßigerweise wird der Parameter t_tr angewendet. Dieser Parameter bezieht sich auf jenen Zeitpunkt, an welchem der Abfluss der aus dem Schaum ausfließenden Lösung vernachlässigbar wird, d. h. bei t ≥ t_tr gilt dann Δh^S ≈ 0. Der Wert des Übergangszeitpunkts ist durch den Wendepunkt der Abhängigkeit (Δh^F – Δh^S) = f(t) definiert, wie in 3b dargestellt ist.

Die Abhängigkeit t_tr(c) charakterisiert das Schaumverhalten einer beliebigen Schaumlösung in wohldefinierter Art und Weise. Dies ist in 4 für verschiedene Tensidlösungen dargestellt. Wie hieraus ersichtlich ist, umfassen die t_tr-Werte der Schaumlösungen mehrere Zehnerpotenzen.
Unter Verwendung dieses Parameters kann die Schaumstabilität auf einfache und bequeme Art und Weise beschrieben werden. Folglich bezeichnet t_tr < 10 s einen instabilen Schaum, während t_tr > 10 s für einen (meta)stabilen Schaum steht. Je größer der Wert für t_tr ist, desto stabiler ist das Schaumsystem. Folglich gilt bei stabilen Schäumen bevorzugt t_tr ≥ 20 s, stärker bevorzugt t_tr ≥ 30 s, und am stärksten bevorzugt t_tr ≥ 100 s.
Der Parameter t_tr kann mit gewöhnlich zur Charakterisierung von Schäumen verwendeten Parametern, wie beispielsweise der Zeit t_1/2, welche jenen Zeitpunkt bezeichnet, an dem die Schaumsäule die Hälfte ihrer anfänglichen Höhe erreicht hat, oder dem R5-Wert [1] (Schaumhöhe nach fünf Minuten, bezogen auf die anfängliche Schaumhöhe), in Korrelation gesetzt werden.
In 5 ist für Lösungen verschiedener Tenside die Zeit t_1/2, welche den Zerfall der Hälfte der Schaumhöhe angibt, gegen den Übergangszeitpunkt t_tr aufgetragen. Für t_1/2 < 10³ s besteht eine lineare Beziehung zwischen t_1/2 und t_tr, wohingegen bei t_1/2 > 10³ s stabile Schäume weiterhin noch mittels des Parameters t_tr unterschieden werden können, während die korrespondierenden t_1/2-Werte unverändert bleiben.
6 zeigt die Beziehung zwischen dem R5-Wert und dem Übergangszeitpunkt t_tr für Lösungen von Tensiden, welche eine mittlere Schaumstabilität zeigen.
7 zeigt dieselbe Abhängigkeit R5(t_tr) für Lösungen der beiden ionischen Tenside Natrium- und Lithiumdodecylsulfat, welche eine hohe Schaumstabilität zeigen.
Die Schaumstabilität kann einigermaßen gut durch Korrelieren der Schaumhöhe mit einem bestimmten Wert der Schaumsäule während des Zerfallszeitraums, wie beispielsweise dem R5-Wert, welcher jene Höhe bezeichnet, auf die die Schaumsäule, bezogen auf die anfängliche Schaumhöhe, nach 5 Minuten abgefallen ist, charakterisiert werden. Folglich kann ein äquivalenter R10-Wert formuliert werden. Nimmt man eine Korrelation mit einem bestimmten Zeitraum der Schaumhöhe vor, so muss allerdings sichergestellt werden, dass dieser Referenzzeitpunkt t_ref stets gleich oder größer dem Abweichungszeitpunkt sein muss, d. h. tref ≥ tdev. (1)
Im Rahmen der Charakterisierung der Schaumstabilität einer Reihe verdünnter Lösungen und/oder einer homologen Reihe von Tensiden muss der Referenzzeitpunkt stets gleich oder größer dem höchsten t_dev-Wert dieser Reihe sein.
Die Charakterisierung von Schäumen kann auch unter Verwendung der Geschwindigkeit des Schaumzerfalls und/oder der Abflussgeschwindigkeit der ausfließenden Lösung vorgenommen werden: vF = (dVF/dt) (2) vS = (dVS/dt) (3)
Tut man dies, so ist es von Bedeutung, sich auf einen physikalisch wohldefinierten Referenzzustand zu beziehen. Folglich schlagen wir vor, die Geschwindigkeit des Schaumzerfalls und die Abflussgeschwindigkeit am Abweichungszeitpunkt t_dev zu verwenden. Diese Geschwindigkeit wird durch vF dev = (dVF/dt)dev (2a) vS dev = (dVS/dt)dev (3a)wiedergegeben.
Da die Querschnittsfläche der Schaumsäule konstant ist, kann eine Veränderung des Schaum- und/oder Lösungsvolumens problemlos durch Messen der Veränderungen der korrespondierenden Höhen bestimmt werden. Folglich handelt es sich bei diesen spezifischen Geschwindigkeiten um die Geschwindigkeit des Schaumzerfalls und/oder die Geschwindigkeit der Veränderung des Füllstandes der Lösung pro Querschnittsflächeneinheit der Schaumsäule [cm³/(s × cm²)].
8 zeigt die v^F _dev-Werte der spezifischen Geschwindigkeiten des Schaumzerfalls bei t_dev für Lösungen unterschiedlicher Tenside. Wie hieraus ersichtlich ist, umfassen die v^F _dev-Werte vier Zehnerpotenzen. Instabile Schaumsysteme sind durch vergleichsweise hohe Abflussgeschwindigkeiten und nahezu konstante v^F _dev-Werte charakterisiert, während die Abflussgeschwindigkeiten stabiler Schaumsysteme um mindestens eine Zehnerpotenz kleiner sind. Bei sehr stabilen Schäumen sind die Abflussgeschwindigkeiten im Vergleich zu Lösungen, welche instabile Schäume bilden, in starkem Maße um bis zu drei Zehnerpotenzen verlangsamt.
Die anfängliche Abflussgeschwindigkeit von Lösung aus dem Schaum, v^S ₀, stellt ebenfalls einen zweckmäßigen Parameter zur Unterscheidung zwischen Schäumen unterschiedlicher Stabilität dar. Die v^S ₀-Werte werden aus der anfänglichen Steigung der Abhängigkeit h^F = f(t) bestimmt. Da dieser anfängliche Zeitraum kürzer ist als t_dev, bedeutet dies, dass Δh^F = Δh^S ist und vS 0 = vF 0 = V0 = (dhF/dt)t→0 = (dhSdt)t→0 (4)
9 zeigt die v₀-Werte als Funktion der Konzentration für Lösungen unterschiedlicher Tenside.
Gewöhnlich mussten die kurzlebigen Schäume von Nasssystemen mittels Gleichgewichtsverfahren charakterisiert werden [13, 14]. Das in diesem Patent vorgeschlagene Verfahren bedarf keiner Anwendung von Gleichgewichtsprozessen. Hierdurch können auch diese Schäume, welche eine kurze Lebensdauer aufweisen, mittels des Verfahrens charakterisiert werden.
Diese Erfindung umfasst ein Verfahren zur Bildung (meta)stabiler und instabiler Schäume durch Einbringen einer definierten Menge an Gas in eine definierte Menge an Lösung mit definierter Geschwindigkeit und sieht die Charakterisierung der Schaumstabilität bezüglich dynamischer Parameter vor, welche sich auf wohldefinierte Phasen des Schaumzerfalls beziehen.
Erfindungsgemäß kann die Schäumbarkeit eines Systems bestimmt werden. Die Schäumbarkeit ist die Fähigkeit einer Lösung, nach Einbringen eines definierten Volumens an Gas mit definierter Geschwindigkeit eine Schaumsäule zu bilden. Je größer das Volumen des Systems (Schaum plus Lösung mit Gasblasen) unmittelbar nach Einbringen des Gases ist, desto größer ist die Schäumbarkeit der Lösung.
Weiterhin kann die Schaumstabilität bestimmt werden. Die Schaumstabilität ist die Fähigkeit der Schaumschicht, ohne Zerfall fortzubestehen oder zu überdauern und einem Zerfall des Schaumfilms, welcher zu einem Zerfall der Schaumsäule/Schaumhöhe führt, entgegenzuwirken. Eine höhere Schaumstabilität bedeutet, dass Schaumfilme und Schaumschicht unter identischen Bedingungen vergleichsweise länger fortbestehen.
Die Erfindung wird durch die begleitenden Figuren und die nachfolgenden Beispiele weiter veranschaulicht.
1 ist ein vertikaler Querschnitt einer Testvorrichtung, welche nicht Teil der vorliegenden Erfindung ist und zur Messung der Schaumstabilität von Lösungen oberflächenaktiver Mittel verwendet wird.
2 zeigt die Differenz zwischen der anfänglichen Höhe der Schaumsäule (h^F ₀) und der Schaumhöhe zum Zeitpunkt t, (h^F _t) Δh^F = (h^F ₀ – h^F _t), bezogen auf das korrespondierende Volumen an abgeflossener Lösung, Δh^S = (h^S _t – h^S ₀), für drei unterschiedliche wässrige Tensidlösungen. ΔΔΔ 1.5 × 10³ M Oktansäure in 0.005 M Salzsäure; OOO 3 × 10^–4 M Decyl-β-D-glucopyranosid; ☐☐☐ 3 × 10^–4 M Natriumdodecylsulfat.
3a: Auftragung der Differenz (Δh^F – Δh^S) gegen den Logarithmus der Zeit für unterschiedliche Tensidlösungen. Der Pfeil zeigt jenen Zeitpunkt t_dev an, an welchem der Schaumzerfall einsetzt. ☐☐☐ 3 × 10^–4 M Natriumdodecylsulfat; OOO 2 × 10^–3 M Lithiumdodecylsulfat; ΔΔΔ 3 × 10^–4 M Decyl-βD-glucopyranosid; ∇∇∇ 1.5 × 10^–3 M Oktansäure in 0.005 M Salzsäure.
3b: Beispiele für die Abhängigkeit (Δh^F – Δh^S) vom Logarithmus der Zeit, wobei deren Wendepunkte durch Pfeile markiert sind. Die Zeit am Wendepunkt ist als Übergangszeitpunkt t_tr definiert. ☐☐☐ 3 × 10^–4 M Natriumdodecylsulfat; OOO 2 × 10^–3 M Lithiumdodecylsulfat.
4: Übergangszeitpunkt t_tr, an welchem die Synärese des Schaums vernachlässigbar wird (Δh^S ≈ 0), bezogen auf die Konzentration, für einige Lösungen unterschiedlicher Tenside. ΔΔΔ Oktansäure in 0.005 M Salzsäure; OOO Decyl-β-D-glucopyranosid; ∇∇∇ Decyldimethylphosphinoxid; ☐☐☐ Natriumdodecylsulfat.
5: Zeitpunkt des Zerfalls der Hälfte der Schaumsäule, t_1/2, bezogen auf die korrespondierenden Übergangszeitpunkte t_tr, für mehrere Lösungen unterschiedlicher Tenside. ∇∇∇ Nonyl-α-D-glucopyranosid; ΔΔΔ Decyldimethylphosphinoxid; ☐☐☐ Natriumdodecylsulfat; OOO Lithiumdodecylsulfat.
6: R5-Wert, bezogen auf die korrespondierenden Übergangszeitpunkte t_tr, für mehrere Lösungen dreier unterschiedlicher Tenside mit mittlerer Schaumstabilität. ΔΔΔ Octyl-β-D-glucopyranosid; OOO Nonyl-α-D-glucopyranosid; ☐☐☐ Decyldimethylphosphinoxid.
7: R5-Wert, bezogen auf die korrespondierenden Übergangszeitpunkte t_tr, für Lösungen von Tensiden mit hoher Schaumstabilität. ☐☐☐ Natriumdodecylsulfat; OOO Lithiumdodecylsulfat.
8: Spezifische Geschwindigkeit des Schaumzerfalls am Abweichungszeitpunkt, v^F _dev, bezogen auf die Konzentration. ∇∇∇ Heptansäure in 0.005 M Salzsäure; OOO Nonyl-α-D-glucopyranosid; ΔΔΔ Decyldimethylphosphinoxid; ☐☐☐ Natriumdodecylsulfat. (Spezifische Geschwindigkeit ist die Geschwindigkeit des Schaumzerfalls, welcher die Abflussgeschwindigkeit pro Querschnittsflächeneinheit der Schaumsäule darstellt [cm/s]).
9: Anfängliche Geschwindigkeit des Ausflusses an Lösung aus dem Schaum (entspricht der Geschwindigkeit des Schaumzerfalls), v₀, bezogen auf die Konzentration. ∇∇∇ Heptansäure in 0.005 M Salzsäure; OOO Nonyl-α-D-glucopyranosid; ΔΔΔ Decyldimethylphosphinoxid; ☐☐☐ Natriumdodecylsulfat.
Beispiel 1
1.1 Verfahren und standardisierte Art von Messungen
Bei der Auswertung der Daten für die in den Figuren dargestellten Kurven verwendeten wir das erfindungsgemäße Verfahren zur Untersuchung von Schäumen, welches genaue, reproduzierbare und repräsentative Ergebnisse liefert.
Die im Test verwendete Vorrichtung, welche nicht Teil der vorliegenden Erfindung ist, ist äußerst einfach und schematisch in 1 dargestellt. Der Aufbau besteht aus einer Glassäule, welche einen Innendurchmesser von 42 mm und eine Länge von 25 cm aufweist, mit einer im unteren Teil befindlichen G2-Glasfritte zum Dispergieren von Gas, sowie einer Spritze zum Einbringen einer definierten Menge an Gas (z. B. Luft) in die aufzuschäumende Lösung. Unterhalb der Fritte befindet sich ein Absperrhahn, welcher mit einer kleinen Pumpe verbunden ist, deren Kolben bei einem voreingestellten Gasfluss von z. B. 18 l/h automatisch betrieben wird. In der Mehrzahl der Experimente wurden Volumina von 50 ml an Lösung und 100 ml an Gas verwendet. Das Gas aus der Spritze wurde durch das gesinterte Glas hindurch in die Lösung eingebracht. 100 cm³ an Gas (90 cm³ in der automatischen Version [Paar-Registrierung]) wurden manuell innerhalb eines Zeitraums von 20 s oder 18 s zugeführt, d. h. es wurde in der überwiegenden Anzahl der Experimente eine mittlere volumetrische Gasgeschwindigkeit von 18 l/h verwendet. Dies wird als Standardverfahren empfohlen. Bei instabilen Schäumen wird empfohlen, eine Gaszufuhr mit etwa doppelter Geschwindigkeit zu verwenden.
1.2 Verfahren
Der Absperrhahn war bei Eingießen der Lösung (50 ml) in die Säule derart verriegelt, dass kein Schaum gebildet wurde. Sofern während des Eingießens der Lösung eine Schaumschicht gebildet worden war, wurde die Einbringung von Gas zurückgestellt, bis man den Flüssigkeitsspiegel erblicken konnte.
Die befüllte Schaumsäule wird zwischen den optischen Sensoren eines Schaumtestsystems (FTS) der Firma Paar fixiert. Diese Vorrichtung wurde ursprünglich zur Beobachtung des Schaumzerfalls von Bier in Biergläsern entwickelt. Um dieses Gerät den Schaummessungen anzupassen, wurde der untere Teil des FTS entfernt. Nachdem die befüllte Glassäule in geeigneter Weise zwischen den Sensoren positioniert worden war, wurde der Absperrhahn geöffnet und wurden anschließend 90 cm³ Luft mit einer Durchflussgeschwindigkeit von 18 l/h unter Verwendung einer hieran angeschlossenen RTU-Dosierpumpe (Firma Paar) durch die Fritte hindurch in die Tensidlösung eingeleitet. Anschließend wurden Schaum- und Lösungshöhe gleichzeitig gemessen. Aufgrund der gewissen Größe der Fotodioden betrug die minimal messbare Differenz der Höhe der Schaum- und/oder Lösungssäule 2.5 mm. Die Experimente wurden bei Raumtemperatur durchgeführt (22 ± 1°C).
In 2 ist die Differenz zwischen der anfänglichen Höhe der Schaumsäule und der Schaumhöhe zum Zeitpunkt t, Δh^F, gegen die korrespondierende Höhe der abgeflossenen Lösung, Δh^S, für drei unterschiedliche wässrige Tensidlösungen aufgetragen. Die drei Kurven sind typisch für die drei charakteristischen Phasen des Schaumzerfalls, welche allgemein beobachtet werden. Solange die Steigung dieser Kurve der Beziehung Δh^F/Δh^S = 1 folgt, findet keinerlei Schaumzerfall statt (Phase I). Die Dauer dieser Phase wird durch t_dev angezeigt. Ist Δh^F/Δh^S > 1, so treten Zerfall und Synärese gleichzeitig auf (Phase II). Im Falle von Δh^F/Δh^S >> 1 in Verbindung mit h^S _t ≈ konstant bedeutet dies schließlich, dass die Synärese beendet war und lediglich noch ein Zerfall stattfand (Phase III). Das Ende von Phase II und der Beginn von Phase III werden durch t_tr angezeigt (Übergangszeitpunkt – siehe 3b).
Bei der Oktansäure-Lösung gibt es lediglich ein sehr kurzes Zeitintervall, in welchem Phase I beobachtet wird. Sie ist bereits zu einem Zeitpunkt von weniger als 0.1 s beendet. (Da das Verfahren bei derart kurzen Zeiten an seine Detektionsgrenze stößt, ist dies die geringste detektierbare Zeit). Nachdem diese Phase durchlaufen ist, treten Zerfall und Synärese gleichzeitig auf. Allerdings wurde Phase III nicht beobachtet, da der Schaum zerfiel.
Die Natriumdodecylsulfat-Lösung zeigt ein ausgeprägtes Intervall der Phase I, welches für 1.2 s andauert. (Für Natriumdodecylsulfat-Lösungen der höchsten Konzentrationen dauert sie sehr viel länger an, d. h. für etwa 50 s). Dieser folgt eine ausgeprägte Phase II, welche erst nach 220 s beendet ist. Bei t >> 220 s findet lediglich noch ein Schaumzerfall statt (Phase III). Diese Zeitspanne herrscht dann für einen langen Zeitraum von mehr als 2000 s vor.
Die 3 × 10^–4 M Decyl-β-D-glucopyranosid-Lösung zeigt lediglich die Phasen I und III. Dies bedeutet, dass kein detektierbarer Übergangszeitraum vorhanden ist, in welchem Synärese und Zerfall gleichzeitig auftreten. Solange die Lösung aus dem Schaum ausfloss, zerfiel dieser nicht. Der letztere Zustand begann erst, nachdem die Synärese beendet war. Dieses Verhalten wird gewöhnlich bei Schaumsystemen mit höchster Stabilität beobachtet.
In 3a ist die Differenz der Variablen von 2, (Δh^F – Δh^S), für unterschiedliche Tensidlösungen gegen den Logarithmus der Zeit aufgetragen. Die Pfeile zeigen jenen Zeitpunkt an, an welchem der Schaumzerfall einsetzt, angegeben durch t_dev. Solange (Δh^F – Δh^S) = 0 ist, findet lediglich Synärese statt, d. h. Phase I schreitet voran. Jener Zeitpunkt, an welchem die Abhängigkeit (Δh^F – Δh^S) von null abzuweichen beginnt, wird Abweichungszeitpunkt t_dev genannt. Wie hieraus ersichtlich ist, umfassen die charakteristischen Abweichungszeitpunkte in Abhängigkeit von hauptsächlich der Stabilität des Schaums, der Konzentration der Lösung und/oder der Struktur des Tensids drei Zehnerpotenzen.
3b zeigt das Verfahren zur Bestimmung des Wertes des Übergangszeitpunktes t_tr. Der Übergangszeitpunkt t_tr, welcher den Zeitpunkt darstellt, an welchem die Synärese des Schaums beendet war (Δh^S ≈ 0), ist in 4 gegen die Konzentration verschiedener Lösungen unterschiedlicher Tenside aufgetragen. Instabile (nasse) und (meta)stabile (trockene) Schaumsysteme können problemlos mittels der nachfolgenden Bedingungen unterschieden werden: ttr < 10 s → instabil, ttr > 10 s → stabil.
Für sehr stabile Schäume gilt t_tr ≥ 100 s. ttr < 10 s → instabil, ttr > 10 s → stabil.
Für sehr stabile Schäume gilt t_tr ≥ 100 s.
Bei einfachen Tensiden umfasst der Parameter t_tr in Abhängigkeit von der Art des Tensids und der Konzentration seiner Lösungen etwa vier Zehnerpotenzen.
5 zeigt den Zeitpunkt des Zerfalls der Hälfte der Schaumsäule, t_1/2 _, bezogen auf die korrespondierenden Übergangszeitpunkte t_tr, für mehrere Lösungen unterschiedlicher Tenside. Es ist ersichtlich, dass der „klassische" Parameter t_1/2, welcher allgemein zur Charakterisierung der Schaumstabilität verwendet wird, innerhalb eines breiten Konzentrationsbereichs, mit Ausnahme der höchsten Konzentrationen, mit dem Parameter t_tr korreliert.
Um den Sinn und die Plausibilität des Parameters t_tr zusätzlich zu belegen, ist in 6 ein weiterer „klassischer" Parameter, der R5-Wert, bezogen auf die korrespondierenden Übergangszeitpunkte, für mehrere Lösungen unterschiedlicher Tenside mit mittlerer Schaumstabilität dargestellt. In jedem Fall korrespondieren längere Übergangszeiten mit steigenden R5-Werten.
7 zeigt dieselbe Abhängigkeit der R5-Werte von den korrespondierenden Übergangszeitpunkten t_tr für Tensidlösungen mit hoher Schaumstabilität. Wie hieraus ersichtlich ist, besteht eine gute Korrelation zwischen den R5-Werten und den korrespondierenden Übergangszeitpunkten. Dies ergibt sich aus dem einfachen, durch Gleichung (1), siehe oben, gegebenen Grund, dass die Referenzzeit t_ref gleich oder größer t_tr sein muss.
8 stellt die spezifische Geschwindigkeit des Schaumzerfalls am Abweichungszeitpunkt, v^F _dev, in Abhängigkeit von der Konzentration dar. Die spezifische Geschwindigkeit des Schaumzerfalls ist die mit der Querschnittsfläche der Schaumsäule in Beziehung stehende Geschwindigkeit [cm³/(s × cm²)], d. h. sie ist unabhängig vom Durchmesser der Schaumsäule. In dieser Figur sind die v^F _dev-Werte für Lösungen verschiedener Tensidkonzentrationen angegeben. Folglich sind die höchsten v^F _dev-Werte für nasse Schäume charakteristisch, während die niedrigsten v^S _dev-Werte für trockene Schaumsysteme typisch sind. Je niedriger die spezifische Abflussgeschwindigkeit ist, desto stabiler ist der korrespondierende Schaum.
9 zeigt die anfänglichen Geschwindigkeiten des Ausflusses an Lösung aus dem Schaum, welcher den Schaumzerfallsgeschwindigkeiten v₀, bezogen auf die Konzentration unterschiedlicher Tensidlösungen, entspricht.
1.3 Um Artefakte zu vermeiden, wurden Stammlösungen der für die hierin zuvor beschriebenen Experimente verwendeten Tenside mittels eines speziellen Hochleistungsreinigungsverfahrens gereinigt [17]. Der erforderliche Grad an „oberflächenchemischer Reinheit", bezeichnet als scp, wurde durch Anwenden des in [18] angegebenen Kriteriums überprüft.
Alle Glasgeräte und die zur Schaummessung verwendete Glassäule mit Fritte wurden mit Peroxoschwefelsäure gereinigt und mit bidestilliertem Wasser, welches unter Verwendung einer Quarz-Destillationsvorrichtung erzeugt worden war, gespült. Bidestilliertes Wasser wurde wiederholt durch die Fritte gesaugt. Die Säule wurde mit bidestilliertem Wasser befüllt und über Nacht in diesem Zustand gehalten. Vor der Verwendung wurde das Wasser über den unteren Ablass durch die Fritte abgesaugt.
Literaturstellen

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6. Lai, K. -Y., McCandlish, E. F. K., Aszman, H., in Liquid Detergents (surfactant science series, Bd. 67, K. -Y. Lai, Hrsg.), Marcel Dekker, New York, 1997, Kapitel 7: Light-Duty Liquid Detergents
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16. SITA-Internet Webseite: http://www.sita-messtechnik.de/forschung/index.html
17. Lunkenheimer, K., Pergande, H. -J. und Krüger, H., Apparatus for Programmed High-Performance Purification of Surfactant Solutions, Rev. Sci. Instrum. 58 (1987), 2313
18. Lunkenheimer, K. und Miller, R., A Criterion for Judging the Purity of Adsorbed Surfactant Lagers, J. Colloid Interface Sci. 120 (1987), 176

Claims

Verfahren zur Bestimmung und/oder Evaluierung der Schaumeigenschaften einer Lösung, wobei ein vorbestimmtes Volumen an Gas in ein vorbestimmtes Volumen der zu untersuchenden Lösung eingebracht wird und die Schaumhöhe h^F und der Ausfluss an Lösung h^S in Abhängigkeit von der Zeit gemessen werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaumstabilität auf Grundlage des Verhältnisses Δh^F/Δh^S klassifiziert wird, wobei in der Anfangsphase die Abnahme der Schaumhöhe Δh^F der Zunahme an Lösung Δh^S entspricht, so dass Δh^F/Δh^S = 1 ist, und wobei an einem Abweichungszeitpunkt t_dev ein Zerfall des Schaums einsetzt, wobei t_dev durch den Übergang von Δh^F/Δh^S = 1 zu Δh^F/Δh^S > 1 angezeigt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Zerfall des Schaums in die Kategorien (a) Anfangsphase, (b) Übergangsphase oder (c) Endphase klassifiziert wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei zusätzlich mindestens einer der charakteristischen Parameter Δh^F – Δh^S, t_tr, v^F, v^S, v^F _dev, V^S _dev, V^F, V^S und/oder v₀ bestimmt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei (i) Schäumbarkeit, (ii) Schaumstabilität, (iii) Flüssiggehalt im Schaum, (iv) Abflussgeschwindigkeiten bestimmt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Klassifizierung in (I) instabile Schäume oder (II) (meta)stabile Schäume vorgenommen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Schaum als instabiler Schaum klassifiziert wird, wenn t_dev ≤ 1 s ist, oder als (meta)stabiler Schaum klassifiziert wird, wenn t_dev > 1 s ist, bevorzugt wenn t_dev > 10 s ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Schaum als instabiler Schaum klassifiziert wird, wenn t_tr < 10 s ist, oder als (meta)stabiler Schaum klassifiziert wird, wenn t_tr > 10 s ist, bevorzugt wenn t_tr > 100 s ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Lösung aus Bier, Abwasser, Meerwasser, (Wasch-)Lauge, Löschlösungen, Emulsionen, Mikroemulsionen, Suspensionen, Schaumflotation, Frostschutzmitteln für Pflanzen, Lungenlavage oder/und amniotischer Flüssigkeit, oder einer beliebigen anderen schaumbildenden Lösung ausgewählt ist.
Verfahren zur Bestimmung und/oder Evaluierung der Schaumeigenschaften einer Lösung, wobei ein vorbestimmtes Volumen an Gas in ein vorbestimmtes Volumen der zu untersuchenden Lösung eingebracht wird und das Schaumvolumen V^F und das Volumen an abgeflossener Lösung V^S in Abhängigkeit von der Zeit gemessen werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaumstabilität auf Grundlage des Verhältnisses ΔV^F/ΔV^S klassifiziert wird, wobei in der Anfangsphase die Abnahme des Schaumvolumens ΔV^F der Zunahme des Volumens an abgeflossener Lösung ΔV^S entspricht, so dass ΔV^F/ΔV^S = 1 ist, und wobei an einem Abweichungszeitpunkt t_dev ein Zerfall des Schaums einsetzt, wobei t_dev durch den Übergang von ΔV^F/ΔV^S = 1 zu ΔV^F/ΔV^S > 1 angezeigt wird.