DE3521109A1 - Verfahren und vorrichtung zur galvanomagnetischen entfernung von ionen aus einer fluessigkeit - Google Patents

Description

• Verfahren und Vorrichtung zur galvanomagnetischen Entfernung von Ionen aus einer Flüssigkeit Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur galvanomagnetischen Abreicherung von Ionen in einer Flüssigkeit, insbesondere auch zur Entsalzung von Wasser, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens. Zur Entfernung von Ionen aus einer Flüssigkeit, beispielsweise zur Entsalzung von Meerwasser, sind viele verschiedene Verfahren bekannt.
• So gibt es außer der Destillation und der Umkehrosmose noch Verfahren nach dem Prinzip der Elektroosmose und einige andere Konzepte.
• Auch ist es beispielsweise aus der GB-A-2 123 399 bekannt, Flüssigkeiten mit Hilfe von magnetischer Resonanz zu reinigen, wobei verschieden gepolte Elektroden im Flüssigkeitsbehälter angeordnet sind Ferner gibt es Erkenntnisse über das Auftreten des Hall-Effektes an Elektrolytlösungen, wie beispielsweise beschrieben in Berichte der Bunsen-Gesellschaft für physikalische Chemie" Band 78, Nummer 4, 1974, Seite 325 - 331 unter dem Titel Über den Hall-Effekt an einigen Elektrolytlösungen und Membranen". Dort wird erläutert, welchen Einfluß elektrische und magnetische Felder auf Elektrolytlösungen haben.
• Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Abreicherung von Ionen'in einerFlüssigkeit anzugeben, welches den Einfluß von elektrischen und magnetischen Feldern auf Elektrolytlösungen ausnutzt und technisch anwendbar macht. Ferner soll eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens angegeben werden Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Verfahren nach dem Anspruch 1 vorgeschlagen Wie anhand der Zeichnung noch näher erläutert wird, wird die die Ionen enthaltende Flüssigkeit möglichst unter Einhaltung der Bedingungen für laminare Strömung durch eine Trennzelle geleitet, in der mittels Elektroden ein elektrisches gleichfeld in Strömungsrichtung aufrecht erhalten wird Dadurch werden in dem elektrischen Feld positive und negative Ionen in unterschiedlichen Richtungen beschleunigt, so daß sie insgesamt verschieden große Geschwindigkeiten aufweisen.
• Gleichzeitig wird senkrecht zur Strömungsrichtung und zur Ebene der Trennzelle ein magnetisches Gleichfeld innerhalb der Trennzelle aufrecht erhalten, welches Lorentz-Kräfte auf die Ionen ausübt, welche sich nach der Lenz'schen Regel bestimmen lassen. Elektrisches und magnetisches Feld bewirken zusammen mit der Strömungsgeschwindigkeit der Ionen insgesamt für.positiv und negativ geladene Teilchen in dieselbe Richtung eine Kon zentrationsverschiebung, welche senkrecht zum elektrischen Feld und zum Magnetfeld verläuft. Am Ende der Trennzelle kann daher der Flüssigkeitsstrom in einen mit Ionen angereicherten und einen mit Ionen abgereicherten Teilstrom aufgespalten werden.
• In weiterer-Ausgestaltung der Erfindung wird im Anspruch 2 vorgeschlagen, daß in der Trennzelle ein inhomogenes elektrisches Feld mit einer größten Dichte im Bereich des angereicherten Teilstromes aufrecht erhalten wird Das Vorhandensein eines inhomogenen Feldes verstärkt den oben beschriebenen Effekt noch und erhöht damit den Trennfaktor der Trennzelle.
• In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird im Anspruch 3 vorgeschlagen, daß mehrere Trennzellen kaskadenartig hintereinander geschaltet werden, wie dies im Prinzip aus den verschiedenen Anlagen zur Isotopenanreicherung, insbesondere der Urananreicherung, bekannt ist. Dadurch wird eine weitgehende Entfernung aller Ionen aus der Flüssigkeit bewirkt, auch wenn die einzelne Trennzelle nur einen geringen Wirkungsgrad hat. Z. B. bei der Meerwasserentsalzung ist dabei das Verwerfen der angereicherten Fraktion ohne Einfluß auf die Eingangskonzentration.
• In spezieller Ausgestaltung der Erfindung wird im Anspruch 4 vorgeschlagen, das Magnetfeld durch Permanentmagneten, Elektromagneten oder durch Supraleitende Magneten zu erzeugen. Je nach der Größe der Anlage und der gewünschten magnetischen Feldstärke, welche wiederum einen Einfluß auf den Trennfaktor hat, können geeignete Magnete ausgewählt werden.
• Im Anspruch 5 wird ein Verfahren vorgeschlagen, welches sich insbesondere für kleinere Anlagen eignet, wo es nicht auf große Durchsätze sondern auf eine Minimierung des technischen Aufwandes ankommt. Dazu wird vorgeschlagen, nur eine oder wenige Trennzellen hintereinander zu schalten, diese aber von der ionenhaltigen Flüssigkeit mehrfach durchlaufen zu lassen, wobei die abgereicherte Flüssigkeit aus dem jeweiligen Arbeitstakt zwischengespeichert und im nächsten Arbeitstakt zum Einlaß des Systems zurückgeführt wird.
• Eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird im Anspruch 6 beschrieben. Diese Anordnung ermöglicht die gleichzeitige Aufrechterhaltung eines elektrischen Feldes in Strömungsrichtung und eines Magnetfeldes senkrecht zur Strömungsrichtung, wodurch die gewünschte Konzentrationsverschiebung. erreicht wird und sich am Ende der Trennzelle zwei verschieden stark mit Ionen angereicherte Flüssigkeitsteilströme trennen lassen In spezieller Ausgestaltung der Erfindung wird im Anspruch 7 vorgeschlagen, daß eine Elektrode nahe dem Flüssigkeitseinlaß angeordnet ist und sich gitterförmig etwa über den gesamten Zellenquerschnitt erstreckt, während die zweite Elektrode nahe dem Flüssigkeitsauslaß für abgereicherte Flüssigkeit angeordnet ist und sich gitterförmig nur etwa über diesen Auslaßquerschnitt erstreckt. Dadurch läßt sich ein inhomogenes elektrisches Feld in der Zelle aufrecht erhalten, welches für einen guten Trennfaktor besonders günstig geformt ist.
• In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird in Anspruch 8 vorgeschlagen, daß die Elektroden gegenüber der Flüssigkeit isoliert sind. Dadurch lassen sich hohe Feldstärken anlegen, ohne daß es zu einer Elektrodenreaktion mit evtl. Gasentwicklung, d. h. einer Elek#trolyse, kommt.
• Entsprechend wird dazu in Anspruch 9 vorgeschlagen, daß die Elektroden für eine Beaufschlagung mit hoher Spannungausgelegt sein sollen, mindestens für 100 Volt,. vorzugsweise jedoch sogar für Spannungen von bis zu mehreren Kilovolt.
• Nach Anspruch 10 werden fernerhin Mittel. zur Vergleichmäßigung der Strömung in oder vor der Trennzelle vorgesehen, um Verwirbelungen und dadurch eine Verringerung des Trennfaktors zu vermeiden.
• Für eine Anwendung auf Flüssigkeiten, in denen Ionen stark verschiedener Ionenbeweglichkeit enthalten sind, wird gemäß Anspruch 10 speziell vorgeschlagen, elektrisches und magnetisches Feld gerade so zu polen, daß die beweglichere Ionenart in Richtung des Auslasses für angereicherte Flüssigkeit abgelenkt wird. Diese Maßnahme verbessert das Trennverfahren und ist beispielsweise für Flüssigkeiten wie Salzsäure (HCl) und dergleichen geeignet.
• Zum besseren Verständnis sei die der Erfindung zugrundeliegende Theorie anhand der Zeichnung näher erläutert.
• In der Zeichnung ist schematisch ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt, und zwar zeigen Figur 1 eine erfindungsgemäße Trennzelle in einem Schnitt in der X-Y-Ebene gemäß zugehörigem Koordinatensystem und Figur 2 einen Schnitt durch die Trennzelle in X-Z-Ebene.
• Die Trennzelle 1 besteht aus einem vorzugsweise rechteckigen Strömungskanal mit elektrisch nicht leitenden Wänden. Sie weist einen Einlaß 2 und zwei in der X-Y-Ebene nebeneinander liegende Auslässe 3, 4 auf. Nahe dem Einlaß 2 ist eine vorzugsweise gitterförmige Elektrode 5 angeordnet, welche sich in Y-Z-Ebene erstreckt. Ferner ist nahe dem einen Auslaß 3 eine ebenfalls vorzugsweise gitterförmige Elektrode 6 angeordnet, welche sich in Y-Z-Ebene über den Auslaßquerschnitt des Auslasses 3 erstreckt. Die Elektroden 5, 6 sind an eine Gleichspannungsquelle 7 anschließbar. Dadurch ist ein elektrisches Feld E, dessen Verlauf durch die Feldlinien 8 angedeutet ist, innerhalb der Trennzelle 1 aufrechterhaltbar. Das der Figur 1 zugeordnete Koordinatensystem veranschaulicht die Richtung der einzelnen Teile und Felder. Die Strömungsrichtung der Flüssigkeit ist durch Pfeile angedeutet Falls sich in der Flüssigkeit Ionen 9, 10 befinden, so werden diese je nach dem Vorzeichen ihrer Ladung durch das elektrische Feld beschleunigt oder abgebremst. Die positiven Ionen erhalten dabei die Geschwindigkeit ev+, die negativen Ionen die Geschwindigkeit v-.
• Wie in Figur 2 verdeutlicht, wird außer dem elektrischen Feld E in der Trennzelle 1 auch ein magnetisches Feld B aufrecht erhalten, welches in Z-Richtung verläuft, d. h.
• senkrecht zur Strömungsrichtung und zur Ebene der Trennzelle 1. Vorzugsweise liegt die Trennzelle 1, wie in Figur 2 dargestellt, zwischen den Polschuhen 11, 12 eines Magneten, wobei es sich um einen Permanentmagneten, einen Elektromagneten oder auch um einen Supraleitenden Magneten handeln kann. Es können auch mehrere miteinander als Kaskade verschaltete Trennzellen innerhalb der Polschuhe eines Magneten angeordnet werden.
• Zum Verständnis der Erfindung sei noch auf folgende theoretische Einzelheiten hingewiesen: Eine mit der Geschwindigkeit v bewegte elektrische Ladung e wird in einem Magnetfeld B durch eine Kraft K abgelenkt, für welche folgendes gilt: Entgegengesetzte Ladungen werden danach in verschiedene Richtungen abgelenkt. Durch den zusätzlichen Einfluß eines elektrischen Feldes E erhalten jedoch die Ionen mit verschiedenen Vorzeichen eine verschiedene Geschwindigkeit, so daß sie unterschiedlich stark abgelenkt werden. Gleichzeitig wirkt-natürlich noch die Coulombanziehung zwischen den Ladungen, woraus sich eine resultierende Kraft auf alle Ionen in eine Richtung senkrecht zur Strömungsrichtung, d. h. in Y-Richtung, ergibt. Beim Durchströmen einer Ionen enthaltenden Flüssigkeit durch die Trennzelle, werden daher positiv und negativ geladene Ionen in Y-Richtung nach einer Seite abgelenkt. Dadurch entsteht eine Konzentrationsverschiebung, Konzentrationsverschiébung, welche am Auslaß der Trennzelle dazu ausgenutzt werden kann, eine mit Ionen angereicherte und eine abgereicherte Fraktion zu trennen. Der Trennfaktor, d. h. das Konzentrationsverhältnis zwischen angereicherter und abgereicherter Fraktion ist dabei abhängig von der magnetischen Feldstärke, der elektrischen Feldstärke, der Länge der Trennzelle, auf der diese Feldstärken wirken und von dem Querschnittsverhältnis der beiden Auslaßöffnungen der Trennzelle. Durch Beeinflussung dieser Größen lassen sich Trennzellen für verschiedene Anwendungsfälle verwirklichen. Dabei müssen bei den Berechnungen die Wanderungsgeschwindigkeiten der beteiligten Ionen und einige andere in Elektrolyten auftretende Effekte berücksichtigt werden. Es lassen sich jedoch für die meisten Anwendungsfälle geeignete Trennzellen konstruieren.
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Claims (11)

1. Verfahren und Vorrichtung zur galvanomagnetischen Entfernung von Ionen aus einer Flüssigkeit Patentansprüche 1. Verfahren zur galvanomagnetischen Trennung von Ionen aus einer Flüssigkeit, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: a) Die Ione# enthaltende Flüssigkeit wird unter Einhaltung der Bedingungen für laminare Strömung durch eine Trennzelle (1) geleitet.

   b) In der Trennzelle (1) wird mittels. Elektroden (5, 6), die an eine Gleichspannungsquelle (7) angeschlossen sind, ein elektrisches Feld (8) in Strömungsrichtung (X) aufrecht erhalten.

   c) Senkrecht (Z) zur Strömungsrichtung (X) und zur Ebene (X, Y) der Trennzelle (1) wird innerhalb der Trennzelle ein Magnetfeld () aufrecht erhalten.

   d) Am Ende der Trennzelle (1) erfolgt eine Aufspaltung des Flüssigkeitsstromes in einen mit Ionen angereicherten (3) und einen mit Ionen abgereicherten (4) Teilstrom entsprechend der senkrecht zum Magnetfeld (B) und zur Strömungsrichtung (X) in der Trennzelle (1) erfolgten Ionenkonzentrationsverschiebung.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Trennzelle (1) ein inhomogenes elektrisches Feld (8) mit einer größten Dichte im Bereich des angereicherten Teilstromes aufrecht erhalten wird
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Trennzellen (1) kaskadenartig hintereinander geschaltet werden, wobei der jeweils in einer Trennzelle (1) abqereicherte Teilstrom in weiteren Trennzellen (1) immer weiter abgereichert wird, während die angereicherten Teil ströme verworfen oder zum Einlaß vorhergehender Trennstufen zurückgeleitet werden.
4. 4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Magnetfeld (B#) durch Permanentmagneten, Elektromagneten oder Supraleitende Magneten erzeugt wird.
5. 5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine oder mehrere kaskadenartig geschaltete Trennzellen (1) unter Zwischenspeicherung der abgereicherten Flüssigkeitsmengen derartig diskontinuierlich periodisch betrieben werden, daß die zwischengespeicherten Flüssigkeitsmengen im jeweils nächsten Arbeitstakt weiter ab.gereichert werden.
6. 6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: a) Zwischen den Polschuhen (11, 12) eines Magneten ist mindestens eine von einer Flüssigkeit .senkrecht .zur Richtung des Magnetfeldes (B#) durchströmbare Trennzelle (1) angeordnet.

   b) Die Trennzelle (1) bildet einen Strömungskanal, der einen Flüssigkeitseinlaß (2) und aneinanderqrenzend einen Flüssigkeitsauslaß (3) für mit Ionen angereicherte Flüssigkeit und einenFlüssigkeitsauslaß (4) für mit Ionen abgereicherte Flüssigkeit aufweist.

   c) In der Trennzelle (1) sind Elektroden (5, 6) derart angeordnet, daß bei Anlegen einer Spannung ein elektrisches Feld (8) in Strömungsrichtung aufrecht erhaltbar ist.
7. 7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine Elektrode (5) nahe dem Flüssigkeitseinlaß (2) angeordnet ist und sich gitterförmig etwa über den gesamten Zellenquerschnitt erstreckt und daß die zweite Elektrode (6) nahe dem Flüssigkeitsauslaß (3) für abgereicherte Flüssigkeit angeordnet ist und sich gitterförmig etwa über diesen Auslaßquerschnitt erstreckt.
8. 8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (5, 6) gegenüber der Flüssigkeit isoliert sind.
9. 9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden mit einer Spannung von mehreren kV, zumindest aber von bis zu 100 Vlbeaufschlagbar sind.
10. 10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel zur Vergleichmäßigung der Strömung in oder vor der Trennzelle (1) vorhanden sind
11. 11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Magnetfeld (B#) und das elektrische Feld (E#) gerade so gepolt sind, daß bei in der Flüssigkeit enthaltenen Ionen unterschiedlicher Beweglichkeit die beweglicheren Ionen in Richtung des Auslasses für angereicherte Flüssigkeit abgelenkt werden