DE3624626A1 - Verfahren zur abtrennung von stoffen aus einem stoffgemisch unter verwendung von magnetischen fluessigkeiten - Google Patents
Verfahren zur abtrennung von stoffen aus einem stoffgemisch unter verwendung von magnetischen fluessigkeitenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Abtrennung von Stof
fen aus einem Stoffgemisch unter Verwendung von magnetischen
Flüssigkeiten, die in der Lage sind, die abzutrennenden Stoffe
zu sorbieren. Die magnetische Flüssigkeit wird dabei verteilt
und mit dem Stoffgemisch in Kontakt gebracht. Durch die Schaf
fung einer möglichst großen Oberfläche an magnetischer Flüs
sigkeit wird eine große Stoffaustauschfläche und damit eine
schnelle Einstellung des Sorptionsgleichgewichtes erreicht.
Durch die Einwirkung von Magnetfeldern - insbesondere inhomo
gener Felder - kann die magnetische Flüssigkeit im Stoffge
misch bewegt oder im fließenden Stoffgemisch fixiert werden.
Zur Erhöung der Verweilzeit der magnetischen Flüssigkeit
befinden sich im Sorptionsgefäß magnetisierbare oder magneti
sche Einbauten, die sich mit einem Film von magnetischer Flüs
sigkeit überziehen. Durch die Stärke des Magnetfeldes und
durch den Volumenstrom an magnetischer Flüssigkeit kann die
Verweilzeit in weiten Grenzen variiert werden. Die Abtrennung
der mit Stoffen beladenen magnetischen Flüssigkeit aus dem
Stoffgemisch erfolgt durch Anziehung in einem inhomogenen Mag
netfeld, indem die magnetische Flüssigkeit zu den Stellen
höherer Feldliniendichte bewegt wird und sich dort abscheidet.
Die so abgetrennte magnetische Flüssigkeit kann nun in einem
separaten Behälter durch bekannte Trennverfahren, wie durch
Verdampfen der sorbierten Stoffe, regeneriert werden.
Die Regenerierung der magnetischen Flüssigkeit von sorbierten
Feststoffteilchen erfolgt durch Einwirkung von inhomogenen
Magnetfeldern, indem die magnetische Flüssigkeit beim Fließen
zu den Stellen höherer Feldliniendichte eine Filterschicht
passiert oder indem diamagnetische Feststoffteilchen aus der
magnetischen Flüssigkeit herausgedrängt und mechanisch von der
Oberfläche der Flüssigkeit entfernt werden.
Bei den herkömmlichen Sorptionsverfahren werden die Stoffe aus
dem Stoffgemisch durch Adsorption an festen oder flüssigen
Phasengrenzen oder durch Absorption in Flüssigkeiten oder
Feststoffen entfernt. Bei den Absorptionsverfahren, die ein
flüssiges Absorptionsmittel verwenden, wird eine möglichst
große Oberfläche durch Rieselfilme, Tropfenbildung oder Zer
stäubung geschaffen und das Sorptionsmittel mit dem Stoffge
misch in Kontakt gebracht. Die Güte des Stoffaustausches ist
durch die apparativen Parameter und durch die Kinetik der
Sorptionsvorgänge bestimmt. Ein intensiver Stoffaustausch er
fordert eine möglichst große Austauschfläche, große Geschwin
digkeitsunterschiede zwischen Sorptionsmittel und Stoffgemisch
und große Sorptionskoeffizienten. Nachteilig bei den herkömm
lichen Verfahren sind die geringen Kontaktzeiten zwischen
Sorptionsmittel und Stoffgemisch, vor allen Dingen bei Zer
stäubungswäschern, und die Trennung von Sorptionsmittel und
Stoffgemisch nach erfolgter Sorption.
Die Investitionskosten solcher Sorptionsverfahren sind hoch
und die Emission von Sorptionsmitteln in die Umwelt problema
tisch.
Der in Anspruch 1 angegebenen Erfindung liegt die Aufgabe
zugrunde, bei einem Verfahren der eingangs angegebenen Art
unter Vermeidung der genannten Nachteile bei der Sorption von
Stoffen aus einem Stoffgemisch eine Verringerung der Investi
tions- und Betriebskosten sowie eine Reduzierung der Emission
von Sorptionsmitteln in die Umwelt zu erreichen.
Erfindungsgemäß wird das dadurch erreicht, daß man
- a) einen Teil der Stoffe aus dem Stoffgemisch sorbiert, indem man das Stoffgemisch mit magnetischen Flüssigkeiten in Kon takt bringt, die eine zum Sorbieren der Stoffe geeignete Zusammensetzung besitzt,
- b) auf die magnetische Flüssigkeit Magnetfelder einwirken läßt, die die Verweilzeit der magnetischen Flüssigkeit im Stoffgemisch erhöht und den Kontakt zum Stoffgemisch inten siviert,
- c) im Sorptionsgefäß magnetische oder magnetisierbare Einbau ten anbringt, die die Verweildauer der magnetischen Flüs sigkeit erhöhen und die im Stoffgemisch enthaltene magne tische Flüssigkeit abtrennen,
- d) die mit einem Teil der Stoffe aus dem Stoffgemisch beladene magnetische Flüssigkeit unter Einwirkung von Magnetfeldern aus dem Sorptionsgefäß entfernt,
- e) zur Regnerierung der magnetischen Flüssigkeit mindestens einen Teil der sorbierten Stoffe aus der magnetischen Flüs sigkeit entfernt und die Desorption in einem anderen Gefäß als die Sorption durchführt.
Die magnetischen Flüssigkeiten bestehen aus magnetischen Ein
domänenteilchen mit einem Teilchendurchmesser im Bereich von
5-50 nm und einem Dispersionsmittel, das die abzutrennenden
Stoffe sorptiv binden kann. Damit die Magnetteilchen auch
unter Magnetfeldeinwirkung nicht agglomerieren, sind sie mit
einer Schicht von Stabilisatormolekülen umgeben.
Erfindungsgemäß ist es günstig, daß die Stabilisatormoleküle
chemisch mit der Magnetteilchenoberfläche verbunden sind, da
dann nicht die Gefahr besteht, daß sorbierte Moleküle durch
Konkurrenzadsorption die Stabilisatormoleküle von der Teil
chenoberfläche verdrängen und mit die Magnetteilchen agglome
rieren und die magnetische Flüssigkeit zerstören können.
Außerdem können solche chemisch gebundenen Stabilisatormole
küle mit Substanzen verbunden sein, die mit den zu sorbieren
den Stoffen Wechselwirkung eingehen und so die sorbierenden
Eigenschaften des Dispersonsmittels verbessern können. Solche
an Stabilisatormoleküle chemisch gebundenen Substanzen können
niedermolekulare anorganische und organische Verbindungen
sein, wie Phosphorsäure, Borsäure, Zitronensäure, Weinsäure,
Äthylendiamintetraessigsäure usw. oder höhermolekulare Ver
bindungen, wie Enzyme, Antigene, Antikörper, Bakterien usw.
Die verwendeten Dispersonsmittel können reine Flüssigkeiten,
wie Wasser, Paraffinöl, Alkylaromaten, Ester, Äther, Ketone
usw. sein, Flüssigkeitsgemische, wie wäßrige alkoholische
Lösungen, oder Mischungen von Lösungsmittel und gelösten Sub
stanzen, wie in Wasser gelöste Säuren, Laugen, Salze.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können gasförmige, flüs
sige und feste Stoffe sorbiert werden, wobei feste Stoffe be
vorzugt aus Gas-Feststoff-Gemischen sorbierbar sind.
Je nachdem welche Stoffe aus dem Stoffgemisch sorbiert werden
sollen, wählt man geeignete magnetische Flüssigkeiten aus.
Diese Auswahl richtet sich nach den Eigenschaften der zu sor
bierenden Stoffe, d.h. danach welche Wechselwirkungen zwischen
der magnetischen Flüssigkeit und den zu sorbierenden Stoffen
bei der Sorption ausgenutzt werden sollen.
Die magnetischen Flüssigkeiten werden im Sorptionsgefäß mit
dem Stoffgemisch in Kontakt gebracht.
Erfindungsgemäß ist es vorteilhaft, wenn die magnetischen
Flüssigkeiten eine möglichst große Oberfläche besitzen. Zur
Oberflächenvergrößerung von Flüssigkeiten gibt es viele be
kannte technische Verfahren, die prinzipiell zur Anwendung
kommen können, wie z.B. die Filmbildung auf großen Feststoff
oberflächen, Tröpfchenbildung durch Zerstäubung.
So kann bei der Sorption von Gasen aus Gasgemischen die magne
tische Flüssigkeit mittels Ultraschallzerstäubung oder einer
Einstoffdüse in das Gasgemisch eingespritzt oder mit Hilfe des
Gasgemisches in einer Zweistoffdüse zerstäubt werden.
Bei flüssigen Stoffgemischen sollte die magnetische Flüssig
keit nicht mit dem Stoffgemisch mischbar sein. Hier kann eine
einfache Verteilung der magnetischen Flüssigkeit durch Rühren
erreicht werden.
Die verteilte magnetische Flüssigkeit kann im Sorptionsgefäß
durch Magnetfelder transportiert oder fixiert werden, da auf
magnetische Flüssigkeiten in einem inhomogenen Kraftfeld
immer Kräfte einwirken, die sie zu den Stellen höchster Feld
liniendichte strömen lassen. So können magnetische Flüssigkei
ten bei genügend großen Feldstärkegradienten auch gegen den
Stoffstrom transportiert werden. Je nachdem wie die inhomo
genen Magnetfelder im Sorptionsgefäß angeordnet sind und wel
che Feldstärkegradienten vorherrschen, kann die magnetische
Flüssigkeit im Gleichstrom, Gegenstrom oder Kreuzstrom zum
Stoffgemischstrom transportiert werden.
Um die Verweildauer der magnetischen Flüssigkeit im Sorptions
gefäß zu erhöhen, können in bestimmten Bereichen des Sorp
tionsgefäßes magnetische oder magnetisierbare Einbauten ange
ordnet werden, die aus Feststoffen mit großen, stark gekrümm
ten Oberflächen, wie Faserbündel, Gewirke, Lamellen usw.,
bestehen. Ordnet man diese magnetischen Einbauten im Bereich
der zum Transport der magnetischen Flüssigkeiten angewendeten
Magnetfelder an, so herrschen auf der Oberfläche solch stark
gekrümmter Einbauten schon bei relativ niedrigen Feldstärken
hohe Feldstärkegradienten, durch die die magnetische Flüssig
keit stark angezogen und fixiert wird. Es bilden sich so Film
schichten von magnetischen Flüssigkeiten aus, deren Dicke von
den magnetischen Parametern und den wirkenden Kräften, insbe
sondere der Strömungsgeschwindigkeit des Stoffgemisches abhän
gen.
Es bildet sich eine Filmdicke aus, die unabhängig von der an
gezogenen Menge an magnetischer Flüssigkeit ist, wenn der Ab
transport der magnetischen Flüssigkeit durch Magnetfelder oder
durch Stoffgemischströmung erfolgen kann. Die mittlere Ver
weildauer der magnetischen Flüssigkeit kann durch die zuge
führte Menge und durch die magnetische Sättigungsinduktion der
magnetischen Flüssigkeit variiert und dem Sorptionsprozeß an
gepaßt werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren hat gegenüber den bisherigen
Sorptionsverfahren auch den Vorteil, daß die Sättigungsinduk
tion der magnetischen Flüssigkeit mit steigender sorbierter
Stoffmenge kleiner und damit die Anziehungskraft im inhomoge
nen Magnetfeld geringer wird. Mit Stoff beladene magnetische
Flüssigkeit wird dadurch leichter von den magnetischen Einbau
ten enfernt als frische unbeladene magnetische Flüssigkeit,
was den Wirkungsgrad der Sorption erhöht.
Die Abtrennung der magnetischen Flüssigkeit vom Stoffgemisch
strom kann durch die magnetischen Einbauten erreicht werden,
wenn im Inneren des Sorptionsgefäßes ein Feldstärkegradient
aufgebaut ist, der die magnetische Flüssigkeit zu einem äuße
ren oder inneren Rand des Sorptionsgefäßes fließen läßt. Hier
kann die mit Stoff beladene magnetische Flüssigkeit aus dem
Sorptionsgefäß entfernt und dem Desorptionsgefäß zugeführt
werden, indem sie abgepumpt oder durch eine magnetische Flüs
sigkeitsabdichtung abfließen kann.
Um auch restliche, mit dem Stoffgemischstrom mitgerissene mag
netische Flüssigkeit abzutrennen, können weitere in Reihe
geschaltete magnetische oder magnetisierbare Einbauten großer
Oberfläche angeordnet werden, die die magnetische Flüssigkeit
durch inhomogene Magnetfelder abscheiden und durch magnetische
Flüssigkeitsabdichtungen zum Desorptionsgefäß abfließen
lassen.
Im Desorptionsgefäß erfolgt die Abtrennung der sorbierten
Stoffe entsprechend deren physikalischen und chemischen Eigen
schaften durch bekannte Trennverfahren, wie z.B. Verdampfen,
Extrahieren, Dialyse, Ultrafiltration.
Die zum Transport, zur Erhöhung der Verweilzeit und zur Ab
scheidung der magnetischen Flüssigkeit verwendeten Magnetfel
der können durch Permanentmagnete oder durch Elektromagnete
erzeugt werden. Bei elektrisch erzeugten Magnetfeldern können
es Gleichfelder, Wechselfelder, gepulste Felder oder auch
rotierende oder lineare Wanderfelder sein.
Die magnetischen oder magnetisierbaren Einbauten bestehen aus
ferro-, ferri- oder superparamagnetischen Materialien, wie
z.B. γ -Fe2O3, Fe3O4, Ferrite, Fe, Ni oder magnetische
Metallegierungen.
Die Erfindung ist nicht durch die Form, Anordnung oder Stärke
der verwendeten Magnete beschränkt, ebenso nicht durch die an
gewendeten Materialien, Formen und Anordnungen der magneti
schen oder magnetisierbaren Einbauten.
Die Erfindung ist nicht auf die Gefäßstruktur oder auf das
Gefäßmaterial beschränkt. Das erfindungsgemäße Verfahren ist
für die Trennung vieler Stoffgemische einsetzbar, wie z.B. für
die Trocknung von Gasen und Flüssigkeiten, für die Abtrennung
von Lösungsmitteln aus Gasen, für die Entfernung von schwe
felhaltigen Verbindungen aus Erdgas, für die Absorption von
Schwefel- und Stickstoffverbindungen aus Rauchgasen, für die
Abtrennung von Feinststäuben aus Luft oder Industriegasen, für
die biologische Reinigung von Abluft, für die extraktive Ent
fernung von in Wasser gelösten organischen Inhaltstoffen, für
die extraktive Entfernung von in organischen Flüssigkeiten
gelösten Stoffen.
In Fig. 1 ist eine grundsätzliche Ausführungsform des erfin
dungsgemäßen Verfahrens schematisch dargestellt.
Über die Leitung 1 wird das Stoffgemisch 2 in den Sorptionsbe
hälter 3 eingeleitet. Über die Leitung 4 wird magnetische
Flüssigkeit 5 von der Zerstäuberdüse 6 angesaugt und in den
Sorptionsbehälter versprüht. Die z.T. mit Stoff beladenen
Tröpfchen aus magnetischer Flüssigkeit 7 treffen auf die mag
netischen Einbauten 8, die sich im inhomogenen Magnetfeld des
Ringmagneten 9 befinden. Die magnetischen Flüssigkeitströpf
chen scheiden sich unter der Wirkung der inhomogenen Magnet
felder der stark gekrümmten Oberflächen der magnetischen Ein
bauten ab und sorbieren weiterhin Stoffe aus dem Stoffgemisch.
Aufgrund der höhren Magnetfeldstärke auf der Oberfläche der
Ringmagnete fließt die mit Stoffen beladene magnetische Flüs
sigkeit zum Ringmagneten 9. Die magnetischen Einbauten sind
am äußeren Rand von einem perforierten Rohr 10 umgeben, in dem
sich die magnetische Flüssigkeit sammelt und durch die Lei
tung 11 in das Desorptionsgefäß 12 abgeführt wird. Hier er
folgt z.B. die thermische Regeneration der magnetischen Flüs
sigkeit. Am Kopf des Desortionsgefäßes 12 entweichen die sor
bierten Stoffe 13, im Sumpf wird die magnetische Flüssigkeit
über Leitung 14 in den Sorptionsbehälter 3 zurückgeführt. Die
aus dem Sorptionsbehälter 3 in Leitung 14 mitgerissenen Tröpf
chen von magnetischer Flüssigkeit werden im nachgeschalteten
Magnetabscheider 15, der nach dem gleichen Prinzip wie die Ab
scheidung durch den Ringmagneten 9 und die magnetischen Ein
bauten 8 arbeitet, abgeschieden und der Regenerierung zuge
führt. Der von den Stoffen befreite Stoffgemischstrom 16 ver
läßt die Apparatur durch die Leitung 17.
Erfindungsgemäß können mehrere Sorptionsgefäße, auch für un
terschiedliche Stoffe, angewendet und auch mehrere Magnetfil
ter in Reihe angeordnet werden.
Claims (9)
1. Verfahren zur Abtrennung von Stoffen aus einem Stoffge
misch, gekennzeichnet dadurch, daß man
- a) einen Teil der Stoffe aus dem Stoffgemisch sorbiert, indem man das Stoffgemisch mit magnetischer Flüssigkeit in Kon takt bringt, die eine zum Sorbieren der Stoffe geeignete Zusammensetzung besitzt,
- b) auf die magnetische Flüssigkeit Magnetfelder einwirken läßt, die die Verweilzeit der magnetischen Flüssigkeit im Stoffgemisch erhöht und den Kontakt zum Stoffgemisch inten siviert,
- c) im Sorptionsgefäß magnetische oder magnetisierbare Einbau ten enthalten sind, die die Verweildauer der magnetischen Flüssigkeit im Sorptionsgefäß verlängern und die im Stoff gemisch enthaltene magnetische Flüssigkeit abtrennen,
- d) die mit einem Teil der Stoffe aus dem Stoffgemisch beladene magnetische Flüssigkeit unter Einwirkung von Magnetfeldern aus dem Sorptionsgefäß entfernt,
- e) zur Regenerierung der magnetischen Flüssigkeit mindestens ein Teil der sorbierten Stoffe aus der magnetischen Flüs sigkeit entfernt und die Desorption in einem anderen Gefäß als die Sorption durchführt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet
dadurch, daß zur Intensivierung des Sorptionsprozes
ses eine große Oberfläche an magnetischer Flüssigkeit erzeugt
wird, wie z.B. durch Filmbildung oder Zerstäubung.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
gekennzeichnet dadurch, daß die mag
netische Flüssigkeit aus magnetischen Eindomänenteilchen mit
einem Durchmesser von 5-50 nm und einem Dispersionsmittel be
stehen, wobei die magnetischen Teilchen durch eine Schicht von
Stabilisatormolekülen umgeben sind.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
gekennzeichnet dadurch, daß die magne
tische Flüssigkeit aus anorganischen und/oder oganischen Flüs
sigkeiten, wie z.B. Wasser, Paraffinöl, Alkylaromaten, Ketone,
Äther, Alkohole oder aus deren Mischungen besteht und daß da
rin Säuren, wie z.B. Schwefelsäure, Diäthylendiamintetraessig
säure oder Basen, wie z.B. Natronlauge, Diäthylentriamin oder
antimikrobielle Substanzen, wie z.B. zinnorganische Verbindun
gen oder biologisch aktive Substanzen, wie z.B. Enzyme, Anti
körper, Antigene, Mikroben enthalten sind.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
gekennzeichnet dadurch, daß auf die
magnetische Flüssigkeit inhomogene Magnetfelder einwirken, die
durch Permanent- oder Elektromagnete erzeugt werden und die
eine Strömung der magnetischen Flüssigkeit im Gleichstrom,
Kreuzstrom oder Gegenstrom zur Stoffgemischströmung unterstüt
zen.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
gekennzeichnet dadurch, daß die Magnet
felder rotierende oder lineare Wanderfelder, Gleichfelder,
Wechselfelder oder pulsierende Felder sein können.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
gekennzeichnet dadurch, daß im Sorp
tionsgefäß magnetische oder magnetisierbare Einbauten mit
großen, stark gekrümmten Oberflächen, wie z.B. Fasern, Teil
chen, Gewebe, Lamellen, enthalten sind.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
gekennzeichnet dadurch, daß die mit
Stoff beladene magnetische Flüssigkeit aus dem Sorptionsgefäß
entfernt und in einem Desorptionsgefäß regeneriert wird.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
gekennzeichnet dadurch, daß die Sorption
im Temperaturbereich von -270°C bis 350°C und im Druckbereich
von 0,001 bis 150 bar durchgeführt wird.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE19863624626 DE3624626A1 (de) | 1986-07-18 | 1986-07-18 | Verfahren zur abtrennung von stoffen aus einem stoffgemisch unter verwendung von magnetischen fluessigkeiten |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE19863624626 DE3624626A1 (de) | 1986-07-18 | 1986-07-18 | Verfahren zur abtrennung von stoffen aus einem stoffgemisch unter verwendung von magnetischen fluessigkeiten |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| DE3624626A1 true DE3624626A1 (de) | 1988-01-28 |
Family
ID=6305644
Family Applications (1)
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| DE19863624626 Ceased DE3624626A1 (de) | 1986-07-18 | 1986-07-18 | Verfahren zur abtrennung von stoffen aus einem stoffgemisch unter verwendung von magnetischen fluessigkeiten |
Country Status (1)
| Country | Link |
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