<Desc/Clms Page number 1>
B E S C H R I J V I N G ingediend tot staving van een aanvraag voor
UITVINDINGSOCTROOI door Van den Bogaert Joannes De Rest 21, B 2230 SCHILDE voor "Werkwijze en apparaat voor het verwijderen van ionen uit vloeibare media"
Deze uitvinding heeft betrekking op een werkwijze en apparaat voor het verwijderen van ionen uit vloeibare media, met als toepassing o. a. het ontzilten van zeewater.
Een overzicht van de verschillende technieken om zeewater te ontdoen van zijn zouten wordt gegeven o. m. in"Chemie Lexikon" van Prof. Dr. Hermann Römpp - Völlig neu bearbeitete fünfte Auflage - Franckh'sche Verlagshandlung - Stuttgart (1962), blz. 3135-3142 en in Prisma Technica Nr. 58,"Hoe werkt dat ?"- De techniek verklaard in woord en beeld - Uitgeverij Het Spectrum, Utrecht/Antwerpen (1976), blz. 38-43.
Bekende technieken om zouten, of algemeen gesproken ionen uit waterige media te verwijderen berusten op :
1) destillatie, d. w. z. verdamping en kondensatie van water,
2) bevriezing en smelten van het zoutvrije ijs,
<Desc/Clms Page number 2>
3) het verwijderen van de zouten door ionen-uitwisseling
4) het verwijderen van de zouten door elektrodialyse.
In de twee eerste technieken wordt water aan een zoutoplossing onttrokken door toevoer of afvoer van kalorieën. In de twee laatst genoemde technieken zijn het ionen die onttrokken worden aan het water.
De ontzilting door ionen-uitwisseling berust op het gebruik van kationen-en anionenuitwisselaars, meestal op basis van speciale kunstharsen in korrelvorm. Ontzilting met ionen-uitwisselaars is duur, werkt met laag rendement en vergt de regelmatige regeneratie van de ionenuitwisselaars.
Voor de ontzilting door elektro-dialyse gebruikt men talrijke na mekaar geschakelde kunstharsmembranen, die afwisselend selectie kationen-en anionendoorlatend zijn en smalle ruimten of kamers vormen waaruit de ionen onttrokken worden onder invloed van een elektrisch veld dat de migratie van de ionen door de membranen bevordert. Het stroomverbruik is rechtevenredig met de hoeveelheid zout die onttrokken wordt. De werkwijze wordt aanbevolen voor het ontzouten van zoutarm pekelwater of brak water. De doorgang van ionen door dialyse-membranen verloopt traag daar we hier te maken hebben met een succesieve adsorptie en desorptie van ionen.
Uit de elektrofotografie (ref. bv."Electrophotography"by R. M. Schaffert, The Focal Press-London (1975) p. 114-116 en 208 en verder de US-octrooischriften 3. 582. 206, 3. 645. 614, 3. 674. 291 en 4. 064. 439 is het bekend een rooster dat elektrostatische blokkeervelden in de roosteropeningen bevat, te gebruiken als elektrostatische stencil om beeldsgewijs ionen uit een coronaontlading tegen te houden, zodat met de beeldsgewijs niet tegengehouden ionen op een ontvangmateriaal een elektrostatisch ladingsbeeld wordt gevormd.
EMI2.1
f een bepaalde uitvoeringsvorm volgende stappen (1) een fotogeleidend rooster bestaande uit een fotogeleidende laag aangebracht op een zijde van een elektrisch geleidend rooster
<Desc/Clms Page number 3>
wordt uniform geladen met een corona-laadtoestel bekend uit de xerografie, (2) de fotogeleidende laag wordt beeldsgewijs belicht, hierdoor vloeien in de belichte plaatsen de aangebrachte ladingen weg en blijft overeenkomstig de niet-belichte plaatsen een elektrostatiscl blokkeerveld in de hiermede overeenstemmende roosteropeningen bestaan, en (3)
op de aldus gevormde elektrostatische stencil worden door corona-ontlading gegenereerde ionen geprojekteerd waarbij de ionen op de ongeladen plaatsen doorgelaten worden en een elektrostatisch beeld vormen op een elektrisch isolerend ontvangmateriaal en op de nog geladen plaatsen teruggestoten worden door de elektrostatische randvelden die in de roosteropeningen aanwezig zijn en fungeren als blokkeervelden.
Wanneer de roosteropeningen voor positieve ionen dienen geblokkeerd te worden is de zijde van het rooster met negatieve ladingspolariteit naar de bron van de positieve ionen gekeerd.
Voor het blokkeren van negatieve ionen geldt het omgekeerde (ref.
US-P 3. 625. 604 - Fig. 4. ).
Uit genoemde stand van de techniek blijkt niet dat de beschreven elektrostatische stencil bruikbaar zou kunnen zijn om in een elektrisch geleidende vloeistof kationen of anionen selectief tegen te houden of door te laten. Een uitwendig op het rooster aanwezig ladingspatroon zal door een elektrisch geleidende vloeistof zeer snel ontladen worden en niet meer werkzaam zijn.
Het is een van de doelstellingen van onderhavige uitvinding een werkwijze ter beschikking te stellen, die geschikt is om op een snelle en efficiënte wijze ionen uit vloeibare media, bv. zeewater of afvalwaters te verwijderen.
Het is verder een van de doelstellingen van onderhavige uitvinding een apparaat ter beschikking te stellen dat geschikt is voor toepassing van genoemde werkwijze.
Het is nog een van de doelstellingen van onderhavige uitvinding de verwijdering van ionen uit vloeibare media te realiseren zonder het optreden van elektrolyse.
Andere doelstellingen en voordelen van onderhavige uitvinding
<Desc/Clms Page number 4>
zullen blijken uit de verdere beschrijving.
. Onderhavige uitvinding stelt een werkwijze ter beschikking voor het verwijderen van ionen uit een vloeistof die volgende stappen omvat : (1) het aanbrengen van een vloeistof die kationen en anionen bevat in een ruimte voorzien van een eerste wand die selektief kationen doorlaat en anionen belet te passeren en een tweede wand die selektief anionen doorlaat en kationen belet te passeren, (2) het aanbrengen aan de buitenzijde van genoemde ruimte in kontakt met genoemde eerste en tweede wand van een vloeistof, ontvangvloeistof genoemd, die genoemde kationen en anionen kan opvangen, en (3) het aanbrengen van een elektrisch veld waardoor genoemde kationen en anionen gedwongen worden te migreren doorheen de wand die voor hen selektief doorlaatbaar is,
met het kenmerk dat genoemde eerste wand poreus is en voorzien is van openingen die een elektrisch veld bevatten dat het migreren van de anionen doorheen genoemde openingen belet maar het passeren van de kations toelaat en. dat genoemde tweede wand eveneens poreus is en voorzien is van openingen die een elektrisch veld bevatten dat het migreren van de kationen doorheen genoemde openingen belet maar het passeren van de anionen toelaat.
Het aanbrengen van genoemd elektrisch veld kan geschieden door een spanning aan te leggen tussen elektroden die geplaatst zijn in de ontvangvloeistof zodanig dat genoemde ruimte er zich tussen bevindt.
Volgens een bepaalde uitvoeringsvorm wordt in de openingen van genoemde poreuze wanden een elektrostatisch veld opgebouwd door middel van twee in het wandmateriaal aanwezige lagen van elektrische ladingsdragers, waarbij deze ladingslagen een tegengestelde elektrische polariteit bezitten, dus een zogenaamde elektrische dubbellaag vormen waarvan de randvelden in de openinger de doorgang van kationen of anionen uit vloeistof kunnen blokkeren.
Voor het blokkeren van kationen moet de ladingslaag met negatieve elektrische polariteit gekeerd zijn naar de vloeistof waaruit ionen moeten verwijderd worden, terwijl dit voor het blokkeren
<Desc/Clms Page number 5>
van anionen het tegengestelde is.
Volgens een bepaalde uitvoeringsvorm zijn de ladingsdragers van genoemde ladingslagen aanwezig in elektrisch isolerend materials en daardoor elektrisch geisoleerd van genoemde vloeistoffen, zodat geen ladingsafvloei kan optreden.
Volgens een zeer praktische uitvoeringsvorm zijn de ladingslagen tegengesteld geladen elektrisch geleidende roosters die van elkaar en van de vloeistoffen gescheiden zijn door elekfrisch isolerend materiaal.
Volgens een verdere uitvoeringsvorm zijn genoemde ladingslagen in genoemde wanden opgebouwd met twee roosters die congruente openingen hebben en die tegengesteld elektrisch geladen zijn t ; n van mekaar elektrisch geïsoleerd zijn, maar waarvan het rooster het dichtst bij de opvangvloeistof kontakt maakt met genoemde vloeistof en fungeert als elektrode om genoemd elektrisch veld op te bouwen.
De lading van genoemde ladingslagen, of met andere woorden, de de elektrische spanning in volt tussen genoemde ladingslagen kan regelbaar zijn door elk van genoemde roosters met een uitwendige spanningsbron te verbinden en de ladingstoevoer naar deze roosters i, r : voorzien van een regelbare weerstand.
Volgens een voorkeursuitvoeringsvorm zijn genoemde roosters n. otalen draadroosters waarvan de draden bekleed zijn met elektrisch isolerend materiaal, bv. hars of glas, waarbij deze roosters zo gemonteerd zijn dat hun openingen wezenlijk. overeenST-emmen cn
EMI5.1
L-rische draden van elk rooster de pool van een elektrische -.lijkspannjngsbron verbonden zijn om in de openingen van de roosters genoemde elektrostatische randvelden"die fungeren als blokkeervelden voor kationen of anionen, te vormen.
Volgens een andere voorkeursuitvoeringsvorm zijn genoemde wanden opgebouwd in de vorm van geperforeerde laminaten. Voor de ophouw van zulk een laminaat worden twee elektrisch isolerende bilden uit thermoplastisch hars aan een zijde voorzien van een
EMI5.2
elektrisch geleidend kruisend en gelamineerd e C > en derde elektriscn isolerend blad dat echter niet voorzien is van genoemd lijnenrooster, zodat e) CD
<Desc/Clms Page number 6>
tussen de elektrisch isolerende bladen opgesloten zitten. Na het lamineren wordt het laminaat voorzien van micro-openingen binnen de zones omsloten door de kruisende lijnen van genoemde roosters.
Dit wordt gerealiseerd door, bv. wegsmelten van het elektrisch isolerend materiaal met een laserstraal, zonder kontakt te maken met het geleidend materiaal van genoemde kruislijnenroosters.
Volgens een bepaalde uitvoeringsvorm die geschikt is voor toepassing zonder uitwendige spanningsbron om de lading van de roosters op peil te houden of te vormen, worden genoemde eerste en tweede wand gevormd door geperforeerde elektreten. Elektreten zijn dielektrische materialen die een (semi-) permanente polarsatie bezitten en het elektrisch analogon zijn van een permanente magneet (ref. Chemisch Weekblad, 26 juni 1970, blz. 27-29).
Het elektrisch geleidend materiaal in genoemde roosters kan een etsbaar metaal zijn en bv. bestaan uit aluminium, koper, zilver, brons, staal, nikkel of uit geleidende koolstof, bv. grafiet. Het kan ook een geleidend polymeer zijn, bv. een polymeer zoals beschreven in het artikel :"Elektrisch leitende Kunststoffe", Gert Weddingen, Physik in unserer Zeit/14. Jahrgang (1983) Nr. 4, blz. 98-106. Het geleidend materiaal kan in genoemde wand gebruikt worden als een geweven draadrooster of aangebracht zijn door galvanische technieken of door vacuumopdamping al of niet gekombineerd met etstechnieken, bv. bekend uit de vervaardiging van gedrukte schakelingen. Voorbeelden van draadroosters en plaatroosters zijn beschreven in DE-OS 2. 424. 720 voor elektrofotografische toepassingen.
Het elektrisch isolerend materiaal van de wand volgens onder-
EMI6.1
havige uitvinding is bij voorkeur uit een materiaal C > C > vervaardigddat bestendig is tegen zuren en/of alkalische stoffen. In dit verband worden vermeld organische fluorhoudende polymeren en keramisch materiaal of glas.
Voorbeelden van geschikte organische fluorhoudende polymeren
EMI6.2
zijn PENTON en TEFLON (handelsnamen) voor polymeren die respecL z tievelijk uit volgende - Het PENTON kan volgens
<Desc/Clms Page number 7>
het wervelsinterprocédé of als waterige polymeersuspensie op draadroosters aangebracht worden en na verwijderen van de dispersie gebakken worden bij temperaturen van 218 tot 246OC.
EMI7.1
Andere geschikte polymeren zijn polyimiden, bv. kondensatieproduktt en van pyromellietzuuranhydride en aromatische aminen, bv. 4, 4 diamino-difenylether (ref. van der Vegt - Prisma Compendia - Het Spectrum, Utrecht-Antwerpen (1966) blz. 55-56 en 61-67. Andere geschikte polymeren vooral voor toepassing in alkalisch milieu zijn epoxyharsen.
De roosteropeningen kunnen in de wand willekeurig of volgens een geometrisch patroon aangebracht zijn. Voorbeelden van geschikte roosterpatronen zijn beschreven en gerllustreerd in US-P 3. 647. 291.
De afmetingen van de openingen zijn voldoende klein om daarin effektieve elektrische randvelden te kunnen opbouwen die fungeren als blokkeervelden voor de ionen waarvan de doorgang doorheen de poreuze wand dient belet te worden. De diameter van de openingen - 7 -4 is bv. in de grootte-orde van 10 tot 10 m.
De grootte van het elektrische blokkeerveld hangt af van de impuls (massa-snelheid) die de ionen bezitten. De elektrische veldsterkte van genoemde blokkeervelden, waarvan de krachtlijnen grotendeels parallel lopen met de as van de openingen is het zwakst in het centrum van de openingen, zoals beschreven en aangegeven in Fig. 5 van US-P 3. 625. 604. De veldsterkte hangt in grote mate af van het spanningsverschil tussen de geleidende roosters en de verhouding van de dikte van de wand tot diameter van de openingen in de wand. Een grote dikte tot diameter ver-
EMI7.2
houding is gunstig om een sterk blokkeerveld in de openingen op - te bouwen. De wanddikte bedraagt bv. 10 mm. Meerdere na mekaar volgende wanden kunnen de werkzaamheid van de ionen-blokkade verbeteren.
Uit US-P 3. 625. 604 en 3. 674. 291 is het bekend ionen uit een corcna-ontlading beeldsgewijs tegen te houden met blokkeervelden waarvan de intensiteit 8 tot 10 maal groter is dan deze van het propulsieveld waarmede de ionen uit de corona naar een ontvangmateriaal gedreven worden.
<Desc/Clms Page number 8>
Het propulsieveld tussen elektroden in een galvanische cel is
EMI8.1
wegens de geringe spanning tussen de elektroden zeer klein, d. van de grootte-orde van enkele volt per De thermische agitatie of de natuurlijke warmte-beweging van de ionen is hun belangrijkste bron van impuls en deze beweging moet in de openingen van de poreuze wand afgeremd worden door voldoende sterke blokkeervelden.
Volgens A. J. Verbrugh en R. H. Dewald in het boek"Inleiding tot de Fysische Scheikunde" Deel I, Uitgeverij J. B. Wolters, groningen, 2e druk (1956) blz. 258,265-269) kan de absolute waarde van de beweeglijkheid van iedere ionensoort gekarakteriseerd worden en berekend worden uit de waarde #oo van de elektrolyten.
EMI8.2
"##" de limietwaarde bij oneindige verdunning van het equivalent geleidingsvermogen (Ay) van een elektrolyt bij een verdunning V /kg het geleidingsvermogen dat wordt veroorzaakt door de ionen die afkomstig zijn van 1 kg equig valent ionenmaterie, die in V is opgelost, indien de stroom- weg 1 m bedraagt.
De ionenbeweeglijkheid bezit de dimensie van m/s per V/m, dus /V. s (vierkante meter per volt. sekonde).
Zo is de equivalention-beweeglijkheid bij 180C van Cl ionen
EMI8.3
- H in water : 6, x 10 en van OH is deze 18 x 10 s.
De snelheden van de ionen bij een potentiaalverschil van 1 V/m zijn door delen van de equivalentgeleidbaarheden door de faktor 9, 65 x 10 te verkrijgen. De equivalentgeleidbaarheid "1" van c1 bij 180C 111111 uitgedrukt in m2/ohm, is 6, 5 en van OH- is 17,4.
EMI8.4
Deze snelheden bij een potentiaalverschil van lV/m zijn ongeveer C > 109 maal kleiner dan de snelheden der ionen onder invloed van de warmtebeweging. Hiermede rekening houdende is dus de effektieve - -8 9 snelheid der Cl ionen 6, 8 x 10 m/s x 10 = 68 m/s, en van de
EMI8.5
-8 9 CH* ici-
Om de snelheid van zulke ionen af te remmen tot nul met een elektrostatisch veld dient de energie van dit veld, uitgedrukt in Joule of elektronvolt (e. V) gelijk te zijn aan de kinetische
<Desc/Clms Page number 9>
energie van de ionen.
Deze kinetische energie beantwoordt aan de vergelijking :
EMI9.1
EMI9.2
ejLjLii . m de massa van het ion in kg, v de snelheid van het ion in m/s, Q de lading van het ion in coulomb (C), en
EMI9.3
V het potentiaalverschil in volt (V) opgebouwd in het elektrostatis blokkeerveld, d. het potentiaalverschil in de elektrische dubbellaag.
Voeren wij deze berekening uit voor Cu2+ ionen met massa
EMI9.4
- 25 2+ 2 m = 1, x 10 kg en een van 1/2 Cu van bij 250C (zie P. Dingemans in het boek"Electrochemie", Uitgeverij Waltham, Delft, 4e druk (1955) blz. 31) dan vinden we een snelheid - v = 5, x 10 m/s en een spanning V = 1, x 10 volt.
Dit betekent dat bij een wanddikte van 1 mm een veldsterkte of potentiaalgradient dient opgebouwd te worden van 1, 03 V/m om de Cu2+ ionen te stoppen. Voor andere metaalionen is de blokkeerveldspanning van dezelfde grootte-orde of slechts een faktor 10 verschillend.
In de praktijk wordt een voldoend hoge spanning in de dubbellaag opgebouwd om de thermisch snelste ionen nog te blokkeren.
De temperatuurscoëfficient der ionenbeweeglijkheid ligt voor de meeste ionen tussen 2 en 3% per graad Celcius (ref. P. Dingemans blz. 33). Een potentiaalgradient van 1 tot 200 V/mm volstaat meesta
De spanning die aan de roosters van de poreuze wand wprdt aangelegd om genoemde blokkeervelden op te bouwen wordt bv. geleverd door batterijen of dynamo's of wisselstroomgeneratoren aangesloten op transformator en gelijkrichter.
Volgens een bijzondere uitvoeringsvorm wordt de migratie van kationen respektievelijk anionen doorheen reeds genoemde eerste en tweede wand bevorderd door Lorentzkracht. Om deze Lorentzkracht op te wekken wordt de vloeistof in genoemde ruimte parallel met de genoemd eerste en tweede wand in beweging gebracht, bv. door pompen of een roerder, en wordt loodrecht op de hydro-
<Desc/Clms Page number 10>
dynamische stroomzin van de vloeistof een magnetisch veld aangebracht, dat zo gericht is dat de kationen uit genoemde vloeistof waaruit de ionen dienen verwijderd te worden doorheen de kationen-doorlatende wand gedreven worden en de anionen uit dezelfde vloeistof doorheen de anionen-doorlatende wand gedreven worden. Bij deze uitvoeringsvorm is het niet noodzakelijk een elektrisch veld op te bouwen bij middel van elektroden die kontakt maken met de ontvangvloeistof.
Bij gebruik van elektroden treedt elektrolyse op wat als neveneffekt meestal niet gewenst is. Door het spanningsveld voor de migratie van de ionen doorheen hun selektief doorlatende wanden met de werking tussen het genoemde magnetische veld en bewegende geladen deeltjes, de ionen, op te bouwen wordt elektrolyse vermeden.
De hierbij ontstane Lorentzkracht K beantwoordt aan volgende vergelijking :
K = B. Q. v hierin is :
B de magnetische induktie van het magnetisch veld in Weber/m of tesla (T),
Q de lading van het ion uitgedrukt in coulomb (C), en v de snelheid van het ion loodrecht op de magnetische veldrichting, waarbij de snelheid wordt uitgedrukt in m/s.
Deze snelheid v kan verkregen worden door de vloeistof die van ionen dient bevrijd te worden doorheen genoemde ruimte te pompen of met een roermechanisme loodrecht op de magnetische veldlijnen te bewegen.
Het magnetisch veld kan opgewekt worden met permanente of elektromagneten, bv. plaatvormige magneten opgesteld met evenwijdige tussenruimten tussen de poreuze wanden zodanig dat de vloeistof die van ionen dient bevrijd te worden doorheen deze
EMI10.1
hirdrodvnami-rha Atronmzin loodrecht loodrecht op de magnetische veldlijnen om de ionen die doorheen hun respektievelijke wanden moeten migreren de gewenste snelheid v te geven.
<Desc/Clms Page number 11>
Volgens een bepaalde uitvoeringsvorm wordt het magnetisch veld voor het opwekken van de Lorentzkracht geproduceerd door elektromagneten waarvan de krachtlijnen parallel lopen met genoemde poreuze wanden en de vloeistof die van ionen dient be- wijd te worden wordt dan in rotatie gebracht, bv. met roerder, om de gewenste bewegingszin aan de ionen te geven.
Lorentzkracht wordt zoals bekend toegepast in de magnetohydrodynamische (MHD-) generator om uit een geïoniseerd gas in beweging rechtstreeks elektrische stroom op te wekken.
Een apparaat volgens onderhavige uitvinding geschikt voor het verwijderen van ionen uit een vloeistof bevat volgende elementen : (1) een ruimte waarin zich vloeistof bevindt met kationen en anionen, waarbij deze ruimte een eerste wand bezit die selektief doorlaatbaar is voor kationen en anionen belet te passeren en een tweede wand die selektief doorlaatbaar is voor anionen en kationen belet te passeren, (2) een vloeistof, ontvangvloeistof genoemd, die aan de buitenzijde van genoemde ruimte kontakt maakt met genoemde wanden en in staat is om ionen die onder invloed van een elektrisch veld doorheen genoemde wanden migreren op te nemen, en (3) een middel of middelen om genoemd elektrisch veld op te wekken,
met het kenmerk dat genoemde eerste wand poreus is en voorzien is van openingen die een elektrisch veld bevatten dat het migreren van de anionen doorheen genoemde openingen belet maar het passeren van kationen toelaat en dat genoemde tweede wand eveneens poreus is en voorzien is van openingen die een elektrisch veld bevatten dat het migreren van de kationen doorheen genoemde openingen belet maar het passeren van anionen toelaat.
Uitvoeringsvormen voor de vervaardiging van genoemde poreuze
EMI11.1
Nden t11ing den n.
De genoemde eerste en tweede poreuze wand kan allerlei geometrische vormen hebben, bv. is vlak of gekromd. Wanden met tweedimensionaal gesloten kromming, bv. cylindrische kromming,
<Desc/Clms Page number 12>
zijn geschikt voor de bouw van concentrische ruimten waarin kontinu vloeistof aan het ene einde kan toegevoerd worden en afgenomen worden aan het andere einde van de cylinders.
Volgens een uitvoeringsvorm bevindt de vloeistof die dient ontdaan te worden van ionen zich in een eerste concentrische ruimte tussen twee cylinders die respektievelijk de reeds genoemde eerste en tweede poreuze wand vormen. De centrale ruimte waarrond zich genoemde eerste concentrische ruimte bevindt en een tweede concentrische ruimte die de eerste concentrische ruimte omhuld wordt doorstroomd met de ontvangvloeistof, dit bv. in tegenstroom tenopzichte van de vloeistof waaruit ionen dienen verwijderd te worden. Wanneer het elektrisch veld dat de migratie van de ionen doorheen de wanden bewerkstelligt wordt opgewekt tussen elektroden dan bevinden deze elektroden zich respektievelijk in genoemde centrale ruimte en in genoemde tweede concentrische ruimte of maken deel uit van de wanden van laatstgenoemde ruimten.
Volgens een andere uitvoeringsvorm is de ruimte waarin zich de vloeistof bevindt die van ionen dient ontdaan te worden een doorstroomruimte, bv. buis, waarvan tegenover mekaar gelegen wanddelen respektievelijk genoemde eerste en tweede poreuze wand vormen. Deze uitvoeringsvorm is zeer geschikt om gebruikt te worden voor het verwijderen van ionen uit een vloeistof die kontinu door genoemde buis gestuwd wordt en de beweging van de vloeistof is geschikt om met het vereiste magnetische veld de reeds genoemde Lorentzkracht op te bouwen die de migratie van kationen respektievelijk anionen door de daarvoor geschikte poreuze wand bevordert.
Volgens een verdere uitvoeringsvorm wordt de vloeistof waaraan ionen dienen onttrokken te worden partij per partij van ionen ontdaan. Het partij per partij ontdoen van ionen kan plaatsvinden in recipienten die in kaskade opgesteld worden, dus waarbij de uitlaat van een eerste recipient in de reeks de inlaat vormt voor een volgende recipient, zoals dit het geval is bij een destillatiekolom met verschillende platformen.
<Desc/Clms Page number 13>
Onderhavige uitvinding wordt geillustreerd met schematische tekeningen zonder echter de uitvinding hiertoe te beperken.
In Figuur 1 wordt het sper-effekt voorgesteld dat aan de basis ligt van het selektief blokkeren van kationen en anionen, respektievelijk selektief doorlaten van genoemde ionen doorheen openingen van een poreuze wand waarin zich in de openingen elektrostatische randvelden bevinden.
In Figuur 2 wordt een apparaat volgens onderhavige uitvinding voorgesteld met een ruimte waaruit uit vloeistof partij per partij (batchwise) ionen verwijderd worden.
In Figuur 3 wordt een apparaat volgens onderhavige uitvinding voorgesteld waaruit ionen kontinu uit een stromende vloeistof verwijderd worden met behulp van Lorentzkracht.
In deze Figuren zijn de afmetingen van bepaalde elementen voor de duidelijkheid van de tekeningen niet in de juiste verhoudingen weergegeven.
Figuur 1 stelt een schematische doorsnede voor van een deel van genoemde eerste en tweede wanden 1 en 2, die respektievelijk geflankeerd zijn door de elektroden 3 en 4. In de wanden 1 en 2 zijn in elektrisch isolerend wandmateriaal 5 geleidende roosterlagen 6 en 7 aanwezig die respektievelijk negatief en positief geladen zijn. In de roosteropeningen 8 is een elektrisch randveld aanwezig dat aangegeven is met de elektrische veldlijnen 9. Dit randveld verspert in wand 2 de doorgang door de openingen 8 voor anionen 10 en laat kationen 11 door. In wand 1 gebeurt het omgekeerde. In de ruimte waarin zich de elektroden 3 en 4 bevinden is een ontvangvloeistof voor de kationen en anionen aanwezig.
Tussen de elektroden. 3 en 4 die zich op verschillende elektrische potentiaal bevinden is een elektrisch drijfveld E aanwezig dat de nodige kracht levert om de kationen 11 en anionen 10 doorheen respektievelijk wand 2 en wand 1 te doen migreren.
De spanning tussen de roosterlagen 6 en 7 kan regelbaar uitgevoerd zijn met een uitwendige spanningsbron en regelbare weerstand (niet getekend).
Figuur 2 stelt schematisch in doorsnede een apparaat volgens
<Desc/Clms Page number 14>
onderhavige uitvinding voor waarin uit een elektrolyt, d. w. z. een vloeistof die ionen in oplossing bevat, partij per partij ionen verwijderd worden.
De ruimte 20, ook cel genoemd, wordt bij voorbeeld met gefiltreerd zeewater gevuld, hierbij is de afsluiter 21 gesloten.
In de cellen 22 en 23 bevindt zich als ontvangvloeistof eveneens zeewater dat toegevoerd wordt langs inlaat 25 en afsluiter 26.
Het zeewater fungerend als opvangvloeistof voor de ionen uit cel 20 wordt met pomp 24 rondgepompt en afgetapt langs uitlaat 27 voorzien van afsluiter 28. Tussen de elektroden 29 (anode) en 30 (kathode) wordt een elektrische spanning aangelegd om de migratie van de kationen doorheen de eerste poreuze wand 31 en de migratie van de anionen doorheen de tweede poreuze wand 32 op gang te houden. In genoemde wanden zijn in hun openingen 33 en 34 elektrostatische randvelden aanwezig zoals beschreven in Figuur 1.
Figuur 3 stelt schematisch een dwarsdoorsnede voor van een apparaat volgens onderhavige uitvinding waarmee kontinu uit een stromende vloeistof met behulp van Lorentzkracht ionen verwijderd worden en gefraktioneerd volgens hun lading/massa verhouding.
Genoemd apparaat bevat een centrale buisvormige doorstroomruimte 40, daarin plaatvormige permanente of elektromagneten 41 (gearceerd), bv. keramische magneten, die een magnetisch veld bezitten zoals aangeduid met de magnetische veldlijnen 42. De vloeistof die van ionen dient ontdaan te worden stroomt met een snelheid v loodrecht op deze veldlijnen 42. Hierdoor ontstaat een Lorentzkracht K op de kationen 43 en anionen 44. Deze Lorentzkracht drijft de kationen 43 doorheen de openingen 50 van de eerste poreuze wand 46 en de anionen 44 doorheen de openingen 51 van de tweede poreuze wand 47, waarna genoemde ionen belanden in een ontvangvloeistof in ruimte 48. Genoemde ontvangvloeistof
EMI14.1
stroomt met een stroomzin v loodrecht op de stroomzin v van de o vloeistof die zich in ruimte 40 bevindt.
Op regelmatige afstanden, eventueel regelbaar, bevinden zich onderaan ruimte 48 aftapleidingen 52 en opvangrecipienten 53 waarin opvangvloeistof met de
<Desc/Clms Page number 15>
daarin opgenomen ionen opgevangen wordt. Aangezien de Lorentzkracht aan de ionen met de grootste lading/massa (Q/m) verhouding de grootste snelheid verleent zullen deze ionen het eerst door de openingen migreren en kunnen de ionen volgens genoemde Q/m verhouding zoals in een fraktionneerkolom volgens de lengte van de kolom (hier de doorstroomruimte 40) gescheiden worden.
De scheiding van ionen vindt bv. toepassing in bedrijven waarin men als doel stelt de scheiding van onedele van edele metalen. Dit is bv. het geval bij het herwinnen van zilver. uit gebruikte fotografische baden. Verder heeft deze scheidingsmethode haar nut bij het afzonderen van zware soms giftige metaalionen, zoals lood-, cadmium- en kwikionen.
Een verdere toepassing ligt op het vlak van de winning of herwinning van nukleaire brandstof, bv. in de afzondering van uranium en plutonium of andere radioaktieve isotopen.
Om de verstopping van de micro-openingen van genoemde wanden te vermijden dient vooraf alle colloidaal materiaal, bv. door filtreren of centrifugeren verwijderd te worden.
Om de hoeveelheid opvangvloeistof te beperken wordt de opvangruimte 48 zeer smal genomen en is de ontvangvloeistofsnelheid v zeer klein, zodat men van laminaire stroming spreken kan.
De vloeistof waaruit de ionen dienen verwijderd te worden kan in een gesloten circuit waarvan de ruimte 40 deel uitmaakt, rondgepompt worden tot de vereiste ionenscheiding bereikt is.
De elektrische randvelden in de openingen van de poreuze wanden worden bij voorkeur gevormd met elektrisch geladen roosters waarvan de zijde gekeerd naar de as van de openingen groter is dan de doormeter van de openingen en de afstand tussen de tegengesteld geladen roosters eveneens groter is dan de doormeter van genoemde openingen, dus niet zoals in Figuur 1 die enkel het princiep van het selektief sper-effekt op anionen en kationen
EMI15.1
1-1--u sec r illuGtrecrt.
<Desc / Clms Page number 1>
B E S C H R I Y V I N G in support of an application for
INVENTION PATENT by Van den Bogaert Joannes De Rest 21, B 2230 SCHILDE for "Method and device for removing ions from liquid media"
This invention relates to a method and apparatus for removing ions from liquid media, using, inter alia, seawater desalination.
An overview of the different techniques to rid seawater of its salts is given, inter alia, in "Chemie Lexikon" by Prof. dr. Dr. Hermann Römpp - Völlig neu bearbeitete fünfte Auflage - Franckh'sche Verlaghandlung - Stuttgart (1962), pp. 3135-3142 and in Prisma Technica Nr. 58, "How does it work?" - The technique explained in words and images - Het Spectrum Publisher, Utrecht / Antwerp (1976), pp. 38-43.
Known techniques for removing salts, or generally spoken ions from aqueous media, are based on:
1) distillation, d. w. z. evaporation and condensation of water,
2) freezing and melting of the salt free ice,
<Desc / Clms Page number 2>
3) removing the salts by ion exchange
4) removing the salts by electrodialysis.
In the first two techniques, water is extracted from a salt solution by adding or removing calories. In the latter two techniques, they are ions that are extracted from the water.
Desalination by ion exchange is based on the use of cation and anion exchangers, usually based on special granular synthetic resins. Desalination with ion exchangers is expensive, works with low efficiency and requires regular regeneration of the ion exchangers.
Numerous superimposed synthetic membranes are used for desalination by electro-dialysis, which alternately permits selection of cations and anions and forms narrow spaces or chambers from which the ions are extracted under the influence of an electric field that promotes the migration of the ions through the membranes. . The power consumption is directly proportional to the amount of salt extracted. The method is recommended for desalting low salt brine or brackish water. The passage of ions through dialysis membranes is slow as we are dealing here with a successful adsorption and desorption of ions.
From electrophotography (ref. Eg "Electrophotography" by RM Schaffert, The Focal Press-London (1975) pp. 114-116 and 208 and further US patents 3,582,256,345,614.3. 674, 291 and 4, 064, 439, it is known to use a grid containing electrostatic blocking fields in the grid openings as an electrostatic stencil to imagewise arrest ions from a corona discharge, so that with the imagewise unrestrained ions on a receiving material, an electrostatic charge image is being formed.
EMI2.1
f in a particular embodiment, steps (1) follow a photoconductive grid consisting of a photoconductive layer applied to one side of an electrically conductive grid
<Desc / Clms Page number 3>
is charged uniformly with a corona charging device known from the xerography, (2) the photoconductive layer is exposed imagewise, as a result of which the applied charges flow away in the exposed places and an electrostatic blocking field remains in the corresponding grid openings in accordance with the unexposed places , and (3)
ions generated by corona discharge are projected onto the electrostatic stencil thus formed, the ions being transmitted in the uncharged places and forming an electrostatic image on an electrically insulating receiving material and bounced back in the still charged places by the electrostatic edge fields present in the grating openings and act as blocking fields.
When the positive ion lattice openings are to be blocked, the side of the negative charge polarity lattice faces the source of the positive ions.
The reverse applies to the blocking of negative ions (ref.
US-P 3,625,604 - FIG. 4.).
It does not appear from the prior art that the described electrostatic stencil could be useful for selectively retaining or transmitting cations or anions in an electrically conductive liquid. An external charge pattern present on the grid will be discharged very quickly by an electrically conductive liquid and will no longer be effective.
It is one of the objects of the present invention to provide a method which is suitable for removing ions from liquid media, for instance sea water or waste waters in a fast and efficient manner.
It is further one of the objects of the present invention to provide an apparatus suitable for applying the said method.
It is still one of the objects of the present invention to realize the removal of ions from liquid media without the occurrence of electrolysis.
Other objects and advantages of the present invention
<Desc / Clms Page number 4>
will appear from the further description.
. The present invention provides a method of removing ions from a liquid comprising the following steps: (1) applying a liquid containing cations and anions to a space having a first wall that selectively allows cations to pass and prevents anions from passing and a second wall selectively transmitting anions and preventing cations from passing through, (2) applying to the exterior of said space contact with said first and second walls a liquid, called receiving liquid, capable of receiving said cations and anions, and ( 3) the application of an electric field forcing said cations and anions to migrate through the wall which is selectively permeable to them,
characterized in that said first wall is porous and has openings containing an electric field which prevents migration of the anions through said openings but permits the passage of the cations and. that said second wall is also porous and is provided with openings containing an electric field which prevents migration of the cations through said openings but permits the passage of the anions.
The application of said electric field can be effected by applying a voltage between electrodes placed in the receiving liquid such that said space is between them.
According to a particular embodiment, an electrostatic field is built up in the openings of said porous walls by means of two layers of electric charge carriers present in the wall material, these charge layers having an opposite electric polarity, thus forming a so-called electric double layer, the edge fields of which in the opener block the passage of cations or anions from liquid.
In order to block cations, the charge layer must face the negative electrical polarity of the liquid from which ions must be removed, while this must be blocked
<Desc / Clms Page number 5>
of anions is the opposite.
According to a particular embodiment, the charge carriers of said charge layers are present in electrically insulating materials and are therefore electrically insulated from said liquids, so that no charge run-off can occur.
According to a very practical embodiment, the charge layers are oppositely charged electrically conductive grids which are separated from each other and from the liquids by an electrically insulating material.
According to a further embodiment, said charge layers in said walls are constructed with two grids which have congruent openings and which are opposite electrically charged t; n are mutually electrically insulated, but the grid of which closest to the receiving liquid contacts said liquid and acts as an electrode to build up said electric field.
The charge of said charge layers, or in other words, the electrical voltage in volts between said charge layers may be controllable by connecting each of said grids to an external voltage source and providing the charge supply to these grids with adjustable resistance.
According to a preferred embodiment, said grids are n. Total wire gratings the wires of which are covered with electrically insulating material, eg resin or glass, these gratings being mounted so that their openings are substantial. matches cn
EMI5.1
Electric wires from each grid are connected to the pole of an electrical power source to form electrostatic marginal fields referred to in the apertures of the gratings which act as blocking fields for cations or anions.
According to another preferred embodiment, said walls are constructed in the form of perforated laminates. For the decoration of such a laminate, two electrically insulating buttocks made of thermoplastic resin are provided on one side with a
EMI5.2
electrically conductive intersecting and laminated e C> and third electrically insulating sheet which, however, is not provided with said line grid, so that e) CD
<Desc / Clms Page number 6>
trapped between the electrically insulating blades. After laminating, the laminate is provided with micro-openings within the zones enclosed by the intersecting lines of said grids.
This is achieved by, for example, melting away the electrically insulating material with a laser beam, without making contact with the conductive material of said cross-line gratings.
According to a particular embodiment suitable for use without an external voltage source to maintain or form the charge of the grids, said first and second walls are formed by perforated electrets. Electretes are dielectric materials that have a (semi-) permanent polarization and are the electrical analog of a permanent magnet (ref. Chemisch Weekblad, June 26, 1970, pp. 27-29).
The electrically conductive material in said grids may be an etchable metal and may consist of, for example, aluminum, copper, silver, bronze, steel, nickel or conductive carbon, e.g. graphite. It can also be a conductive polymer, eg a polymer as described in the article: "Electrically conductive plastics", Gert Weddingen, Physik in unserer Zeit / 14. Jahrgang (1983) No. 4, pp. 98-106. The conductive material may be used in said wall as a woven wire mesh or applied by galvanic techniques or by vacuum evaporation, optionally combined with etching techniques, e.g. known from the manufacture of printed circuits. Examples of wire grids and plate grids are described in DE-OS 2,442,720 for electrophotographic applications.
The electrically insulating material of the wall according to
EMI6.1
The present invention is preferably made from a material C> C> which is resistant to acids and / or alkalis. Organic fluorine-containing polymers and ceramic material or glass are mentioned in this connection.
Examples of suitable organic fluorine-containing polymers
EMI6.2
are PENTON and TEFLON (trade names) for polymers which are respectively from the following - PENTON can be
<Desc / Clms Page number 7>
the vortex interprocess or as an aqueous polymer slurry are applied to wire grids and baked after removal of the dispersion at temperatures of 218 to 246 ° C.
EMI7.1
Other suitable polymers are polyimides, eg condensation product and of pyromellitic anhydride and aromatic amines, eg 4,4 diamino diphenyl ether (ref. Van der Vegt - Prisma Compendia - Het Spectrum, Utrecht-Antwerp (1966) pp. 55-56 and 61 -67 Other suitable polymers especially for use in an alkaline medium are epoxy resins.
The grate openings can be arranged in the wall at random or according to a geometric pattern. Examples of suitable lattice patterns are described and illustrated in US-P 3,647,291.
The dimensions of the openings are sufficiently small to allow effective electric edge fields to be built up therein, which function as blocking fields for the ions whose passage through the porous wall must be prevented. The diameter of the openings - 7 -4 is, for example, in the order of magnitude from 10 to 10 m.
The magnitude of the electric blocking field depends on the momentum (mass velocity) that the ions possess. The electric field strength of said blocking fields, whose lines of force are largely parallel to the axis of the apertures, is weakest in the center of the apertures, as described and shown in Fig. 5 of US-P 3,625,604. The field strength largely depends on the voltage difference between the conductive grids and the ratio of the thickness of the wall to the diameter of the openings in the wall. A large thickness up to diameter
EMI 7.2
attitude is beneficial to build up a strong blocking field in the openings. The wall thickness is, for example, 10 mm. Several successive walls can improve the effectiveness of the ion blockade.
From US-P 3,625,604 and 3,674,291 it is known to block ions from a corcna discharge imagewise with blocking fields of which the intensity is 8 to 10 times greater than that of the propulsion field with which the ions from the corona be driven to a receiving material.
<Desc / Clms Page number 8>
The propulsion field between electrodes in a galvanic cell is
EMI8.1
because of the low voltage between the electrodes very small, d. of the order of several volts per The thermal agitation or the natural heat movement of the ions is their main source of impulse and this movement must be slowed down in the openings of the porous wall by sufficiently strong blocking fields.
According to AJ Verbrugh and RH Dewald in the book "Introduction to Physical Chemistry" Part I, Publisher JB Wolters, Groningen, 2nd edition (1956) pp. 258,265-269) the absolute value of the motility of each ion species can be characterized and calculated from the value #oo of the electrolytes.
EMI8.2
"##" the limit value at infinite dilution of the equivalent conductivity (Ay) of an electrolyte at a dilution V / kg, the conductivity caused by the ions from 1 kg of equivalent ion matter dissolved in V, if the flow path is 1 m.
The ion motility has the dimension of m / s per V / m, ie / V. s (square meter per volt. second).
So is the equivalence motility at 180C of Cl ions
EMI8.3
- H in water: 6, x 10 and of OH this is 18 x 10 s.
The velocities of the ions at a potential difference of 1 V / m can be obtained by dividing the equivalent conductivities by the factor 9.65 x 10. The equivalent conductivity "1" of c1 at 180C 111111, expressed in m2 / ohm, is 6.5 and of OH- is 17.4.
EMI8.4
These velocities at a potential difference of 1V / m are approximately C> 109 times lower than the velocities of the ions under the influence of the heat movement. Taking this into account is therefore the effective speed of the Cl ions 6, 8 x 10 m / s x 10 = 68 m / s, and the
EMI8.5
-8 9 CH * ici-
In order to decelerate the speed of such ions to zero with an electrostatic field, the energy of this field, expressed in Joules or electron volts (e. V), must be equal to the kinetic
<Desc / Clms Page number 9>
energy of the ions.
This kinetic energy answers the equation:
EMI9.1
EMI9.2
ejLjLii. m the mass of the ion in kg, v the speed of the ion in m / s, Q the charge of the ion in coulomb (C), and
EMI9.3
V is the potential difference in volts (V) built up in the electrostatic blocking field, d. the potential difference in the electric bilayer.
We perform this calculation for Cu2 + ions with mass
EMI9.4
- 25 2+ 2 m = 1, x 10 kg and one of 1/2 Cu of at 250C (see P. Dingemans in the book "Electrochemistry", Publisher Waltham, Delft, 4th edition (1955) p. 31) then find we have a speed - v = 5, x 10 m / s and a voltage V = 1, x 10 volts.
This means that at a wall thickness of 1 mm, a field strength or potential gradient of 1.03 V / m must be built up to stop the Cu2 + ions. For other metal ions, the blocking field voltage is of the same magnitude or only a factor of 10 different.
In practice, a sufficiently high voltage is built up in the bilayer to still block the thermally fastest ions.
For most ions, the temperature coefficient of ion mobility is between 2 and 3% per degree Celsius (ref. P. Dingemans p. 33). A potential gradient of 1 to 200 V / mm is usually sufficient
The voltage applied to the grids of the porous wall to build up said blocking fields is supplied, for example, by batteries or alternators or alternators connected to the transformer and rectifier.
According to a special embodiment, the migration of cations and anions through the aforementioned first and second walls is promoted by Lorentz force. In order to generate this Lorentz force, the liquid in said space is moved in parallel with said first and second walls, e.g. by pumps or a stirrer, and is perpendicular to the hydro
<Desc / Clms Page number 10>
dynamic flow sense of the liquid applied a magnetic field, such that the cations from said liquid from which the ions are to be removed are driven through the cation-permeable wall and the anions of the same liquid are driven through the anion-permeable wall. In this embodiment, it is not necessary to build an electric field by electrodes contacting the receiving fluid.
When using electrodes, electrolysis occurs, which is usually not desirable as a side effect. By building the voltage field for the migration of the ions through their selectively permeable walls with the action between said magnetic field and moving charged particles, the ions, electrolysis is avoided.
The resulting Lorentz force K corresponds to the following equation:
K = B. Q. v herein is:
B the magnetic induction of the magnetic field in Weber / m or tesla (T),
Q the charge of the ion expressed in coulomb (C), and v the velocity of the ion perpendicular to the magnetic field direction, the velocity expressed in m / s.
This velocity v can be obtained by pumping the liquid to be freed from ions through said space or moving with a stirring mechanism perpendicular to the magnetic field lines.
The magnetic field can be generated with permanent or electromagnets, e.g. plate-shaped magnets arranged at parallel intervals between the porous walls such that the liquid to be freed from ions through them
EMI10.1
hirdrodvnami-rha Atronmzin perpendicular to the magnetic field lines to give the ions that must migrate through their respective walls the desired velocity v.
<Desc / Clms Page number 11>
In a particular embodiment, the magnetic field for generating the Lorentz force is produced by electromagnets whose lines of force are parallel to said porous walls and the liquid to be ionized is then rotated, e.g. with stirrer, to give the desired sense of movement to the ions.
As is known, Lorentz force is used in the magnetohydrodynamic (MHD) generator to generate electric current directly from an ionized gas in motion.
An apparatus according to the present invention suitable for removing ions from a liquid contains the following elements: (1) a space in which there is liquid containing cations and anions, this space having a first wall which is selectively permeable to cations and anions to pass through and a second wall selectively transmissive to anions and cations prevented from passing, (2) a liquid, called receiving liquid, which contacts said walls on the outside of said space and is capable of absorbing ions which are under the influence of an electric field to migrate through said walls, and (3) a means or means for generating said electric field,
characterized in that said first wall is porous and is provided with openings containing an electric field which prevents migration of the anions through said openings but allows passage of cations and said second wall is also porous and is provided with openings which electric field that prevents migration of the cations through said openings but allows the passage of anions.
Embodiments for the manufacture of said porous
EMI11.1
Nden t11ing den n.
The said first and second porous wall can have all kinds of geometric shapes, for example, it is flat or curved. Walls with two-dimensional closed curvature, e.g. cylindrical curvature,
<Desc / Clms Page number 12>
are suitable for the construction of concentric spaces in which continuous liquid can be supplied at one end and taken off at the other end of the cylinders.
According to an embodiment, the liquid to be de-ionized is in a first concentric space between two cylinders which form the aforementioned first and second porous walls, respectively. The central space around which said first concentric space is located and a second concentric space enclosing the first concentric space is flowed through with the receiving liquid, for example in counter-flow with respect to the liquid from which ions must be removed. When the electric field effecting the migration of the ions through the walls is generated between electrodes, these electrodes are located in said central space and in said second concentric space, respectively, or form part of the walls of the latter spaces.
According to another embodiment, the space in which the liquid which is to be de-ionized is located, is a flow-through space, for instance a tube, of which mutually opposite wall parts form said first and second porous walls, respectively. This embodiment is well suited to be used for the removal of ions from a liquid which is continuously pushed through said tube and the movement of the liquid is suitable to build up the already mentioned Lorentz force with the required magnetic field which prevents the migration of cations. respectively promotes anions through the suitable porous wall.
According to a further embodiment, the liquid from which ions are to be extracted is deionized batch by batch. The de-batching of ions per batch can take place in containers which are set up in cascade, so that the outlet of a first container in the series forms the inlet for a subsequent container, as is the case with a distillation column with different platforms.
<Desc / Clms Page number 13>
The present invention is illustrated with schematic drawings without, however, limiting the invention thereto.
In Figure 1 the barrier effect underlying the selective blocking of cations and anions, respectively, the selective transmission of said ions through openings of a porous wall in which electrostatic edge fields are present in the openings is represented.
Figure 2 shows an apparatus according to the present invention with a space from which ions are removed from liquid batch by batch (batchwise).
In Figure 3, an apparatus according to the present invention is shown from which ions are continuously removed from a flowing liquid using Lorentz force.
For the sake of clarity of the drawings, the dimensions of certain elements are not shown in the correct proportions in these Figures.
Figure 1 represents a schematic cross-section of a part of said first and second walls 1 and 2, which are respectively flanked by electrodes 3 and 4. In walls 1 and 2, conductive grating layers 6 and 7 are provided in electrically insulating wall material 5 are negatively and positively charged, respectively. In the grate openings 8 there is an electric edge field, which is indicated by the electric field lines 9. This edge field blocks the passage through the openings 8 for anions 10 in wall 2 and allows cations 11 to pass through. The opposite happens in wall 1. A receiving liquid for the cations and anions is present in the space in which the electrodes 3 and 4 are located.
Between the electrodes. 3 and 4, which are at different electric potentials, an electric driving field E is provided which provides the necessary force to cause the cations 11 and anions 10 to migrate through wall 2 and wall 1, respectively.
The voltage between the grating layers 6 and 7 can be controlled with an external voltage source and adjustable resistance (not shown).
Figure 2 schematically shows a device according to cross-section
<Desc / Clms Page number 14>
present invention for wherein from an electrolyte, d. w. z. a liquid containing ions in solution, be removed batch by batch of ions.
The space 20, also called the cell, is filled with filtered seawater, for example, the valve 21 being closed.
Cells 22 and 23 also contain seawater as the receiving liquid, which is supplied along inlet 25 and valve 26.
The seawater, which acts as a collecting fluid for the ions from cell 20, is pumped around with pump 24 and drained along outlet 27 with valve 28. Between the electrodes 29 (anode) and 30 (cathode) an electrical voltage is applied to allow the migration of the cations maintain the first porous wall 31 and the migration of the anions through the second porous wall 32. In said walls, electrostatic marginal fields are present in their openings 33 and 34 as described in Figure 1.
Figure 3 schematically depicts a cross-section of an apparatus according to the present invention continuously removing and fractionating from a flowing liquid using Lorentz force ions according to their charge / mass ratio.
Said device contains a central tubular flow-through space 40, therein plate-shaped permanent or electromagnets 41 (hatched), eg ceramic magnets, which have a magnetic field as indicated by the magnetic field lines 42. The liquid to be de-ionized flows at a speed v perpendicular to these field lines 42. This creates a Lorentz force K on the cations 43 and anions 44. This Lorentz force drives the cations 43 through the openings 50 of the first porous wall 46 and the anions 44 through the openings 51 of the second porous wall 47 after which said ions end up in a receiving liquid in space 48. Said receiving liquid
EMI14.1
flows with a flow sentence v perpendicular to the flow sentence v of the o liquid contained in space 40.
At regular intervals, possibly adjustable, are at the bottom space 48 drain lines 52 and collecting receptacles 53 in which collecting liquid with the
<Desc / Clms Page number 15>
ions contained therein are collected. Since the Lorentz force imparts the greatest velocity to the ions with the largest charge / mass (Q / m) ratio, these ions will migrate first through the openings and the ions can, according to the said Q / m ratio, as in a fractionation column according to the length of the column (here the flow-through space 40).
The separation of ions is used, for example, in companies in which the aim is to separate the base from precious metals. This is the case, for example, when regaining silver. from used photographic baths. Furthermore, this separation method is useful in isolating heavy, sometimes toxic, metal ions, such as lead, cadmium and mercury ions.
A further application is in the field of extraction or recovery of nuclear fuel, eg in the separation of uranium and plutonium or other radioactive isotopes.
To avoid the blockage of the micro-openings of the said walls, all colloidal material must first be removed, eg by filtration or centrifugation.
To limit the amount of collecting liquid, the collecting space 48 is taken very narrow and the receiving liquid velocity v is very small, so that one can speak of laminar flow.
The liquid from which the ions are to be removed can be circulated in a closed circuit, of which the space 40 is a part, until the required ion separation is achieved.
The electric edge fields in the openings of the porous walls are preferably formed with electrically charged grids whose side facing the axis of the openings is larger than the diameter of the openings and the distance between the oppositely charged grids is also greater than the diameter of said openings, so not as in Figure 1 which only the principle of the selective blocking effect on anions and cations
EMI15.1
1-1 - u sec r illuGtrecrt.