CN1147237A - 用于生成特定晶核或晶体的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

一种设备，用于在与一种溶液接触的电介质表面上、特别是在聚合物的官能基团上受控地生成晶核或晶体，其中包括了一种在电介质中产生电场的装置。

Description

用于生成特定晶核或晶体的方法和设备
本发明涉及一种在与溶液接触的电介质表面上，特别是在聚合物官能基团上生成特定晶核或晶体的设备。
本发明还涉及一种控制在电介质表面上、特别是聚合物官能基团上从溶液中晶核生成或晶体取向生长的方法。
已经知道，在电介质表面会形成晶核或会进行矿物相的取向生长，其中表面的化学性质、形态性质和立体化学性质会影响这一生长。例如，在自然界中，这样的晶核生成发生在生物聚合物引发和控制壳体、骨赂、牙齿等的生长的场合。这一生物矿化作用例如在以下文献中描述：由Stephen Mann在“自然”杂志卷332，10.3，1988第119页发表的文章“在生物矿化中的分子鉴别”；或见于由S.Mann.J.Webb和R.J.P.Williams发表的书“生物矿化”，CH出版社，1989，第35页往后。
技术应用至今仍限于某些特定生产的大分子，这些大分子有某些表面官能基团，能控制沉积和絮凝反应(如表面活性剂、磷酸酯)；为此，这些化合物大部分必须直接与溶液混合，但是，只有通过对加入的数量的控制或加入某些能引起聚合物中某种电荷改变符号的化学品，才有可能控制反应。
本发明的目的是提供引言中描述的这类设备和方法，用这一设备和方法，有一定形状、大小、结构和取向的晶核或晶体可按特定的和可控的方式生长。
根据本发明，这一目的可在引言中描述的、通过在电介质中产生电场的这类设备中达到。
用电场可在电介质中产生极化或增强已存在的极化。特别是，也可得到背向电介质的接触表面而指向溶液的官能基取向(官能基例如是合成CaCO3、CaPO4用的羧酸根、羰基或氨基)。因此，形成所谓的双电层。通常，只有当在溶液中达到临界过饱和时，才能均匀生成晶核。这样的临界过饱和可在电介质双电层中局部地方得到，因为通过向产生电场的电极上的施加电势，就产生了电场，电场使双电层中溶液中的离子浓度比例变化。
例如，就负电荷电极来说，Ca 2+和CO3 2-浓度比例在双电层中可发生有利于Ca 2+的变化。[Ca 2+]x[CO3 2-]之积有某一饱和值(由热力学平衡决定，与PH值和温度无关)，当同时考虑到Ca 2+和CO3 2-与不同数目的水分子键联，并因此被不同程度地保护(溶剂化)时，该乘积在双电层的某些区域中明显超过这一数值——得到局部过饱和，从而可引发晶核的均匀生成。
而且，有可能通过电场来控制溶解的离子在官能基团附近的特定的积累以及官能基团在晶核生成反应中特定的卷入。因此这就使晶核的生成或晶体的生长可受电场的影响。例如，不同的大分子化合物通过某些官能基团的存在(如羧酸根(-COO-)、羰基、磺酸根(-SO3 -)、硫酸根(-OSO3 -)、季铵基(-NR3 +，R为H或有机基团)、各种酯基等)，影响从矿物相中在表面上生成晶核。这些官能基团可以不同的途径有助于生成晶核：
——静电积累(局部过饱和——均匀生成晶核)——官能基团的配体从溶液生成阳离子(金属离子)和生成晶核的活化能降低(不均匀生成晶核)——根据预先确定的在官能基团上的结晶学结构，官能基团与某些晶体结构、晶核/晶体生长的结构和立体化学对应性的存在(不均匀生成晶核)
——上述作用的组合。
根据本发明，借助施加的电场，这样的官能基团的活性、取向和在表面上的位置可受特定的影响。
通过聚合物链长的特定选择，官能基团本身可按彼此间隔某一距离的方式排布；在这一方式中，可提供一立体比表面结构，以使某一尺寸、结构和结晶学取向的晶核/晶体生长成为可能(可用另外的不同取向的电场或塑料的膨胀、压缩等机械应力来微调这一距离)。
原则上，连续电场、交变电场或它们的叠加电场都适合用作为电场，当数量和/或方向和/或频率(用交变电场时)是可控的时，它是特别优选的。用这一方法，晶核或晶体的生长过程可受特别的影响。典型的优选电场强度通常为0v/m至107v/m。
本发明另外一些优点和详细内容将参考以下附图说明来解释。
图1图示说明一个本发明有平面电介质的设备的实施方案。图2说明可用于图1的带孔的电极。图3说明另一实施方案，其中电介质被提供在用于生成晶核或晶体的活性表面两侧。图4说明圆柱形表面的实施方案。图5说明沿图4A-A线的切面图。图6也说明圆柱形实施方案，但是其中，暴露于电场的电介质活性表面面向由此形成的管的内表面。图7说明一种渔栅型的实施方案。
图1所示的设备有电介质1，如聚酰胺。两个电极2、3铸入电介质1中，由电源4给该二个电极提供直流电压。电极3成形为带孔的电极，如图2所示。因此，有电场穿过带孔的电极3上的孔，它使电介质的活性表面1a极化。电介质的活性表面1a暴露到溶液4中，晶核或晶体从溶液4中生长在表面上。就图1、2所示的本发明设备的实施方案来说，例如从钙的过饱和水溶液4中，在聚酰胺表面上可得更高的钙沉积速率。
聚酰胺通常形成有重复的羧酸酰胺基的未分支的链：
Figure A9519288000071
分子量为15000～50000。聚酰胺是最主要的热塑性材料。
尼龙6用作电介质。在电极3中的孔是圆形的，其直径为5mm。相应的聚酰胺层为1mm厚。
通过施加0～1000V的电势差，在电介质表面上，在电场中的最大垂直向量可在0至约2×105v/m(线性)之间变化。
通过在PH值10下，使CaCl2和Na2CO3/NaHCO3水溶液混合，可在较宽的范围内得到过饱和溶液。
在一测试性能的实验中，使用两个相同结构的设备。一个设备在不施加电势差的情况下操作(参考)。另一个设备是实际设备，按本发明在电场下操作。
在每一测量以前，在5％盐酸浴槽中除去设备上存在的钙层，然后用双蒸水清洗设备，在干燥器中干燥，用分析天平测定干重。
将这些设备浸没在过饱和溶液中，给其中一个设备施加适当的电势差。一定时间后，从溶液中取出设备，在干燥器中干燥，然后用分析天平测定干重。得到的干重减去原有干重，得到的重量差表示沉积的钙量。
在不同的试验中表明，在相同的时间内，有电场的设备比没有电场的设备沉积更多的钙，这也与施加的电场强度有关。
这些结果表明，特定的极化表面适合于加速钙晶核的生成。
聚合物、水晶玻璃、陶瓷、金属氧化物或玻璃特别适合作电介质。聚合物是特别优选的，因为通过选择适合的单体，用简单的方式使得官能基团结构作为生成晶核的实际中心。
对于固结的电介质来说，电极可铸在所述的电介质中，如图1所示。但是，也可能至少部分蒸汽沉积在电极上作为导电层，或使用导电性喷漆或汞齐层。原则上，电解质也可考虑，可作为电极。
产生电场的电介质和/或电极可用平面取向生长(rep-技术、屏蔽技术、电子束平印术)生产。用这一方法，可在表面上形成细微结构，从而相应地影响晶体或晶核的生长。除了根据本发明改变电场外，用膨胀或压缩电介质进行细微调整也是可能的。这一点可通过施加适当的力或升温或降温来做到。
通常，限制晶体或晶核的生长也是有意义的。所以，本发明优先提供除去在电介质表面形成的晶核或晶体的各种方法。这些方法可单独使用或组合使用。一种可能性是，用控制设备切断电场或使其极性反向。用超声源也可除去晶体或晶核。最后，也可使溶液4运动，也就是说，产生液流，由于沿表面产生剪切力，足够大的晶体被液流带走。
除了图1和2所示的实施方案和已描述的变化方案外，另外一些变通方案也是可以考虑的和可能的。例如，图3说明一个变通方案，其中带孔的电极3安装在中央电极的两侧，电场通过这些地方产生穿透。因此图3所示的设备有两个活性平面。借助控制设备5，可以调节施加的电势的大小以及电场强度。施加不同的电压到带孔电极的上部和下部也是可能的。
图4所示的实施方案涉及一种有圆柱形外表面的设备。带孔的电极按圆柱形弯曲，并安装在中心电极2的周围。图5表示了相应的切面图。
图6说明整个设备或管形的实施方案。电介质中的圆柱形外电极2围绕圆柱形内电极3，电极3也埋在电介质中。这一内电极3做成带孔的电极，以致电场可达到电介质圆柱形内表面。
图7说明渔栅型电极的实施方案。
除了通过对优选的金属电极施加电势来产生电场外，还可能用另外的方式产生电场，例如热电效应或压电效应也适合用来产生电场。另一优选的实施方案示于图8。其中所谓的永久极化的电介质6(它们是有高的永久电偶极矩的电介质)用来产生电场。许多铁电材料都可认为是永久极化的电介质。例如，钛酸钡制成的陶瓷材料可在电场中通过从超过其居里点的温度冷却来极化。一些在强电场中熔化的树脂、蜡、聚氨酯、聚乙烯和碳氟化物在固结后，当电场消失时仍保留产生的偶极取向。
在每种情况下，都用聚合物层1保护永久极化的电介质6不通过液体放电。这一聚合物层同时构成暴露于溶液中的电介质，也优选是活性官能基团的载体，它作为晶核形成或晶化的中心。
有垂直于电介质表面的电场向量的电场是特别优选的。
本发明还涉及一种控制在电介质表面上晶核从溶液中形成或晶体取向生长的方法。就本发明的方法来说，将可调节的电场施加在电介质表面区域。用这种方法，未极化的分子在电场中可极化，或者已极化的分子在电场中可取向。特别是，有可能用受控的和特定的方式，使电介质表面上的官能基团背向所述的表面而朝向溶液取向，从而影响有关晶核形成或晶化的活性。
本发明提供了许多技术应用前景，下文给出其中几个应用：——通过晶核的沉积和絮凝反应，来控制晶核(晶种)的形成，特别是物理的水处理(通过晶核的浓度、形状、结构和大小来控制)，——有特定形状、大小、结构和结晶学取向的晶体/晶核生长，——晶核形成作用的反向——通过适当调节双电层，可生成不从溶液中形成沉积物的表面——特殊工业应用中的特殊管子(工业废水、污水管线)。

Claims (38)

1.一种设备用于在与溶液接触的电介质表面上、特别是在聚合物官能基团上、特定地形成晶核或晶体，其特征在于，它包括一种在电介质(1)中产生电场的设备。
2.根据权利要求1的设备，其特征在于，用产生电场的设备产生的电场可用控制装置(5)调节，其中电场在电介质(1)表面区域上的大小可有利地在0～107v/m范围内调节。
3.根据权利要求1或2的设备，其特征在于，电场为连续电场，其中电场的大小和/或方向有利地可控。
4.根据权利要求1或2的设备，其特征在于，电场是交变电场，其中电场的大小和/或方向有利地可控。
5.根据权利要求1～4中一项的设备，其特征在于，聚合物、水晶玻璃、陶瓷、金属氧化物或玻璃可用作电介质(1)。
6.根据权利要求1～5中一项的设备，其特征在于，电介质基础材料(1)至少在其表面有官能基团，例如羧酸根、羰基或氨基。
7.根据权利要求6的设备，其特征在于，官能基团通过选择适合的单体而嵌埋在聚合物基质中。
8.根据权利要求1～7中一项的设备，其特征在于，电介质(1)表面是弯曲的，优选按圆柱形弯曲。
9.根据权利要求1～8中一项的设备，其特征在于，电介质(1)的表面构成管的内表面。
10.根据权利要求1～7中一项的设备，其特征在于，电介质(1)的表面基本上是平面。
11.根据权利要求1～7中一项的设备，其特征在于，电介质(1)的表面做成类似渔栅形状。
12.根据权利要求1～7中一项的设备，其特征在于，用于产生电场的设备装有至少两个有不同电势的导电极(2，3)，电介质(1)中的电场有面向溶液的表面。
13.根据权利要求8的设备，其特征在于，至少一个电极(2，3)装在电介质内部。
14.根据权利要求9的设备，其特征在于，一个电极为带孔的电极(3)，其中电场穿过带孔电极的孔，并将电介质(1)的表面包括在内。
15.根据权利要求10的设备，其特征在于，在电介质(1)中基本上为平面的带孔电极(3)装在中心的、基本上是平面的电极(2)的两侧。
16.根据权利要求8～10中一项的设备，其特征在于，电极(3)至少部分按圆柱形弯曲。
17.根据权利要求12～16中一项的设备，其特征在于，金属电极、金属网、金属箔、导电塑料和/或石墨用作电极(2，3)。
18.根据权利要求12～17中一项的设备，其特征在于，电极(2，3)至少部分铸入固结的电介质中。
19.根据权利要求12～18中一项的设备，其特征在于，电极是作为导电层至少部分汽相沉积的或作为导电漆涂敷的或汞齐层。
20.根据权利要求12～19中一项的设备，其特征在于，电极至少部分为电解质。
21.根据权利要求1～11中一项的设备，其特征在于，由至少一个永久极化的电介质(6)形成电场。
22.根据权利要求21的设备，其特征在于，永久极化的电介质(6)被一层支撑优选活性官能基团的层，特别是聚合物层(1)围绕。
23.根据权利要求1～7中的一项的设备，其特征在于，由热电效应或压电效应产生电场。
24.根据权利要求1～23中一项的设备，其特征在于，用平面取向生长的方法，产生电介质和/或产生电场的电极。
25.根据权利要求1～24中一项的设备，其特征在于，施加于溶液的电势与产生电场的电极电势相比较高、较低或相等。
26.根据权利要求1～25中一项的设备，其特征在于，它包括使电介质膨胀或压缩的装置。
27.根据权利要求1～26中一项的设备，其特征在于，它包括除去电介质上形成的晶核或晶体的装置。
28.根据权利要求27的设备，其特征在于，这些装置包括用于切断电场或改变电场电极极性的控制装置。
29.根据权利要求27的设备，其特征在于，这些装置包括超声源。
30.根据权利要求27的设备，其特征在于，这些装置使溶液沿电介质表面流动。
31.根据权利要求1～30中一项的设备，其特征在于，电场有垂直于与溶液接触的电介质表面的电场向量。
32.一种控制在电介质表面上，特别是在聚合物的官能基团上、从溶液中形成晶核和晶体取向生长的方法，其特征在于，将可调节的电场施加到电介质上，至少其表面区域上。
33.根据权利要求32的方法，其特征在于，当没有电场时，电介质有未极化的分子，在电场中这些分子可被极化。
34.根据权利要求32的方法，其特征在于，当没有电场时，电介质有在电场中取向的极化分子。
35.根据权利要求32～34中一项的方法，其特征在于，电介质表面上的官能基团背离表面而指向溶液取向。
36.制造权利要求32～35中一项的设备的方法，其特征在于，在制造过程中，将电场施加到硬化或固化过程中的电介质上。
37.根据权利要求36的方法，其特征在于，可将导电的电极在制造中嵌埋在电介质中，优选铸在其中。
38.根据权利要求36或37的方法，其特征在于，在制造过程中，用每一电极施加电场，借此在随后的操作中可在电介质中产生电场。
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