-
Die Erfindung bezieht sich auf das Feld der Chemie, im Speziellen auf das Feld der Sonochemie.
-
Hintergrund der Erfindung und Stand der Technik
-
Es ist schon lange bekannt, das Kavitation chemische Reaktionen und Prozesse beschleunigen bzw. erzeugen kann. Wird die Kavitation mit Hilfe von Ultraschall erzeugt so spricht man von Sonochemie. Unter Kavitation versteht man die Formation, das Wachstum und der implosive Kollaps der Blasen in einer Flüssigkeit. Der anschließende Kollaps verursacht enorme Drücke und Temperaturen. Auf Grund der Winzigkeit der Kavitationsblasen (mehrere Mikrometer bis Millimeter) gibt es große Aufheiz- und Abkühlraten. Eingesetzt werden kann die Sonochemie beispielsweise für folgende Anwendungen: Steigerung der Reaktionsgeschwindigkeit, Steigerung der Reaktionsergebnisse, effizientere Energienutzung, Steuerung des Reaktionsweges, Leistungsverbesserung der Phasentransferkatalysatoren, Vermeiden der Verwendung von Phasentransferkatalysatoren, Einsatz von rohen oder technischen Reagenten, Aktivierung von Metallen und Feststoffen und Reaktivitätssteigerung der Reagenten oder Katalysatoren. Es gibt verschiedene Formen von Kavitation hydrodynamische und Ultraschall induzierte Kavitation.
-
Unter die hydrodynamische Kavitation fallen folgende Fälle – Venturi Düsen, Hochdruckdüsen, Hochgeschwindigkeitsrotation oder die Möglichkeit mit Hilfe eines so genannten Wasserhammers Kavitation zu erzeugen.
-
Folgende Anwendungen sind mit „Erzeugter Kavitation” denkbar:
- • Vorbereiten aktivierter Metalle durch die Reduktion metallischer Salze
- • Herstellung aktivierter Metalle durch Beschallung
- • Fällung von Metalloxiden
- • Imprägnieren von Metallen oder Metall-Haloiden
- • Vorbereitung aktivierter Metalllösungen
- • Reaktionen, die Metalle mittels lokal erzeugter Organoelemente einbinden
- • Reaktionen, die nicht-metallische Feststoffe einbinden
- • Kristallisierung und Fällung von Metallen, Legierungen, Zeolithen und anderen Feststoffen
- • Modifikation der Oberflächenmorphologie und der Partikelgröße durch interpartikuläre Kollision bei hoher Geschwindigkeit
- • Formation amorpher Materialien mit Nanostruktur, einschließlich Metalle mit hoher Oberflächenänderung, Legierungen, Carbide, Oxide und Kolloide
- • Agglomeration von Kristallen
- • Glätten und Abtragen passivierender Oxidbeschichtungen
- • Mikromanipulation (Fraktionierung) von kleinen Partikeln
- • Dispersion von Feststoffen
- • Herstellung von Kolloiden (Ag, Au, Q-sized CdS)
- • Einschieben von Gastmolekülen in anorganisch geschichtete Wirtsfeststoffe
- • Sonochemie bei Polymeren
- • Synthese von Polymeren
- • Sonolyse organischer Kontaminanten in Wasser
-
Diese Aufzählung ist unvollständig, es gibt noch weitere Anwendungen für die Kavitation in der Chemie. Nur leider werden diese Anwendungen durch folgende zwei Nachteile verhindert.
- 1. Die Geräte für die Sonochemie sind relativ teuer im Verhältnis zu den Durchflussmengen.
- 2. Die Sonochemie hat einen geringen Wirkungsgrad.
-
Diese beiden Nachteile können überwunden werden, indem man auf den so genannten „Wasserhammereffekt” zurückgreift, der sich ebenfalls zur Sonochemie nutzen lässt. Dieser Effekt wird in
DE Anmeldung mit dem Aktenzeichen 10 2009 048 348.9 ausführlich beschrieben. Unter diesem versteht man nichts anderes, als das eine Flüssigkeit bevorzugt innerhalb eines Vakuumgefäßes vertikal geschüttelt wird. Ist die Beschleunigung hinreichend groß, dann wird erstens die Flüssigkeit zerrissen und es entstehen kleine Kavitationsblasen und zweitens entsteht beim Aufprall der Flüssigkeit am Boden oder dem Deckel des Gefäßes ein Druckstoß der folgende Amplitude hat A = c·ρ·v mit c = Schallgeschwindigkeit, ρ = Dichte der Flüssigkeit) und v = Geschwindigkeit der Flüssigkeit beim Aufprall. Wie man der Formel entnehmen kann, ist Amplitude selbst bei kleineren Geschwindigkeiten sehr groß. Durch diesen Druckstoß entstehen innerhalb der Flüssigkeit ebenfalls Kavitationsblasen und bestehende werden expandiert bzw. komprimiert. Dadurch ist es möglich jeden sonochemischen Prozess einfach zu optimieren. Jedoch gibt es bisher noch kein technisches Gerät, welches in der Lage alle für die Praxis erforderliche Anforderungen zu erfüllen.
-
Beschreibung der Erfindung.
-
Die Erfindung wird im Hauptanspruch definiert, während die abhängigen Ansprüche weitere Merkmale der Erfindung enthalten.
-
Die Sonochemie kann im groben in drei Themenbereiche unterteilt werden.
- 1. Eine Flüssigkeit wird entweder alleine oder mit einer anderen zusammen durch Kavitation angeregt.
- 2. Eine Flüssigkeit wird mit Kavitation angeregt, dabei wird Gas in die Flüssigkeit eingeleitet.
- 3. Eine Flüssigkeit wird mit Kavitation angeregt, dabei wird festes Material in die Flüssigkeit eingeleitet
-
Dies bedeutet, dass ein Gerät für Sonochemie in der Lage sein muss, alle drei Themenbereiche bestmöglich abzudecken. Der Zweck dieser Erfindung ist es dies zu leisten. Die Erfindung verwendet folgende wesentliche Komponenten, mindestens ein Zufluß- und Abflussrohr welche jeweils an einen Luftdichten Behälter verbunden sind. Der Behälter kann zusätzlich an eine Vakuumpumpe angeschlossen werden. Der Behälter kann über Hilfsmittel vertikale Bewegungen mit mehreren G Beschleunigung durchführen. Durch diese Bewegungen entsteht innerhalb der Flüssigkeit sehr starke Kavitation welche die gewünschten, chemischen und physikalischen Prozesse in Gang setzt. Die folgende Zeichnung zeigen eine bevorzugte Ausführungsform.
-
1 zeigt einen vertikalen Schnitt durch das Gerät: Folgende Komponenten werden verwendet
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Vakuumpumpe
- 2
- Steuerbares Ventil
- 3
- Scharnier für den Deckel
- 4
- Spritzschutz für den Vakuumanschluss
- 5
- Vakuumrohr
- 6
- Vakuumanschluss
- 7
- aufklappbarer und anschließbarer Deckel
- 8
- Vakuumrezipient
- 9
- metallische Führung an alle vier Ecken des Rezipienten
- 10
- Rührer
- 11
- Flüssigkeitzuflussrohr
- 12
- steuerbares Flüssigkeitsventil
- 13
- steuerbares Ventil (flüssig, gasförmig und fest)
- 14
- Zuführungsrohr
- 15
- Dämpfungsfüße
- 16
- Gummipuffer
- 17
- Flüssigkeitsdichter Motor für den Rührer
- 18
- steuerbares Auslassventil
- 19
- Auslassrohr
- 20
- Elektroaußenvibratoren
- 21
- Flüssigkeit welche verwendet wird
- 22
- Vakuum
-
Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
-
Die Vakuumpumpe (1) ist über ein Vakuumrohr (5) an dem Deckel (7) eines Vakuumrezipienten (8) befestigt. Das Vakuumrohr hat ein steuerbares Ventil (2), welches elektrisch oder mechanisch eingestellt werden kann. Der Vakuumrezipient (8) liegt frei beweglich auf vier Gummipuffern (16) ist aber an allen vier Ecken mit Hilfe von Metallschienen (9) so geführt, dass er sich vertikale Bewegen kann, die anderen Freiheitsgrade werden durch die Führungen eingeschränkt. Am Boden innerhalb des Rezipienten (8) befindet sich ein Motor (17) der einen Rührer (10) antreibt. Der Deckel des Rezipienten (7) ist am Rezipienten, mit Hilfe eines Scharniers befestigt (3). Selbstverständlich reicht das allein noch nicht aus, um den Deckel luftdicht zu befestigen, das braucht man noch eine Gummidichtung und diverse andere konstruktive Mittel, die ein Fachmann aber ohne Probleme selber lösen kann. Am Deckel (7) befindet sich ein Spritzschutz (4) gegenüber des Vakuumanschlusses (6) innerhalb des Vakuumanschlusses befindet sich ein Art Membran, welche ebenfalls füssigkeitsdicht ist. Am Rezipienten selber befinden sich auf der eine Seite zwei Zuführungen eine für die Flüssigkeit (11) und eine für gas-, flüssig bzw. fest förmiges Reaktionsmaterial.
-
Detaillierte Beschreibung der Funktion der bevorzugten Ausführungsform
-
Die Erfindung wird nun in Bezug auf die drei Themenbereiche der Sonochemie funktionsmäßig beschrieben.
- 1) Die Vakuumpumpe (1) erzeugt ein Vakuum (22). Aus den Rohren (11) und (14) werden zwei Flüssigkeiten eingeleitet. Der Rührer (10) wird eingeschaltet. Und das Ablassventil (18) wird geöffnet. Die Elektroaußenvibratoren (20) werden eingeschaltet. Der Rezipient (8) führt eine vertikale Bewegung aus. Durch diese Bewegung, wird erstens die Flüssigkeit zerrissen und es entstehen Kavitäten und Zweitens wird beim Aufprall der Flüssigkeit auf dem Boden des Rezipienten eine Stosswelle innerhalb der Flüssigkeit erzeugt, welche wiederum Kavitation erzeugt.
- 2) Alle Komponenten arbeiten wie in 1) nur wird statt einer Flüssigkeit in Rohr 14 Gas eingeleitet, und das überschüssige Gas mit der Vakuumpumpe abgepumpt.
- 3) Alle Komponenten arbeiten wie in 1) aber nun kann nicht mehr so einfach der Reaktionspartner in den Rezipienten eingeleitet werden. Man muss einen Kolben verwenden, der das Material hineinschiebt. Die selbe Vorgehensweise ist nötig, wenn das Reaktionsprodukt ebenfalls festförmig ist und nicht mit der Flüssigkeit mitgeschwemmt werden kann.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
