DE102011108448A1

DE102011108448A1 - Dielektrophoretische und diamagnetophoretische Stofftrennung

Info

Publication number: DE102011108448A1
Application number: DE201110108448
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Tollkuehn Thilo De
Priority date: 2011-07-23
Filing date: 2011-07-23
Publication date: 2013-01-24

Abstract

Aufgabe ist die Anreicherung und Trennung von gasförmigen und flüssigen Stoffgemischen in elektrischen und/oder magnetischen Feldern auf Grund der unterschiedlichen molekularen elektrischen und/oder magnetischen Dipolmomente der Stoffkomponenten. Nach dem Hauptmerkmal wird das Stoffgemisch durch die natürliche Schwerekonvektion oder durch künstliche Konvektoren in eine Umlaufströmung versetzt, um nach dem Gegenstromverfahren den primären dielektrophoretischen bzw. diamagnetophoretischen Trenneffekt zu verstärken und um eine höhere Trennwirkung bis hin zur Reindarstellung der Mischkomponenten zu erreichen. Das Ausführungsbeispiel nach 3 benützt inhomogene magnetische Felder zur Gemischtrennung. Das magnetische Feld wird von der Innen- 31 und Außenelektrode 32 aufgebracht. Die zu trennende Komponente mit dem größeren magnetischen Dipolmoment wird an der Innenelektrode 31 während die andere schwächere an der Außenelektrode 32 angereichert. Der Arbeitsraum 33 bildet in der Vertikalen eine Säule, um bei einer vertikalen Zirkulationsströmung den horizontalen Grundeffekt zu akkumulieren. Im Weiteren sind mehrere Arbeitsräume 33', 33'' nebeneinander angebracht und magnetisch in Serie geschaltet. Als Alternative zu mit Stromspulen versehenen Elektromagneten sind hier die Elektroden 31 und 32 und die den Magnetfluss schließenden Bügel 34 als Permanentmagnete ausgebildet.

Description

Aufgabe ist die Trennung von flüssigen oder gasförmigen Stoffgemischen auf Grund der unterschiedlichen elektrischen und/oder magnetischen molekularen Dipolmomente seiner Komponenten.
Bei der Elektrophorese dient ein elektrisches Feld um geladene Teilchen abzutrennen. Eine Weiterentwicklung dazu ist die Dielektrophorese, bei der die Kraftwirkung eines inhomogenen elektrischen Feldes auf das elektrische Dipolmoment ausgenützt wird. Verwendung findet die Dielektrophorese bei der Sortierung und Detektion von Nanopartikeln, Viren etc. Das Analogon dazu, die Diamagnetophorese – die Kraft eines molekularen magnetischen Dipols in einem inhomogenen Magnetfeld – befindet sich noch im Forschungsstadium hat aber den Nachweis erbracht, für Mikromanipulationen nutzbar zu sein.
Aufgabe ist die Anreicherung und Trennung von gasförmigen und flüssigen Stoffgemischen bei Einwirkung von inhomogenen elektrischen und/oder magnetischen Feldern und auf Grund der unterschiedlichen molekularen elektrischen und/oder magnetischen Dipolmomente der Stoffkomponenten. Nach dem Hauptmerkmal wird das Stoffgemisch durch die natürliche Schwerekonvektion oder durch künstliche Konvektoren in eine Umlaufströmung versetzt, um nach dem Gegenstromverfahren den primären Trenneffekt zu akkumulieren und um eine höhere Trennwirkung bis hin zur Reindarstellung der Mischkomponenten zu erreichen. Die Lösungsmerkmale des Verfahrens sind in den Ansprüchen beschrieben. Nachfolgend sind verschiedene Ausführungsbeispiele wiedergegeben. Es zeigen
1 Zylindrisches Trennrohr mit inhomogenen, elektrostatischen Feld.
2 Konisches Trennrohr zur dielektrophoretischen Stofftrennung.
3 Hintereinder geschaltete Trennrohre zur diamagnetophoretischen Stofftrennung.
4 Trennrohr mit Biot-Savart-Magnetfeld zur diamagnetophoretischen Stofftrennung.
Die Beschreibung wird mit einer durchgängigen, zweizifferigen Zeichengebung vereinfacht. Dabei steht die Anfangsziffer X für die Fig.-Nummer der einzelnen Ausführungsbeispiele und die Zweitziffer für jeweils analoge Komponenten. Grundbestandteile eines Trennrohres X0 sind je eine Innenelektrode X1 und eine Außenelektrode X2. Beide Elektroden begrenzen einen zylinderförmigen, senkrechtstehenden Arbeitsraum X3, in dem sich das zu trennende Gemisch mit den Komponenten A und B befindet. An der Innenelektrode X1 herrscht die elektrische Feldstärke E₁ bzw. die magnetische Induktion H₁ und an der Außenelektrode entsprechend E₂ bzw. H₂. Die Bezeichnung „Elektrode” wird hier für beide Feldarten, nicht nur für das elektrostatische, sondern auch für das magnetostatische Feld benützt. Für eine maximale Feldinhomogenität ∇E, ∇H mit E₁/E₂, H₁/H₂ → Maximum sind die Flächen von Innen- und Außenelektrode X1 und X2 möglichst unterschiedlich groß.
Im Weiteren ist es vorteilhaft, die zum Betrieb des Trennverfahrens notwendigen Grundlagen voranzustellen. Darin sind Vektoren durch Unterstreichung gekennzeichnet. Die Ausführungsbeispiele von 1 und 2 beziehen sich auf die dielektrophoretische Stofftrennung: Ein elektrischer Dipol M [Asm] erfährt in einem inhomogenen elektrischen Feld E [V/m], gegeben durch den Feldgradienten ∇E [V/m²] eine Kraft F = M·∇E [N]. Die molekularen Dipole in einem Gas bzw. einer Flüssigkeit sind primär ungerichtet. Unter der Einwirkung der elektrischen Feldstärke E kommt es zu einer Ausrichtung und bei einer Dielektrizitätskonstanten ε [As/Vm] zu einer Dipoldichte pro Volumeneinheit D = εE. [As/m²]. Analog zum Einzel-Dipol verursacht ein Feldgradient ∇E eine Volumenkraft f = nF = εE·∇E [N/m³], wenn n [1/m³] die Zahl der Dipole pro Volumeneinheit bedeutet. Haben die zu trennenden Gemischkomponenten A und B die effektiven Dielektrizitätskonstanten ε_A und ε_B so ist die wirksame Trennkraft f _AB = (ε_A – ε_B)E·∇E. Voll analog dazu ist in den Ausführungsbeispielen von 3 und 4 die Volumenkraft f = nF = μH·∇H [N/m³] und die Differenzkraft f _AB = (μ_A – μ_B)H·∇H bei einer magnetischen Induktion H [A/m] in einem Medium mit der Permeabilität μ [Vs/Am] und der seiner Komponenten μ_A und μ_B. Dank dieser Kräfte kommt es zu einer Diffusionsbewegung, zahlenmäßig durch den Diffusionskoeffizient K [m²/s] festgelegt. Der Diffusionskoeffizient von Flüssigkeiten ist zwar um 3 bis 4 Zehnerpotenzen kleiner als der von Gasen, durch die höhere Flüssigkeitsdichte wird dieser Nachteil jedoch kompensiert.
Bei einem Feldgradienten ∇E besteht über die differentielle Wegstrecke ds die Feldänderung dE = ds·∇E und ein differentieller Druckunterschied dp = f·ds. Beide Gleichungen zusammengefasst ergibt dp = εE·dE. In dieser Schreibweise lässt sich unmittelbar die zwischen 2 Punkten mit den elektrischen Feldstärken E₁ und E₂ herrschende Druckdifferenz p₁₂ = ½ε(E₁ ² – E₂ ²) [Pa] aufintegrieren. Die vollkommen analoge Situation besteht in einem Fluid mit der Permeabilität μ [Vs/Am], hier ergibt sich zwischen 2 Feldpunkten mit den magnetischen Induktionen H₁ und H₂ [A/m] die Druckdifferenz bzw. das Potential p₁₂ = ½μ(H₁ ² – H₂ ²). [Pa = J/m³].
1a zeigt den Aufriss und 1b den Querschnitt eines Trennrohres 10 zur Trennung eines gasförmigen oder flüssigen, elektrisch nicht leitenden Gemisches. Es besteht aus einer konzentrischen, stabförmigen Innenelektrode 11 und aus einer vertikal stehenden, zylinderförmigen Außenelektrode 12. Zwischen Innen- 11 und Außenelektrode 12 besteht eine elektrische Spannung und induziert in dem Arbeitsraum 13 mit dem Trenngemisch bestehend aus den Komponenten A und B ein inhomogenes elektrisches Feld. Dadurch wandert die Komponente A mit dem größeren elektrischen Dipolmoment zur Innenelektrode 11 während sich die schwächere Komponente B an der Außenelektrode 12 anreichert. Hat die Komponenten A ein höheres spezifisches Gewicht, so entsteht sekundär ein Zirkulationsstrom mit einer absteigenden Strömung bei der Innenelektrode 12 und einer aufsteigenden Strömung an der Außenelektrode 12. Die zwischen den Elektroden herrschende Druckdifferenz p₁₂ verursacht bei gasförmigen Gemischen AB eine Dichteunterschied, der ebenfalls eine Zirkulationsströmung induziert. Wie beim Clusius/Dickel-Trennrohr sammelt sich die Komponente A am Boden des Trennrohres 10 und kann über ein – nicht dargestelltes Ventil – abgezogen werden, analog dazu erfolgt die Entnahme der leichteren Komponente B am oberen Ende. Die Zufuhr des zu trennenden Gemisches AB erfolgt in der neutralen Zone. Im Weiteren ist bekannt, mehrere Trennrohre zu Kaskaden zusammen zu schalten. Für den Fall, dass der Dichteunterschied der Komponenten A und B für eine optimale Zirkulationsströmung nicht ausreicht, ist es ohne weiteren apparativen Aufwand möglich, zwischen Innen- 11 und Außenelektrode 12 eine Temperaturdifferenz anzulegen, um zusätzlich die thermische Konvektion zu aktivieren.
Während bei 1 der Arbeitsraum in allen Höhen einen konstanten Querschnitt und damit gleiches elektrisches Feld aufweist, besitzt das Ausführungsbeispiel nach 2 eine konisch geformtes Trennrohr 20 bestehend aus Innenelektrode 21, Außenelektrode 22 und dem Arbeitsraum 23 mit dem zu trennenden Gemisch AB. Diese Konstellation verursacht eine vertikale Feldkomponente um damit wieder eine Zirkulationsströmung zu generieren.
Die Ausführungsbeispiele nach 3 und 4 benützen inhomogene magnetische Felder zur Gemischtrennung. Der Hauptvorteil gegenüber den mit elektrostatischen Feldern arbeitenden Trennrohren nach 1 und 2 besteht darin, dass damit auch elektrisch leitende Gemische getrennt werden können. Ein weiterer Vorteil ist, dass es dank der Nichtexistenz von magnetischen Monopolen zu keiner Entladung kommt und bei Verwendung von Permanentmagneten auch keine Energiezufuhr zur Aufrechterhaltung des Magnetfeldes notwendig ist. Wie im Horizontalschnitt von 3 ersichtlich hat der Arbeitsraum 33 die Fläche eines Kreissegmentes. Das magnetische Feld wird von der Innen- 31 und Außenelektrode 32 aufgebracht. Die zu trennende Komponente mit dem größeren magnetischen Dipolmoment wird an der Innenelektrode 31 während die andere schwächere an der Außenelektrode 32 angereichert. Der Arbeitsraum 33 bildet in der Vertikalen wieder eine Säule, so dass sich analog zu den 1 und 2 eine vertikale Zirkulationsströmung mit Akkumulation der horizontalen Grundentmischung kommt. Im Weiteren sind mehrere Arbeitsräume 33', 33'' ... nebeneinander angebracht und magnetisch in Serie geschaltet. Die Bügel 35 an den Enden dienen dazu den Magnetfeldkreis zu schließen. Um die Abbildungen übersichtlicher zu halten, sind die Bügel 35 und die Elektroden 31 und 32 als Permanentmagnete ausgebildet, als Alternative zu mit Stromspulen versehenen Elektromagnete. Nicht dargestellt sind die Ventile für die Zu- und Ableitung des Trenngutes.
Apparativ ist das Ausführungsbeispiel nach 4 analog zu 1. Das zu trennende Gemisch befindet sich in einem Zylinderraum 43 gebildet durch die Außenelektrode 42 und mit der konzentrischen Innenelektrode 41. Bei der Innenelektrode 41 handelt es sich um einen elektrischen Leiter mit einem Stromfluss J [A]. Eine vorteilhafte Ausführung besteht bei Tieftemperatur-Trennung und der Verwendung eines Supraleiters. Der Stromfluss J induziert gemäß Biot-Savart im Zylinderraum 43 ein magnetisches Ringfeld 2πH = J × r ^–1 [A/m]. Mit den Koordinaten des begleitenden Dreibeins, mit den orthonormalen Achsen t, n und b wobei der Tangentenvektor t in Richtung des magnetischen Feldes H = Ht und die Normalen n nach der Frenet-Theorie der Raumkurven mit t·∇t = –t × rott = n/r in Richtung des Krümmmungsradius r = rn der magnetischen Feldlinien H verläuft. (Es wird ein langstrecktes Trennrohres 40 unterstellt, in diesem Sonderfall liegt ein zweidimensionales H-Feld vor und die Binormale b tritt hier nicht in Erscheinung). Die formale Ausrechnung liefert die Volumenkraft f = μH·∇H = μH² n/r in radialer Richtung n. Auch bei dieser Ausführung besteht zwischen Innen- und Außenelektrode 41 bzw. 42 mit den Feldstärken H₁ bzw. H₂ die Druckdifferenz p₁₂ = ½μ(H₁ ² – H₂ ²).
Die Trennwirkung wird durch die Bodenstein-Zahl Bo = uh/D und die Zirkulationsströmung mit durch die Reynolds-Zahl Re = ub/ν festgelegt. Darin ist u die auf- und absteigende Geschwindigkeit des Trenngemisches AB an den Elektroden. Das Trennrohr ist durch die Höhe h und die charakteristische Breite des b gekennzeichnet und das Trenngemisch durch die Diffusionskonstante D und die kinematische Zähigkeit ν. Obwohl mit der der Höhe h und der Breite b zwei geometrische Parameter zur Einstellung optimaler Bo- und Re-Zahlen zur Verfügung stehen, sollen hier weitere Mittel zur Prozessoptimierung angeführt werden. Dank der Temperaturabhängigkeit von D und ν besteht im Temperaturniveau eine dritte Variable. Zur Aufrechterhaltung einer bestimmten Zirkulationsströmung bieten sich mechanische Mittel, z. B. ein umlaufenden Band, das an den beiden Elektroden eine Gegenströmung antreibt. Ein anderes mechanische Mittel sind Flagellen an den Elektroden. Nach dem Streaming-Effekt kann auch der akustische Strahlungsdruck von Ultraschallwellen als Strömungsantrieb und bei elektrisch leitenden Gemischen auch ein elektrodynamischen Rührwerkes eingesetzt werden. In der entgegengesetzten Situation – bei Verlangsamung einer Zirkulationsströmung – helfen eine Aufrauung der Elektrodenoberfläche oder der Einbau von Widerstandskörpern.

Claims

Verfahren und Vorrichtung zur Anreicherung und Trennung von gasförmigen und flüssigen Stoffgemischen bei Einwirkung von inhomogenen elektrischen und/oder magnetischen Feldern und auf Grund der unterschiedlichen molekularen elektrischen und/oder magnetischen Dipolmomente der Stoffkomponenten, dadurch gekennzeichnet, dass die Konvektion infolge des Dichteunterschiedes und/oder Druckunterschiedes des zu trennenden Gemisches oder durch künstliche Konvektoren in eine Umlaufströmung versetzt wird, um nach dem Gegenstromverfahren den primären Trenneffekt zu akkumulieren und um eine höhere Trennwirkung bis hin zur Reindarstellung der Mischkomponenten zu erreichen.
Verfahren und Vorrichtung zur Anreicherung und Trennung von gasförmigen und flüssigen Stoffgemischen nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Zylinder- 11 und Stabelektrode 12 eine Temperaturdifferenzaufrecht erhalten wird, um zusätzlich die thermische Konvektion zu nutzen.
Verfahren und Vorrichtung zur Anreicherung und Trennung von gasförmigen und flüssigen Stoffgemischen nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine konisch geformte Außenelektrode eine vertikale Feldkomponente zur Einstellung einer Zirkulationsströmung genutzt wird.
Verfahren und Vorrichtung zur Anreicherung und Trennung von gasförmigen und flüssigen Stoffgemischen nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Unterstützung und Steuerung der Zirkulationsströmung elektromagnetisch betriebene Konvektoren eingesetzt werden.
Verfahren und Vorrichtung zur Anreicherung und Trennung von gasförmigen und flüssigen Stoffgemischen nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Unterstützung und Steuerung der Zirkulationsströmung der Schallstrahlungsdruck (Acoustic streaming) eingesetzt wird.
Verfahren und Vorrichtung zur Anreicherung und Trennung von gasförmigen und flüssigen Stoffgemischen nach dem Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die natürliche dichte- und/oder druckbedingte Konvektion durch Aufrauung der Oberflächen oder durch Einbau von Widerstandskörpern abgebremst wird.
Verfahren und Vorrichtung zur Anreicherung und Trennung von gasförmigen und flüssigen Stoffgemischen nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, der säulenförmige Arbeitsraum 33 die Fläche eines Kreissegmentes aufweist und das magnetische Feld von der Innen- 31 und Außenelektrode 32 aufgebracht wird und bei einer vertikalen Zirkulationsströmung es zu einer Anreicherung der Komponenten A und B am oberen und unteren Ende des Trennrohres 30 kommt.
Verfahren und Vorrichtung zur Anreicherung und Trennung von gasförmigen und flüssigen Stoffgemischen nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass bei Tieftemperatur-Trennungen auf das zu trennende Gemisch in einem Zylinderraum 43 das ringförmige Magnetfeld einer konzentrischen supraleitenden Kleinelektrode 41 einwirkt.
Verfahren und Vorrichtung zur Anreicherung und Trennung von gasförmigen und flüssigen Stoffgemischen nach den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Trennrohre zu Kaskaden zusammen geschaltet sind.