DE1076625B

DE1076625B - Vorrichtung zum elektrophoretischen Trennen von den elektrischen Strom wenig oder nicht leitenden Gemischen

Info

Publication number: DE1076625B
Application number: DEK23810A
Authority: DE
Inventors: Paul Kollsman
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1953-10-23
Filing date: 1954-10-21
Publication date: 1960-03-03
Also published as: GB796049A; GB796149A; US2815320A; FR1113843A

Description

Vorrichtung zum elektrophoretischen Trennen von den elektrischen Strom wenig oder nicht leitenden Gemischen Es ist zur kataphoretischen Trennung von beispielsweise in einem Puffer gelösten Substanzgemischen bekannt, diese in einen porösen, eine Behandlungszelle ausfüllenden Stoff, z. B. Ton, Filtrierpapier, Zellstoff, Kieselsäuregel einzuleiten. Dabei bewegen sich die ungeladenen Teilchen in Richtung der Flüssigkeitsströmung, während elektrisch geladene Teilchen unter Einfluß des quer zu der Strömung verlaufenden elektrischen Feldes abgelenkt werden. Die abgelenkten Teilchen erfahren eine ihrer kataphoretischen Geschwindigkeit entsprechende Verschiebung und können dann getrennt abgeleitet werden. Die Behandlungszelle ist von den Elektrodenzellen durch Ionen durchlassende Membranen, die ebensowenig wie der Füllstoff den elektrischen Strom nicht leiten, getrennt.
Es wurde gefunden, daß eine solche Vorrichtung zur Trennung von den elektrischen Strom wenig oder nicht leitenden flüssigen oder gasförmigen Gemischen benutzt werden kann, wenn man als Membranen an sich bekannte ionenaustauschende Membranen und als poröse Stoffe körnige Ionenaustauscher verwendet, wobei das Verhältnis der Wanderungsgeschwindigkeiten der Ionen. zum Lösungsmittel der lonenaustauscher von dem der Austauschmembrane unterschiedlich sein soll.
Es ist zwar bereits vorgeschlagen worden, die durch Ionenaustauschermembranen begrenzten Kammern einer Vielkammerzelle für die Elektrodialyse zwecks Verringerung des elektrischen Widerstandes mit körnigen Ionenaustauschern zu füllen, jedoch können in einer solchen, Verdünnungs- und Konzentrationskammern aufweisenden Zelle keine elektrophoretischen Trennungen in dem eingangs envähnten Sinne durchgeführt werden.
Die Wirkungsweise einer derart ausgebildeten Vorrichtung kann. folgendermaßen erklärt werden: Aus den Elektrodenkammern werden Ionen durch alle Behandlungskammern zur anderen Elektroldenkammer getrieben, wobei unterschiedliche Konzentrationsverhältnisse beim Eintritt in und beim Austritt aus dem körnigen Ionenaustauscher vorliegen. Beispielsweise treten Ionen mit verhältnismäßig kleinen Lösungsmittelhüllen aus einer Membran hoher Ionenkonzentration in einen Ionenaustauscher geringerer Ionenkonzentration ein und suchen sich dort sogleich durch Adsorption zu vergrößern. Demzufolge wird in der Eintrittszone eine Knappheit an adsorbierbarem Material erzeugt. In der Austrittszone, in der die Ionen vom Füllstoff in die nächste Membran eintreten, ist dagegen ein Überschuß adsorbiezrbaren Materials vorbanden.
En.thält die Mischung mehrere adsorbierbare Stoffe, so wird die am leichtesten zu adiorbierende Kompos nente in der Eintrittszone von den Ionen als Teil der Lösungsmittelhülle mitgenommen, während die weniger leicht zu adsorbierende Komponente oder Komponenten zurückbleiben. Infolgedessen brauchen die adsorbierbaren Stoffe an sich nicht elektrisch leitfähig zu sein, um von der lonenwanderung in der schric-ben Weise beeinflußt zu werden.
Im Gegensatz zu den bekannten kataphoretischen Verfahren wird hier von der sich zwischen loneneintritt und lonenaustritt in den bzw. aus dem lonenaustauscher ändernden Ionengröße Gebrauch gemacht.
Der benutzte lonenaustauscher braucht nicht regeneriert zu werden, da er lediglich als elektrisch leitende Brücke zwischen den Membranen dient.
Obwohl auch dreikammerige Apparaturen vorteilhaft angewendet werden können, sind in den Zeichnungen Vorrichtungen nfit mehr Kammern veranschaulicht.
Fig. 1 ist eine schemafische Darstellung einer Vorrichtung mit mehreren Kammern, welche aus den Wänden 11 und 12 und den Rahmen 13, 14, 15, 16 und 17 bestehen, zwischen denen die ionenaustauschenden Membranen 18, 19, 20, 21, 22, 23 und 24 angeordnet sind. Eine mit einer Stromzuführung26 verbundene Elektrode 25 ist nahe an dem Endteil 11 und. eine weitere mit einer Stromzuführung 28 verbundene Elektrode 27 ist nahe bei dem entgegengesetzten Wandteil 12 angeordnet. Die Membranen 18 und 24 bilden Elektrodenkammern 33 bzw. 34, zwischen denen sich Behandlungskammern 35, 36, 37, 38 und 39, welche voneinander durch die Membranen 19, 20, 21, 22 und 23 getrennt sind, befinden. Elektrolyt kann den Elektrodenkammern 33 und 34 durch Leitungen 29> 30 bzw. 31, 32 zugeführt und daraus abgezogen werden.
Den dazwischenliegenden Kammern wird das zu trennende Gemisch durch Leitungen 40, 41, 42, 43, 44 und 45 zugeführt. Abführungsleitungen 46, 47, 48, 49, 50 und 51 sind rechts von den Membranen und weitere Abführungsleitungen 52, 53, 54, 55, 56 und 57 links von den Membranen vorgesehen.
Die Räume zwischen den Membranen sind mit porösen körnigen oder faserigen Ionenaustauschern.58 gefüllt.
Die Elektroden25 und 27 bestehen aus von dem Elektrolyten nicht angreifbaren Stoffen, z. B. aus Platin, Silber, Kupfer, rostfreiem Stahl oder Kohle.
Es können an sich bekannte Anionen durchlassende, Anionen austauschende oder Kationen durchlassende, Kationen austauschende Membranen oder Anionen und Kationen durchlassende amphotere, ionenaustauschende Membranen verwendet werden.
Es sei angenommen, daß alle Membranen 18, 19, 20, 21, 22, 23 und 24 Anionen durchlässig, also durchlaßhemmend für Kationen sind und daß die Zwischenräume 35, 36, 37, 38 und 39 Anionenaustauscher, die Kationen nicht durchlassen, enthalten. Die Leitung 26 führt zu dem negativen und die Leitung 28 zu dem positiven Pol einer Gleichstromwelle. Der Anionenaustauscher 58 wird in bezug auf die Membran so gewählt, daß das Verhältnis der Wanderungsgeschwindigkeiten der Ionen zum Lösungsmittel voneinander verschieden, und zwar zweckmäßig größer für die Membran als für den Füllstoff ist.
Das Verhältnis der Wanderungsgeschwindigkeiten ist für praktische Zwecke ungefähr gleich der Ionenaustauschkapazität dividiert durch die Menge des von dem Material adsorbierten Wassers, welche durch Eintauchen in reines Wasser bestimmt werden kann.
So besitzt z. B. das unter dem Handelsnamen Dowex 50 erhältliche Kationenaustauschharz mit einem Vernetzungsgrad von 16 °/o eine lonenaustauschkapazität von 2,5 Milliäquivalent und das mit einem Vernetzungsgrad von 2% eine solche von 0,7 Milliäquivalent pro cm3 bei etwa demselben Wassergehalt.
Das Verhältnis der Wanderungsgeschwindigkeiten dieser zwei Austauscher beträgt also etwa 3,56 und ist für die praktische Durchführung einer Trennung ausreichend.
Bei schwach sauren oder schwach basischen Ionenaustauschern hängt der Ionisationsgrad vom pu-Wert des mit dem Austauscher in Berührung kommenden Elektrolyts ab. Im allgemeinen entwickeln solche nur bei hohen bzw. niedrigen pH-Werten ihre maximale Austauschkapazität. Die Ionisation in beiden Arten von Austauschern ist am größten, wenn der damit in Berührung kommende Elektrolyt aus den Elelctrodenkammern eine Salzlösung ist. Aus diesem Grunde verwendet man vorzugsweise Austauscher vom Typ schwacher Säuren und schwacher Basen mit Salz-Iösungen.
Als Membranmaterial wählt man ein solches, das eine andere Ionenkonzentration aufweist als der Icnenaustauscher, Dadurch ergibt sich eine Trennwirkung durch verschiedene Adsorbierbarkeit der Komponenten der Mischung.
Wenn die Materialien der Membran und des Ionenaustauschers in bezug auf ihr Verhältnis der Wande rungsgeschwindigkeiten verglichen werden, muß der Vergleich mit derselben Lösungsmittelkomponente ge- macht werden. In einem solchen Fall sollen der Austauscher und die Membran verschiedene Dielektrizitätskonstanten haben.
Eine Mischung aus 30 0/o Wasser und 70°/o Aceton leitet den elektrischen Strom nicht. Zum Trennen einer solchen Mischung soll der den Elektrodenkammern zugeführte Elektrolyt solche Flüssigkeiten enthalten, die ebenso leicht von den Ionen adsorbiert werden wie die am leichtesten adsorbierbare Komponente des zu trennenden Gemisches. Die Elektrizitätskonstante ist ein Maß für seine Adsorbierbarkeit. Geeignete Elektrolyte sind 0,001 bis 1,0 normale wäßrige Lösungen von Chloriden oder Hydroxyden von Lithium, Natrium oder Kalium.
Die Arbeitsweise der Vorrichtung kann folgendermaßen erklärt werden: Alle Ionen besitzen die Neigung, eine Lösung mittelhülle um sich herum zu bilden die aus Molekülen der am leichtesten adsorbierbaren Flüssigkeitskomponente besteht, z. B. ist jedes Chlorion in dem Elektrodenraum 33 mit einer Wasserhülle umgeben.
Selektiv durchlässige Stoffe enthalten eine bestimmte Anzahl gebundener elektrischer Ladungen in ihrer Struktur, welche durch eine äquivalente Anzahl beweglicher Ladungen des entgegengesetzten Vorzeichens in den Poren des Materials ausgeglichen werden. Die Anzahl gebundener Ladungen in den Poren der Membranen bestimmt die Ionenkonzentration des Strömungsmediums in den Poren. Die z. B. durch eine Anionenmembran 18 hindurchtretenden Chlorionen treten in der Kammer 35 beispielsweise in den Anionenaustauscher 58 mit einer Wasserhülle ein, deren Größe durch die in den Poren der Anionenmembran 18 herrschende Ionenkonzentration bestimmt ist.
Der Anionenaustauscher 58 wird so ausgewählt, daß das Verhältnis der Wanderungsgeschwindigkeiten der Ionen zum Lösungsmittel kleiner ist als dasjenige der Anionenmembran 18. Die durch den Anionenaustauscher hindurchtretenden Ionen können also eine größere Lösungsmittelhülle besitzen als die durch die Membran hindurchtretenden. Wenn ein Chlorion in den Austauscher 58 eindringt, vergrößert es sofort seine Wasserhülle, indem es aus der an die Membran 18 angrenzenden Mischung von z. B. Wasser-Aceton Wasser entnimmt. Die Mischung verarmt daher örtlich an Wasser, was zu einer entsprechenden Erhöhung der Acetonkonzentration führt. Die konzentrierte Mischung kann daher durch die Leitung 46 abgezogen werden.
Wenn andererseits das Verhältnis der Wanderungsgeschwindigkeiten des Austauschers größer ist als daseinige der Membran, so geben die Ionen einen Teil ihrer Wasserhüllen ab, und an der Membran 18 erfolgt eine Verdünnung.
Die durch die Poren des Füllstoffes wandernden Chlorionen erreichen die nächste Anionenmembran 19, in deren Poren eine höhere Ionenkonzentration herrscht. Die in die Poren der Membran eingedrungenen Chlorionen geben entsprechend wieder einen Teil ihrer Wasserhülle ab, was zu einer Wasseranreicherung der Mischung an der linken Seite der Membran 19 führt. Eine Mischung mit erhöhtem Wassergehalt und entsprechend verringertem Acetongehalt kann aus der Kammer 35 dann durch die Leitung 52 abgezogen werden. Wenn die Chlononen die Membran 19 verlassen und in die Poren des Füllstoffes 58 in der nächsten Kammer 36 eintreten, vergrößern sie ihre Wasserhülle, wobei sie der durch die Kammer 36 fließenden Mischung Wasser entziehen. Wenn die Chlorionen die nächste Anionenmembran 20 erreichen, wird wieder ein Teil ihrerWasserhülle, wie vorstehend erläutert, abgegeben.
Dieser Vorgang wiederholt sich, bis die Chlorionen an die Anode 27 gelangen und unter Bildung von Chlorgas entladen werden.
Die in der rechtenElektrodenkarnmer34 enthaltenen Kalium ionen wandern ebenso wie die in den Zwischenkammern enthaltenen Kationen bis zur nächsten den Durchtritt der Kationen hemmenden Membran und werden dann, mit Ausnahme derjenigen, welche infolge Undichtheit der Membran »durchschlüpfen«, festgehalten.
Die ursprünglich in dem Kathodenraum 33 anwesenden Kaliumionen werden unter Bildung von Kaliumhydroxyd an der Kathode niedergeschlagen.
Die das Chlorgas enthaltende Anodenflüssi gkeit wird durch die Verbindungsleitung 59 in dieKathodenkammer zurückgeführt.
In der Kathodenkammer 33 zersetzt das Cl2 das anwesende K OH und bildet K Cl, das wieder weiterverwendet werden kann.
Eine fortgesetzte Rückführung über eine Pumpe 63 ersetzt die ursprünglich in der Elektrodenkammer enthaltene K Cl-Lösung. Weitere K Cl-Lösung kann noch aus einem Behälter 61 zugeführt werden.
Die Trennung eines gasförmigen, eine dampfförmige Komponente enthaltenden Gemisches, z. B. Acetondampf und Luft, kann folgendermaßen verstanden werden: Aceton ist die am leichtesten adsorbiierbare Komponente der Mischung und verhält sich dementsprechend ähnlich wie das Wasser in dem vorhergehenden, eine Wasser-Aceton-Mischung betreffenden Beispiel.
Es sei angenommen, daß K Cl-Lösung entweder im Wasser oder Aceton der Kathodenkammer 33 zugeführt wird. Die Mischung von Acetondampf und Luft wird durch die Leitungen 40, 41, 42, 43 und 45 in die Zwischenkammern35, 36, 37, 38 und 39 eingeführt, bis die Zwischenkammern mit einem Anionenaustauscher gefüllt sind.
Die ursprünglich in der Kathodenkammer 33 anweisenden Chlorionen treten durch die für Anionen durchlässigeMembranl8 mit einer bestimmten kleinen Wasserhülle hindurch und in die Poren des Austauschers 58 ein. Die Anionen nehmen dann aus dem mit Aceton und Luft getränkten Füllstoff Aceton auf und vergrößern so ihre Lösungsmittelhülien. Wenn die Anionen in die nächste Anionenmembran 19 eintreten, werden die Acetonmoleküle abgegeben und bilden eine mit Aceton angereicherte Schicht auf der linken Seite der Membran 19.
Eine Mischung mit verringertem Acetongehalt kann also durch die Leitung 47 und eine Mischung mit erhöhtem Acetongehalt kann durch die Leitung 52 abgezogen werden. Bei entsprechenden Temperaturen kondensiert sich Aceton und wird daher teilweise in flüssiger Form gewonnen.
Der Austauscher, welcher Aceton innerhalb der Zone, in welcher eineVergrößerung dlerLösungsmittelhülle stattfindet, an die wandernden Ionen abgibt, ergänzt dieses wieder aus der in die Kammer eingeführten und in den Austauscher eindringenden Luft-Aceton-Mischung.
Es ist also unerläßlich, daß das Verhältnis von Wanderungsgeschwindigkeiten der Ionen und des Lösungsmittels von Membranen und Austauscher ungleich ist, da die Zu- und Abnahme der Lösungsmittelhülle von dieser Ungleichheit abhängt. Zweckmäßig soll das Verhältnis für die Membran größer sein als das für den Austauscher.
Die in Fig. 1 gezeigte Vorrichtung kannen dadurch abgeändert werden, daß an. Stelle des Anionenaustauschers ein amphoterer Austauscher verwendet wird.
Dieser ist gleicherweise für die Behandlung nicht leitender Flüssigkeitsmischungen und Gasmischungen geeignet, vorausgesetzt, daß das Verhältnis der Wanderungsgeschwindigkeiten im Austauscher von dem der ionenaustauschenden Membranen verschieden ist.
Es kann auch ein Kationenaustauscher mit einer Anionenmembran kombiniert werden. Hierbei ist die Wirkungsweise die oben beschriebene. So können z. B. die Membranen 18, 19, 20, 21, 22, 23 und 24 aus unter dem Handelsnamen Amberlite IRA-400 bekannten Anionenaustauschern bestehen und die Kammern 35 bis 39 mit einem schwach kationischen, natürlichen oder synthetisehen Aluminiumsilicat gefüllt sein.
Bei dieser Anordnung soll das Wanderungsverhältnis für die Membranen größer sein als für den Austauscher, damit die Vorrichtung in ihrer Gesamtheit in bezug auf Anionen selektiv durchlässig wird. Beim Arbeiten mit einer solchermaßen ausgebildeten Vorrichtung benötigt man für denselben Anionenstrom, verglichen mit einer Anionenmeinbranen und einem Anionenaustauscher enthaltenden Vorrichtung, ein höheres Potential.
Die Eigenschaft selektiv durchlässiger Membranen, den Durchtritt von Ionen mit der Polarität der in der Membran gebundenen Ladungen zu hemmen, nimmt mit steigender Ionenkonzentration des mit der Membran in Berührung kommenden Strömungsmediums ab. Bei verhältnismäßig hoher Ionenkonzentration lassen die Membranen Ionen mit der Polarität der gebundenen Ladungen »durchschlüpfen«. Von dieser Eigenschaft der Membranen wird hier Gebrauch gemacht, da die durch die Membran durchschlüpfenden Ionen vorteilhafterweise nur verhältnismäßig kleine Lösungsmittelhüllen besitzen. Durcl1geschlüpfte und in den Austauscher eintretende Ionen können daher eine verhältnismäßig große Menge der am leichtesten adsorbi erbaren Komponente des Strömungsmediums in den Zwischenkammern der Einrichtung aufnehmen, so daß die Konzentrierung bzw. Verdünnung dann besonders ausgeprägt ist.
Das Durchschlüpfen wird durch verhältnismäßig hohe Ionenkonzentration (etwa 0,5 bis 1,0 normal) in den Elektrodenkammern und durch Anlegung eines verhältnismäßig hohen Potentials gefördert.
Die in Fig. 1 gezeigte Einrichtung kann auch mit Kationenwanderung betrieben werden. In diesem Fall erfolgt ein ununterbrochener Durchtritt von Kationen durch die gesamte Einrichtung. Die vorstehend erwähnte Fraktionierung oder Zu- und Abnahme der Konzentration erfolgt durch Zu- und Abnahme der die Kationen umgebenden Lösungsmittelhüllen.
Der in den Elektrodenkammern verwendete Elektrolyt kann derselbe sein, wie er bei der Beschreibung der Anionenwanderung angegeben wurde.
Wenn die Membranen 18 bis 24 Kationenmembra nen sind, können die Kammern mit einem beliebigen Ionenaustauscher gefüllt sein, wobei amphotere und Kationenaustauscher bevorzugt werden.
Wenn die Vorrichtung mit durch die Membranen durchschlüpfenden Ionen betrieben wird, können die Anionenmembranen verwendet werden, wenn die Kammern mit Kationenaustauschern gefüllt sind.
Die Membran kann auch amphoter sein, wobei die Kammern ebenfalls mit Kationenaustauschern gefüllt sind.
Der Betrieb der Vorrichtung bei Kationenwande rung entspricht dem bei Anionenwanderung mit der Ausnahme, daß die Mischung an ihrer am leichtesten adsorbierbaren Komponente entlang der Oberfläche der Membran, dort, wo die wandernden Kationen die Membranen verlassen und in den Füllstoff eintreten, verarmt. Eine Anreicherung der am leichtesten adsorbierbaren Komponente der Mischung erfolgt an der Seite der Membran, an welcher die wandernden Kationen, aus dem Füllstoft kommend, in die Membranen eintreten und dabei einen Teil ihrer Lösungsmittelhüllen abgeben.
In Fig. 1 kann durch die Leitungen 52, 53, 54, 55 56 und 57 konzentrierte Mischung und durch die Leitungen 46, 47, 48, 49, 50 und 51 verdünnte Mischung abgezogen werden, wenn eine Kationenwanderung erfolgt.
In Fig. 1 sind für jede der Zwischenkammern zwei Abführungsleitungen gezeigt. Die Anzahl der Ab, führungsleitungen kann je nachAnzahl von Fraktionen, welche abgezogen werden sollen, variiert werden.
Fig. 2 zeigt eine abgeänderte Ausführungsform der Einrichtung von Fig. 1, wobei vier Abführungsleitungen für jede Kammer vorgesehen sind. Unter Bezugnahme auf die beschriebene Trennung von Wasser und Aceton sammelt sich Wasser an einem Ende der Kammer und Aceton am anderen Ende der Kammer an.
Bei einer Anionenwanderung sammelt sich das Aceton in der Nähe der Membran 18 in der Kammer 35 und in der Nähe der Membran 19 in der Kammer 36 an.
Wasser sammelt sich an der Membran 19 in der Kammer 35 und an der Membran 20 in der Kammer 36 an. Die durch die Leitungen 146 und 147 abgezogene Flüssigkeit besitzt daher den höchsten und die durch die Leitungen 152 und 153 abgezogene Mischung den niedrigsten Acetongehalt.
Die durch die Leitungen 246 und 247 abgezogene Flüssigkeit hat einen geringeren Acetongehalt als die durch die Leitungen 146 und 147 abgeführte Flüssigkeit, und die durch die Leitungen. 252 und 253 erhaltene Flüssigkeit enthält weniger Wasser als die durch die Leitungen 152 und 153 abgezogene.
In bestimmten Fällen kann eine Sperre zwischen den einzelnen Abführungsleitungen vorgesehen werden, um die einzelnen Fraktionen voneinander getrennt zu halten. Fig. 3 zeigt den in Fig. 2 dargestellten Teil der Vorrichtung mit unterteilenden Membranen 64, 65 und 66 zwischen den Membranen 18 und 19 und unterteilenden Membranen 67, 68 und 69 zwischen den Membranen 19 und 20. Natürlich ist eine unterteilende Membran zwischen jeweils zwei Abführungsleitungen vorgesehen, und es können beliebig viele Abführungsleitungen vorhanden sein. Die Zahl 4 wurde in Fig. 3 lediglich zur Erläuterung gewählt.
Die unterteilenden Membranen sind vorzugsweise amphoter. Haupterfordernis für die unterteilenden Membranen ist, daß sie für die wandernden Ionen durchlässig sind und daß sie den Weg von Elektrode zu Elektrode nicht unterbrechen, wenn die zu behandelnde Flüssigkeit nichtleitend ist. Ferner müssen die unterteilenden Membranen die wandernden Ionen durchtreten lassen, ohne deren Lösungsmittelhüllen merklich zu verkleinern. Im allgemeinen arbeitet eine unterteilende Membran mit derselben Leitfähigkeit und denselben Verhältnissen der Wanderungsgeschwindigkeiten wie der Austauscher zufriedenstellend.
In der Vorrichtung von Fig. 3 besitzen die Hauptzuführungsleitungen 40 und 41 Zweigleitungen 140, 240, 340 und 440 bzw. 141, 241, 341 und 441, durch welche das Gemisch in die einzelnen Räume eingeführt wird.
Es ist nicht notwendig, das Gemisch allen Räumen zwischen den unterteilenden Membranen zuzuführen, da der Ionentransport durch die Membranen von einem Transport des Gemisches begleitet ist. Wie in Fig. 4 gezeigt ist, führen die Zuführungsleitungen 40 und 41 in die Räume bei den Membranen 18 und 19 bzw. bei den unterteilenden Membranen. 64 und 67.
In dem dargestellten Beispiel ist eine Anionenwandew rung vorgesehen. Die durch die am weitesten links angeordneten Abführungsleitungen 146 und 147 abgezogene Fraktion, welche den höchsten Prozentgehalt z. B. an Aceton aufweist, wird in der am weitesten links gelegenen Kammer gebildet, ohne daß die in Nähe bei der Anode befindliche Fraktion hindurchzudiffundieren oder »durchzuschlüpfen« braucht, was bei der in Fig. 3 gezeigten Vorrichtung erforderlich wäre, wo das zu behandelnde Strömungsmedium in alle Unterteilungen der von den Hauptmembranen 18, 19 usw. gebildeten Kammern eingeführt wird.
Verschiedene mögliche Abänderungen, welche durch Kombination verschiedener Austauscher mit verschi edenen Ha,uptmemabranen und verschiedenen unterteilenden Membranen erhalten werden, sind in Fig. 5 bis 11 gezeigt.
Fig. 5 und 8 erläutern schematisch eine Vorrichtung, in welcher- Hauptmenibranen A verwendet werden. Die Vorrichtung arbeitet nach dem Prinzip der Anionenwanderung. Wie vorstehend beschrieben, ist der hierzu verwendete Austauscher vorzugsweise anionisch oder amphoter, er kann jedoch auch schwach kationisch sein. Die unterteilenden Membranen von Fig. 8 können anionisch, amphoter oder schwach kationisch sein.
Die Fig. 6 und 9 erläutern dieselbe Art der Vorrichtung, jedoch bei Kationenwanderung und unter Verwendung von Kationenmembranen C. Der Austauscher ist vorzugsweise kationisch oder amphoter, kann jedoch auch schwach anionisch sein. Die unterteilenden Membranen von Fig. 9 können kationisch oder amphoter sein. Die unterteilenden Membranen können ebenfalls schwach anionisch sein.
Die Fig. 7 und 10 erläutern eine Vorrichtung, welche amphotere Hauptmembranen A besitzt. Es findet eine Anionenwanderung oder eine Kationenwanderung statt, je nach dem Austauscher und den Membranen.
Bei Anionenwanderung soll der Austauscher aus einem Anionenaustauscher bestehen, und die unterteilenden Membranen sollen entweder anionisch oder amphoter sein. Sie können schwach kationisch sein, wenn der Anionengehalt des Austauschers größer ist als der Kationengekalt der unterteilen den Membranen..
Wenn der Austauscher kationisch ist und eine Kationenwanderung stattfindet, können die unterteilenden Membranen kationisch oder amphoter sein. Wenn schwach ionische Membranen als unterteilende Membranen verwendet werden, soll ihr Anionengekalt geringer sein als der Kationengehalt des Austauschers.
Die in Fig. 11 gezeigte Vorrichtung kann als andere Ausführungsform der in Fig. 8 oder 9 gezeigten Anordnung angesehen werden. Mit derselben Berechtigung kann man die Vorrichtung jedoch als ausgesprochen verschieden ansehen, da sie sowohl bei Anionenwanderung als auch bei Kationenwanderung verwendbar ist. In dieser Vorrichtung wechseln Anionenmembranen A mit Kationenmembranen C ab. Die Kammern sind zweckmäßig mit amphoteren Austauschern gefüllt. Die Anionenmembranen besitzen vorzugsweise im wesentlichen dasselbe Verhältnis der Wanderungsgeschwindigkeiten wie die Kationenmembranen.
Das Verhältnis der Wanderungsgeschwindigkeiten des amphoteren Austauschers soll zweckmäßig gleich oder kleiner sein als das der selektiv durchlässigen Membranen.
In einer Vorrichtung, deren Elemente in ihrer Ge samtheit Austauscher und Membranen gleich viel Anionen und Kationen aufweisen, kann eine Stete rung der Wirkung durch Verwendung einer eine Elektro denkammer begrenzende Membran mit hoher Selektivität und einem hohen Gehalt an Ionen erzielt werden. An Stelle einer Membran kann der Austauscher in einer der Kammern oder sogar in einem der Elektrodenräume selektiv durchlässig sein und einen hohen Ionengehalt aufweisen.
Ein spezifisches Beispiel für eine Vorrichtung, bei der eine Steuerung erwünscht ist, ist in Fig. 7 bei der Ausführungsform gezeigt, bei welcher sowohl Austauscher als auch Membranen amphoter sind. In Fig. 7 ist eine Schicht 76 angeordnet, die eine selektive Membran oder eine Schicht von Anionen- oder Kationenaustauschern sein kann. Ihre Polarität bestimmt die Polarität der Ionenwanderung.
Um bestimmte Fraktionen auf bestimmte Räume zu beschränken, können abwechselnd Anionen- und Kationenaustauschermembranen, wie in Fig. 11 gezeigt, angeordnet sein.
Beispiel 1 (Kationenwanderung) Die Vorrichtung enthält zehn Membranen, welche jeweils einen Abstand von 20 min voneinander besitzen und neun Kammern bilden. Das Membranenmaterial ist unter dem Handelsnamen IR-120 bekannt, die Dicke beträgt 1 mm, eine Seitenfläche jeder Membran beträgt jeweils 100 cm2. Der Füllstoff in dem 20 mm breiten Raum zwischen den Membranen ist der unter dem Handelsnamen Dowex 50 bekannte, zu 2 0/o vernetzte Austauscher und besteht aus Körnern mit einem Durchmesser von etwa 0,6 mm. Jede Kammer besitzt eine Zuführungsleitung und drei Abführungsleitungen. Es werden Platinelektroden verwendet. Der aus einer 0,1 normalen Lösung von Li Cl in Wasser bestehende Elektrolyt wird mit einer Ge schwindigkeit von 15 cm3 pro Minute den Elektrodenkammern zugeführt.
Die zu trennende Mischung besteht aus 70 Teilen Aceton und 30 Teilen Wasser.
Die Gesamteinströmgeschwindigkeit beträgt 1 cm3 pro Minute.
Ergebnisse Versuch Nr. 1 Gleichstrom von 1200 mA - mittlere Ausflußleitung wird nicht benutzt.
Gesamtabfluß gesch windigkeit am Auslaß Nr. 1 . ................... 0,7 cmS Ausbeute: 0,62 cm3 Aceton 0,08 cm³ Wasser Gesamtabflußgeschwindigkeit am Auslaß Nr. 3 .............. ...... 0,3 cm3 Ausbeute: 0,22 cm3 Wasser 0,08 cm3 Aceton Versuch Nr. 2 Gleichstrom von 1800 mA - mittlere Ausflußleitung wird nicht benutzt.
Gesamtabflußgeschwind igkeit am Auslaß Nr. 1 .................... 0,7 cm3 Ausbeute: 0,65 cm3 Aceton 0,05 cm3 Wasser Ges amtabflußgeschwindigkeit am- Auslaß Nr. 3 .................... 0,3 cm3 Ausbeute: 0,25 cm3 Wasser 0,05 cm3 Aceton Versuch Nr. 3 Gleichstrom von 1200 mA - alle drei Ausflußleitungen werden benutzt.
Gesamtabflußgeschwindigkeit am Auslaß Nr. 1 ................... 0,5 cm3 Ausbeute: 0,48 cm3 Aceton 0,02 cmi Wasser Gesamtabflußgeschwindigkeit am Auslaß Nr. 2 .................... 0,3 cm3 Ausbeute: 0,22 cm3 Aceton 0,08 cm3 Wasser Ges amtabflußgeschwindigkeit am Auslaß Nr. 3 .................... 0,2 cm3 Ausbeute: 0,2 cms Wasser eine Spur von Aceton Versuch Nr. 4 Gleichstrom 1800 mA - alle drei Ausflußleitungen werden benutzt.
Ges amtabflußgeschwindigkeit am Auslaß Nr. 1 . ..... ............ 0,5 em3 Ausbeute: 0,5 cm3 Aceton eine Spur von Wasser Gesamtabflußgeschwindigkeit am Auslaß Nr. 2 .................... 0,3 cm3 Ausbeute: 0,20 cm3 Aceton 0,10 cm3 Wasser Gesamtabflußgeschwindigkeit am Auslaß Nr. 3 .................... 0,2 cm& Ausbeute: 0,2 cm3 Wasser eine Spur von Aceton Beispiel 2 Die gleiche Vorrichtung wie im Beispiel 1 wurde verwendet, nur mit der Ausnahme, daß als Ionenaustauscher körniges Aluminiumsilicat mit ungefähr 0,3 mm Körnerdurchmesser verwendet wird.
Das zu trennende Gemisch bestand aus 70 Teilen Aceton und 30 Teilen Wasser.
Die Gesamtzuflußgeschwindigkeit betrug 1 cm³ pro Minute.
Ergebnisse Versuch Nr. 1 Gleichstrom 200mA - Mitteiauslaß wird nicht benutzt.
Gesamtab,flußgeschwindigkeit am Auslaß Nr. 1 . ................. 0,7 cms Ausbeute: 0,64 cm3 Aceton 0,06 cm3 Wasser Gesamtabflußgeschwindigkeit am Auslaß Nr. 3 . ..... ............ 0,3 cm3 Ausbeute: 0,24 cm³ Wasser 0,06 cm3 Aceton e03 7381332 Versuch Nr. 2 Gleichstrom 300mA - Mittelauslaß wird nicht benutzt.
Gesamtabflußgeschwindigkeit am Auslaß Nr. 1 ................... 0,7 cm3 Ausbeute: 0,66 cm3 Aceton 0,04 cm³ Wasser Gesamtabflußgeschwindigkeit am Auslaß Nur. 3 .................. 0,3 cm3 Ausbeute: 0,26 cm3 Wasser 0,04 cm3 Aceton Beispiel 3 Es wurde dieselbe Vorrichtung verwendet wie im Beispiel 2. Das zu trennende Gemisch bestand aus 99 Teilen Benzol und 1 Teil Aceton.
Die Gesamtflußgeschwindigkeit betrug 4 cm3 pro Minute.
Ergebnisse Gleichstrom 220mA - Mittelauslaß wird nicht benutzt.
Gesamtabflußgeschwindigkeit am Auslaß Nr 1 3,96 cm3 Ausbeute: 3,95 cm3 Benzol 0,01 cm3 Aceton Gesamtabflußgeschwindigkeit am Auslaß Nr. 3 ................. 0,04cm3 Ausbeute: 0,03 cm3 Aceton 0,01 cm3 Benzol Beispiel 4 Es wurde dieselbe Einrichtung wie im Beispiel 1 verwendet, mit dem Unterschied, daß als Austauscher körniges Aluminiumsilicat mit einem Korndurchmesser von es via 0,8 mm genommen wurde.
Der verwendete Elektrolyt war 1 normale Li Cl-Lösung in Wasser.
Das zu behandelnde Strömungsmedium war 0,032 g Wasser pro Liter enthaltende Luft.
Gesamtzuflußgeschwindigkeit 1000 cms pro Minute.
Ergebnisse Versuch Nr. 1 Gleichstrom 140 mA - Mittelauslaß wird nicht benutzt.
Ges amtabflußgeschwindigkeit am Auslaß Nr. 1 .................... 900 cm3 mit einem Wassergehalt von 0,018 g Gesamtabflußgeschwindigkeit am Auslaß Nr.3 .................... 100 cm³ mit einem Wassergehalt von 0,014 g.
Versuch Nr. 2 Es wurde die gleiche Einrichtung wie bei dem Versuch Nr. 1 verwendet, nur mit dem Unterschied, daß die Einrichtung geneigt wurde, um die ursprünglich senkrechten Membranen in eine waagerechte Lage zu bringen, wobei sich der Auslaß Nr. 3 unterhalb des Auslasses Nur. 1 befand.
Gesamtabflußgeschwindigkeit am Auslaß Nr. 1 .................... 900 cm3 mit einem Wassergehalt von 0,015 g Gesamtabflußgeschwindigkeit am Auslaß Nr. 3 .................... 100 cm3 mit einem Wassergehalt von 0,017 g.
Beispiel 5 (Anionenwanderung) Es wurde eine zehn Membranen enthaltende Einrichtung verwendet, in welcher die Membranen jeweils einen Abstand von 10 mm besaßen und neun Kammern bildeten. Das Membranenmaterial war das im Handel erhältliche Amberlite IRA-400, die Membranen waren jeweils 1 mm dick, und eine Seitenfläche jeder Membran betrug jeweils 100 cm2.
Der Austauscher in dem 10 mm breiten Zwischenraum zwischen den Membranen war der im Handel erhältliche Dowexl, zu 2°/o vernetzt, in Form von Perlen mit einem Durchmesser von etwa 0,6 mm. Jede Kammer besaß einen Einlaß und zwei Auslässe. Die Elektroden waren aus Platin.
Der aus einer 0,1 normalenKCL-Lösung in Wasser bestehende Elektrolyt wurde der Einrichtung mit einer Geschwindigkeit von 15 cm3 pro Minute zugeführt.
Das zu behandelnde Strömungsmedium bestand aus 70 Teilen Aceton und 30 Teilen Wasser.
Die Ges amtzufluß geschwindigkeit betrug 1 cm3 pro Minute.
Ergebnisse Versuch Nr. 1 - Gleichstrom 1650 mA Gesamtabflußgeschwindigkeit am Auslaß Nr. 1 ... ............. 0,7 cm3 Ausbeute: 0,61 cm3 Aceton 0,09 cm3 Wasser Ges amtabflußgeschwindigkeit am Auslaß Nr. 2 ... .............. 0,3 cm3 Ausbeute: 0,21 cm3 Wasser 0,09 cm3 Aceton Versuch Nr. 2 - Gleichstrom 2475 mA Ges amtabfiußges chwindigkeit am Auslaß Nr. 1 .................... 0,7 cm3 Ausbeute: 0,64 cm3 Aceton 0,06 Wasser Gesamtabflußges chwindigkei t am Auslaß Nr. 2 .................... 0,3 cm³ Ausbeute: 0,24 cm3 Wasser 0,06 cm3 Aceton Beispiel 6 Eine Einrichtung mit zehn Membranen, welche sich in einem Abstand von jeweils 20mm befanden und neun Kammern bildeten, wurde verwendet. Das Material der Hauptmembranen war das im Handel erhältliche Amberlite IRA-400, die Dicke betrug 1 mm und jede Seitenfläche war 100 cm2.
Der Raum zwischen den Hauptmembranen war durch zwei 1 mm dicke, aus im Handel erhältlichen Amberlite IR-120 bestehende Membranen unterteilt.
Der Austauscher zwischen den Membranen bestand aus Perlen von dem im Handel erhältlichen Amberlite IR-120 mit einem Durchmesser von etwa 0,6 mm.
In jeder der Unterteilungskammern befand sich ein Einlaß und ein Auslaß, so daß zwischen jeweils zwei Hauptmembranen drei Auslässe sich befanden.
Die Elektroden waren aus Platin.
Der aus einer 0,5 normalen Li Cl-Lösung in Wasser bestehende Elektrolyt wurde der Einrichtung mit einer Geschwindigkeit von 5 cm3 zugeführt.
Das zu behandelnde Strömungsmedium bestand aus 70 Teilen Aceton und 30 Teilen Wasser.
Die Gesamtabflußgeschwindigkeit betrug 1 cm3 pro Minute.
Ergebnisse Versuch Nr. 1 Gleichstrom 960 mA - mittlerer Auslaß wird nicht benutzt.
Ges amtabflußgeschwindigkeit am Auslaß Nr. 1 . . 0,7 cm3 Ausbeute: 0,6 cm3 Aceton 0,1 cm3 Wasser Ges amtabflußges chwindiglei t am Auslaß Nr. 3 . 0,3 cm3 Ausbeute: 0,2 cm3 Wasser 0,1 cm3 Aceton Versuch Nr. 2 Gleichstrom 1440 mA - mittlerer Auslaß wird nicht benutzt.
Gesamtabflußgeschwindigkeit am Auslaß Nr. 1 . ... . 0,7 cm3 Ausbeute: 0,66 cm3 Aceton 0,04 cm8 Wasser Gesamtabflußgeschwindigkeit am Auslaß Nr. 3 . ... ........... 0,3 cm³ Ausbeute: 0,26 cm3 Wasser 0,04 cm3 Aceton Versuch Nr. 3 Gleichstrom 960 mA - alle drei Auslässe werden benutit.
Gesamtabflußgeschwindigkeit am Auslaß Nr. 1 . ... ............ 0,5 cm3 Ausbeute: 0,5 cm3 Aceton nahezu kein Wasser Ges amtabflußgeschwindigkeit am Auslaß Nr. 2 .................... 0,3 cm3 Ausbeute: 0,2 cm3 Aceton 0,1 cm3 Wasser Gesamtabflußgeschwindigkeit am Auslaß Nr. 3 . ... . ......... 0,2 cm³ Ausbeute: 0,2 cm3 Wasser nahezu kein Aceton Die Einrichtung arbeitete so, daß Li-Kationen durch die Anionenmembranen durchschlüpfen.
Beispiel 7 Es wurde eine Vorrichtungn verwendet, welche zwanzig jeweils in einem Abstand von 5 mm befindliche, neunzehn Kammern bildende Membranen enthält. Als Material für die Membranen wurde verwendet: für zehn Membranen das im Handel erhältliche Amberlite IR-120, 1 mm dick und für zehn Membranen das im Handel erhältliche Amberlite IRA-400, 1 mm dick, wobei die Membranen abwechselnd aufeinanderfolgten und so angeordnet waren, daß eine IR-120-Membran den Kathodenraum und daß eine IRA-Melnblran den Anodenraum begrenzte. Jede Seitenfläche der Membranen betrug 100 cm3.
Als Austauscher wurde eine Ailischung von Amber lite IRA-400 und Amberlite IR-120 in gleichen Men gen in Form von Perlen mit einem Durchmesser von 0,6 mm verwendet.
Jede Kammer besaß einen Einlaß und einen Auslaß, wobei sich der Einlaß und der Auslaß einer über der anderen Kammer verzweigte.
Die Elektroden bestanden aus Platin.
Als Elektrolyt wurde eine 0,5 normale Lösung von K Cl in Wasser verwendet, welche mit einer Geschwindigkeit von 5 cm³ pro Minute der Elektrodenkammer zugeführt wurde.
Das zu trennende Gemisch bestand aus 70 Teilen Aceton und 30 Teilen Wasser.
Die Zufluß ges chwindigkeit sowohl zu den Verdünnungs- als auch den Konzentrationskammern betrug 1 cm³ pro Sekunde.
Ergebnisse Gleichstrom 1120 mA.

Claims

Gesamtabflußgeschwindigkeit aus mit Zweigleitung versehenen Ko,nzentrationslçammern .......... 0,7 cm3 Ausbeute: 0,65 cm3 Aceton 0,05 cm3 Wasser Ges amtabfluß geschwindigkeit aus mit Zweigleitung versehenen Verdünnungskammern . 0,3 cm3 Ausbeute: 0,25 cm3 Wasser 0,05 cm³ Aceton PATENTANSPRÜCHE: 1. Vorrichtung zum elektrophoretischen Trennen von den elektrischen Strom wenig oder nicht leitenden flüssigen und/oder gasförmigen Gemischen, wobei die gasförmigen Mischungen eine Komponente enthalten müssen, die bei den Verfahreusbedingungen auch in Flüssigkeitsform existieren kann, bestehend aus einer Zelle, in der die einen Elektrolyt enthaltenden Elektrodenkammern von der einen porösen Stoff enthaltenden Mittelzelle durch Diaphragmen getrennt sind, wobei die Mittelzelle einen Zulauf für das quer zum elektrischen Feld strömende Gemisch und in Richtung des elektrischen Feldes versetzte Abläufe für die getrennten Komponenten enthält, dadurch gekennzeichnet, daß als Diaphragmen ionenaustauschende Membranen und als poröse Stoffe körnige oder faserige Ionenaustauscher mit einem in bezug auf die Membranen unterschiedlichen Verhältnis der Wanderungsgeschwindigkeiten der Ionenlösungsmittel verwendet sind.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ablauf für wenigstens eine Komponente vom Gemischzulauf durch wenigstens, insbesondere amphoteren, eine Membran getrennt ist. ~~~~~~~~~~ In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschriften Nr. 805 399, 846 988; britische Patentschrift Nr. 694223; USA.-Patentschrift Nr. 2 555 487; J. electrochem. Soc., 100 (1953), S. 178 bis 184.