Verfahren zur Extraktion einer sauerstoff-haltigen Gas-Phase
aus Sauerstoff e.nthaltendem Wasser. Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren
zur Extraktion einer aauerstoffhaltigen Gasphase aus Sauerstoff enthaltendem Wasser. Process for the extraction of an oxygen- containing gas phase from oxygen-containing water. The present invention relates to a method for extracting an oxygen-containing gas phase from oxygen-containing water.
Es ist>bekqnnt, daso Silikonkautschuk-Membranen eine ungewöhnliche
Fähigkeit besitzen, gewisse Gase oder Gasmischungen zu trennenv So ist beispielsweise
bekanntg Kohlendioxid aus einer Gaamiaohung, die Kohlendioxid und andere Gase wie
Wasserstoff, Stickstoff, Sauerstoff und Halium enthältg dadurch zu trennen, daeo
man die Gase durch eine d.Unnet nicht poröse Silikonkauta ohuk-Mombran hindurchaohickte
Die dünnag nicht poröse Silikonkautschuk-Zembran erlaubt eInen viel- grössieren
Durchtritt (Durchfluse) an Kohlendioxid als an jedem-anderen oben erwähnten
Gas#
so daas der Durchtritt an Kohlendioxid durch diese Membran
wesentlich grösser ist als der der anderen Gase, bezogen auf eine Relativbasis.
Dies bedeutet eine Trennmöglichkeit-von Kohlendioxid beispielsweise von Luft, so
dass ein verbleibendes Luftgemisch'erhalten wird, welches (im relativen Verhältnis)
bezüglich-Kohlendioxid verarmt ist, wobei diese Trennung dadurch ausgeführt wird,
dass die- Koblendioxid inthaltende Gaamischung, beispielsweise die vorganannte luft,
mit-einer Seite der dü=env nicht porösen Membran aus Silikonkautschuk in Berührung
gebracht. wird, unter Bewirkung, dass ein Teil der Mischung durch die Membran hindurchtritt,
wobei'diese hindurchtretende Mischung be. züglich Kohlendioxid angereichert ist,
während die verbleibende Luft, welche nicht durch die Membran hindurchgetreten ist,
bezüglich Kohlendioxid verarmt-ist*. It is known that silicone rubber membranes have an unusual ability to separate certain gases or gas mixtures gases non-porous by a d.Unnet Silikonkauta ohuk-mombran hindurchaohickte the dünnag non-porous silicone rubber Zembran allows a multiplicity grössieren passage (Durchfluse) of carbon dioxide than any-other above-mentioned gas # so DAAs the passage of carbon dioxide through the membrane substantially is greater than that of the other gases on a relative basis. This means a possibility of separating carbon dioxide from air, for example, so that a remaining air mixture is obtained which is depleted (in the relative ratio) with respect to carbon dioxide, this separation being carried out in that the gas mixture containing coblene dioxide, for example the aforementioned air , brought into contact with one side of the dü = env non-porous membrane made of silicone rubber. causing a portion of the mixture to pass through the membrane, whereby this passing mixture be. is also enriched with carbon dioxide, while the remaining air, which has not passed through the membrane, is depleted in carbon dioxide *.
Wenn man Luft als Gasmischung benutzt, welche in Kontakt mit der Silikonkautschuk-Membran
gebracht wird, wird die Gasmischunge die durch die Membran hindurchtritt, ausser
der Anreioherung bezüz' lich Kohlendioxid auch bezüglich des Sauerstoffgehaltes
in be. trächtlichem Ausmaso angereichert, da die Gasag welche nicht durch die Membran
hindurchtreten, in erster linie verhältniem mäaeig'bezüglich ihres Stickstoffgehalt,a
ansteigen, Die vorliegender Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird dadurch gelöstg
daso ein sich in Bewegung befindlicher Waseerstrome der Sauerstoff gelöst enthält".-in
direkte BerUhrung mit einer. selektiv permaablen Biliconkautschuk-Mambran gebracht
wird.-Während gleichzeitig der durch die Membran hindurchtrotende Baueratoff-'-an
der anderen Filmseite entfernt wird.
Die Erfindung ermöglicht die
Schaffung von 1,uftg beispielsweise Atemluft aus Wasser, und ist beispielsweise
in Unterwasserllahrzeugen anwendbar, die unbestimmte Zeiten lang unter Wasser bleiben.If you use air as a gas mixture, which is in contact with the silicone rubber membrane
is brought, the gas mixture that passes through the membrane, except
the approximation with regard to carbon dioxide also with regard to the oxygen content
in be. Enriched to a considerable extent, since the gasag does not pass through the membrane
pass through, primarily in terms of their nitrogen content, a
increase, the object on which the present invention is based is achieved
daso a moving stream of water containing dissolved oxygen ".- in
direct contact with a. selectively permeable bilicon rubber mambran brought
is.-While at the same time the Baueratoff -'- trotting through the membrane
the other side of the film is removed.
The invention enables
Creation of 1, uftg example breathing air from water, and is example
Applicable in underwater vessels that remain underwater for an indefinite period of time.
Diese Fähigkeit der Extraktion von Luft aus Wasser beruht auf der
Verwendung des luftdurchlässigen, Biliconkautschuk-Filme und-ferner auf der Tatsache,
daso in den'meisten Ozeanen in einer Tiefe von etwa 100 Meter das Wasser
zu 90.bie 10520 mit atmosphärischem Sauerstoff gesättigt ist. Bis
zu einem gewissen Grad ist dieser 2rozeas der Funktion von 2ischkiemen vergleichbar;
da jedoch im vorliegenden Falle ein besonderes Gas zwischen dem Meenvasser und dem
Blut eines Menschen vorhanden ist# wird im allgemeiaen eine mechanische Kraft notwendig
sein# um den Wirkungegrad der Vorrichtung zu erhöhen.-Um besser verstehen-zu können,
wie diese Luftextraktion aus Wasser verläuft, ist es notwendigg mit einigen Grundsätzen
bezüglich durch-: lässiger Filme bekanntgemacht zu werden. Im Gegensatz zu dem,
was man normalen-ieise annehmen könnte, Ist die Durchdringungsgeschwindigkeit dem
Aktivitätsgradienten des Films proportional und nicht dem. absoluten Druck-Gradienten.
In dem Palle, dass eine flüssige Phase auf einer Seite dea Films vorhanden
ist., können Druck und Aktivität sehr weit auseinanderliegen.. S.o bestehtgbeispielsweise
bei.einem vorgegebenen Niederdruck Seiten-Wert" der einzige Weg zur Erhöhung der
tatsächlichen Durchdringungsgeschwindigkeit des Wassers darin, daso die Temperatur
und damit der-Druck an gesättigtem Waaserdampf auf der Hochdruckseite
den Films erhöht wird. Ähnlich ist ferner dann" wenn Wasser mit Luft bei
einer Atmosphäre Druck gesättigt'..-. wird, die Geaamtaktivität der Gaskomponenten
im Wasserim wesent-# lieben eine Atmoophäreungeachtet wie grosa'der absolute.Druok
des Wassers sein mag.
Da Seewasser meist mit Luft gesättigt
ist, wird dann, wenn ein Bilikonkautschuk-Film, der gegebenenfalls unterstützt isty
bezüglich' einer Seite einem sich bewegenden Wasserstrom aumesetzt wirdt während'die
andere Seite kontinuierlich evakuiert wird und wenn foraeir das den Film durchdringende
Gas komprimiert wird, das Ergebnis in einer Luftversorgung und dem Erhalt von etwas
flüssigem Wasser be# stehen. Das Wasser wird ferner antsalzt sein, so-daso diese
Verfahrensweiseder Luftextraktion nicht nur Atmungsluft aus Meerwasser herauszieht,
sondern gleichfalls zur Schaffung von Trinkwasser dient. Die anfallende Luft ist
infolge der höheren Durchläseigkeit des .Bilikonkautschuk-Pilms bezüglich Sauerstoff
und der höheren Lös-
lichkeit das Sauerstoffs in-Meerwasser bezüglich
Sauerstoff sagereicherte Als spezielles Beispiel kann man dea Fall eiaes
Unterseeboote mit eiaer Besatzung voa 10 Maan betrachteii und annehmen, daso
im Durchschnitt jedes Besatzuagemitglied im U-Boot 400 cm3 Sauerstoff pro Idiaute
verbraucht uad 320 CM3 Kohleadioxid pro Miaute erzeugt. Das Kohleadioxid
kann nach-mehreren Methoden entfernt werdea, einschlieaalich chemischer Abeorption
oder Konzentration und Ausstossung durch Anwendung verschiedener Ällittelp
o inschliese--# lich der Verwendung von Silikonkaut-schuk-Pilmen, die bezüglich
Kohleadioxid selektiv permaabel eind. Um eine Atmosphäre mit einem Sauerstoffgehalt
von etwa 20'#4 im U-Boot zu gewährleisteng müssen etwa 21,1 Liter Luft eines Baueratoffgehalte
von 35
pro 14inute aus dem Meerwasser extrahiert werden. Uater Zugrundeleg=&
der bekanntea 2ermeabilität des Silikonkautschuk-Pilme würde dies eine Zelle erfordern:$
welche einen Pilm von 21v74 Z 2
und einer Dicke von
0,0125 mm bis 09025 mm aufweist, der Wasserdurchfluse durch diese Zelle müsste
etwa 2,1 bis 298 m3 pro Minute betragen. Unter Zugrundelegung der Annahme,
daso die Niederdruckseite des Filme lem Quecksilbersäule (Druck) aufweist, würde
die theoretische Kompressionsarbeit für eine Besatzung von 10 Mann
300 bis 400 Watt betragen. Durch Vergrösserung der Filmfläche in der Zelle.kann
diese Arbeit herabgesetzt werden. Ausser der-Erzeugung des Sauerstoffs für
10 Mann kann dieser Extraktor etwa 34 kg bis 4098 kg
an entealztem
Wasser pro Tag als brauchbares Nebenprodukt erzeugen._ Figur 1 zeigt den
Querschnitte einer Vorrichtung, welche bei je-
dem Unterwasserfahrzeug (oder
in einer anderen entsprechenden Umgebung) dazu benutzt werden kann, luft aus Meerwasser
zu extrahieren, wobei gleichzeitig entealztes Wasser gewonnen wird. Es darf
betont werden,daso -da ein grosser Überschuse an bezüglich Luft gesättigtem Meerwasser
längs einer Silikonkautschuk-Membran vorbeiströmt- ein Vakuum an der anderen Seite
der Silikonkautschuk-Membran den Druck herabsetzt, so daso das Hindurchgehen von
Luft durch die Membran induziert (angeregt) wird, wobei diese Luft sodann komprimiert
und abgekühlt wird und schliesolich eine extrahierte luft anfällt, welche etwa
35 % Sauerstoffgehalt aufweist; zusätzlich hierzu wird flüseigen entealztes
Wasser gewonnen. «
Pigur 2 ist ein schematisches Diagramm, welches die Materialbilanz
bezüglich Sauerstoff und Stiakatoft'angibtv wobei der Luftaachechub ein Ergebnis
davon ist, daso Ideerwasser-einer no14ktiv parmeablen Silikonkautschuk-Mombran antlanggefloasen
:Lot Wona nur eiu geringer Krattyorrat vorhanden ist, beispielsweise in
oja,.m#r XJ.,#,jugt-Ur-Bootu Jet en auch für einen Menech.en mögliCht
seine
eigene Atemluft zu regeaeriereng ohne daso ein Komprosaor notwendig wäreg
der das durch den 2ilm-hindurchkommeade Gas komprimiert. Os ist bekannt" dass ein
Measch in einer Atmosphäre von 16 #4 Sauerstoff und 195 ji Kohleadioxid
leben und arbeiten kann. Wenn ein Mensch eiaa-solche Luft einatmet, enthält seine
ausgeatmete Luft etwa 12 #4 Sauerstoff und 5 > Kohlendioxid. Durch das Ausatmen
dieser Luft und Batlangleitea an einem 2iläg der luftgesättigtem Wasser ausgesetzt
ist, wird durch den Sauerstoff-Aktivitäte--Gradient bewirkt, daso Sauerstoff durch
den Pilm hindurch in die bezüglich Sauerstoff verarmte Ausatmungsluft hineinwandert.
Gleichzeitig wandert das Kohlendioxid durch den Pilm in das Wasser hinein, wobei
auf diese Art und Weise die Luft auf erträgliche ßadinZuagen eines Bauerstoffgehalte
von 16 j4 und eines Kohleadioxidgehalts von 1,5 # regeneriert wird.This ability to extract air from water is based on the use of the air-permeable, bilicon rubber films and - furthermore, on the fact that in most oceans at a depth of about 100 meters the water is saturated with atmospheric oxygen to 90 °, 10520 . To a certain extent this 2rozeas is comparable to the function of 2ischgills; However, since in the present case there is a special gas between the sea water and the blood of a person # in general a mechanical force will be necessary # to increase the degree of effectiveness of the device - in order to better understand how this air extraction from water proceeds , it is necessary to become acquainted with some principles regarding permeable films. Contrary to what might normally be assumed, the rate of penetration is proportional to the activity gradient of the film, not to it. absolute pressure gradient. In the event that there is a liquid phase on one side of the film, the pressure and activity can be very far apart. For example, with a given low-pressure side value, "the only way to increase the actual rate of penetration of the water is to do so the temperature and thus the pressure of saturated steam on the high pressure side of the film is increased. Furthermore, "when water is saturated with air at one atmosphere pressure" ...-. The total activity of the gas components in the water essentially loves an atmosphere, regardless of how great the absolute pressure of the water may be. Since sea water is mostly saturated with air, if a bilicon rubber film, which is optionally supported, is exposed to a moving water stream with respect to one side while the other side is continuously evacuated and if the gas penetrating the film is compressed beforehand, the result is an air supply and the receipt of some liquid water. The water will also be salted, so that this air extraction procedure not only draws breathable air from seawater, but also serves to create drinking water. The resulting air is due to the higher Durchläseigkeit of .Bilikonkautschuk-Pilms with respect to oxygen and the higher solubility the oxygen in sea water friendliness with respect to oxygen say enriched As a specific example, one dea case eiaes submarines eiaer crew VOA 10 Maan can betrachteii and assume daso in On average, each crew member in the submarine consumes 400 cm3 of oxygen per meow and produces 320 cm3 of carbon dioxide per meow. The carbon dioxide can be removed by several methods, including chemical absorption or concentration and expulsion through the use of various oils , including the use of silicone rubber pilms that are selectively permeable to carbon dioxide. To create an atmosphere with an oxygen content of To ensure about 20 '# 4 in the submarine, about 21.1 liters of air with a Baueratoff content of 35 per 14 minutes must be extracted from the sea water. On the basis of the known permeability of silicone rubber pilms, this would require a cell: which has a pilm of 21v74 Z 2 and a thickness of 0.0125 mm to 09025 mm, the water flow through this cell would have to be around 2.1 to 298 mm m3 per minute. Assuming that the low pressure side of the film has mercury (pressure), the theoretical compression work for a crew of 10 would be 300 to 400 watts. This work can be reduced by increasing the film area in the cell. Apart from the generation of oxygen for 10 man can this extractor about 34 kg to 4098 kg of entealztem water per day erzeugen._ as a useful by-product 1 shows the cross sections of a device which at JE the underwater vehicle (or equivalent in a different environment ) can be used to extract air from seawater, whereby de-alised water is obtained at the same time. It may be emphasized that - since a large excess of seawater saturated with respect to air flows past along a silicone rubber membrane - a vacuum on the other side of the silicone rubber membrane reduces the pressure, so that the passage of air through the membrane induces (stimulated) is, wherein this air is then compressed and cooled and finally an extracted air is obtained, which has about 35 % oxygen content; In addition, liquid de-alised water is obtained. "Pigur 2 is a schematic diagram oxygen and Stiakatoft'angibtv said Luftaachechub is the material balance with respect to a result of daso Ideerwasser-a no14ktiv parmeablen silicone rubber mombran antlanggefloasen: Lot Wona only EIU less Krattyorrat is present, for example in Oja ,. m # r XJ., #, jugt-Ur-Bootu jet en also for a menech.en possible to regenerate his own breathing air without the need of a compressor that compresses the gas coming through the 2ilm. Os is known "that a Measch can live and work in an atmosphere of 16 # 4 oxygen and 195 ji carbon dioxide. When a person breathes such air, his exhaled air contains about 12 # 4 oxygen and 5 > carbon dioxide. By exhaling This air and Batlangleitea is exposed to air-saturated water for a period of two weeks, the oxygen activity gradient causes oxygen to migrate through the pilm into the oxygen-depleted exhaled air. At the same time, the carbon dioxide migrates through the pilm into the water, In this way, the air is regenerated to tolerable levels of building material content of 16 j4 and a carbon dioxide content of 1.5 #.
Eine Bedingung, die notwendigerweise bei dieser "menschlichen Kieme"
-eingehalten werden muse, um ein Funktionieren zu gewährleisten, besteht darin,
daso genügend Wasser längs der Kieme entlangströmt, um den Nachschub an dem gewünschten
Sauerstoff zu gewährleisten. 2a wird geschätzti daso eine Wassergeschwindigkeit
von etwa 0,4 m3 pro i-Iinute ausreicht, wobei diese entweder durch die Bewegung
des Unterwasser-Fahrzeuges durch das Wasser gewährleistet wird oder dadurch, dass
diese Menge Wasser durch ein etationären Unterwasserfahrzeug gepumpt wird.A condition that necessarily occurs in this "human gill"
-must be complied with in order to ensure functioning consists in
so that enough water flows along the gill to supply the desired
Ensure oxygen. 2a is estimated that a water speed
of about 0.4 m3 per minute is sufficient, either through movement
of the underwater vehicle is guaranteed by the water or by the fact that
this amount of water is pumped by a stationary underwater vehicle.