DE1809367A1

DE1809367A1 - Diaphragma fuer elektrokinetische Geraete

Info

Publication number: DE1809367A1
Application number: DE19681809367
Authority: DE
Inventors: Dipl-Ing Donatus Doriner
Original assignee: Dornier System GmbH
Current assignee: Dornier System GmbH
Priority date: 1968-11-16
Filing date: 1968-11-16
Publication date: 1970-06-11
Also published as: FR2023482A1; NL6917207A; NL6917206A; FR2023481A1

Description

DOBNIER SYSTEM GMBH Friedrichshafen S 87

Neue Unterlagen Afc*.: P 18 09 367.9

Diaphragma für elektrokinetische Geräte

Die Erfindung befaSt sich nit der Ausbildung von Diaphragmen» die in Geräten zur Durchführung elektrokinetischer Prozesse verwendet werden.

Bekanntlich beruhen elektrokinetische Vorgänge darauf, daß an der Grenze zwischen eine« festen Dielektrikum und einer Flüssig- ^J keit oder einem Gas Ladungstrennung eintritt, d.h., eine elektrische Doppelschicht entsteht. Während die int nichtleitenden. Festkörper gebildeten Ladungsträger unbeweglich sind, können die im Gas oder in der Flüssigkeit gebildeten Ladungsträger (Ionen) durch ein elektrisches Feld in Bewegung gesetzt werden. Liegt zum Beispiel das feste Dielektrikum in Fora eines porösen, die Flüssigkeit durchlassenden Körpers, eines sogenannten Kapillarsystems, vor, so setzt sich die Flüssigkeit in Bewegung (Elektroosmose) , oder wenn das feste Dielektrikum zu« Beispiel kolloidal in der Flüssigkeit verteilt ist, so wandern diese Teilchen zu den das elektrische Feld erzeugenden Elektroden (Elektrophorese) . Die Richtung der Wanderung wird dabei von der Art M der elektrischen Ladung der Teilchen bestimmt.

Umgekehrt kann durch eine mechanisch erzwungene Bewegung von Ladungsträgern ein Ladungstransport erreicht werden. Dabei tritt beim Durchpressen einer Flüssigkeit durch ein Kapillarsystem eine elektrische Potentialdifferenz (Strömungspotential) auf. Entsprechend erhält man bei der Bewegung suspendierter Teilchen in eimer Flüssigkeit ein elektrophoretisches Potential. Im folgenden sollen im engeren Sinne diejenigen elektrokinetischen Vorgänge betrachtet werden, bei denen das fest· Dielektrikum als fester poröser Körper vorliegt und die Flüssigkeit durch die Kapillaren des porösen Körper» hindurchtreten kann. In der praktischen An-

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wendung erhält Mm somit einen elektrokinetischen Generator, bei dem echaische Energie der Strömungsbewegung direkt in elektrisch« Energie umgewandelt wird, wenn durch eine» hydromeehmni« scheu Drucktinterechlitd zwischen dem b@id«i& Seitest dos Kapillar» systems die Flüssigkeit durch die Kapillar«! gedrückt wird und die geladenen Flüssigkeitsteilchen mittraitsporfiert werten. Im anderen Fall der praktischen Anwendung wirkt' die Einrichtung als elektrokinetisch« Ptaspe oder Druckerzeuger ₉ wobei Ute über ei© Elektroden-System zugeführte elektrisch® Energie in mechanische Strömungsenergie umgewandelt wird.

Für die Realisierung dieser elektrokinetisch«». Generatoren oder Pumpen benutzt mim, wie erwähnt, «ine Vielzahl parallel geschaltetes* Kapillaren, wie sie in Diaphragmen vorlioigon. Solcfa« Diaphragmen sind nicht nur für elektrokinetisch®, sondern auch für andere Prozesse bekannt, zum Bnispiel bei der Elektrolyse. Hierbei waä man aber ύαη Verwendungszweck der Bi&p&ragaeia aad ihre Aufgabe geiiau

Di© Dlaphragwen für Slektro-Lysierxellen haben andere Aufgaben zu erfüllen, als etwa <di· Diaphragma tei der Elektroosmose. Bei der Elektrolyse werden unter Bcwutamtg dlsaioziiert9r Flüssigkeiten Ionen, bum Beispiel H⁺ und Ci"* durch ein äußeres elektrisches Feld getrennt. An den Elektroden entladen sich die Ionen und es bildet sich aav -Pol Wainierstof fgas mau sta 4-PoI Qnlorgas. Das DIsphragaa soll dabei den Icmeadwrchgang zu dta Elektroden ©naögli·» chen, aber aoglichst keine Durchlässigkeit für neutrale molekül® oder AtOBMB aufweisen,, And·» liegt umr Fall aber bei den hier Im Rahaen der Erfindung zu betrachtenden elektrokiraetIschen-Vorgftmpia, Bei eine» elektrokinetischen Generator oder einer Pump® handelt es sich wie bei der Elektroosmose damm, am Diaphragma selbst eine Ladungstreimuisg disrchzufuhren und lonmn su produzieren, ohn® dabei eine Trennung der Moleküle hervorzurufen. Die Flüssigkeit bei der Slektroklnese enthält nur Ionen eines Yorzeichen» und 1st

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insgesamt elektrisch geladen, während ein Elektrolyt Ionen beider Vorzeichen eathält und elektrisch neutral ist.

Für elektrokinetisch© Zwecke braucht die Flüssigkeit nicht notwendigerweise dissoziiert oder ionisiert zu sein, wesentlich ist nur, daß die Flüssigkeit durch das Diaphragm, hindurchtransportiert wird und daß an der Grenzfläche eine maximale Ladungstrennung erfolgt, d.h., daß die eingangs erwähnte*elektrische Doppelschicht gebildet wird. Entsprechend ihrer unterschiedlichen Aufgabe werden auch unterschiedliche Diaphragmen verwendet. Ein für Zwecke der Elektrolyse eingesetztes Diaphragaa ist für elektrokinetische Vorgänge nicht brauchbar, denn es besteht keinerlei Zusammenhang zwischen der Verwendung eines Diaphragmas bei elektrolytischen Verfahren und seiner Verwendbarkeit bei elektrokinetischen Vorgängen.

Vie in der deutschen Patentschrift 1 073 601 für den Fall eines elektrokinetisch«! Generators angegeben ist, hat man bislang als Werkstoff für Diaphragmen poröse Isolierstoffe verwendet, wie etwa Keramik, Aluminiumoxid, Schamotte-Steine, Sinterglas oder mikroporösen Gummi. Auch Diaphragmen aus gesintertem Quarzpulver sind hierfür bekannt. Als Flüssigkeit wird in der genannten Patentschrift Wasser, und zwar vorzugsweise destilliertes Wasser, vorgeschlagen.

Hach den bisherigen Veröffentlichungen - wie zum Beispiel auch der deutschen Patentschrift 1 073 6Ol - ist der elektroosmotische Druck proportional der Dielektrizitätskonstante der Flüssigkeit. Heuere Erkenntnisse brachten eise Abwandlung der Coehn*sehen Segel, wonach der elektroosmotische Druck proportional der Differenz der Dielektrizitätskonstante der Flüssigkeit und der Dielektrizitätskonstante des Festkörpers, also P»e_fl - € _feet "«in soll. Man hat daher stets versucht» die Differenz der Dielektrizitätskonstante von Flüssigkeit und der Dlelektrlziätskonstante des Fest-

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körpermaterials für das Diaphragma möglichst groß zu wählen, also eine Flüssigkeit mit hoher Dielektrizitätskonstante zu verwenden. Daher kam man auf die Verwendung von Wasser mit einer Dielektrizitätskonstante £ - 81. Die Coehn'sche Regel hat sich dabei insoweit bestätigt, als bei einem angenommenen Werkstoff für das Diaphragma Flüssigkeiten mit unterschiedlicher Dielektrizitätskonstante entsprechend unterschiedliche osmotische Drücke ergaben. In der Praxis sind bei Pumpenbetrieb mit einer angelegten Elektrodenspannung und einer Glasfritte als Diaphragma wenige 1/1000 attt/Volt erreicht worden.

£ Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, bessere Diaphragmen zu schaffen, mit deren Hilfe bei elektrokinetischen Pumpen höhere Drücke erzielt werden können bzw. die erreichbaren Spannungen beim Generatorbetrieb wesentlich erhöht werden können. Das Ziel wird erfindungsgemäß in Umkehrung der.oben gemäß der Coehn*sehen Regel genannten Differenz der Dielektrizitätskonstanten dadurch erreicht, daß als Werkstoff für das Diaphragma Stoffe mit gegenüber der verwendeten Flüssigkeit höherer Dielektrizitätskonstanten verwendet werden. Vorzugsweise werden Stoffe mit ferroelektrischen Eigenschaften verwendet. Hier sind zu nennen die Stoffe vom Typ AB O₃, zum Beispiel Stoffe vom Perovskit-Typ. Gute Ergebnisse bringen Bariumtltanat (Ba Ti O₃) und Strontiumtitanat (Sr Tl O₃). Ebenso wären zu nennen Stoffe vom Typ A« B₂ O₃, sum

si Beispiel Bleinlobat (Pb₂ Hb₂ O₃). Durch Wahl dieser Stoffe für das Diaphragma sind gegenüber den bisher verwendeten porösen Isolierstoffen zum Beispiel Drücke erreichbar, die um weit mehr als eine Größenordnung höher sind. Dabei ergibt sich der Vorteil, daß man in der Auswahl der ssu benutzenden Flüssigkeiten große Freizügigkeit besitzt. Es lassen sich nicht nur polare Flüssigkeiten, wie etwa Wasser, verwenden, sondern es sind auch nichtpolar· Flüssigkeiten, zum Beispiel Tetrachlortoois lernst off, verwendbar, wenn Ihnen eise polare Flüssigkeit sugenlscht wird. Eier*» bei ergibt sieh eine lineare Abhängigkeit vom Hi«ea«at«w»rBsltniau Von dem material Strontiumtitftaat (Sr Ti O₃) sei sech aerwrgeaeben, daß bei ihm Drücke vom etwa 2/10 aWVolt angelegter Klektrodepepsaewng erreicht wurden.

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Weitere brauchbare Stoffe für Diaphragmen sind Selgnettesalz (Na K C₄ H₄ O₆ 4H₂O), Kaliuadihydrogenphoephat (KH₂ PO₄) sowie Triglycinesulfat /(N H₃ CH₂ COOH)₃ H₂ SO₄J und isoaorphe Kristalle.

Ergänzend ist noch festzuhalten, daft nicht nur die genannten Stoffe der Typen AB O₃ und A₂ B₂ O₃ allein, sondern auch ihre Mischungen für die Zwecke elektrokinetischer Diaphragmen brauchbar sind.

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Claims

PiteitttBiprtche

1. Diaphragm für β lektroklnet lache Ger ftf β, insbesondere für elektroklnetlsehe Ptnpen, gekennzeichnet durch die Verwendung von Stoffen nit gegenüber der verwendeten Flüssigkeit höherer Dielektrizitätskonstanten.

2. Diaphragma nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Verwendung von Stoffen alt ferroelektrisch» Eigenschaften.

3» Diaphragaa nach Anspruch 1 und 2_V gekennzeichnet durch die Verwendung ve» Stoffen wo» Typ ABO», asu« Beispiel voa Perovekit-Typ.

4. Diaphragsta nach Ansprach 3, gekennzeichnet durch die Verwendung von BariuMtit&aat (Ba Tl O₃).

5. DiaphragBA nach Aoeprvsch 3, gekrasis&eiehnet durch die Verwendung ¥<» Stroßtlumfit&aat (Sr Ti O₃) _β

G₉ üi&poragBa neish Äiispru«a i und 2₆ gg«kennselcSiaet durch Verwendung το© Stoffen wem fyp Ä«* B«, Ql₈ sub B#iispi«l Bleiniobat

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