DE1812981C3 - Verfahren und Vorrichtung zum Austausch von Ionen zwischen einem Materia), insbesondere Glas, und einem ionisierten Gas unter Aufrechterhaltung eines Potentialgradienten - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Austausch von Ionen /.wischen einem im wesentlichen in Plattenform vorliegenden Material, insbesondere Glasplatten, mit lonenleitfähigkcit und einem ionisierten Gas, wobei zwischen beiden Flächen der zu behandelnden Platte ein Potentialgradient aufrechterhalten wird. Ferner bezieht sich die Erfindung auf eine zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignete Vorrichtung.

Es sind bereits Verfahren zum Ionenaustausch zwischen einem zu behandelnden Material und einem festen, flüssigen oder gasförmigen Stoff bekannt, der in Berührung mit dem Material steht und als Spender für die einzubringenden Fremdionen dient (FR-PS

13 06 325, FR-PS 1.3 62 111, FR-PS 14 38 776). Bei diesen bekannten Verfahren wird der Ionenaustausch allein durch Erwärmung unterstützt. Dabei ist die lonenaustauschgeschwindigkeit jedoch gering, was diese Verfahren für industrielle Anwendung ungeeignet macht.

Zur Erhöhung der lonenaustauschgeschwindigkeit jo zwischen einem festen Material, beispielsweise Glas, und einem flüssigen oder festen Stoff, der die einzubringenden Ionen enthält, ist bereits vorgeschlagen worden, eine Potentialdii'ferenz zwischen dem Glas und dem festen oder flüssigen Stoff zu erzeugen (FR-PS

14 37 672, FR-PS 14 27 182). Dabei findet der Ionenaustausch mit einem flüssigen Stoff in einer Salzschmelze statt, was den Nachteil hat, daß die Behandlung zwangläufig bei einer Temperatur oberhalb der Schmelztemperatur des benutzten Salzes erfolgen muß. \o Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß die Salzschmelze in Kontakt mit der Oberfläche des zu behandelnden Materials steht, so daß sich Beeinträchtigungen der Oberflächenbeschaffenheit dieses Materials nicht vermeiden lassen.

Darüber hinaus treten beim Ionenaustausch im elektrischen Feld zwischen einem flüssigen Stoff und einem Feststoff schwer zu lösenden Dichtungsprobleme auf, und zwar insbesondere wenn zwischen der Flüssigkeit und dem Feststoff eine Relativbewegung stattfinden soll.

Bei Ionenaustausch zwischen zwei festen Stoffen ist es dagegen praktisch unmöglich, für gleichmäßigen Kontakt zwischen den Oberflächen der beiden Feststoffe zu sorgen. Daher kann praktisch kein über die Oberfläche des zu behandelnden Materials gleichmäßiger Ionenaustausch erreicht werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung der gattungsgemäßen Art so auszubilden, daß gleichmäßiger Ionenaustausch fto mit hoher lonenaustauschgeschwindigkeit möglich ist, ohne daß die Oberfläche des zu behandelnden Materials verändert wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die zu behandelnde Fläche der Platte mit der ^s abgeschlossenen Atmosphäre eines die einzuführenden Ionen enthaltenden Gases und die andere Fläche der Platte mit einer anderen abgeschlossenen Gasatmosphäre in Kontakt gebracht v/ird und daC mit Hilfe von zu beiden Seiten der Platte angeordneten Elektroden ein die Ionenwanderung in die zu behandelnde Fläche der Platte bewirkendes elektrisches Feld aufgebaut wird.

Die Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens zeichnet sich erfindungsgemäß aus durch einen Behälter, der durch die zu behandelnde Platte in zwei Kammern aufgeteilt ist, welche die beiden Gasatmosphären und je eine Elektrode enthalten sowie mit Zu- und Ableitung versehen sind, wobei die Platte längs ihrer Kanten mittels umlaufender Abstützungen an der Behälterwand befestigt ist.

Da erfindungsgemäß die zu behandelnde Fläche weder mit einem Feststoff noch mit einer Flüssigkeil in Berührung steht, wird die Oberflächengüte der bearbeiteten Platte nicht beeinträchtigt. Ferner treten keine Dichtungsprobleme auf, da zwischen den beiden Gasatmosphären nicht für Gasdichtheil gesorgt zu werden braucht; vielmehr reicht es aus, wenn die beiden Gasatmosphären elektrisch gegeneinander isoliert sind und zwischen ihnen kein Ionenaustausch stattfinden kann. Weil keine Gas- oder Flüssigkeitsdichtheit zwischen den beiden Gasatmosphären zu bestehen braucht, braucht die zu behandelnde Platte nicht einmal an den Übergangsstellen zu den Begrenzungswänden der Gasatmosphären mit diesen in körperlichem Kontakt zu stehen, was einerseits eine weitere Verminderung der Gefahr der Oberflächenbeschädigung und andererseits die Möglichkeit mit sich bringt, die Platte während der Behandlung kontinuierlich in Bewegung zu halten.

In vorteilhafter Ausbildung der Erfindung bildet die zu behandelnde Materialplatte eine Trennwand zwischen den beiden Gasatmosphären, wobei die Verbindung zwischen dieser Trennwand und den Begrenzungswänden der Gasatmosphären für das Gas durchlässig, jedoch für die Wanderung der Ionen von einer Gasatmosphäre in die andere undurchlässig ist.

In weiterer Ausbildung der Erfindung sind für jede Gasatmosphäre Vorrichtungen zum Umwälzen eines Gases oder einer Gasmischung vorgesehen, insbesondere einer Gasmischung, welche einerseits die Ionen enthält, die aus der ersten Gasatmosphäre in die Platte eintreten sollen, und andererseits ein Gas oder eine Gasmischung enthält, welche die aus der Platte des zweiten Behälters zu extrahierenden Ionen herauslösen kann.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung kanu die Ionisierung der ersten Gasatmosphäre durch den Einfluß des elektrischen Feldes erzielt werden, welches zwischen den beiden Gasatmosphären aufgebaut ist und die zu behandelnde Platte durchdringt.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann die Ionisierung der ersten Gasatmosphäre mit Hilfe von besonderen Elektroden unabhängig von der zu Erzeugung eines zwischen den beiden Gasatmosphären herrschenden und die zu behandelnde Platte durchdringenden elektrischen Feldes dienenden Elektrode bewirkt werden.

Zur Vereinfachung wird die folgende Beschreibung einiger Ausführungsbeispiele der Erfindung an dem besonderen Beispiel einer aus Natrium-Kalzium-Silikatgas bestehenden Platte vorgenommen, in welchem Material, wie bekannt, die elektrische Leitung im wesentlichen lonenleitung ist und auf der Wanderung der Na + -lonen beruht. Manche der betrachteten Beispiele fassen den besonderen Fall ins Auge, wo man

in eine solche Glasplatte Kaliumionen einführen will, d. h. positive Ionen, und zwar derart, daß diese Ionen in das Glas durch die Fläche eindringen, die mit der Gasatmosphäre in Verbindung steht, welche die positive Elektrode enthält, während sich an der gegenüberliegenden Seite der Glasplatte, die mit dem Gas des Behälters in Berührung steht, der die negative Elektrode enthält, aus dem Glas ausgetretene Natriumionen ansammeln werden, die eventuell von dem in diesem Behälter befindlichen Gas herausgelöst werden.

Ganz allgemein enthält das erfindungsgemäQe Verfahren die Verwirklichung folgender Bedingungen:

A) Die Schaffung eines ionisierten Gases, welches positive Ionen des Elementes enthält, welches in den zu behandelnden Stoff einzubringen ist, wenn dieser Stoff ein positiver Ionenleiter ist (oder welches negative Ionen des Elementes enthält, welches in den Stoff einzubringen ist, für den Fall, daß das zu behandelnde Material ein negativer lonenleiter sein sollte).

B) Das Inkontaktbringen dieses ionisierten Gases mit der zu behandelnden Platte, wobei letztere die Rolle einer Trennwand zwischen zwei Behältern spielt, deren einer das gemäß A) ionisierte Gas enthält.

C) Die Herstellung eines Potential-Gradienten zwischen den beiden zu beiden Seiten der zu behandelnden Platte befindlichen Gasatmosphären, was durch die Errichtung eines Potential-Gradienten zwischen den beiden Seiten der Platte bewirkt wird, derart, daß die der positiven Elektrode gegenüberliegende Seile der Platte im Verhältnis zu dieser auf einem negativen Potential gehalten wird, während die der negativer. Elektrode zugewandte Seite auf einem dieser gegenüber positiven Potential gehalten wird.

D) Eventuelle Entfernung der Ansammlung, die sich an der nicht behandelten Seite der Platte infolge der Extraktion von Ionen aus ihr heraus bilden kann, welche von den fremden Ionen, die auf der gegenüberliegenden Seite eingedrungen sind, ersetzt worden sind.

A) Schaffung eines ionierten Gases.

Es wird betont, daß der Ausdruck »ionisiertes Gas« hier in gleicher Weise auch ein neutrales Plasma umfaßt (welches annähernd die gleiche Menge, gemessen an elektrischen Ladungen, von positiven und negativen Teilchen enthält), wie auch eine Atmosphäre, die einen Überschuß an Teilchen mit einem bestimmten Vorzeichen oder nur Teilchen eines bestimmten Vorzeichens enthält.

In der Literatur sind zahlreiche Mittel beschrieben, um ein ionisiertes Gas oder eine Strömung geladener Teilchen zu erhalten. Zwar sind alle diese Mittel im Prinzip für die Erfindung geeignet, dennoch werden in der Industrie vorzugsweise die einfachsten Methoden verwendet, vorzugsweise die Ionisierung durch elektrische Ladungen von Gleich- oder Wechselstrom hoher oder niedriger Frequenz. Deswegen beziehen sich die folgenden Ausführungsbcispiele auf diese Methoden.

B) Auswahl des Gases.

Zur Vereinfachung der Ausführungen wird angenommen, daß in eine Glasplatte positive Ionen eingebracht werden sollen; dann muß das Gas, welches den anodischen Behälter ausfüllt, folgende Bedingungen erfüllen:

a) Die in das Glas einzubringende lonenart muß in beträchtlicher Menge vorhanden sein oder erzeugt werden.

b) Unter den Ionen, die in dem ionisierten Gas vorliegen, und geeignet sind, in die Platte einzudringen, muß die lonenart, deren Eintritt erwünscht ist, der Hauptträger des lonenstromes sein.

c) Die anderen vorhandenen, eventuell ionisierten ,o gasförmigen Substanzen dürfen nicht in schädlicher

Weise mit der Oberfläche des zu behandelnden Stoffes und den Behälterwänden reagieren. Die erste der obigen Bedingungen kann leicht durch die üblichen lonisierungsmethoden realisiert werden, die sich in einem sehr großen Druckbereich abspielen, der von 10 ⁴ mm Quecksilbersäule bis zu einigen Atmosphären reicht.

Die zweite Bedingung, wonach der lonenstrom vorwiegend von der in den zu behandelnden Stoff einzuführenden lonenart getragen werden soll, zeigt, daß es wünschcnrwcrl ist, ein Gas zu verwenden, in dem die Anzahl und die Beweglichkeit der einzuführenden Ionen einen hohen Wert haben.

Obwohl es nicht möglich ist, eine allgemeine Regel für die Auswahl des zu verwendenden Gases zu geben, zeigt die Erfahrung, daß man sich in der Praxis mit der Beachtung der drei folgenden einfachen Grundsätze zufriedengeben kann:

1. Unabhängig von der lonisierungsart ist der Dampf lediglich des einzubringenden Elementes geeignet.

2. Wenn die einzubringende lonenart ein Alkalimetall ist, wie das häufig bei Gläsern der Fall ist, dann kann man ein beliebiges Gas oder einen beliebigen Dampf verwenden, der die Atome dieses Metalls in Kombination oder nicht enthält, da die lonisicrungsspannung der Alkalimetalle niedrig ist.

3. Insbesondere ist es empfehlenswert, ein Halogenid des einzubringendes Elementes zu verwenden.

Die Einhaltung der obigen Bedingung c) bringt

keinerlei besondere Schwierigkeiten mit sich und erfordert lediglich die Vermeidung sowohl einer Zerstörung der Oberfläche des zu behandelnden Materials durch eine chemische Reaktion, als auch die Ansammlung von störenden Stoffen, die die Wirkungs-

weise der Vorrichtung verändern können.

Zur näheren Ausführung der Gedanken seien einige Beispiele von für den anodischen Behälter auszuwählenden Gasen gegeben:

Wenn das Material zum Beispiel ein Glas auf der Basis von Natruim-Aluminium-Silikat ist, bei welchem man alle oder einen Teil der Ionen der Oberflächenschicht durch Lithiumionen zu ersetzen wünscht so kann der Austausch mit Hilfe eines Lithiumnitratdampfes geschehen, der durch elektrische Entladuni ionisiert worden ist.

Auf diese Weise erzeugt man unschwer eine groß(

Menge von Lithiumionen, während die Reste de Zerlegung in Form einer gasförmigen Verbindung ohni

chemisches Reaktionsbestreben mit dem Glas entfern werden.

Ist das zu behandelnde Material ein Natrium-Kalzi um-Silikatglas, bei welchem die Natriumionen de Oberflächenschicht durch Kaliumionen ersetzt werde sollen, dann kann das für die Füllung des anodischc Behälters verwendete Gas der Dampf von metallische! Kalium unter einem Druck in der Größenordnung vo einem halben Millimeter Quecksilbersäule sein, odc aber auch ein Inertgas, wie zum Beispiel Argon, welch«

metallisches Kalium unter einem Teildruck derselben Größenordnung enthält.

Die Gesamtanordnung, wie auch die zu behandelnde Glasplatte werden auf einer Temperatur von mindestens 350⁰C bei dem obengenannten Druck gehalten, um die Kondensierung des Kaliumdampfes zu vermeiden.

1st das zu behandelnde Material ein Natrium-Kalzium-Silikalglas, welches man durch in die Oberfläche einzuführende Kupferionen färben will, so kann das in den anodischen Behälter einzufüllende Gas vorteilhafterweisc Kupferchlorid sein.

C) Errichtung eines Potentialgradienten zwischen
den zwei Seilen der zu behandelnden Platte.

Der Potentialgradient quer durch die zu behandelnde Materialplatte kann sehr leicht dadurch erzeugt werden, daß eine genügend große Potentialdifferenz zwischen den Gasatmosphären des anodischen und des kathodischen Behälters erzeugt wird, was durch Anordnung geeigneter Elektroden in diesen Behältern bewirkt wird.

Dennoch ist es unerläßlich, die beiden Behälter voneinander elektrisch zu isolieren, um einen Fluß des lonenstromes quer durch die zu behandelnde Platte zu erzielen.

Ein wichtiges Merkmal der Erfindung liegt in der Tatsache, daß diese elektrische Isolierung bewirkt wird, ohne eine Gasdichtheit zwischen dem anodischen Behälter und dem kathodischen Behälter zu erzeugen. Für eine gute Wirkungsweise der Anordnung genügt es in der Tal, die Umgebung der Glasplatte durch die in sie einzubringenden Ionen, nicht aber durch die, die Gasatmosphären der beiden Behälter bildenden Gasatome, zu verhindern.

Die Tatsache, daß das erfindungsgemäße Verfahren keineswegs eine Gasdichtheit zwischen den beiden Behältern erfordert, erleichtert die Durchführung des Verfahrens in technischem Maßstab beträchtlich. Andererseits kann die zwischen den beiden im Hinblick auf die in das Material einzubringenden Ionen notwendige Trennung ohne Schwierigkeiten verwirklicht werden, indem man die Tendenz dieser Ionen ausnutzt, sich durch Rekombination untereinander oder Abgabe ihrer Ladung an die Behälterwände zu entladen.

Um im Hinblick auf die Abgabe ihrer Ladung die Stöße der geladenen Ionen untereinander und gegen die Behälterwände zu vervielfachen, ist es zweckmäßig, die Verbindung zwischen der zu behandelnden Platte und den Wänden der beiden Behälter in Form von Drossclstcllen zu bilden, etwa durch Kanäle oder enge Spalte· oder besser noch durch poröse Stoffe, wobei natürlich das einem Hindurchtreten der Ionen von einem Behälter in den anderen entgegenstehende Hindernis durch zusätzliche Maßnahmen verstärkt v/erden kann, wie Ansaugen durch eine Vakuumpumpe, Einblasen eines neutralen Gases, Polarisation mit Hilfe von besonderen Elektroden in der Nachbarschaft der Verbindung.

Im folgenden werden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen einige Ausführungsbeispiele für eine (>o Anlage zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens gegeben werden.

Beispiel I

Fig. I zeigt eine Vorrichtung zur Behandlung einer Platte 1 mittels Ionenaustausch, die z. B. aus Glas besteht, durch Einwirkung auf eine ihrer Flächen, z. B. Fläche 7.

Diese Vorrichtung enthält einen Behälter 2, dessen Wände aus einem elektrisch isolierenden Material bestehen, oder aus einem leitenden Material, welches aber an der Innenseite mit isolierendem Material verkleidet ist. Der obere Teil der Vorrichtung ist durch einen Deckel 2a verschlossen, welcher leicht entfernt werden kann, um das Einsetzen der zu behandelnden Platte 1, die auf einer Abstützung 6 ruht, zu ermöglichen. Eine Dichtung 2b ist zur Sicherstellung der Abdichtung des Behälters 2 vorgesehen, und um eine Evakuierung der Vorrichtung, z. B. durch die Leitung 21, zu ermöglichen. Der Behälter wird durch die Platte 1 in zwei Kammern, und zwar die obere Kammer 3a und die untere Kammer 3b aufgeteilt. Die obere Kammer 3a ist mit einer Leitung 20 versehen, welche ein Umwälzen des Gases oder Dampfes, der die in die Platte einwandernden Ionen enthält, in der Kammer gestattet. Die untere Kammer 3b ist mit Leitungen 22 und 23 versehen, die darin ein Umwälzen des gleichen Gases gestatten, wie in der oberen Kammer, oder eines anderen Gases, welches gegenüber dem zu behandelnden Material neutral sein kann, wie z. B. Stickstoff. Dieses Gas kann auch Wasserstoff enthalten, um das Natrium zu entfernen, welches auf der nicht behandelten Fläche 8 der Glasplatte erscheint.

Die Kammern 3a und 3b enthalten andererseits Elektroden 4 bzw. 5, an welche die zur ionisierenden elektrischen Entladung und zum Aufbau eines elektrischen Feldes, welches die Bewegung der positiven Ionen in Richtung zur Fläche 7 der Glasplatte bewirkt, notwendige Potentialdifferenz angelegt wird. Die gesamte Vorrichtung ist in einem nicht dargestellten Ofen angeordnet, um die Durchführung des Verfahrens bei einer gewünschten Temperatur sicherzustellen.

Wie aus der Figur hervorgeht, ist die zu behandelnde Matcrialplatte auf einer umlaufenden Abstützung 6 gelagert. Die Befestigung der zu behandelnden Platte auf dieser Abstützung 6 kann mit Hilfe eines Ringes 6a erfolgen. Der zwischen der Kante 9 der zu behandelnden Platte und der Abstützung 6 freigelassene Raum wird vorteilhafterweise auf ein praktisches Minimum reduziert, z. B. 1 oder 2 mm, während die Flächen 7 und 8 der Platte mit der Abstützung 6, 6a längs mehreren Millimetern Berührung haben, wo die Platte nicht behandelt wird.

Das Einbringen der Platte 11 in die Abstützung 6,6a erfordert keinerlei besondere Vorkehrungen hinsichtlich des Zustandes ihrer Oberfläche, da eine Gasdichtheit nicht erforderlich ist. Andererseits schafft eine solche Abstützung zwischen den beiden Kammern de; Behälters einen Durchlaß, welcher eng genug ist, um sie elektrisch voneinander zu isolieren, d. h. um die Entladung zu unterbrechen und das Erlöschen dei Ladung der Gasionen infolge der zahlreichen Stöße at den Wänden oder infolge der Rekombination der lonei untereinander zu bewirken. Die Abstützung 6 kam porös oder von Kanälen durchbohrt sein, wenn mai zwischen den beiden Kammern eine freie Gaszirkula tion wünscht. Indessen ist es notwendig, daß dv Abmessungen der Kanäle so sind, daß keine Entladun; durch sie hindurch stattfinden kann. Als Anhaltspunk kann z. B. bei einem Gasdruck von 0,1 mm Quecksilber säule eine Abstützung mit einer Porosität verwende werden, deren Kenngröße weniger als einige Zehnti Millimeter beträgt.

Fig.2 zeigt eine abgeänderte Ausführungsform de Abstützung 6.

Bei dieser Ausführungsvariantc enthält die Abstü

709 652/7'

zung einen massiven Teil 11, der von Kanälen 12, welche geradlinig sind oder nicht, durchdrungen wird, und die zu behandelnde Platte 1 wird im Bereich der Abstützung von porösen Metallplatten 10 gehalten, deren Porengröße von derselben Größenordnung wie die freie Weglänge der ionisierten Gasatome bei dem in Frage kommenden Druck ist. Unter diesen Bedingungen können die ionisierten Atome die porösen Metallplatten nicht durchqueren, da sie einer großen Zahl von Zusammenstößen untereinander und gegen das Metall ausgesetzt sind, welche ihre Rekombination bewirken, derart, daß lediglich neutrale Atome oder Moleküle die Kanäle des Isoliermaterials 11 durchdringen können. Es ist indessen zweckmäßig, daß die zwischen den zwei Metallplatten 10 herrschende Potentialdifferenz die durch den Kontakt mit den Gasionen der beiden Kammern hervorgerufen wird, keine neue elektrische Entladung in den Kanälen der Isolierung einleiten kann. Diese Erscheinung ist zu befürchten, wenn die zu behandelnde Platte sehr dick ist, oder wenn als zu behandelndes Material ein Material geringer elektrischer Leitfähigkeit vorliegt, d. h. wenn sich notwendigerweise eine starke Potentialdifferenz zwischen den beiden Kammern aufbaut. In diesem Fall ist es empfehlenswert, den massiven isolierenden Teil 11 in mehrere Schichten aufzuteilen, und die porösen Metallplatten 10 zusätzlich zwischen den Schichten anzuordnen, wie es in Fig. 3 dargestellt ist. Die Wirkung dieser Zwischenplatten besteht in einer Verteilung des Potentialabfalls zwischen den verschiedenen Schichten derart, daß die Potentialdifferenz zwischen zwei aufeinanderfolgenden Platten 10 immer geringer ist als die Spannung, die zur Einleitung einer Entladung in dem Kanal des massiven isolierenden Teils bei dein vorliegenden Druck, der Gasar! und dem vorliegenden Metall notwendig ist.

Ist der Druck gering, z. B. in der Größenordnung von 10 -' mm Quecksilbersäule, so kann man zwischen der Abstützung 6 und den Flächen 7 und 8 der zu behandelnden Platte einen relativ großen Raum frei lassen. Eine besonders befriedigende Ausführungsform ist in F i g. 4 dargestellt, wo die ganze Verbindung 6 aus isolierendem Material besteht, während ein Metallstück Π (oder Mctallspäne) die Rekombination der Ionen durch Unterteilung des Potentialgradienten begünstigen. Die Metallplatte 13 dieser Abbildung kann, wie auch die mittlere Zwischenplatte 10 der Fig. 3, an eine Stromquelle angeschlossen sein, die ihr ein Potential gibt, welches dem mittleren Potential der zu behandelnden Platte gleich ist, wodurch gewisse Risiken infolge Instabilitäten der Entladung vermieden werden und andererseits gefährliche statische Aufladungen vor dem Einbringen der Platte leichter entfernt werden können.

Beispiel 2

In dem vorausgehenden Beispiel waren die beschriebenen Vorrichtungen so ausgebildet, daß damit die Ionen einer Fläche einer Platte aus einem Material, z. B. Glas, die vorher zugeschnitten wurde, ausgetauscht werden konnten.

Die Erfindung ist jedoch auch zur Behandlung einer Seile eines Bandes aus einem ähnlichen Material geeignet, welches kontinuierlich durch die Vorrichtung läuft. Dazu muß die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens Änderungen unterworfen werden, welche aufgrund der Tatsache möglich sind, daß die Verbindung, welche die elektrische Abdichtung zwischen den beiden Kammern, der anodischen und der kathodischen, bewirkt, nicht notwendigerweise gasdicht sein muß, wodurch es möglich ist, daß die zu behandelnde Platte kontinuierlich gegenüber dieser Verbindung bewegt werden kann.

Ein Beispiel einer derartigen Vorrichtung ist in F i g. 5 dargestellt, für den Fall der Behandlung einer der Flächen eines Glasbandes 60 durch Ionenaustausch, welches sich in vertikaler Richtung unter der Einwirkung von Rollen 40 bewegt.

ίο Fig. 5 ist ein Vertikalschnitt durch die Vorrichtung. Man erkennt, daß die Elektroden 14 und 15 in den beiden Kammern 44a und 446 eines Behälters 72 angeordnet sind, welcher an seiner Innenseite mit einer isolierenden Verkleidung versehen ist. Diese Kammern 44a. 446 stehen mit Leitungen 16 bzw. 17 und 18 bzw. 19 in Verbindung, die eine Zirkulation geeigneter Gase, wie dies am Beispiel der Kammern 3a und 3b der Fig. 1 erläutert wurde, erlauben.

Für den Fall, daß man das loncnaustauschverfahren bei einem relativ niedrigen Druck durchführen will, welcher unter dem Atmosphärendruck liegt, sind die Spalte 53, durch welche das zu behandelnde Band durch die Kammern 44a, 446 hindurchlauft bzw. aus diesen austritt, von einer Reihe von ähnlichen aufeinanderfolgenden Kammern umgeben, in welchen stufenweise größere Drücke herrschen, bis ein dem Außendruck angenäherter Druck erreicht ist. In der Zeichnung wurde zur Vereinfachung die Zahl dieser aufeinanderfolgenden Kammern, wie 43, 42 und 41, auf drei begrenzt, wobei es sich von selbst versteht, dall in dem Fall, in welchem man in den Kammern 44a, 446 einen sehr niedrigen Druck aufrechterhalten will, eine viel größere Zahl von aufeinanderfolgenden Kammern notwendig sein kann. Die Kammern 41, durch welche das Band nach dem Durchqueren der Spalte 50 hindurchlauft, werden auf einem Druck gehalten, welcher etwas über dem Außendruck liegt, um den Eintritt von Luft in die Vorrichtung zu verhindern. Dieser Druck wird durch Einblasen in die Leitungen 61 erzeugt. Andererseits sind die Leitungen 62 der Kammern 42 an eine Vakuumpumpe angeschlossen, welche in diesen Kammern, dank eines kalibrierten Spaltes 51, einen Druck herstellen kann, welcher unter dem Atmosphärendruck liegt. Ebenso erzeugt man in

den Kammern 43 mit Hilfe der Leitungen 63 einen noch schwächeren Druck als in den Kammern 42, der etwas größer ist als der in den Kammern 44a, 446 gewünschte Druck.

Das Reaktionsgas, das /.. B. Kaliumdampf oder eini

5" Kaliumverbindung enthalten kann, und welches durch die Leitung 16 in die Kammer 44a eingebracht wordei ist, bleibt auf den Kreislauf 16-44a-17 beschränkt, ohni sich in andere Kammern der Vorrichtung zu verteilen Der kalibrierte Spalt 53 bewirkt einen Ladungsverh's

zwischen den Kammern 43 und 44a, unterbricht jedocl gleichzeitig die elektrische Entladung wegen de Einschnürungseffckles, von dem oben bereits gespro chen wurde und aufgrund der Tatsache, daß das leich ionisierbare Kalium nicht durch die Verbindun hindurchtreten kann, da es von dem zwischen de Kammern 43 und 44a herrschenden Lecksirot zurückgeworfen wird. Allgemein ist es wünschcnswer den Spalt 53 so klein wie möglich zu machen.

Fig.6 zeigt eine Ansicht in vergrößertem Maßsta

von dem Spalt 53 in eine: besonderen Ausführungsforn der/.ufolgc eine in geeigneter Weise polarisiert Hilfselektrode 70 in der isolierenden Verkleidung 71 dl Kammer 44 angeordnet ist, während der Spalt S

bezüglich der Kammer 43 von der Verlängerung 72a der Metallwand 72 der Kammer 44 gebildet wird.

Die Aufgabe der Elektrode 70 ist es, die Ionen oder die Elektronen aufzufangen, die sich in dem Spalt befinden, um das Erlöschen des Entladungsvorganges zu bewirken. Diese Hilfselektrode erlaubt die Anordnung eines größeren Spaltes 53 als es in dem Fall möglich ist, wo keine Elektroden vorgesehen sind.

Bei einer in F i g. 7 dargestellten Ausführungsform ist der Spalt durch eine Längsabdichtung der im Beispiel 1 beschriebenen Art ersetzt: Ein Stück aus isolierendem Material 74 enthält Nuten 74a, in welchen Dichtungslippen 75 gleiten können, welche durch Federn 76 gegen die Platte 60 gedruckt werden. Um das Einbringen der Platte 60 und der |ustiereinrichtungen zu erleichtern, kann der Block 74 vorteilhafterweise, wie in der Figur dargestellt, aus zwei um Achsen 77 schwenkbaren Hälften bestehen, derart, daß sie durch mit Hilfe der Hebel 78 bewirkte Drehung auseinandertreien können. Die Dichtungslippen 75 können aus elektrisch leitendem Material, wie z. B. Graphit bestehen. Da die Länge der Kammer 44 von der notwendigen Verfahrensdauer und der Durchtrittsgeschwindigkeit der Platte 60 bestimmt wird, kann sie, in bestimmten Fällen, wichtig sein. Es kann auch notwendig sein, den Block 74 in mehrere nebeneinander angeordnete Segmente zu unterteilen.

Fig. 8 zeigt einen Halb-Querschnht durch die Vorrichtung, wobei die Seitenabdichtung von Spalten 79 gebildet wird, welche in eine Kammer 80 ausmünden, die ihrerseits mit den Kammern 43 verbunden ist.

Die Kammer 80 kann auch in bestimmten Fällen direkt mit einer Vakuumpumpe verbunden sein, die den Druck auf einen Wert absenkt, welcher den Ablauf des Entladungsvorganges gestattet. Diese Vorrichtung ist dann günstig, wenn die mittlere freie Weglänge der Gasioncn die Spaltdimensionen klar übersteigt, oder wenn die zu behandelnde Platte sehr dick ist.

Diese Art eines direkt in eine mit einer Vakuumpumpe in Verbindung stehende Kammer mündenden Spaltes ermöglicht eine durch ihre Einfachheit besonders vorteilhafte Ausführungsform, die im folgenden anhand der F i g. 9 beschrieben wird. Der Spalt 79 mündet in eine Kammer 90 aus, die mit einer Vakuunileitung 89 verbunden ist und eine Kaliumfallc 91 enthält, die durch einen Flüssigkcits- (91a>Kreislauf gekühlte Wände aufweist, an welchen sich der Metalldampf niedergeschlagen hat. Die Temperatur der Anordnung wird auf 62,5°C gehalten, derart, daß das geschmolzene Metall in der Auffangrinne 92 gesammelt und in einen Kezipienten 93 zurückgeführt wird, wo es verdampft, um den notwendigen Druck im Hntladungsbehäller 44 aufrechtzuerhalten. Die Verdampfung des Metalls kann bequem dadurch geregelt werden, daß die Temperatur des Verdampfungsre/.ipienten 93 durch Kühleinrichtungen 93a im Flüssigkeitskreislauf eingestellt wird. Eine solche Vorrichtung hat den Vorteil, sehr einfach konstruiert zu sein und eine Reinigung durch Wasserstrahl zu ermöglichen für den Fall, daß durch unvorhergesehenen Eintritt von Wasserdampf Kaliumkarbonat gebildet wurde.

Weiden leicht kondensierbare Metalldämpfe verwendet (/.. B. Alkalimetalle), dann kann man in der Kammer 44 mit Drücken arbeiten, die merklich über 10 ² mm Quecksilbersäule liegen und /..B. 8 χ 10 ' mm erreichen können, indem man für den Spalt 79 konische Dichtlippen 86 (vergleiche Fig. 10) verwendet, die durch einen in Kanälen 85 strömenden Flüssigkcitskrcislauf gekühlt werden. Der Metalldampf kondensiert an der Wand 86, und man schafft auf diese Weise einen zusätzlichen Druckabfall stromaufwärts, der Dichtlippe, wodurch die Funktionsweise der Anordnung verbessert wird.

s In den vorhergehenden Beispielen dient die elektrische Entladung, die sich zwischen den Elektroden quer durch die zu behandelnde Platte abspielt, gleichzeitig dazu, das zur Wanderung der Ionen bestimmte elektrische Feld zu schaffen, und die Ionisierung selbst

ίο /u bewirken. Diese Anordnung hat den Vorteil der Einfachheit, kann jedoch gewisse Unannehmlichkeiten mit sich bringen, wenn man getrennt auf den lonisierungsvorgang und auf das elektrische Feld einwirken will.

i«j In dem folgenden Beispiel wird daher die Vorrichtung zur Durchführung der Ionisierung durch elektrische Entladung von der Vorrichtung zur Erzeugung eines elektrischen Feldes, welches die zu behandelnde Platte durchdringt, getrennt.

Beispiel 3

Die Vorrichtung ist schematisch in F i g. 11 wiedergegeben, auf welcher zu erkennen ist, daß die zu behandelnde Platte 1 von den Abstützungen 6 des Beispiels der Fig. 1 analogen Abstützungen 6 gehalten wird.

Unter der Annahme, daß die zu behandelnde Platte t eine Glasplatte ist, in deren oberer Fläche 7

jo Kaliumionen eingebracht werden sollen, steht diese Fläche mit der Kalium enthaltenden Gasatmosphäre der oberen Kammer 87 in Berührung.

Die Ionisierung des in der Kammer 87 enthaltenen Gases wird durch Elektroden 94 und 95 erreicht, die an die Sekundärwicklung eines Transformators 8t angeschlossen sind, der von dem Generator 82 mit Wechselstrom versorgt wird.

In der Nachbarschaft der Fläche 7 der zu behandeln den Platte ist andererseits eine perforierte Elektrode 96 vorgesehen, die an den positiven Pol einer Batterie 83 angeschlossen ist. Der negative Pol dieser Batterie ist an der perforierten Elektrode 97 angeschlossen, die in der Nachbarschaft der Glasplatte in der kathodischen Kammer 88 angeordnet ist.

Die Mitte der Sekundärwicklung des Transformators 81 ist mit dem positiven Pol einer Batterie 84 verbunden, deren negativer Pol mit der positiven Klemme der Batterie 83 verbunden ist. Die Kammern 87 und 88 sind, wie die der Fig. 1, mit Gaszuführungsleitungen und

«so Evakuierungsleitungen verbunden (die nicht dargestelli sind). So kann man den Kaliumdampf, welcher untei dem Einfluß der zwischen den Elektroden 94 und 9i hervorgerufenen Wechselentladung ionisiert, in de: Kammer zirkulieren lassen.

Die so gebildeten Kaliumionen werden von den elektrischen Feld auf die perforierte Elektrode 96 7.1 bewegt, die gegenüber dem mittleren Potential de Elektroden 94 und 95 auf einem negativen Potential is Von der Elektrode % aus, werden diese positiven lone auf negative Elektrode 97 zu bewegt, wobei sie in di Glasplatte eindringen. Auf der Fläche 8 dieser letztere erscheinen Natriumionen, die man in die Atmosphär der Kammer 88 hineinziehen kann, welche z. I Wasserstoff enthalten kann, der mit dem Natriui Natriumhydrifl bildet. Diese Verbindung kann wie i Falle der F i g. 1 aus der Kammer 88 entfernt werden.

In der Kammer 88 sind Elektroden 98,99 vorgesehe die mit der Sekundärwicklung eines Transformators 11

verbunden sind der von einem Generator 100a mit Wechselstrom versorgt wird.

Beispiel 4

Wie bereits oben ausgeführt wurde, besteht einer der Vorteile der Erfindung in der Tatsache, daß es nicht notwendig ist, zwischen der anodischen und der kathodischen Kammer eine gasdichte Abdichtung vorzusehen,, so daß die von der zu behandelnden Platte gebildete Trennwand einfach gegen eine isolierende, eventuell poröse Dichtung gedruckt werden kann, wodurch die Montage der Vorrichtung und das Einbringen der zu behandelnden Platte in die Vorrichtung sehr viel leichter und schneller erfolgen kann.

So kann man z. B. vom technischen Standpunkt aus in einem einzigen Behälter eine große Anzahl von zu behandelnden Platten übereinar.derstapeln. Eine Vorrichtung dieser Art ist in den Fig. 12 und 13 zur gleichzeitigen Behandlung einer gewissen Zahl von gebogenen Windschutzscheiben dargestellt.

Die Vorrichtung wird von einem Behälterstapcl gebildet, gleich dem in Fig. 13 dargestellten. Diese Behälter können jeder eine Windschutzscheibe 104 enthalten, die sich einerseits auf eine Schulter der isolierenden Innenverkleidung des Behälters abstützt, und andererseits auf einen Distanzhalter.

Die ganze Anordnung ist perspektivisch und teilweise geschnitten in F i g. 12 dargestellt, aus der ersichtlich ist, daß die aufeinanderfolgenden Behälter voneinander nach dem Einführen der Winschutzscheiben abgeschlossen sind, dank Zugankern 101, welche durch Bohrungen 102, die in den die Behälter begrenzenden Flanschen 103 vorgesehen sind, gesteckt sind. In F i g. 12 erkennt man auch die isolierende Auskleidung 105, welche die Innenwände der Behälter bedeckt. Diese Auskleidungen bilden eine Schulter 106, gegen welche sich die zu behandelnden Windschutzscheiben 104 abstützen können. Die Windschutzscheibe wird durch einen gleichfalls isolierenden Distanzhalter 107 auf ihrem Platz gehalten.

Jeder Behälter enthält auch eine Elektrode 108 in Plattenform, deren Polarität von einem Behälter zu dem folgenden wechselt. Die Plattenelektroden können von Heizelementen 109 beheizt werden.

Der Innenraum jedes Behälters ist durch eine gewölbte Windschutzscheibe 104 in zwei Kammern, eine ancdischc und eine kathodische, aufgeteilt, in welchen man die Gase oder geeigneten Dämpfe mit Hilfe von Versorgungsleitungen 110 und Evakuierungsleilungen 11, die an eine Vakuumpumpe angeschlossen sind, zirkulieren läßt.

Eine solche Vorrichtung arbeitete unter folgenden

ίο Bedingungen:

Die Potentialdifferenz zwischen den Elektroden betrug 600 Volt; die Stromdichte 5 Milliampere pro cm²; die gesamte Vorrichtung wurde auf einer Temperatur von 400°C gehalten. Die anodischen Kammern der verschiedenen Behälter wurden mit Argon beaufschlagt, welches Kaliumdampf enthielt; der Druck betrug 10 mm Quecksilbersäule in beiden Kammern. In der kathodischen Kammer wurde Wasserstoff umgewälzt, um das Natrium, welches sich auf der nicht behandelten Fläche der Glasplatte bildete, in der Form von Natriumhydrid zu entfernen. Fährt man die Anlage unter diesen Bedingungen 30 Minuten lang, so erzielt man eine Substitution der Natriumionen durch Kaliumionen in der Oberfläche der Glasplatte, die der positiven Elektrode gegenüberliegt, in einer Tiefe von 80 -100 μ.

Will man beide Flächen de Windschutzscheibe

behandeln, so wechselt man die Polarität der Elektroden und fährt die Anlage, nachdem man die Zuleitungen des mit Kaliumdampf beladenen Gases vertauscht hat, noch einmal etwa 20 Minuten lang. Man erhält nun auf jeder Seite der Glasplatte eine substituierte Schicht von etwa 60 μ Tiefe.

Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf die Ausführungsbeispiele und oben beschriebenen Vorrichtungen beschränkt.

Nach einer anderen Ausführungsform der Erfindung kann die zweite Kammer, wie die Kammer 36der F i g. 1 oder die Kammer 88 der F i g. 11, weggelassen werden, wobei die zweite Elektrode, wie die Elektrode 5 oder die Elektrode 97 dieser Beispiele, nun in direktem Kontakl mit der zweiten Fläche der Platte steht.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (19)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Austausch von Ionen zwischen einem im wesentlichen in Plattenform vorliegenden Material, insbesondere Glasplatten, mit lonenleitfühigkeit und einem ionisierten Gas, wobei zv/ischen beiden Flächen der zu behandelnden Platte ein Potentialgradient aufrechterhalten wird, dadurch gekennzeichnet, daß die zu behandelnde Fläche der Platte mit der abgeschlossenen Atmosphäre eines die einzuführenden Ionen enthaltenden Gases und die andere Fläche der Platte mit einer anderen abgeschlossenen Gasatmosphäre in Kontakt gebracht wird und daß mit Hilfe von zu beiden Seiten der Platte angeordneten Elektroden ein die Ionenwanderung in die zu behandelnde Fläche der Platte bewirkendes elektrisches Feld aufgebaut wird

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Gasatmosphären durch die Platte voneinander getrennt werden und daß an der Platte vorbei ein Gastausch, jedoch kein Ionenaustausch zwischen den Gasatmosphären erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in der Atmosphäre, die mit der zu behandelnden Plattenfläche in Kontakt steht, Gas oder eine Gasmischung oder vorzugsweise eine die einzuführenden Ionen enthaltende Gasmischung umgewälzt wird, und in der anderen Atmosphäre ein Gas oder eine Gasmischung umgewälzt wird, die zur Entfernung der zu ersetzenden Ionen geeignet ist.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ionisierung der ersten Gasatmosphäre (Za) von dem die Ionenwanderung hervorrufenden elektrischen Feld bewirkt wird, welches die Platte (1) durchdringt.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ionisierung der ersten Gasatmosphäre (3a,· unabhängig von dem die Ionenwanderung hervorrufenden elektrischen Feld bewirkt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der lonendurrhtritt von einer Gasatmosphäre (3a)\n die andere (36^z. B. durch Evakuieren, Einfüllen eines neutralen Gases, Polarisation mittels Hilfselektroden (96, 97) im Bereich der zu behandelnden Platte (1) und dergleichen erschwert wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1—6, dadurch gekennzeichnet, daß die zu behandelnde Platte die Form eines kontinuierlich an den beiden Gasatmosphären (44a, 44b) vorbeilaufenden Bandes hat, das vor dem Eintritt in das und nach dem Austritt aus dem Gasatmosphärenpaar (44a, 44b) aufeinanderfolgende Druckräume (4, 42, 43) durchläuft, deren Drücke von dem Atmosphärenpaar (44a, 44b) zu den äußeren Druckräumen (41) hin stufenweise bis annähernd auf den Atmosphärendruck ansteigen.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekenn- to zeichnet, daß die Gasatmosphären (44a, 44b) an den Seitenkanten des Bandes über Leckstellen und mit den Druckräumen verbundene Kammern in Verbindung miteinander gehalten werden.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekenn- ⁶S zeichnet, daß die Leckstellen an eine Vakuumpumpe angeschlossen werden.

10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch

gekennzeichnet, daß die Kammern, an welche die Leckstellen angeschlossen werden, mit lonenfallen (91) für die Substitutionsionen ausgestattet werden.

11. Verfahren zum Austausch von Ionen zwischen einem im wesentlichen in Plattenform vorliegenden Material, insbesondere Glasplatten, mit lonenleitfähigkeit und einem ionisierten Gas, wobei zwischen beiden Flächen der zu behandelnden Platte ein Potentialgradient aufrechtgehalten wird, dadurch gekennzeichnet, daß die zu behandelnde Fläche der Platte mit der abgeschlossenen Atmosphäre eines die einzuführenden Ionen enthaltenden Gases in Kontakt gebracht wird und daß mit Hilfe von zu beiden Seiten der Platte angeordneten Elektroden, von denen eine an der nicht zu behandelnden Fläche der Platte anliegt, ein die Ionenwanderung in die zu behandelnde Fläche der Platie bewirkendes elektrisches Feld aufgebaut wird.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß durch Umpolen der Elektroden und gegenseitiges Auswechseln der zu dem Paar gehörigen Gasatmosphären nacheinander beide Flächen der Platte behandelt werden.

13. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 13, gekennzeichnet durch einen Behälter (2) der durch die zu behandelnde Platte (1) in zwei Kammern (la, Ib), welche die beiden Gasatmosphären und je eine Elektrode (4 bzw. 5) enthalten, sowie mit Zu- und Ableitungen (20, 21; 22, 23) versehen sind, aufgeteilt ist, wobei die Platte (1) längs ihrer Kanten (9) mittels umlaufenden Abstützungen (6, 6n) an der Behälterwand befestigt ist.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstützung (6, 6ü; 10, 11) Drosselstellen enthält, die von Kanälen (12) oder engen Spalten gebildet werden

15. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstützungen (6,6a,· 10) aus porösem Material gebildet sind.

16. Vorrichtung nach den Ansprüchen 13 und 14 zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1-12, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Materialplatte (1, 60) und ihrer Abstützung (6) bzw. der Kammer-Wand (71, 72) ein kalibrierter Spalt frei bleibt, in dem eine polarisierte Elektrode (13,70) zur Entladung der Ionen und Unterbrechung eines eventuellen Ionenstromes angeordnet ist (Fi g. 4 und 6).

17. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 7 — 12, dadurch gekennzeichnet, daß an den Verbindungsstellen der Seitenkanten des Bandes (60) mit den Kammerwänden (71, 72) ein isolierender Block (74) angeordnet ist, der parallel zu der Bandkante verlaufende Nuten (74a,) aufweist, in welchen federgespannte (76) Dichtlippen (75), die gegen das Band drücken, angeordnet sind (F i g. 7).

18. Vorrichtung nach den Ansprüchen 13-16, die vorzugsweise zur Behandlung von Windschutzscheiben geeignet ist, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vielzahl von Behältern mittels durch in Bohrungen (102) ihrer Flansche (!03) gesteckte Zuganker (101) zu einer Einheit zusammengefaßt ist, von denen jeder durch eine Windschutzscheibe (104) in zwei Kammern aufgeteilt ist, deren jede eine Plattenelektrode (108) enthält, deren Polarität von einem Behälter zu dem nächstfolgenden wechselt, und von

cen für den Ionenaustausch geeigneten Gasen oder Dämpfen durchströmt wird.

19. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur der Platteneiektroden durch Heißelemente (109) geregelt werden kann.