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Beschreibung
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung von Ionenkonzentrationsgradienten
in Elektrolyten mit Hilfe eines Magnetfeldes und die räumliche Separierung der erzeugten
Ionenkonzentrationen.
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Neben der Versorgung der Menschheit mit Energie rückt die Versorgung
mit Trinkwasser und Rohstoffen immer stärker in den Vordergrund.
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Mit geringem Energieeinsatz kann das erfindungsgemäße Verfahren sowohl
das Entsalzen von Meerwasser, wie das Beseitigen von schädlichen Ionen aus Abwässer,
als auch das Anreichern von Ionenkonzentrationen in Elektrolyten zur Rohstoffgewinnung
durchführen.
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Bekannte Verfahren zur Meerwasserentsalzung sind z.B. das thermische
Verfahren. Hier wird durch Verdampfen oder Abkühlen des Elektrolyten Trinkwasser
gewonnen. Eine Entsalzung wird beim Osmotischen Verfahren durch Pressen des Meerwassers
durch feine Membranen unter sehr hohen Drücken durchgeführt. Bei der Elektrodialyse
wird mit Hilfe einer Gleichspannung die Ionen durch ein Diaphragma gesaugt und vom
Wasser getrennt.
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Alle angeführten Verfahren weisen den Nachteil auf, daß die Trinkwassergewinnung
verhältnismäßig aufwendig ist und einen hohen Energieeinsatz erfordern. Außerdem
weisen sie zum Teil eine nicht kontinuierliche Arbeitsweise auf.
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Der Nachteil beim Einsatz von Gleichspannung wie beim Elektrodialyseverfahren
beruht auf den Polarisationsverlusten und den Verlusten durch elektrochemische Umsetzungen
an den Elektrodenoberflächen.
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Bei der erfindungsgemäßen Lösung ist ein geringer Energieeinsatz und
eine kontinuierliche Arbeitsweise gegeben. Die erfindungsgemäße Idee aus dem Elektrolyten
(Meerwasser) die Natrium- und Chlorionen zu entfernen besteht darin, das Elektrolyt
in einer elektrisch nichtleitenden Flüssigkeitsleitung mit einer laminaren Strömungsgeschwindigkeit
v durch ein zur Flüssigkeitsleitung senkrecht stehendes Magnetfeld mit der magnetischen
Induktion B zu führen. Auf die elektrisch geladenen Ionen wirkt dann die Lorentzkraft
FL = q (v x B) senkrecht zur Strömungsrichtung und zum Magnetfeld. q bedeutet die
elektrische Ladung der Ionen sie kann positiv (Na+) oder negativ (cm ) sein, entsprechend
ist die Richtung der Lorentzkraft. Auf der einen Wandseite der Flüssigkeitsleitung
konzentrieren sich die positiven Ionen auf der anderen Seite die negativen Ionen.
In der Mitte der Flüssigkeits].eitung tritt eine Verarmung an Ionen auf. Die
unterschiedlichen Kontrationen bewegen sich mit der Strömung der Flüssigkeit mit.
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Die Geschwindigkeit v bezeichnet die relative Geschwindigkeit zwischen
dem Elektrolyten und dem Magnetfeld.
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B beschreibt die magnetische Induktion des Magnetfeldes im Elektrolyten.
Durchströmen die Ionen das Magnetfeld mit der Geschwindigkeit v, so bilden sich
aufgrund der Ablenkung der Ionen durch die Lorentzkraft an der Wandung der Elektrolytleitung
Ionenkonzentrationsgradienten aus. Am Austrittsende des Magnetfeldes befinden sich
zwei Weichen inform dünner Trennwände in der Elektrolytleitung, die eine räumliche
Trennung der Ionenkonzentrationen vom Lösungsmittel (X20) vornehmen.
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2 Anstatt der Trennweichen ist es vorteilhaft Elektrolytleitung im
gesamten Magnetfeldbereich als Diaphragma auszuführen durch das die Ionen von der
Lorentzkraft hindurchgepreßt werden. Um das
I)iaphragma be findet
sich Itonzentrinch ein zweiterFlünsj#ceital<#iter 1 der die getrennten Ionen
auffängt. Bei der erfindungsgemäßen Lösung kann die magnetische Induktion B durch
Permanentmagnete, die entlang der Elektrolytleitung angebracht sind, aufgebracht
werden, so daß die erforderliche Energie sich auf das Aufbringen einer großen laminaren
Strömung des Elektrolyten durch das Magnetfeld reduziert.
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Um die Anlage mit einer höheren Effektivität auszustatten ist es vorteilhaft,
die Permanentmagnete durch Elektromagnete zu ersetzen, wodurch sich eine größere
magnetische Induktion B erzielen läßt.
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Die Trennungsgeschwindigkeit von Ionen und Lösungsmittel ist von der
Größe der wirksamen Lorentzkraft abhängig. Deshalb ist der Ausdruck (v x #) möglichst
groß zu gestalten. Dabei ist es unerheblich, ob der Elektrolyt mit der Geschwindigkeit
v durch das Magnetfeld strömt oder das Magnetfeld schnell durch den ruhenden Elektrolyten
mit der Geschwindigkeit v bewegt wird. Dies wird realisiert, indem das Magnetfeld
durch einen Gleichstrommagneten erzeugt wird, der als Rotor ausgebildet ist und
zentrisch um seine Längsachse rotiert. Der Stator wird von mehreren Elektrolytleitungen
gebildet, die den Rotor statisch, konzentrisch umschließen. Der Ausdruck (v x B)
wird dann durch die Rotationsgeschwindigkeit des Rotors und durch die Größe B bestimmt.
Die Elektrolytleitungen lassen sich parallel um den Rotor anordnen, durch sie fließt
langsam und laminar der Elektrolyt. Nach einem kreisförmigen Durchlaufen des Elektrolyten
werden die durch die Lorentzkraft ausgebildeten Ionenkonzentrationsgradienten durch
die Trennungsweichen voneinander separiert. Die Durchsatzmenge an Elektrolyten kann
umso größer gewählt werden, je kleiner die maximale Wanderungszeit der Ionen von
der linken Leitungswand zur rechten Leitungswand und umgekehrt ist. Deshalb ist
es besonders günstig, die Elektrolytleitungen mit flachem, rechteckigen oder ovalen
Querschnitt zu versehen und sie um den Rotor in flachen, konzentrischen
Ringen
anzuordnen. In jedem Leitungsring wird parallel Elektrolyt eingespeist, nach einem
kreisförmigen Durchlauf des Elektrolyten passieren die Konzentrationsgradienten
wieder die dort angeordneten Trennweichen, Es ist Jedoch vorteilhaft, die Elektrolytleitung
als Diaphragma auszustatten, das über den gesamten Bereich im Magnetfeld von einer
einhüllenden 2. Leitung umgeben ist, die die separierten Ionen aufnimmt. Dabei ist
der Einsatz des Diaphragmas bei dieser Rotor/Stator Anordnung besonders effektiv,
weil die Lorentzkraft direkt durch die Diaphragmawand gerichtet ist und über den
gesamten Leitungsquerschnitt eine Beschleunigung der Ionen durch die Lorentzkraft
stattfindet. Die Wirkung der Lorentzkraft durch das Magnetfeld B und der Relativgeschwindigkeit
v kann auf die Wirkung eines elektrischen Feldes zurückgeführt werden.
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Aus FL = q (v x B) und der Kraft auf eine elektrische Ladung im elektrischen
Feld F = q(E) erhält man durch Gleichsetzen der eingeklammerten Ausdrücke E = (v
x 3). Damit läßt sich über die experimentell gesicherten Wanderungsgeschwindigkeiten
von Ionen im elektrischen Feld die Effektivität der erfindungsgemäßen Anlage berechnen.
Wird der Stator der Anlage aus elektrisch nichtleitenden Materialien aufgebaut,
so beschränkt sich der erforderliche Energieeinsatz auf die Verschiebung der Ionen
im Elektrolyten und durch das Diaphragma, sowie das Aufbringen der Reibungsverluste
des Rotors. Polarisationsverluste oder Verluste durch elektrochemische Reaktionen
treten nicht auf.
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Je nach Aufgabenstellung an die Anlage, kann das ionenarme Lösungsmittel
(Trinkwasser), oder als Ionenanreicherungsanlage die konzentrierten Ionenlösungen
aufgefangen werden.
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Das Prinzip der Arbeitsweise und eine bevorzugte Ausführungsform der
Erfindung sind in den Figuren dargestellt und werden nachfolgend näher beschrieben.
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Es zeigen: Fig. 1 die Wirkung der Lorentzkraft auf einen strömenden
Elektrolyten Fig. 2 eine Anordnung von Elektrolytleitung und Magnete Fig. 3 die
Weichen zur räumlichen Trennung der verschiedenen Ionenkonzentrationen Fig. 4 den
Querschnitt einer Elektrolytleitung mit Innenleitung als Diaphragma und einhüllende
Ionenkonzentrationsleitung Fig. 5 die Wirkungsweise der Trennungsweichen Fig. 6
eine vorteilhafte Anlagenausführung Fig. 7 den Querschnitt der Elektrolytleitung
in Ringform.
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Bei dem in Fig. 1 dargestellten Arbeitsprinzip fließt der Elektrolyt
2 mit einer Relativgeschwindigkeit v senkrecht durch das Magnetfeld d Aufgrund der
Lorentzkraft findet eine Trennung in einen Bereich positiver Ionenkonzentration
4, einen Bereich negativer Ionenkonzentration 5 und einen ionenarmen Bereich 3 statt.
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In Fig. 2 ist eine Anordnung von mehreren Magneten 2 und der Elektrolytleitung
1 zu sehen. Der Elektrolyt strömt durch die Leitung in Pfeilrichtung. Die magnetische
Induktion B der Magnete führt
eine-Trennung der Ionenkonzentrationen
durch, die im Bereich der Trennwände 3 räumlich separiert werden.
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In Fig. 3 sind die Trennwände in der Elektrolytleitung 1 dargestellt.
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Von der Trennweiche 2 werden die negativen Ionen von der ionenarmen
Lösung getrennt. Die Weiche 3 trennt die positiven Ionen von der ionenarmen Lösung.
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Die Fig. 4 zeigt eine Leitung bei der die Elektrolytleitung 1 als
Diaphragma ausgeführt ist. Die umhüllende Leitung 2 nimmt die ausgeschiedenen Ionen
auf, sie ist durch die Trennwände 3, 4 in zwei Bereiche unterteilt. Ein Bereich
nimmt die positiven Ionen auf, der andere Bereich die negativen Ionen.
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Fig. 5 zeigt eine Anlage in linearer Ausführung. Innerhalb des Magnetfeldes
finden die Ionenverschiebungen durch die Lorentzkraft statt.
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Der Elektrolyt strömt in Pfeilrichtung. Am Rande des Magnetfeldes
werden die Ionenkonzentrationen durch die Weichen 2 und 3 separiert. In der Mitte
fließt das ionenarme Lösungsmittel 1 aus der Anlage.
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Fig. 6 zeigt eine vorteilhafte ringförmige Anlage zur Erzeugung und
Trennung von Ionenkonzentrationen. Das Magnetfeld wird vom Rotor 1 durch die elektr.
Spule 3 erzeugt. Die Stromzuführung erhält die Spule durch Schleifringe. Die Polschuhe
4, 5 liefern ein homogenes Magnetfeld B das die Elektrolytleitungen 2 durchsetzt.
Die Elektrolytleitungen 2 sind stationär, parallel zwischen den Polschuhen angeordnet.
Die Elektrolytleitungen können nach Fig. 3 oder 4 ausgeführt werden, wobei die Anordnung
nach Fig. 4
besonders vorteilhaft ist. Der Elektrolyt fließt laminar
durch die stationären Ringleitungen 2, dabei erfahren die Ionen eine Ablenkung durch
die Lorentzkraft nach oben oder unten je nach der elektrischen Ladung der Ionen.
Nach einem kreisförmigen Durchlauf ist der Elektrolyt getrennt, bei optimaler Wahl
der Durchflußgeschwindigkeit des Elektrolyten. Der Rotor wird über die Welle 6 angetrieben
und erzeugt die relative Geschwindigkeit zwischen dem Magnetfeld und den Ionen des
Elektrolyten.
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Die Zu- und Abflußleitungen zu den Elektrolytleitungen sind nicht
dargestellt.
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In Fig. 7 sind die parallelen Elektrolytleitungen 1 in der Diaphragmaausführung
zu sehen. Im Innern befindet sich das Diaphragma 2 das den Elektrolyt aufnimmt.
Die umhüllende Leitung 3 nimmt die ausgeschiedenen Ionen auf.
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Bei folgender Dimensionierung der Anlage erhält man 1 m3 entsalztes
Wasser~ pro Stunde: Radius des Rotors ~ = 250 mm Drehzahl n = 10 ooo Umdr/min Magnetische
Induktion B = 1 Vs/m2 Dicke der Elektrolytleitung b = 2 mm Beschleunigung eines
Ions Na (H 0)4 10 g mit Solvationshiiile 2 4 Elektr. Arbeit W ~- 10 kWh