DE3521109A1 - Method and apparatus for the galvanomagnetic removal of ions from a liquid - Google Patents
Method and apparatus for the galvanomagnetic removal of ions from a liquidInfo
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Abstract
Description
Verfahren und Vorrichtung zur galvanomagnetischen Entfernung von Ionen aus einer Flüssigkeit Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur galvanomagnetischen Abreicherung von Ionen in einer Flüssigkeit, insbesondere auch zur Entsalzung von Wasser, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens. Zur Entfernung von Ionen aus einer Flüssigkeit, beispielsweise zur Entsalzung von Meerwasser, sind viele verschiedene Verfahren bekannt.Method and device for galvanomagnetic removal of ions from a liquid The present invention relates to a method for galvanomagnetic Depletion of ions in a liquid, in particular also for the desalination of Water, according to the preamble of claim 1. and a device for implementation of the procedure. To remove ions from a liquid, for example for Desalination of sea water, many different processes are known.
So gibt es außer der Destillation und der Umkehrosmose noch Verfahren nach dem Prinzip der Elektroosmose und einige andere Konzepte.In addition to distillation and reverse osmosis, there are also processes on the principle of electroosmosis and some other concepts.
Auch ist es beispielsweise aus der GB-A-2 123 399 bekannt, Flüssigkeiten mit Hilfe von magnetischer Resonanz zu reinigen, wobei verschieden gepolte Elektroden im Flüssigkeitsbehälter angeordnet sind Ferner gibt es Erkenntnisse über das Auftreten des Hall-Effektes an Elektrolytlösungen, wie beispielsweise beschrieben in Berichte der Bunsen-Gesellschaft für physikalische Chemie" Band 78, Nummer 4, 1974, Seite 325 - 331 unter dem Titel Über den Hall-Effekt an einigen Elektrolytlösungen und Membranen". Dort wird erläutert, welchen Einfluß elektrische und magnetische Felder auf Elektrolytlösungen haben.It is also known, for example from GB-A-2 123 399, liquids to clean with the help of magnetic resonance, with electrodes of different polarity are arranged in the liquid container. Furthermore, there is knowledge about the occurrence the Hall effect in electrolyte solutions, as described, for example, in reports of the Bunsen Society for Physical Chemistry "Volume 78, Number 4, 1974, page 325 - 331 under the title About the Hall effect on some electrolyte solutions and Membranes ", which explains the influence of electric and magnetic fields have on electrolyte solutions.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Abreicherung von Ionen'in einerFlüssigkeit anzugeben, welches den Einfluß von elektrischen und magnetischen Feldern auf Elektrolytlösungen ausnutzt und technisch anwendbar macht. Ferner soll eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens angegeben werden Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Verfahren nach dem Anspruch 1 vorgeschlagen Wie anhand der Zeichnung noch näher erläutert wird, wird die die Ionen enthaltende Flüssigkeit möglichst unter Einhaltung der Bedingungen für laminare Strömung durch eine Trennzelle geleitet, in der mittels Elektroden ein elektrisches gleichfeld in Strömungsrichtung aufrecht erhalten wird Dadurch werden in dem elektrischen Feld positive und negative Ionen in unterschiedlichen Richtungen beschleunigt, so daß sie insgesamt verschieden große Geschwindigkeiten aufweisen.The object of the present invention is to provide a method for depletion of ions in a liquid to indicate the influence of electrical and uses magnetic fields on electrolyte solutions and makes them technically applicable. Furthermore, a device for carrying out the method is to be specified To the A method according to claim 1 is proposed as a solution to this problem the drawing will be explained in more detail, the liquid containing the ions if possible while maintaining the conditions for laminar flow through a separation cell conducted, in which a constant electrical field in the direction of flow by means of electrodes This makes positive and negative in the electric field Ions accelerated in different directions, making them different overall have high speeds.
Gleichzeitig wird senkrecht zur Strömungsrichtung und zur Ebene der Trennzelle ein magnetisches Gleichfeld innerhalb der Trennzelle aufrecht erhalten, welches Lorentz-Kräfte auf die Ionen ausübt, welche sich nach der Lenz'schen Regel bestimmen lassen. Elektrisches und magnetisches Feld bewirken zusammen mit der Strömungsgeschwindigkeit der Ionen insgesamt für.positiv und negativ geladene Teilchen in dieselbe Richtung eine Kon zentrationsverschiebung, welche senkrecht zum elektrischen Feld und zum Magnetfeld verläuft. Am Ende der Trennzelle kann daher der Flüssigkeitsstrom in einen mit Ionen angereicherten und einen mit Ionen abgereicherten Teilstrom aufgespalten werden.At the same time it is perpendicular to the direction of flow and to the plane of the Separating cell maintain a constant magnetic field within the separating cell, which Lorentz forces exerted on the ions, which are based on Lenz's rule let determine. Electric and magnetic fields work together with the flow velocity the total of ions for positively and negatively charged particles in the same direction a concentration shift which is perpendicular to the electric field and to the Magnetic field runs. At the end of the separation cell, therefore, the liquid flow in a partial stream enriched with ions and a partial stream depleted with ions split up will.
In weiterer-Ausgestaltung der Erfindung wird im Anspruch 2 vorgeschlagen, daß in der Trennzelle ein inhomogenes elektrisches Feld mit einer größten Dichte im Bereich des angereicherten Teilstromes aufrecht erhalten wird Das Vorhandensein eines inhomogenen Feldes verstärkt den oben beschriebenen Effekt noch und erhöht damit den Trennfaktor der Trennzelle.In a further embodiment of the invention, it is proposed in claim 2, that in the separating cell an inhomogeneous electric field with a greatest density The presence is maintained in the area of the enriched partial flow an inhomogeneous field intensifies and increases the effect described above thus the separation factor of the separation cell.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird im Anspruch 3 vorgeschlagen, daß mehrere Trennzellen kaskadenartig hintereinander geschaltet werden, wie dies im Prinzip aus den verschiedenen Anlagen zur Isotopenanreicherung, insbesondere der Urananreicherung, bekannt ist. Dadurch wird eine weitgehende Entfernung aller Ionen aus der Flüssigkeit bewirkt, auch wenn die einzelne Trennzelle nur einen geringen Wirkungsgrad hat. Z. B. bei der Meerwasserentsalzung ist dabei das Verwerfen der angereicherten Fraktion ohne Einfluß auf die Eingangskonzentration.In a further embodiment of the invention, it is proposed in claim 3, that several separation cells are cascaded one behind the other, like this in principle from the various systems for isotope enrichment, in particular uranium enrichment, is known. Through this becomes a far-reaching one It causes removal of all ions from the liquid, even if the individual separating cell only has a low level of efficiency. E.g. in seawater desalination discarding the enriched fraction without affecting the input concentration.
In spezieller Ausgestaltung der Erfindung wird im Anspruch 4 vorgeschlagen, das Magnetfeld durch Permanentmagneten, Elektromagneten oder durch Supraleitende Magneten zu erzeugen. Je nach der Größe der Anlage und der gewünschten magnetischen Feldstärke, welche wiederum einen Einfluß auf den Trennfaktor hat, können geeignete Magnete ausgewählt werden.In a special embodiment of the invention, it is proposed in claim 4, the magnetic field by permanent magnets, electromagnets or by superconductors Create magnets. Depending on the size of the plant and the desired magnetic Field strength, which in turn has an influence on the separation factor, can be suitable Magnets to be selected.
Im Anspruch 5 wird ein Verfahren vorgeschlagen, welches sich insbesondere für kleinere Anlagen eignet, wo es nicht auf große Durchsätze sondern auf eine Minimierung des technischen Aufwandes ankommt. Dazu wird vorgeschlagen, nur eine oder wenige Trennzellen hintereinander zu schalten, diese aber von der ionenhaltigen Flüssigkeit mehrfach durchlaufen zu lassen, wobei die abgereicherte Flüssigkeit aus dem jeweiligen Arbeitstakt zwischengespeichert und im nächsten Arbeitstakt zum Einlaß des Systems zurückgeführt wird.In claim 5, a method is proposed which is in particular Suitable for smaller systems, where it is not a question of large throughputs but of minimization of the technical effort. To this end, it is suggested only one or a few To connect separating cells one behind the other, but these from the ion-containing liquid to pass through several times, with the depleted liquid from the respective Work cycle buffered and in the next work cycle to the inlet of the system is returned.
Eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird im Anspruch 6 beschrieben. Diese Anordnung ermöglicht die gleichzeitige Aufrechterhaltung eines elektrischen Feldes in Strömungsrichtung und eines Magnetfeldes senkrecht zur Strömungsrichtung, wodurch die gewünschte Konzentrationsverschiebung. erreicht wird und sich am Ende der Trennzelle zwei verschieden stark mit Ionen angereicherte Flüssigkeitsteilströme trennen lassen In spezieller Ausgestaltung der Erfindung wird im Anspruch 7 vorgeschlagen, daß eine Elektrode nahe dem Flüssigkeitseinlaß angeordnet ist und sich gitterförmig etwa über den gesamten Zellenquerschnitt erstreckt, während die zweite Elektrode nahe dem Flüssigkeitsauslaß für abgereicherte Flüssigkeit angeordnet ist und sich gitterförmig nur etwa über diesen Auslaßquerschnitt erstreckt. Dadurch läßt sich ein inhomogenes elektrisches Feld in der Zelle aufrecht erhalten, welches für einen guten Trennfaktor besonders günstig geformt ist.A device for carrying out the method according to the invention is described in claim 6. This arrangement enables simultaneous maintenance an electric field in the direction of flow and a magnetic field perpendicular to the direction of flow, creating the desired shift in concentration. achieved becomes and at the end of the separation cell two differently enriched with ions Let the partial flows of the liquid separate In a special design of the invention is proposed in claim 7 that an electrode near the liquid inlet is arranged and extends in a grid-like manner over the entire cell cross-section, while the second electrode is near the liquid outlet for depleted liquid is arranged and extends in a grid shape only approximately over this outlet cross-section. This allows an inhomogeneous electric field to be maintained in the cell, which is shaped particularly favorably for a good separation factor.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird in Anspruch 8 vorgeschlagen, daß die Elektroden gegenüber der Flüssigkeit isoliert sind. Dadurch lassen sich hohe Feldstärken anlegen, ohne daß es zu einer Elektrodenreaktion mit evtl. Gasentwicklung, d. h. einer Elek#trolyse, kommt.In a further embodiment of the invention, it is proposed in claim 8, that the electrodes are isolated from the liquid. This allows apply high field strengths without causing an electrode reaction with possible gas development, d. H. electrolysis, comes.
Entsprechend wird dazu in Anspruch 9 vorgeschlagen, daß die Elektroden für eine Beaufschlagung mit hoher Spannungausgelegt sein sollen, mindestens für 100 Volt,. vorzugsweise jedoch sogar für Spannungen von bis zu mehreren Kilovolt.Correspondingly, it is proposed in claim 9 that the electrodes should be designed for application of high voltage, at least for 100 volts ,. but preferably even for voltages of up to several kilovolts.
Nach Anspruch 10 werden fernerhin Mittel. zur Vergleichmäßigung der Strömung in oder vor der Trennzelle vorgesehen, um Verwirbelungen und dadurch eine Verringerung des Trennfaktors zu vermeiden.According to claim 10 are also means. to equalize the Flow in or in front of the separation cell provided to turbulence and thereby a Avoid reducing the separation factor.
Für eine Anwendung auf Flüssigkeiten, in denen Ionen stark verschiedener Ionenbeweglichkeit enthalten sind, wird gemäß Anspruch 10 speziell vorgeschlagen, elektrisches und magnetisches Feld gerade so zu polen, daß die beweglichere Ionenart in Richtung des Auslasses für angereicherte Flüssigkeit abgelenkt wird. Diese Maßnahme verbessert das Trennverfahren und ist beispielsweise für Flüssigkeiten wie Salzsäure (HCl) und dergleichen geeignet.For use on liquids in which ions are very different Ion mobility are included, is specifically proposed according to claim 10, to polarize the electric and magnetic field just so that the more mobile ion species is deflected towards the enriched liquid outlet. This measure improved the separation process and is, for example, for liquids such as hydrochloric acid (HCl) and the like suitable.
Zum besseren Verständnis sei die der Erfindung zugrundeliegende Theorie anhand der Zeichnung näher erläutert.For a better understanding, let the theory on which the invention is based explained in more detail with reference to the drawing.
In der Zeichnung ist schematisch ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt, und zwar zeigen Figur 1 eine erfindungsgemäße Trennzelle in einem Schnitt in der X-Y-Ebene gemäß zugehörigem Koordinatensystem und Figur 2 einen Schnitt durch die Trennzelle in X-Z-Ebene.An exemplary embodiment of the invention is shown schematically in the drawing shown, namely Figure 1 shows a separating cell according to the invention in a section in the X-Y plane according to the associated coordinate system and FIG. 2, a section through the separating cell in the X-Z plane.
Die Trennzelle 1 besteht aus einem vorzugsweise rechteckigen Strömungskanal mit elektrisch nicht leitenden Wänden. Sie weist einen Einlaß 2 und zwei in der X-Y-Ebene nebeneinander liegende Auslässe 3, 4 auf. Nahe dem Einlaß 2 ist eine vorzugsweise gitterförmige Elektrode 5 angeordnet, welche sich in Y-Z-Ebene erstreckt. Ferner ist nahe dem einen Auslaß 3 eine ebenfalls vorzugsweise gitterförmige Elektrode 6 angeordnet, welche sich in Y-Z-Ebene über den Auslaßquerschnitt des Auslasses 3 erstreckt. Die Elektroden 5, 6 sind an eine Gleichspannungsquelle 7 anschließbar. Dadurch ist ein elektrisches Feld E, dessen Verlauf durch die Feldlinien 8 angedeutet ist, innerhalb der Trennzelle 1 aufrechterhaltbar. Das der Figur 1 zugeordnete Koordinatensystem veranschaulicht die Richtung der einzelnen Teile und Felder. Die Strömungsrichtung der Flüssigkeit ist durch Pfeile angedeutet Falls sich in der Flüssigkeit Ionen 9, 10 befinden, so werden diese je nach dem Vorzeichen ihrer Ladung durch das elektrische Feld beschleunigt oder abgebremst. Die positiven Ionen erhalten dabei die Geschwindigkeit ev+, die negativen Ionen die Geschwindigkeit v-.The separating cell 1 consists of a preferably rectangular flow channel with electrically non-conductive walls. It has an inlet 2 and two in the Outlets 3, 4 lying next to one another in the X-Y plane. Near inlet 2, one is preferred Arranged grid-shaped electrode 5, which extends in the Y-Z plane. Further is near the one outlet 3, a likewise preferably grid-shaped electrode 6 arranged, which extends in the Y-Z plane over the outlet cross section of the outlet 3 extends. The electrodes 5, 6 can be connected to a DC voltage source 7. This creates an electric field E, the course of which is indicated by the field lines 8 is maintainable within the separation cell 1. The coordinate system assigned to FIG. 1 illustrates the direction of the individual parts and fields. The direction of flow the liquid is indicated by arrows If there are ions in the liquid 9, 10 are located, these are depending on the sign of their charge by the electrical Field accelerated or decelerated. The positive ions receive the speed ev +, the negative ions the velocity v-.
Wie in Figur 2 verdeutlicht, wird außer dem elektrischen Feld E in der Trennzelle 1 auch ein magnetisches Feld B aufrecht erhalten, welches in Z-Richtung verläuft, d. h.As illustrated in FIG. 2, in addition to the electric field E in the separation cell 1 also maintain a magnetic field B, which is in the Z direction runs, d. H.
senkrecht zur Strömungsrichtung und zur Ebene der Trennzelle 1. Vorzugsweise liegt die Trennzelle 1, wie in Figur 2 dargestellt, zwischen den Polschuhen 11, 12 eines Magneten, wobei es sich um einen Permanentmagneten, einen Elektromagneten oder auch um einen Supraleitenden Magneten handeln kann. Es können auch mehrere miteinander als Kaskade verschaltete Trennzellen innerhalb der Polschuhe eines Magneten angeordnet werden.perpendicular to the direction of flow and to the plane of the separating cell 1. Preferably the separating cell 1, as shown in Figure 2, lies between the pole pieces 11, 12 of a magnet, which is a permanent magnet, an electromagnet or a superconducting magnet. There can also be several Separating cells interconnected as a cascade within the pole shoes of a magnet to be ordered.
Zum Verständnis der Erfindung sei noch auf folgende theoretische Einzelheiten hingewiesen: Eine mit der Geschwindigkeit v bewegte elektrische Ladung e wird in einem Magnetfeld B durch eine Kraft K abgelenkt, für welche folgendes gilt: Entgegengesetzte Ladungen werden danach in verschiedene Richtungen abgelenkt. Durch den zusätzlichen Einfluß eines elektrischen Feldes E erhalten jedoch die Ionen mit verschiedenen Vorzeichen eine verschiedene Geschwindigkeit, so daß sie unterschiedlich stark abgelenkt werden. Gleichzeitig wirkt-natürlich noch die Coulombanziehung zwischen den Ladungen, woraus sich eine resultierende Kraft auf alle Ionen in eine Richtung senkrecht zur Strömungsrichtung, d. h. in Y-Richtung, ergibt. Beim Durchströmen einer Ionen enthaltenden Flüssigkeit durch die Trennzelle, werden daher positiv und negativ geladene Ionen in Y-Richtung nach einer Seite abgelenkt. Dadurch entsteht eine Konzentrationsverschiebung, Konzentrationsverschiébung, welche am Auslaß der Trennzelle dazu ausgenutzt werden kann, eine mit Ionen angereicherte und eine abgereicherte Fraktion zu trennen. Der Trennfaktor, d. h. das Konzentrationsverhältnis zwischen angereicherter und abgereicherter Fraktion ist dabei abhängig von der magnetischen Feldstärke, der elektrischen Feldstärke, der Länge der Trennzelle, auf der diese Feldstärken wirken und von dem Querschnittsverhältnis der beiden Auslaßöffnungen der Trennzelle. Durch Beeinflussung dieser Größen lassen sich Trennzellen für verschiedene Anwendungsfälle verwirklichen. Dabei müssen bei den Berechnungen die Wanderungsgeschwindigkeiten der beteiligten Ionen und einige andere in Elektrolyten auftretende Effekte berücksichtigt werden. Es lassen sich jedoch für die meisten Anwendungsfälle geeignete Trennzellen konstruieren.To understand the invention, the following theoretical details should be pointed out: An electrical charge e moving at speed v is deflected in a magnetic field B by a force K, for which the following applies: Opposite charges are then deflected in different directions. Due to the additional influence of an electric field E, however, the ions with different signs receive a different speed, so that they are deflected to different degrees. At the same time, of course, the Coulomb attraction between the charges also acts, which results in a resulting force on all ions in a direction perpendicular to the direction of flow, ie in the Y direction. When a liquid containing ions flows through the separation cell, positively and negatively charged ions are therefore deflected to one side in the Y direction. This creates a concentration shift, which can be used at the outlet of the separation cell to separate an ion-enriched and a depleted fraction. The separation factor, ie the concentration ratio between enriched and depleted fraction, depends on the magnetic field strength, the electric field strength, the length of the separation cell on which these field strengths act and on the cross-sectional ratio of the two outlet openings of the separation cell. By influencing these variables, separating cells can be implemented for various applications. The speed of migration of the ions involved and some other effects occurring in electrolytes must be taken into account in the calculations. However, suitable separating cells can be constructed for most applications.
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DE19853521109 DE3521109A1 (en) | 1985-06-12 | 1985-06-12 | Method and apparatus for the galvanomagnetic removal of ions from a liquid |
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