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Vorrichtung zum Trennen von Stoffen in einem Trennwände aufweisenden
elektrischen Feld Beim Trennen von Stoffen im elektrischen Feld ist es bekannt,
die zur Trennung dienende Säule mit einer porösen Masse, z. B. gesintertem Glas,
oder einer Sandschüttung zu füllen. Dadurch wird die Säule in eine große Anzahl
von Kanälen aufgeteilt.
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Eine Anordnung dieser Art ist beispielsweise beschrieben in der USA.-Patentschrift
2813064, bei welcher die Trennsäule mit feingekörntem Material, beispielsweise kleinsten
Glaskügelchen, gefüllt ist.
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Infolge der unterschiedlichen Größe der Glaskügelchen werden Kanäle
gebildet, die der Gegenstromwanderung entgegenwirken. Deshalb ist weiterhin bekannt,
die gesamte Säule in einzelne hintereinanderliegende Teilsäulen zu unterteilen,
zwischen denen sich Kammern befinden, in welchen ein gewisser Ausgleich der durch
die Unregelmäßigkeiten der Poren bewirkten störenden Ungleichmäßigkeiten erfolgen
kann.
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Alle diese Maßnahmen reichen aber nicht aus, um bei einer Anordnung
den Trenneffekt zu erreichen, der dem theoretisch Möglichen entspricht beispielsweise
die pro Längeneinheit sich ergebende theoretische Zahl der Böden einer Trennsäule.
So ergibt sich bei den bekannten Anordnungen für eine Vergrößerung der wirksamen
Länge keineswegs eine gleich große Vergrößerung der Trennwirkung, sondem es nimmt
im allgemeinen der Trenneffekt je Längeneinheit mit steigender Länge der Trennsäule
ab. Aus dem gleichen Grunde sind bei den bekannten Anordnungen außerordentlich lange
Betriebszeiten erforderlich, um praktisch ins Gewicht fallende Trennfaktoren zu
erreichen. So sind beispielsweise bei einer Vorrichtung gemäß der obenerwähnten
USA.-Patentschrift 2 813 064 Betriebszeiten von 1400 Stunden erforderlich, um eine
Trennung von Uranisotopen zu erreichen.
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Die Schwierigkeiten werden in einer Vorrichtung zum Trennen von Stoffen
in einem Trennwände aufweisenden elektrischen Feld erfindungsgemäß dadurch vermieden,
daß in dem elektrischen Feld engmaschige Siebe oder Gewebe mit in der Größe übereinstimmenden
Öffnungen als Trennwände angeordnet sind.
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Die zu trennenden Stoffe werden etwa in der Mitte der aus den hintereinandergereihten
Trennwänden bestehenden Säule zugesetzt, und die mit bzw. entgegen dem Flüssigkeitsstrom
angereicherten Fraktionen werden vor den die Elektroden enthaltenden Kammern entnommen.
Es können zwischen den am Ende der Säule liegenden Elektroden und den Punkten, an
denen die angereicherten schnelleren bzw. langsameren Fraktionen entnommen werden,
noch
eine oder mehrere Kammern vorhanden sein, in denen ebenfalls Siebe oder Gewebe
angeordnet sind.
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Diese Kammern sollen einerseits verhindern, daß die zu trennenden
Ionen an die Elektroden gelangen und dort gegebenenfalls verändert werden, was besonders
bei organischen Ionen wichtig ist. Weiter soll das den Flüssigkeitsstrom erzeugende
Lösungsmittel von den zu trennenden Ionen befreit werden, so daß das Lösungsmittel
im Kreislauf in die Appatur zurückgeführt werden kann.
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Falls eine Berührung der zu trennenden Ionen mit den Elektroden zulässig
ist, kann die Entnahme des schnelleren Ions in der Elektrodenkammer selbst erfolgen.
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Die Vorrichtung enthält Trennwände zur Aufteilung des den Gegenstrom
führenden Trogs in einzelne Kammern, welche aus engmaschigen Sieben oder Gewebe
bestehen, wobei die Abstände zwischen den Trennwänden, also die Länge der Kammern,
so gewählt sind, daß in ihnen eine ausreichende Konvektion senkrecht zur Stromrichtung
zustande kommt. Dies ist im allgemeinen der Fall, wenn die Länge das Mehrfache der
Wandstärke der Trennwände beträgt. Die einzelnen Kanäle bzw. Poren stimmen in ihren
Größen, wie Länge und Durchmesser, miteinander überein. Besonders geeignet haben
sich engmaschige Siebe als Trennwände erwiesen, welche aus Polyamiden bestehen.
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Die F i g. 1 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Vorrichtung.
Die waagerecht liegende Trennsäule besteht aus einem zentralen Rohr 10, auf welches
mit verschiedenen Abständen Trennwände 11, 12 und 13 aufgezogen sind. Am Ende ist
die Säule durch die beiden Endplatten 14 und 16 abgeschlossen. Das Ganze ist mit
einer Hülle 18, beispielsweise eine elastische Haut oder ein dicht auf die Trenuplatten
passendes Rohr, abgeschlossen, so daß das Ganze einen rohrförmigen Trog bildet.
Die Trennwände 12 sind durch Abstandsstücke genau parallel gehalten und bilden so
die einzelnen Kammern. In den beiden äußersten Kammern, dem Kathodenraum 20 und
dem Anodenraum 22, befinden sich die Kathode 24 und die Anode 26, welche mit einer
Stromquelle 28 verbunden sind. Durch die Trennwände wird die gesamte Gegenstromsäule
in kurze Kammern aufgeteilt, welche eine Konvektion vorzugsweise nur senkrecht zur
Richtung des Gegenstroms zulassen. Zur Abführung der durch den Stromdurchgang entstehenden
Wänne wird durch das Zentralrohr mittels der Rohrleitungen 30 und 32 ein Kühlmittel
hindurchgeleitet. Desgleichen erfolgt eine Kühlung an der Oberfläche der Hülle 18.
Der Gegenstrom wird dadurch erzeugt, daß im Kathodenraum 20 aus dem Vorratsgefäß
33 durch die Leitung 34 Lösungsmittel zugeführt wird, welches im Anodenraum 22 durch
das Überlaufrohr 36 in den Auffangbehälter 38 abtropft. Die Zuführung der zu trennenden
Stoffe erfolgt in der Mitte der Trennsäule in den Raum 21 durch das Rohr 40. Die
Entnahme der gegen den Lösungsmittelstrom angereicherten schnellen Ionen aus dem
Kathodenreservoir 23 erfolgt durch das Rohr 42. Die Entnahme der durch den Gegenstrom
mitgeschwemmten langsamen Ionen aus dem Anodenreservoir 25 erfolgt durch das Rohr
44.
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Wird, wie eingangs bereits erwähnt, eine schwache Säure, beispielsweise
verdünnte Essigsäure, verwendet, so enthält die nach dem Durchlaufen des zwischen
Anodenreservoir 25 und Anodenraum 22 gelegenen Entionerteils 13 in den Anodenraum
22 gelangenden Säure keine fremden Ionen mehr. Die sich im Behälter 38 sammelnde
Säure kann dann mittels einer Pumpe 46 über die Rohrleitung 48 wieder dem Vorratsbehälter
33 zugeführt werden.
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Erfindungsgemäß sind nun die einzelnen Kammern durch eine große Anzahl
sowohl für den Gegenstrom als auch für die zu trennenden Stoffe durchlässiger und
in der Größe übereinstimmender Kanäle miteinander verbunden. Die Trennwände bestehen
also aus engmaschigen Sieben. Die einzelnen Maschen des Siebes bilden Kanäle, die
gemäß der Erfindung in der Größe übereinstimmen. Demgemäß sollen Maschenweite und
Dicke der Siebe soweit als möglich übereinstimmen.
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F i g. 2 zeigt eine solche Trennwand in der Seitenansicht. Sie besteht
aus einer undurchlässigen Tragplatte 60 mit einer Bohrung 62 in der Mitte zur Aufnahme
des zentralen Rohres. Der größte Teil der übrigen Fläche der Trennwand ist durchbrochen
und die Durchbrüche 64 sind mit feinmaschigem Sieben stoff, beispielsweise aus Nylon,
überzogen.
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Die zu trennenden Stoffe werden, wie bereits erwähnt, dem Raum 21
durch die Zuführung 40 etwa in der Mitte der Säule zugeführt. Unter dem Einfluß
des elektrischen Feldes wandern nun die schnelleren Ionen entgegen dem Strom und
gelangen bis zu der
Kammer 23, in der sieh die Entnahmeleitung 42 befindet. Die langsameren
Ionen werden mit dem Strom mitgeschwemmt und gelangen in den Raum 25, in dem sich
die Abnahmeleitung 44 befindet. In den Zwischenräumen zwischen den einzelnen Trennwänden
entsteht durch die Erwärmung (Strömungswirbel usw.) eine Konvektionsbewegung senkrecht
zur Rohrachse. Diese wird dadurch hervorgerufen, daß man durch Kühlung an der Außenhaut
18 und im ZentralrohrlO ein Temperaturgefälle senkrecht zum Gegenstrom erzeugt.
Diese Konvektion bewirkt nun eine ständige Vermischung der Flüssigkeit in der Kammer
und beseitigt alle Unregelmäßigkeiten in der Gegenstromgeschwindigkeit, die nach
dem Passieren der benachbarten Trennwände auftreten können. Die Flüssigkeit strömt
also wieder mit gleichmäßiger Konzentration und Geschwindigkeit in die Kanäle der
nächsten Trennwände ein. Der Abstand zwischen den einzelnen Trennwänden darf nicht
zu klein sein, um das Auftreten dieser Konvektion zu fördern. Im allgemeinen ist
der Abstand zwischen den Trennwänden ein Mehrfaches der Wandstärke ihres porösen
Teils. Außerdem ist die erforderliche Länge der Kammern vom Durchmesser der Säule
abhängig. So sind beispielsweise bei Anlagen mit einem Außendurchmesser von 80 mm
Abstände der Trennwände von 1 bis 2 mm erforderlich.
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Durch das Hintereinanderschalten von Konvektionskammern und Trennwänden
aus gleichzeitig für den Gegenstrom und die zu trennenden Stoffe durchlässigen Sieben
wird eine sehr große Gleichmäßigkeit des Gegenstroms und der Ionenwanderung erzielt,
so daß die für die Trennung erforderliche Beziehung zwischen Gegenstrom und Ionengeschwindigkeit
praktisch an allen Teilen der Säule eingehalten wird. Unvermeidliche, durch die
Herstellungsgenauigkeit der Siebe gegebene Schwankungen gleichen sich in den dazwischenliegenden
Konvektionskammern wieder aus. Dadurch werden Unregelmäßigkeiten vermieden, die
bei längeren, nicht unterteilten Säulen dadurch auftreten, daß durch Abweichungen
der Porendichten einmal aufgetretene Unterschiede sich weiter potenzieren. Gleichzeitig
wird durch die Verwendung von Sieben, deren Poren sehr gleichmäßig sind, das Auftreten
solcher störender Effekte grundsätzlich klein gehalten. Auf diese Weise wird erreicht,
daß der erreichbare Trenneffekt sich bei Vergrößerung der Länge der Trennsäule proportional
vergrößert. Die theoretische Bodenzahl ist sehr hoch und bleibt bei einer Vergrößerung
proportional zur Länge der Säule.
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Wie die Fig. 1 zeigt, ist die waagerecht liegende Säule nur bis zu
einer bestimmten Höhe gefüllt, und die Trennwände sind oberhalb des Flüssigkeitsspiegels
undurchlässig. In diesem Raum können sich allfällig entstehende Gasblasen sammeln
und können nicht mehr störend, beispielsweise durch Verstopfen von Poren usw., auf
den Trennvorgang wirken.
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Die durch die Trennwände 13 gebildeten Kammern zwischen der Kammer
der Entnahmeröhre 44 und dem Anodenraum 22 bilden den Entionerteil.
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Hier tritt, wie bereits erwähnt, im stationären Zustand bei Anwendung
einer schwachen Säure (bzw.
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Base) eine Erhöhung der Feldstärke ein, was dazu führt, daß im Entionerteil
die Geschwindigkeit auch der langsameren Ionen größer ist als die Geschwindigkeit
des Gegenstroms. Es gelangen also auch die langsamen Ionen nicht in den Anodenraum
22, so
daß die durch die Überlaufleitung 36 entweichende Flüssigkeit
reines Lösungsmittel ohne Gehalt an zu trennenden Stoffen ist. Dieses kann jetzt
wieder ohne Störung des Trenneffektes im Kathodenraum zugesetzt werden. Die Anlage
arbeitet also ohne Chemikalienverbrauch und mit einer Flüssigkeitsmenge, welche
kaum den Inhalt der Säule übersteigt.
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Beispiel 1 Zur Trennung von Stickstoffisotopen wurde eine Trennkolonne
verwendet, die im grundsätzlichen Aufbau der Anordnung der Fig. 1 entsprach und
die die folgenden charakteristischen Werte aufwies: Durchmesser .. . ..... 4 cm
Kühlrohrdurchmesser . 1,1 cm Gesamtlänge . ... 14,7 cm Länge des Kathodenraums 20
.... 3,0 cm des Kathodenreservoirs 23 . 3,0 cm des Trennteils 11, 21, 12 . . 5,9
cm des Anodenreservoirs 25 . 2,5 cm des Entioners 13 .... 1,5 cm des Anodenraums
22 ...... 1,8 cm Plattenzahl des Trennteils ............. 28 pro Zentimeter des
Trennteils 4,75 des Entioners . .. . ... 6 Fläche der mit Sieben versehenen Durchbrüche
der Trennwände 4,65 cm Die Betriebsbedingungen waren wie folgt: Stromstärke . .....
..... 0,775 A Gegenstrom ........ . .. 5,82 cm³/min Konzentration des Gegenstroms
an Essigsäure .. . .... 0,50 Mobil Konzentration der zu trennenden Ionen im Apparat
... 0,05 Mol/l Mittlere Betriebstemperatur .. . 883 C Spannung ohne Entioner . 143
V Spannung am Entioner ... 98 V Die Dicke der Trennplatten betrug 0,6 bis 0,8 mm,
die Durchbrüche waren mit Polyamidnetz von 50 µ Maschenweite überzogen. Der freie
Querschnitt der Öffnungen betrug 38 °lo der Netzfläche.
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Die Trennung von Stickstoffisotopen beruht bei diesem Beispiel auf
den verschiedenen Beweglichkeiten der isotopen NH4-Ionen. Der 15N-Gehalt des verwendeten
Ammoniums betrug 2,94% 15N. Der Apparat wurde »geschlossen« laufen gelassen, d.
h., es wurde weder Stoff zugefügt noch entnommen.
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Von Zeit zu Zeit wurden an beiden Enden Proben entnommen und analysiert.
Die Trennung dy (Unterschied des Molenbruches γ zwischen Kathodenraum und
Anodenraum) betrug nach verschiedenen Stunden
| 1 - γ |
| Trennfaktor q = |
| Stunden 1γ |
| AR |
| 1 - γ |
| 6,5 0,45% 1,168 |
| 24,5 1,16% 1,504 |
| 100 1,60% 1,76 |
Aus diesen Daten läßt sich der Unterschied der Beweglichkeit der beiden Isotopen
abschätzen. Er beträgt danach #=1,3 . 10-3. Die Trennung nach 100 Stunden entspricht
(wegen der Beziehung q = L » + e] Boden) 428 Böden oder für den Trennteil einer
Bodenzahl von 72,5 blcm. Eine Platte hatte 428 also die Wirkung von 28 = 15 Böden
(Trennstufen). Bei Vergleichsversuchen mit Porvicmembranen (10-tt-Poren, 0,7 mm
Dicke) und Glasfilterpapier zeigte sich, daß eine Membran nur 7 Böden bzw. eine
Scheibe nur 6 Böden entsprach. Bei beiden Vergleichsversuchen trat einige Zeit nach
Versuchsbeginn Blockierung der Poren durch Blasenbildung ein.
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Beispiel 2 Zur Trennung von Stickstoffisotopen wurde eine Trennkolonne
verwendet, die in ihrem grundsätzlichen Aufbau der beim Beispiel 1 verwendeten entsprach,
die aber die folgenden abweichenden charakteristischen Werte und Betriebsbedingungen
aufwies: Durchmesser .. . 4,0 cm Kühlrohrdurchmesser . 1,1 cm Gesamtlänge . ....
19,7 cm Länge des Kathodenraums 20 .... 3,8 cm des Kathodenreservoirs 23 . 3,8 cm
des Trennteils 11, 21, 12 .... 10,8 cm des Anodenreservoirs 25 . 1,5 cm des Entioners
13 .... 2,0 cm des Anodenraums 22 .. ..... 1,1 cm Plattenzahl des Trennteils ........
. ... 12 pro Zentimeter des Trennteils 1,1 des Entioners .... . 4 Fläche der mit
Sieben versehenen Durchbrüche der Trennwände 1,0 cm² Stromstärke . 0,084 A Gegenstrom
.. . 0,702 cmS/min Konzentration des Gegenstroms an Essigsäure . .... ..... 0,0504
Mol/l Konzentration der zu trennenden Ionen im Apparat . . 0,05 Mol/l Mittlere Betriebstemperatur
.. . 19° C Spannung ohne Entioner . . 181 V Spannung am Entioner . . 120 V Die Trennplatten
entsprachen sonst den im Beispiel 1 verwendeten.
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Die Trennung von Stickstoffisotopen beruht bei diesem Beispiel auf
dem Austauschgleichgewicht: 15NH3aq + 14NH4 = 14NH3aq + 15NH4.
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Nach Urey beträgt die Gleichgewichtskonstante bei 25 C: K 1,028.
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Die Geschwindigkeit und Konzentration des Gegenstromes ist so eingestellt,
daß im Apparat das Verhältnis von NH3: NH 4 gerade 1: 1 beträgt. Damit sich das
NH3,q nicht verflüchtigen kann, ist der Apparat nach oben abgeschlossen. Es darf
natürlich auch kein NH3 in den Kathodenraum gelangen, da
es dort
durch den entweichenden Wasserstoff ausgewaschen würde. Um dies zu verhindern, sind
zwischen Kathode und Kathodenraum drei Trennplatten eingefügt. Dann wird der Kathodenraum
mit Ionen gefüllt, die viel rascher wandern als der Stickstoff, in diesem Fall K-Ionen,
so daß kein Stickstoff zur Kathode gelangen kann. Der 15N-Gehalt der Ausgangslösung
betrug 2,940/0 t5N. Im geschlossenen Betrieb wurden folgende Trennungen festgestellt:
| Stunden J γ Trennfaktor q |
| 23,25 1,82% 1,8 |
| 143 4,12% 4,22 |
Beispiel 3 Die in den Beispielen 1 und 2 verwendete Apparatur mit den folgenden
charakteristischen Werten: Durchmesser ................ 4,0 cm Kühlrohrdurchmesser
........ 1,1 cm Gesamtlänge ....... ...... 11,3 cm Länge des Kathodenraums 20 .....
2,2 cm des Kathodenreservoirs 23 . . . 2,2 cm des Trennteils 11, 21, 12 . . 4,4
cm des Anodenreservoirs 25 .... 1,9 cm des Entioners 13 .......... 2,4 cm des Anodenraums
22 ....... 1,5 cm Plattenzahl des Trennteils ............. 18 pro Zentimeter des
Trennteils 4,1 des Entioners ... . 5 Fläche der mit Sieben versehenen Durchbrüche
der Trennwände 2,0 cm2 Stromstärke ......... ........ 0,516 A Gegenstrom ........
....... 2,00 cmS/min Konzentration des Gegenstroms an Essigsäure ......... .....
0,50 Mol/l Konzentration der zu trennenden Ionen im Apparat .... 0,10 Mol/l Mittlere
Betriebstemperatur .... 55°C Spannung ohne Entioner ..... 104 V Spannung am Entioner
....... 89 V dient bei diesem Beispiel zur Trennung von Rubidium-Isotopen auf Grund
der verschiedenen Beweglichkeit der isotopen Rb-Ionen. Der Apparat wurde mit gewöhnlichem
Rubidium gefüllt. Im geschlossenen Betrieb wurde folgende Trennung erhalten:
| Stunden Trennfaktor q |
| 12,6 | 2,1% | 1,112 |
| 47,6 3,10/o 1,167 |
| 101,1 3,3 o/0 1,177 |
Aus diesen Daten findet man für den Unterschied der Beweglichkeiten: # = 1,0 . 10-3;
die Trennung entspricht also 163 Böden oder 37 blcm.
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Bei der Trennung von Rubidiumisotopen nach der Methode von Ramirez
(Helvetica Chimica Acta,
Vol. XXXVI, Fasc. 5) wurde in einer Anlage von 1 m Länge
ein Trennfaktor von nur q= 1,084 (A y= 1,6 0/o) erhalten; die 22mal längere Anlage
liefert also nur eine halb so große Trennung wie der erfindungsgemäße Apparat.
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Beispiele 4, 5 und 6 Das Verfahren dient bei diesen Beispielen zur
Trennung von Calcium und Strontium. Die Trennung beruht auf der verschiedenen Beweglichkeit
des Ca und des Sr-Ions. In den folgenden Versuchen enthält die Anlage keinen Entionerteil,
vielmehr wird die Anode ständig mit Lösung von der Ausgangskonzentration gespült.
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Der Apparat enthält am Anfang 10 0/o Sr und 90°/o Ca. Der Unterschied
der Ionenbeweglichkeit von Ca und Sr beträgt unter erfindungsgemäßen Versuchsbedingungen
»=0,036. Nachdem sich der Apparat eingestellt hat, d. h. wenn der Molenbruch im
Kathodenraum sich nicht mehr ändert, wurden folgende Trennungen gefunden:
| Beispiel γ(KR) #γ Trennfaktor q Bodenzahl b |
| 4 72,7% 62,7% 23,5 88 |
| 5 36,0% 26,0°/o 4,8 45 |
| 6 45,00/o 35,00/o 6,97 53 |
Die Beispiele 4 und 5 zeigen, daß die Bodenzahl genau proportional der Länge des
Trennteiles (Zahl der Trennplatten) ist.
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Die charakteristischen Daten der Apparatur sind folgende:
| Beispiel |
| 4 5 6 |
| Durchmesser, cm .. . .. 4,0 4,0 1 8,2 |
| Kühlrohrdurchmesser, cm . . . 1,1 1,1 2,2 |
| Gesamtlänge, cm . . .. 7,6 l 7,0 7,1 |
| Länge, cm |
| des Kathodenraums 20 ... 3,05 1 3,05 1 2,5 |
| des Kathodenreservoirs 23 3,05 3,05 1 2,5 |
| des Trennteils 11, 21, 12 .. 1,1 | 0,5 1 0,90 |
| des Anodenraums 22 .... | 3,45 | 3,45 | 3,8 |
| Plattenzahl |
| des Trennteils . ..... 8 4 4 |
| pro Zentimeter des |
| Trennteils .... ....... | 7,3 8,0 4,5 |
| Fläche der mit Sieben ver- |
| sehenen Durchbrüche der |
| Trennwände, cm² . .... | 4,65 | 4,65 | 21,0 |
| Stromstärke, A ... . 0,4181 0,418 1,17 |
| Gegenstrom, cm³/min ...... | 1,70 1,70 4,7 |
| Konzentration des Gegen- |
| stromes an Essigsäure, |
| Mol/l ........ .... ... | 0,28 | 0,28 | 0,28 |
| Konzentration des zu |
| trennenden Ionen im |
| Apparat, Molll 0,05 1 0,05 1 0,05 |
| Mittlere Betriebstemperatur, |
| °C .................... | 37 37 30 |
| Spannung ohne Entioner, V 78 78 56 |