DE1817719A1 - Diaphragma fuer elektrokinetische Geraete - Google Patents

Description

• Diaphragma für elektrokinetische Geräte Die Erfindung befaßt sich mit der Ausbildung von Diaphragmen, die in Geräten zur Durchführung elektrokinetischer Prozesse verwendet werden.
• Bekanntlich beruhen elektrokinetische Vorgänge darauf, daß an der Grenze zwischen einem festen Dielektrikum und einer Flüssigkeit oder einem Gas Ladungstrennung eintritt, d.h., eine elektrische Doppelschicht entsteht. Während die im nichtleitenden Festkörper gebildeten Ladungsträger unbeweglich sind, können die im Gas oder in der Flüssigkeit gebildeten Ladungsträger (Ionen) durch ein elektrisches Feld in Bewegung gesetzt werden. Liegt zum Beispiel das feste Dielektrikum in Form eines porösen, die Flüssigkeit durchlassenden Körpers, eines sogenannten Kapillarsystems, vor, so setzt sich die Flüssigkeit in bewegung (Elektroosmose), oder wenn das feste Dielektrikum zum T3eispiel kolloidal in der Flüssigkeit verteilt ist, so wandern diese Teilchen zu den das elektrische Feld erzeugenden Elektroden (Elektrophorese). Die Richtung der Wanderung wird dabei von der Art der elektrischen Ladung der Teilchen bestimmt.
• Umgekehrt kann durch eine mechanisch erzwungene Bewegung von Ladungsträgern ein Ladungstransport erreicht werden. Dabei tritt beim Durchpressen einer Flüssigkeit durch ein Kapillarsystem eine elektrische Potentialdifferenz (Strömungspotential) auf. Entsprechend erhält man bei der Bewegung suspendierter Teilchen in einer Flüssigkeit ein elektrophoretisches Potential. Im folgenden sollen im engeren Sinne diejenigen elektrokinetischen Vorgänge betrachtet werden, bei denen das feste Dielektrikum als fester poröser Körper vorliegt und die Flüssigkeit durch die Kapillaren des porösen Körpers hindurchtreten kann. In der praktischen Anwendung erhält man somit einen elektrokinetischen Generator, bei dem mechanische Energie der Strömungsbewegung direkt in elektrische Energie umgewandelt wird, wenn durch einen hydromechanischen 1)ruckunterschied zwischen den beiden Seiten des Kapillarsystems die Flüssigkeit durch die kapillaren gedrückt wird und die geladenen Flüssigkeitsteilchen mittransportiert werden. Im anderen Fall der praktischen Anwendung wirkt die Einrichtung als elektrokinetische Pumpe oder Druckerzeuger, wobei die über ein Elektroden-System zuge führte elektrische Energie in mechanische Stromungsenergie gewandelt wird.
• Für die flealisierung dieser elektroklnetischen Generatoren oder Pumpen benutzt man, wie erwähnt, eine Vielzahl parallel geschalteter Kapillaren, wie sie in Diaphragmen vorliegen. Solche Diaphiagmen sind nicht nur für elektrokijjetische, sondern auch für andere Prozesse bekannt, zum Beispiel bei der Elektrolyse. lIierbei muß man aber den Verwendungszweck der Diaphragmen und ihre Aufgabe genau unterscheiden.
• Die Diaphragmen filr Elektro-Lysierzellen haben andere Aufgaben zu erfüllen als etwa die Diaphragmen bei der Elektroosmose. Bei der Elektrolyse werden unter Benutzung dissozilerter F#üssigkei ten Ionen, zum Beispiel liF und Cl durch ein äußeres elektrisches Feld getrennt. An den Elektroden entladen sich die Ionen und es bildet sich am -Pol Wasserstoffgas und am FPol Chlorgas, Das Diaphragma soll dabei den Ionendurchgang zu den Elektroden ermöglichen, aber möglichst keine Durchlässigkeit für neutrale Moleküle oder Atome aufweisen. Anders liegt der Fall aber bei den hier im Rahmen der Erfindung zu betrachtenden elektrokinetischen Vorgängen. Bei einem elektrokinetischen Generator oder einer Pumpe handelt es sich wie bei der Elektroosmose darum, am Diaphragma selbst eine Ladungstrennung durchzuführen und Ionen zu produzieren, ohne dabei eine Trennung der Moleküle hervorzurufen. Die Flüssigkeit bei der Elektrokinese enthält nur Ionen eines Vorzeichens und ist insgesamt elektrisch geladen, während ein Elektrolyt Ionen beider Vorzeichen enthält und elektrisch neutral ist.
• Für elektrokinetische Zwecke braucht die Flüssigkeit nicht notwendigerweise dissoziiert oder ionisiert zu sein, wesentlich ist nur, daß die Flüssigkeit durch das Diaphragma hindurchtranspor tiert wird und daß an der Grenzfflrche eine maximale Ladungstrennung erfolgt, d.h.-, daß die eingangs erwähnte elektrische Doppel schicht gebildet wird. Entsprechend ihrer unterschiedlichen Aufgabe werden auch unterschiedliche Diapliragnen verwendet. Ein für Zwecke der Elektrolyse eingesetztes Diaphragma ist für elektrokinetische Vorgänge nicht brauchbar, denn es besteht keinerlei Zusammenhang zwischen der Verwendung eines Diaphragmas bei elektrolytischen Verfahren und seiner Verwendbarkeit bei elektrokinetischen Vorgängen.
• Wie in der deutschen Patentschrift 1 073 601 für den Fall eines elektrokinetischen Generators angegeben ist, hat man tislang als Werkstoff für Diaphragmen poröse Isolierstoffe verwendet, wie etwa Keramik, Aluminiumoxyd, Schamotte Steine, Sinterglas oder mikroporösen Gummi, Auch Diaphragmen aus gesintertem Quarzpulver sind hierfür bekannt. Als Flüssigkeit wird in der genannten Patentschrlft Wasser, und zwar vorzugsweise destilliertes. Wasser, vorgeschlagen.
• Nach den bisherigen Veröffentlichungen - wie zum Beispiel auch der deutschen Patentschrift 1 073 601 - ist der elektroosmotische Druck proportional der Dielektrizitätskonstanten der Flüssigkeit.
• Neuere Erkenntnisse brachten eine Abwandlung der Coehn'schen Regel, wonach der elektroosmotische Druck proportional der Differenz der Dielektlizittsonstante der Flüssigkeit und der Dielektrizitätskonstante des Festkörpers, also PEf1 s Efest sein soll. alaun hat daher stets versucht, die Differenz der Dielektrizitätskonstante von Flüssigkeit ~und der Dielektrizitätskonstante des Festkörpermaterials für das Diaphragma möglichst groß zu wählen, also eine Flüssigkeit mit hoher Dielektrizitätskonstante zu verwenden.
• Daher kam man auf die Verwendung von Wasser mit einer Dielektrizitätskonstante E = 81. Die toehn'sche Regel hat sich dabei insoweit bestätigt, als bei einem angenommenen Werkstoff für das Diaphragma Flüssigkeiten mit unterschiedlicher Dielektrizitätskonstante entsprechend unterschiedliche osmotische Drücke ergaben, In der Praxis sind bei Pumpenbetrieb mit einer angelegten Elektrodenspannung und einer Glasfritte als Diaphragma wenige 1/1000 atü/Volt erreicht worden.
• Es ist vorgeschlagen worden, in Umkehrung der Coehn'schen Formel als Werkstoff für das Diaphragma Stoffe zu verwenden, die eine höhere Dielektrizitätskonstante haben als die benutzte Flüssigkeit, z. B. Stoffe mit ferroelektrischen Eigenschaften. Bei weiteren Überlegungen hat sich gezeigt, daß die Coehn'sche Regel nicht mehr in ihrem vollen Umfang gültig ist. Es hat sich auch gezeigt, daß die Differenz der Dielektrizitätskonstanten nicht nur in der zuerst erwähnten bekannten Form 6 fl - g fest' sondern auch in ihrer Umkehrung g fest ~ g fl nicht volle Gültigkeit hat. Auch die bisher vertretene Ansicht über die Abhängigkeit der erreichbaren Drucke beim Pumpenbetrieb oder der Spannungen beim Generatorbetrieb vom Durchmesser der Kapillare hat sich nicht in vollem Umfang bestätigt.
• Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, bessere und billigere Diaphragmen zu schaffen, mit deren Hilfe bei elektrokinetischen Pumpen höhere Drücke erzielt werden können bzw. die erreichbaren Spannungen beim Generatorbetrieb wesentlich erhöht werden können.
• Das Ziel wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß als Werkstoff für Diaphragmen Metalloxyde Verwendung finden. Als besonders guter Werkstoff für das Diaphragma hat sich Titandioxyd (Ti 02) erwiesen. Zusammen mit destilliertem Wasser mit geringer Leitfähigkeit als Pumpflüssigkeit ließen sich beim Pumpenbetrieb sehr hohe Drücke erreichen.
• Es hat sich außerdem gemäß der Erfindung gezeigt, daß Titandioxyd mit einer Dieiektrizitätskonstanten von£#100 dieselben Effekte erbrachte als zum Beispiel Barlumtitanat mit 6 >1500. Dies zeigt wiederum, daß die Coehn'sche Regel bezüglich ihrer Aussage über die Differenz der Dielektrizitätskonstanten von Flüssigkeit und Feststoff nicht mehr gültig ist. Demgegenüber erbrachte gesintertes Aluminiumoxyd mit äußerst feinen Kapillaren und einem im Gegensatz zu Titandioxyd gegenüber Wasser geringeren Absolutwert der Dielektrizitätskonstanten, aber mit größerer Differenz der Dielektrizitätskonstanten zwischen Diaphragma und Flüssigkeit einen geringeren Effekt als durch Anwendung der Coehn'schen Regel, d.h. gemäß Kapillarendurchmesser und Differenz der Dielektrizitätskonstanten, theoretisch erwartet werden konnte. Aluminiumoxyd A12 O3 hat ein ## 9, Titandioxyd £3100, Wasser, wie oben erwähnt, £ w 81. Nach der Coehn'schen Regel würde für Aluminiumoxyd die Differenz der Dielektrizitätskonstanten 81 - 9 = 72, dagegen für Titandioxyd 109 - 81 = 12 ergeben. Somit wäre theoretisch für Aluminiumoxyd ein höherer elektrokinetischer Druck zu erwarten.
• In der Praxis aber hat sich gezeigt, daß umgekehrt gerade mit Titandioxyd der weit bessere Wert erreicht wird. Als Zahlenbeispiele können angeführt werden, daß mit Aluminiumoxyd etwa 1/1000 atü/ Volt, mit Titandioxyd dagegen 1/10 atü/Volt erreicht wird. Man sieht, daß an Stelle des theoretisch zu erwartenden schlechteren Effektes bei Titandioxyd eine Verbesserung um zwei Größenordnungen erreicht wird. Ähnlich wie Titandioxyd ist auch Zirkondioxyd (Zr 02) brauchbar.
• Als weiteres Material für Diaphragmen sind gesintert Keramik-Metall-Mischungen zu nennen. Wesentlich ist dabei, daß trotz der Forderung nach möglichst viel Metallgebalt die metallische Leltfähigkeit der Stoffe möglichst gering bleiben soll. Diese Forderung kann zum Beispiel durch inhomogenen Stoffaufbau erreicht werden.
• Schließlich sind auch noch Halbleiterwerkstoffe als Werkstoff für Diaphragmen brauchbar. Diese Jialbleiterwerkstoffe können z.B. aus Stoffen mit ferroelektrischen Eigenschaften bestehen, die in der üblichen Weise dotiert sind, beispielsweise mit Antimonoxyd (Sb2 03), Lantanoxyd (La 02) 1 Chromsuperoxyd (Cr2 03) und Ytriumoxyd (Y2 03).

Claims (1)

1. P a t e n t a n s p r ü c h e

   Diaphragma f#r elektrokinetische Geräte, gekennzeichnet durch die Verwendung von Metalloxyden, zum Beispiel Titandioxyd 6T1 02) oder Zirkondioxyd (Zr 02).

   20 Diaphragma für elektrokinetische Geräte, gekennzeichnet durch die Verwendung gesinterter Keramik-Metall-Mischungen.

   3. Diaphragma für elektrokinetische Gerste, gekennzeichnet durch die Verwendung von Halbleiter-Werkstoffen, zum Beispiel dotierten ferroelektrischen Stoffen.