DE1817719A1 - Diaphragm for electro magnetic appts - Google Patents
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Abstract
Description
Diaphragma für elektrokinetische Geräte Die Erfindung befaßt sich mit der Ausbildung von Diaphragmen, die in Geräten zur Durchführung elektrokinetischer Prozesse verwendet werden.Electrokinetic Device Diaphragm The invention is concerned with the formation of diaphragms that are used in devices for carrying out electrokinetic Processes are used.
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.It is known that electrokinetic processes are based on the fact that Boundary between a solid dielectric and a liquid or a gas charge separation occurs, i.e. an electrical double layer is created. While the im non-conductive Solid charge carriers that are immobile can be found in the gas or in The charge carriers (ions) formed in the liquid by an electric field in Movement can be set. For example, if the solid dielectric is in the form of a porous body that allows the liquid to pass through, a so-called capillary system, before, the liquid starts to move (electroosmosis), or if the solid Dielectric, for example, is colloidally distributed in the liquid, so migrate these particles to the electrodes that generate the electric field (electrophoresis). The direction of migration depends on the type of electrical charge on the particles certainly.
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.Conversely, a mechanically forced movement of charge carriers can be used a charge transport can be achieved. This occurs when a liquid is pressed through an electrical potential difference (streaming potential) through a capillary system on. Correspondingly, when moving particles in a liquid, one obtains an electrophoretic potential. In the following, those electrokinetic processes are considered in which the solid dielectric is present as a solid porous body and the liquid flows through the capillaries of the porous body can pass through. In practical use receives one thus an electrokinetic generator, with the mechanical energy of the flow movement is converted directly into electrical energy if through a hydromechanical 1) pressure difference between the two sides of the capillary system the liquid is pressed through the capillaries and transports the charged liquid particles with it will. In the other case of practical use, the device acts as an electrokinetic one Pump or pressure generator, the electrical supplied via an electrode system Energy is converted into mechanical electricity energy.
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.For the realization of these electroclnetic generators or pumps one uses, as mentioned, a large number of capillaries connected in parallel, like them present in diaphragms. Such diaphiagmas are not only for electrokijetische, but also known for other processes, for example electrolysis. here but one has to distinguish precisely the purpose of the diaphragms and their task.
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.The diaphragms for electro-lyse cells have other functions than the diaphragms in electroosmosis. When electrolysis will be using dissociated liquid ions, for example LiF and Cl an external electric field separated. The ions discharge at the electrodes and hydrogen gas forms at the pole and chlorine gas at the pole, the diaphragm should allow the passage of ions to the electrodes, but if possible no permeability for neutral molecules or atoms. The case is different here, however electrokinetic processes to be considered in the context of the invention. At a electrokinetic generator or a pump is like electroosmosis about performing a charge separation on the diaphragm itself and producing ions, without causing a separation of the molecules. The liquid at electrokinesis contains only ions of one sign and is overall electric charged, while an electrolyte contains ions of both signs and is electrically neutral is.
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.For electrokinetic purposes, the liquid does not necessarily need To be dissociated or ionized, it is only essential that the liquid passes through the diaphragm is transported through and that a maximum Charge separation takes place, i.e. that the aforementioned electrical double layer is formed. According to their different tasks are also different Slide show used. A diaphragm used for electrolysis purposes is not usable for electrokinetic processes because there is no connection whatsoever between the use of a diaphragm in electrolytic processes and his Can be used in electrokinetic processes.
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.As in German Patent 1,073,601 for the case of an electrokinetic one Generator is specified, porous insulating materials have long been used as the material for diaphragms used, such as ceramics, aluminum oxide, chamotte stones, sintered glass or microporous Rubber and diaphragms made from sintered quartz powder are known for this. As a liquid In the patent mentioned, water is used, preferably distilled. Water, suggested.
Nach den bisherigen Veröffentlichungen - wie zum Beispiel auch der deutschen Patentschrift 1 073 601 - ist der elektroosmotische Druck proportional der Dielektrizitätskonstanten der Flüssigkeit.According to previous publications - such as the German patent specification 1 073 601 - the electroosmotic pressure is proportional the dielectric constant of the liquid.
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.More recent findings have brought about a modification of Coehn's rule, according to which the electroosmotic pressure is proportional to the difference in the dielectric constant the liquid and the dielectric constant of the solid, i.e. PEf1 s Efest should be. Alaun has therefore always tried to find the difference in the dielectric constant of liquid ~ and the dielectric constant of the solid material for to choose the diaphragm as large as possible, i.e. a liquid with a high dielectric constant to use.
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.Hence the use of water with a dielectric constant was suggested E = 81. Toehn's rule has been confirmed to the extent that it was assumed for one Material for the diaphragm liquids with different dielectric constants correspondingly different osmotic pressures resulted, in practice are at Pump operation with an applied electrode voltage and a glass frit as a diaphragm a few 1/1000 atm / volt has been reached.
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.It has been suggested to reverse Coehn's formula as Material for the diaphragm should be made of materials that have a higher dielectric constant have as the liquid used, e.g. B. Substances with ferroelectric properties. Further considerations have shown that Coehn's rule no longer applies is fully valid. It has also been shown that the difference in Dielectric constants not only in the first-mentioned known form 6 fl - g fixed 'but also in its inversion g fixed ~ g fl is not fully valid. Also the view held so far about the dependency of the achievable pressures in pump operation or the voltages in generator operation on the diameter of the Capillary has not been fully confirmed.
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.The invention was based on the object of providing better and cheaper diaphragms to create, with the help of which higher pressures can be achieved in electrokinetic pumps and the voltages that can be achieved during generator operation are significant can be increased.
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.The aim is achieved according to the invention in that as a material metal oxides are used for diaphragms. As a particularly good material for the diaphragm turned out titanium dioxide (Ti 02). Along with distilled Water with a low conductivity as a pump liquid can be used when the pump is in operation reach very high pressures.
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.It has also been shown according to the invention that titanium dioxide with a dielectric constant of £ # 100 produced the same effects as for Example barlum titanate with 6> 1500. This again shows that Coehn's rule with regard to their statement about the difference in the dielectric constant of liquid and solid is no longer valid. In contrast, sintered aluminum oxide yielded with extremely fine capillaries and in contrast to titanium dioxide compared to water lower absolute value of the dielectric constant, but with a larger difference the dielectric constant between the diaphragm and the liquid is lower Effect than by applying Coehn's rule, i.e. according to the capillary diameter and difference in dielectric constant, could theoretically be expected. Alumina A12 O3 has a ## 9, titanium dioxide £ 3100, water as mentioned above, £ w 81. According to Coehn's rule, for aluminum oxide the difference in the dielectric constant would be 81 - 9 = 72, but for titanium dioxide 109 - 81 = 12. So it would be theoretical a higher electrokinetic pressure can be expected for aluminum oxide.
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.In practice, however, it has been shown that the reverse is true with titanium dioxide the far better value is achieved. As numerical examples can be given that with aluminum oxide about 1/1000 atm / volt, with titanium dioxide on the other hand 1/10 atm / volt is achieved. You can see that instead of the theoretically expected worse Effect with titanium dioxide an improvement of two orders of magnitude is achieved. Similar to titanium dioxide, zirconium dioxide (Zr 02) can also be used.
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.Another material used for diaphragms is sintered ceramic-metal mixtures to call. It is essential that despite the requirement for as much metal structure as possible the metallic conductivity of the substances should remain as low as possible. This requirement can be achieved, for example, by inhomogeneous material structure.
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).Finally, semiconductor materials are also used as a material for Diaphragms can be used. These semiconductor materials can be made of, for example Fabrics with ferroelectric properties that are doped in the usual way are, for example with antimony oxide (Sb2 03), lanthanum oxide (La 02) 1 chromium superoxide (Cr2 03) and ytrium oxide (Y2 03).
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