Zum Stoffübergang bei der Flüssig-Flüssig Extraktion im elektrischen Hochspannungsfeld

Influence of electric fields on mass transfer in liquid-liquid-extraction

  • Externe elektrische Gleichspannungsfelder können sowohl den physikalischen, als auch den reaktiven Stoffaustausch bei der Flüssig-Flüssig Extraktion signifikant beeinflussen, wodurch eine Steigerung des Stoffüberganges im elektrischen Feld erzielt werden kann. Die Gründe hierfür sind im elektrischen Feld gesteigerte Grenzflächenturbulenzen und feldinduzierte Konzentrationspolarisationen im Phasengrenzflächenbereich, welche durch Migrationswechselwirkungen verursacht werden. Das elektrische Feld hat bezüglich des reaktiven Stoffübergangs sowohl in Einzel- als auch im Mehrkomponentensystem keinen Einfluss auf das chemische Gleichgewicht. Jedoch wird durch das Feld die Kinetik beschleunigt und das Gleichgewicht schneller erreicht. Auch die maximale Trennselektivität im Mehrkomponentensystem, welche im Gleichgewicht erreicht wird, wird nicht durch das Feld verändert. Diese ist primär von der Konzentration und der Säurestärke abhängig. Lediglich im Falle sehr schwacher Säuren ist das Gleichgewicht über das natürliche hinaus verschiebbar. Diese Stoffaustauscherhöhung ist durch die im elektrischen Feld erhöhte Dissoziation der Übergangskomponente gemäß dem 2. Wien’schen Effekt erklärbar. Zudem ist die feldinduzierte Stoffaustauscherhöhung stark von der Feldwirkrichtung abhängig. Der Feldeinfluss ist dann maximal, wenn das Feld direkt in Stoffübergangs-richtung wirkt. Dies ist bei unbewegten (z. B. planaren) Grenzflächen erreichbar. So konnte in planaren Stoffübergangszellen und am hängenden Tropfen eine starke Stoffaus-tauschbeschleunigung in der Größenordnung von ca. 1000 % erzielt werden. Am bewegten Tropfen konnte zwar eine Stoffaustauscherhöhung durch die im Feld geänderten hydrodynamischen Betriebsgrößen (wie Tropfengröße und Verweilzeit) erzielt werden, jedoch konnte darüber hinaus keine weitere Stoffaustauschbeschleunigung erzielt werden. Dies kann damit erklärt werden, dass bei bewegter sphärischer Grenzflächengeometrie das Feld nicht nur in Stoffübergangsrichtung wirkt und feldinduzierte Polarisations-erscheinungen sich weitgehend kompensieren. Daher gelingt in klassischen Extraktionsapparaten, welche mit Dispergierung und Tropfen-bildung arbeiten, die Verfahrensumsetzung der kontinuierlich betriebenen Extraktion im Hochspannungsfeld nicht effizient. Diese gelingt in einem speziellen Zentrifugalextraktor, dem Taylor-Couette Elektroextraktor, in wessen Ringsspalt zwischen zwei als Elektroden fungierenden, konzentrischen Zylindern auf Grund der Rotationsbewegung sich eine planaranaloge, zylindrische Phasengrenzfläche ausbildet und das Feld somit direkt in Stoffübergangsrichtung wirken kann. Auch wird der stationäre Betriebszustand binnen weniger Minuten erreicht. Zudem entstehen im Phasengrenzbereich Taylorverwirblungen, welche ebenfalls den Stoffaustausch erhöhen. Zur theoretischen Beschreibung konnten Stoffübergangsmodelle entwickelt werden, welche die feldinduzierten Polarisationseffekte berücksichtigen. So gelingt die Berechnung des reaktiven Stoffaustauschs über ein elektrostatisch erweitertes Kinetikmodell, welches neben der chemischen Reaktion, der Grenzflächenadsorption des Ionenaustauschers und dem Reaktionsgleichgewicht, auch die Migration über die Nernst Planck Gleichung, sowie auch die Elektrodissoziation über einen Ansatz nach Onsager berücksichtigt. Die Berücksichtigung der im elektrischen gesteigerten Grenzflächenturbulenz gelingt über einen elektrostatisch erweiterten Ansatz nach Maroudas und Sawistowski. Auch wurde ein Modell zur Berechnung des Stoffübergangs im Taylor-Couette Extraktors vorgestellt. Die Berechnung der anliegenden elektrischen Felder gelingt über die Finite Elemente Methode basierend auf den Maxwell’schen Gleichungen oder vereinfacht über die Laplace Gleichung. Wesentlich ist, dass nicht die Elektrodenpotentialdifferenz, sondern das berechnete Potential an der Phasengrenzfläche den Stofftransfer im elektrischen Feld bestimmt, was durch die Simulationsrechnungen bestätigt wurde.
  • The influence of externally applied electric DC-fields (DC: direct current) on mass transfer in solvent extraction was experimentally and theoretically investigated. The focus was on reactive mass transfer considering organic acids as the mass transfer components. Also, the physical mass transfer was considered when using acetone as a solute. The influence of the applied electric fields on mass transfer kinetics, equilibrium, and the polarisation of the liquid-liquid interface was investigated in discontinuously (stirred vessel of Lewis type) as well as in continuously (drop column, centrifugal extractor) operating extraction processes. Mass transfer was investigated across planar and spherical interfaces and the mass transfer models developed were compared to experimentally obtained data. It was shown that electric fields significantly influence the chemically controlled as well as the physical mass transfer. Both can be accelerated and enhanced by the applied field. This can be explained by the increased interfacial turbulence caused by the electric field and the field-induced polarisation at the liquid-liquid interface, which is caused by migration. The electric field does not shift the chemical equilibrium either in single or in multi component systems. Also the selectivity of separation is not affected by the field and has its maximal value at the chemical equilibrium. The selectivity primarily depends on the concentration and the type of the extracted acid. With weak acids, the field is able to shift the chemical equilibrium to the product side, thus generating more ions. This mass transfer enhancement in case of weak acids is explained by the increased dissociation of the solute in succession of the field force according to Wien’s second law. Also, the field direction strongly affects mass transfer. The maximum mass transfer rate is obtained when the electrostatic field is applied in the direction of mass transfer. This is realised in case of stationary interfaces. An enhancement of mass transfer in the order of 1000 % was obtained at stationary interfaces in a planar Lewis cell or at hanging drops. In case of moving drops, mass transfer was not significantly enhanced. This can be explained by different polarisation effects at moving interfaces inside the stationary electric field. On the one hand, the strength of the field effects decrease enormously without direct and permanent contact of the droplets to the electrode (compared to the hanging drop). On the other hand, the droplets are differently polarised compared to the hanging drop. The electric field polarises the droplets not only in mass transfer direction because of their movement between the plate electrodes and their spherical interfacial geometry; thus the field can not significantly amplify mass transfer in case of moving drops. Hence it follows that a continuously operating high voltage extraction process can not be efficiently realized in conventional extraction equipment using dispersions of droplets. In contrast to this, the efficient utilization of the field force is realised in a special centrifugal extractor, which is the Taylor-Couette electro-extractor. This device mainly consists of two concentric cylinders which act as the electrodes. By the rotary motion of the cylinders, a cylindrical interface is formed in the annulus. The field, which is applied between both cylinders, is perpendicular to the interface and acts in direction of mass transfer which results in mass transfer enhancement. An additional enhancement of mass transfer follows from Taylor vortices which are built at the liquid-liquid interface as a result of the rotation. The simulation of the reactive mass transfer was realized by a electrostatically expanded kinetic model which considers the kinetics of the chemical reaction, the adsorption of the ion exchanger at the liquid-liquid interface, equilibrium information, migration effects by the Nernst Planck equation as well as electro dissociation effects according to Wien’s second law after a method by Onsager. The consideration of the enhanced interfacial turbulence at the liquid-liquid interface, caused by the electric field, succeeds by using an electrostatically modified method based on Maroudas and Sawistowski. Furthermore, a mass transfer model to describe the process in the Taylor-Couette electro-extractor is presented. The applied electric fields were computed numerically using the finite element method based on Maxwell’s equations as well as by the simplified method using the Laplace equation. It was shown by mass transfer simulation, that the (calculated) potential at the liquid-liquid interface directly determines mass transfer and not the externally applied potential.

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Metadaten
Author:Andreas Wildberger
URN (permanent link):urn:nbn:de:hbz:386-kluedo-18486
Advisor:Hans-Jörg Bart
Document Type:Doctoral Thesis
Language of publication:German
Year of Completion:2005
Year of Publication:2005
Publishing Institute:Technische Universität Kaiserslautern
Granting Institute:Technische Universität Kaiserslautern
Acceptance Date of the Thesis:2004/07/15
Tag:Grenzflächenpolarisation ; Kinetik ; Marangoni; Migration ; Taylor-Couette
electric field ; interface ; liquid-liquid-extraction ; mass transfer ; migration
GND-Keyword:Flüssig-Flüssig-Extraktion ; Hochspannungsfeld ; Phasengrenzfläche; Reaktivextraktion ; Stoffübergang
Faculties / Organisational entities:Fachbereich Maschinenbau und Verfahrenstechnik
DDC-Cassification:600 Technik, Technologie

$Rev: 12793 $