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Verfahren zur Beschleunigung von Diffusionsvorgängen
Es ist bekannt,
Diffusionsvorgänge bei festen, flüssigen, gasförmigen oder auch kolloiden Stoffen
durch Rühren zu fördern. Erfindungsgemäß werden Diffusionsvorgänge besonders wirksam
dadurch gefördert, daß sie der Einwirkung elektromagnetischer oder mechanischer,
insbesondere hochfrequenter Schwingungen ausgesetzt werden. Die Schwingungen haben
in jedem Falle molekulare Schwingbewegungen der einzelnen Stoffteilchen zur Folge
und führen hierdurch eine Beschleunigung des Diffusionsvorganges herbei. Ein einfaches
Rühren der Stoffe dagegen ist, beispielsweise bei beabsichtigter Diffusion von Gasen
oder Flüssigkeiten in feste Stoffe, nur beschränkt wirksam, da die aktive Grenzschicht,
in der sich die Vorgänge abspielen, Mikro- oder kolloidale Größe aufweist. Weiterhin
erfolgt trotz des Rührens das Wegdiffundieren der an den zu durchdringenden Körper
heranzubringenden Flüssigkeit oder des Gases nach Abgabe von Molekülen durch diese
beiden Phasen in die feste Phase nicht rasch und nicht gründlich genug.
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Frischen, für die Teilnahme an der Diffusion bestimmten Molekülen
muß daher erst Platz gemacht werden. Neben der Heranführung der Reaktionsteilnehmer
und der Abführung der Reaktionsprodukte wird nach der Erfindung auch eine polarisierende
oder schwingende Erregung, z. B. eine kapillare Atmung fester Partikel, eine Unbalanz
in der Flüssigkeit oder im Gas, erreicht.
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Bei Fremddiffusionen und Selbstdiffusionen sind auf Grund der durch
Forschungen gesammelten Erkenntnisse die anziehenden Kräfte bestimmend,
die
auf die homogenen oder die heterogenen Moleküle und zwischen ihnen wirken. Soll
die Diffusion beschleunigt oder in ihrer Intensität verstärkt werden, so ist eine
differenzierende Anderung bzw.
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Steigerung der Ladungen der Moleküle nach der Erfindung zweckmäßig.
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Bei der Diffusion von einander nicht gleichen Masseteilen (Fremddiffusion)
und bei der Diffusion von einander gleichen Masseteilen (Selbstdiffusion) sind deren
Einzelpotentiale maßgebend. Nach der Erfindung werden diese Einzelpotentiale weiter
gegeneinander verschoben, so daß also die Differenzen der Potentiale größer werden.
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Wesentlich ist hierbei, daß diese Differenzierung unmittelbar an
den Grenzflächen stattfindet und in einer Schicht auf diesen, die etwa molekularen
Dimensionen entspricht.
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Bei Verwendung von Wellen des elektromagnetischen Frequenzspektrums
sind Wellenlängen in der Größenordnung von In 000 m (entsprechend einer Frequenz
von 30 kHz) bis herab zu 10-12 cm anwendbar; in den meisten Fällen sind die Wellenlängen
im Bereich von Io5mmbis herab zu In mm am wirtschaftlichsten verwendbar. Die günstigste
Wellenlänge richtet sich nach dem Teilchen- bzw. dem Molekül- oder Atomradius der
Stoffteilchen; sie kann in der Praxis für das jeweils vorliegende Stoffgemisch am
einfachsten durch eine Versuchsreihe ermittelt werden, Vorteilhaft ist es, die vorzugsweise
hochfrequente Schwingungsenergie so zuzuführen, daß sie, soweit dies im Einzelfall
durchführbar ist, in Form einer gerichteten Strahlung im wesentlichen nur die Grenzschicht
der zu behandelnden Stoffe bestrahlt Bei ausgedehnten ebenen Flächen erfolgt dies
durch Richtung der Strahlung parallel zur Fläche aus einer Blende geringstmöglicher
Weite. Dies ist praktisch nach Regeln der Optik ohne weiteres möglich. Bei beabsichtigter
Diffusion von Gasen oder Flüssigkeiten in Kolloide oder von Kolloiden in gleichartige
oder fremdartige Kolloide wird die Blende mit dem austretenden Energiestrahl dergestalt
bewegt, daß möglichst dünne senkrechte oder waagerechte Schichten der für die Diffusion
bestimmten Stoffe zugleich von den Energien getroffen werden. Gleiches gilt für
die Diffusion von Flüssigkeit in Flüssigkeit oder von Gas in Gas. Die Grenzschicht
zwischen den beiden ineinander zu diffundierenden Stoffen soll möglichst weitgehend
allein angestoßen werden.
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Die Begründung für das Verfahren dürfte darin zu finden sein, daß
die unmittelbar an der Grenzschicht für die Diffusion in Frage kommenden Moleküle
bzw. Atome in Erregung versetzt und entsprechend ihrem Radius zusätzliche Ladungen
mit dem elektrischen Feld aufnehmen. Auch wenn die Masseteile gleichartig sind,
erfahren sie eine gegeneinander differenzierte Ladung. Diese soll sich unmittelbar
an den Grenzflächen auswirken und auswirken können. Werden weitere Schichten beiderseits
hinter den eigentlichen Grenzschichten gleichzeitig mit erregt, so wirken deren
Ladungen zurück auf die Moleküle (Atome) der unmittelbaren Grenzflächen. Der Ladungsausgleich
findet dann nicht statt zwischen den an die Grenzfiäche treffenden Molekülen, sondern
getrennt auf der einen Seite und auf der anderen Seite der Grenzfläche, also zwischen
den Molekülen z. B. des festen Stoffes, in den diffundiert werden soll, und zwischen
den Molekülen einer Flüssigkeit, die in den festen Stoff diffundieren soll.
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Die gegenseitige Diffusion von Gasen ist bei spielsweise unabhängig
von der Temperatur, abhängig aber von der Reibung der Moleküle bei ihrem Weg von
der einen Gasschicht in die andere.
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Die dabei zu leistendeArbeit entnimmt das Molekül seiner Ladung, die
in bestimmtem Verhältnis zu seinem Radius steht. Diese Ladung kann verschoben werden
durch Polarisation, z. B. durch Kurzwellen und Ultrakurzwellen von 1 o5 mm bis herab
zu 101 mm.
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Die Ladung kann weiter gesprengt werden durch Ablösung negativer Ladungsträger,
z. B. durch Strahlen der Lymanregion, durch Röntgenstrahlen bis zu den Gammastrahlen
usf., also durch Wellen von Io-5 mm bis IO8 mm. Durch die Polarisationen wird der
Zickzackweg der Gasmoleküle, der bei einer Geschwindigkeit von 500 m/sec in Luft
allerdings nur zu einer freien Weglänge von IOO mm führt, intensiviert. Die Folge
ist zunächst eine Molekülturbulenz an der Grenzschicht, vorausgesetzt, daß nur in
dieser die Erregung durch die gewählte Strahlung stattfindet. Die erregten Moleküle
diffundieren mit großer Energie gegeneinander nach der einen Seite und treiben durch
Stoß andere Moleküle nach der Grenzfläche zurück. Die für die Diffusion geeigneten
Moleküle treten in das Gitter ein, in das sie diffundieren sollen. Es ist l)ekanllt.
daß nicht alle Moleküle geeignet sind, eine Diffusion selbst auszuführen. Man ist
auf eine gewisse Auswahl angewiesen und daher auf das Heranfiihrei: einer möglichst
großen Anzahl Moleküle, unter denen selbsttätig eine Auswahl stattfindet (selektive
Diffusion). Es ist anzunehmen, daß, da die Masse an sich keinen Ausschlag gibt,
die Ladung bei gewissem Radius bestimmend ist.
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Wird die Ladung eines Moleküls durch das Heraussprengen negativer
Ladungsträger zu einer nach der positiven Seite verschobenen Unbalanz, so diffundiert
dieses Molekül mit großer Wucht nach der Seite, wo positive Ladungen fehlen. Hierin
liegen erhebliche Möglichkeiten, die Diffusionen zu l)eschleunigen und zu intensivieren.
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Das Gesagte gilt für alle Phasen und für alle Stoffe, die in irgendeiner
Weise zur Diffusion gebracht werden sollen. Bei Kolloiden z.B. ist es möglich, die
Zahl der Ladungsträger dadurch Beaufschlagung mit Wellen von I m (in Flüssigkeit)
auf das Siebenfache zu vergrößern. Dies ist gleichbedeutend mit einer entsprechenden
Vergrößerung der Diffusionswirkungen.
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Je nach den zu diffundierenden Stoffen sind im Rahmen der Erfindung
auch mechanische Schwingungen wirksam. Auch diese werden vorteilhaft derart auf
die zu behandelnden Stoffe übertragen, daß ihre Wellen, so wie oben bei der Schilderung
der elektromagnetischen Wellen erläutert, möglichst
parallel zur
anzuregenden Grenzfläche der Masse verlaufen. Mit Schwingungsfrequenzen von über
I8 kHz, also Schwingungen im Ultraschallbereich, ist dies praktisch leicht durchführbar.
Ultraschallwellen von z. B. 22 kHz verändern durch Ionisation auch die elektrischen
Ladungen von Molekülen.
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Neben den daraus entspringenden Molekularbewegungen erfahren die Masseteile
zu diffundierender Stoffe in Flüssigkeiten z. B. bei 300 kHz eine Beschleunigung
von 7 - cm/s2 = Iosmal der Erdbeschleunigung. Zusammenprall und Aufschlag zu diffundierender
Masseteile gegeneinander werden also erheblich intensiviert. Der Effekt ist ähnlich,
wie er oben für die Anwendung der Wellen aus dem elektromagnetischen Frequenzspektrum
beschrieben worden ist.
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Sollen dagegen mechanische Schwingungen mit Frequenzen von weniger
als I8 kHz, also Schwingungen im Hörbereich, verwendet werden, so ist hierbei das
Ausrichten und Beschränken der Wellen auf einen gewollten schmalen Weg, z. B. einen
Spalt von wenigen Millimetern oder gar von Molekül-oder Kolloidalgröße, nicht ohne
Schwierigkeiten möglich. In diesem Falle wird die mechanische Schwingungsenergie
vorteilhaft nur stoßweise, also periodisch, zugeführt, worauf im folgenden Absatz
noch näher eingegangen wird.
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Nach Versuchen ist die Diffusion an Schwellwerte gebunden. Es ist
daher vorteilhaft, die elektromagnetischen bzw. mechanischen Schwingungen im Rahmen
der Erfindung stoßweise, also periodisch, zur Einwirkung zu bringen. Dadurch werden
ein Anlauf der Vorgänge und ein Abklingen in Perioden erreicht. Es wird dabei Energie
gespart, die selektive Auswahl der für die Diffusionsvorgänge in Frage kommenden
Moleküle (Atome) wird begünstigt. Dies ist daraus zu erklären, daß die Moleküle
durchaus nicht einheitlich sind, sondern nach Erfahrungen für den Diffusionsvorgang
ausgewählt werden. Es konnte noch nicht festgestellt werden, wonach diese Artwahl
stattfindet; sicher ist, daß sie mit Ladungsvorgängen zu erklären ist. So ist es
erklärlich, daß beim langsamen Abklingen von Erregungszuständen auch die Moleküle
einer bestimmten Ladungsgröße während deren abklingender Verminderung zur Diffusion
gelangen können.
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Bei einer rein mechanischen Erregung zu diffundierender Stoffe tritt
bei periodischem Vorgang im aufnehmenden Raumgitter eine Zwischenberuhigung ein,
so daß das Wiederabstoßen aufgenommener Moleküle (Atome) nicht erfolgt. Es ist zu
berücksichtigen, daß durch mechanische Erregung z. B. großer aufnehmender Flächen
die Kristallgitter verändert werden und Ladungen aufnehmen. Die Termwerte kehren
sich bei langzeitiger Erregung und Ladung in der Richtung um, die positive Ladung
wird durch negative abgelöst. Auch hierüber sind Versuche durchgeführt worden. Danach
ist die Wirkung an eine zeitlich zu verabreichende Dosis gebunden.
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Einen Sonderfall stellen im Rahmen der Erfindung die ultravioletten
Lichtwellen dar (Ioqmm).
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Ihre Bandspektren stellen Elektrodenübergänge von Molekülen dar, während
ihre Linienspektren Elektronenübergänge von Atomen sind. Die daraus resultierenden
verschiedenen Elektronenzustände des Moleküls verändern dessen stabilen Zustand
und, da jedem Elektronenzustand die durch ihn bestimmte Rotationskurve und Schwingungskurve
entsprechen, auch die Fähigkeit des Moleküls (Atoms) zur Diffusion durch die Grenzfläche
in ein anderes Medium.
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Gegenüber dem üblichen Rühren, das Diffusionen beschleunigen soll,
in den eigentlichen Grenzschichten aber in molekularen und in kolloidalen Dimensionen
einen molekularen oder atomaren Vorgang nicht beeinflussen kann, ergeben sich bei
Anwendung des Verfahrens nach der Erfindung Differenzen im elektrischen und kinetischen
Potential der Moleküle und Atome, die für deren Austausch bei Diffusionsübergängen
bei Fremddiffusionen und bei Selbstdiffusionen bestimmend sind. Rühren kann aber
zusätzlich von Vorteil sein, wenn es sich darum handelt, z. B. Flüssigkeiten gegeneinander
oder gegen feste Stoffe zur besseren Mischung heranzuführen.
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Außer dem Rühren können auch Sprühvorgänge vorteilhaft zusätzlich
angewendet werden, wenn es sich um die Aufnahme von Gasen durch Flüssigkeiten handelt.
Es ist bekannt, daß versprühte Flüssigkeiten durch Vergrößerung ihrer Oberfläche
und Steigerung der Oberflächenspannung sowie bei dem Druck gegen Gase ein größeres
Gasvolumen aufnehmen können. ähnlich diesem Diffusionsvorgang ist derjenige, bei
dem Flüssigkeiten durch eingeblasene Luftmengen in feiner Verteilung mit Luft angereichert
werden. Diese Vorgänge stellen zu dem Verfahren nach der Erfindung Hilfsmittel zur
mechanischen Vergrößerung der aktiven Oberflächen, also der Grenzflächenausdehnung
dar.
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Schließlich kann auch mechanischer, pneumatischer oder hydraulischer
Druck zusätzlich benutzt werden, um in an sich bekannter Weise die dichte und satte
Berührung aufeinandertreffender Oberflächen zu gewährleisten und dabei z. B. auch
das mechanische oder kapillare Ineinanderdiffundieren einzuleiten.
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Bei dem Verfahren, insbesondere die unmittelbar an die Grenzflächen
stoßenden Moleküle zu beeinflussen, wird ferner vorteilhaft von dem Skin-Effekt
Gebrauch gemacht, bei dem sich der hochfrequente Strom (insbesondere die Kurzwelle
und Ultrakurzwelle) unmittelbar auf der Oberfläche (Haut) der festen Phase entlang
ausbreitet. Es ist nach den gesammelten Erkenntnissen vorteilhaft, hierfür Spannungen
von 10 bis 20 kV anzuwenden. Bei Gammastrahlen ist die Anwendung von Spannungen
über 40 kV zweckmäßig. Je höher die Spannungen sind, desto kürzer können die Perioden
ihrer Anwendung sein.
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Nach dem Fickschen Gesetz ist die Diffusionsgeschwindigkeit proportional
dem Konzentrationsgefälle. Das Konzentrationsgefälle ergibt sich aus der Geschwindigkeit,
mit der die Ionen in den Diffusionsschichten wandern. Diffusionen können nicht mehr
vor sich gehen, wenn die Menge der je Zeit-
einheit entladenen Ionen
konstant bleibt. Aus gesetzt mäßig gegebenen und zu berechnenden Bedingungen heraus
ist daher in dem Verfahren nach der Erfindung die Möglichkeit gegeben, durch Zu
führung elektrischer Energie auf die elelitrischen Eigenschaften der in fester,
flüssiger oder gasförmiger. auch kolloider Phase vorhandenen Laduiigsträger und
auf ihre Konzentration einzuwirken. Da die Ionen (Elektronen) den mittleren Gleichgesvichtszustand
immer wieder herzustellen bestrebt sind. muß die Unbalanz durch elektrische Feldeinflüsse
so lange gehalten werden, bis die Diffusion durchgesetzt worden ist.
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Bei der Aufnahme des elektrischen Feldes ergeben sich schon durch
die verschieden großen Partikel verschiedenartige Feldaufnahmen innerhalb eines
an sich gleichartigen Stoffes. Dadurch sind Unbalanzen an sich schon gegeben. Sie
werden im Rahmen der Erfindung verstärkt durch gleichzeitige Anwendung verschiedener
Frequenzen oder durch periodischen Wechsel der Frequenzen oder durch Anwendung v
erschiedener Spannungen. Mit dem Abfall von der längeren zur kürzeren Welle treten
auch Änderungen der Dielektrizitätskonstante und des Brechungsindex und daraus wieder
Schwankungen in der Absorption elektrischer Energien auf.
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Für die Diffusion bestimmende Differenzierungen werden daher auch
auf diesem Wege erzielt.
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Daß Frequenzwechsel in Zehnerpotenzen in bezug auf den Mechanismus
des Anstoßes der Ladungen der Partikel zweckmäßig ist, errechnet sich aus der Tatsache,
daß sich z. B. im Kondensatorfeld folgende Amplituden für bestimmte Wellenlängen.
unter Zugrundelegung einer Feldstärke von 1 Volt/cm, ergeben: Wellenlänge 10 m,
Amplitude = 0,05 min - = 3.3m, - 0,05 mm - = I m, - = o,oosmm.
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Wirtschaftlich ist wesentlich, daß die Stromdichte klein sein kann.
Dies erklärt sich daraus, daß im Rahmen der Erfindung lediglich Differenzierungen
hervorgerufen werden sollen.
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Am vorteilhaftesten ist bei Kondensatorfeldern die Anwendung hoher
Frequenzen und hoher Spannungen. Es können aber auch alle anderen elektromagnetischen
5 trahlungsfelder, Antennenfelder, Spulenfelder usw. benutzt werden.
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Das Verfahren nach der Erfindung kann für Diffusionsvorgänge aller
Art angewendet werden, auch für Diffusionen durch Diaphragmen, Filter usf. Es kann
auch zusätzlich bei der Dialyse, Osmose, Elektroosmose, Elektrophorese, Elektrolyse
usf. benutzt werden.
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Je nach Art der Diffusion und der nach Befinden zu durchdringenden
Masse oder Trennwand usf. können die Wellen des elektromagnetischen Frequenzspektrums
und diejenigen im Bereiche des Ultraschalles, die an sich gerichtet sind, sowile
die Wellen im Hörbereich durch die Anwendung von Hohl spiegeln in die bestimmten
Zonen und in bestimmter Schichtung gelenkt, reflektiert, abgeblendet werden.
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Die el ektroinagnetischen und mechanischen Schwingungen können ferner
auch gleichzeitig zur Beschleunigung und Intensivierung von Diffusionen angewendet
werden. Hierbei können elektrische und akustische Wellen gemeinsam durch die vorstehend
envähnten, aus der Optik bekannten Ablenkmittel konzentriert und nach der Stelle
gerichtet werden, an der sie wirksam sein sollen. In der gleichen Weise kann dabei
die gelenkte Energie in Spaltbreite wandern, so daß nacheinander größere Flächen
mit der konzentrierten Energie beaufschlagt werden. Neben der geradlinigen Versdiebung
der Energieeinwirkung kann eine zickzackförmige oder kreisende fortschreitende Einwirkung
vorgenommen werden.
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Die erwähnte zusätzliche Anwendung von Druck kann entweder auf alle
Massen oder Phasen gleichzeitig einwirken oder auch so, daß der Druck auf diejenige
Phase gerichtet wird, in die hinein diffundiert werden soll. Handelt es sich um
mehr oder weniger kapillare Stoffe, z. B. auch um solche mit Kapillaren in Mikro-
oder Ultramikrogrenzen, so ist eine Entlastung der Kapillaren zweckmäßig, also eine
D ruckverminderung entgegen der eigentlichen Diffusionsrichtung.
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PATENTANSPR{J-CHE I. Verfahren zur Beschleunigung von Diffusionsvorgängen
bei festen, flüssigen, kolloiden und gasförmigen Stoffen, dadurch gekeunzeichnet,
daß der Diffusionsvorgang der Einwirkung elektromagnetischer oder mechanischer,
insbesondere hochfrequenter Schwingungen ausgesetzt wird.