Magnetische Ionenmanipulation in Glasschmelzen

Migration paramagnetischer Ionen in Fluiden und Schmelzen
unter dem Einfluss magnetischer Gradientenkräfte
Technische Univerität Ilmenau, FG Anorganisch-nichtmetallische Werkstoffe
Magnetsystem
Magnetfeld
Flussdichte entlang der z-Achse
Messzelle
Cryogen-freier Hochfeldmagnet (Cryogenics Ltd.)
1T
l
Messzelle bestehend aus zwei durch
Membran getrennteTeilzellen
l
Pt - Plattenelektroden in einer Teilzelle, um
Konzentrationsänderungen konduktometrisch
zu erfassen
2T
3T
4
l regelbares DC - Feld (Bmax = 5 T)
B [T]
4T
5T
3
l Warmbohrung: ∅ 300 mm x 400 mm
2
l um 90° schwenkbar
1
- 180
- 140
- 100
- 60
- 20
20
60
100
140
l Trennung der Teilzellen durch poröse
Membran, um unkontrolliertes Mischen der
Flüssigkeiten zu verhindern
180
z [mm]
Verteilung der magnetischen Flussdichte B
entlang der z-Achse des Systems (r = 0 mm)
l Thermoelement zur Kontrolle der
Temperaturstabilität
Gradientenkraftdichte fÑB entlang der z-Achse
80
(B×Ñ)B|z/m0
[N/cm3]
60
40
20
-180
-140
-100
z [mm]
0
-20
-20
-60
r=0 mm
r=10 mm
r=20 mm
r=30 mm
r=40 mm
r=50 mm
20
60
100
140
180
-40
-60
-80
Numerische Simulation von fÑB in der Warmbohrung als Funktion
von z und r
Vorgehensweise
Ergebnisse
700
g
CFM
Dy(NO3)3 (aq.)
H 2O
Dy(NO3)3 (aq.)
H 2O
-z
Pt-Elektrode
Dy(NO3)3 (aq.)
H 2O
fÑB= 0 N/cm3
3
fÑB= +30 N/cm
Pt-Elektrode
500
Membran
Membran
κ [μS/m]
Membran
600
fÑB= -30 N/cm3
Pt-Elektrode
+z
400
B=0T
B = 2.5 T
F B pos.
B = 2.5 T
F B neg.
Exp. 3
b
cDy(NO3)3 = 0.05 M
Exp. 1
300
a
200
z = -109 mm
z = 0 mm
z = +109 mm
Exp. 2
100
Exp. 1
Exp. 2
l
Exp. 1
Exp. 3
0
0
l Die Gradientenkraft auf die paramagnetischen Ionen wirkt
20
t [min]
25
30
B=0T
2000
35
40
45
B = 2.5 T
F B pos.
B = 2.5 T
F B neg.
Exp. 3
b
a
cDy(NO3)3 = 0.1 M
κ [μS/m]
Exp. 2
15
2500
Membran und Diffusion and den Grenzflächen
Durchführung der Leitfähigkeitsmessung mit Einfluss eines
externen Feldes bei einer Flussdichte von B = 2,5 T und
einer daraus resultierenden Gradientenkraftdichte von
3
fÑB= +30 N/cm (Position bei z = -109 mm)
10
Abb. 1 Darstellung der elektrischen Leitfähigkeit nach der Zeit. Erkennbar sind sowohl
die bremsende Wirkung des Membrandurchganges in Exp. 2 als auch die
beschleunigende Wirkung in Exp. 3.
Durchführung der Leitfähigkeitsmessung ohne Einfluss
3
eines externen Feldes (B = 0 T und fÑB= +30 N/cm )
l Alleiniges Wirken von Kapillarkräften innerhalb der porösen
l
5
1500
1000
Exp. 1
den Kapillarkräften und der Diffusion entgegen
500
l
Exp. 3
Durchführung der Leitfähigkeitsmessung mit Einfluss eines
externen Feldes bei einer Flussdichte von B = 2,5 T und
einer daraus resultierenden Gradientenkraftdichte von
3
fÑB= -30 N/cm (Position bei z = -109 mm)
l Die Gradientenkraft auf die paramagnetischen Ionen wirkt in
Richtung der Kapillarkräfte und der Diffusion
0
0
Exp. 2
5
10
15
20
25
30
35
40
45
t [min]
a
b
Abb. 2 Darstellung der elektrischen Leitfähigkeit nach der Zeit. Auch hier sind sowohl
die bremsende als auch beschleunigendeWirkung der Gradientenkraft
erkennbar. Durch die Erhöhung der Konzentration an paramagnetischen Ionen
wird insbesondere die beschleunigende Wirkung verstärkt.
Weiteres Vorgehen: Um den Einfluss von Schwerkraft, Konvektion und anderen störenden Kräften zu minimieren, werden in nachfolgenden Untersuchungen ionenspezifische Membranen genutzt.
Dadurch sollen vor allem Aussagen zum Verhalten der Ionen und Flüssigkeiten bei geringen Konzentrationen an paramagnetischen Ionen getroffen werden.
Diese Arbeit wurde von der Deutschen Forschungsgemeinschaft DFG innerhalb des Projektes “Magnetische Ionenmanipulation in Glasschmelzen“ (HA 2338/4-1), gefördert.
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