DD285835A5 - Verfahren zum untersuchen und analysieren von suspensionen mit ferromagnetischen teilchen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Untersuchen und Analysieren von Suspensionen aus nichtferromagnetischen Fluessigkeiten mit ferromagnetischen Teilchen. Aufgabe der Erfindung ist es, Konzentration und Groeszenverteilung der ferromagnetischen Teilchen und gegebenenfalls eine Qualitaetskenngroesze der Fluessigkeit zu bestimmen. Geloest wird die Aufgabe u. a. durch die Messung der magnetischen Suszeptibilitaet von geringen Teilmengen der Suspension nach definierten Sedimentationen und/oder waehrend der Sedimentation der ferromagnetischen Teilchen aus der Suspension heraus durch eine weitgehend partikelfreie fluessige Phase hindurch. Eine Beschleunigung der Sedimentation zur Verkuerzung der Meszzeit kann durch ein inhomogenes Magnetfeld und/oder durch Messung in unterschiedlichen Hoehen der Kuevette erfolgen. Fig. 2{Suspension; Konzentration; Groeszenverteilung; ferromagnetisch; Teilchen; Qualitaetskenngroesze; Fluessigkeit; Suszeptibilitaet; Sedimentation}

Description

Hierzu 1 Seite Zeichnungen

Anwendungsgebiet dor Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Konzentration und Größenverteilung ferromagnetischor Teilchen in Suspensionen und der Qualität der flüssigen Phase.

Anwendungsgebiet der Erfindung sind Suspensionen aus nichtferromagnetischer flüssiger Phase mit ferromagnetischen Teilchen mit Toilchongrößen >0,1μηι.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Bekannte Verfahren der Untersuchung und Analyse von Suspensionen mit ferromagnetischen Teilchen, die die magnetischen Eigenschaften der Teilchen nutzen, berjhen auf verschiedenen Grundverfahren.

In der Patentschrift US 4651092 wird eine Lösung offenbart, bei dar die magnetische Suszeptibilität aus der Induktionsspannung einer Sondenspule bei verschiedenen Frequenzen eines Anregüngsmagnetfeldes bestimmt wird. Mit Hilfe von Standardsuspensionen lassen sich damit Teilchendichte, Grad der Dispersion und Viskosität empirisch bestimmen. Das Verfahren ist vorzugsweise für Beschichtungsmittel von Informationsträgern mit hoher Konzentration ferromagnetischer Teilchen ausgelegt. Die Anordnung und der vorgegebene Frequenzbereich von 1 bis 100Hz erlauben keine Untersuchung von Suspensionen mit geringen ferromagnetischen Teilchenkonzentrationen.

Die DE-PS 3116696 b^r schreibt eine Wechselstrombrückenschaltung mit zwei parallelgeschalteten Resonanzschwingkreisen als Indikator für das Voi ..^ndensein ferromagnetischer Bestandteile in Flüssigkeiten. Quantitative Aussagen erlaubt diese Anordnung nicht.

Andere Verfahren beruhen darauf, daß die ferromagnetischen Teilchen durch ein dauerhaftes oder kurzzeitig angelegtes Magnetfeld in den sensiblen Bereich eines Meßfühlers konzentriert werden.

Bei dei DE-PS 2931412 wird der Meßfühler durch einen Feldplatten-Differnntialfühler realisiert. Der elektrische Widerstand der Feldplatten ist der anhaftenden Menge ferromagnetischer Teilchen proportional. Aussagen über Größenverteilungen können nicht gemacht werden.

Die DE-PS 2933822 beschreibt einen Meßfühler mit Induktionsspule. Die Bewegung eines ferromagnetischen Teilchens im Magnetfeld induziert in der Induktionsspule einen Spannungsimpuls, der u.a. von der Masse des ferromagnetischen Teilchens abhängig ist. Die nachgeschaltete Elektronik erlaubt, Gesamtmasse und Größenverteilung der eingefangenen ferromagnetischen Teilchen anzuzeigen.

Diese Anordnung erfordert einen sehr großen elektronischen Aufwand. Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß die absolute Konzentration der .'OTomagnetischen Teilchen nicht bestimmbar ist.

Bei der DD-PS 217894 überbrücken die eingefangenen ferromagnetischen Teilchen einen Meßspalt. Aus der Durchflußmenge und der Zeitdauer bis zum Überbrücken dos Meßspaltes wird auf den Grad des Anteils ferromagnetischer Teilchen geschlossen.

Angaben über Größenverteilung der ferromagnetischen Teilchen sind damit nicht möglich.

Alle genannten Verfahren haben zusätzlich als Nachteile, daß eine absolute Bestimmung von Konzentration und Größenverteilung der ferromagnetischen Teilchen und die Bestimmung von Qualitä'skennwerten der flüssigen Phase mit einem Verfahren nicht möglich sind.

Suszeptibilitätsmessungen bei verschiedenen Magnetflußdichten oberhalb der Sättigungsflußdichte der ferromagnetischen Teilchen erlauben, die Konzentration der ferromagnetischen Teilchen und einen Materialkennwert der flüssigen Phase zu bestimmen (Weiss, A.: „Magnetochemie", Verlag Chemie Weinheim 1973).

Aussagen über die Größenverteilung der Teilchen sind jedoch allein aus Suszeptibilitätsmessungen nicht möglich.

Bekannte Verfahren der Analyse von Größenverteilung und Konzentration von in Flüssigkeiten dispergieren Teilchen nach dem Sedimentationsprinzip beruhen darauf, daß die einzelnen Teilchen nach einer kurzen Beschleunigungsstrecke mit einer konstanten Geschwindigkeit absinken, wenn auf die Suspension die Schwerkraft oder ein anderes Kraftfeld einwirkt. Die sich einstellende konstante Geschwindigkeit ist d&bei abhängig von der Teilchengröße und der Teilchenform, von der Viskosität der flüssigen Phase, von der Dichtedifferenz zwischen der flüssigen und der festen Phase und von der Größe des Kraftfeldes. Durch die zeitliche Verfolgung des Sedimeiitationsvorganges der in eine senkrecht angeordnete Küvette eingebrachten Suspension wird die Teilchengrößenverteilung dieser Suspension analysiert.

Eine bekannte Vorrichtung zur Messung der Sedimentationskurve stellt die Sedimentationswaage dar. Dabei werden die am unteren Ende der Küvette abgesunkenen Teilchen auf eine Waagschale aufgefangen und gewogen.

Eine weitere Variante der Teilchenanalyse nach dem Sedimentationsprinzip stellt das Photosedimentometer dar, mit dem die zeitliche Änderung der Trübung der Suspension gemessen wird (Sonntag, H.: „Lehrbuch der Kolloidwissenschaft", VEB Deutscher Verlag der Wissenschaften Berlin 1977).

Zui Verkürzung der sehr langen Meßdauer bei der Teilchenanalyse mittels Photosedimentometers wurde vorgeschlagen:

- bei feststehender Küvette das optische System mechanisch höhenverstellbar zu gestalten (Staub 23 [1963] Nr. 5, S. 269-278);

- das optische System feststehend anzuordnen und die Küvette mechanisch oder hydraulisch höhenverstellbar anzuordnen (DD-PS 147415);

- bsi feststehender Küv&tte und feststehendem optischen System die Ermittlung der Abschwächung der horizontalen Lichtstrahlen vorzugsweise gleichzeitig in verschiedenen Höhen der Suspension zu messen (DD-PS 245957).

Die oisher bekannten Verfahren und die zu ihrer Realisierung dargelegten Vorrichtungen nach dem Sedimentationsprinzip weinen entscheidende Mängel auf.

Der wesentliche Nachteil der Anwendung der Sedimentationswaage ist in der langen Meßdauer zu sehen. Liegen Suspensionen mit liiner großen Variationsbreite der Teilchengröße vor, so muß die Küvette sehr hoch sein. Es ist zu fordern, daß die großen Teilchen erst in 5 bis 10 Sekunden sedimentiert sind. Eine Küvette dieser Höhe hat jedoch zur Folge, daß die kleinen Teilchen eine sehr lange Absetzzeit haben. Die Meßzeit beträgt dann 10 und mehr Stunden. Darüber hinaus ist eine komplizierte Vorrichtung erforderlich.

Die Messung mit Photosedimentometern ist auf relativ transparente Flüssigkeiten beschränkt. Insbesondere, wenn Teilchen in kolladialcn Lösungen nachgewiesen werden sollen, führt die Lichtstreuung (Tyndall-Effekt) zu starken Meßwertverfälschungen.

Außordem muß der Zusammenhang zwischen Extinktionskooffizient und Teilchengröße mit der Teilchonkonzentration bekannt sein. Die Photosedimentomotrie ist nur bei sehr kleinen Teilchenkonzentrationen anwendbar.

Ein bekanntes Verfahren und die zu seiner Realisierung dargelegten Vorrichtungen (DD-PS 267796) beruhen darauf, daß die Konzentrationsänderung der Teilchen während der Sedimentation durch die Ermittlung der Beeinflussung der magnetischen Suszeptibilität der Suspension im unteren Teilbereich einer Küvette und/oder in verschiedenen Höhen der Küvette gleichzeitig oder zu verschiedenen Zeiten gemessen wird. Als wesentliche Nachteile dieses Verfahrens sind anzusehen, daß die Teilchen in der homogenen Suspension aus verschiedenen Höhen gleichzeitig sedimentioren und es damit zu unerwünschten Überlagerungseffekten der einzelnen Partikelfraktionen kommt und die Menge der Suspension relativ groß sein muß, um die Meßzone bzw. die Meßzonen der Küvette gleichmäßig auszufüllen.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, ein Verfahren zu entwickeln, wodurch die Analyse von Suspensionen insbesondere auch bei trüben Flüssinkeiten durchgeführt werden können, wobei die Teilchenkonzentration, die Teilchengrößenverteilung und gegebenenfalls eine Qualitätskenngröße der flüssigen Phase vorzugweise gleichzeitig bei einem Meßzyklus ermittelt werden und die lange Meßdauer und die Ungenauigkeit bekannter Verfahren vermieden werden und nur geringe Mengen der Suspension erforderlich sind.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu schaffen, das die Nachteile der bekannten technischen Lösungen nicht aufweist. Mit welchem bei kurzer Meßdauer genaue reproduzierbare Werte insbesondere auch bei trüben Flüssigkeiten bei relativ hohen Teilchenkonzentrationen, großen Variationsbreiten der Teilchengrößenverteilung und kleinen Analysenmengen erzielt werden.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß eine geringe Teilmenge der Suspension entnommen wird und/oder mehrere geringe Teilmengen aus einer Sedimentationsküvette, in die die Suspension eingegeben wurde und die Partikel unter Schwerkraftwirkung oder der Wirkung von zusätzlichen Kraftfeldern sedimentieren nach unterschiedlichen Zeiten bzw. nach einer definierten Zeit aus unterschiedlichen Höhen entnommen werden. Die Teilmenge der Suspension wird in eine Meßküvette eingegeben, wobei zur Feinanalyse der Teilchengrößenverteilung die Teilmenge einer weitgehend partikelfreien flüssigen Phase überschreitet wird.

Der Gestalt der Teilchengrößenfraktionen an ferromagnetischon Teilchen der Suspension wird mit Hilfe der magnetischen Suszeptibilität der Teilmengen bestimmt. Die Suszeptibilitätsmessung erfolgt entweder mit einer Magnetwaage oder nach dem Induktionsverfahren mit einem Spulensystem mit mindestens einer induktionsspule. Aus den Meßsignalen der einzelnen Teilmengen wird die Konzentration der Teilchenfraktionen errr^!ttelt.

Zur Feinanalyse der Teilchengrößenverteilung in der Suspension bzw. in den Teilmengen dor Suspension wird die Konzentrationsänderung der ferromagnotischen Teilchen während des Durchla jfes durch die weitgehend partikelfreie flüssige Phase durch die Ermittlung der magnetischen Suszeptibilität von Suspension und flüssiger Phase gegebenenfalls in verschiedenen Höhen der Suspension gleichzeitig oder zu verschiedenen Zeiten gemessen und/oder durch geeignete) Anordnung von Magnetfeldern der Sedimentationsvorgang beschleunigt. Hierzu wird die Teilmenge der Suspension einer in eine: zylindrischen Küvette befindlichen weitgehend partikelfreien flüssigen Phase überschichtet. Die Suszeptibilitätsmessung erfolgt am unteren Teil der Küvette entweder jnit einer Magnetwaage oder nach dem Induktionsverfahren mit-einem Spulensystem aus mindestens einer Induktionsspule und gegebenenfalls einer Spule zur Erzeugung eines Gleichmagnetfeldes. Bei Anwendung des Induktionsverfahrens können bei Verwendung mehrerer Induktionsspulen, mehrere Mertzonen ausgebildet werden. In Folge der unterschiedlichen Bewegungsgeschwindigkeit der einzelnen Teilchenfraktionen durchlaufen zuerst die großen Teilchan die Meßzone bzw. dio Meßzonen und dann die kleineren bzw. es erhöht sich zuerst die Konzentration der größeren Toilchenfraktion im unteren Küvettnnbereich und dann die der kleineren. Die Veränderung der Teilchenkonzentration in der Maßzone bzw. In den Moßzonen bewirkt eine Veränderung der magnetischen Suszeptibilität der Suspension Aus der zeitlichen Meßsignaländerung werden die in der Suspension vorliegenden Teilchenfraktionen ermittelt. Die Gesamtkonzentration der ferromagnetischen Teilchen in der Suspension wird aus der Sus<eptiblität der ursprünglichen, d. h. der nicht sedimentierten, Teilmenge der Suspension bzw. bei der Feinanalyse der Teilchengrößenverteilung aus dem Meßsignal bei Sedimentationsende bestimmt. Die Suszeptibilität der von ferromagnetischen Partikeln weitgehend freien Suspension stellt eine Qualitätskenngrößo der flüssigen Phase dar.

Ausführungsbelsplele

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. In der dazugehörigen Zeichnungen zeigen:

Fig. 1: Schematische Darstellung einer bekannton Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, Fig. 2: eine der Fig. 1 anaioge Darstellung, jedoch mit geänderter Anordnung der Meßzonen.

Mit 1 wird eine vorzugsweise zylindrische Küvette bezeichnet, in der sich die zu analysierende Teilmenge der Suspension oder die weitgehend partikelfreie flüssige Phase 2 mit der ihr überschichteten Teilmenge der Suspension 3 befindet. Mit 4 sind Magnetsysteme zur Erzeugung von inhomogenen Magnetfeldern dargestellt. Mit 4.1,..., 4. N sind Induktionsspulen bezeichnet.

Mit 5 ist eine geeignete Spannungsquelle, mit 6 eine Signalverarbeitungseinrichtung und mit 7 ein gegebenenfalls zur Weiterverarbeitung bestimmtes Ausgangssignal dargestellt. Mit 8 ist ein Meßstellenumschalter bezeichnet, der in geeigneter Weise dio Induktionsspulen 4.1,..., 4. N zuschaltet. Mit 9 wird eine Kompensationswaage und mit 10 eine Spule zur Erzeugung eines homogenen Gleichmagnetfeldes bezeichnet.

Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Teilmenge der Suspension in die Küvette 1 gegeben und für die Feinanalyse der Teilchengrößenverteilung derart in die Meßküvette eingefüllt, daß sie die weitgehend partikelfreie flüssige Phase übenchichtet.

In Fig. 1 ist eine Vorrichtung dargestellt mit einem Magnetsystem 4. Das Magnetsystem ist so angeordnet, daß sich in der Küvette 1 ein inhomogenes Magnetfeld ausbildet. Die Teilchenwanderung in Richtung des Magnetsystems 4 wird dadurch beschleunigt.

Entsprechend dem Anteil ferromagnetischer Teilchen in der jeweiligen Teilmenge der Suspension unterscheidet sich die Suszeptibilität und damit die an der Kompensationswaage gemessene Kraft. Aus den Suszeptibilitäten der einzoli.sn Teilmengen dor Suspension wird über die bekannten physikalischen Gesetze der Sedimentation die Teilchengrößenanalyse für die Suspension durchgeführt.

Bei der Feinanalyse der Teilchengrößenverteilung wird ausgenutzt, daß die großen Teilchen eine höhere Wanderungsgeschwindigkeit als die kleineren haben, so daß sich ihre Konzentration im unteren Küvettenbereich erhöht. Nacheinander werden die Teilchenfraktionen mit kleineren Teilchen im unteren Küvettenbereich konzentriert. Die magnetische Suszeptibilität der Suspension im Bereich der Polschuhe des Magnetsystems 4 vergrößert sich mit

zunehmender Konzentration an ferromagnetischen Teilchen. Damit erhöht sich auch die Kraft auf die Kompensationswaage 9.

Aus der Messung der magnetischen Suszeptibilität in Abhängigkeit von der Sedimentationszeit läßt sich über die bekannten

physikalischen Gesetze zur Teilchenbewegung in Flüssigkeiten die Tellchengrößenanalyse durchführen. Die Meßsignale zum

Sedimentationsende ergeben die Gesamtteilchenkonzentration der Suspension. In der Fig. 2 ist eine andere Vorrichtung zur Feinanalyse der Teilchengrößenverteilung der Suspension bei Realisierung des

erfindungsgemäßen Verfahrens mit mindestens einer Induktionsspule 4.1 oder mehreren Induktionsspulen 4.1,.... 4. Ndargestellt.

Bei Anordnung einer Spule 10 zur Erzeugung eines homogenen Gleichmagnetfeldes wird die magnetische Suszeptibilität der

flüssigen Phase zu Beginn des Sedimentationsvorganges durch Messung der magnetischen Suszeptibilität bei mindestens zweiunterschiedlichen Gleichfeldstärken in bekannter Weise bestimmt.

Bei geringeren Genauigkeitsanforderungen kann auf die Spule zur Erzeugung eines homogenen Gleichmagnetfeldes 10

verzichtet werden. Dann wird die Konzentration der Teilchen aus der Differenz der magnetischen Suszeptibilität zu

Sedimentationsbeginn und Sedimentationsende ermittelt und die magnetische Suszeptibilität im oberen Küvettenbereich

entspricht bei Sedimentationsende der magnetischen Suszeptibilität der Suspension.

Zur Beschleunigung der Sedimentation kann im unteren Teil der Küvette 1 ein Magnetsystem 4 angeordnet werden. Infolge der

unterschiedlichen Wanderungsgeschwindigkeit der Teilchenfraktionen durchlaufen die großen Teilchen die durch die

Induktionsspulen 4.1,..., 4. N gebildeten Meßzonen zuerst. Die Sedimentationsgeschwindigkeit ist ein Maß für die jeweilige Teilchengröße. Die Berechnung der Teilchenkonzentration der verschiedenen Teilchenfraktionen erfolgt auf der Basis der Suszeptibilitätsänderung in den Meßzonen. Ist mehr als eine Induktionsspule 4.1,..., 4. N an der Küvette 1 angeordnet, wird die Meßgenauigkeit erhöht und die Meßzeit

durch die Ermittlung der Sedimentationszeit der kleineren Teilchen mit der oberston Induktionsspule 4.1 reduziert.

Claims (10)

1. Verfahren zum Untersuchen und Analysieren von Suspensionen mit ferromagnetischen Teilchen, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetische Suszeptibilität einer geringen Teilmenge der Suspension nach vorhergehender definierter Sedimentation gemessen wird und/oder die Teilmenge der Suspension einer weitgehend partikelfreien flüssigen Phaso überschichtet wird und die Beeinflussung der magnetischen Suszeptibilität der weitgehend partikelfreien flüssigen Phase während der Sedimentation der Teilchen gemessen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Suspension, gegebenenfalls mit einer geeigneten Flüssigkeit verdünnt, in eine Sedimentationsküvette eingegeben wird, wo die Teilchen unter Schwerkraftwirkung und/oder Wirkung eines zusätzlichen Kraftfeldes sedimentieren und nach unterschiedlichen Zeiten bzw. nach definierter Zeit aus unterschiedlichen Höhen geringe Teilmengen der Suspension entnommen werden v.nd die Suszeptibilität der Teilmengen gemessen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß eine Teilmenge der Suspension, gegebenenfalls mit einer geeigneten Flüssigkeit verdünnt, in der Meßküvette einer weitgehend partikelfreien flücsigen Phase überschichtet wird und die Konzentrationsänderung der Teilchen während der Sedimentation durch die weitgehend partikelfreie flüssige Phase hindurch durch die Ermittlung der Beeinflussung der magnetischen Suszeptibilität der Suspension im unteren Teilbereich der Küvette (1) und/oder in verschiedenen Höhen der Küvette (1) gleichzeitig oder zu verschiedenen Zeiten gemessen wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Messung der magnetischen Suszeptibilität im unteren Teilbereich der Küvette (1) durch die Kraftwirkung auf eine Kompensationswaage (9) ermittelt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Messung der magnetischen Suszeptibilität durch die Kraftwirkung auf ein Magnetsystem ermittelt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 3, gekennzeichnet dadurch, daß zu Sedimentationsbeginn bei mindestens zwei unterschiedlichen magnetischen Gleichfeldstärken die Suszeptibilität der flüssigen Phase ermittelt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 3, gekennzeichnet dadurch, daß bei Messung der magnetischen Suszeptibilität in einer definierten bzw. in verschiedenen Höhen der Küvette (1) aus der Differenz der magnetischen Suszeptibilität zu Sedimentationsbeginn und zum Sedimentationsende die Gesamtkonzentration der Teilchen errechnet wird.

8. Verfahren nach Anspruch 3, gekennzeichnet dadurch, daß bei Messung der magnetischen Suszeptibilität in einer definierten bzw. in verschiedenen Höhen der Küvette (1) aus der magnetischen SuszeptibilitätderSuspension im oberen Küvettenbereich bei Sedimentationsende die magnetische Suszeptibilität der von ferromagnetischen Partikeln weitgehend freien Suspension ermittelt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 3, gekennzeichnet dadurch, daß bei Messung der magnetischen Suszeptibilität in verschiedenen Höhen der Küvette (1) bei Sedimentationsbeginn die Homogenität der weitgehend partikelfreien flüssigen Phase geprüft wird.

10. Verfahren nach Anspruch 3, gekennzeichnet dadurch, daß die weitgehend partikelfreie flüssige Phase in der Küvette verbleibt und die Zunahme der Partikelkonzentration durch die mehrfach überschichteten Suspensionen schaltungstechnisch kompensiert wird.