DE19603386A1

DE19603386A1 - Measurement and control of surfactant solution surface tension using bubble excess pressure tensiometer

Info

Publication number: DE19603386A1
Application number: DE1996103386
Authority: DE
Inventors: Wolf-Eberhard Dr Heyer; Andreas Halbig; Helmut Dr Kruesmann; Arthur Sinkiewicz
Original assignee: Lauda Dr R Wobser GmbH and Co KG
Current assignee: Lauda Dr R Wobser GmbH and Co KG
Priority date: 1996-01-31
Filing date: 1996-01-31
Publication date: 1997-08-07

Abstract

This process measures the surface tension of surfactant solutions, using a bubble excess pressure tensiometer, operating at constant volumetric flow-rate. In the new unit, the bubble internal pressure is determined, as a measure of the surface tension of the tenside solution flowing through the cell. The bubble size is held constant, and hence the age of its surface is also defined. Should a given surface tension be exceeded, surfactant is added. Also claimed is the corresponding apparatus which is connected to a source of constant gas flow.

Description

Tensidlösungen werden in zahlreichen Waschprozessen, aber auch in Emulsionen, die in Walzprozessen verwendet werden, eingesetzt. Für die exakte Steuerung aller Prozesse, in denen Tensidlösungen verwendet werden, ist die genaue Kenntnis der augenblicklichen Tensidkonzentration für eine exakte Prozeßführung erforderlich. Die Tensidkonzentration kann über die Oberflächenspannung der verwendeten Lösung bestimmt werden. Für die on-line-Messung von Tensidlösungen wird ein Verfahren und eine Vorrichtung vorgeschlagen.Surfactant solutions are used in numerous washing processes, but also in emulsions that are used in rolling processes used, used. For the exact control of all processes in which surfactant solutions is used, the exact knowledge of the current surfactant concentration for an exact Litigation required. The surfactant concentration can be determined via the surface tension of the used solution can be determined. For the online measurement of surfactant solutions a Method and device proposed.

Die Verwendung von on-line-Tensiometern für derartige Einsatzfälle ist bekannt. Es werden vorwiegend Blasendrucktensiometer eingesetzt. In DE 41 12 417 und DE 43 03 133 werden derartige Verfahren beschrieben. Nachteilig bei diesen bekannten Verfahren ist, daß sie mit frei in der Flüssigkeit wachsenden Blasen arbeiten und damit die Meßergebnisse sehr stark von dem gemessenen System abhängen. Die maximale Blasengröße, die sich bei einem konstanten Volumenstrom an einer freistehenden Kapillare bildet, ist sehr stark von den chemisch-physikalischen Eigenschaften der zu messenden Flüssigkeit abhängig. So kann bei einer Kapillare mit einem Radius von 0,5 mm der Radius der erzeugten Blasen zwischen 0,5 mm und 5 mm liegen. Aus den unterschiedlichen Blasenradien kann man die unterschiedlichen Blasenbildungszeiten berechnen. Sie schwanken sehr stark. Es ist also nur möglich, mit den bekannten Geräten die Oberflächenspannung in Abhängigkeit von der Blasenfrequenz zu erfassen. Da die Blasengröße und damit die Blasenfrequenz jedoch sehr stark von den verwendeten Tensiden und der Zusatzbeladung des Systems, z. B. mit Schmutz, abhängig ist, kann die Blasenfrequenz dem Oberflächenalter der Blase nicht mit der erforderlichen Genauigkeit zugeordnet werden. Eine eindeutige Charakterisierung des Systems ist nur über die Oberflächenspannung in Abhängigkeit vom Lebensalter der Oberfläche oder über die Oberflächenspannung bei einem definierten Oberflächenalter möglich. Soll die Tensidkonzentration in einer Waschflotte oder in einem anderen System über die Oberflächenspannung des Systems in engen Grenzen gesteuert werden, so muß das Alter der Oberfläche, an der die Oberflächenspannung gemessen wird, genau bekannt sein. Nur wenn die Tensidkonzentration in engen Grenzen gesteuert wird, ist ein Arbeiten in der Nähe des Optimums der Tensidkonzentration des Systems möglich.The use of on-line tensiometers for such applications is known. It will be predominant Bladder pressure tensiometer used. Such processes are described in DE 41 12 417 and DE 43 03 133 described. A disadvantage of these known methods is that they are free in the liquid growing bubbles work and thus the measurement results very strongly from the measured system depend. The maximum bubble size that occurs at a constant volume flow free-standing capillary is very strong on the chemical-physical properties of the measuring liquid dependent. So with a capillary with a radius of 0.5 mm the radius the bubbles generated are between 0.5 mm and 5 mm. From the different bubble radii to calculate the different bubble formation times. They fluctuate very much. So it's just possible with the known devices the surface tension depending on the bubble frequency capture. Because the bubble size and therefore the bubble frequency is very different from the one used Surfactants and the additional loading of the system, e.g. B. with dirt, is dependent Bubble frequency not assigned to the surface age of the bubble with the required accuracy will. The system can only be clearly characterized by the surface tension in Dependence on the age of the surface or on the surface tension at a defined Surface age possible. Should the surfactant concentration be in a wash liquor or in another The system must be controlled within narrow limits by means of the surface tension of the system Age of the surface on which the surface tension is measured must be known exactly. Only if The surfactant concentration is controlled within narrow limits, working close to the optimum the surfactant concentration of the system possible.

Für eine Einpunktmessung ist also einmal die Kenntnis der Abhängigkeit von Oberflächenspannung und Lebensalter der Oberfläche für das zu messende System und zum anderen die Kenntnis des Oberflächenalters, bei dem man die Oberflächenspannung mißt, erforderlich. Die Oberflächenspannung wird bei Blasendrucktensiometern über das Maxima des Blaseninnendruckes bestimmt. Der maximale Blaseninnendruck tritt auf, wenn die Blase eine Halbkugel mit dem Radius der Kapillare, aus der die Luft in das zu charakterisierende System eingeblasen wird, bildet. Das Lebensalter der Oberfläche ist die Zeit vom Beginn der Blasenbildung bis zum Ausbilden der Halbkugel. Wenn die Halbkugelform der Blase erreicht ist, sinkt der Blaseninnendruck bei unkontrolliertem Wachsen der Blase sehr schnell auf ein Minimum.For a one-point measurement, there is knowledge of the dependence on surface tension and age of the surface for the system to be measured and secondly the knowledge of the Surface age at which the surface tension is measured is required. The surface tension is determined for bladder pressure tensiometers via the maxima of the bladder internal pressure. The maximum Bladder pressure occurs when the bladder is a hemisphere with the radius of the capillary from which the Air is blown into the system to be characterized. The age of the surface is that Time from the start of bubble formation to the formation of the hemisphere. If the hemisphere shape of the If the bladder is reached, the bladder pressure drops very quickly if the bladder grows uncontrollably a minimum.

Die Abhängigkeit von Oberflächenspannung und Lebensalter der Oberfläche für das zu messende System kann man im Laborversuch ermitteln. Für eine bekannte Meßgeometrie und ein bekanntes Tensidsystem kann man unter der Voraussetzung konstanter Blasengröße ebenfalls im Vorversuch das Lebensalter der Blasenoberfläche bei einem definierten Volumenstrom der Luft bestimmen. Unter diesen Voraussetzungen muß man für ein exakt arbeitendes on-line-Tensiometer nur sichern, daß Blasen mit konstanter Größe produziert werden und daß die Blasenproduktion und die exakte Messung des Blaseninnendruckes durch die Strömung in dem on-line-Tensiometer nicht gestört wird.The dependency on surface tension and age of the surface for what is to be measured System can be determined in the laboratory test. For a known measurement geometry and a known one If the bubble size is constant, the surfactant system can also be tested in a preliminary test Determine the age of the bubble surface at a defined volume flow of air. Under these Preconditions for an exactly working on-line tensiometer only have to be ensured that bubbles with constant size are produced and that the bubble production and the exact measurement of the Bubble pressure is not disturbed by the flow in the on-line tensiometer.

Die Produktion von Blasen mit annähernd konstanter Größe ist bei Labormeßgeräten durch die Anordnung definierter Abstoßflächen bereits gelöst. Der Nachteil derartiger Abstoßflächen ist die starke Verformung der Blasen vor dem Abspringen von der Kapillare und dadurch bedingte Volumenschwankungen der Blase.The production of bubbles with an approximately constant size is in laboratory measuring instruments due to the Arrangement of defined kick surfaces already solved. The disadvantage of such kick surfaces is the strong one Deformation of the bubbles before jumping off the capillary and thereby Volume fluctuations in the bladder.

Erfindungsgemäß werden die Nachteile der bekannten Lösungen dadurch behoben, daß die Oberflächenspannung der Tensidiösungen on-line mit einem Blasendrucktensiometer bei konstanter Blasengröße und damit bei einem definiertem Oberflächenalter der Blase gemessen wird und daß bei Überschreiten einer vorgegebenen Oberflächenspannung im Waschprozeß Tensid nachdosiert wird bzw. der Spülprozeß abgebrochen wird. Hierfür wird eine Vorrichtung vorgeschlagen, in die aus dem Prozeß von einer Pumpe die Tensidlösung in ein erstes Gefäß gepumpt wird, in dem sich die Tensidlösung weitgehend beruhigt, und von diesem ersten Gefäß in ein zweites Gefäß nahezu mit laminarer Strömung fließt. In dem zweiten Gefäß fließt die Tensidlösung über ein Wehr und wird anschließend von einer Pumpe in den Prozeß zurückbefördert oder fließt bei drucklosen Prozessen unter der Wirkung der Schwerkraft in den Prozeß zurück. Die Meßkapillare, mit der die Blasen produziert werden, wird in dem zweiten Gefäß waagerecht angeordnet. Die waagerechte Anordnung der Kapillare und das Wehr sichern die exakte Messung des Blaseninnendruckes als Maß der Oberflächenspannung bei konstantem hydrostatischen Druck und sichern damit, daß die gemessene Oberflächenspannung ein Maß der Tensidkonzentration ist. Die konstante Blasengröße wird durch eine Spitze, die in definiertem Abstand gegenüber der Austrittsöffnung der Kapillare angeordnet ist, gesichert. Versuche haben ergeben, daß die Blasenbildung durch die nahezu laminare Strömung in dem zweiten Gefäß nicht gestört wird, wenn der Blasendurchmesser kleiner oder gleich dem acht- bis zehnfachen des Durchmessers der Kapillare, mit der die Blasen erzeugt werden, ist.According to the invention, the disadvantages of the known solutions are eliminated in that the Surface tension of the surfactant solutions on-line with a bubble pressure tensiometer at constant Bubble size and thus at a defined surface age of the bladder is measured and that at If a predetermined surface tension is exceeded in the washing process, surfactant is added or the rinsing process is interrupted. For this purpose, a device is proposed in which from the process the surfactant solution is pumped by a pump into a first vessel in which the surfactant solution largely calmed, and from this first vessel into a second vessel with almost laminar flow flows. In the second vessel, the surfactant solution flows over a weir and then becomes one Pump returned to the process or flows under pressure under the effect of Gravity back into the process. The measuring capillary with which the bubbles are produced is in the second vessel arranged horizontally. Secure the horizontal arrangement of the capillary and the weir the exact measurement of the bubble pressure as a measure of the surface tension at constant hydrostatic pressure and thus ensure that the measured surface tension is a measure of Is surfactant concentration. The constant bubble size is indicated by a tip that is at a defined distance is arranged opposite the outlet opening of the capillary, secured. Experiments have shown that the Bubble formation is not disturbed by the almost laminar flow in the second vessel when the Bubble diameter less than or equal to eight to ten times the diameter of the capillary, with which is creating the bubbles.

Ein Blasendrucktensiometer, mit dem das geschilderte Verfahren realisiert werden kann, ist auf den beiliegenden Zeichnungen schematisch dargestellt.A bubble pressure tensiometer, with which the described method can be implemented, is on the attached drawings shown schematically.

Die Abb. 1 ist ein schematischer Querschnitt durch das Gerät und die Abb. 2 ein Schnitt entlang der Linie A-A der Abb. 1. Fig. 1 is a schematic cross section through the device and Fig. 2 is a section along the line AA of Fig. 1.

Die Meßvorrichtung besteht aus einer Pumpe 1, einem Einlaß 2 in eine Kammer 3, die sich in einem Gehäuse 4 befindet und durch eine Trennwand 6 von einer Meßkammer 5 in dem Gehäuse 4 getrennt ist (Abb. 1). Die Kammer 3 und die Meßkammer 5 sind über zwei Spalte 7 miteinander verbunden. Am höchsten Punkt der Meßkammer 5 ist eine Auslaßöffnung 8 vorgesehen. Das Gehäuse 4 ist von einem Auffangbehälter 9 mit einem Auslaß 10 umgeben. An den Auslaß 10 kann bei Bedarf eine Pumpe 11 angeschlossen werden. In der Meßkammer 5 befindet sich eine Meßkapillare 12 in einem Halter 13 (Abb. 2). Gegenüber der Meßkapillare 12 ist eine Spitze 14 angeordnet.The measuring device consists of a pump 1 , an inlet 2 into a chamber 3 , which is located in a housing 4 and is separated by a partition 6 from a measuring chamber 5 in the housing 4 ( Fig. 1). The chamber 3 and the measuring chamber 5 are connected to one another via two gaps 7 . An outlet opening 8 is provided at the highest point of the measuring chamber 5 . The housing 4 is surrounded by a collecting container 9 with an outlet 10 . If necessary, a pump 11 can be connected to the outlet 10 . In the measuring chamber 5 there is a measuring capillary 12 in a holder 13 ( Fig. 2). A tip 14 is arranged opposite the measuring capillary 12 .

Die Tensidlösung wird von der Pumpe 1 in Richtung des Pfeiles 15 in die Kammer 3 gefördert und in dieser Kammer 3 verwirbelt. Aus der Kammer 3 fließt die Tensidlösung über die beiden Spalte 7 zwischen der Trennwand 6 und dem Gehäuse 4 laminar in die Meßkammer 5. Aus der Meßkammer 5 fließt die Tensidlösung über die Auslaßöffnung 8 in Richtung der Pfeile 16 in den Auffangbehälter 9 und wird von diesem durch den Auslaß 10 in Richtung des Pfeiles 17 von der Pumpe 11 in den Prozeß zurückbefördert bzw. fließt durch den Auslaß 10 in Richtung des Pfeiles 17 zurück in den Prozeß. Die Luft zur Produktion von Blasen in der Tensidlösung, über deren maximalen Innendruck die Oberflächenspannung der Tensidlösung bestimmt wird, wird durch die Meßkapillare 12 in dem Halter 13 in Richtung des Pfeiles 18 in die Meßkammer 5 mit konstantem Volumenstrom eingeblasen. Durch die Spitze 14 gegenüber der Meßkapillare 12 wird gesichert, daß die Blasen bei Erreichen einer definierten Blasengröße platzen.The surfactant solution is conveyed into the chamber 3 by the pump 1 in the direction of the arrow 15 and swirled in this chamber 3 . The surfactant solution flows from the chamber 3 through the two gaps 7 between the partition 6 and the housing 4 in a laminar manner into the measuring chamber 5 . From the measuring chamber 5 , the surfactant solution flows through the outlet opening 8 in the direction of the arrows 16 into the collecting container 9 and is conveyed back by the pump 11 through the outlet 10 in the direction of the arrow 17 into the process or flows through the outlet 10 in the direction arrow 17 back into the process. The air for the production of bubbles in the surfactant solution, the maximum internal pressure of which determines the surface tension of the surfactant solution, is blown through the measuring capillary 12 in the holder 13 in the direction of arrow 18 into the measuring chamber 5 with a constant volume flow. The tip 14 opposite the measuring capillary 12 ensures that the bubbles burst when a defined bubble size is reached.

Durch die nahezu laminare Strömung in der Meßkammer 5 und durch die Auslaßöffnung 8 werden konstante Meßbedingungen geschaffen, die das genaue Arbeiten des Blasendrucktensiometers sichern. Durch die Spitze 14 gegenüber der Meßkapillare 12 werden in dem Blasendrucktensiometer Blasen konstanter Größe produziert, die die Voraussetzung für die Messung der Oberflächenspannung von Tensidlösungen mit einem Blasendrucktensiometer, das mit konstantem Volumenstrom arbeitet, bei definiertem Lebensalter der Blasenoberfläche sind.Due to the almost laminar flow in the measuring chamber 5 and through the outlet opening 8 , constant measuring conditions are created which ensure the precise working of the bubble pressure tensiometer. The tip 14 opposite the measuring capillary 12 produces bubbles of constant size in the bubble pressure tensiometer, which are the prerequisites for measuring the surface tension of surfactant solutions with a bubble pressure tensiometer that works with a constant volume flow at a defined age of the bubble surface.

BezugszeichenlisteReference list

1 Pumpe
2 Einlaß
3 Kammer
4 Gehäuse
5 Meßkammer
6 Trennwand
7 Spalte
8 Auslaßöffnung
9 Auffangbehälter
10 Auslaß
11 Pumpe
12 Meßkapillare
13 Halter
14 Spitze
15 Pfeil
16 Pfeil
17 Pfeil
18 Pfeil 1 pump
2 inlet
3 chamber
4 housing
5 measuring chamber
6 partition
7 column
8 outlet opening
9 collecting container
10 outlet
11 pump
12 measuring capillaries
13 holder
14 top
15 arrow
16 arrow
17 arrow
18 arrow

Claims

1. A method for measuring the surface tension of surfactant solutions with a bubble pressure tensiometer, which operates at a constant volume flow, characterized in that the internal bubble pressure is measured as a measure of the surface tension of the surfactant solution with a constant bubble size and thereby defined surface age in a flow cell and that surfactant is metered in when a predetermined surface tension is exceeded.

2. Device for on-line measurement of the surface tension of surfactant solutions with a bubble pressure tensiometer, which is connected to constant gas flow sources, characterized in that the surfactant solution flows over a chamber ( 3 ) almost laminar into a measuring chamber ( 5 ) in which a measuring capillary ( 12 ) is arranged horizontally in a holder ( 13 ) and in which there is a tip ( 14 ) opposite the measuring capillary ( 12 ), which ensures the production of bubbles of constant size, and that to ensure a constant hydrostatic pressure in the measuring chamber ( 5 ) an outlet opening ( 8 ) is provided.