DE2007944A1 - Kontroll- und Regulierverfahren beim Messen und Dosieren von wasserlöslichen Ocydations- oder Reduktionsmitteln - Google Patents
Kontroll- und Regulierverfahren beim Messen und Dosieren von wasserlöslichen Ocydations- oder ReduktionsmittelnInfo
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Description
B 4526
Rauma-Repola Oy,
Rauman Tehtaat, Rauma/Finnland
Rauman Tehtaat, Rauma/Finnland
Kontroll- und Regulierverfahren beim Messen und Dosieren von wasserlöslichen Qxydations- oder Reduktionsmitteln.
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kontrolle oder Regulierung
beim Messen und Dosieren von wasserlöslichen Oxydationsund Reduktionsmitteln, besonders in Fällen, in denen die Konzentrationsänderungen schnell vor sich gehen und wobei, die Konzentration des Mittels
kontinuierlich gemessen wird mit Hilfe einer Elektrodenkombination, die
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eine Messelektrode, eine Vergleichselektrode und eine Gegenelektrode
umfasst, und in der ein Potential- oder Spannungsunterschied zwischen der Messelektrode und der Vergleichselektrode auf gewünschtem Niveau
konstant gehalten wird, wobei der aus einer äußeren Stromquelle gespeiste Strom, der das Potential konstant erhält, proportional zur
Konzentration des Mittels ist.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann besonders in jenen Fällen zur Anwendung
kommen, in denen die Konzentrationsveränderungen aufgrund von Reaktion und/oder Verdünnung schnell geschehen, wie z. B. bei der
Zellulosebleiche und bei ähnlichen dynamischen Prozessen,
In entsprechenden dynamischen Prozessen hat man für die Kontrolle und
Regulierung der Dosierung des zu messenden Mittels eine kontinuierliche Konzentrationsmessung angestrebt, die auf Eedox-Potontialmessung
basiert. Dieses Messverfahren ist nicht selektiv genug für den zu messenden
Stoff. Dies gilt z.B. iür Chlor, ein in der Industrie viel gebrauchtes
Oxydationsmittel, wobei lie Redox-Potentialmessung durch die Chlorid-Ionen
gestört wird. Darum konnte dieses Verfahren z, B. bei der Kontrolle
und Regulierung der Cfilordosierung in der Chlorierungsphase der
Zellulosebleiche nicht verwendet werden, wenn im Prozeß Meerwasser gebraucht wurde. Auch kann man darin einen Nachteil sehen, daß das Abhängigkeitsverhältnis
zwischen der Konzentration des Mittels und dem Redox-Potential nicht linear ist. Die Genauigkeit des Verfahrens ist auch
nicht immer zufriedenstellend. Die Gebrauchst auglichkeit des Verfahrens
wird u.a.. dadurch veranschaulicht, daß man mit seiner Hilfe z.B. die
automatische Zeiliilosebleiche nicht durchführen konnte, obgleich die bei
der Bleiche verwendeten Chemikalien gerade typisch starke Oxydations-
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mittel (Chlor und seine Verbindungen) oder Reduktionsmittel (SO„ und
Hydrosulfit) sind.
Zur kontinuierlichen Bestimmung der Oxydationsmittelkonzentration kennt
man die amperometrischen Verfahren, die bei der Bestimmung von in
Wasser gelöster Sauerstoffkonzentration Anwendung gefunden haben. In diesem Verfahren werden zwei Elektroden in Wasser getaucht, wobei die
edlere Elektrode durch Einwirkung des im Wasser gelösten Sauerstoffes depolarisiert wird, und im äußeren Stromkreis ein mit der Sauerstoffkonzentration
des Wassers vergleichbarer Strom entsteht. Der Nachteil des Verfahrens besteht darin, daß die unedle Elektrode mit der Zeit
passiviert wird, was auf die Funktion der edlen Elektrode wirkt und fehlerhafte Resultate zeitigt. Das Verfahren ist auch sehr von der Wahl des
Elektrodenmaterials abhängig.
Die obigen amperometrischen Verfahren sind für die Bestimmung einer in
Wasser gelösten Sauerstoffkonzentration angepaßt. Durch diese Verfahren bestimmt man die Sauerstoffkonzentration in Naturwasser und Speisewasser
von Dampfkraftanlagen. In diesen Fällen erfolgen die Konzentrationsveränderungen
des Sauerstoffs langsam und in Abhängigkeit vom Partialdruck des in Berührung mit dem Wasser befindlichen Sauerstoff gases. Die allgemein
gemessenen Konzentrationen sind klein. In diesen "statischen" Fällen mit ziemlich langsamer Konzentrationsänderung geben die bekannten
amperometrischen Verfahren taugliche Ergebnisse. Der Zustand ändert
sich vollkommen, wenn die Konzentrationsänderungen des zu messenden
Mittels schneller sind und wenn Oxydations- und Reduktionsvermögen der zu messenden Mittel stärker sind. Hierbei ist die Korrelation der Messergebnisse
unbefindlich oder schlecht* Das ist natürlich und erklärbar.
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Bei Prüfung der Reaktion eines Oxydationsmittels, z.B. von Chlor, durch die Messelektrode ist die Basisreaktion wie folgt:
2e~" ^± Cl
Mit anderen Worten: Das Chlor wird durch die als Kathode dienende Messelektrode
reduziert. Um der Elektrode die für die Reaktion erforderlichen Elektronen zu entnehmen, muß das Chlor durch die Außenschicht der
Elektrode bis auf die freie Elektronen enthaltende Metallfläche dringen. Unaufgeladen können die Chlormoleküle nur durch Wirkung der Diffusion
durch die Oberfläche dringen. Aufgrund dieser Diffusion ist die Stromausgangsgröße
der Messung durch die auf der Elektrodenoberfläche geschehende Diffusion kontrolliert. Der Strom ist durch folgende Gleichung ausgedrückt:
id = kn '· D : C
in der i, *= Stromdichte, η * die Anzahl der Elektronen, D ■ Diffusionskoeffizient,
C = die molare Konzentration der zu reduzierenden Verbindung, und k = eine Konstante, welche die Faraday-Konstante, die Dicke
der Elektroden* erflache sowie die der Diffusionsschicht enthält. Die
Messgenauigkeit hängt also sehr von der Dicke der Diffusionsschicht und der Diffusionsgeschwindigkeit an dieser Stelle ab. In Fällen mit langsamen
Veränderungen kommt die Wirkung der Diffusion nicht zum Vorschein.
Der Zweck der vorliegenden Anmeldung ist die Beseitigung der oben angeführten
Nachteile. Diese Aufgabe wurde mit dem erfindungsgemäßen Kontroll- und Regulierverfahren dadurch gelöst, daß man die Reaktionsmischung,
Lösung oder Zellulose dazu bringt, mit einer Schnelligkeit
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von 0.5 m/Sek oder mehr an den Elektroden vorüberzufließen, daß die
Entfernung der Vergleichselektrode von der Messelektrode = IO mm ist, wobei die Messelektrode kathodisch vor Korrosion geschützt ist,
und daß die beim Messen erhaltenen Stromwerte(mA) oder Spannungswerte
(mV) zur Kontrolle und Regulierung der Dosierung des gemessenen Mittels gebraucht werden.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren erhält man eine Messgenauigkeit,
die auch in Fällen mit dynamischen, schnellen Konzentrationsänderungen gut und verläßlich ist sowie auch unter Bedingungen, wenn der Korrosionseffekt des zu messenden Oxydations- oder Reduktionsmittels groß ist.
Der Sauerstoffgehalt (z. B. Chlor) kann wiederholt auch nach langen Zeitabständen
bestimmt werden, und das Verfahren ist auch nicht von der Wahl der Elektroden abhängig.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist sehr wirtschaftlich im Gebrauch z.B.
bei der automatischen Zellulosebleiche. Im !folgenden sind verschiedene
Anwendungsarten der Erfindung erklärt, wobei auf die anliegenden Zeichnungen hingewiesen wird. Hieraus werden weitere Merkmale der Erfindung
ersichtlich.
Es zeigen:
Fig. 1 ein erfindungsgemäßes Schaltungsschema;
Fig. 2 eine beim Messen gebrauchte erfindungsgemäße Elektrodenkombination;
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Fig. 3 ein erfindungsgemäßes automatisches Dosieren von Chlor bei der Zellulosechlorierung;
Fig. 4 Messergebnisse von der Zellulose des Chlorierungsturmes;
Fig. 5 Messergebnisse von einer NaOCl-Wasserlösung;
Fig. 6 Messergebnisse von einer S0„-Wasserlösung und
Fig. 7 Messergebnisse von einer Chlorwasser lösung.
Durch Einstellung der Vergleichselektrode in unmittelbare Nähe der Fläche
der Messelektrode erhält man durch den Stromkreis nach dem Schaltungsschema der Fig. 1 den bestmöglichen kathodischen Korrosionsschutz für
die Messelektrode. Wenn die eine Korrosion oder ein Auflösen der Messelektrode verursachende Konzentration des Mittels auf der Oberfläche der
Messelektrode anwächst, tendiert das Potential zwischen Messelektrode und der deren Oberflächenschicht messenden Vergleichselektrode dazu,
sich aufgrund der Einwirkung der Konzentrationsänderung zu verändern. Da die Veränderung des Potentials durch einen Regulierwiderstand oder
Potentiostat oder einen Spannungskonstanter kompensiert wird, indem der Stromquelle Zusatzstrom entnommen wird, wächst die Elektronenreserve
so an, daß sie für die Elektrodenre&tion genügt und das Elektrodenmetall
keine Elektronen abzugeben braucht, was Auflösen der Elektrode und Korrodieren zur Folgt hätte. Ätzen der Messelektrode verändert deren
Fläche, wasÄndern der Stromdichte und fehlerhafte Messergebnisse zur Folge hätte. Versuche haben ergeben, daß aufgrund des elektrischen
Korrosionsschutzes die Messgenauigkeit auch beim Messen mit stark
korrodierenden Verbindungen wie Chlor und Chlordioxyd in chloridhaltigen
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Wasserlösungen gut bleibt.
Die als Ausgangsgröße erhaltenen Ströme oder Spannungen sind bei diesen
Messungen der Konzentration des zu messenden Mittels direkt vergleichbar.
Durch Wahl des Konstantpotentials kann die gerade Linie, die die Abhängigkeit
zwischen Strom und Konzentration des Mittels darstellt, durch
Origo gezogen werden/ was durch die Gleichung y = kx ausgedrückt wird.
Die einfache Wechselbeziehung zwischen der zu messenden Größe und der
Messgröße ermöglicht beim Dosieren des Mittels ein direktes Ablesen
an einem mA Messgerät, indem man einen Koeffizient nimmt. Entsprechend
kann man das mA Messgerät oder dessen Zeigerstellung direkt in Konzentrationswerten
kalibrieren. In Prozessen mit schnellen Konzentrationsänderungen
erhält man, wenn man die Messergebnisse von automatischer Dosierungsregulierung gebraucht, die besten Resultate durch das Zweipunkt
regulier sy stern. In Fig. 3 ist das Schema eines automatischen Reguliersystems für Dosierung gezeigt, das nach dem Zweipunktsystem
arbeitet.
Nach Fig. 3 leitet man gasförmiges Chlor durch ein Ventil 8 in Richtung
des Pfeiles 9 in die Zellulosemasse, die sich in Richtung des Pfeiles 10 bewegt. Hierbei gerät die teilweise verchlorte Zellulose zugleich mit
unreagiertem Chlor in Wasserlösung zum Chlorierungsturm 11, in dem die so gebildete Reaktionsmischung zusammen mit der Zellulose von unten
nach oben fließt, wobei der Gehalt des unreagierten Chlors beim stetigen
4526
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Aufwärtsgehen sinkt. Den Chlorgehalt erhält man durch einen Messanzeiger
26, wobei das Messergebnis durch Vermittlung eines Messmelders 14 zu einem anzeigenden Regulator 16 geht, der durch Vermittlung
eines Leitungskabels 18 das Speiseventil 8 des Chlors so reguliert, daß
der Messanzeiger ausweist, daß der Chorgehalt beim eingestellten Wert bleibt. Vom Messanzeiger 27 erhält man den Restchlorgehalt im Oberteil
des Turmes. Vom Messanzeiger 27 gerät das erhaltene Messergebnis zu einem Messmelder 13 und von dort zu einem zeichnenden Regulator
15, der überwacht, daß der Chlorgehalt am Messanzeiger 27 nicht die eingestellten Grenzen übersteigt. Sind die Grenzen überschritten,
regelt der Regulator 15 den Einstellwert des Regulators 16 durch Vermittlung eines Leitungskabels 17 so, daß der Chlorgehalt beim Messanzeiger
27 zu den eingestellten Grenzen zurückkehrt.
Die Messungen werden bei zwei Messpunkten 1 und 2 vorgenommen, bei
denen die Konzentration des zu messenden Mittels aufgrund der Reaktion und/der der Verdünnung verschieden groß ist. Die Messgröße des ersten
Messpunktes gibt den Einstellwert; wenn die Messwerte von diesem abweichen, reguliert das Reguliersystem die Dosierungsventile nach dem
im voraus geplanten Programm derart, daß die Messwerte mit dem Einstellwert übereinstimmen. Der Messgröße des im Prozess folgenden
zweiten Messpunktes sind Grenzwerte gegeben. Wenn die Messwerte die
gegebenen Grenzwerte überschreiten, korrigiert das Reguliersystem die
Einstellwerte im Messpunkt 1 so, daß die Messwerte des Messpunktes 2
zu den eingestellten Grenzwerten zurückkehren.
In der anliegenden Fig. 1 ist das Schaltungsschema der beim Konzentrations·
messen nach dem erfindungsgemäßen Verfahren gebrauchten Anlage ge-
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zeigt. Die Messelektrode - Kathode 1 - kann aus Metall, Metallegierung
oder Kohle bestehen. Die Gegenelektrode - Anode 2 - kann aus demselben Material wie die Messelektrode 1 bestehen. Beim Messen können die
Elektroden 1 und 2 aus demselben oder aus verschiedenem Material sein. Als Vergleichselektrode 3 können bekannte Vergleichselektroden gebraucht
werden, wie z. B. Kalomelelektrode!!. Den Strom erhält man von der Stromquelle 4. Mit Hilfe eines Regulierwiderstandes 5 oder eines
diesen ersetzenden Potentiostats oder Spannungskonstanters wird der Gegenelektrode 2 solcher Strom zugeleitet, daß das Potential oder der
Spannungsunterschied zwischen der Vergleichselektrode 3 und der Messelektrode 1 auf gewünschter Größe verbleibt und konstant ist. Die Anzeigen
des Strommessers 6 und des Spannungsmessers 7 sind der Konzentration des zu messenden Mittels vergleichbar. Die gemessenen Stromwerte I2 und die Spannungswerte U« können als solche oder verstärkt zur
Kontrolle und Regulierung der Dosierung verwendet werden. Der Strommesser ist in der Zeichnung 1 mit dem Buchstaben A und der Spannungsmesser
mit dem Buchstaben V bezeichnet. I„ bezeichnet die Werte des
Strommessers und IL und U2 die Werte des nächstgelegenen Spannungsmessers.
In Fig. 1 zeigt die gestrichelte Linie 20 mechanische Verbindung (z. B. der
Mensch) zwischen Spannungsmesser 25 und Regulierwiderstand. Nach neutechnischen Methoden kann diese Verbindung besser elektronisch, z.B.
durch Gebrauch eines Potentiostats oder Spannungskonstanters, hergestellt
werden.
Da die Anordnung der Vergleichselektrode 3 hinsichtlich der Messelektrode 1 von ausschlaggebender Bedeutung für die Messgenauigkeit der Mess-
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elektrode und deren Korrosionsschutz ist, ist in Fig. 2 eine beim Messen
verwendete Elektrodenkombination gezeigt, welche die Stellung der verschiedenen Elektroden zueinander zeigt. Die Schaftteile 22 der Elektroden
1 und 2 sind aus elektrisch leitendem Material, wie Metall, das von einer Isolierschicht 21 bedeckt ist, wobei nur der eigentliche Elektrodenteil
(Elektrodenscheibe) 23 unbedeckt bleibt, welche Elektrodenteile 23
in Elektrizität leitender Verbindung mit den Schaftteilen 22 stehen. Die Vergleichselektrode 3 kann, wie aus Fig. 2 hervorgeht, von in
Laboratorien und in der Industrie allgemein gebrauchtem Typ sein, in dessen Glasmantelinnerem25 sich in gesättigter KCl-Lösung Kalomel-
oder Silberchloridelektroden-Metallteile befinden. Die Vergleichselektrode muß Flüssigkeitsverbindung mit der zu messenden Lösung haben. Die
Elektroden sind folgendermaßen bezeichnet: Messelektrode 1, Gegenelektrode 2 und Vergleichselektrode 3. Wie Fig. 2 zeigt, ist die Glasplatte
am Messkopf der als Vergleichselektrode verwendeten Kalomelelektrode schräg geschliffen, wobei der Winkel cC den Abstand der Spitze der Fiberkapillare von der Fläche der Messelektrode bestimmt. Der untere Teil
der Vergleicheelektrode ist go auf die Fläche der Messelektrode gegtützt, daß der Abstand unveränderlich bleibt.
Im folgenden sind durch Hinweise auf die Zeichnungen die durch das erfindungsgemäße
Verfahren erhaltenen Prüfungsergebnisse dargestellt. Die Messungen wurden mit Platinelektroden durchgeführt wobei als Ver
gleichselektroden Kalomelelektroden gebraucht wurden. Bei den Versuchen betrug die Stromgeschwindigkeit 1 m/Sek, der Abstand der Vergleichselektrode von der Fläche der Messelektrode war O12 mm.
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In Fig. 4 sind die erfindungsgemäßen Ergebnisse der Chlorkonzentrationsmessungen
von im kontinuierlich arbeitenden Chlorierungsturm gechlorter Zellulose dargestellt. Die Strommessungen wurden direkt an der Masse
gemacht und der Chlorgehalt wurde an aus der Masse entnommenen Lösungsproben durch Titrieren bestimmt. Im Diagramm nach Fig. 4
stellt die senkrechte Achse das Restchlor in Gramm je Liter dar und die
waagerechte Achse zeigt den Strom in mA. Beim Chlorieren wurde Meerwasser als Suspensionsflüssigkeit verwendet, die Chlordichte betrugt 3%
und der pH-Wert 2. Die Zelluloseprobe wurde dem Chlorierungsturm 5 Minuten nach Zusatz des Chlors entnommen und durch die Elektrodenkammer
gepumpt. Der Spannungsunterschied zwischen Messelektrode und Vergleichselektrode
wurde durch ein Potenti;o stat oder einen Spannungskonstanter auf 600 mV gehalten. Der aus dem Ergebnis berechnete
Korrelations-Koeffizient zwischen Ström und Chlorgehalt betrug 0,993. Die
Messungen wurden fortlaufend in der Zeit von 5 Tagen durchgeführt. Die
am ersten Tage erhaltenen Messresultate sind durch das Zeichen Q angezeit,
die Messresultate des zweiten Tages erhielten das Zeichen ^s, ,
die des dritten Tages das Zeichen yi , die des vierten Tages das '
Zeichen # , und die des fünften Tages das Zeichen ο ·
In Fig. 5 ist die durch das erfindungsgemäße Verfahren gemessene Abhänigkeit
zwischen Strom und Chlorgehalt der Hypochloritwasserlösung gezeigt. Fig. 5 zeigt in grafischer Ausführung durch die senkrechte Achse
den Strom in Milliampere und durch die waagerechte Achse den Chlorgehalt in Gramm pro Liter. Die Messungen wurden bei einer Temperatur
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von 20 und 350C gemacht. In beiden Temperaturfällen betrug die konstante
Spannung Ul -400 Millivolt. Der pH-Wert der Natriumhypochloritlösung betrug 10,5.
In Fig. 6 ist die durch das erfindungsgemäße Verfahren gemessene Wechselbeziehung zwischen Strom und Schwefeldioxydgehalt einer
Schwefeldioxydwasser lösung dargestellt. Durch die senkrechte Achse
ist der Strom in mA gezeigt und durch die waagerechte der Schwefeldioxydgehalt in Gramm pro Liter. Der pH-Wert der Schwefeldioxydwasserlösung
betrug 2-3. Die konstante Spannung Ul betrug - 1100 mV.
In Fig. 7 ist die durch das erfindungsgemäße Verfahren gemessene Abhängigkeit zwischen Spannung und Chlorgehalt einer Chlorwasserlösung
dargestellt. Durch die senkrechte Achse ist hier die Spannung U2 in mV dargestellt und durch die waagerechte Achse der Chlorgehalt
in Gramm pro Liter. Die konstante Spannung Ul betrug 350 mV,
der pH-Wert der Chlorwasserlösung 1,5.
4526/We 0098*3/1206
Claims (7)
- Patentanspr ücheU Verfahren zur Kontrolle oder Regulierung beim Messen und Dosieren von wasserlöslichen Oxydations- und Reduktionsmitteln, besonders in Fällen, in denen die Konzentrations änderungen schnell vor sich gehen und wobei die Konzentration des Mittels kontinuierlich gemessen wird mit Hilf e einer Elektrodenkombination, die eine Meßelektrode, eine Vergleichselektrode und eine Gegenelektrode umfaßt, und in der ein Potential- oder Spannungsunterschied zwischen der Meßelektrode und der Vergleichselektrode auf gewünschtem Niveau konstant gehalten wird, wobei der aus einer äußeren Stromquelle gespeiste Strom, der das Potential konstant erhält, proportional zur Konzentration des Mittels ist, dadurch gekennzeichnet, daß man die Reaktionsmischung, Lösung oder Zellulose dazu bringt, mit einer Schnelligkeit von 0,5m/Sek. oder mehr an den Elektroden vorüberzufließen, daß die Entfernung der Vergleichselektrode von der Meßelektrode gleich 10 mm ist, wobei die Meßelektrode kathodisch vor Korrosion geschützt ist, und daß die beim Messen erhaltenen Stromwerte (mA) oder Spannungswerte (mV) zur Kontrolle und Regulierung der Dosierung des gemessenen Mittels gebraucht werden.
- 2. Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das automatische Regulierender Dosierung nach dem Zweipunkt-Reguliersystem so ausgeführt wird, daß die Messungen an zwei Meßpunkten geschehen, in denen die Konzentration des zu messenden Mittels aufgrund4526 009843/1206von Reaktion und/oder Verdünnung verschieden ist, wobei der Meßgröße des ersten Meßpunktes ein Einstellwert gegeben wird, der nach einem voraus eingestellten Programm ein Dosierungsventil, reguliert, während die Meßgröße des zweiten Meßpunktes Grenzwerte erhält, bei deren Überschreiten die Reguliervorrichtung für Meßpunkt @)den Einstellwert des Meßpunktes (l)so reguliert, daß die Meßgröße in Punkt 2 zu den eingestellten Werten zurückkehrt.
- 3. Verfahren nach Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß es bei der Dosierung von Chlorierungschlor für Chlorierung gebraucht wird.
- 4. Verfahren nach Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß es bei der Dosierung von Hypochlorit in der Hypochloritbleiche gebraucht wird.
- 5. Verfahren nach Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß es bei der Dosierung von Chlordioxyd in der Chlordioxydbleiche gebraucht wird.
- 6. Verfahren nach Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß es bei der Dosierung von Peroxyd in der Peroxydbleiche gebraucht wird.
- 7. Verfahren nach Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß es bei der Dosierung von Hydrosulfit in der Hydrosulfitbleiche gebraucht wird.009843/1206
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