DE3130529C2

DE3130529C2 - Vorrichtung zur Messung des Zetapotentials

Info

Publication number: DE3130529C2
Application number: DE19813130529
Authority: DE
Inventors: Ulrich Dr. 5303 Bornheim Beck; Eckart 4000 Düsseldorf Rohloff; Erich 5090 Leverkusen Ziebarth
Original assignee: Bayer AG
Current assignee: Bayer AG
Priority date: 1981-08-01
Filing date: 1981-08-01
Publication date: 1985-01-31
Also published as: DE3130529A1

Abstract

Der bei der Messung des Strömungspotentials durchströmte Feststoffsuspensionsstopfen kann in einer Meßkammer reproduzierbar gebildet werden, wenn ein seitlicher Stutzen vorhanden ist, über den sie befüllt und entleert werden kann. Eine solche Vorrichtung ist für einen automatischen Betrieb besonders geeignet, wodurch es möglich wird, quasi kontinuierlich Zetapotentiale an Feststoffsuspensionen zu ermitteln.

Description

2. Vorrichtung .nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser und die Länge der Kammer (2) größenordnungsmäßig gleich sind.

3. Vorrichtung nach Ansprüchen 1 bis 2. dadurch gekennzeichnet, daß der Druck in den Hilfskammern (3,4) vermindert werden kann.

4. Verwendung einer Vorrichtung nach Ansprüchen 1 bis 3 zur intervallweisen Überwachung bei der Papierherstellung und als Signalgeber für die automatische Steuerung der Zugabe von Hilfsstoffen bei der Papierherstellung.

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung des Zetapotentials, enthaltend eine Kammer, die zur Aufnahme eines Stopfens einer Feststoffsuspension dient und an zwei gegenüberliegenden Seitenflächen mit Hilfskammern verbunden ist, wobei Kammer und Hilfskammmern eine Einheit bilden, aber durch siebförmige Elektroden abgeteilt sind. Mittel, damit die Kammer in beiden Richtungen von einer Lösung durchströmt werden kann, sowie Meß- und Steuereinrichtungen.

In der letzten Zeit hat das Zetapotential bei der systematischen Betrachtung von Retensionsvorgängen der Papierindustrie große Bedeutung erlangt. Mit Zetapotential wird global die elektrische Potentialdifferenz umschrieben, die sich zwischen der Oberfläche eines geladenen Feststoffteilchens (ζ. Β. Zellstoff-Fasern) und der elektrolythaltigen Flüssigkeit, in der es sich befindet, ausgebildet. In der Papierindustrie ermöglicht eine Messung des Zetapotentials am Stoffauflauf bei einigen speziellen Systemen — wie z. B. Laminatpapier — eine Optimierung und effektivere Steuerung des Produktionsprozesses.

Das Zetapotential kann grundsätzlich durch die Mikroelektrophorese ermittelt werden. Da hierbei jedoch Partikelgrößen unter 20 μΐη bleiben sollten und eine starke Verdünnung erforderlich ist, hat sich diese Methode bei einer faserigen Zellstoffsuspension nicht bewährt. In der Papierindustrie wird daher üblicherweise das Zetapotential nach der Strömungspotential-Methode ermittelt. Eine zusammenfassende Darstellung findet sich beispielweise in Das Papier, 29 (1975) 514/518. Man bildet zunächst aus den Feststoffteilchen der Suspension einen Stopfen (Gesamtgewicht trocken ca. 1,5 g) und bringt diesen Stopfen dann zwischen 2 gelochte Platinelektroden. Bei der Messung wird die flüssige Phase der zu untersuchenden Suspension in beiden Richtungen durch den Stopfen hindurchgedrückt und die an den Elektroden auftretende Potentialdifferenz registriert. Solche Messungen sind beispielsweise beschrieben in Das Papier, 29 (1975) 529/534.

In der DE-OS 23 26 409 ist e:ne Apparatur beschriebea mit der auch das Zetapotential faseriger Feststoffe gemessen werden solL Die für die Zetapotentialmessung erforderliche Stopfenbildung soll hier durch ein Sieb bewirkt werden.

Eine Stopfenbildung ist auch in »Das Papier« 29 (1975) 534/41 beschrieben. Die manuelle Bildung des Stopfens ist praxisfremd. Sie scheint allenfalls für labormäßige Untersuchungen sinnvoIL
Es hat sich in allen Fällen gezeigt, daß die gemessenen Potentialwerte stark davon abhängen, wie der Pfropfen gebildet wird. Die nach der DE-OS 23 26 409 gemessenen Potentialwerte ändern sich sogar mit der Strömungsgeschwindigkeit und hängen von der Stoffdichte der Supension ab. Ob tatsächlich das Zetapotential ge-

messen wird oder, wie durch viele Versuche nachgewiesen werden kann, ein »Störeffekt« registriert wird, kann ohne parallel dazu laufende Laboruntersuchungen nicht entschieden werden. Betriebsuntersuchungen sind bisher nicht möglich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Zetapotential in Intervallen automatisch exakt zu messen. Die Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gelöst, bei der an der Kammer ein seitlicher Stutzen und Mittel zum selbsttätigen Füllen und Leeren der Kammer durch den Stutzen vorhanden sind. Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Der Hauptvorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung liegt darin, daß sich damit in reproduzierbarer Weise ein Stopfen ohne manuelle Maßnahmen aus der zu untersuchenden Feststoffsuspension bilden läßt, und die an der Apparatur gemessenen Potentialwerte eindeutig mit dem Zetapotential korreliert sind, wie durch Laboruntersuchungen nachgewiesen werden konnte. Auch bei Feststoffsuspensionen sehr unterschiedlicher Dichte und mit Teilchen in einem weiten Größenbereich läßt sich ein Stopfen mit gleichförmiger reproduzierbarer Dichte bilden. Zwar wird nach dieser Methode keine kontinuierliche Messung des Zetapotentials möglich, es fallen die Meßwerte in Intervallen zwischen 2 und 20 Minuten an, eine solche diskrete Meßwertfolge ist jedoch bei einem Haupteinsatzgebiet, der Papierherstellung, ausreichend und immer noch sehr vorteilhaft Da relativ schnell erkannt werden kann, wenn Veränderungen in der Feststoffsuspension auftreten, kann der unvermeidliche Ausschuß z. B. bei der Laminatpapierherstellung erheblich reduziert werden. Besonders auch beim Anfahren einer Produktion bis zum Erreichen des Optimums von Retention (beispielsweise Aschegehalt und Reißfestigkeit) ist die quasi kontinuierliche Messung des Zetapotentials sehr nützlich. Statt erst nach üblicherweise 10 Stunden kann das Optimum mittels der Zetapotential-Überwachung nach etwa 4 Stunden erreicht werden.

Bei der Laminatpapier- bzw. Tissuepapier-Herstellung werden verhältnismäßig wenig verschiedene Hilfsmittel und ein relativ hoher Gehalt an kationischen Retentions- bzw. Naßfestmitteln zugegeben. In einem solchen Fall kann der Wert des Zetapotentials direkt zur Produktionssteuerung herangezogen werden, die Intervallzeit ist kleiner als die Zeit, in der auf einer großen Papiermaschine ein Tambour (= eine große Papierrolle) produziert wird (20 bis 30 Minuten).

Es hat sich gezeigt daß das Zetapotential zuverlässig gemessen werden kann, wenn der Abstand der Elektroden größenordnungsmäßig gleich ist mit dem Durchmesser der Kammer. Ein Stopfen mit solcher Geometrie ist besonders einfach automatisch zu erzeugen.

Die Stopfenbildung kann beschleunigt und verbessert werden, wenn an den seitlich an der Kammer angebrachten Elektroden rückseitig ein Vakuum anliegt

Die Erfindung ist in der Zeichnung beispielhaft beschriebe«. Es zeigt: to

F i g. 1 Prinzipskizze der Meßapparatur

Fig.2 Zetapotentialmessung in Abhängigkeit von der Konzentration eines Retentionsmittels in einer Zellstoffsuspension

Die Apparatur besteht aus der eigentlichen Meßvorrichtung 1, hier in Form eines U-förmigen Glasrohres, mit zugehörigen Steuerventilen und einer Steuer- und Regelelektronik. Die Meßvorrichtung I läßt sich in drei Abschnitte unterteilen, eine Kammer 2, in der der zu untersuchende Feststoffpfropfen liegt sowie zwei seitlich daran anschließenden Hilfskammern 3,4 die in diesem Beispiel nach oben abgeknickt sind. Diese Form ist deshalb besonders zweckmäßig, weil so einfach Druck auf die Wassersäule aufgegeben werden kann. Von der Kammer 2 zweigt senkrecht ein Stutzen 5 ab; seine Nennweite ist die des üblichen Glasrohres NW 25. Die Kammer 2 ist von den beiden Hilfskammern 3 und 4 durch Elektroden 6 abgeteilt Sie sind über den ganzen Querschnitt als Sieb ausgebildet; Lösung kann in die Hilfskammern gelangen, die Feststoffteilchen werden in der Kammer 2 zurückgehalten. Bei der Untersuchung eines Papierfaserbreis war die Maschenweite der Elektroden 1 mm; die Drahtstärke 0,5 mm, der Werkstoff 1.4401. Der Elektrodenabstand war 55 mm. Die zwischen den beiden Elektroden herrschende Potentialdifferenz wird registriert

Die Kammer 2 wird über den Einlauf 7 gefüllt. Über 8 kann Wasser, über 9 Luft eingespeist werden. Nach der Messung wird die Kammer 2 über den Auslauf 10 entleert. 11 und 12 sind Schlauchmembranventile. Das U-Rohr (NW 25) ist an beiden Seiten mit entlüftbaren Absperrventilen 13,14 versehen. Die Ventile 15,16 sind als 2/3-Wegeventile ausgebildet. 17 ist ein Belüftungsventil an einer Vakuumleitung; 18 ist als Feindruckeinstellventil ausgebildet.

a) Stopfenbildung

Bei der Stopfenbildung sind die Ventile 11, 13, 14, 15 zu Ventil 16,16 zum Vakuum geöffnet. Ventil 12 ist geschlossen. Das Ventil 17 wird 1 bis 4 mal pro Minute für ca. 5 Sekunden geöffnet. Über das Ventil 11 dringt Zellstoffsuspension in die Kammer 2 ein, und es bildet sich zwischen den Elektroden 6 ein Stopfen. Ehe die Hilfskammern 3, 4 vollständig mit Suspension gefüllt sind hat sich in der Regel schon ein brauchbarer Stopfen gebildet. Das kurze, wiederholte öffnen des Absperrventils 17 begünstigt die Stopfenbildung. Durchschnittlich dauert die Stopfenbildung 10 Minuten.

b) Messen

Die Ventile 11, 12, 17 sind geschlossen; das Ventil 15 zu 16 und das Ventil 16 zur Druckluft (0,2:0,8 bar) ist geöffnet. Durch entsprechendes Ansteuern der Ventile 13 und 14 wird die Flüssigkeit abwechselnd von links und rechts durch den Stopfen in der Kammer 2 gedrückt. Ein Durchströmvorgang dauert zwischen 2 und 16 Sekunden.

c) Spülen

Bei geschlossenen Ventilen 11 und 17, sowie bei offenen Ventilen 12,13,14 und Ventil 15 zum Wasser hin wird der Stopfen über das Schlauchmembranventil 12 ausgespült

d) Entleeren

Die Ventile 12,13,14 sind offen: die Ventile 11 und 17 geschlossen; das Ventil 15 ist nach dem Ventil 16 und das weiter zur Druckluft geschaltet Das restliche Spülwasser wird über den Auslauf 10 ausgeblasen.

In F i g. 2 ist das mit der Apparatur gemessene Zetapotential in Abhängigkeit von der Zugabe eines Retentionsmittels dargestellt Auf der Ordinate ist das umgerechnete Zetapotential in Millivolt auf der Abszisse die Konzentration in Gew.-% bezogen auf den Zellstoffgehalt, dargestellt. Die Suspension besteht aus gebleichtem Sulfitzellstoff. Das Zetapotential wird nach der Smoluchowski-Helmholtz-Gleichung berechnet.

ZP

4 η ,, i< U Dp

wobei η die Viskosität, D die Dielektrizitätskonstante, y die spezifische Leitfähigkeit, U das Strömungspotential und ρ den Differenzdruck auf den beiden Wassersäulen bedeuten.

Es ergibt sich eine große Übereinstimmung mit den aufwendigen Labormeßdaten.

In diesem speziellen Fall erfolgt eine Umladung der Fasern durch Zugabe kationischer Retentionsmittel und damit die optimale Flockung bei Zetapotentialwerten umO.

Bei der Laminatpapierherstellung wird beispielweise ein Zetapotential von ca. +15 Millivolt für optimale Retention angestrebt.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Messung des Zetzpotentials, enthallend eine Kammer (2). die zur Aufnahme eines Stopfens einer Feststoffsuspension dient und an zwei gegenüberliegenden Seitenflächen mit Hilfskammern (3, 4) verbunden ist, wobei Kammer (2) und Hilfskammern (3, 4) eine Einheit bilden, aber durch siebförmige Elektroden (6) abgeteilt sind. Mittel, damit die Kammer (2) in beiden Richtungen von einer Lösung durchströmt werden kann, sowie Meß- und Steuereinrichtungen, dadurch gekennzeichnet, daß an der Kammer (2) ein seitlicher Stutzen (5) und Mittel zum selbsttätigen Füllen und Entleeren der Kammer (2) durch den Stutzen (5) vorhanden sind.