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Beschreibung
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Verfahren zur schnellen Bestimmung der Konzentration von Lignin,
Monosacchariden und organischen Säuren in Prozeßlösungen des Sulfitaufschlusses
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur schnellen Bestimmung des Gehalts von Lignin,
Monosacchariden und organischen Säuren in Prozeß lösungen des Sulfitzellstoffaufschlusses.
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Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren bereitzustellen,
mit dem in kurzen Zeitabständen Meßdaten über die Konzentration von sulfoniertem,
gelöstem Lignin, Monosacchariden und organischen Säuren erhalten werden, um die
Sulfitzellstoffkochung oder andere Prozesse der Zellstoffherstellung oder der Herstellung
von Nebenprodukten zu steuern bzw. zu regeln und die Ablauge zu charakterisieren.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß man die beim
Sulfitaufschluß aus Ligninmaterial erhaltenen, die UV-Absorptions- und andere Messungen
störenden nichtionisierbaren Verbindungen mit Hilfe des Ionenausschluß-
Verfahrens
abtrennt und daß man die Konzentrationsbestimmungen in dem aus der Trennsäule austretenden
Flüssigkeitsstrom mit UV-Verfahren bei einer Wellenlänge von 280 nm oder 260 nm,
mittels des Brechungsindexverfahrens und/oder des Polarimeterverfahrens ausführt.
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In der Veröffentlichung von Shaw A.C., "Determinationvof sugars in
waste sulphite liquor", Can. Pulp Paper Ind.
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10 (1957) 11, 49-50, ist die Anwendung des Ionenausschlußverfahrens
zur Reinigung von Zuckern der Sulfitablauge vor der Bestimmung der reduzierenden
Zucker angegeben. In einigen Forschungen ist später das Ionenausschlußverfahren
bei Lignosulfonat-Zucker-Trennungen in Labor-Untersuchungen verwendet worden (siehe
z. B Felicetta C.F., Lung M., McMarthy J.L., Spent sulphite liquor VII. Sugar-lignin
sulphonate separations using ion exchange resins. TAPPI 42 (1959), 6, 496-502.
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Das Verfahren war zeitaufwendig, die Trennungen dauerten von einer
Stunde bis zu mehreren Stunden und beabsichtigt war eine Gruppentrennung für weitere
Analysen hinsichtlich der Eigenschaften und Identifizierung der Verbindungen der
Sulfitablauge. Für direkte Konzentrationsbestimmungen ist das Ionenausschluß-Verfahren
bisher nicht angewandt worden, sondern meistens als Vorbehandlung vor andersartigen,
im Laboratorium manuell auszuführenden Konzentrationsbestimmungen. Das wichtigste
Merkmal des Verfahrens nach der Erfindung, d. h. die Entfernung von Verbindungen,
die die UV-Messung des Lignins stören, durch Ionenausschluß ist neu.
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Man hat früher versucht, solche Konzentrationsdaten, die mit Hilfe
des erfindungsgemäßen Verfahrens erhalten
werden können, durch direkte
Messungen in den Prozeßlösungen zu erhalten. Früher wurden Konzentrationsbestimmengen
meistens in Zellstoffkochlösungen ausgeführt.
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Es ist üblich, den Verlauf des Sulfitaufschlusses visuell durch Vergleichen
der Farbe der Kochlösung mit einem Farbstandard zu verfolgen. In den 1950-1960iger
Jahren wurden für die Farbmessungen Kolorimeter in Gebrauch genommen, mit welchen
die Durchsichtigkeit der Lösung bei einer gewissen Wellenlänge des sichtbaren Lichtes
kontrolliert werden kann (Meindl N., Lichtabsorptionsmessungen an Kochsäuren, im
Zusammenhang mit dem Aufschlußgrad und der technologischen Anwendung in der Sulfitzellstoffherstellung,
Dissertation, Technische Hochschule Graz, 1961). Aufgrund der kolorimetrischen Bestimmung
der Farbe der Kochlösung wurde die Automatisierung des Sulfitkochens angegeben.
(AT-Patent 212 687).
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In den 1950iger Jahren wurde auch eine sich auf die Absorption der
UV-Strahlung gründende Messung bzw. Bestimmung des Lignins als Grundlage für die
Steuerung des Sulfitaufschlusses vorgeschlagen. Im Prinzip kann die UV-spektrophotometrische
Bestimmung des Lignins bei den Grenzwertpunkten des UV-Spektrums erfolgen. Diese
sind Maxima bei 200 bis 205 nm und 280 nm und ein Minimum bei 260 nm. Eine "Schulter"
bei 230 nm ist auch vorgeschlagen worden. In der Veröffentlichung von Patterson
R.F., Keas J.L., Hart J.S., Strapp R.K. und Luner P. "The spectrophotometric determination
of lignin in sulphite cooking liquor, Pulp paper mag. Can. 52 (1951), 105-111 wird
die Ligninbestimmung bei 280 nm angegeben. Es zeigt sich jedoch, daß während des
Kochens UV-absorbierende, nicht von Lignin stammende Verbindungen erzeugt wurden,
die zu fehlerhaften Meßergebnissen führten, besonders gegen Ende des Kochens. Nach
Kleinert T.N., Joyce C.S., "Short
Wavelength ultraviolet absorption
of lignin substances and its practical application in wood pulping", TAPPI 40 (1957),
10, 813-821 erfolgt die Messung bei 205 nm mit sehr dünnen Küvetten mit einer Verdünnungsvorrichtung.
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Später wurde gezeigt (Schöning A.G. und Johansson G.
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"The ultraviolet absorption of sulfite waste cooking liquor", Svensk
papperstidn. 62 (1959), 646-648 und Sjöström E. und Haglund P. "Spectrophotometric
determination of the dissolution of lignin du in sulfite cooking", TAPPI 47 (1964),
5, 286-291, daß Schwefeldioxid die Bestimmung bei 205 nm stört, und diese Messung
demnach nicht nur Lignin erfaßt.
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UV-spektrometrische Bestimmungen werden also hauptsächlich von Schwefeldioxid
im Anfangsbereich des UV-Spektrums und von Abspaltungsprodukten der Kohlenhydrate,
Furfural und 5-Hydroxymethylfurfural, bei größeren UV-Wellenlängen gestört, so daß
die Bestimmung bei keiner Wellenlänge der Grenzwertpunkte des UV-Spektrums von Lignin
zuverlässig ist. Die kolorimetrischen Bestimmungen leiden an den gleichen Mängeln:
während des Sochens entstehen je nach den Kochbedingungen auch im sichtbaren Wellenlängenbereich
absorbierende Verbindungen.
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Man hat früher zur Bestimmung von Kohlenhydraten, meistens Monosaccharide,
die bei der Sulfitkochung entstehen, keine Schnellbestimmung vorgeschlagen. Eine
polarimetrische Bestimmung von Kohlenhydraten gibt jedoch wichtige Auskünfte über
den Fortgang des Kochens besonders gegen Ende des Aufschlusses. Eine Direktbestimmung
aus der Prozeßlösung wäre in den meisten Fällen unmöglich, da die in der Lösung
vorhandenen Ligninsulfate diese undurchsichtig machen.
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Es gibt für die Bestimmung der Brechungsindices direkt aus der Prozeßlösung
Meßvorrichtungen und diese sind in Zellstoffprozessen zur Bestimmung von Trockensubstanzgehalten
verwendet worden. Diese Bestimmungen werden aber stark durch Verschmutzung der Meßvorrichtung
gestört.
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Eine Bestimmung aus einer Prozeßlösung mit einem Differential-Refraktometer
nach einer Trennung durch Ionenausschluß ist bisher nicht als Ueberwachungsverfahren
vorgeschlagen worden.
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Der größte Vorteil des Verfahrens nach der Erfindung ist, daß andere
Verbindungen nicht die Ligninbestimmung stören.
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Die Ligninbestimmung wird weiter dadurch erleichtert, daß durch die
Trennung die Probe verdünnt wird, so daß man zur Messung bzw. Bestimmung übliche
mit Durchströmungsküvetten versehene Vorrichtungen verwenden kann. Eine direkte
Messung aus der Ablauge erfordert sonst immer komplizierte Verdünnungsstufen.
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Das Verfahren nach der Erfindung hat auch den Vorteil, daß der Gehalt
an Monosacchariden und sogar an organischen Säuren bestimmt werden kann. Solch eine
Bestimmung ist bisher nicht für die Regelung oder Steuerung von Prozessen vorgeschlagen
worden, obgleich z. B. die Beobachtung des Monosaccharidgehalts gegen Ende der Kochung,
die im sauren pH-Bereich ausgeführt wird, sehr nützlich wäre.
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Zusätzlich bietet das neue Verfahren eine interessante Möglichkeit
zur Gewinnung von reinen Fraktionen für weitere Analysen entweder automatisch(on-.line)oder
manuell.
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Die Ausführung der Ligninbestimmung gemäß der Erfindung beruht auf
der Absorption der Ultraviolett- Strahlung oder auf der Änderung des Brechungsindex.
Die Bestimmung
von Kohlenhydraten erfolgt polarimetrisch aufgrund
der Drehung des polarisierten Lichtes oder refraktometrisch aufgrund der Änderungen
des Brechungsindex. Das wesentliche Merkmal der Erfindung ist, daß die nicht-ionisierbaren
Verbindungen, die die UV- oder anderen Messungen des Lignins stören, vor der Bestimmung
abgetrennt werden.
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Gleichzeitig werden die Monosaccharide abgetrennt und können bestimmt
werden, ohne daß die starke Farbe des Lignins diese Bestimmung stört.
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Die Trennung erfolgt ionenausschluß-chromatographisch und beruht auf
der Trennung der ionisierbaren Verbindungen von den nicht-ionisierbaren Verbindungen
aufgrund des ionischen Charakters der ersteren. Die Trennung wird mit einer einfachen,
mit Kationenaustauscherharz gefüllten Säule bewirkt. Wenn das Kationenaustauscherharz
in der Kationenform der Probe vorliegt, können die ionisierbaren Verbindungen der
Probe wegen der elektrischen Abstoßungskräfte und der Beibehaltung der Elektroneutralität
nicht in die Harzpartikel eindiffundieren. Für die nicht-ionisierbaren Verbindungen
gibt es keine solche Einschränkung, und unter geeigneten Bedingungen können sie
in das Harz diffundieren und werden langsamer als die ionisierbaren Verbindungen
eluiert, wenn die Säule mit Wasser nachgewaschen wird. Im Falle der Sulfitaufschlußlösungen
werden die sulfonierten, ionisierbaren Lignosulfate von Monosacchariden, Furfurol,
schwachen Säuren und von anderen nicht-ionisierbaren Verbindungen getrennt. Eine
typische Sulfitablaugetrennung ist in der beigefügten Zeichnung in Fig. 1 gezeigt.
In dieser und in den anderen Figuren bedeutet 1 ionisierbare Verbindungen, Lignosulfonat,
2 nicht-ionisierbare Verbindungen, vorzugsweise Monosaccharide und die Ligninbestimmung
störende andere Verbindungen und 3 organische Säuren. Die Bezeichnung UV
bedeutet
die UV280-Absorption,gemessen mit einem UV-Detektor, PD die optische Drehung, gemessen
mit einem Polarimeter-Detektor, RI die Änderung des Brechungsindex, gemessen mit
einem Refraktometer oder RI-Detektor, und RD die Änderung des Brechungsindex, gemessen
mit einem polarimetrischen Detektor.
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Wenn die UV-Absorption, die Brechungsindices und die Drehung des polarisierten
Lichts in dem Eluat aus der Trennungssäule gemessen werden, können die Lignin- und
Monosaccharidgehalte durch die Flächen oder Höhen der Konzentrationsspitzen bestimmt
werden. Mit entsprechenden Vorrichtungen (Integratoren), die mit den Detektoren
verbunden sind, erhält man die Konzentrationsangaben direkt als elektrisches Signal.
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Das erfindungsgemäße Verfahren unterscheidet sich von allen bisherigen
Bestimmungsverfahren durch die Trennung und die darauffolgende Meßtechnik.
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Anders als die übrigen Komponenten des Holzes absorbiert Lignin stark
Ultraviolettstrahlung aufgrund seiner aromatischen Natur. Somit ist auch das in
der Kochlösung gelöste Lignin UV-absorbierend.
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Die auf die UV-Absorption des Lignins beruhenden Bestimmungen werden
üblicherweise bei Wellenlängen von 202 bis 205 nm oder 280 nm, d. h. bei den Maximapunkten
ausgeführt. Die in den Sulfitkochlösungen vorhandenen übrigen Verbindungen stören
jedoch die UV-Messungen.
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In der Tabelle I sind die störenden Komponenten und die durch diese
verursachten maximalen prozentualen Fehler bei üblichen Meßwellenlängen dargestellt.
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Tabelle I Die die UV-Messungen von Sulfitkochlösungen störenden Komponenten
und die größten berechneten prozentualen Fehler bei verschiedenen Wellenlängen Komponente
der Ablauge Fehler im Restligningehalt % des Zellstoffes 202 nm 205 nm 280 nm Organische
Komponenten Reduzierende Zucker (als Mannosen) 0,01 <0,01 0,01 Aldonsäuren 0,6-0,11
0,06-0,09 0 Glukuronsäure <0,01 <0,01 0 Furfurol 0,06-0,14 0,04-0,11 2,26-8,45
Essigsäure 0,02-0,06 0,01-0,05 0 Ameisensäure <0,01 <0,01 0 Methylglyoxal
0,01 0,01 0,01 Übrige Stoffe <0,01 <0,01 0 Anorganische Komponenten Sulfat
<0,001 <0,001 0 Thiosulfat 0,01-0,37 0,01-0,39 0 Tetrathionat <0,01-0,19
90,01-0,24 0 Insgesamt 0,17-0,89 0,12-0,89 2,28-8,47 SO2 5 g/l 1,07 0,66 0 1 g/l
0,21 0,13 0 Wie aus der Tabelle I ersichtlich ist, wird eine einwandfreie Ligninbestimmung
bei der Wellenlänge 280 nm erreicht, wenn die nicht-ionisierten Verbindungen abgetrennt
sind.
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Die Bestimmung bei 205 nm ist nicht ebenso gut, weil Schwefeldioxid
beim Ionenauschluß-Verfahren die Lignosulfonate begleitet, weil es in wäßrigen Lösungen
ionisiert wird. Ein Vorteil der Bestimmung bei 280 nm ist auch, daß die Absorption
geringer ist, so daß nicht so stark verdünnt werden muß.
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Ein neues Merkmal des erfindungsgemäßen Verfahrens, was die Wellenlänge
betrifft, ist 260 nm, was ein Minimum ist. Das Minimum ist ein ebenso guter Meßpunkt
wie das Maximum. Bei 260 nm wird eine noch etwas geringere Absorption erreicht,
so daß die Eingabemenge erhöht und eine noch bessere Bestimmungsgrenze der Monosaccharide
erreicht werden kann.
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Die optische Aktivität, d. h. das Vermögen, die Schwingungsebene des
polarisierten Lichtes zu drehen, ist für solche Verbindungen charakteristisch, die
asymmetrische Kohlenstoffatome enthalten. In Sulfitkochlösungen sind solche Verbindungen
vor allem Monosaccharide und in geringerem Maße organische Säuren.
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Die polarimetrische Bestimmung der Monosaccharide ist sehr geeignet,
weil die optische Aktivität vollkommen spezifisch ist. Lignin und die übrigen optisch
inaktiven Verbindungen wirken nicht auf das Meßergebnis ein: wichtig ist, daß die
Küvette eine für die Anordnung ausreichende Durchlassigkeit aufweist.
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Eine Schnellbestimmung für die Bestimmung von unter Sulfatkochbedingungen
erzeugten Kohlenhydraten, vor allem Monosacchariden, ist noch nicht vorgeschlagen
worden.
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Die polarimetrische Bestimmung der Kohlenhydrate gibt jedoch wichtige
Informationen über den Fortgang des
Kochens, besonders gegen Ende
des Aufschlusses. Eine direkte Bestimmung mit der Prozeßlösung wäre meistens unmöglich,
weil die in der Lösung vorhandenen Lignosulfate die Lösung undurchsichtig machen.
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Die Brechungsindex- oder RI-(refractive index)-Bestimmung beruht auf
der Messung der Differenz der Brechungsindices zweier verschiedener Lösungen. Der
Brechungsindex- d. h. RI-Detektor ist eigentlich ein Generaldetektor, weil alle
Verbindungen bei ihrer Auflösung den Brechungsindex der Lösung ändern. Der Brechungsindex
hängt linear von der Konzentration ab. Für die Bestimmung des Brechungsindex direkt
aus der Prozeßlösung bzw. Aufschlußlösung gibt es Meßanordnungen und diese sind
bei Zellstoff-Aufschlußverfahren verwendet worden. Die Verschmutzung der Meßanordnung
hat jedoch die Messungen stark gestört. Eine ausgehend von der Prozeßlösung vorgenommene
Bestimmung mit einem Differential-Refraktometer nach Trennung durch Ionenausschluß
ist bisher nicht vorgeschlagen worden.
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Beim erfindungsgemäßen Verfahren können sowohl die Lignin- als auch
Monosaccharidkonzentrationen mit einem RI-Detektor bestimmt werden. Ein Nachteil
ist, daß alle gleichzeitig mit den zu untersuchenden Verbindungen eluierten Verbindungen
von der Bestimmung miterfaßt werden.
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Die Trockensubstanz der Sulfitablauge besteht jedoch zum größten Teil
aus Lignin und bei saueren Kochungen außerdem aus Monosacchariden, so daß die Gehalte
bzw. Konzentrationen und besonders deren Änderungen leicht zu bestimmen sind. Die
Trennung durch Ionenausschluß ist auch in diesem Falle von Vorteil.
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Ein wichtiges Merkmal des erfindungsgemäßen Verfahrens
ist
die Trennung durch Ionenausschluß. Für die Durchführung dieser Trennung wird erstens
gefordert, daß der Inhalt der Trennsäule, d. h. das Kationenaustauscherharz, geeignet
ist. Die Porosität des Kationenaustauscherharzes muß ausreichen, damit die Pentosen
und Hexosen in das Innenvolumen des Materials eindiffundieren können.
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Eine zu geringe Porosität verhindert sterisch die Diffusion. In den
erfindungsgemäß verwendeten Styrol-Divinylbenzol-Harzen wird die Porosität durch
den Vernetzungsgrad d. h. den Anteil an Divinylbenzol bestimmt. Die Menge des Divinylbenzols
bestimmt auch die mechanische Haltbarkeit des Harzes, das eine kräftige Strömung
aushalten soll. Eine schnelle Trennung erfordert somit ein bestimmtes Harz. Die
Korngröße des Harzes ist auch wesentlich: eine kleinere Korngröße verbessert die
Trennung, aber der Gegendruck des Pumpens nimmt auch zu. Es ist auch wesentlich,
daß der Gegendruck für eine einfache Pumpenlösung geeignet ist. Ein zweiter, auf
die erfindungsgemäße Trennung durch Ionenausschluß wirkender Faktor ist die Länge
der Säule, die direkt auf die Trennungszeit einwirkt und die zweckmäßigerweise 10
bis 40 cm beträgt.
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Auch die Strömungsgeschwindigkeit in der Säule wirkt direkt auf die
Trennungszeit: je größer die Strömungsgeschwindigkeit ist, umso schneller erfolgt
die Trennung; eine hohe Strömungsgeschwindigkeit setzt jedoch die Trennfähigkeit
herab. Eine Erhöhung der Temperatur vergrößert die Diffusionsgeschwindigkeit, d.
h. verbessert die Trennung.
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Dagegen reagiert die Trennung durch Ionenausschluß ziemlich wenig
auf Änderungen der Eingabemenge. Die Eingabemenge soll jedoch so sein, daß die Trennung
gelingt und alle Detektoren innerhalb eines akzeptablen Bereichs arbeiten. Die Änderungen
der analytischen (<2 % vom Säulenvolumen) Eingaben beeinflussen nicht die Trennung.
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Beispiel 1 In eine Ionenausschluß-Säule mit einem Durchmesser von
10 mm und einer Länge von 30 cm, die als Ionenaustauscherharz das Kationenaustauscherharz
"DOWEX 50W x 4 in der Ca2+ Form mit Korngröße 0,15 bis 0,074 mm* enthielt und mit
reinem gasfreiem Wasser (d. h. destilliertem und entmineralisiertes Wasser, das
im Vakuum entgast und zum Sieden erhitzt worden war) wurde mit einer Eingabegeschwindigkeit
von 2,0 ml/min eluiert, wobei die lineare Strömungsgeschwindigkeit 2,55 cm/min betrug,
und bei einer Temperatur von 500C 50 µl Calciumsulfitkochlösung vom Ende des Kochens
eingegeben. Die Trennungszeit betrug 10 Minuten, das Lignin konnte in 6 Minuten
bestimmt werden. (100 bis 200 mesh) Bei der UV-spektrophotometrischen Bestimmung
des Lignins wurde als Detektor ein Knauer UV-Filterphotometer und eine 0,4 mm Durchströmungsküvette
benutzt und die Messung wurde bei 280 nm ausgeführt. Bei der polarimetrischen Bestimmung
der Monosaccharide wurde das Perkin-Elmer Polarimeter 241 und eine 10 cm Durchströmungsküvette
benutzt und die Messung bei 365 nm ausgeführt. Die refraktometrische Bestimmung
der Monosaccharide wurde mit dem Knauer Differentialrefraktometer ausgeführt.
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Die Ergebnisse der Messungen sind im Diagramm der Fig. 2 dargestellt.
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Beispiel 2 Es wurde wie in Beispiel 1 verfahren, mit der Abwandlung,
daß die zu analysierende Lösung eine Magnesiumsulfitkochlösung und das Ionenaustauscherharz
"DOWEX 50W x 4" in der Mg2+ Form mit Korngröße 0,15 bis 0,074 mm war.
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Die Ergebnisse der Messungen sind im Diagramm der Fig. 3 dargestellt.
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Beispiel 3 Es wurde wie in Beispiel 1 verfahren, mit der Abwandlung,
daß die zu analysierende Lösung aus Kochlösungen aus einer Mehrstufennatriumsulfitkochung
bestand: A) aus dem Ende der Sodastufe, B) aus dem Ende der Säurestufe, und daß
als Ionenaustauscherharz "DOWEX 50W x 4" in der Na Form mit Korngröße 0,15 bis 0,074
mm und kein Polarimeter benutzt wurde. Die Ergebnisse der Messungen sind im Diagramm
der Fig. 4 dargestellt.
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Beispiel 4 Es wurde wie in Beispiel 3 verfahren, jedoch mit der Abwandlung,
daß die zu analysierende Lösung eine Natriumneutralsulfit-Antrachinonkochlösung
war. Die Ergebnisse der Messungen sind im Diagramm der Fig. 5 dargestellt.
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Beispiel 5 Es wurde wie in Beispiel 1 verfahren, jedoch mit der Abwandlung,
daß die Eingabemenge 73 pl, die .Elu.tionsgeschwindigkeit 6,9 ml/min, d. h. 8,8
cm/min, die Korngröße des Ionenaustauscherharzes 0,074 bis 0,037 mm* und die Länge
der Säulen 20 cm betrug, um eine sehr schnelle Trennung zu erzielen, und daß kein
Polarimeter benutzt wurde. Die Trennungszeit betrug 2 bis 5 Minuten und das Lignin
konnte in 1,5 Minuten bestimmt werden.
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Die Ergebnisse der Messungen sind im Diagramm der Fig. 6 dargestellt.
t200 bis 400 mesh)