DE3535029C2 - - Google Patents
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Description
Es sind bereits eine Vielzahl von Vorrichtungen bekannt,
die das Vorhandensein von organischen Verbindungen in
wäßrigen Strömen überwachen. Einsatzgebiete für solche
Vorrichtungen für die Überwachung wäßriger Ströme sind
chemische Werke, Wasserreinigungsanlagen, Kraftwerke sowie
Anlagen zur Nahrungsmittelbehandlung, für die Herstellung
von Halbleitern, für die Fertigung von Pharmazeutika
und dergleichen.
Gemäß der US-PS 39 58 941 wird eine wäßrige Probe periodisch
in eine Leitung injiziert, die in einen Reaktor
führt, in welchem die Probe ultravioletter Strahlung ausgesetzt
wird, wodurch der Gehalt an organischem Kohlenstoff
vollständig zu gasförmigem CO₂ oxidiert. Das erzeugte CO₂ wird
mit Wasser in einer spezifischen Widerstandszelle oder
Leitfähigkeitszelle gemischt, die die Menge des ursprünglich
vorhandenen organischen Kohlenstoffs als Widerstandszunahme
im Wasser in der spezifischen Widerstandszelle
messen soll. Luft streift wasserunlösliche Gase und Blasen
über deionisiertes Wasser ab, das gesondert in der
spezifischen Widerstandszelle gehalten wird. Die Gase
werden darin reabsorbiert. Es wird die Leitfähigkeit als
Anzeige für in dem Wasser inonisierte Gase gemessen. Mögliche
Gase sind CO₂ und H₂S. Dieses System eignet sich
besonders für die Analyse von hochreinem Wasser. Es basiert
auf der vollständigen Oxidation von organischen
Stoffen zu Kohlendioxid. Das System ist jedoch im Aufbau
kompliziert und aufwendig. Die chargenartige Probenzugabe
begrenzt die Zeit für die Probenermittlung und erfordert
das Vorhandensein von technischem Personal, um
die Probe periodisch zu injizieren. Außerdem ist eine
vollständige Oxidation zu CO₂ nötig, was schwierig und
zeitraubend zu erreichen ist.
Eine andere, im Chargenbetrieb und mit Ultraviolettlicht
arbeitende Anordnung (Anatel Instrument Corporation of
Boulder, Colorado, A-100 TOC) hat die dem Chargenbetrieb
anhaftenden erwähnten Nachteile. Außerdem ist es aufgrund
von Ventilöffnungs- und Schließoperationen für jeden Zyklus
Fehlfunktionen ausgesetzt. Die Anordnung ist außerdem
relativ aufwendig, da eine komplizierte Elektronik
zum Messen von Mengenstromänderungen während des Oxidationszyklus
erforderlich ist.
Aufgabe war es nun, ein Verfahren zur Verfügung zu stellen,
das auf weniger aufwendige Art und Weise in einfacheren
Vorrichtungen durchzuführen ist.
Diese Aufgabe wird, wie aus dem vorstehenden Anspruch 1
ersichtlich, gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen dieses Verfahrens
sind aus den Ansprüchen 2 bis 4 ersichtlich.
Erfindungsgemäß wird nun ein wäßriger Probenstrom enthaltend
eine oder mehrere organische Verbindungen, die teilweise zur
Säureform oxidieren können, kontinuierlich durch den Durchstromkanal
eines Ultraviolettlichtreaktors strömen gelassen,
in welchem die Probe mit Ultraviolettlicht in Anwesenheit
von Sauerstoff bei Bedingungen bestrahlt wird, bei denen
die organischen Verbindungen so oxidiert werden, daß
wenigstens ein Teil von ihnen in ihre entsprechende ionisierte
organische Säure umgewandelt werden. Danach fließt der Probenstrom
kontinuierlich durch eine Leitfähigkeitszelle, in
welcher die Änderung der Leitfähigkeit der Probe als Anzeige
für das Vorhandensein der organischen Verbindung in dem Probenstrom
festgestellt wird, die in die inionisierte
Form umgewandelt worden ist. Da die teilweise
oxidierten organischen Säuren in Wasser festgestellt werden,
kann es erwünscht sein, Durchblasgase aus dem Flüssigkeitsstrom
vor dem Erfassen durch den Leitfähigkeitsdetektor
entweichen zu lassen, um Störungen von ionisierten
Gasen in der Flüssigkeit, beispielsweise von Kohlendioxid,
auszuschließen. Die Hintergrundleitfähigkeit des
eintretenden Probenstroms kann ebenfalls gemessen werden,
um die Differenz in der Leitfähigkeit zu bestimmen, die
durch die Ultraviolettbelichtung verursacht wird. Dieses
System ist besonders effektiv für die Messung von organischen
Verbindungen in einer Probe, die mit relativ konstanter
Konzentration fließt, so daß ein Chemikalienüberstrom in
einen solchen Probenstrom mit konstantem Hintergrund
leicht festgestellt werden kann.
Der Ultraviolettreaktor hat eine Ultraviolettlampe mit
einem sie umgebenden Durchstromkanal, durch den der Probenstrom
und Sauerstoff kontinuierlich unter Belichtung
hindurchgehen. Eine Leitung
verbindet den Flüssigkeitsauslaß aus dem Ultraviolettreaktor
mit einer Leitfähigkeitszelle, in der die
elektrische Leitfähigkeit als Anzeige für das Vorhandensein
von organischen Verbindungen in dem Probenstrom gemessen
wird. Zum Messen der Hintergrundleitfähigkeit vor
dem Durchgang durch den Ultraviolettreaktor kann eine zweiter
Leitfähigkeitsdetektor vorgesehen werden. Eine solche,
kontinuierlich arbeitende Überwachungsvorrichtung ist gegenüber
den bekannten Vorrichtungen in der Bauweise
stark vereinfacht und ermöglicht die fortlaufende Überwachung
eines Probenstroms ohne Probennahme.
Außerdem wird eine sehr hohe Empfindlichkeit erreicht.
Anhand einer Zeichnung, in der schematisch eine Ausführungsform
der Vorrichtung gezeigt ist, wird die Erfindung
näher erläutert.
Die in der Zeichnung gezeigte Überwachungsvorrichtung 10
wird für einen kontinuierlichen Abzug einer Probe aus einem
zu überwachenden Prozeßstrom eingesetzt, beispielsweise
in chemischen Werken für die Feststellung der Belastung
mit organischen Stoffen und von Produktverlusten,
für die Ermittlung der rohen, unfertigen Wasserqualität
bei Wasserreinigungsvorgängen, für die Reinheit der Wasserbeschickung
von Kesseln und des Kondensats in Kraftwerken,
für die Reinheit von Prozeßwässern und deionisiertem
Wasser in Halbleiterherstellungswerken, Werken für
die Nahrungsmittelaufbereitung und dergleichen.
Eine Probe aus einer dieser Quellen wird durch eine Leitung
12 in ein Regelungsventil 14 geführt und von einer
Pumpe 16 über ein Mengenstrommeßgerät 18 durch einen
Leitfähigkeitsdetektor 20 in die Unterseite eines vertikal
angeordneten Ultraviolettreaktors gepumpt. Die Pumpe
ist nicht erforderlich, wenn die Probe unter einem entsprechenden
Druck zugeführt wird. Der Zweck des wahlweise
vorgesehenen Leitfähigkeitsdetektors 20 besteht darin,
die Hintergrundleitfähigkeit des Probenstroms vor der Behandlung
im Reaktor 22 zu messen, was noch erläutert wird.
Der Leitfähigkeitsdetektor 20 ist nicht erforderlich,
wenn die Hintergrundleitfähigkeit relativ konstant ist,
oder sich auf einem ausreichend niedrigen Wert verglichen
mit dem des behandelten Produktstromes befindet.
Eine Quelle für unter Druck stehenden Sauerstoff, beispielsweise
für reinen Sauerstoff oder Luft, ist über eine
Leitung 24, ein Mengenregelungsventil 26 und ein Mengenstrommeßgerät
28 mit der Unterseite des Ultraviolettreaktors
22 verbunden.
Der Ultraviolettreaktor 22 hat ein langgestrecktes zylindrisches
Gehäuse 30, das aus Glas gefertigt ist und sich
unter Bildung eines Einlaßhalsabschnitts 30 a für das
Sauerstoff enthaltende Gas verengt. Das Gehäuse 30 hat
weiterhin einen Seitenarmeinlaß 30 b für den Einstrom der
Probe in den unteren Abschnitt des Gehäuses 30.
Zur Bestrahlung des flüssigen Probenstroms, der durch den
Reaktor 22 strömt, sind Einrichtungen vorgesehen, die bei
der gezeigten Ausführungsform aus einer herkömmlichen Ultraviolettlampe
34 mit einer Leistung von 30 W besteht,
die so angeordnet ist, daß sie sich in das Gehäuse konzentrisch
dazu und im Abstand davon unter Bildung eines
ringförmigen Durchströmkanals 36 für den kontinuierlichen
Durchstrom von Probe und Gas nach oben durch den Reaktor
22 und an der Ultraviolettlampe 37 vorbei erstreckt. Die
untere Seite oder die stromauf gelegene Seite der Lampe
34 ist insgesamt angrenzend an den Strömungseinlaß für
Probe und Sauerstoffgas vorgesehen. Die Lampe 34 hat einen
Gewindestopfen 35 für die Halterung, der in einem entsprechenden
Gewinde in einer oberen Öffnung 30 c des Gehäuses
30 in einem gasdichten Sitz gehalten ist. Die Ultraviolettlampe
hat elektrische Verbindungskabel 38.
Mit einer Öffnung im Gehäuse 30 ist eine Auslaßleitung 40
für die Flüssigkeit verbunden, die einen Abströmweg für
die im Gehäuse 30 bestrahlte Flüssigkeit bildet. Diese
Flüssigkeit strömt über die Leitung 40 direkt durch einen
Leitfähigkeitsdetektor 42 und gelangt dann zu einem Auslaß
44. Der Leitfähigkeitsdetektor 42 kann wie der Detektor
20 gebaut sein.
Für das Abführen der Gase aus dem behandelten Probenstrom
sind Mittel in Form eines Überstromauslasses 46
vorgesehen, der mit dem Durchströmkanal 36 in Verbindung
steht. Die am Boden des Reaktors 22 injizierten Gase
steigen zu dessen Oberseite hoch und strömen über die
Leitung 46 ab, wodurch der größte Teil der Gase aus dem
System vor der Erfassung durch den Leitfähigkeitsdetektor
42 entfernt wird.
Im Betrieb strömt eine Flüssigkeitsprobe durch das Mengenregelventil
14, die Pumpe 16 und das Mengenstrommeßgerät
18 in die Unterseite des zylindrischen Gehäuses. Ein
geeigneter Mengenstrom liegt dabei in der Größenordnung
von 1 bis 10 l/min. Gleichzeitig strömt Sauerstoff durch
das Mengenstrommeßgerät 28 mit einem typischen Mengenstrom
von 10 bis 100 ml/min in die Unterseite des Gehäuses
30. Am Boden des Gehäuses 30 bildet sich aus dem Gas
eine konzentrierte Masse von Blasen, welche sich nach oben
über dem Gehäuse 30 verteilen und Sauerstoffblasen bilden,
die in dem ringförmigen Durchstromkanal 36 dispergiert
sind. Die Länge des Durchstromkanals 36 ist so eingestellt,
daß eine geeignete Verweilzeit erreicht wird, damit
sich die organischen Verbindungen zu ihren entsprechenden
Säureformen aufgrund der Bestrahlung mit dem von der Lampe
34 emittierten ultravioletten Licht teilweise oxidieren
können. Die genauen Bedingungen zum Erreichen dieses
Ziels sind eine Funktion der organischen Verbindungen in
der Probe, des Probenstroms, der Sauerstoffkonzentration
in der Probe, der Verweilzeit und der Art des von der Lampe
emittierten ultravioletten Lichts. Diese Parameter können
für die speziellen, jeweils zu analysierenden Probeströme
bestimmt werden. Die Verweilzeit kann durch Einstellen
des Probenmengenstroms gesteuert werden.
Wie erwähnt, werden die Bedingungen so eingestellt, daß
eine teilweise Oxidation der organischen Verbindungen in
der Probe anstelle einer vollen Oxidation gewährleistet
ist. Dies ist nicht weiter schwierig, da eine vollständige
Oxidation der organischen Verbindungen zu Kohlendioxid
langsam abläuft und mit ultravioletter Bestrahlung allein
nur schwierig zu erreichen ist. Bevorzugt wird deshalb,
Oxidationskatalysatoren, wie Persulfat, auszuschließen,
die eine vollständige Umwandlung erleichtern würden.
Der Hauptteil der Gasblasen in der Probe strömt in den
oberen Gasraum über dem Flüssigkeitspegel und dann über
das Überströmrohr 46 nach außen.
Der Flüssigkeitsauslaß 40 befindet sich unter dem Überströmrohr
46 und umfaßt so im wesentlichen den gesamten
Flüssigkeitsstrom des Systems, der durch den Leitfähigkeitsdetektor
42 hindurchgeht.
Die Bedingungen werden also so eingestellt, daß eine teilweise
Umwandlung in die Säureform der organischen Verbindungen
begünstigt wird, nicht jedoch eine vollständige Umwandlung
in Kohlendioxid. Wenigstens ein Teil der organischen
Verbindungen wird jedoch gewöhnlich vollständig oxidiert.
Um die umgewandelten organischen Säuren genau ermitteln
zu können, werden bevorzugt mitgerissene Gase aus
den Systemen, wie Kohlendioxid und Schwefeldioxid, entfernt,
um eine Störung des vom Leitfähigkeitsdetektor 42
erzeugten Signals zu vermeiden. Es hat sich jedoch gezeigt,
daß Kohlendioxid keine größere Steigerung der Leitfähigkeit
verglichen mit den organischen Säuren herbeiführt.
Deshalb kann ein Entweichen der Gase gewünschtenfalls
entfallen.
Bei der gezeigten Ausführungsform wird ein Leitfähigkeitsdetektor
20 zusammen mit dem Leitfähigkeitsdetektor 42
benutzt, wobei der Leitfähigkeitsdetektor 20 vor der Probenbehandlung
positioniert ist. Der Detektor 20 gibt ein
Hintergrundmaß, gegenüber dem das Signal des Leitfähigkeitsdetektors
42 gemessen wird. Eine genaue Feststellung
der organischen Verbindungen im Originalstrom, die in
die ionisierbare Säureform umgewandelt worden sind, wird
dadurch erreicht, daß die Hintergrundleitfähigkeit gemessen
im Detektor 20 von dem Leitfähigkeitssignal des
Detektors 72 subtrahiert wird. Die Anordnung eines Leitfähigkeitsdetektors
20 ist jedoch für solche Probenströme
eine Wahlmaßnahme, bei denen die Hintergrundleitfähigkeit
relativ konstant oder extrem niedrig ist, beispielsweise
bei Prozeßwasser in einem Halbleiterfertigungswerk. Wenn
jedoch die Probenquelle breiten Änderungen der Hintergrundleitfähigkeit
ausgesetzt ist, sollte der zusätzliche
Leitfähigkeitsdetektor 20 vorgesehen werden.
Es hat sich gezeigt, daß die Oxidationszwischenprodukte
(organische Säuren) verglichen mit dem vollständigen Oxidationsprodukt
des Kohlendioxids stark ionisiert sind.
Für eine solche teilweise Umwandlung ist eine relativ
kurze Verweilzeit erforderlich. Somit kann der Probenstrom
selbst, der solche Oxidationszwischenprodukte enthält,
fortlaufend in einem vernünftig bemessenen Reaktor
zur Reaktion gebracht werden. Dies ermöglicht einen kontinuierlichen
Strom durch den Leitfähigkeitsdetektor 42
für eine konstante Messung, ohne daß eine periodische
Probeneinbringung erforderlich ist. Wenn die Oxidationsbedingungen
einmal für die jeweilige zu analysierende
Probe vorher festgestellt sind, ist das Ansprechen in
hohem Maße stabil und reproduzierbar.
Durch die photochemische Oxidation der verschiedenen organischen
Verbindungen werden viele unterschiedliche
Zwischenprodukte erzeugt, wobei sich auch die jeweilige
Reaktionskinetik unterscheidet. Verschiedene Verbindungen
erzeugen somit unterschiedlich Leitfähigkeitssignale.
Nachstehend werden einige Beispiele aufgeführt, die
auf einer Anfangskonzentration für jede organische Verbindung
von 50 ppm Kohlenstoffgehalt in der Probe basieren:
Ansprechen mmho*)
Azeton 59,4
Methanol 20
Propanol 86,4
Zitronensäure120
Essigsäure 61
Saccharose120
Phenol140
*) 1 mmho entspricht 1 S.
Die photochemische Oxidation von organischen Stoffen ist
relativ kompliziert. Deshalb ergibt sich das gleiche Ansprechvermögen
nicht bei der Oxidation unterschiedlicher
organischer Stoffe. Das System ist deshalb besonders geeignet,
wenn nur eine kleine Änderung der gesamten chemischen
Zusammensetzungen der zu überprüfenden Proben vorliegt.
Das System ist dann besonders wirksam hinsichtlich
der Messung eines Überstroms oder eines plötzlichen
Anstieg in der Konzentration einer organischen Verbindung
bei einem Probenstrom mit nahezu konstantem Hintergrund.
Zusätzlich zu der erwähnten Ermittlung von organischen
Bestandteilen kann das System auch plötzliche Steigerungen
von ionisierten anorganischen Stoffen feststellen
und einen nicht gezeigten Alarm auslösen, wenn die Leitfähigkeit
den vorgegebenen Pegel überschreitet. Solche
anorganischen Verbindungen können beispielsweise ionisierte
Salze, Salzsäure oder Säuren umfassen, die in das
System überströmen können.
Die Erfindung wird anhand eines Beispiels weiter erläutert.
Es wird die in der Zeichnung gezeigte Vorrichtung benutzt,
jedoch ohne ohne den Leitfähigkeitsdetektor 20. Die
Probe ist Methanol in Wasser mit einer Konzentration
von 50 ppm Kohlenstoff bei einem konstanten Mengenstrom
von 1,5 ml/min. Der Sauerstoff wird mit einem Mengenstrom
von 15 ml/min in die Unterseite des Reaktors 22
eingeführt. Das ultraviolette Licht wird von einer
30 W Lampe emittiert (Jelight).
Dabei werden etwa 6% Methanol in Ameisensäure umgewandelt,
was einen Leitwert von 65 µmho ergibt. Umgekehrt
werden etwa 45% Methanol in Kohlendioxid umgewandelt,
was einen Leitwert von nur 5 µmho ergibt. Das Methanol
und die übrigen verbleibenden Zwischenprodukte (49%)
beeinträchtigen die Leitfähigkeit nicht. Das Beispiel
zeigt, daß über 90% des gesamten Leitwerts auf der
Ameisensäure beruhen, auch wenn nur etwa 6% Methanol
in Ameisensäure umgewandelt werden.
Claims (4)
1. Verfahren zur kontinuierlichen Überprüfung eines
wäßrigen Probenstroms auf das Vorhandensein von
organischen Verbindungen, bei dem ein Probenstrom
in der Gegenwart von Sauerstoff kontinuierlich durch
den Durchstromkanal eines UV-Reaktors fließt und dabei
bestrahlt wird und der bestrahlte flüssige Probenstrom
kontinuierlich zu einem Leitfähigkeitsdetektor
fließt, dadurch gekennzeichnet,
daß die Bestrahlung unter solchen Bedingungen erfolgt,
daß die organische Verbindung wenigstens teilweise
zur entsprechenden ionisierten Säure oxidiert
wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß gasförmiger Sauerstoff von einer Quelle in die
Reaktionszone eingeblasen wird.
3. Verfahren nach nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
daß Gase aus dem Flüsssigkeitsstrom vor dem Erfassen
durch den ersten Leitfähigkeitsdetektor entweichen gelassen
werden.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß vor dem ersten Schritt die Hintergrundleitfähigkeit
des Probenstroms durch einen zweiten Leitfähigkeitsdetektor
gemessen wird.
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