-
Die
Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung, die den Zugriff
auf eine große
Anzahl Messpunkte physikalischer und chemischer Eigenschaften einer
Flüssigkeit
als Funktion von Temperatur und Konzentration eines Bestandteils
ermöglichen.
Das Verfahren ist gut für
die Aufstellung von drei-dimensionalen Diagrammen, beispielsweise Phasendiagrammen,
unter Einsatz von Computertechnologie geeignet.
-
Die
Aufstellung von Phasendiagrammen wird gewöhnlich dadurch vorgenommen,
dass eine große
Anzahl von flüssigen
chemischen Mischungen, die verschiedene Zusammensetzungen oder Gesamtkonzentrationen
aufweisen, bei verschiedenen Temperaturen gelagert werden, bis sich
ein Gleichgewichtszustand eingestellt hat, beispielsweise lange
genug, dass sich zum Beispiel Phasentrennungen eingestellt haben,
die Bildung von Lösungen oder
Phasenübergänge wie
Schmelzvorgänge
oder kristalline Übergänge aufgetreten
sind. Dies ist mit einem gewaltigen Arbeits- und Zeitaufwand verbunden nicht
zuletzt im Hinblick auf die Tatsache, dass das Verfahren möglicherweise
mehrfach wiederholt werden muss, um eine vollständige Information zu erhalten
und dass jede Testrunde Wochen oder Monate dauern kann. Folglich
besteht ein großes
Bedürfnis, das
Verfahren zu vereinfachen und die Zeit zu verkürzen, die zur Aufstellung eines
Phasendiagramms benötigt
wird, welches die physikalischen und chemischen Eigenschaften einer
Flüssigkeit
beschreibt.
-
In
der Patent-Literatur beschreibt die Druckschrift WO 92/02 824 ein
Verfahren zur Aufstellung eines Phasendiagramms für die Umwandlung
einer Reaktoreinspeisung in einem Wirbelschichtreaktor durch Messung
der Konzentration von wenigstens zwei Gasen in einem Bereich im
Reaktionsgas, Messung von Druck und Temperatur in dem Bereich, Ermitteln
der Konzentration der ausgewählten
verbliebenen Gase in dem Reaktionsgas und Generieren eines Phasendiagramms,
welches angibt, ob das Reaktionsgas für die Umwandlung geeignet ist.
Das US-Patent 4
810 286 offenbart ein Verfahren zur Reduzierung von gelöstem Sauerstoff
und Kohlenstoff in schmelzflüssigem
Stahl, wobei eine idealisierte Trajektorie eingehalten wird, welche
durch einen oberen und unteren Grenzwert definiert ist, die durch die
Kohlenstoff/Sauerstoff-Gleichgewichtskurven bei atmosphärischem
bzw. subatmosphärischem
Druck vorgegeben sind. Das US-Patent 4 122 343 betrifft ein Verfahren,
korrelierende Daten aus verschiedenen thermischen Zersetzungsprodukten
biologischer Proben bereitzustellen. Keine dieser Veröffentlichungen
offenbart jedoch ein einfaches und zeitsparendes Verfahren zur Aufstellung
eines dreidimensionalen Phasendiagramms mit einer physikalischen
oder chemischen Eigenschaft als Funktion der Temperatur und Komponentenkonzentration.
-
Es
wurde nun gefunden, dass eine beachtliche Zeit- und Arbeitsersparnis
dadurch bewirkt wird, dass Messungen in einer Messzelle vorgenommen werden,
wobei Temperatur und Bestandteilkonzentration als zwei unabhängige Variablen
behandelt werden. Bei diesem Verfahren können mehrere abhängige physikalische
und/oder chemische Eigenschaften gleichzeitig in der selben Zelle
bei der selben Temperatur und Zusammensetzung gemessen werden. Die
unabhängigen
Variablen werden auf vorgegebene Art und Weise variiert und an allen
gewünschten
Messpunkten werden eine oder mehrere abhängige Variablen aufgezeichnet.
-
Um
dies mehr zu spezifizieren: die vorliegende Erfindung betrifft ein
Verfahren und eine dafür
vorgesehene Vorrichtung, welche die schnelle Charakterisierung der
physikalischen und/oder chemischen Eigenschaften einer Flüssigkeit
beispielsweise in Form eines dreidimensionalen Phasendiagramms ermöglicht.
-
Das
Verfahren ist dadurch charakterisiert, dass
- 1)
mindestens eine abhängige
physikalische und/oder chemische Eigenschaft einer Flüssigkeit als
Funktion der Temperatur und einer Komponentenkonzentration als unabhängigen Variablen gemessen
wird,
- 2) die Werte für
die Komponentenkonzentration durch Berechnung auf Basis von Daten
von Steuerprogrammen für
die Änderung
der Komponentenkonzentration in einem Computer bestimmt werden und
die Temperaturen durch Berechnung von Temperatursteuerprogrammen
oder durch Messungen bestimmt werden,
- 3) der Wert der Komponentenkonzentration durch Zugabe einer
vorher festgelegten Menge einer anderen Flüssigkeit, die eine unterschiedliche Komponentenkonzentration
enthält,
in einem Schritt oder allmählich
geändert
wird und eine repräsentative
Anzahl von Messungen der abhängigen
physikalischen oder chemischen Eigenschaft innerhalb des ganzen
ausgewählten
Temperaturbereichs innerhalb der vorher festgelegten Änderung
der Komponentenkonzentration durchgeführt wird,
- 4) die vorstehenden Prozeduren bei gewünschten Komponentenkonzentrationen
und Temperaturen wiederholt werden, um eine gewünschte Anzahl an Werten zu
erhalten,
- 5) die Werte, die für
die abhängigen
Eigenschaften erhalten werden, mit den Werten für die unabhängigen Eigenschaften zu Messpunkten
kombiniert werden und
- 6) die Messpunkte, die im Computer elektronisch gespeichert
werden, koordiniert und in einem dreidimensionalen Diagramm visualisiert
werden.
-
Die
Messungen werden geeigneter Weise in einer Messzelle durchgeführt, die
mit zwei Gruppen von Steuereinrichtungen verbunden ist, die ein
Steuerprogramm zur Veränderung
der Temperatur und der Komponentenkonzentration, Messmittel zur
Bestimmung wenigstens einer physikalischen und/oder chemischen Eigenschaft
und optional wenigstens ein Messmittel zur Bestimmung der Temperatur
umfassen oder damit verbunden sind. Die Visualisierung der Daten
kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass die Messpunkte
beispielsweise in einem dreidimensionalen Diagramm oder in einem
Hologramm präsentiert
werden. Die Komponentenkonzentration oder Konzentrationen, welche
eine der unabhängigen
Parameter darstellen, werden durch Berechnung aus den Daten der
Komponentenzugabe ermittelt. Die Konzentrationen können beispielsweise durch
Zugabe eines Lösungsmittels
wie Wasser, wobei eine fortlaufende Verdünnung erreicht wird oder durch
Zugabe eines Konzentrats der gelösten
oder dispergierten Komponente, wobei eine fortlaufende Zunahme der
Konzentration erreicht wird, variiert werden. Ein bevorzugtes Verfahren,
insbesondere bei geringen Konzentrationen der Komponenten, sieht
vor, ein bestimmtes Volumen zu entfernen und danach etwa das gleiche
Flüssigkeitsvolumen
mit unterschiedlicher Komponentenkonzentration wieder zuzugeben.
Der Vorteil dieses Verfahrens zur Steuerung der Konzentration liegt
darin, dass das Gesamtvolumen der Flüssigkeit im Wesentlichen konstant gehalten
werden kann. Die Konzentration der Komponenten kann allmählich oder
in diskreten Stufen verändert
werden. Im Falle, dass die Komponentenkonzentration in diskreten
Stufen verändert
wird, werden bei jeder Komponentenkonzentration die Messungen der
physikalischen und/oder chemischen Eigenschaften über das
gesamte, gewünschte
Temperaturintervall vorgenommen. Im Falle, dass die Komponentenkonzentration
allmählich
verändert wird,
wird eine große
Anzahl von Messungen der physikalischen und/oder chemischen Eigenschaften in
einer kurzen Zeit durchgeführt,
um eine repräsentative
Anzahl Messungen im gesamten, gewünschten Temperaturintervall
und im vorgegebenen Bereich der Komponentenkonzentration zu erhalten. Die
vorgegebene Menge, die einem Schritt oder allmählich zugegeben wird, kann
in einem großen
Bereich variieren, beträgt
aber normalerweise 0,01–5 Gewichtsprozent
der Flüssigkeit.
-
Während der
Messung der physikalischen und/oder chemischen Eigenschaften wird
bevorzugt auch die Temperatur gemessen, obwohl es möglich ist,
diese aus den Steuerdaten zu ermitteln. Die oben beschriebene Vorgehensweise
wird solange für
eine Anzahl von Komponentenkonzentrationen und Temperaturen wiederholt,
bis eine angemessene Anzahl Messpunkte zur Erstellung eines dreidimensionalen Diagramms
erhalten wurden. Die Temperatur kann ebenso entweder kontinuierlich
oder stufenweise verändert
werden. Um die Anzahl der notwendigen Temperaturänderungen zu reduzieren, können Messungen
sowohl bei steigender Temperatur als auch bei sinkender Temperatur
vorgenommen werden.
-
Gemessene
und berechnete Werte werden gespeichert und in einem Diagramm mit
drei oder mehr Variablen zusammengestellt. Dies kann auf geeignete
Weise durch einen Computer mit einer Ein/Ausgabe-Interface-Vorrichtung
zur Steuerung der unabhängigen
Variablen sowie zur Datenerfassung durchgeführt werden. Der Computer kann
auch zur Anzeige der Daten verwendet werden. Zur graphischen Darstellung
der Daten kann der Computer mit einem Bildschirm und/oder mit einem
Drucker verbunden sein.
-
Die
vorliegende Erfindung umfasst auch eine Vorrichtung zur Durchführung des
Verfahrens. Die Vorrichtung ist dadurch charakterisiert, dass sie
umfasst
- a) mindestens eine Messzelle, die versehen
ist mit
- i) einer Einrichtung für
die Homogenisierung einer Flüssigkeit,
- ii) mindestens zwei Regeleinrichtungen, die Steuerprogramme
zur Änderung
der beiden unabhängigen
Variablen, der Komponentenkonzentration und der Temperatur, in einer
vorher festgelegten Weise umfassen oder damit verbunden sind, wobei
die Regeleinrichtung der Komponentenkonzentration ein Dosierungs mittel
für die
Zugabe einer anderen Flüssigkeit
mit einer unterschiedlichen Komponentenkonzentration umfasst,
- iii) mindestens einem Messmittel zur Bestimmung von mindestens
einer abhängigen
physikalischen und/oder chemischen Eigenschaft der Flüssigkeit und
- iv) gegebenenfalls einem Messmittel zur Bestimmung der Temperatur,
- b) mindestens einen Computer für
- i) den Empfang und die Speicherung von Daten, die in Beziehung
zu den abhängigen
und unabhängigen
Variablen stehen, über
mindestens einen elektronischen Schaltkreis und die Berechnung von
zumindest der Komponentenkonzentration aus Daten, die vom Steuerprogramm
erhalten werden, und
- ii) die Umwandlung der empfangenen und berechneten Werte in
dreidimensionale Messpunkte und
- c) eine Einrichtung zur Visualisierung der in dem Computer gespeicherten
Messpunkte in einem dreidimensionalen Diagramm.
-
Die
Einrichtung zur Temperatursteuerung der Flüssigkeit kann einen Mantel
oder eine Heizschlange zur Erwärmung
und/oder Abkühlung
mit Hilfe eines Wärmeübertragungsmedium,
wie Wasser, Polyethylenglykol oder Silikonöl, umfassen. Die Erwärmung kann
alternativ durch ein elektrisches Heizelement erfolgen. Die Abkühlung und
Erwärmung kann
mittels Computerprogramm oder durch konstante Einspeisung des Wärmeübertragungsmediums
gesteuert werden. Die Einrichtung zur Steuerung der Komponentenkonzentration
umfasst einen oder mehrere Dosiermittel um eine Flüssigkeit
zu entnehmen und um eine andere Flüssigkeit von anderer Komponentenkonzentration
zuzugeben. Die ausgetauschten Flüssigkeitsmengen
werden von einem auf einem Computer laufenden Programm gesteuert.
Die Dosiermengen werden zur Berechnung der zugehörigen Komponentenkonzentration
oder Konzentrationen für
die Messpunkte verwendet.
-
Eine
Vorrichtung zur Durchführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens
ist in der 1 schematisiert. 2 zeigt
ein dreidimensionales Diagramm, in dem die Trübung (NTU = nephelometrische
Trübungseinheit)
einer Alkyl-Polyethylenglykol-Verbindung
in Wasser als eine Funktion der Temperatur (°C) und der Konzentration (%(w/w)
= Gewichtsprozent) der Alkyl-Polyethylenglykol-Verbindung dargestellt
ist.
-
1 zeigt
eine Messzelle 1, die mit einem Rührer 2, einer motorbetriebenen
Bürette 3,
die in einer vorgegebenen Weise die Komponentenkonzentration in
einer Flüssigkeit 4 steuert,
ausgestattet ist. Von einem Computer 5 mit einer Ein/Ausgabe-Interface-Einrichtung
werden Steuerungssignale mittels einer elektronischen Leitung 6 zur
Bürette 3 gesendet.
Zusätzlich
werden Steuerungssignale zur Erwärmung
und Abkühlung
mittels der Leitungen 7 und 8 gesendet. Ein Wärmeübertragungsmantel,
welcher die Messzelle umgibt, dient dazu, die Temperaturänderungen
auf die Flüssigkeit
zu übertragen.
Eine Kombination aus Turbidi- und Polarimeter 9 mit einer gemeinsamen
Lichtquelle 10 misst die Trübung bzw. optische Aktivität. Die gemessenen
Werte werden durch die Leitungen 11 und 12 zwecks
Speicherung zum Computer 5 übertragen. Ein Leitfähigkeitsmesser 13,
ein pH-Messgerät 14 und
ein Temperaturmessgerät 15 messen
spezifische Leitfähigkeit, pH-Wert
bzw. Temperatur. Die gemessenen Werte werden zwecks Speicherung
mittels der Leitungen 13', 14' bzw. 15' an den Computer übertragen,
während
die Viskosität
anhand des benötigten
effektiven elektrischen Eingangssignals, das benötigt wird; das Rühren auf
konstanter Geschwindigkeit zu halten, bestimmt wird. Der gemessene
Wert für
den effektiven Verbrauch des Rührers
wird über
die Leitung 2' an
den Computer 5 übertragen.
Gemessene und berechnete Werte werden im Computer 5 beispielsweise
zu Tabellen oder wenigstens zu dreidimensionalen Diagrammen zusammengestellt,
welche auf einem Bildschirm oder einem Papier mittels Drucker dargestellt
werden 16.
-
Das
dreidimensionale Diagramm aus 2 zeigt,
dass die Trübung
des vorliegenden Alkyl-Polyethylenglykols bei einer Temperatur von
cirka 20°C bis
etwa 30°C
und einer Konzentration von 0,2–1,6 Gewichtsprozent
des Alkyl-Polyethylenglykols
gering ist. Eine maßgebliche
Trübung
tritt im Temperaturbereich von 32–40°C auf und bleibt bis zu 80°C bestehen,
welches das Ende des vorliegenden Temperaturbereichs darstellt,
mit der Ausnahme, dass eine lokale partielle Aufhellung im Temperaturbereich
von ca. 54°C
bis ca. 60°C
auftritt.
-
Bei
Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens
und der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist
es möglich,
eine große
Anzahl verschiedener physikalischer und/oder chemischer Variablen,
wie der pH-Wert, Leitfähigkeit
und Trübung
von Flüssigkeiten gleichzeitig
als Funktion der Temperatur und der Konzentration einer Komponente,
die aus einer oder mehreren Substanzen bestehen kann, zu messen. Durch
Kombination mehrerer Messmittel in der Messzelle, ist es möglich, mit
einem minimalem Messaufwand an Zeit und Arbeit Daten in einer Form
zu erhalten, die eine Übersicht über die
abhängigen
Variablen über
einen breiten Temperatur- und Konzentrationsbereich ermöglicht.
Das Verfahren und die Vorrichtung sind beispielsweise für die schnelle
Erforschung von Phasengleichgewichtszuständen nützlich. Die Trübung bietet
somit eine gutes Bild darüber, wo
in einem dreidimensionalen Diagramm zwei oder drei Phasenzustände in einer
Mischung koexistieren. Wenn eine isotropische Lösung, beispielsweise oberflächenaktive
Substanzen in Wasser, existieren oder wenn eine voluminöser Phase,
beispielsweise eine Micellarlösung,
sich im Gleichgewichtszustand mit einem kleinvolumigen, anderen
Volumen, beispielsweise eine an grenzflächenaktivem Stoff reiche Phase, steht,
wird eine geringe Trübung
gemessen. Wenn das Volumen der kleineren Phase vergrößert wird, beispielsweise
durch Zugabe eines grenzflächenaktiven
Stoffes mit begrenzter Löslichkeit
in Wasser, wird ein Anstieg der Trübung auftreten und umgekehrt. Verschiedene
Kombinationen von Daten aus Trübung,
pH-Wert, Leitfähigkeit,
Viskosität
sowie optische und spektralphotometrische Daten können wesentliche
Information liefern über
Veränderungen
im Aggregatzustand gelöster
Sorten, wie zum Beispiel über
das Auftreten oder Verschwinden viskoser Phasen, wie hexagonalkristalline
Flüssigphasen
oder andere optisch aktive kristalline Flüssigphasen, als Ergebnis auf
Veränderung
der Konzentration einer oder mehrerer Komponenten in der Mischung
oder aufgrund einer Temperaturänderung.
-
Die
Viskosität
kann aus den gemessenen Daten über
die verbrauchte Energie oder der Rotationsgeschwindigkeit des elektrischen
Motors, der zum Antrieb der Rührvorrichtung
benutzt werden kann, berechnet werden. Folglich indizieren ein hoher
Energieverbrauch bei konstanter Rotationsgeschwindigkeit oder eine
langsame Rotationsgeschwindigkeit bei konstanter Energiezuführung eine hohe
Viskosität
aufgrund einer Veränderung
bezüglich
Temperatur oder Konzentration. Das Auftreten oder Verschwinden optisch
aktiver Phasen aufgrund einer Veränderung bezüglich Temperatur oder Konzentration
kann dadurch indiziert werden, dass Veränderungen in der Lichtmenge
gemessen werden, die zwei gekreuzte Polarisatoren, die auf jeder
Seite der in einem transparenten Messgefäß befindlichen, chemischen
Mischung angeordnet sind, passieren, wobei eine Lichtquelle vor
dem ersten Polarisator und ein lichtempfindlicher Detektor hinter
dem anderen Polarisator angeordnet ist. Eine geeignete, abhängige Variable,
welche die Löslichkeit
indiziert, Lichtbrechung oder Trübung,
kann als einfacher Indikator für
das Vorliegen dispergierter Materie verwendet werden.
-
Das
Verfahren und die Vorrichtung kann prinzipiell für alle Sorten von Flüssigkeiten
verwendet werden, wie Lösungen,
halbfeste Lösungen
und Dispersionen, bis zu einem Ausmaß, der davon abhängt, welche
der abhängigen
Variablen geeignet unter den herrschenden Flüssigkeitsbedingungen gemessen werden
können.