DE893719C - Verfahren zur Regelung von PH-Werten - Google Patents

Verfahren zur Regelung von PH-Werten

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DE893719C
DE893719C DES7138D DES0007138D DE893719C DE 893719 C DE893719 C DE 893719C DE S7138 D DES7138 D DE S7138D DE S0007138 D DES0007138 D DE S0007138D DE 893719 C DE893719 C DE 893719C
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DE
Germany
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DES7138D
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English (en)
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Fritz Dr Lieneweg
Alfred Dr Naumann
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Siemens Corp
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Siemens Corp
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Publication date
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    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01JCHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J19/00Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J19/0086Processes carried out with a view to control or to change the pH-value; Applications of buffer salts; Neutralisation reactions

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Detergent Compositions (AREA)
  • Separation Using Semi-Permeable Membranes (AREA)
  • Organic Low-Molecular-Weight Compounds And Preparation Thereof (AREA)

Description

  • Verfahren zur Regelung von PH Werten Die Richtung der neuzeitlichen B etriebsüberwachung geht dahin, wichtige Fabrikationsvorgänge durch geeignete Meßverfahren nicht nur zu überwachen, sondern auch selbsttätig zu regeln. Dadurch tritt in vielen Fällen nicht nur eine Vereinfachung der Betriebsführung, sondern infolge der stets gleichmäßigen Betriebsbedingungen auch eine erhebliche Steigerung der Güte und der Gleichartigkeit oder sogar eine Erhöhung der Ausbeute ein.
  • Für die Regelung von Zustandsgrößen sind mannigfaltige Regelverfahren und Regelgeräte mechanischer oder elektrischer Art ausgebildet worden. Solche Regelverfahren und -geräte sind auch für die Regelung von pH-Werten herangezogen worden, z. B. zur Neutralisation großer Abwassermengen, zur Wasseraufbereitung von Trink- und Fabrikationswässern, zur selbsttätigen Saturation von Zuckersäften usw. Bei pu-Regelungen ergeben sich nun über normale Regelaufgaben hinaus zusätzliche Gesichtspunkte, die durch den exponentiellen Zusammenhang zwischen Wasserstoffionenkonzentration und pH-Wert bedingt sind.
  • Auf Grund des exponentiellen Zusammenhangs zwischen pH-Wert und H-Ionenkonzentration läßt sich auch bei der Regelung des pH-Wertes von ungepufferten Lösungen die erreichbare Genauigkeit berechnen, mit der die Zugabe an Säure oder Lauge zu erfolgen hat, um einen geforderten Wert PH mit vorgegebener Regeltoleranz zu erhalten.
  • Da die Zugabe von Lösungen bei selbsttätigen Regelungen höchstens mit einer Genauigkeit von i 1 bis 3 Olo vorgenommen werden kann, ergibt sich, daß man bei einem pH-Unterschied von 3 PH den Sollwert höchstens mit einer Genauigkeit von i o,g bis I,5 PH erhalten kann. Bei einer geforderten Regeltoleranz von 0,1 pH kann deshalb unter Zugrundelegen der Zugabegenauigkeit von i I bis 3 0!o ein pH-Unterschied von höchstens i I,5 bis 1 pH durch eine Stufe ausgeregelt werden. Um größere pH-Unterschiede mit hoher Genauigkeit ausregeln zu können, ist bereits vorgeschlagen worden, in mehreren Stufen nacheinander die Regelung durchzuführen.
  • Bei der Regelung gepufferter Lösungen treten weitere spezifisch pn-bedingte Erscheinungen auf, die sich unter Umständen dahingehend auswirken können, daß eine pH-Regelung ohne besondere Berücksichtigung der chemischen Eigenart des gepufferten Systems überhaupt unmöglich wird.
  • Zur Verdeutlichung sei daran erinnert, daß ein Puffer aus zwei Komponenten besteht, einer Puffersäure, die H-Ionen abspalten kann, und einer Pufferbase, die H-Ionen binden kann. Diese beiden Komponenten stehen in der Wechselbeziehung HB B- + H+.
  • Puffersäure Pufferbase Auf Grund des Massenwirkungsgesetzes ergibt sich daraus die Puffergleichung Darin ist pk der negative Logarithmus der Gleichgewichtskonstanten des Puffersystems.
  • Die Eigenart eines Puffers, bei Zugabe von H- oder OH-Ionen in seinem pH-Wert fast unveränderlich zu bleiben, beruht demnach darauf, daß z. B. bei Zusatz von H-Ionen die Pufferbase B- so lange in die Puffersäure HB übergeführt wird, bis die Pufferbase B völlig verbraucht ist. Der Optimalwert der Pufferwirkung ist bei gleichen Konzentrationen von Pufferbase und Puffersäure vorhanden. In diesem Fall ist der pu-Wert des Puffers gleich dem negativen Logarithmus der Gleichgewichtskonstanten (FH = pk). Die Pufferwirkung ist dabei um so größer, je größer die Absolutkonzentration der beiden Pufferkomponenten ist. Die Zerstörung des Puffers durch steigenden Zusatz von Säure bzw. Base tritt deshalb um so später ein, je höher die Konzentrationen der Pufferkomponenten sind.
  • Das allgemeine Verhalten beliebiger Puffersysteme ist quantitativ in Abhängigkeit von der zugesetzten H- bzw. OH-Ionenkonzentration in den Kurven der Fig. I dargestellt, a und b. Zum Vergleich ist die pH-Änderung einer ungepufferten Lösung bei gleichem Zusatz von H- bzw. OH-Ionen angeführt, c. Der Pufferbereich d wird mit der Absolutkonzentration der Pufferkomponenten größer. Nach Zerstörung des Puffers nimmt der pH-Wert denselben Verlauf, als ob der Zusatz zu ungepufferter Lösung erfolgt wäre. In dem Gebiet der Zerstörung, e, des Puffers ist die pn-Änderung in Abhängigkeit von der H- bzw. OH-Ionenkonzentration so groß, daß eine Einstellung und damit Regelung auf die in diesem Gebiet liegenden pH-Werte meist unmöglich ist. Nach Zersetzen des Puffers ergeben sich für die Regelung und die erreichbaren Regelgenauigkeiten die gleichen Gesichtspunkte wie für ungepufferte Lösungen. Innerhalb des Pufferwirkungsbereichs ist dagegen die pn-Änderung in Abhängigkeit von zugesetzter Menge weit geringer als bei ungepufferten Lösungen, und man kann deshalb auch innerhalb dieses Gebietes wesentlich höhere Regelgenauigkeiten erreichen.
  • Für praktische Regelfälle ergibt sich aus diesen Betrachtungen, daß bei Regelungen von solchen Lösungen, die Puffersysteme enthalten oder bei denen sich durch Zusatz von Säure oder Lauge Puffersysteme ausbilden, eine Steigerung der Regelgenauigkeit nur innerhalb des durch das Puffersystem gegebenen Pufferbereichs möglich ist.
  • Über die Eigenschaften der speziellen Pufferlösung und die möglichen Regelgenauigkeiten erhält man ein übersichtliches Bild, wenn man mit der zu regelnden Lösung eine Kurve des ph-Wertes in Abhängigkeit von der zugesetzten Säure- oder Laugenmenge (Titrierkurve; Fig. 2) aufnimmt. Die Tangente an dieser Kurve, der Differentialquotient d pH/dv ergibt für jeden pH-Wert dieser Kurve die in diesen Punkten mögliche Regelgenauigkeit iI pRI durch Multiplikation mit dem Gesamtverbrauch v an zugesetzter Lösung in Kubikzentimeter und der Zugabegenauigkeit in Prozent G dividiert durch IOO. dpH G PH = . v . . dv 100 Auch für ungepufferte Lösungen kann so die Regeltoleranz ermittelt werden. Wie aus Fig. 2b hervorgeht, erreicht man bei einer zugrunde gelegten Zugabegenauigkeit von 3 0/o eine Regeltoleranz von 0,4 .9,8 3 0,5 100 o,24 PH . wenn eine mit nur gepufferte HCl-Lösung von 1,2 auf 8,5 geregelt werden soll.Demgegenüber wäre bei einem nichtgepufferten System nur eine Regelgenauigkeit von 0'5 . 9,7 zu I30 = i o,g6 pH 0,5 ' 100 (Fig. 2 a) zu erreichen. Die Genauigkeit würde mit weiterem Zusatz an Puffersalz noch größer (Fig. 2 c und zd).
  • Die Erfindung benutzt diese Eigenschaften gepufferter Lösungen, um mit sehr geringer Zugabegenauigkeit über große pn-Gebiete hinweg mit kleiner Toleranz zu regeln. Es wird erfindungsgemäß große Genauigkeit bereits in einer Stufe erreicht, indem man der Lösung außer den Säuren bzw. Laugen eine oder mehrere Pufferkomponenten (Fixierpuffer) zugibt. Die Auswahl derselben muß so getroffen werden, daß die Pufferwirkung innerhalb des zu regelnden Bereichs liegt. Die Konzentration an Puffer muß im Hinblick auf die verlangte Regelgenauigkeit gewählt werden.
  • Um ein klares Bild über die erforderlichen Zusätze an Fixierpuffer zu erhalten, nimmt man die pH-Änderung in Abhängigkeit von zugesetzter Säure oder Lauge für verschiedene Pufferkonzentrationen auf (Fig. 2 a bis 2 d). Daraus ergibt sich die erreichbare Regeltoleranz. Aus diesen Kurven kann man auch gleichzeitig den minimalen Verbrauch an zuzusetzendem Fixierpuffer für eine geforderte Regeltoleranz ermitteln. Die geringste Zusatzmenge ist dann erforderlich, wenn die Regelung genau auf den pH-Wert erfolgt, bei dem das Pufferoptimum (pH = pk) erreicht ist. Fig. 2 a bis 2d zeigen deutlich, daß schon bei sehr geringen Zusätzen an Pufferkomponenten die erreichbaren Genauigkeiten wesentlich größer werden, so daß auch schon bei einstufiger Regelung große Genauigkeit erreicht wird.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren der Zugabe von Puffersubstanz erscheint insbesondere dann lohnend, wenn nur geringe Flüssigkeitsmengen zu regeln sind.
  • Eine stufenweise Regelung könnte dann im Vergleich zu den Kosten der gesamten Neutralisationsanlage zu teuer sein. Man kann auch bei der Ausregelung großer p-Unterschiede eine Kombination von Kaskadenregelung und Fixierpufferzusatz vornehmen, wobei die Stufenzahl gering bleibt und auch mit geringem Zusatz von Puffersubstanz das Auslangen gefunden wird. Bei kleinen Schwankungen des pu-Wertes der zu regelnden Lösung kann dabei auf eine besondere Regelung der ersten Stufe verzichtet werden.
  • Enthält die zu regelnde Flüssigkeit bereits ein Puffersystem oder bildet sich durch die Zugabe der Säuren bzw. Laugen selbsttätig infolge der in der Lösung vorhandenen Salze ein Puffer aus, dessen pn-Wert nicht dem anzustrebenden pH-Wert entspricht, so ergeben sich zwei Möglichkeiten: I. Die Puffersubstanz in der Lösung ist nur in so geringer Konzentration vorhanden, daß der anzustrebende pH-VC'ert außerhalb des Pufferwirkungsbereichs und auch seines Zersetzungsbereichs liegt (Fig. I). In diesem Fall hat man eine für die Regelung scheinbar ungepufferte Lösung vor sich, und es gelten hinsichtlich der Regelung die gleichen Gesetzmäßigkeiten wie für ungepufferte Lösungen. Man regelt also erfindungsgemäß durch Zugabe eines entsprechend gewählten Fixierpuffers.
  • 2. Hat der vorhandene Puffer eine solche Konzentration, daß der zu regelnde pH-Wert in dem Zersetzungsbereich des Puffers liegt, so muß man auf alle Fälle den anzustrebenden pu-Wert zunächst durch ein zuzusetzendes Fixierpuffersystem festlegen, bei dem der angestrebte pn-Wert innerhalb seines Pufferbereichs liegt. Ferner muß man den störenden Puffer durch Laugen- bzw. Säurenzusatz zerstören, wodurch der zur Fixierung des pn-Wertes dienende Hilfspuffer zum Vorschein kommt. Die Konzentration an dem zusetzenden Fixierpuffer muß dabei so gewählt werden, daß sie gegenüber der Zugabegenauigkeit der den Puffer zerstörenden Säure oder Lauge groß ist.
  • In besonders einfacher sparsamer Weise läßt sich die Regelung von sehr stark gepufferten Lösungen auf einen pn-Wert innerhalb des Zersetzungsbereichs erfindungsgemäß dadurch erreichen, daß man den Puffer ganz oder teilweise entfernt, z. B. durch Ausfällen, durch Komplexsalzbildung usw. so weit zerstört, daß der einzuregelnde pH-Wert außerhalb des Zersetzungsbereichs des übrigbleibenden Puffers liegt. Das ist z. B. durch Ausfällen von Phosphatpuffern mit Calciumsalzen möglich, wobei sich unlösliche Calciumphosphate bilden. Naturgemäß ist der Verbrauch an Calciumsalzen in diesem Fall relativ gering und der Verbrauch an Säuren bzw. Laugen nicht größer als bei der Regelung von ungepufferten Lösungen. Diesen kann dann erfindungsgemäß wieder ein Fixierpuffer zugesetzt werden.
  • Weiterhin kann man eine Lösung auch nur durch Zugabe von Pufferkomponenten oder, falls die Lösung bereits stark gepuffert ist, durch teilweise Zerstörung des vorhandenen Puffers auf einen bestimmten pH-Wert einregeln.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren gestattet also, auf Grund der spezifischen Eigenschaften von Pufferlösungen die Regelung von gepufferten Lösungen auf beliebige pH-Werte zu ermöglichen und die Genauigkeit der Regelung beliebiger Lösungen zu steigern.
  • Die praktische Durchführung des Verfahrens geschieht durch Zumischen fester oder gelöster Komponenten in geeigneten, an sich bekannten kontinuierlich oder diskontinuierlich wirkenden Einrichtungen.
  • Bei stark schwankenden Durchflußmengen der zu regelnden Lösung erfolgt die Zugabe zweckmäßig gleichzeitig mit der Säure- oder Laugenzugabe in Abahängigkeit von der Durchflußmenge. Zweckmäßig mischt man dann die Puffersubstanz mit der zuzusetzenden Säure oder Lauge, um nur eine gemeinsame Zugabelösung zu erhalten. Treten aber chemische Umsetzungen zwischen dem Zugabemittel und der Puffersubstanz auf, so muß man die Puffersubstanz getrennt von dem Zugabemittel zugeben. In diesem Fall wird die Zugabe der Puffersubstanz zweckmäßig von der gleichen Regeleinrichtung gesteuert, die die Zugabe von Säure oder Lauge bewirkt. Auf diese Weise erspart man eine besondere Regelapparatur. Bei Puffersystemen, die flüchtige Säuren oder Basen enthalten, wie z. B. Kohlensäure oder Ammoniak, setzt man diese erst nach Abstumpfung der zu neutralisierenden Säure oder Lauge zu, um Verluste zu vermeiden. Die gleichen Gesichtspunkte gelten natürlich auch, wenn statt Puffersubstanzen Ausfällmittel zugesetzt werden.

Claims (9)

  1. PATENTANSPRÜCHE I. Verfahren zur Regelung von pH-Werten von Lösungen, dadurch gekennzeichnet, daß man durch Änderung des Gehaltes der zu regelnden Lösung an Pufferkomponenten den pn-Wert beeinflußt.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß man bei Regelung auf einen bestimmten pn-Wert mittels saurer oder basischer Flüssigkeiten zusätzlich Pufferkomponenten zugibt.
  3. . 3. Verfahren nach Anspruch I und 2, dadurch gekennzeichnet, daß man außerdem pufferzerstörende oder pufferausfällende Stoffe zugibt.
  4. 4. Verfahren nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelung lediglich durch Zugabe von Pufferkomponenten oder Zerstörung bzw. Ausfällung vorhandener Pufferkomponenten erfolgt.
  5. 5. Ausführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Pufferkomponenten oder die pufferzerstörenden bzw. -ausfällenden Stoffe in Mischung mit den sauren oder basischen Flüssigkeiten zugegeben werden.
  6. 6. Ausführung des Verfahrens nach den Ansprüchen I bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei wechselnden Durchflußmengen der auf einen gewünschten pn-Wert zu regelnden Lösung auch die Zugabe der Pufferkomponenten oder der pufferzerstörenden bzw. -ausfällenden Stoffe entsprechend den Durchflußmengen erfolgt.
  7. 7. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Zugabe der Pufferkomponenten oder der pufferzerstörenden bzw. -ausfällenden Stoffe durch dieselbe Regeleinrichtung gesteuert ist, die die Zugabe der sauren bzw. alkalischen Flüssigkeiten regelt.
  8. 8. Verwendung der Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche auf mehrstufige Regelung.
  9. 9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Zugabe der Pufferkomponenten in der letzten oder in den letzten Stufen erfolgt.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE1212344B (de) * 1960-08-01 1966-03-10 Separator Ab Vorrichtung zum Reinigen von in einem Fluessigkeitskreislauf liegenden Geraeten
CN116969574A (zh) * 2023-08-03 2023-10-31 华能南京金陵发电有限公司 一种自动加药系统及其使用方法

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