DE932460C - Geraet zur schnellen, automatischen und registrierenden Messung und Anzeige oberflaechenaktiver Verunreinigungen in Wasser - Google Patents

Description

Das Auftreten von oberflächenaktiven Substanzen ist für alle Wässer, insbesondere für Trinkwässer, ein wichtiges Anzeichen der Verschmutzung. Die Messung dieser Substanzen ist jedoch bisher, wenn überhaupt möglich, schwierig und mit großem Zeitverlust verbunden. Daher bedeutet es einen wesentlichen Fortschritt in der Kontrolle der Beschaffenheit des Wassers, daß das im folgenden beschriebene Gerät in der Lage ist, selbst äußerst geringe Konzentrationen der oberflächenaktiven Substanzen schnell, sicher, automatisch und registrierend zu messen.

Das Gerät nutzt die Tatsache aus, daß die teilweise Wasserunlöslichkeit der Moleküle der oberflächenaktiven Substanzen sie hindert, wieder, z. B.

vermittels Diffusion, in das Innere eines Wasservolumens zurückzukehren, wenn sie einmal an dessen Oberfläche gelangt sind; sie sind an dieser einigermaßen fest adsorbiert. Gibt man infolgedessen dem zu untersuchenden Wasservolumen durch Ausbreiten eine besonders große Oberfläche, so geht infolge der Wegverkürzung ein entsprechend großer Anteil der oberflächenaktiven Stoffe in diese große Oberfläche hinein, ohne zurückkehren zu können; verkleinert man dann die Wasseroberfläche auf geeignete Weise, so wird durch diese Maßnahme schnell eine überraschend hohe Konzentrierung dieser Substanzen erreicht, was nicht vorauszusehen war. Da es nun die besondere Eigenschaft dieser Substanzen ist, die Oberflächenspannung des

Wassers herabzusetzen, so kann das Gerät diese ■ Depression durch Messung der Oberflächenspannung noch bei Gegenwart einiger Milligramm Substanz im Kubikmeter Wasser feststellen. In der deutschen Patentschrift 724627 ist ein Nachweis von öligen Kampfstoffen beschrieben. Aus der Luft auf eine reine Wasseroberfläche gefallene öltröpfchen werden mittels der dadurch bewirkten Depression der Oberflächenspannung erkannt. Die Empfindlichkeit der Messung läßt sich durch Zusammenschieben des Ölfilms steigern.

Die Erfindung befaßt sich demgegenüber nicht mit öligen Stoffen, die aus der Luft auf eine Wasseroberfläche aufgetragen werden, sondern mit grenzflächenaktiven Stoffen, die in Abwasser verschiedenster Herkunft, Fluß- und Trinkwasser gelöst enthalten sind.

Hier ist also das Wasser Gegenstand der Untersuchung. Daher kommt hier auch die Verwendung einer reinen Flüssigkeitsoberfläche, die für das bekannte Verfahren unerläßlich ist, gar nicht in Betracht. Die grenzflächenaktiven Stoffe, die nach der Erfindung registriert werden, unterscheiden sich von den öligen Stoffen des bekannten Verfahrens dadurch, daß sie als Elektrolyte wasserlöslich sind und in ihrem Molekül eine hydrophobe und hydrophile Komponente enthalten. Sie dienen in der Technik sogar dazu, ölige Stoffe in Wasser zu emulgieren. Die Probenahme erfolgt daher auch aus der Tiefe einer bewegten Wassermasse, da sich die Stoffe in einer ruhenden Wassermasse bald an der Grenzfläche zur Luft ansammeln und damit der Messung entziehen würden. Zwar werden auch bei dem Gerät nach der vorliegenden Erfindung die grenzflächenaktiven Stoffe auf eine kleine Oberfläche zusammengedrängt, aber dem geht eine starke Ausbreitung des Wassers voraus, um hierdurch die Wegstrecke zur Oberfläche für die grenzflächenaktiven Stoffteilchen weitgehend zu verkürzen. Durch die besondere Art der Wasserführung, die wesentlich für das Gerät nach der Erfindung ist, gliedert sich der Vorgang zudem in zwei Phasen. In der ersten Phase fließt das Wasser in dünnster Schicht in das Glasgefäß, wobei das aufsteigende Niveau an seiner Oberfläche die Stoffteilchen der dünnen Wasserschicht leicht aufnimmt, bis es die Höhe der Meßoberfläche erreicht hat. In der zweiten Phase fließt dann das Wasser so lange an der Glaswand zu dem Niveau in Meßhöhe, bis die Anreicherung in einer festzulegenden Zeit oder bis zu einer einstellbaren Konzentration erfolgt ist. Hieraus geht hervor, daß bei dem bekannten Verfahren das Volumen der Flüssigkeit, die die reine Oberfläche zu liefern hat, belanglos ist. Bei dem Gerät nach der vorliegenden Erfindung dagegen ist es von ausschlaggehender Bedeutung, da die grenzflächenaktiven Stoffe im gesamten Volumen zu messen sind. Von dem Standpunkt aus gesehen, daß das Verhältnis von Wasserfläche zu Wasservolumen den Grad der Oberflächenverkleinerung bestimmt, läßt sich ableiten, daß nur nach der vorliegenden Erfindung die Wasserfläche verkleinert wird, während bei dem bekannten Verfahren die Anwendung eines Schiebers dieses Verhältnis nicht verändert, sondern nur das Meßareal verkleinert.

Zwei Ausführungen des Gerätes sind in den Abb. 1 und 2 der Zeichnung im Schnitt dargestellt.

Das Gerät verwendet in beiden Fällen für die Anreicherung der oberflächenaktiven Substanzen zweckmäßig ein beispielsweise rundes Gefäß 4, in welchem durch das Rohr 6 ein ständig gleich hohes Wasserniveau gewährleistet ist. Den oberen Rand dieses neuartigen Gefäßes umgibt teilweise oder ganz eine Rinne 5, die außen überhöht ist und einen durchbohrten Deckel trägt und in die an einer Stelle das Zuführungsrohr für das Untersuchungswasser einmündet.

Zur Ausbreitung des Wassers in dünner Schicht dienen kapillarwirkende Hebervorrichtungen, z. B. hakenförmige Stäbchen, die der Glaswand von 4 in großer Zahl dicht anliegen, bzw. Einkerbungen oder Rauhungen der Glaswand selbst, z. B. auch in rasterförmiger Anordnung. Auf diesem Wege fließt nun das Wasser aus der Rinne 5 über die trennende Glaswand in das Gefäß 4 über. Das Gefäß 4 füllt sich nun mit Wasser bis zu der Höhe, die dem Überlaufrohr 6 entspricht. Das Wasser, das aus diesem fortfließt, enthält nur noch einen geringen Anteil oberflächenaktiver Substanzen.

Das stillstehende Niveau im Gefäß 4 dient nun zur Messung der Oberflächenspannung bzw. ihrer Depression. In an sich bekannter Weise verwendet man dazu beispielsweise eine Torsionswaage mit Adhäsionsring oder -draht 3. Man läßt dazu diesen Ring 3, der von dem Waagebalken 2 herabhängt, durch die öffnung des Deckels in das Wasserniveau eintauchen, so daß er gerade eben in der Oberfläche liegt. Die manuelle Betätigung der Waage und die Meßmethode sind bekannt. Das neue Gerät führt nun diese Messung automatisch und registrierend durch. Beispielsweise werden hier zwei Ausführungsformen beschrieben, von denen die erste die Zeit erkennen läßt, innerhalb der eine bestimmte Depression erreicht ist, während die zweite in gleichen Zeitabständen Messungen vornimmt, so daß die Kurve der Depression zur Aufzeichnung gelangt. Man kann diese sowie auch andere Ausführungen des Gerätes mit Alarm- bzw. Fernmeldevorrichtungen versehen.

Bei den Maßen, insbesondere des auswechselbaren Gefäßes 4, ist zu berücksichtigen, ob ein an oberflächenaktiven Stoffen armes Wasser, z. B. ein Trinkwasser, oder ein an ihnen reiches Wasser, z. B. ein Fluß- oder gar Abwasser, kontrolliert werden soll. Bei ersterem wird man' alle Maße so wählen, daß eine besonders schnelle Anzeige erfolgt, z. B. ein Gefäß 4 von höchstens 40 bis 50 mm Durchmesser und einen offenen Adhäsionsring von etwa 4 mm Innendurchmesser aus abgeflachtem Platindraht, ferner die einfache Rinne 5 durch eine kaskadenartige Anordnung mit mehreren, übereinander angeordneten Rinnen ersetzen.

Da es nicht zu vermeiden ist, daß Staubspuren öder andere Aufschwimmteilchen sich in der Wasseroberfläche einfinden, so ist es zweckmäßig, die kapillaren Überleitungen aus der Rinne zum

Gefäß 4 in solchen Gruppenintervallen anzuordnen, daß sich zwischen ihnen Oberflächenwirbel ausbilden können, in welchen sich die störenden Teilchen fangen, so daß sie nicht zur Mitte der Wasser-5 oberfläche vordringen können. Auch aus diesem Grunde ist eine wenigstens zweistufige Kaskadenanordnung nützlich.

Um eine automatische Messung zu ermöglichen, wird der Adhäsionsring 3 durch besondere Vorrichtungen automatisch der Oberfläche aufgesetzt. Dieses geschieht gemäß Abb. 1 in der Weise, daß der Ablauf des Überlaufrohres mit einem Steigrohr 7 leitend verbunden wird. Nachdem die Gefäße 4 und 6 gefüllt sind, füllt das überlaufende Wasser das Steigrohr 7 und hebt gleichzeitig den Schwimmer 8; dieser drückt das Gestänge 9 und den einarmigen Hebel 10 nach oben. Ein Mitnehmer io^e drückt gegen den bei Abwärtsbewegung nachgiebigen, bei Aufwärtsbewegung unnachgiebigen Anschlag ii^fl und betätigt den zweiarmigen Hebel 11 in der Weise, daß dieser zunächst den Waagebalken 2 der Torsionswaage nach unten drückt, so daß sich der Adhäsionsring der Oberfläche aufsetzt. Bei weiterer Aufwärtsbewegung bewegt sich der Mitnehmer io^a am gelenkigen Anschlag n^e vorbei und gibt dann den Hebel 11 frei. Der somit ebenfalls plötzlich frei gelassene Waagebalken 2 würde jetzt mit erheblicher Spannung wieder zurückschnellen, was ein unerwünschtes, vorzeitiges Abreißen des Adhäsionsringes 3 bewirken könnte. Um dieses zu vermeiden, wird das Zurückschnellen durch eine Dämpfung 12 abgefangen. Der Hebel 11 sinkt gedämpft, aber langsam noch weiter nach unten und gibt so allmählich den Waagebalken 2 gänzlich frei, so daß eine unbeeinflußte Wägung der Oberflächenspannung möglich ist.

Haben sich in ausreichendem Maße oberflächenaktive Stoffe an der Oberfläche angesammelt, ist also das Wasser in diesem Sinne verschmutzt, so sinkt die Spannung unter das eingestellte Maß, der Ring 3 reißt ab, der Waagebalken 2 schnellt nach oben und schließt den Kontakt 13 eines Stromkreises, durch den der Magnet einer Schreibfeder 14 und ein weiterer Magnet 15 betätigt wird, der die Doppelventile 16 öffnet, so daß das Wasser aus den Behältern 4, 6 und 7 abfließen kann. Weiter nachfließendes Wasser spült die Reste der oberflächenaktiven Stoffe aus dem System. Der Schwimmer 8 fällt mit dem Wasser nach unten, ein Anschlag g^a seines Gestänges 9 stößt den Kontakt 17 auf Aus-Stellung, der Stromkreis wird unterbrochen, der Magnet 15 gibt nach, die Ventile 16 schließen sich wieder. Das Wasser steigt sodann in den Behältern 4, 6, 7 wieder an, der Schwimmer 8 bewegt sich nach oben, der Waagebalken 2 wird in oben bereits beschriebenem Sinne wieder nach unten gedrückt und der Adhäsionsring 3 der Oberfläche wieder aufgesetzt. Hierbei wird zunächst der Kontakt 13 unterbrochen, nach weiterer Aufwärtsbewegung des Schwimmers 8 der Kontakt 17 aber wieder geschlossen, so daß jetzt der Stromkreis nur bei 13 geöffnet ist und so lange geöffnet bleibt, bis der Adhäsionsring 3 abreißt.

Gemessen wird durch diese Vorrichtung und auf der automatischen Schreib trommel verzeichnet die Ö5 Dauer, während welcher der Ring von der Oberflächenspannung festgehalten wird. Bei konstanter Wasserzuflußmenge läßt sich sinngemäß auch die während dieser Zeit durchgelaufene Wassermenge messen. Bei schneller und starker Verschmutzung des Wassers mit oberflächenaktiven Stoffen verzeichnet die Schreibtrommel entsprechend häufige und kurzfristige Füllungen des Gefäßes 4.

Die Ausführung gemäß Abb. 2 soll unmittelbar die jeweils vorhandene Spannung messen. Das geschieht in der Weise, daß der sonst von Hand betätigte Spannhebel der Torsionswaage automatisch langsam hin und her bewegt wird. Statt der sonst üblichen Rändelschraube bei Handbetätigung wird ein dementsprechendes Übertragungselement, im dargestellten Beispiel ein Zahnrad i^a, gewählt. (Statt dessen sind auch andere Übertragungen, wie Schnurrolle, Bandrolle, Schnecke u. dgl., anwendbar, wenn für Präzision der Übertragung der Weglänge gesorgt wird.) Ein Wagen 21, der durch Exzenter 29 oder andere entsprechende Übertragungselemente von einem Uhrwerk oder Elektroantrieb 28 in langsame Auf- und Abwärtsbewegung versetzt wird, bewegt vermittels seiner Verzahnung und dem Zahnrad i° den Spannhebel von der Nullstellung bis zur höchsten Spannung und zurück. Eine bestimmte Höhe des Wagens 21 entspricht einem bestimmten Skalenwert des Spannhebels und dementsprechend einer bestimmten Spannung. Durch einen Vorsprung 2i^a wird unterhalb der Nullstellung des Spannhebels jeweils der Waagebalken 2 nach unten gedrückt und der Adhäsionsring 3 der Oberfläche aufgesetzt. Bei der Aufwärtsbewegung des Wagens 21 und dementsprechender Steigerung der Spannung reißt in dem Augenblick der Ring ab, in dem die Grenzspannung erreicht wird. Im gleichen Augenblick wird der Stromkreis bei 23 geschlossen und durch einen Magnet der Schreibstift 22 betätigt. Ist die Spannung gering, so wird der Schreibstift die Trommel unten, ist sie höher, so wird er dieselbe entsprechend höher berühren. Sinngemäß kann die Apparatur auch so eingerichtet werden, daß die Trommel verschiebbar ist und der Schreibstift steht. Gemessen wird bei dieser Vorrichtung die von der Waage ermittelte Oberflächenspannung in regelmäßigen Zeitabständen.

Claims (8)

1. PATENTANSPRÜCHE:

   ι. Gerät zur automatischen und registrierenden Messung der Konzentration oberflächenaktiver Substanzen in Wasser, dadurch gekennzeichnet, daß das in das Gerät einströmende Wasser in seinem Lauf nacheinander gezwungen wird, zunächst eine möglichst große und dann eine kleine konstante Oberfläche zur Luft anzunehmen, wodurch die in ihm befindlichen oberflächenaktiven Stoffe so erheblich aus dem Innern des Wassers an die Oberfläche gebracht werden, daß sie eine Oberflächenspannungs-

   depression hervorrufen, die zur Messung geeignet ist und bei gesteuertem Zu- und Abfluß eine Dauerkontrolle des Wassers ermöglicht..
2. 2. Gerät zur automatischen und registrierenden Messung der Konzentration oberflächenaktiver Substanzen in Wasser nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß das Wasser zunächst in eine Rinne fließt, aus der es mit Hilfe offener, kapillarer Führungsvorrichtungen in

   ίο ausgebreiteter Oberfläche in ein der Rinne angrenzendes Glasgefäß übergeführt wird, wobei die ausgebreitete Wasseroberfläche auf den Querschnitt des Glasgefäßes wieder entsprechend eingeengt wird und das an oberflächenaktiven Stoffen verarmte Wasser durch ein das Niveau haltendes Überlaufrohr abfließt.
3. 3. Gerät nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Messung der infolge der Konzentrierung der oberflächenaktiven Substanzen erreichten Depression der Oberflächenspannung des Wassers beispielsweise eine Torsionswaage nebst Adhäsionsring oder -draht verwendet wird, die mit elektrischen Kontakten zur .Übertragung des Meßergebnisses und zur Auslösung der Wasserführung versehen ist.
4. 4. Gerät nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Bewegung des Adhäsionsringes oder -drahtes durch geeignete Hebelführung oder durch Dämpfung bei dem Aufsetzen so abgeschwächt wird, daß er nicht vorzeitig von der Wasseroberfläche abreißt. "
5. 5. Gerät nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Aufsetzen des Adhäsionsringes oder -drahtes sich automatisch wiederholt, wenn er infolge genügender Oberflächenspannungsdepression von der Wasseroberfläche abgerissen ist, wozu elektrische Kontakte und Schwimmervorrichtungen Magnete in Tätigkeit setzen.
6. 6. Gerät nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeit automatisch und registrierend gemessen wird, in der eine bestimmte Depression der Oberflächenspannung sich einstellt, was dadurch erreicht wird, daß in diesem Zeitpunkt der hochschnellende Waagebalken über einen elektrischen Kontakt Magnete in Tätigkeit setzt, von denen der eine eine ■ Schreibfeder gegen eine Schreibtrommel bewegt, der andere Ventile zum Abfluß des gestauten Wassers öffnet, wonach der Schwimmer deren Schließung und damit die Neufüllung der Wasserbehälter auslöst sowie die Senkung des Adhäsionsringes oder -drahtes auf die neu entstandene Wasseroberfläche veranlaßt.
7. 7. Gerät nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die jeweils an der Wasseroberfläche vorhandene Oberflächenspannung bzw. ihre zunehmende Depression in regelmäßigen Zeitabständen gemessen wird, indem die Spannung der Torsionswaage durch Übertragungselemente, wie beispielsweise Zahnräder, besorgt wird und ein Wagen, der sich in langsamer Auf- "und Abwärtsbewegung befindet und dessen Höhenstellung bestimmten Skalenwerten bzw. Spannungen entspricht, diese auf eine danebenstehende Trommel durch eine Schreibfeder aufzeichnet.
8. 8. Gerät nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß man das Gerät mit Alarmbzw. Fernmelde- bzw. Fernsteuerungsvorrichtungen versieht.

   Angezogene Druckschriften: Deutsche Patentschrift Nr. 724 627.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

   I 509 540 8.55