DE9422397U1

DE9422397U1 - Device for measuring the surface elasticity of a liquid

Info

Publication number: DE9422397U1
Application number: DE9422397U
Authority: DE
Original assignee: SURFACTUM GmbH
Current assignee: SURFACTUM GmbH
Priority date: 1994-05-05
Filing date: 1994-05-05
Publication date: 2001-08-16
Anticipated expiration: 2004-05-06

Description

Dipl.-Ing. W. Herrmann-Trentepohl, Bochum DIpI.-Ing. Wolfgang Grosse, München
Dipl.-Ing. Josef Bockhoml, Bochum
DIpI.-Ing. Martin Misselhom, RA, München Dipl.-Ing. Thilo Raible, RA, München
/-'«,V.xj Dipl.-Ing. Johannes Dieterle, LeipzigDipl.-Ing. W. Herrmann-Trentepohl, Bochum DIpI.-Ing. Wolfgang Grosse, Munich
Dipl.-Ing. Josef Bockhoml, Bochum
DIpI.-Ing. Martin Misselhom, RA, Munich Dipl.-Ing. Thilo Raible, RA, Munich
/-'«,V.xj Dipl.-Ing. Johannes Dieterle, Leipzig

GmbH _{ute Giosser}, _RAin, _MünchenGmbH _{ute Giosser} , _RAin , _Munich

Willem-Korff-Platz 1 *·,,,,>,.,<,,Willem-Korff-Platz 1 *·,,,,>,.,<,,

E-mail: lntoepatguard.deE-mail: lntoepatguard.de

17166-Teterow Deutschland17166-Teterow Germany

München
8. März 2001
B76304DE (GS/LE/SK)Munich
March 8, 2001
B76304DE (GS/LE/SK)

[Vorrichtung zur Messung der Oberflächenelastizität einer Flüssigkeit][Device for measuring the surface elasticity of a liquid]

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Messung der Oberflächenelastizität einer Flüssigkeit.The invention relates to a device for measuring the surface elasticity of a liquid.

Sowohl in der chemischen Technik als auch in der Biotechnik ist die Begasung von Flüssigkeiten eine häufig angewendete technische Operation. Bei diesen Prozessen kommt es darauf an, in kurzer Zeit möglichst viel Gas zu lösen, d.h. eine hohe Absorptionsgeschwindigkeit zu erzielen. Dies wird im allgemeinen dadurch erreicht, daß eine große Stoffaustauschfläche (also viele kleine Gasblasen) angeboten wird.The gassing of liquids is a frequently used technical operation in both chemical engineering and biotechnology. In these processes, the aim is to dissolve as much gas as possible in a short time, i.e. to achieve a high absorption rate. This is generally achieved by providing a large mass transfer surface (i.e. many small gas bubbles).

Um diesen Vorgang zu optimieren, sind Kenntnisse über die Oberflächeneigenschaften dieser Flüssigkeiten, insbesondere ihrer Oberflächenelastizität, notwendig.To optimize this process, knowledge of the surface properties of these liquids, especially their surface elasticity, is necessary.

Wird eine Flüssigkeitslamelle (z.B. der Flüssigkeitsfilm einer Schaumblase) lokal gedehnt, bewirkt diese Beanspruchung eine in diesem Bereich vergrößerte Oberfläche, einhergehend mit einer lokalen Abnahme der Oberflächenkonzentration, und schließlich einen lokalen Anstieg der Oberflächenspannung. Umgekehrt bewirkt eine lokal erhöhte Oberflächenspannung ihrerseits eine Kontraktion des Flächenelementes.If a liquid lamella (e.g. the liquid film of a foam bubble) is locally stretched, this stress causes an increased surface area in this area, accompanied by a local decrease in the surface concentration, and finally a local increase in the surface tension. Conversely, a locally increased surface tension in turn causes a contraction of the surface element.

Forstenrieder Allee 59 Massenbergstr. 19-21 Max-Beckmann-Str, 23 &agr; Paseo Explanada De Espana No. 1,4-lzclaForstenrieder Allee 59 Massenbergstr. 19-21 Max-Beckmann-Str, 23 &agr; Paseo Explanada De Espana No. 1,4-lzcla

D - 81470 München D-44787 Bochum D - 04109 Leipzig ES - 03002 AlicanteD - 81470 Munich D-44787 Bochum D - 04109 Leipzig ES - 03002 Alicante

Tel.+49 089-745541-0 Tel.+49 023A,91224-ß .. .Tel.+490141-8il38W·· Tel*+4»O89J 745541-0Tel.+49 089-745541-0 Tel.+49 023A,91224-ß .. .Tel.+490141-8il38W·· Tel*+4»O89J 745541-0

Fax+49039 - 7593869 Fax+4902:4 -^406600 : '. to* +49*03^1 *-21&Idigr;3818·* '· ' ·* Fa^+4«089;- 7593809Fax+49039 - 7593869 Fax+4902:4 -^406600 : '. to* +49*03^1 *-21&Idigr;3818·* '· ' ·* Fa^+4«089;- 7593809

Deutsche Bank, Bochum (BLZ 430 700 24) Kontonummer: &oacgr; 145 510
HypoVereinsbank München (BLZ 700 202 70) Kontonummer: 46 505 999 Postscheck München (BLZ 700 100 80) Kontonummer: 227 682-805Deutsche Bank, Bochum (bank code 430 700 24) Account number: &oacgr; 145 510
HypoVereinsbank Munich (bank code 700 202 70) Account number: 46 505 999 Postal check Munich (bank code 700 100 80) Account number: 227 682-805

Nach Gibbs ist die Oberflächenelastizität definiert als das Verhältnis der Änderung der O-berflächenspannung &sgr; zur relativen Änderung der Fläche A:According to Gibbs, surface elasticity is defined as the ratio of the change in surface tension σ to the relative change in area A:

(Gl.(Eq.

Zur Messung der Oberflächenelastizität von Flüssigkeiten ist aus der Veröffentlichung von K. Lunkenheimer und G. Kreztschmar in Z. phys. Chemie 265, Leipzig, S. 71-80 (1984) ein Verfahren bekannt, bei dem eine Luftblase in einer Lösung einer oberflächenaktiven Substanz erzeugt wird, diese zu Schwingungen definierter Amplitude erregt wird und die dazu benötigte Anregungsenergie gemessen wird. Aus den vorgegebenen bzw. gemessenen Werten kann die Oberflächenelastizität der Lösung berechnet werden.A method for measuring the surface elasticity of liquids is known from the publication by K. Lunkenheimer and G. Kreztschmar in Z. phys. Chemie 265, Leipzig, pp. 71-80 (1984), in which an air bubble is created in a solution of a surface-active substance, this is excited to oscillate with a defined amplitude and the excitation energy required for this is measured. The surface elasticity of the solution can be calculated from the specified or measured values.

Das bekannte Verfahren benutzt eine Vorrichtung, bei der eine Kapillare in die zu untersuchende Flüssigkeit eingetaucht ist, an deren Spitze die Luftblase gebildet wird. Die Kapillare wird an ein System zur Erzeugung periodischer Luftdruckschwankungen angeschlossen, das im wesentlichen einen starken Topfinagneten und einen Tieftongenerator zu dessen periodischer Anregung umfaßt.The known method uses a device in which a capillary is immersed in the liquid to be examined, at the tip of which the air bubble is formed. The capillary is connected to a system for generating periodic air pressure fluctuations, which essentially comprises a strong pot magnet and a low-frequency generator for its periodic excitation.

Weiterhin umfaßt die bekannte Vorrichtung eine optische Einrichtung einschließlich einer Mikroskopierlampe, welche die Blase beleuchtet, und eine Fotozelle, auf die der Schatten der Blase fallt. Aus der Messung des Schattenrisses der Blase und der Anregungsenergie für den Topfinagneten wird die Oberflächenelastizität der Flüssigkeit berechnet.The known device also comprises an optical device including a microscope lamp which illuminates the bubble and a photocell onto which the shadow of the bubble falls. The surface elasticity of the liquid is calculated from the measurement of the silhouette of the bubble and the excitation energy for the pot magnet.

Dieses bekannte Verfahren und die dazu verwendete Apparatur weisen verschiedene Nachteile auf. Insbesondere ist der technische Aufwand relativ groß und wichtige physikalische Größen zur Berechnung der Oberflächenelastizität ergeben sich nur indirekt aus der Anregungsenergie des Topfinagneten, wobei systematische Fehler bei der Berechnung der Oberflächenelastizität auftreten können.This known method and the apparatus used for it have various disadvantages. In particular, the technical effort is relatively high and important physical quantities for calculating the surface elasticity are only indirectly derived from the excitation energy of the pot magnet, whereby systematic errors can occur in the calculation of the surface elasticity.

Weiterhin ist das Verfahren und die Vorrichtung nach Lunkenheimer et al. auf periodische Anregungen beschränkt.Furthermore, the method and device according to Lunkenheimer et al. is limited to periodic excitations.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Nachteile des Standes der Technik zu beseitigen.The object of the present invention is to eliminate the disadvantages of the prior art.

Die Aufgabe wird mit einer Vorrichtung nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den begleitenden Unteransprüchen gekennzeichnet.The object is achieved with a device according to claim 1. Advantageous embodiments of the invention are characterized in the accompanying subclaims.

Ein Vorteil der Erfindung ist ihre relative Einfachheit und die unkomplizierte Auswertung der entscheidenden Meßwerte, so daß sowohl qualitative als auch quantitative Angaben über die Oberflächenelastizität der gemessenen Flüssigkeit gemacht werden können.An advantage of the invention is its relative simplicity and the uncomplicated evaluation of the decisive measured values, so that both qualitative and quantitative information about the surface elasticity of the measured liquid can be provided.

Weiterhin erlaubt die Erfindung sowohl periodische wie auch sprunghafte Anregungen der Gasblase, wobei in einer vorteilhaften Ausfuhrungsform auch Anregungsfrequenzen von mehr als 200 Hz erreicht werden können.Furthermore, the invention allows both periodic and sudden excitations of the gas bubble, whereby in an advantageous embodiment excitation frequencies of more than 200 Hz can be achieved.

Nachstehend werden bevorzugte Ausfuhrungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, in welchenPreferred embodiments of the invention will be described below with reference to the accompanying drawings, in which

Fig. 1 eine schematische Ansicht der Vorrichtung zur Messung der Oberflächenelastizität von Flüssigkeiten nach einer Ausfuhrungsform der Erfindung zeigt,Fig. 1 shows a schematic view of the device for measuring the surface elasticity of liquids according to an embodiment of the invention,

Fig. 2 eine Teilansicht der Vorrichtung von Fig. 1 ist,Fig. 2 is a partial view of the device of Fig. 1,

Fig. 3 eine Teilansicht der Fig. 2 ist,Fig. 3 is a partial view of Fig. 2,

Fig. 4a und 4b eine zweite Ausfuhrungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zeigen,Fig. 4a and 4b show a second embodiment of the device according to the invention,

Fig. 5 einen Kurvenverlauf, der die effektive Oberflächenelastizität des SystemsFig. 5 a curve showing the effective surface elasticity of the system

Na-Dodecyl-Benzolsulfonat/Wasser zeigt,Na-dodecylbenzenesulfonate/water shows

Fig. 6 einen Kurvenverlauf, der die effektive Oberflächenelastizität des SystemsFig. 6 a curve showing the effective surface elasticity of the system

C12-Ester/Wasser zeigt,C12 ester/water shows

Fig. 7 einen Kurvenverlauf, der die effektive Oberflächenelastizität des SystemsFig. 7 a curve showing the effective surface elasticity of the system

C18-Amid/Wasser zeigt,C18-amide/water shows

Fig. 8 einen Kurvenverlauf, der die effektive Oberflächenelastizität des SystemsFig. 8 a curve showing the effective surface elasticity of the system

C12-Di-Amid/Wasser zeigt.C12-diamide/water.

Ein Verfahren, welches mit Hilfe der erfindungsgemäßen Vorrichtung durchgeführt werden kann, verwendet als eine Meßgröße den Innendruck einer Gasblase, die in der Flüssigkeit erzeugt wird. Dieser Innendruck &rgr; hängt mit der Oberflächenspannung &dgr; der Blasenoberfläche und dem Radius r der Kugelblase wie folgt zusammen:A method which can be carried out using the device according to the invention uses as a measurement variable the internal pressure of a gas bubble which is generated in the liquid. This internal pressure ρ is related to the surface tension δ of the bubble surface and the radius r of the spherical bubble as follows:

P = 2a/r (Gl. 2)P = 2a/r (Eq. 2)

Wird eine Blase beispielsweise zur Pulsation um ihren Ruheradius erregt, so verursachen diese Pulsationen auch Veränderung in der Größe der Blasenoberfläche A. Liegt eine oberflächenaktive Substanz vor, so führt diese Anregung zu einem Anstieg bzw. einer Senkung der Oberflächenspannung. Dieser Effekt kann allerdings nur dann auftreten, wenn die Änderung der Blasenoberfläche so schnell erfolgt, daß die Oberflächenkonzentration und damit die Oberflächenspannung nicht durch Diffusion von Molekülen aus der flüssigen Phase an die Blasenoberfläche konstant gehalten wird. In diesem Fall verhält sich die Lösung wie eine Flüssigkeit konstanter Oberflächenspannung. Für den Fall einer ausreichend schnellen Blasenvergrößerung wird der Druckabfall, der infolge der Blasenausdehnung bei konstant bleibender Oberflächenspannung entstehen würde, durch die dynamisch wirkende Oberflächenspannung gemindert. Diese Größe ist der Größe der dynamisch bedingten Oberflächenspannungsdifferenz Aodyn proportional. Aa<iyn ist definitionsgemäß ein unmittelbares Maß für die Oberflächenelastizität. Für nicht infinitesimal kleine Dehnungen gilt:If, for example, a bubble is excited to pulsate around its rest radius, these pulsations also cause changes in the size of the bubble surface A. If a surface-active substance is present, this excitation leads to an increase or decrease in the surface tension. However, this effect can only occur if the change in the bubble surface occurs so quickly that the surface concentration and thus the surface tension are not kept constant by diffusion of molecules from the liquid phase to the bubble surface. In this case, the solution behaves like a liquid with constant surface tension. If the bubble enlarges sufficiently quickly, the pressure drop that would occur as a result of the bubble expansion if the surface tension remained constant is reduced by the dynamically acting surface tension. This value is proportional to the size of the dynamically caused surface tension difference Aodyn. Aa<iyn is, by definition, a direct measure of surface elasticity. For non-infinitesimally small expansions, the following applies:

&egr; = &Dgr;&sgr;/&Dgr;1&eegr;(&Agr;) (Gl. 3)&egr; = Δσ/Δ1η(α) (Eq. 3)

wobei A die Oberfläche der Blase ist und In A den natürlichen Logarithmus von A meint. Mit Kenntnis von Radius der Blase r und dem Innendruck &rgr; ergibt sich daraus die Oberflächenelastizität &egr;.where A is the surface of the bubble and In A is the natural logarithm of A. Knowing the radius of the bubble r and the internal pressure ρ, this gives the surface elasticity ε.

Neben der bekannten oszillierenden Blasenanregung kann mit Hilfe der Vorrichtung auch noch eine sprunghafte Vergrößerung der Blase erzeugt werden, die gegenüber der pulsierenden Blase einige Vorteile besitzt. Nach Gl. 2 ergibt sich bei der Änderung des Blasenradius von ro nach &eegr; eine Druckdifferenz:In addition to the well-known oscillating bubble excitation, the device can also be used to generate a sudden enlargement of the bubble, which has several advantages over the pulsating bubble. According to equation 2, changing the bubble radius from ro to η results in a pressure difference:

&Dgr;&rgr; = (2&sgr;/&Ggr;&igr;)-(2&sgr;/&Ggr;₀) (Gl. 4)&Dgr;&rgr; = (2σ/Γig)-(2σ/Γ ₀ ) (Eq. 4)

Liegt eine Lösung einer oberflächenaktiven Substanz vor, so bleibt die Oberflächenspannung nicht länger konstant, sondern wirkt dynamisch. Das hat eine Minderung des Druckabfalls zur Folge, wobei dieser um einen zur Oberflächenspannungsdifferenz Aa₁Jy_n proportionalen Betrag verringert wird. Für den Fall einer grenzflächenaktiven Lösung mit der Gleichgewichtsoberflächenspannung &sgr;&ogr; und unter der Voraussetzung, daß die Anregung der Blase aus dem Gleichgewicht so schnell erfolgt, daß keine Relaxation möglich ist und die dynamisch bedingte Oberflächenspannung ÄGdyn proportional zu &Dgr;&tgr; ist, ergibt sich zwischen dem dynamischen Blaseninnendruck pdyn und dem statischen Innendruck p_st näherungsweise der folgende Zusammenhang:If a solution of a surface-active substance is present, the surface tension no longer remains constant, but acts dynamically. This results in a reduction in the pressure drop, which is reduced by an amount proportional to the surface tension difference Aa ₁ Jy _n . In the case of a surface-active solution with the equilibrium surface tension σϳ and under the assumption that the excitation of the bubble from equilibrium occurs so quickly that no relaxation is possible and the dynamically conditioned surface tension ÄGdyn is proportional to Δτ, the following relationship approximately arises between the dynamic internal bubble pressure pdyn and the static internal pressure p _st :

Apdyn = Ap_st + (2Aa_dyn/r₀)Apdyn = Ap _st + (2Aa _dyn /r ₀ )

Dieser Gleichung ist zu entnehmen, daß der Betrag der Blaseninnendruckdifferenz für zwei Lösungen mit derselben Gleichgewichtsoberflächenspannung, aber unterschiedlichen zeitlichen Oberflächenverhalten für die Lösung mit dynamischer Oberflächenspannung unter den hier beschriebenen Verhältnissen ein geringerer Betrag des Abfalls des Blaseninnendrucks oder sogar eine Zunahme des Blasendruckes bei derselben Ausdehnung der Blase resultiert.From this equation it can be seen that the magnitude of the bubble pressure difference for two solutions with the same equilibrium surface tension but different temporal surface behavior for the solution with dynamic surface tension under the conditions described here results in a smaller magnitude of the drop in bubble pressure or even an increase in bubble pressure at the same expansion of the bubble.

Nach dem bekannten Verfahren von Lunkenheimer et al. wird jedoch diese Druckdifferenz nicht direkt gemessen, und es müßten zur Vermeidung von Meßfehlern weitere physikalische Größen bekannt sein.However, according to the known method of Lunkenheimer et al., this pressure difference is not measured directly and other physical quantities must be known to avoid measurement errors.

Bei Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist dagegen eine direkte Messung der wichtigen Größen möglich. Durch sprunghafte Blasendehungen kann der störende diffusive Einfluß, der ansonsten zu einer deutlich niedrigeren gemessenen Elastizität führt, weitgehend ausgeschaltet werden.When using the device according to the invention, however, a direct measurement of the important variables is possible. By abruptly expanding the bubble, the disturbing diffusive influence, which otherwise leads to a significantly lower measured elasticity, can be largely eliminated.

In Fig. 1 bis 3 ist eine erste Ausführungsform der Erfindung beschrieben.A first embodiment of the invention is described in Figs. 1 to 3.

Die Fig. 1 zeigt den Aufbau der Vorrichtung in einer Gesamtansicht. In einer Meßzelle wird eine Kapillare 5, die vorzugsweise aus Glas oder Kunststoff besteht, in eine zu untersuchende oberflächenaktive Flüssigkeit F getaucht und an ihrem Ende eine Luftblase 8 erzeugt. Es wird eine rechtwinklig geschnittene und geschliffene Kapillare verwendet, so daß kleinere Stöße oder Berührungen mit anderen Festkörpern nicht zur Beschädigung des Kapillarrandes führen. Die Kapillare kann vorzugsweise einen Innendurchmesser von 0,5 bis 1,0 mm besitzen.Fig. 1 shows the structure of the device in an overall view. In a measuring cell, a capillary 5, which is preferably made of glass or plastic, is immersed in a surface-active liquid F to be examined and an air bubble 8 is generated at its end. A capillary cut at a right angle and ground is used so that minor impacts or contact with other solid bodies do not lead to damage to the capillary edge. The capillary can preferably have an internal diameter of 0.5 to 1.0 mm.

Die Blasengröße wird mit einer auf einer Schiene 14 angeordneten optischen Meßvorrichtung ermittelt. Zur Bestimmung der Blasengröße wird die Blase 8 mit parallelem Laserlicht bestrahlt, das in einem Laser 1 erzeugt wird. Der Laserstrahl la wird zunächst mit einer Mikroskop-Optik 2 soweit vergrößert, daß der Blasenschatten das Strahlzentrum abdeckt. Hierzu ist eine Vergrößerung auf den zweifachen Durchmesser der Blase im allgemeinen ausreichend. Die intensitätsschwachen Randbereiche des Strahls können mittels einer Blende 10 ausgeblendet werden. Nach Durchgang durch einen Raumfilter 3 und eine Linse 4 wird der Laserstrahl la auf die in der Meßzelle 6 an der Kapillare 5 haftende Luftblase 8 gelenkt. Der nicht durch die Blase reflektierte Teil des Strahls wird durch eine zweite Linse 9 und eine zweite Blende 10, vorzugsweise eine Lochblende über einen Schirm 13 auf eine Fotozelle 12 projiziert. Durch eine direkte Bestrahlung der Blase mit dem vom Laser emittierten Strahl ergäbe sich ein nur sehr schmaler Lichtkranz um den Blasenschatten, da der Durchmesser des Laserstrahls nur unwesentlich größer als der Durchmesser der zu bestrahlenden Blase ist. Somit würde eine Blasenschattenvergrößerung den intensitätsschwachen Randbereich des Strahles abdecken. Die von der Fotozelle abgegebene Spannungsänderung wäre somit sehr klein.The bubble size is determined using an optical measuring device arranged on a rail 14. To determine the bubble size, the bubble 8 is irradiated with parallel laser light generated in a laser 1. The laser beam la is first magnified using microscope optics 2 until the bubble shadow covers the beam center. For this purpose, magnification to twice the diameter of the bubble is generally sufficient. The low-intensity edge regions of the beam can be blocked out using a diaphragm 10. After passing through a spatial filter 3 and a lens 4, the laser beam la is directed onto the air bubble 8 adhering to the capillary 5 in the measuring cell 6. The part of the beam not reflected by the bubble is projected through a second lens 9 and a second diaphragm 10, preferably a pinhole diaphragm, via a screen 13 onto a photocell 12. If the bubble were directly irradiated with the beam emitted by the laser, only a very narrow halo of light would be created around the bubble shadow, as the diameter of the laser beam is only slightly larger than the diameter of the bubble to be irradiated. Thus, an enlargement of the bubble shadow would cover the low-intensity edge area of the beam. The voltage change emitted by the photocell would therefore be very small.

Der im Blasenzentrum auftreffende Strahl wird daher nicht total reflektiert, sondern erscheint als Lichtpunkt im Blasenschatten. Dieser Lichtpunkt wird dann mittels einer Blende 11 ebenfalls ausgeblendet, da sonst die durch eine Blasenschattenvergrößerung verminderte Fotospannung sich durch eine gleichzeitig auftretende Vergrößerung des Zentralstrahls wieder erhöhen und somit die zu messende Fotospannungsänderung kompensiert würde. Die mit der Pulsationsvorrichtung erzeugten periodischen Luftdruckschwankungen werden überThe beam hitting the bubble center is therefore not totally reflected, but appears as a point of light in the bubble shadow. This point of light is then also blocked out by means of a diaphragm 11, since otherwise the photovoltage reduced by an enlargement of the bubble shadow would increase again due to a simultaneous enlargement of the central beam and thus the photovoltage change to be measured would be compensated. The periodic air pressure fluctuations generated by the pulsation device are

eine Luftzuteilung 7 der Kapillare 5 und der Gasblase 8 in der zu untersuchenden oberflächenaktiven Flüssigkeit F zugeführt.an air distribution 7 of the capillary 5 and the gas bubble 8 in the surface-active liquid F to be examined.

Die Pulsationsvorrichtung P ist in den Fig. 2 und 3 genauer dargestellt. Sie besteht, wie aus Fig. 2 ersichtlich ist, aus einem Gasraum 22, in dem auf einer Seite ein Kolben 23 zur Verdrängung des Kapillarvolumens eindringen kann. Eine mit dem Kolben verbundene Rändelschraube 24 dient zur Einstellung des Kolbenhubs. Eine Teflondichtung 27 dichtet den Kolben 23 gegen den Gasraum 22 ab. Auf der anderen Seite des Gasraumes befindet sich ein Stößel 25, der durch eine rotierende Welle 26 in Bewegungen versetzt wird.The pulsation device P is shown in more detail in Fig. 2 and 3. As can be seen from Fig. 2, it consists of a gas chamber 22, into one side of which a piston 23 can penetrate to displace the capillary volume. A knurled screw 24 connected to the piston is used to adjust the piston stroke. A Teflon seal 27 seals the piston 23 against the gas chamber 22. On the other side of the gas chamber there is a tappet 25 which is set in motion by a rotating shaft 26.

Unter Bezugnahme auf Fig. 3 ist die Wirkungsweise des Stößels genauer dargestellt. Der Stößel 25 steht mit einer in dem Gasraum angeordneten Membran 29, vorzugsweise einer Stahlmembran in Kontakt und wird durch eine Druckfeder 30 an deren Oberfläche angepreßt. Das andere Ende des Stößels liegt an einer rotierenden Welle 26 an, die vorzugsweise eine schräge Stirnfläche 26a aufweist, so daß der Stößel eine Sinusschwingung der Membran erzeugt. Der Stößel ist seitlich zur Wellenachse verschiebbar, wodurch unterschiedliche Stößelamplituden möglich sind. Die Membranbewegung aus dem ausgelenkten Zustand in die Ruheposition wird durch einen zweiten Stößel 31 unterstützt, der sich auf der dem ersten Stößel 25 gegenüberliegenden Seite der Membran 29 in dem Gasraum befindet. Auch der zweite Stößel weist eine Druckfeder 32 auf, durch die er in Kontakt mit der Membran gehalten wird. Durch Bewegung der Welle 26 wird der Stößel 25 periodisch gegen die Membran 29 bewegt, die so in den Gasraum eindringt und dessen Volumen verringert. Diese Volumenverringerung verdrängt das Volumen einer Luftzuleitung 7 (Fig. 2), die einerseits mit dem Gasraum 22 und andererseits mit der Kapillare 5 in der Meßzelle 6 in Verbindung steht. Durch die Volumenverdrängung in der Luftzuleitung 7 wird folglich ein Druck auf die Gasblase 8 in der Flüssigkeit der Meßzelle 6 ausgeübt, wodurch sich deren Volumen vergrößert. Die so durch die Pulsationsvorrichtung erzeugte oszillierende Blasenanregung bzw. Blasengrößenänderung kann dann mit dem optischen Meßsystem M verfolgt werden, und die gemessene Blasengrößenänderung mit der Auswertungsvorrichtung A in einen Wert der Oberflächenelastizität der Flüssigkeit umgerechnet werden.The operation of the tappet is shown in more detail with reference to Fig. 3. The tappet 25 is in contact with a membrane 29, preferably a steel membrane, arranged in the gas space and is pressed against its surface by a compression spring 30. The other end of the tappet rests on a rotating shaft 26, which preferably has an inclined front surface 26a, so that the tappet generates a sinusoidal oscillation of the membrane. The tappet can be moved laterally to the shaft axis, which allows different tappet amplitudes. The membrane movement from the deflected state to the rest position is supported by a second tappet 31, which is located on the side of the membrane 29 in the gas space opposite the first tappet 25. The second tappet also has a compression spring 32, by which it is held in contact with the membrane. By moving the shaft 26, the plunger 25 is periodically moved against the membrane 29, which thus penetrates into the gas space and reduces its volume. This reduction in volume displaces the volume of an air supply line 7 (Fig. 2), which is connected on the one hand to the gas space 22 and on the other hand to the capillary 5 in the measuring cell 6. The volume displacement in the air supply line 7 consequently exerts pressure on the gas bubble 8 in the liquid of the measuring cell 6, which increases its volume. The oscillating bubble excitation or bubble size change generated by the pulsation device can then be followed with the optical measuring system M, and the measured bubble size change can be converted into a value of the surface elasticity of the liquid using the evaluation device A.

Die Auswertungsvorrichtung A zur Ermittlung der Meßwerte und Ausgabe der Oberflächenelastizitätswerte kann auf herkömmliche Weise zusammengestellt werden und besteht insbesondere aus einem Voltmeter, mit dem die von der Fotozelle abgegebene Fotospannung gemessen wird, einem Druckaufhehmer, mit dem der Blaseninnendruck ermittelt werden kann und einer Datenverarbeitungsanlage, die den Oberfächenelastizitätswert ermittelt und anzeigt.The evaluation device A for determining the measured values and outputting the surface elasticity values can be assembled in a conventional manner and consists in particular of a voltmeter with which the photovoltage emitted by the photocell is measured, a pressure sensor with which the internal pressure of the bubble can be determined and a data processing system which determines and displays the surface elasticity value.

Gemäß einer zweiten Ausfuhrungsfonn der Vorrichtung zur Messung der Oberflächenelastizität beruht die Blasenanregung auf einer sprungförmigen Vergrößerung der Blase. Um die Blasengröße spontan zu verändern, muß das Volumen des mit der Blase kommunizierenden Gasraums ebenso rasch verkleinert bzw. vergrößert werden. Dies geschieht hier mittels eines in den Gasraum eindringenden Kolbens. Der Aufbau dieser Ausfuhrungsform ist in Fig. 4a genauer dargestellt. Nicht näher erläuterte Bezugszeichen entsprechen den vorhergehenden Figuren.According to a second embodiment of the device for measuring surface elasticity, the bubble excitation is based on a sudden enlargement of the bubble. In order to spontaneously change the bubble size, the volume of the gas space communicating with the bubble must be reduced or increased just as quickly. This is done here by means of a piston penetrating the gas space. The structure of this embodiment is shown in more detail in Fig. 4a. Reference symbols not explained in more detail correspond to the previous figures.

Ein Schlagpendel 40 bewirkt einen Druckimpuls auf den Kolben 42, der in den Gasraum 44 eindringt, so daß es zu einer sprungförmigen Volumenänderung des Gasraumes kommt. Die Volumenänderung des Gasraumes überträgt sich wie vorstehend beschrieben auf die Gasblase in der Meßzelle. Durch die Vorrichtung mit sprunghafter Blasenanregung ist es möglich, die tatsächliche Blasengröße exakter festzustellen.A striking pendulum 40 causes a pressure pulse on the piston 42, which penetrates into the gas chamber 44, so that a sudden change in the volume of the gas chamber occurs. The change in the volume of the gas chamber is transferred to the gas bubble in the measuring cell as described above. The device with sudden bubble excitation makes it possible to determine the actual bubble size more precisely.

In Fig. 4b ist eine weitere Anordnung zur sprunghaften Blasenanregung mittels einer Federkonstruktion gezeigt, wobei ein Stößel 46, auf den der Schlag ausgeführt wird, durch eine Feder 45 vorgespannt wird. Ein Schlag auf Stößel 46 bewirkt einen sprunghaften Druckanstieg in dem Gasraum 44. Die Feder 45 fuhrt den Stößel 46 zurück.Fig. 4b shows a further arrangement for sudden bubble excitation by means of a spring construction, wherein a plunger 46, on which the impact is carried out, is pre-tensioned by a spring 45. An impact on plunger 46 causes a sudden increase in pressure in the gas chamber 44. The spring 45 guides the plunger 46 back.

Durch den Einsatz der erfmdungsgemäßen Vorrichtung sind gemäß der ersten Ausfuhrungsform der Erfindung Schwingungsfrequenzen bis 50 Hz erreichbar, wobei die Flächendehnung innerhalb einer Sinusschwingung viermal durchgeführt werden kann. Dementsprechend sind also Dehnfrequenzen bis zu 200 Hz möglich. In den folgenden Beispielen wurde die effektive Oberflächenelastizität verschiedener wäßriger Tensidlösungen unter Verwendung der Erfindung bestimmt.By using the device according to the invention, vibration frequencies of up to 50 Hz can be achieved according to the first embodiment of the invention, whereby the surface expansion can be carried out four times within a sinusoidal oscillation. Accordingly, expansion frequencies of up to 200 Hz are possible. In the following examples, the effective surface elasticity of various aqueous surfactant solutions was determined using the invention.

Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung wurden die effektiven Oberflächenelastizitäten von wäßrigen Tensidlösungen in einem Volumenkonzentrationsbereich von 1O~²-1CT⁸ mol/1 gemessen. Die untersuchten Systeme waren: Na-Dodecyl-Benzol-Sulfonat, ein System bestehend aus C12-Ester-EO10, C12-Ester-EO20, C12-Ester-EO50, ein System besehend aus C18-Amid-EO10, C18-Amid-EO20, C18-Amid-EO50, und ein System bestehend aus C12-Di-Amid EOlO, C12 Di-Amid EO20, C12 Di-Amid EO50.The device according to the invention was used to measure the effective surface elasticities of aqueous surfactant solutions in a volume concentration range of 1O~ ² -1CT ⁸ mol/l. The systems investigated were: Na-dodecyl-benzene-sulfonate, a system consisting of C12-ester-EO10, C12-ester-EO20, C12-ester-EO50, a system consisting of C18-amide-EO10, C18-amide-EO20, C18-amide-EO50, and a system consisting of C12-di-amide EO10, C12 di-amide EO20, C12 di-amide EO50.

In den Darstellungen der effektiven Elastizität der Fig. 5 bis 8 läßt sich ein typischer Kurvenverlauf erkennen. Mit steigender Volumenkonzentration c ist zunächst ein Anstieg der effektiven Elastizität zu verzeichnen. In Konzentrationsbereichen nahe der kritischen Mizellenkonzentration erreicht die effektive Elastizität ihren Maximalwert. Mit weiter ansteigender Volumenkonzentration fällt sie annähernd symmetrisch zum Elastizitätsanstieg wieder ab.A typical curve can be seen in the representations of the effective elasticity in Fig. 5 to 8. With increasing volume concentration c, an increase in the effective elasticity is initially observed. In concentration ranges close to the critical micelle concentration, the effective elasticity reaches its maximum value. With further increasing volume concentration, it decreases again almost symmetrically to the increase in elasticity.

Mit der Vorrichtung lassen sich also Oberflächenelastizitäten von wäßrigen Lösungen, wie Tensidlösungen, einfach und schnell durchführen. Mit den so erhaltenen Oberflächenelastizitäten lassen sich Aussagen über das Verhalten von in Flüssigkeiten dispergierten Gasen treffen, was insbesondere bei Stoffaustauschprozessen wie chemischen Gas-/Flüssigkeitsreaktionen eine wichtige Rolle spielt.The device can be used to quickly and easily determine the surface elasticity of aqueous solutions, such as surfactant solutions. The surface elasticity values obtained in this way can be used to make statements about the behavior of gases dispersed in liquids, which plays an important role in mass transfer processes such as chemical gas/liquid reactions.

Claims

1. Device for measuring the surface elasticity (E) of a gas bubble ( 8 ) in a liquid (F), with which the gas bubble ( 8 ) is generated in the liquid (F), characterized by a device for measuring the relative change in the surface size of the gas bubble and a device for measuring the internal pressure of the gas bubble.

2. Device according to claim 1, wherein the device for measuring the relative change in the surface area of the gas bubble is an optical device, characterized in that the optical device comprises a laser light source ( 1 ) and a laser light sensitive photocell ( 12 ).

3. Device according to claim 1 or 2, characterized by a cylinder ( 22 ) and a piston ( 25 ), wherein the cylinder is connected to the gas bubble ( 8 ) via a hose ( 7 ) or the like and that the size of the surfaces of the gas bubble is changed by the mechanical movement of the piston.

4. Device according to claim 3, characterized by a rotating shaft ( 26 ) which stimulates the piston to oscillate movements.

5. Device according to claim 3, characterized by an impact device ( 40 ) which stimulates the piston to make sudden movements.

6. Device according to claim 5, characterized in that the impact device comprises a plunger which is preloaded by means of an adjustable spring and strikes the piston, wherein the spring preload can be adjusted so that a volume change of the gas bubble can be achieved with an excitation frequency of more than 200 Hz.