FI97830C - Menetelmä ja laite sellaisen aineen pitoisuuden määrittämiseksi, joka on sidottu virtaavan väliaineen hiukkasiin - Google Patents

Description

97830

Menetelmä ja laite sellaisen aineen pitoisuuden määrittämiseksi, joka on sidottu virtaavan väliaineen hiukkasiin

Esillä olevan keksinnön kohteena ovat menetelmä ja laite sellaisen aineen pitoisuuden määrittämiseksi. joka on yhdistettynä virtaavan väliaineen hiukkasiin ja joka on esimerkiksi valmistettu paperimassan ligniinistä.

Tehtäessä se 1luloosakuituja paperin, pahvin, kartongin jne. valmistamista varten kuituraaka-aine, esimerkiksi puuhake käsitellään kemikaaleilla kohotetussa paineessa .ia lämpötilassa siten. että aineen eri osat erottuvat toisistaan. Aineen kuidut voidaan sen jälkeen irrottaa mekaanisen työstön avulla. Tässä tapauksessa mielenkiinnon kohteena on aine. jonka avulla mitataan kuitujen 1igni inipitoisuus.

De 1ignifiointi alkaa kuitujen seinämistä. Vasta, kun delignifiointi on seinämissä ollut käynnissä jonkin aikaa, se alkaa keski lame 1leissa ja jatkuu sen jälkeen koko puurakenteen lävitse. Irrottautumisen päättyessä on 1igni inipitoisuus yksittäiskuiduissa siten oleellisesti suurempi kuitujen laidoilla kuin ytimessä. Kuten kaikki kemialliset reaktiot, myös lämpötila vaikuttaa delignifi-oinnin nopeuteen. joka voidaan ilmaista Arrheniuksen yhtälön avulla.

De 1ignifioinnin määrän saamiseksi selville eri aika- ja iampötilayhdisteImien kohdalla on otettu käyttöön n.k. H-kerroin. Kaikki muut muuttujat aikaa ja lämpötilaa lukuunottamatta ovat vakioita, jolloin H-kerroin on suora * 1igniinipitoisuuden tai n.k. kappaluvun mitta.

Massavalmistuksen ensisijaisena tavoitteena on siis minimoida kappaluvun vaihtelut. Tämä mitataan tavallisesti kemiallisesti mittaamalla kaliumpermanganaatin kulutusta 2 97830 tietyn suuruisen massamäärän hapetuksen yhteydessä. Mittaus tehdään käsin, ja se on sekä kallista että hidasta.

Asian tekemiseksi helpommaksi on tehty useita yrityksiä sellaisen kojeen valmistamiseksi, joka voi jatkuvasti mitata 1igniinipitoisuutta. USA:n O'Meara perusti menetelmänsä useisiin näytteisiin, jotka pestiin ja kerättiin reaktoriin: reaktorissa ne saivat reagoida salpietariha-pon kanssa paineen alaisina tietyn ajan verran. Neste värjättiin keltaiseksi käänteisesti verrannollisesti delignifiointiasteen suhteen, ja värisävy mitattiin foto-metrisest i ,

Toinen menetelmä perustui kuitukakun käyttöön; kakku puristettiin mekaanisen puristuksen avulla ja kuivattiin vakiosuuruiseen kuivapitoisuuteen. Kloorikaasun läpipu-halluksen aikana tapahtuva lämpötilan nousu ilmoitti 1igniinipitoisuuden määrän, koska kloorin ja ligniinin välinen reaktio on eksoterminen.

Mainittujen menetelmien haittana on se, että mittauksissa käytetään kemikaaleja, mikä ei ole toivottavaa jatkuvien mittauksien kohdalla. Viimeksi mainittu menetelmä tuntui myös aiheuttavan suuria syöpymisongelmia. koska kloori-kaasu syövyttää voimakkaasti useimpia aineita.

Toisenlaisia laitteita on harkittu laobratoriomääritys-menetelmien puhtaina automatisointeina, esimerkiksi kap-paluvun mittaus kaiiumpermanganaattititrauksen aikana.

Jo 1940-luvulta saakka on tunnettu, että ligniinin valon absorbointikyky on suurin mahdollinen UV-alueella. Useita kertoja on yritetty käyttää hyväksi tätä periaatetta 1igniinipitoisuuden määrittämiseksi. Useimmissa tapauksissa mittaukset on tehty ainoastaan mustalipeän avulla. Näiden tuloksena ei ole syntynyt mitään kaupallista laitetta.

3 97830

Kaupallinen laite 1igniinipitoisuuden määrittämiseksi optisin keinoin on kuitenkin jo olemassa. Tässä menetelmässä massalietteen annetaan virrata mittakennon lävitse, ja ilmaisimen avulla määritetään virtaavan väliaineen lävitse kulkeva säteily ja toisella ilmaisimella kuitujen tiettyyn suuntaan levittämän säteilyn määrä. Lietteen on oltava laimennettu siten, että valon heijastumisen todennäköisyys useista kuiduista ennen jonkun ilmaisimen kohtaamista on erittäin pieni .

Esillä olevan keksinnön kohteena on tuottaa menetelmä ja laite aineen, esimerkiksi se 1luloosakuitujen kaltaisiin hiukkasiin sidotun, virtaavassa väliaineessa olevan ligniinin pitoisuuden määrittämiseksi siten. että aiemmin käytössä olleiden menetelmien ja laitteiden haitat poistetaan lähes täydellisesti. Esillä olevan keksinnön merkittävät erityispiirteet on kuvattu jäljempänä olevissa patenttivaatimuksissa. Esillä olevan keksinnön mukaisen laitteen avulla on poistettu aiemmin käytössä ollut mit-takenno, joka on erittäin herkkä ilmakuplille ja jota käytettäessä on täytynyt mitata suurella pitoisuusaluee1-la 0.02 - 0,03¾ eli on täytynyt käyttää erittäin suuria määriä, kun taas esillä olevan keksinnön mukaisesti voidaan mittaukset tehdä esim. 0.2 - 0,3¾ pitoisuusaluee1 la. mikä merkitsee sitä, että jopa 10 ggr pienempää näytemää-rää voidaan käyttää: tämä tekee näytteiden ottamisen paljon yksinkertaisemmaksi, laite voidaan myös näin saada vähemmän tilaa vieväksi.

Esillä olevaa keksintöä kuvataan seuraavaksi sovellusesimerkin avulla ja viitaten liitteenä oleviin piirroksiin, joissa kuvio 1 on kaaviomainen sovellus esillä olevan keksinnön mukaisesta laitteesta, kuvio 2 on kaaviomainen perspektiivikuva siitä, kuinka pistosondista tuleva valovirta heijastuu kuvion 1 mukaisessa laitteessa se 1luloosakuituja vasten, ja 4 97830 kuvio 3 on kaaviomainen poikkileikkaus kuviossa 1 kuvattuun laitteeseen menevästä depolarointi-ilmaisimesta.

Esillä olevan keksinnön kuvatun sovellusesimerkin mukaisesti laite koostuu ensimmäisestä anturista 1. joka on tehty pistosondin muotoiseksi ja joka on asennettu näyteastiaan 3 johtavaan seinämään 2. Anturi 1 sisältää kaksi valonjohdinta 4.5, jotka suuntautuvat ja päätyvät anturin päätyseinämään 6. Näyteastiasta 3 johdetaan pumppusi Imukka 7 näyteastian pohjassa 3 olevasta aukosta 8 edelleen jatkokseen, joka päättyy näyteastian 3 ylemmässä osassa 10 sijaitsevaan suuaukkoon 9. Näyteastiassa 3 sijaitseva näytemäärä voidaan saada kiertämään silmukassa 7 pumpun 11 avulla. Toinen, depolarointi-i lrnaisimen muodossa oleva anturi 12 on asennettu pumppusilmukkaan 7. Koska pistosondin tai ensimmäisen anturin 1 kautta on mahdollista mitata optiikkayksiköstä 13 lähtevä, suoraan heijastuva valo ja valo, joka on heijastunut suspendoi-tuja aineosia vastaan, voidaan mittaukset suorittaa esim. 0,2 - 0,3¾ suuruisella hiukkaspitoisuusaluee1 la. Anturi 1 on suositeltavasti asennettu vinosti seinämään 2 heijastumisen estämiseksi näyteastian 3 vastakkaisesta seinämästä 2. Anturin 1 vaIoniohtimista 4.5 lähetetään pitoi- suudenmäärltyksen aikana valo I väliaineeseen, esimer- o kiksi massa1ietteeseen 14, joka suurena pyörteenä virtaa anturin 1 päätyseinämää 6 vasten. Valo I , joka heijastuu r lietteen 14 kuiduista 15 ja jonka anturin 1 samankeski- sesti lähetettyä valoa I varten olevan valonjohdinosan o 17 ympärillä sijaitseva valonjohdinosa 16 vastaanottaa, suodatetaan ennalta määritettyyn aallonpituuteen siitä riippuen, mitä ainetta halutaan mitata: 1igniinipitoi-suuksia mitattaessa valitaan esim. 280 nm. ennen kuin valo saavuttaa optiikkayksikön 13 ilmaisimen. Depolarointi-i lmaisimesta tai anturista 12 ja optiikkayksiköstä 13 tulevat signaalit siirtyvät sitten edelleen signaalinso-vituselektroniikkaan 18. jossa sitä käsitellään ja josta se lähetetään edelleen laskuyksikköön 25: mainittu las- 5 97830 kuyksikkö toimittaa signaalin 26. joka ilmaisee ajankohtaisen kappaluvun.

Edellä on mainittu. että ligniinillä on maksimaalinen absorbtiokyky UV-alueen tietyllä aallonpituudella. Ilmaisimen saavuttama valonvoimakkuus on siten kuidun 15 ligniinipitoisuuden mittana. Mitä enemmän valoa saavuttaa ilmaisimen, sitä vähemmän valoa on absorboitunut kuituun 15. mikä merkitsee alhaista ligniinipitoisuutta ia siten alhaista kappalukua.

Koska toimitaan UV-alueella, olemassa ei ole häiriöitä aiheuttavia kromoforisia ryhmiä ja siten värimuutoksiin ei pystytä vaikuttamaan. Niin kauan kuin mitataan samoja kuitutyypejä saadaan siis hyvä vastaavuussuhde ilmaistun valonvoimakkuuden ja kappaluvun välillä, joka on mitattu kemiallisesti permanganaattititrauksen avulla kuten edellä on kuvattu.

On kuitenkin tunnettua, että optisissa antureissa valon heijastuminen on voimakasta kuitujen ominaispinnasta johtuen. Suuri ominaispinta aiheuttaa suurempaa heijastumista kuin pieni ominaispinta. Optiikkayksikössä 13 ilmaisimen vastaanottama valonvoimakkuus on siten ligniini-pitoisuuden ja ominaispinnan yhdistelmä. Tapahtumaa voidaan kuvata matemaattisesti seuraavalla tavalla: I = (I - I ) (1 - r) r o abs jossa I on heijastunut valomäärä, I on lietteeseen r o lähetetty valomäärä ja I on ligniiniin imeytynyt valo- abs määrä. I kasvaa siis ligniinipitoisuuden kasvaessa, abs

Vakio r määritetään puulajin ja/tai kuitujen pituuden jakaantumisen mukaan. Tämän kompensoimiseksi käytetään esillä olevan keksinnön mukaisesti anturia tai depola-rointi-ilmaisinta 12. joka sisältää mittakennon 19 ja sen sisältämän elektroniikkayksikön 20 kuitu 1ietteen depola- 6 97830 roivan vaikutuksen mittaamiseksi. Valonlähteestä 27 lähetetty valo polaroituu mittakennon 19 polarointisuodatti-messa 21 ja ohittaa mittaraon 22. jonka lävitse kuitu-liete 14 virtaa; tämän jälkeen liete virtaa vielä toisen polarointisuodattimen 23 läpi. joka on 90' kääntyneenä ensimmäiseen suodattimeen nähden, ennen kuin valo saavuttaa signaalin antavan ilmaisimen 24.

Signaalin muutokset ilmaisevat kuidun 15 depolaroivan vaikutuksen. Tiedetään, että depolaroiva vaikutus on verrannollinen massalietteen pitoisuuden suhteen ja että se sen lisäksi riippuu kuitulajista ja/tai kuitujen pituuden jakaantumisesta. Viimeksi mainittu selittyy sillä, että ilmaisin 12 ei ainoastaan havaitse depolarointia vaan myös sisään tulevan valon polarointivektorin kierty-misasteen. Tämä johtuu siitä, että selluloosa on optisesti aktiivista. Ilmaisimesta tai anturista 12 tuleva signaali, jotka jatkossa kuvataan kirjaimella C, on massapi-toisuuden ja puulajin ja/tai kuidun pituuden jakaantumisen yhdistelmän mitta. Signaalit I ja C vastaavat yhdes- r sä kemiallisesti 1igniinipitoisuuden mittaa.

Linjamittauksessa otetaan massaputkesta näyte, joka ensin pestään ja/tai seulotaan, minkä jälkeen aloitetaan mittausvaihe. Mittausten keskiarvoa kuvataan kirjaimilla I

rl ja C . Lietettä laimennetaan vedellä alhaisemman pitoi- suuden aikaansaamiseksi. Vielä toisen edellä kuvatun

vaiheen jälkeen saadaan aikaan signaalit I ja C . I

r2 2 rl,2 ia C -signaalien oletetaan olevan suoraviivaisia var- 1.2 sinaisessa välissä. Signaaleista I ja C vähennetän rl. 2 1,2 vastaavat puhtaan veden mittauksella saadut arvot I ja ro C . jolloin saadaan o

1' = I -I ja C = C -C

rl,2 rl,2 ro 1,2 1.2 o.

tai 7 97830

I 1 = I - I : C = C

rl rl ro 11

- C

o

I 1 = I - I ; C = C

r2 r2 ro 2 2 - C

o

Lasketaan (I1 , C‘ ) ja (I1 , C ) välisen suoran rl 1 r2 2 linjan suutakerroin ia leikkauspiste.

Mainitun linjan suuntakerrointa ja leikkauspistettä kuvataan jatkossa kirjaimilla a ja b. Näiden on havaittu olevan luonteenomaisia jokaiselle yksittäiselle kuitutyy-pille 1igniinipitoisuuden ja kuidun pituuden jakaantumisen eri yhdistelmien kohdalla. Tämä merkitsee siis sitä, että todellisia pitoisuuksia ei tarvitse tietää. On ainoastaan mitattava signaalit kahdella eri pitoisuusastee1-la. Useita vertailulietteitä mittaamalla saadaan kertoimet K , K , K ja K , jotka kuuluvat yhtälöön kappaluvun, o 1 2 3 H. laskemiseksi.

H = K + K .a + K . b + K . a. b oi 2 3 jossa K , K , K , K ovat vakioita, a on (I' , C ) ja 0 12 3 rl 1 (I ‘ , C ) välisen suoran linjan suuntakerroin ja b r2 2 leikkauspiste.

Claims (3)

8 97830

1. Menetelmä sellaisen aineen pitoisuuden määrittämiseksi, joka on sidottu virtaavan väliaineen hiukkasiin ja joka voi esiintyä eri pitoisuuksina; valovirta (I0o) lähetetään väliaineeseen ja hiukkasista suoraan heijastuva valo (Ir) havaitaan sellaisen signaalin tuottamiseksi, joka on verrannollinen heijastuneen valon voimakkuuteen nähden ja jota käytetään aineen pitoisuuden mittana sillä ehdolla, että hiukkaspitoisuus ja hiukkasten optiset ominaisuudet pidetään vakiona; menetelmä on tunnettu siitä, että havainnointi tehdään ilman väliaineen läpivalaisua siten, että otetun näytteen hiukkaspitoisuus on valittu niin suureksi, että suoraan heijastuvan valon määrä on mahdollisimman suuri; ja että mikäli hiukkaspitoisuutta ja/tai hiukkasten optisia ominaisuuksia ei pystytä pitämään vakioina, kompensoidaan tuotettavan signaalin muutokset, jotka ovat aineen pitoisuuden muutoksista riippumattomat, toisen signaalin (C) avulla, joka saadaan depolarointi-ilmaisimesta tai toisesta anturista (12) ja joka kuvaa hiukkaspitoisuutta ja hiukkasten optisia ominaisuuksia.

2. Patenttivaatimuksen 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että molemmat signaalit (lr, C) yhdistetään siten, että aineen pitoisuuden mittaan eivät vaikuta hiukkasten pitoisuus, hiukkasten ominaispinta ja optiset ominaisuudet; tällöin mittaus tapahtuu kahdessa eri hiukkaspitoisuudessa siten, että tuotetaan neljä erilaista signaalia (Ifl, Ιή, C,, C2), joista lasketaan aineen pitoisuus (H) seuraavan kaavan mukaisesti: H = K„ + K,a + K2b + K3 a.b, jossa K0, K,, K2, K3 ovat vakioita, ja a on signaalien (I'fl, C'i) ja signaalien (I'ö, C'2) välisen suoran linjan suunta-kerroin ja b mainitun linjan leikkauspiste, jotka ensiksi mainitut signaalit johtuvat ensimmäisen hiukkaspitoisuuden mittauksesta ja toiset signaalit johtuvat toisen hiukkaspi- 97830 9 toisuuden mittauksesta, joka menetelmä merkitsee sitä, että varsinaista hiukkaspitoisuutta ei lainkaan tarvitse tietää.

3. Laite sellaisen menetelmän suorittamiseksi, jonka avulla määritetään virtaavassa väliaineessa oleviin hiukkasiin sidotun aineen pitoisuus, joka aine voi esiintyä eri pitoisuuksina, joka laite sisältää ainakin yhden anturin (1) valovirran (I0) lähettämiseksi ja hiukkasista suoraan heijastuneen valon (Ir) havaitsemiseksi, jolloin tuotetaan ainakin yksi signaali, joka on verrannollinen heijastuneen valon voimakkuuteen ja jota käytetään aineen pitoisuuden mittana, tunnettu siitä, että siihen kuuluu toinen anturi (12) , joka on sovitettu tuottamaan signaali (C) , joka on yhdistettävissä ensimmäiseen signaaliin (Ir) , ja joka kuvaa hiukkasten pitoisuutta ja niiden optisia ominaisuuksia.