JPH0868773A - 流動電位測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 圧力損失の高い試料であっても短時間で流動
電位の測定が行える流動電位測定装置を提供する。 【構成】 二次側チャンバー９を容積可変にするととも
に、測定時に一次側および二次側の両チャンバー７、９
が配管系５、８および流動電位測定セル４を介して連通
した状態で密閉系となる構成とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、界面における荷電状態
を示すゼータ電位を求める方法の一つである流動電位法
で用いられる流動電位測定装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】流動電位法は、一対の流動電位測定電極
間に粉体や繊維等の固体試料を充填し、その充填層に流
動液を透過させたときに電極間に発生する電位差すなわ
ち流動電位を測定することによりゼータ電位を求める方
法であるが、これは、次のような原理に基づくものであ
る。

【０００３】いま、１本の毛細管の管内に液を押し流す
場合を考える。このときの毛細管の半径をｒ、長さをｌ
とする。また、管壁に電気二重層があり、これを分子量
と考え、かつ、その厚さをδ、電位差をζとすれば、単
位面積あたりの電荷ｑは次の（１）式で与えられる。

【０００４】 ｑ＝εζ／４πδ ・・・（１） ただし、ε：液体の誘電率 管の両端に圧力差Ｐを加え、その場合の液体の移動速度
をｕとする（管壁においては移動速度は０、δの距離に
おいてはｕ）。このとき、単位軸長あたりの内面の摩擦
力Ｆは（２）式で与えられる。

【０００５】 Ｆ＝２πｒηｕ／δ ・・・（２） ただし、η：液体の粘性係数 定常状態において、Ｆは加える圧力とつり合っているか
ら、 ２πｒηｕ／δ ＝ Ｐπｒ² ／ｌ ・・・（３） （１）式および（３）式からδを消去して変形すると、 ２πｒｕｑ＝Ｐεｒ² ζ／４ηｌ ・・・（４） （４）式の左辺は液の移動に伴う電流になる。そこで、
その誘起電圧をＥとすれば、毛細管における電流ｉは
（５）式で与えられる。

【０００６】 ｉ＝（πｒ² λ／ｌ）Ｅ ・・・（５） ただし、λ：液の比導電率 したがって、（４）および（５）式から、 ζ＝４πηλＥ／εＰ ・・・（６） （６）式は、Helmholz−Smoluchowskiの式と呼ばれ、流
動電位からゼータ電位を計算する場合に使用される。

【０００７】（６）式において、４πηλ／εは測定試
料に対して一定であるから、ゼータ電位（ζ）は流動電
位（Ｅ）と圧力（Ｐ）の比に関係し、ＥとＰは直線関係
となることがわかる。

【０００８】以上の原理に基づいてゼータ電位を求める
ために流動電位の測定を行うものとして流動電位測定装
置がある。図２に、従来における流動電位測定装置の一
例を示す。例示した流動電位測定装置５０は、基本的に
は、減圧器５１を介して図示しないＮ₂ ガス圧力源（以
下、圧力源という）が接続される本体（測定部）５２
と、アンプユニット５３と、記録計（図例ではＸ−Ｙレ
コーダ）５４の３つのユニットによって構成されてい
る。

【０００９】本体５２には、固体試料の充填層５５を一
対の電極５６、５６で挟んでなる流動電位測定セル（Ｅ
測定セル）５７と、このＥ測定セル５７に液供給通路５
８を介して供給すべき流動液５９を収容する密閉形の一
次側チャンバー６０と、液供給通路５８を開閉するコッ
ク６１と、流動電位測定後にＥ測定セル５７から排出さ
れる液を排液通路６２を介して回収する大気開放形の二
次側チャンバー６３と、圧力源から供給される液流動用
のＮ₂ ガスを一次側チャンバー６０内に導入するための
気体通路６４と、この気体通路６４にゲージバルブ６５
を介して接続されて気体通路６４内の圧力つまり一次側
チャンバー６０の空間６０ａ内に供給されたＮ₂ ガスの
圧力を検出する圧力検出器６６と、流動電位測定後に気
体通路６４内の圧力を抜くためのパージバルブ６７とが
備えられている。

【００１０】一方、アンプユニット５３においては、Ｅ
測定セル５７の各電極５６に接続され且つ同セルで検出
された電位を記録およびメータ表示するためのインピー
ダンス変換器６８と、圧力検出器６６で検出された圧力
を記録表示するための圧力用増幅器６９と、流動電位
（Ｅ）および圧力（Ｐ）からゼータ電位を計算する際に
必要となる導電率の測定器７０とが内蔵されており、さ
らに同測定器７０には導電率測定セル（λ測定セル）７
１が図示のように接続されている。そして、圧力源から
気体通路６４を介して一次側チャンバー６０内に供給さ
れるＮ₂ ガスの圧力によって同チャンバー６０内の流動
液５９をＥ測定セル５７に流したときに、電極５６、５
６間に発生する流動電位を測定し、この流動電位と上記
圧力検出器６６により検出された圧力とを記録計５４に
おいてＥ−Ｐのグラフとして記録するようになってい
る。

【００１１】ところで、ゼータ電位は、上述のように理
論的には流動電位（Ｅ）に比例し且つ液流動圧力（Ｐ）
に反比例するから、流動電位よりゼータ電位を求めるた
めには、流動液の圧力を一方向に強制的に変化させなが
ら、このときの流動電位を測定してＥ／Ｐを求めること
が必要となる。

【００１２】そこで、上述の装置では、同図に示したよ
うに、気体通路６４上に開閉バルブ７２と圧力調整バル
ブ７３とを備え、まず開閉バルブ７２を開いて流動液容
器６０内に圧力源から所定圧の気体を導入することによ
り流動液５９に一定圧を加えて流動させ、その後開閉バ
ルブ７２を閉じるか、あるいは圧力調整バルブ７３を操
作して流動液に対する付加圧力を少しずつ変化させるこ
とが行われていた。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】ところが、二次側チャ
ンバーが大気に開放された上記のような従来の流動電位
測定装置においては、圧力損失の高い試料について測定
を行った場合に次のような問題が生じていた。

【００１４】すなわち、圧力損失の高い試料の場合に
は、一次側チャンバーからＥ測定セル中の充填層を介し
て二次側チャンバーに流動液を流したときに充填層での
圧力損失により液圧力が大きく低下し、その分だけ二次
側チャンバーへ液が流れにくくなるが、その場合、従来
のように二次側チャンバーが大気に開放されていると、
一次側と二次側との圧力差がなかなか小さくならず（言
い換えると付加圧力の変化するスピードが遅く）、その
結果、圧力損失の高くない試料について測定する場合に
比べて長い測定時間を要するという問題があった。

【００１５】本発明は、このような問題に対処するもの
で、圧力損失の高い試料であっても短時間で流動電位の
測定が行える流動電位測定装置を提供することを目的と
する。

【００１６】

【課題を解決するための手段】上記目的達成のため、本
発明は、固体試料の充填層を一対の電極で挟んでなる流
動電位測定セルと、その充填層に供給すべき流動液を収
容する一次側チャンバーと、その充填層を通過した後の
流動液を収容する二次側チャンバーとを有し、上記一次
側チャンバーの流動液に一定圧力を加えて同チャンバー
から二次側チャンバーへ充填層を介して流動液を流した
ときに上記一対の電極間に発生する流動電位を測定する
流動電位測定装置において、上記一次側チャンバーおよ
び二次側チャンバーを、流動電位測定時に流動液の通路
となる配管系および上記セルを介して互いに連通させた
状態で外部の圧力から遮断された密閉系をなす構成とす
るとともに、二次側チャンバーを、容積可変のチャンバ
ー、または試料に応じてそれぞれ選択可能とされた互い
に容積の異なる複数のチャンバーで構成したことを特徴
とする。

【００１７】

【作用】上記の構成によれば、圧力損失の高い試料であ
っても、次のようにして短時間で流動電位の測定を行う
ことができる。

【００１８】まず、一次側チャンバーに一定圧力を加え
る前にあらかじめ試料の圧力損失の大きさに応じて二次
側チャンバーの容積を小さくするか、または複数のチャ
ンバーのうち容積の小さいチャンバーを二次側チャンバ
ーとして選択する。

【００１９】次に、この状態で一次側チャンバー内の流
動液に一定圧力を加えると、その圧力によって流動推進
力を与えられた流動液は一次側チャンバーから流動電位
測定セル中の充填層を通って二次側チャンバーに流動
し、これに伴って二次側チャンバー内の圧力が上昇す
る。その場合、二次側チャンバーにおいては、上述のよ
うにあらかじめ容積が小さくされているか、または容積
の小さいチャンバーが選択されているので、同チャンバ
ー内の圧力は充填層を通過した後の流動液の流入によっ
て速やかに上昇し、それに伴って一次側チャンバーとの
圧力差も小さくなる。そして、一次側および二次側の両
チャンバーの圧力が等しくなった時点で流動電位の測定
が終了する。

【００２０】このように本発明の流動電位測定装置にお
いては、圧力損失の高い試料について測定を行う場合で
も、流動液に一定圧力を加えて一次側チャンバーから充
填層を介して二次側チャンバーへ流動液を流したとき
に、二次側チャンバーの圧力が速やかに上昇して一次側
チャンバー内の圧力と等しくなる結果、流動電位の測定
も速やかに終了することとなる。

【００２１】また、二次側チャンバーが容積可変のチャ
ンバーまたはそれぞれ容積の異なる選択可能な複数のチ
ャンバーによって構成されているので、例えば圧力損失
の小さな試料の場合は二次側チャンバーの容積を相対的
に大きく設定し（または二次側チャンバーとして容積の
大きなチャンバーを選択し）、圧力損失の大きな試料の
場合は同チャンバーの容積を相対的に小さく設定する
（または二次側チャンバーとして容積の小さなチャンバ
ーを選択する）というように、試料の種類や充填状態に
よる圧力損失の大きさに応じて二次側チャンバーの容積
を所定の範囲で自由に調節することができる。そして、
このような二次側チャンバー容積の調節を通じて測定時
における同チャンバー内の圧力変化のスピードひいては
測定に要する時間をコントロールすることが可能とな
る。これにより、圧力損失の低い試料から高い試料まで
幅広く効率の良い測定が行えることとなる。

【００２２】

【実施例】以下、本発明の実施例について説明する。図
１に本実施例に係る流動電位測定装置の構成を示す。

【００２３】同図に示すように、この流動電位測定装置
１は、固体試料の充填層２を一対の電極３、３で挟んで
なる流動電位測定セル（以下、Ｅ測定セル）４と、この
Ｅ測定セル４に液供給通路５を介して供給すべき流動液
６を収容する一次側チャンバー７と、Ｅ測定セル４を通
過した後の流動液６を排液通路８を介して回収する二次
側チャンバー９とを有する。ここで、排液通路８には、
同通路を開閉する流動バルブ１０が設けられている。ま
た、Ｅ測定セル４は、流動液６が充填層２を通過する際
に両電極３、３間に発生する流動電位を、同電極３、３
に接続されたアンプ１１を介して本発明装置内蔵のＣＰ
Ｕ（図示せず）に出力するようになっている。なお、こ
の例では、液供給通路５および排液通路８が本発明請求
項でいう配管系を構成している。

【００２４】上記一次側チャンバー７は、耐圧気密構造
の容器によって構成されている。このチャンバー７に
は、図示しない圧力源から供給される液流動用の気体
（例えばＮ₂ ガス）をチャンバー７内に導入するための
気体導入通路１２と、一端が大気に開放され且つ一次側
リークバルブ１３によって開閉される一次側リーク通路
１４と、チャンバー７内に導入された気体の圧力を計測
してアンプ１５を介して上記ＣＰＵに出力する一次側圧
力計１６とが接続されている。このうち気体導入通路１
２には、上記圧力源から供給される気体の圧力を所定圧
に調整する調圧器１７と、同通路１０を開閉する気体導
入バルブ１８とが設けられている。そして、リークバル
ブ１３を閉じた状態で気体導入バルブ１８を開くことに
よりチャンバー７内に一定圧力の気体を導入し、逆に気
体導入バルブ１８を閉じてリークバルブ１３を開くこと
により同チャンバー７内の圧力を大気圧と等しくするこ
とができるようになっている。

【００２５】一方、二次側チャンバー９は、本実施例の
特徴部分として、底部がピストン１９でなる容積可変の
耐圧気密構造の容器によって構成されている。すなわ
ち、同チャンバー底部のピストン１９には、モータドラ
イバ２０を介して上記ＣＰＵにより制御されるピストン
駆動用モータ２１が連結されており、このモータ２１を
必要に応じて回転させることにより、ピストン１９を所
定量だけ変位させてチャンバー９内の容積を変えること
ができるようになっている。なお、ピストン１９の外周
には、チャンバー９の内壁面との間を気密・液密にシー
ルするＯリング２２が装着されている。

【００２６】また、二次側チャンバー９の上部側には、
同チャンバー内の空間の圧力を計測してアンプ２３を介
して上記ＣＰＵに出力する二次側圧力計２４と、一端が
大気に開放され且つ二次側リークバルブ２５によって開
閉される二次側リーク通路２６とが接続されている。そ
して、流動電位の測定を行う際には、あからじめ例えば
流動バルブ１０および二次側リークバルブ２５を閉じた
状態でピストン１９を駆動してチャンバー９内の容積が
試料に応じた容積となる所定位置にセットし、その状態
で二次側リークバルブ２５を一度開けてチャンバー９内
を大気に開放させた後再び閉じることにより同チャンバ
ー９側つまり二次側を気密状態に保つとともに、測定を
終えたときには二次側リークバルブ２５を開くことで同
チャンバー９内を二次側リーク通路２６を介して大気に
開放しうるようになっている。

【００２７】次に、この実施例の作用を説明する。流動
電位の測定を行う場合、流動電位測定装置１では、あら
かじめ試料の圧力損失の大きさに応じて二次側チャンバ
ー９の容積を調節するが、この調節は次のようにして行
う。

【００２８】まず、流動バルブ１０および二次側リーク
バルブ２５を閉じた状態でモータドライバ２０を介して
モータ２１を駆動してピストン１９を所定位置まで変位
させ、その時の二次側チャンバー９内の圧力値を二次側
圧力計２４によって読み取る。例えば、試料の圧力損失
が大きいために二次側チャンバー９内の容積を以前（調
節前）の１０分の１にしたい場合には、同チャンバー９
内の気体を理想気体とみなして圧力（Ｐ）×容積（Ｖ）
＝一定から同チャンバー９内の圧力値が以前の１０倍と
なるまでピストン１９を変位（図１の例では上方に移
動）させればよい。そして、二次側チャンバー９内の圧
力値が１０倍となったときにピストン１９を停止させ、
その状態で二次側リークバルブ２５を開けることにより
同チャンバー９内の圧力を大気に開放し、その後に二次
側リークバルブ２５を閉じる。これにより、二次側チャ
ンバー９は、その容積が圧力損失の大きな試料に対応し
うる大きさに調節されたうえで外部の圧力から遮断され
た密閉状態に保たれる。

【００２９】次に、この状態で流動電位の測定を行う。
その場合、まず一次側チャンバー７内に図示のように一
定の空間を残して所定量の流動液６を収容し、かつ、一
次側リークバルブ１３を閉じた状態で、図示しない圧力
源から供給される気体を調圧器１７で所定圧（二次側チ
ャンバー９内の圧力より高い一定の圧力）に調圧したう
えで気体導入バルブ１８を介して一次側チャンバー７内
に導入することにより、同チャンバー７内の流動液６に
一定の圧力を加える。こうして一次側チャンバー７内の
流動液６に一定圧力を加えると、流動液６はＥ測定セル
４を介して排液通路８上の流動バルブ１０まで押し上げ
られる。次いで、この状態で流動バルブ１０を開ける
と、一次側と二次側の両チャンバー７、９内の圧力差に
より流動液６が流動して、容積が例えば上述のように以
前の１０分の１になった二次側チャンバー９内に送られ
る。そして、このときにＥ測定セル４の電極３、３間に
発生する流動電位が測定される。

【００３０】ところで、こうして一次側チャンバー７か
ら二次側チャンバー９内に流動液６が流入すると、それ
に伴って二次側チャンバー９内の圧力が上昇する。その
場合、二次側チャンバー９の容積は上述のように以前の
１０分の１となっているから、同チャンバー９内の圧力
は以前の１０倍の圧力変化で速やかに上昇する。そし
て、一次側チャンバー内の圧力と二次側チャンバー内の
圧力とが等しくなれば、流動液６は流れなくなるから、
その時点で測定を終了する。

【００３１】このように流動電位測定装置１において
は、圧力損失の高い試料について測定を行う場合でも、
流動液６に一定圧力を加えて一次側チャンバー７からＥ
測定セル４の充填層２を介して二次側チャンバー９へ流
動液６を流したときに、二次側チャンバー９の圧力が速
やかに上昇して一次側チャンバー７内の圧力と等しくな
る結果、流動電位の測定を速やかに終えることができ
る。

【００３２】なお、上記実施例では、二次側チャンバー
にピストンを備えて同ピストンによりチャンバー容積を
変化させうる構成としたが、二次側チャンバーとして互
いに容積の異なる複数の着脱可能（または切り換えバル
ブ等により切り換え可能）なチャンバーを用意してお
き、そのうちの一つを試料に応じて選択しうる構成とし
てもよい。このような構成によれば、チャンバー容積を
変化させるためのピストンやモータ等は不要となる。

【００３３】

【発明の効果】以上のように、本発明の流動電位測定装
置においては、二次側チャンバーの容積を可変にして測
定時に同チャンバーおよび一次側チャンバーが配管系お
よび流動電位測定セルを介して連通した状態で密閉系を
なす構成としたので、流動液に一定圧力を加えて一次側
チャンバーから充填層を介して二次側チャンバーへ流動
液を流したときに、二次側チャンバーの圧力が速やかに
上昇し、その結果、流動電位の測定が速やかに終了する
こととなる。したがって、圧力損失の高い試料について
測定を行う場合でも、短時間で測定を終えることができ
る。

【００３４】また、試料の種類や充填状態による圧力損
失の大きさに応じて二次側チャンバーの容積を一定の範
囲で自由に変えることができるので、一次側チャンバー
から二次側チャンバー内への流動液の流入に伴う二次側
チャンバー内の圧力変化のスピード、ひいては測定に要
する時間を一定の範囲でコントロールすることが可能と
なる。これにより、圧力損失の低い試料から高い試料ま
で幅広く効率の良い測定が行えることとなる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例に係る流動電位測定装置の構成
を示す構成図である。

【図２】従来の流動電位測定装置の一例を示す構成図で
ある。

【符号の説明】

１・・・流動電位測定装置 ２・・・充填層 ３・・・電極 ４・・・流動電位測定セル（Ｅ測定セル） ５、８・・・配管系（５・・・液供給通路、８・・・排
液通路） ６・・・流動液 ７・・・一次側チャンバー ９・・・二次側チャンバー

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 固体試料の充填層を一対の電極で挟んで
   なる流動電位測定セルと、その充填層に供給すべき流動
   液を収容する一次側チャンバーと、その充填層を通過し
   た後の流動液を収容する二次側チャンバーとを有し、上
   記一次側チャンバーの流動液に一定圧力を加えて同チャ
   ンバーから二次側チャンバーへ充填層を介して流動液を
   流したときに上記一対の電極間に発生する流動電位を測
   定する流動電位測定装置であって、上記一次側チャンバ
   ーおよび二次側チャンバーは、流動電位の測定時に配管
   系および上記セルを介して互いに連通した状態で外部の
   圧力からは遮断された密閉系を構成するとともに、二次
   側チャンバーが、容積可変のチャンバー、または試料に
   応じてそれぞれ選択可能とされた互いに容積の異なる複
   数のチャンバーで構成されていることを特徴とする流動
   電位測定装置。