DE2538560B2

DE2538560B2 - Verfahren und Vorrichtung zur Messung der Beweglichkeit von Kolloidenteilchen hi entern elektrischen Gleichfeld

Info

Publication number: DE2538560B2
Application number: DE2538560A
Authority: DE
Inventors: Maurice Prof. Boulogne Bonnemay; Henri Aubervilliers Gaessler; Michel Issy-Les-Moulineaux Levart; Jacques Nanterre Moles; Yves Marly-Le-Roi Richard; J. Paul La Vareene-St-Hilaire Royon; Pierre Saint-Cloud Treille
Original assignee: Degremont SA
Current assignee: Suez International SAS
Priority date: 1974-09-06
Filing date: 1975-08-29
Publication date: 1979-04-19
Also published as: US4113596A; FR2295421B1; FR2295421A1; CA1047603A; DE2538560C3; JPS5185795A; DE2538560A1; GB1509625A; BE833076A; JPS5442797B2

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren unter Verwendung der Vorrichtung.

Aus der US-PS 3 708402 ist es bekannt, ein flaches Strahlungsbündel zwischen die in einem Elektrophoresebehälter befindlichen Elektroden zu richten, um die Beweglichkeit von kleinen Teilchen zu messen. Mit diesem Gerät wird die Beweglichkeit der Teilchen direkt gemessen, indem man die Menge des von den Teilchen dispergierten Lichts während ihrer Verschiebung in einem elektrischen Gleichfeld mißt. Diese Art der Messung ist schwierig.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zu schaffen, mittels der die Messung auf möglichst einfache Weise durchgeführt werden kann. Gelöst wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale.

Die Lösung des Verfahrens ist durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 5 gegeben. Mit dieser Vorrichtung wird die mittlere optische Dichte der die Teilchen enthaltenden Lösung oder Suspension vor und nach dem Anlegen eines elektrischen Gleichfeldes an die Elektroden während eines bestimmten Zeitintervalls gemessen. Um eine möglichst große Änderung der optischen Dichte zu erreichen, ist es notwendig, die Messung in einem Flüssigkeitsraum durchzuführen, bei dem man das Eindringen von Teilchen verhindern kann, um diejenige

2^r> Wirkung zu messen, die durch die Verschiebung der Teilchen unter der Wirkung des elektrischen Feldes erhalten wird. Hierzu wird ein flaches Strahlungsbündel in sehr geringem Abstand von derjenigen Elektrode, von der sich die Partikel während des Anlegens

«ι des elektrischen Gleichfeldes entfernen, durch die Lösung bzw. Suspension gerichtet. Auf diese Weise kann man die Änderung der mittleren optischen Dichte in einem Raum messen, der von dem Strahlungsbündel begrenzt ist und in dem diejenige Seite,

η die der Verschiebungsrichtung der Teilchen in dem elektrischen Gleichfeld entgegengesetzt ist, durch die Oberfläche der Elektrode gebildet wird. Die Dicke des Strahlungsbündels muß gering sein, um ausreichend große Änderungsdichten zu erhalten.

4(i Die Erfindung wird nachstehend anhand der F i g. 1 und 2 beispielsweise erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine perspektivische Darstellung der Vorrichtung und

Fig. 2 eine perspektivische Darstellung der aktiven

4^r) Elektrode.

Die Vorrichtung basiert auf der Entdeckung, daß man in einem elektrischen Gleichfeld mit einem Bündel geeigneter Abmessungen die Veränderung der in einem einer der Elektroden benachbarten Raum ent-

)(i haltene Anzahl von kolloidalen Teilchen messen kann. Dazu ist die Erzeugung eines Bündels erforderlich, das in Richtung der Kraftlinien des elektrischen Feldes eine Dicke von weniger als 1000 μίτι und vorzugsweise von weniger als 500 μπι aufweist. Die Ab-

Vi messung des Bündels senkrecht zu den Kraftlinien ist nicht kritisch und hängt lediglich von praktischen Erwägungen, wie z. B. der Anfangskonzentration der Lösung oder der Trübung ab.

Man erhält die besten Ergebnisse, wenn das Bündel

to eine Zone durchläuft, deren der Elektrode benachbarter Rand mit der Oberfläche der Elektrode identisch ist.

Bei der Vorrichtung verwendet man zur Messung der Beweglichkeit der Teilchen einen Behälter, bei dem zwei einander gegenüberliegende senkrechte Wände für die verwendete Strahlung transparent sind, während die beiden anderen Wände aus einem beliebigen anderen Material bestehen können, welches

die erforderliche Dichtigkeit und Festigkeit aufweist. Parallel zu den beiden letztgenannten Wänden wird ein Satz Elektroden zur Erzeugung eines elektrischen Feldes angeordnet, in welches die zu messende kolloidale Lösung oder Suspension eingebracht wird.

In der Praxis wird man die Form des Behälters in der Weise wählen, daß die transparenten Wände weiter voneinander entfernt sind als die beiden anderen senkrechten Wände. Das Größenverhältnis kann in der Größenordnung von 1 bis 5 liegen, jedoch kann man in Abhängigkeit von den zu messenden Kolloiden und den zu verwendenden elektrischen Feldern auch andere Verhältniszahlen wählen.

Die Elektroden bedecken vorzugsweise vollständig die innere Oberfläche der nicht transparenten senk- ι ΐ rechten Wände und sind in der Praxis in einem Abstand von ungefähr 0,3 cm bis 0,9 cm voneinander angeordnet, jedoch kann gegebenenfalls auch ein größerer oder ein kleinerer Abstand der Elektroden vorzuziehen sein.

Die Elektroden bestehen aus einem Material, das die bei den elektrochemischen Reaktionen an den Elektroden erzeugten Produkte zu adsorbieren vermag, ohne daß dadurch die Elektrophorese gestört wird, wozu beispielsweise ein Material wie Palladium r> verwendet wird.

Zur Durchführung der Messung der globalen Beweglichkeit der kolloidalen Teilchen ist die Vorrichtung mit einer derart angeordneten Strahlungsquelle versehen, so daß unter Verwendung eines bekannten «1 Systems das Bündel parallel zu den Elektroder in der Nähe derjenigen Elektrode verläuft, wo man die Messung durchführen will.

Falls es sich um eine Lichtquelle handelt, so verwendet man ein optisches System mit Spiegeln, Linsen r> und Blenden.

Ferner ist es möglich, die Messungen mit Hilfe von Infrarotstrahlung oder von Gammastrahlen durchzuführen.

Am Austritt des Behälters wird die Intensität des -m Bündels unter Verwendung einer üblichen Abtasteinrichtung für die verwendete Strahlung gemessen.

Auf diese Weise kann bei der Verwendung sichtbarer Strahlung die Abtasteinrichtung aus einem einfachen Photowiderstand, beispielsweise aus Kadmium- -n sulfid bestehen, dessen Ansprechsignal ein Maß für die Verschiebung der Teilchen unter der Einwirkung des elektrischen Feldes in einem kurzen Zeitintervall, vorzugsweise von weniger als 5 Sekunden, ist. Es kann aber auch jede andere Abtasteinrichtung verwendet ->o werden, die auf die aus dem Behälter austretende Strahlung anspricht.

Im Gegensatz zu den bisher zur Bestimmung der Beweglichkeit der kolloidalen Teilchen mit Hilfe der Elektrophorese vewendeten Techniken werden beim γ, eifindungsgemäßen Verfahren nicht direkt die einzelnen Verschiebungen einer gewissen Anzahl von Teilchen, sondern die Veränderung der Anzahl von kolloidalen Teilchen in einem beobachteten Volumen gemessen. ho

Es ist nämlich so, daß die Teilchen ein Hindernis für gewisse Strahlungen bilden und eine Schwächung derartiger Strahlungen hervorrufen, wenn diese eine Schichtdicke der kolloidalen Lösung oder Suspension durchsetzen. μ

Daher wird das aus der Strahlungsquelle austretende Bündel im wesentlichen parallel zu den Elektroden ausgerichtet. Das Volumen der beobachteten Flüssigkeit ist damit durch den Querschnitt des Bündels und seine Länge zwischen den beiden transparenten Wänden des Behälters oder der Küvette bestimmt.

Die Anwesenheit der Kolloide in der Flüssigkeit schwächt das Bündel, wobei die Schwächung eine Funktion der Anzahl der Teilchen ist, die im folgenden als »optische Dichte« bezeichnet werden soll.

In der Praxis liegt die Länge des die Flüssigkeit durchsetzenden Bündels, d. h. die Länge der Küvette, in einem Bereich zwischen 5 mm und 50 mm und wird in Abhängigkeit von der Trübung der Lösung gewählt.

Die Messung der Beweglichkeit erfolgt durch Anwendung eines elektrischen Gleichfeldes zwischen den Elektroden, was eine Veränderung der Anzahl von Teilchen und damit der optischen Dichte in dem beobachteten Volumen hervorruft und somit eine Veränderung des Ansprechsignals der Abtasteinrichtung zur Folge hat. Je größer die Anzahl der sich verschiebenden Teilchen ist, desto größer ist auch die Veränderung der optischen Dichte im gleichen Intervall.

In der Praxis sind elektrische Felder in der Größenordnung von 20 V/cm bis 30 V/cm ausreichend, um gute Ergebnisse zu erzielen.

Die Meßdauer, d. h. die Zeit zur Auslegung des elektrischen Feldes, ist geringer als 10 Sekunden und liegt vorzugsweise zwischen 0 und 5 Sekunden.

Man erhält die besten Meßergebnisse, wenn das Bündel die Flüssigkeit einen Bereich in unmittelbarer Nähe einer der beiden Elektroden durchsetzt und das Bündel, ausgehend von der Oberfläche der jeweiligen Elektrode, eine geringere Dicke als 100 μηι und vorzugsweise von weniger als 500 μίτι aufweist. Die Höhe der vom Bündel durchsetzten Zone ist nicht kritisch.

Die Elektrode, in deren Nähe die Messung erfolgt, wird als aktive Elektrode bezeichnet. In Abhängigkeit von der Ladung der Teilchen wird die Polarität der Elektroden in der Weise gewählt, daß sich die Teilchen unter der Wirkung des elektrischen Feldes von der aktiven Elektrode weg bewegen.

In bekannter Weise kann man dann die mittlere Beweglichkeit der Teilchen sowie das elektrokinetische Potential berechnen.

Die Beschreibung eines einfachen Ausführungsbeispieles der Vorrichtung soll im folgenden anhand eines Ausführungsbeispieles erfolgen, wobei auf die beiden Fig. 1 und 2 der Zeichnung Bezug genommen wird.

Die Vorrichtung weist einen Behälter 1 zur Elektrophorese mit einer Grundfläche von 40 mm X 10 mm und einer Höhe von 40 mm auf. An seinen Seitenwänden la und Ib sind zwei Elektroden 3a und 3b angeordnet, die jeweils eine Fläche von 40 mm X 50 mm und eine Dicke von 2 mm aufweisen. Die Platten bestehen aus Palladium. Mit dem Behälter 1 erhält manzwischen den beiden fürdie Strahlung transparenten Wänden eine Bündellänge von 40 mm. Diese Länge ist für eine Flüssigkeit mit einer Trübung von 5 bis 20 UJ (Jackson-Einheit) ausreichend.

Bei größeren Trübungen kann man die Länge des Behälters beispielsweise auf 10 mm reduzieren.

Eine Transistor stabilisierte Versorgungseinrichtung 4 reguliert die Intensität der Stromstärke der Elektrophorese. Mit einem nicht gezeichneten Kommutator kann die aktive Elektrode 3a der Polarität der Kolloide entsprechend als Kathode oder als Anode gepolt sein. Eine Einrichtung zur Messung der Spannung an den Elektrodenanschlüssen ermöglicht die Bestimmung des bei der Elektrophorese verwer.-

deten elektrischen Feldes. Die Energie wird von einer 12-Volt-Batterie geliefert, deren Leistungsvermögen von der Dauer der Benutzung abhängt. Die aktive Elektrode 3a wird von einem Lichtbündel 5 gestreift, das aus einer Lichtquelle 6 in Form einer 4-Watt-Lampe mit geradlinigem Glühfaden auftritt und ein optisches System mit Schlitzen 7 in der Größenordnung von 0,5 mm durchsetzt, welche die auf der Lichtquelle austretende diffuse Strahlung in eine gerichtete Strahlung umwandeln.

Die Abtastung der Intensität der austretenden Strahlung 8 wird durch eine Zelle mit einem Photowiderstand 9 gewährleistet, der in eine Wheatstonesche Brückenschaltung integriert und am Boden eines optischen Zylinderrohres 10 angeordnet ist, wobei diese Ablasueüe der austretenden Strahlung gegenüber angeordnet ist.

Die Veränderung der Konzentration der Kolloide in der Nähe der aktiven Elektrode hat einen proportionalen Ausschlag der Galvanometernadel 11 zur Folge.

Eine besonders wichtige Anwendung der Vorrichtung besteht darin, die optimale Dosis eines Koagulationsstoffes zu messen, der zur Klärung eines Oberflächenwassers in dieses eingeleitet werden muß.

Zu diesem Zweck werden beispielsweise vier oder fünf Proben des zu klärenden Wassers vorbereitet. Man fügt dann jedesmal eine größere Menge eines üblicherweise verwendeten Koagulationsstoffes hinzu und mißt in der oben beschriebenen Weise die Veränderung der optischen Dichte.

Die Abnahme der beobachteten optischen Dichte wird in der Nähe der optimalen Menge, bei der das Kolloid entflockt, immer geringer. Nach dem Überschreiten des »neutralen Punktes« vergrößert sich die optische Dichte bei Anlegen des elektrischen Feldes.

Als Ausführungsbeispiele sollen im folgenden Koagulationsversuche beschrieben werden, die mit der oben erläuterten Vorrichtung durchgeführt wurden.

Das Wasser wurde durch Mischen von 50 mg Kaolin mit i Liter Leitungswasser erhalten: Zur Bestimmung derjenigen Dosis des Koagualationsstoffes, der zur Destabilisierung der Suspension dem Wasser zugeführt werden muß, mißt man die Beweglichkeit der kolloidalen Teilchen in Abhängigkeit von der Konzentration des hinzugefügten Koagulationsstoffes, wobei der Behälter zur Elektrophorese für 3 Sekunden einem elektrischen Feld von 20 V/cm ausgesetzt

ist. Die Ergebnisse sind in der nachfolgenden Tabelle 1 zusammengestellt.

Tabelle I

Konzentration
des hinzugefügten Koagulationsstoffes
in ppm

0 10 20 30 40 50

Veränderung der
optischen Dichte
in willkürlichen
Einheiten 10

4,5 1,5 §0,5 -5

Bei einer Dosis von 40 ppm des Koagulationsstoffes ist der Ausschlag des Galvanometers praktisch Null; oberhalb von 40 ppm wird der Ausschlag negativ: Daraus folgt, daß die Aufbereitungsdosis 40 ppm des Koagulationsstoffes beträgt.

In gleicher Weise werden Koagulationsversuchc mit Flußwasser durchgeführt. Unter den gleicher Versuchsbedingungen erhält man die in der Tabelle Il zusammengestellten Ergebnisse.

Tabelle II

Konzentration
an Aluminiumsulfat in ppm

0 100 150 200 220 240

Veränderung der
optischen Dichte
in willkürlichen
Einheiten

85 33 25

0 -10

Die optimale Dosis des Koagulationsstoffes beträgt somit 220 ppm. Die Dauer der globalen Analyse betrug 5 Minuten, die erforderliche Wassermenge 100 cm³.

Die Versuche zeigen, daß sich die Vorrichtung insbesondere für an Ort und Stelle durchzuführende Messung eignet, daß die Meßzeiten kurz und die Volumina gering sind. Die Abmessungen und die Anordnung der verschiedenen Elemente sind derart, daß die Vorrichtung in Kompaktbauweise herstellbar, leichl zu transportieren und wenig kostspielig ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Messung der Beweglichkeit von Kolloidenteilchen in einem elektrischen Gleichfeld mit einem mit zwei im wesentlichen parallelen Elektroden versehenen Elektrophoresebehälter, mit einer Einrichtung zur Erzeugung eines flachen Strahlungsbündels parallel zu den Elektroden und mit einer geringen Dicke, vorzugsweise bis zu 500 um, in Richtung der zwischen den beiden Elektroden verlaufenden Kraftlinien des elektrischen Feldes sowie mit einer Einrichtung durch den Elektrophoresebehälter, dadurch gekennzeichnet, daß das Strahlungsbündel (5) den zwischen den beiden Elektroden (3a, 3b) befindlichen Raum in sehr geringem Abstand von der aktiven Elektrode (3a) durchsetzt, von der sich die Teilchen unter der Wirkung des elektrischen Feldes entfernen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand des Strahlungsbündels (5) von der aktiven Elektrode (3a) so weit verringert ist, daß das Strahlungsbündel (5) die Elektrodenoberfläche streift.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen den Elektroden (3a, 3b) zwischen 0,3 cm und 0,9 cm liegt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge des vom Strahlungsbündel (5) in dem Behälter (1) durchsetzten Raumes zwischen 5 mm und 50 mm liegt.

5. Verfahren zur Messung der Beweglichkeit von kolloidalen Teilchen in einer Lösung oder Suspension, bei dem die kolloidalen Teilchen enthaltende Flüssigkeit in einen zwei im wesentlichen parallele Elektroden enthaltenden Behälter eingefüllt wird, ein Strahlungbbündel geringer Dicke parallel zu den Elektroden gerichtet wird, zwischen den Elektroden ein elektrisches Gleichfeld erzeugt wird sowie die optische Dichte der die kolloidalen Teilchen enthaltenden Flüssigkeit als Maß für die Beweglichkeit der kolloidalen Teilchen festgestellt wird und unter Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Feststellung der optischen Dichte einmal vor der Erzeugung des elektrischen Gleichfeldes und nach einem kurzen Zeitintervall dann erneut vorgenommen wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine elektrische Feldstärke von 20 V/cm bis 30 V/cm verwendet wird.

7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Zeitintervall, in dem das elektrische Feld angelegt wird, kleiner als 20 Sekunden ist und vorzugsweise zwischen 0 und 5 Sekunden liegt.