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        一種膠體電荷測定裝置的改進(jìn)

        2018-09-10 19:58:44劉道恒閆寧柴欣生
        中國造紙 2018年4期

        劉道恒 閆寧 柴欣生

        摘 要:介紹了目前應(yīng)用廣泛的膠體電荷測定儀,針對其測量樣品池提出一種改進(jìn)方式。該裝置在基于流動電流測量原理的前提下,引進(jìn)數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)藍(lán)牙傳輸和無線供電的新技術(shù)。通過改變微弱流動電流的處理方式與信號傳輸模式,使流動電流信號在測量過程中減少損失,從而保證膠體電荷測量更加準(zhǔn)確和方便。

        關(guān)鍵詞:流動電流;膠體電荷;藍(lán)牙傳輸;無線供電

        中圖分類號:TS736+.2

        文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A

        DOI:10.11980/j.issn.0254-508X.2018.04.010

        Abstract:The colloid charge detector widely used nowadays was introduced. The paper suggested a method to improve the sampling chamber of the instrument. Based on the measurement principle of streaming current, the new technologies of data transmission with bluetooth and wireless power supply were brought in. Through the changes of weak current signal handling method and signal transmission mode, the losses of streaming current signals in measurement process could be reduced, it made the equipment more precise and convenient.

        Key words:streaming current; colloid charge; bluetooth transmission; wireless power supply

        在造紙濕部懸浮液中存在著大量的靜電荷,這些電荷來源于纖維和細(xì)小纖維的表面、填料和顏料的表面電荷等[1-4],它們直接關(guān)系到紙機(jī)的正常運(yùn)行以及產(chǎn)品質(zhì)量。因此,這些電荷的測量和控制,是濕部化學(xué)過程控制的關(guān)鍵因素[5]。目前,漿料濕部的控制參數(shù)主要是基于測量體系中膠體電荷特性,國外已研發(fā)出一系列的測量儀器[6-9],如Zeta電位儀、流動電流測定儀(SCD)和顆粒電荷測定儀(PCD)等。

        鑒于膠體電荷的測量與分析對于研究造紙濕部化學(xué)的重要性,膠體電荷測定儀已在造紙濕部中確定陰、陽離子需求量測量、化學(xué)品加入量的優(yōu)化與控制等發(fā)揮著重要作用[10]。目前市售的膠體電荷特性測定儀都是基于流動電流技術(shù)開發(fā)的,其共同特點(diǎn)是利用活塞往復(fù)運(yùn)動,在樣品池中產(chǎn)生流動電流,通過一對稀有金屬電極將微弱的流動電流引出,然后進(jìn)行放大處理[11-12]。這類儀器的主要缺點(diǎn)有:測量樣品池在檢測過程因電極觸點(diǎn)與電極探針之間經(jīng)常與水接觸而易受污染,必須做經(jīng)常性的維護(hù)(即測量池的拆卸、觸點(diǎn)表面的清潔);裸露在樣品池外面的電極觸點(diǎn)的氧化層使接觸電阻增大,對微弱的流動電流信號造成衰減,進(jìn)而影響測量精度;現(xiàn)有的儀器不具備無線傳輸功能,使測試數(shù)據(jù)共享的方便性、靈活性受到限制。

        本課題對現(xiàn)有的膠體電荷測定儀進(jìn)行了幾方面的改進(jìn):①采用封閉式設(shè)計(jì),使整個測量筒沒有任何外露的觸點(diǎn);②改進(jìn)膠體電荷測量樣品池的安裝方式,以方便測量池清洗與更換;③利用數(shù)據(jù)采集的藍(lán)牙傳輸和無線供電技術(shù)[13-14],增強(qiáng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院筒僮鞯姆奖阈浴?/p>

        1 流動電流式測量及膠體電荷測定原理

        1.1 流動式電流測量

        通常情況下,溶液中的膠體物質(zhì)表面均帶有電荷,膠體顆粒周圍由相反極性的電荷所包圍,這些包圍膠體粒子的大分子物質(zhì)或其他粒子,在剪切力場的作用下可以發(fā)生相對移動,產(chǎn)生流動電流。

        流動電流如果為零則表示體系內(nèi)所有的電荷均被中和,即系統(tǒng)處于等電點(diǎn)狀態(tài)。當(dāng)體系處于電荷不平衡狀態(tài)時,通過剪切力場則能測量出其流動電流,微弱的流動電流經(jīng)過電路處理,能直觀地反映出體系中所帶電荷的極性及電勢。

        1.2 膠體電荷測定儀

        目前,市場上有多種膠體電荷測定儀,其中BTG公司的顆粒電荷測定儀(PCD)、德國AFG公司的粒子電荷分析儀(CAS)使用廣泛。其測量原理都是利用樣品池中的活塞上下運(yùn)動帶動液體流動,液體中粒子表面的電子云受到剪切力的作用脫離膠體,從而產(chǎn)生流動電流。樣品池兩根電極測量出的流動電流,經(jīng)過多級放大處理后顯示其電壓值及電荷極性。結(jié)合精密的滴定裝置,滴入相反極性的陰離子或陽離子標(biāo)準(zhǔn)液,當(dāng)?shù)味ǖ浇K點(diǎn)零電勢時,計(jì)算消耗標(biāo)準(zhǔn)液的體積來檢測顆粒表面電荷密度,主要用于造紙、水處理等行業(yè)。圖1和圖2分別為兩種膠體電荷測定儀的外形。

        2 測量樣品池裝置

        2.1 樣品池的結(jié)構(gòu)

        上述兩種膠體電荷測定儀樣品池的結(jié)構(gòu)大致相同。選用優(yōu)質(zhì)的聚四氟乙烯棒料為基材,加工成一個圓柱體測量筒。其內(nèi)部盲孔的加工精度要求比較高,要保證與往復(fù)運(yùn)動的活塞有一定的配合尺寸,同時要保證內(nèi)壁有比較高的光潔度。兩根電極嵌入到內(nèi)部盲孔中,其中一端裸露在測量筒的外部,測量時用于與主機(jī)進(jìn)行通信。圖3為測量筒的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖。

        樣品池是流動電流產(chǎn)生的裝置,電極接觸電阻直接影響測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。更換測量樣品時,需要把整個測量筒卸下清洗,加載樣品后必須把附著在電極的水擦干,保證觸點(diǎn)與主機(jī)連接可靠。每次測量都要經(jīng)過細(xì)致的操作步驟,否則測試結(jié)果相差很遠(yuǎn)。

        2.2 樣品池的改進(jìn)

        為了減小測量過程中外部因素對電荷測定的影響,對測量樣品池進(jìn)行改進(jìn)。樣品池還是選用聚四氟乙烯材料,其上部的盲孔與顆粒電荷測定儀的完全一樣。在底部加工一個隔離的腔體,用于放置無線供電模塊、A/D數(shù)據(jù)放大模塊和數(shù)據(jù)藍(lán)牙傳輸模塊。兩根電極嵌入到測量筒的里面,另一端不裸露在外部,從里面通過引線與放大電路連接。圖4為改進(jìn)后樣品池的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖。

        因?yàn)闇y量樣品池在制作完成后,是一個帶放大電路和無線傳輸功能的整體,所以樣品池的制作過程比較講究。兩根電極的安裝,必須進(jìn)行良好的密封處理,防止在測量過程中液體滲透到電路部分。安裝電路的腔體在完成后需要灌環(huán)氧樹脂密封膠,保證其在測量過程的防水性與穩(wěn)定性。最后,電路腔體的底部通過一個蓋板封堵,這樣整個測量樣品池制作完畢。

        2.3 信號處理的改進(jìn)

        在樣品池中,活塞運(yùn)動產(chǎn)生的電流信號非常微弱。要想直觀地反映被測液體的電荷特性,需要經(jīng)過多種信號處理電路來實(shí)現(xiàn)。

        顆粒電荷測定儀對流動電流的處理,將測量筒的兩根電極產(chǎn)生的流動電流,經(jīng)過多級信號放大、信號采樣保持等電路來實(shí)現(xiàn)。改進(jìn)后的測量樣品池,將信號放大器、A/D轉(zhuǎn)換器、數(shù)據(jù)藍(lán)牙傳輸模塊和無線供電模塊集成到測量筒內(nèi),其信號的處理方式與顆粒電荷測定儀的完全不一樣。圖5和圖6分別為兩種信號處理方式示意圖。

        3 測試數(shù)據(jù)與分析

        3.1 測試步驟

        對膠體電荷的測量,必須嚴(yán)格遵循規(guī)范的操作步驟,否則測試結(jié)果相差很遠(yuǎn)。首先,要徹底清洗樣品池的內(nèi)壁和活塞,可借助軟頭的刷子清洗,然后用去離子水沖洗干凈。將待測樣品注入樣品池中,標(biāo)準(zhǔn)的樣品體積為10 mL,在注入樣品池后,上部電極必須被樣品所浸沒。插入活塞后,安裝到測量主機(jī)中運(yùn)行儀器,此時,屏幕會顯示測量的流動電勢值。當(dāng)電位值相對穩(wěn)定后,啟動滴定裝置進(jìn)行電荷滴定,當(dāng)?shù)味ǖ浇K點(diǎn)電位(即0電位)時,儀器會自動停機(jī),屏幕顯示消耗滴定液的體積(mL)。

        3.2 顆粒電荷的計(jì)算

        (1)膠體電荷總量的測量

        用已知電荷密度的帶有相反極性的聚電解質(zhì)溶液作為滴定液,用電荷測量裝置作為系統(tǒng)電荷的指示,對待測樣品進(jìn)行滴定,當(dāng)系統(tǒng)滴定到等電點(diǎn)時(0 mV),樣品的電荷密度(濃度)計(jì)算見公式(1)。

        3.3 測試結(jié)果對比

        為了對比改進(jìn)后測量儀器與傳統(tǒng)測量儀器,選用0.001 mol/L的陰離子標(biāo)準(zhǔn)液PesNa(聚乙烯硫酸鈉)為待測樣品,選用0.001 mol/L的陽離子標(biāo)準(zhǔn)液PolyDadmac(二烯丙基二甲基氯化銨)為滴定液。測試結(jié)果見表1。

        由表1可知,測量過程中,傳統(tǒng)儀器的流動電勢值變化很大,這與電極觸點(diǎn)受外界因素的影響較大有關(guān)系,而改進(jìn)后測量裝置的流動電勢值相對穩(wěn)定。

        4 結(jié) 語

        改進(jìn)膠體電荷測定裝置樣品池的結(jié)構(gòu),是一種新的膠體電荷測定方式的嘗試。實(shí)驗(yàn)證明完全能達(dá)到預(yù)期的效果,即:流動電勢測量的穩(wěn)定性更好,實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有很好的重現(xiàn)性。

        參 考 文 獻(xiàn)

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        (責(zé)任編輯:董鳳霞)

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