一種膠體電荷測定裝置的改進

劉道恒 閆寧 柴欣生

摘 要：介紹了目前應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方式。該裝置在基于流動電流測量原理的前提下，引進數字數據藍牙傳輸和無線供電的新技術。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確和方便。

關鍵詞：流動電流；膠體電荷；藍牙傳輸；無線供電

中圖分類號：TS736+.2

文獻標識碼：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小纖維的表面、填料和顏料的表面電荷等[1-4]，它們直接關系到紙機的正常運行以及產品質量。因此，這些電荷的測量和控制，是濕部化學過程控制的關鍵因素[5]。目前，漿料濕部的控制參數主要是基于測量體系中膠體電荷特性，國外已研發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、化學品加入量的優化與控制等發揮著重要作用[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開發的，其共同特點是利用活塞往復運動，在樣品池中產生流動電流，通過一對稀有金屬電極將微弱的流動電流引出，然后進行放大處理[11-12]。這類儀器的主要缺點有：測量樣品池在檢測過程因電極觸點與電極探針之間經常與水接觸而易受污染，必須做經常性的維護（即測量池的拆卸、觸點表面的清潔）；裸露在樣品池外面的電極觸點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，進而影響測量精度；現有的儀器不具備無線傳輸功能，使測試數據共享的方便性、靈活性受到限制。

本課題對現有的膠體電荷測定儀進行了幾方面的改進：①采用封閉式設計，使整個測量筒沒有任何外露的觸點；②改進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利用數據采集的藍牙傳輸和無線供電技術[13-14]，增強數據傳輸的可靠性和操作的方便性。

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或其他粒子，在剪切力場的作用下可以發生相對移動，產生流動電流。

流動電流如果為零則表示體系內所有的電荷均被中和，即系統處于等電點狀態。當體系處于電荷不平衡狀態時，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，從而產生流動電流。樣品池兩根電極測量出的流動電流，經過多級放大處理后顯示其電壓值及電荷極性。結合精密的滴定裝置，滴入相反極性的陰離子或陽離子標準液，當滴定到終點零電勢時，計算消耗標準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。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 樣品池的結構

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

樣品池是流動電流產生的裝置，電極接觸電阻直接影響測量結果的準確性。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，保證觸點與主機連接可靠。每次測量都要經過細致的操作步驟，否則測試結果相差很遠。

2.2 樣品池的改進

為了減小測量過程中外部因素對電荷測定的影響，對測量樣品池進行改進。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數據放大模塊和數據藍牙傳輸模塊。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為改進后樣品池的內部結構示意圖。

因為測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氧樹脂密封膠，保證其在測量過程的防水性與穩定性。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

在樣品池中，活塞運動產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，需要經過多種信號處理電路來實現。

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生的流動電流，經過多級信號放大、信號采樣保持等電路來實現。改進后的測量樣品池，將信號放大器、A/D轉換器、數據藍牙傳輸模塊和無線供電模塊集成到測量筒內，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 測試數據與分析

3.1 測試步驟

對膠體電荷的測量，必須嚴格遵循規范的操作步驟，否則測試結果相差很遠。首先，要徹底清洗樣品池的內壁和活塞，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，標準的樣品體積為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，安裝到測量主機中運行儀器，此時，屏幕會顯示測量的流動電勢值。當電位值相對穩定后，啟動滴定裝置進行電荷滴定，當滴定到終點電位（即0電位）時，儀器會自動停機，屏幕顯示消耗滴定液的體積（mL）。

3.2 顆粒電荷的計算

（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溶液作為滴定液，用電荷測量裝置作為系統電荷的指示，對待測樣品進行滴定，當系統滴定到等電點時（0 mV），樣品的電荷密度（濃度）計算見公式（1）。

3.3 測試結果對比

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

由表1可知，測量過程中，傳統儀器的流動電勢值變化很大，這與電極觸點受外界因素的影響較大有關系，而改進后測量裝置的流動電勢值相對穩定。

4 結 語

改進膠體電荷測定裝置樣品池的結構，是一種新的膠體電荷測定方式的嘗試。實驗證明完全能達到預期的效果，即：流動電勢測量的穩定性更好，實驗結果具有很好的重現性。

參 考 文 獻

[1] HU Fang， XIE Laisu. The application of charge analysis in wetend chemistry[J]. Tianjin Paper Making， 1999（4）： 29.

胡 芳， 謝來蘇. 電荷分析在造紙濕部化學中的應用[J]. 天津造紙， 1999（4）： 29.

[2] ZHANG Junhui. The measurement， control and application of wetend chemistry in papermaking[J]. Heilongjiang Pulp & Paper， 2010， 38（1）： 41.

張軍輝. 造紙濕部化學測量與控制及應用[J]. 黑龍江造紙， 2010， 38（1）： 41.

[3] JIN Xingming， CAO Chunyu. Charge Analysis of Papermaking System[J]. China Pulp & Paper， 2003， 22（10）： 44.

金星明， 曹春昱. 造紙系統中的電荷分析[J]. 中國造紙， 2003， 22（10）： 44.

[4] DU Haitao， GU Renmei. A New Method for the Control of Wet End Chemistryparticle Charge Measurement[J]. China Pulp & Paper， 1998， 17（6）： 64.

杜海濤， 顧仁梅. 一種新的造紙機濕部控制方法—粒子表面電荷測定法[J]. 中國造紙， 1998， 17（6）： 64.

[5] HE Beihai. Colloids and Interface Chemistry in Papermaking Process[M]. Beijing： Chemical Industry Press， 2009.

何北海. 造紙過程的膠體與界面化學[M]. 北京： 化學工業出版社， 2009.

[6] LI Haimin， HU Huiren， LI Yunsheng. Charge Measurement Sensors Offer New Opportunities for Better Wetend Control[J]. World Pulp and Paper， 2004， 23（1）： 39.

李海明， 胡惠仁， 李云勝. 電荷測量探測器為濕部控制提供了新機會[J]. 國際造紙， 2004， 23（1）： 39.

[7] WEI Haifeng， CHANG Yikang， ZHANG Zhixiu. Technics and Equipment for Charge Detection in Wet End[J]. Hunan Papermaking， 2004（4）： 31.

魏海峰， 常易康， 張志秀. 造紙濕部電荷檢測技術與設備[J]. 湖南造紙， 2004（4）： 31.

[8] ZHANG Guanghua. The Developing Course and Present State of Measurement of Charge in the Wet End[J]. World Pulp and Paper， 2000， 19（1）： 40.

張光華. 造紙濕部電荷測量技術的現狀與發展[J]. 國際造紙， 2000， 19（1）： 40.

[9] ZHANG Chunmei， HE Beihai. The charge analysis and application of pulp suspensions[J]. Paper Science & Technology， 1998（3）： 38.

張春梅， 何北海. 紙漿懸浮液電荷分析評價及其應用[J]. 造紙科學與技術， 1998（3）： 38.

[10] FANG Xiaotao， WANG Yijun， WANG Chunhong. The applicatiopn of charge detection in wetend control[J]. South West Pulp and Paper， 2006（2）： 42.

房孝濤， 王怡俊， 王春紅. 電荷檢測在造紙濕部控制中的應用[J]. 西南造紙， 2006（2）： 42.

[11] Bckenhoff K， Fischer W. Determination of electrokinetic charge with a particlecharge detector， and its relationship to the total charge[J]. Analytical and Bioanalytical Chemistry， 2001， 371（5）： 670.

[12] Kam S K， Gregory J. Charge determination of synthetic cationic polyelectrolytes by colloid titration[J]. Colloids & Surfaces A Physicochemical & Engineering Aspects， 1999， 159（1）： 165.

[13] SUN Hongjun. Data transmission system based on MSP430 and bluetooth technology[J]. Journal of Jinggangshan University： Science and Technology， 2009， 30（2）： 44.

孫紅軍. 基于MSP430和藍牙技術的數據傳輸系統[J]. 井岡山大學學報： 自然科學版， 2009， 30（2）： 44.

[14] GAO Wei， TAO Yugui， CHEN Suqin. Power Supply Systen Design Using Wireless Technology[J]. Journal of Xichang College （Natural Science Edition）， 2012（4）： 47.

高 偉， 陶玉貴， 陳素芹. 采用無線技術的供電系統設計[J]. 西昌學院學報（自然科學版）， 2012（4）： 47. CPP

（責任編輯：董鳳霞）