一种胶体电荷测定装置的改进

刘道恒 闫宁 柴欣生

摘 要：介绍了目前应用广泛的胶体电荷测定仪，针对其测量样品池提出一种改进方式。该装置在基于流动电流测量原理的前提下，引进数字数据蓝牙传输和无线供电的新技术。通过改变微弱流动电流的处理方式与信号传输模式，使流动电流信号在测量过程中减少损失，从而保证胶体电荷测量更加准确和方便。

关键词：流动电流；胶体电荷；蓝牙传输；无线供电

中图分类号：TS736+.2

文献标识码：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

在造纸湿部悬浮液中存在着大量的静电荷，这些电荷来源于纤维和细小纤维的表面、填料和颜料的表面电荷等[1-4]，它们直接关系到纸机的正常运行以及产品质量。因此，这些电荷的测量和控制，是湿部化学过程控制的关键因素[5]。目前，浆料湿部的控制参数主要是基于测量体系中胶体电荷特性，国外已研发出一系列的测量仪器[6-9]，如Zeta电位仪、流动电流测定仪（SCD）和颗粒电荷测定仪（PCD）等。

鉴于胶体电荷的测量与分析对于研究造纸湿部化学的重要性，胶体电荷测定仪已在造纸湿部中确定阴、阳离子需求量测量、化学品加入量的优化与控制等发挥着重要作用[10]。目前市售的胶体电荷特性测定仪都是基于流动电流技术开发的，其共同特点是利用活塞往复运动，在样品池中产生流动电流，通过一对稀有金属电极将微弱的流动电流引出，然后进行放大处理[11-12]。这类仪器的主要缺点有：测量样品池在检测过程因电极触点与电极探针之间经常与水接触而易受污染，必须做经常性的维护（即测量池的拆卸、触点表面的清洁）；裸露在样品池外面的电极触点的氧化层使接触电阻增大，对微弱的流动电流信号造成衰减，进而影响测量精度；现有的仪器不具备无线传输功能，使测试数据共享的方便性、灵活性受到限制。

本课题对现有的胶体电荷测定仪进行了几方面的改进：①采用封闭式设计，使整个测量筒没有任何外露的触点；②改进胶体电荷测量样品池的安装方式，以方便测量池清洗与更换；③利用数据采集的蓝牙传输和无线供电技术[13-14]，增强数据传输的可靠性和操作的方便性。

1 流动电流式测量及胶体电荷测定原理

1.1 流动式电流测量

通常情况下，溶液中的胶体物质表面均带有电荷，胶体颗粒周围由相反极性的电荷所包围，这些包围胶体粒子的大分子物质或其他粒子，在剪切力场的作用下可以发生相对移动，产生流动电流。

流动电流如果为零则表示体系内所有的电荷均被中和，即系统处于等电点状态。当体系处于电荷不平衡状态时，通过剪切力场则能测量出其流动电流，微弱的流动电流经过电路处理，能直观地反映出体系中所带电荷的极性及电势。

1.2 胶体电荷测定仪

目前，市场上有多种胶体电荷测定仪，其中BTG公司的颗粒电荷测定仪（PCD）、德国AFG公司的粒子电荷分析仪（CAS）使用广泛。其测量原理都是利用样品池中的活塞上下运动带动液体流动，液体中粒子表面的电子云受到剪切力的作用脱离胶体，从而产生流动电流。样品池两根电极测量出的流动电流，经过多级放大处理后显示其电压值及电荷极性。结合精密的滴定装置，滴入相反极性的阴离子或阳离子标准液，当滴定到终点零电势时，计算消耗标准液的体积来检测颗粒表面电荷密度，主要用于造纸、水处理等行业。图1和图2分别为两种胶体电荷测定仪的外形。

2 测量样品池装置

2.1 样品池的结构

上述两种胶体电荷测定仪样品池的结构大致相同。选用优质的聚四氟乙烯棒料为基材，加工成一个圆柱体测量筒。其内部盲孔的加工精度要求比较高，要保证与往复运动的活塞有一定的配合尺寸，同时要保证内壁有比较高的光洁度。两根电极嵌入到内部盲孔中，其中一端裸露在测量筒的外部，测量时用于与主机进行通信。图3为测量筒的内部结构示意图。

樣品池是流动电流产生的装置，电极接触电阻直接影响测量结果的准确性。更换测量样品时，需要把整个测量筒卸下清洗，加载样品后必须把附着在电极的水擦干，保证触点与主机连接可靠。每次测量都要经过细致的操作步骤，否则测试结果相差很远。

2.2 样品池的改进

为了减小测量过程中外部因素对电荷测定的影响，对测量样品池进行改进。样品池还是选用聚四氟乙烯材料，其上部的盲孔与颗粒电荷测定仪的完全一样。在底部加工一个隔离的腔体，用于放置无线供电模块、A/D数据放大模块和数据蓝牙传输模块。两根电极嵌入到测量筒的里面，另一端不裸露在外部，从里面通过引线与放大电路连接。图4为改进后样品池的内部结构示意图。

因为测量样品池在制作完成后，是一个带放大电路和无线传输功能的整体，所以样品池的制作过程比较讲究。两根电极的安装，必须进行良好的密封处理，防止在测量过程中液体渗透到电路部分。安装电路的腔体在完成后需要灌环氧树脂密封胶，保证其在测量过程的防水性与稳定性。最后，电路腔体的底部通过一个盖板封堵，这样整个测量样品池制作完毕。

2.3 信号处理的改进

在样品池中，活塞运动产生的电流信号非常微弱。要想直观地反映被测液体的电荷特性，需要经过多种信号处理电路来实现。

颗粒电荷测定仪对流动电流的处理，将测量筒的两根电极产生的流动电流，经过多级信号放大、信号采样保持等电路来实现。改进后的测量样品池，将信号放大器、A/D转换器、数据蓝牙传输模块和无线供电模块集成到测量筒内，其信号的处理方式与颗粒电荷测定仪的完全不一样。图5和图6分别为两种信号处理方式示意图。

3 测试数据与分析

3.1 测试步骤

对胶体电荷的测量，必须严格遵循规范的操作步骤，否则测试结果相差很远。首先，要彻底清洗样品池的内壁和活塞，可借助软头的刷子清洗，然后用去离子水冲洗干净。将待测样品注入样品池中，标准的样品体积为10 mL，在注入样品池后，上部电极必须被样品所浸没。插入活塞后，安装到测量主机中运行仪器，此时，屏幕会显示测量的流动电势值。当电位值相对稳定后，启动滴定装置进行电荷滴定，当滴定到终点电位（即0电位）时，仪器会自动停机，屏幕显示消耗滴定液的体积（mL）。

3.2 颗粒电荷的计算

（1）胶体电荷总量的测量

用已知电荷密度的带有相反极性的聚电解质溶液作为滴定液，用电荷测量装置作为系统电荷的指示，对待测样品进行滴定，当系统滴定到等电点时（0 mV），样品的电荷密度（浓度）计算见公式（1）。

3.3 测试结果对比

为了对比改进后测量仪器与传统测量仪器，选用0.001 mol/L的阴离子标准液PesNa（聚乙烯硫酸钠）为待测样品，选用0.001 mol/L的阳离子标准液PolyDadmac（二烯丙基二甲基氯化铵）为滴定液。测试结果见表1。

由表1可知，测量过程中，传统仪器的流动电势值变化很大，这与电极触点受外界因素的影响较大有关系，而改进后测量装置的流动电势值相对稳定。

4 结 语

改进胶体电荷测定装置样品池的结构，是一种新的胶体电荷测定方式的尝试。实验证明完全能达到预期的效果，即：流动电势测量的稳定性更好，实验结果具有很好的重现性。

参 考 文 献

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（责任编辑：董凤霞）