JP2014510201A - リサイクルパルプを含むリサイクル工程及び紙又はちり紙製造工程中のマクロ粘性物をモニタリングする方法 - Google Patents

Abstract

製紙プロセスにおいてリサイクル材料を使用する際の課題は、一般に粘性物として知られる、接着性を有する疎水性有機物質の存在である。疎水性の凝集物は、最終的な紙製品のスポット若しくは欠陥、又は製紙装置上の堆積につながり、低い実行可能性及びダウンタイムにつながる可能性がある。マイクロ粘性物のためのモニタリング及び制御技術が存在する。しかしながら、リサイクルパルプ処理の流れの中のマクロ粘性物のサイズ（直径１００マイクロメートルより大きい）、及び含有量を素早く決定する技術に対する必要性が存在する。本発明は、水性の媒体中のマクロ粘性物、及び／又は任意の可視疎水性粒子のリアルタイムの分析を行う、装置及び方法である。本発明を使用して、完成紙料の質をモニタリングすることができ、処理性能をモニタリング及び制御することができる。技術は、粘着性粒子を識別及び計数し、並びにそれらのサイズを測定する、蛍光画像分析に基づく。

Description

本発明は、流れているパルプスラリーの可視疎水性粒子（「マクロ粘性物」）の濃度、及びサイズを測定する方法に関する。より具体的には、本発明は、流れているパルプの流れにおける、リアルタイムのマクロ粘性物の分析を行う、装置及び方法に関する。方法は、蛍光画像分析を使用して、マクロ粘性物を識別及び計数し、並びにサイズを測定する。

可視疎水性粒子、特に水性の媒体中の可視疎水性粒子の特性評価は、パルプ及び紙産業の特定の用途において、特にリサイクル繊維を取扱う場合、重要な一般的課題である。粘性物（stickies）及び粘着物（tackies）の堆積、並びに疎水性材料の大きい凝集物の形成は、リサイクル繊維を使用する紙及びちり紙の製造における大きな障害である。紙の等級にとって、これら非極性の、粘着性の混入物は、特にリパルピングの間に放出されると、製紙完成紙料の好ましくない成分、及び工場設備、例えば紙又はちり紙機械のワイヤ上の厄介な堆積物のいずれにもなる可能性がある。

粘性物及び粘着物は、正確な定義を有しない有機材料である。粘性物及び粘着物は、紙／ちり紙機械の覆い、シリンダー、又はロールに堆積する、パルプ及びプロセス水系に含まれる粘着性の材料である。粘性物又は粘着物（白色ピッチとして知られる）を構成している合成材料としては、接着剤及び被覆バインダー、例えばスチレンブタジエンゴム、エチレンビニルアセテート、ポリビニルアセテート、ポリビニルアクリレート、ポリビニルブチラール、ポリブタジエン等、及び印刷用インクの構成成分、例えばワックス、アルキド樹脂、ポリオールアクリレート等が挙げられる。バージンパルプ中に通常存在する天然木ピッチは、脂肪酸、脂肪エステル、及びロジン酸から成る。天然木ピッチは、粘性物より極性であるが、一般に、疎水性添加物の種類にも属し、混入物のモニタリングに関する特性において類似する。

パルプ及び紙産業において使われる、最も一般的な粘性物の分類系は、サイズに基づいて、粘性物を３つの種類、すなわちマクロ、マイクロ、及びコロイドに分類する。マクロ粘性物は、リパルピングの間の、リサイクル材料の第一の粉砕から生じる粒子であると考えられる。分類の目的上、マクロ粘性物は典型的に、０．１ｍｍより大きい粒子サイズを有する。マクロ粘性物は、粗い及び細かいスクリーニングによって、大部分を除去することができる。

マクロ粘性物は、０．１０〜０．１５ｍｍのスロット幅を有する研究室のスクリーニングの後に、スクリーニング残留物として残る粘性物でもある。これらの材料の主要な源は、ホットメルト接着剤及び感圧性接着剤である。マクロ粘性物としては、接着剤及び被覆バインダー、例えばスチレンブタジエンゴム、エチレンビニルアセテート、ポリビニルアセテート、ポリビニルアクリレート、ポリビニルブチラール、ポリブタジエン、及び／又は印刷用インクの構成成分、例えばワックス、アルキド樹脂、ポリオールアクリレート、及び他の同様の材料が挙げられる。現在実施されているマクロ粘性物の定量化方法は面倒であり、連続的なモニタリング技術は存在しない。

マイクロ（０．１〜０．００１ｍｍ）粘性物、及びコロイド（０．００１ｍｍ未満）粘性物は、スクリーニングスロットを通過することができるものである。スクリーンを通過するマイクロ粘性物は、後で凝集して紙／ちり紙機械の堆積物につながる可能性があり、又は新しく形成した第二のマクロ粘性物として製品内に入る可能性がある。

このサイズに基づく区別は任意であり、異なるモニタリング方法に対して厳格に適用することはできない。したがって、本方法のサイズの限定は、マクロ粘性物を定義するサイズの限定と同一ではなく、当業者であれば、方法を、マクロ粘性物をモニタリングするための一つであると認識する。実際、パルプ及び紙の用途において、測定した粘性物のサイズは、デジタル顕微鏡カメラを含むことがある撮像システムを通して粒子が検出可能であり、周囲の媒体から光学的に区別されるならば、０．１ｍｍ未満であることができる。コロイド粘性物はこの定義に合わないが、マクロ粘性物の０．０５〜０．１０ｍｍの画分は実際にこの定義に合う。サイズの限定は一般に、使用する撮像システムの能力、及び撮影画像のノイズに対するシグナルの比によって定まり、ノイズは電子的なもの、及び周囲の媒体からの背景である可能性がある。

Ｎａｌｃｏは、水晶微量天秤（ＱＣＭ）に基づくマイクロ粘性物をモニタリングするための特許技術を開発した（例えば、Ｄｕｇｇｉｒａｌａ ＆ Ｓｈｅｖｃｈｅｎｋｏ、米国特許出願公開第２００６／０２８１１９１号明細書；Ｓｃｈｅｖｃｈｅｎｋｏ他、米国特許第７,８４２,１６５号明細書を参照）。マクロ粘性物がパルプスラリーの流れの中でＱＣＭ面に粘着することは期待できないため、ＱＣＭに基づく技術は、マクロ粘性物ではなくマイクロ粘性物のモニタリングに適している。

分子内電荷遷移状態から発光する蛍光色素分子は、媒体の極性に影響されることが知られている。不均一系、例えば水中の不溶性の有機液体の懸濁液の場合、色素分子の蛍光（波長及び強度のいずれも）は同様に、極性に影響を受ける。これらの色素は、色素の光学特性に類似の影響を及ぼす疎水性粒子又は液滴に、直接結合することができる。これらの特性に基づいて、非共有結合的にタンパク質複合体と結合する色素に基づくタンパク質の染みを視覚化する方法を開発した。これらの技術は、電気泳動方法にも併用されている。

Ｐｅｒｆｅｃｔ等（ＷＩＰＯ特許出願公開番号、国際出願第２０１０００７３９０号明細書）は、特に廃水処理の分野における水中の油をモニタリングする、多相（水／有機物）流体組成物を評価する方法を記載している。Ｐｅｒｆｅｃｔらは、方法を実施するために用いる好ましい分子として、ナイルレッド（Nile Red）を特定した。ナイルレッドは、水相と接触するよりも、有機相と接触するとより強いシグナルを放出し、波長の変動が著しいため、多相サンプルの有機相の評価に理想的である。ナイルレッドは、強い光化学的安定性、強い蛍光放射ピークを有し、比較的低コストである。Ｐｅｒｆｅｃｔらは更に、方法は、画像分析に基づいて、多相サンプルにおける有機相又は水相のいずれの液滴のサイズ分布を決定するためにも用いることができることを開示している。Ｐｅｒｆｅｃｔらは、ラインでの（at-line）、及びオンラインでの（on-line）用途を更に予想している。

Ｇｅｒｌｉ等（米国特許出願公開第２００９／０２６０７６７号明細書）は、製紙プロセスにおける一種類以上の疎水性混入物のモニタリング及び制御方法を記載している。方法は、蛍光を発することができ、疎水性混入物と相互作用することができる色素を用いた測定を利用する。Ｇｅｒｌｉ等は、マクロ粘性物の測定、又はオンラインのモニタリングを可能にしていない。Ｇｅｒｌｉ等は、濾過した材料の試料における、概略的なマイクロ粘性物のバルクの特性評価を提供している。

堺（特開２００７／３３２４６７号公報）は、粒子の定量化のための、脱インキパルプスラリー内の粒子の顕微鏡画像処理を提案した。しかしながら、堺の記載したプロセスは、色素の注入を用いた連続的なモニタリングに関するものではない。

したがって、マクロ粘性物をモニタリングするためのオンラインの方法に相当する、補完的なマイクロ粘性物の測定技術が求められている。そのような測定方法は、製紙業者／再生業者が、現在使用できるものより、より劣った品質の完成紙料、及び更にリサイクルしたパルプを使用することを可能にする。望ましくは、プロセス効率を最大化するために、２つの測定方法は、連続的な、オンラインのプロセス調整を可能にする。

本発明は、水性のパルプスラリーにおける変数をモニタリングする方法を目的とする。水性のスラリーは混入物を含む。方法は、水性のスラリーの流れを提供する工程；水性のパルプスラリーに光を照射する工程；水性のパルプスラリーに疎水性色素を添加する工程であって、添加は、疎水性色素に混入物との相互作用を生じ、相互作用は、蛍光放射に変化を生ずる条件で行う、工程；蛍光放射の変化の画像を撮る工程；画像を変更して、疎水性色素と混入物の少なくとも一つの混入物との相互作用によって生じる蛍光放射の変化を分離する工程；及び、変更した画像に基づいて水性のパルプスラリーの変数を測定する工程を含む。

本発明はまた、水性のパルプスラリーの変数をモニタリングする装置を目的としており、水性のパルプスラリーは混入物を含む。装置は、ミキサーを備える容器、温度制御装置、サンプルセル、水性パルプスラリー循環装置、光源、撮像装置、及び処理装置を含む。温度調節装置は使用可能な状態で装置に取り付けられており、水性のパルプスラリーの温度を制御する。容器は、水性のパルプスラリーがサンプルセルを通って循環するように、使用可能な状態で、サンプルセル及び水性パルプスラリー循環装置に取り付けられている。光源は、スラリーがサンプルセルを通過するとき水性のパルプスラリーに光を供給するように、使用可能な状態で配置されている。撮像装置は、使用可能な状態で配置されており、蛍光放射の変化の画像を撮る。水性のパルプスラリーを使用可能な状態で容器内へとリサイクルするように、サンプルセルが備えられている。

方法は全て、好ましくは、水性の媒体中のマクロ粘性物の特性評価のために使用される。これら及び他の本発明の特徴及び効果は、添付の特許請求の範囲とともに、以下の詳細な記載から明らかである。

本発明の有益な点、及び有利な点は、以下の詳細な記載及び添付の図面を見れば、当業者にとってより容易に明らかとなる。
図１Ａは、本発明の第一の実施形態の斜視図である。 図１Ｂは、多相の流れの中のマクロ粘性物の粒子サイズを決定するために用いるいくつかの工程のフローチャートである。 図１Ｃは、本発明の第二の実施形態の斜視図である。 図１Ｄは、本発明の第三の実施形態の斜視図である。 図１Ｅは、本発明の第四の実施態様の斜視図である。 図１Ｆは、流線型本体を含む、本発明の第五の実施形態の斜視図である。 図１Ｇもまた、流線型本体を含む、本発明の第五の実施形態の側面図である。 図２は、疎水性バッチ分析装置の実施形態の概略図である。

本発明は様々な形態で実施することが可能であるが、本開示は本発明の実例と見なされ、説明される特定の実施形態に本発明を制限する意図ではないという理解の下、図面中に示し、及び以下の現在好ましい実施形態に記載する。

本明細書のこの節の標題、すなわち「発明を実施するための形態」は、米国特許庁の要求に関するものであって、本明細書に開示する発明主題を限定することを意味するものでなく、推定されるべきものでもないことを更に理解すべきである。

《定義》
本特許出願の目的において、以下の用語は、以下に定める定義を有する。

「水性のパルプスラリー」は、いくらかのレベルのパルプを含んでもよく、含まなくてもよい、任意の水性の媒体を意味する。

「水性パルプスラリー循環装置」は、導管を通して水性のパルプスラリーを循環する装置を意味する。典型的な水性パルプスラリー循環装置はポンプである。

「撮る」は、画像を記録することを意味する。

「濃度」は、全体当たりの、全体の部分集合の任意の測定を意味する。本出願に関して、濃度は、全体の体積当たりの部分集合の質量、全体の体積当たりの部分集合の体積、全体の質量当たりの部分集合の量、全体の体積当たりの部分集合の量、全体の量当たりの部分集合の量等として、測定してもよい。本特許出願の目的において、粒子の計数は、一種の濃度測定である。

「混入物」は、水性のスラリーの中に見られる、パルプでなく、水でなく、又は水性のスラリーに意図的に加えた材料ではない任意の有機材料を意味する。典型的な混入物は、粘性物、ピッチ、及び同様のものである。

「デジタル顕微鏡カメラ」は、デジタル保存形式で顕微鏡画像を撮ることができるカメラを意味する。

「流過セル」は、流体、スラリー、又はこれらと同種のものが装置を通って流れることができ、装置を通して流れを外側から観察できる、少なくとも一つの不透明でない空間を有する装置を意味する。

「流体」としては、任意の均一な又は不均一な水性の媒体、特にパルプ及び紙産業において使用する液体、例えば製紙プロセスからの水性の製紙用懸濁液（例えばパルピング段階における繊維を含む流体）、薄いストック、濃いストック、製紙プロセス（例えば製紙機械又はパルピング段階の様々な位置）から引き出される水性の懸濁液、ユーレボックス（Uhle box）、押圧脱水部分、及び／又は当業者が疎水性混入物をモニタリングすることを必要とする製紙プロセスの任意の部分における水性の流体が挙げられる。本特許出願の目的において、スラリーは流体である。

「疎水性色素」は、上記に定義した混入物と相互作用したとき、蛍光放射を放出することができる任意の色素を意味する。

「マクロ混入物」は、典型的にパルプ及び紙産業において使われるように、０．１０ｍｍ以上の粒子サイズを有する任意の混入物を意味する。可視疎水性粒子は一種のマクロ混入物の例であるが、マクロ混入物の唯一の種類でなくてもよい。

「非マクロ混入物」は、マクロ混入物でない任意の混入物を意味する。

「製紙プロセス」は、水性のセルロースの製紙完成紙料を形成すること、完成紙料を脱水してシートを形成すること、及びシートを乾燥させることを含む、パルプから任意の種類の紙製品（例えば、紙、ちり紙、ボール紙等）を作る方法を意味する。製紙完成紙料を形成し、脱水し、及び乾燥する工程は、当業者に一般に知られている任意の態様において実施してもよい。製紙プロセスは、パルピング段階（例えば、木質の原料又はリサイクル繊維からパルプを作ること）、及び漂白段階（例えば、明るさを改善するためのパルプの化学的処理）を含んでもよい。完成紙料は、充填材、及び／又は他の混入物を含む可能性がある。

「温度制御装置」は、温度を制御することができるように、手動又は自動のいずれかの、加熱、冷却、又は加熱及び冷却を提供する、任意の装置又は装置の組合せを意味する。

「変数」は、測定可能又は定量化可能な値を意味する。限定されないが、本発明の文脈において典型的に測定される変数の例としては、粒度分布、濃度、粒子計数、添加剤の効果などが挙げられる。

「可視混入物」は、顕微鏡又は顕微鏡カメラによって検出可能な任意の混入物を意味する。可視混入物は、マクロ混入物の一形態である。

本発明は、水性のスラリー、特にリサイクルした完成紙料を含む水性のパルプスラリーの中の、可視混入物、及び特にマクロ混入物を評価するための、オンラインの方法を目的とする。これらの混入物は、大きく２つのカテゴリー、すなわち親水性汚れ粒子、及び疎水性粘性物に分けることができる。硬い疎水性粒子、例えばプラスチックの断片も、そのようなスラリー中に存在する可能性があるが、これらの粒子は典型的に、製紙プロセスのパルプ調製段階において除去される。方法は、希釈されたパルプスラリーの流れの中の、上記の混入物を定量化することができる。具体的には、中間サイズの粘性物、及びマクロ粘性物を、オンラインで選択し、特性評価することができる。好ましい実施形態において、方法は、蛍光色素を用いたパルプスラリーの処理を含む。これらの粒子の濃度及びサイズ分布の両方は、疎水性依存性な蛍光色素の注入、光学励起及び撮像、並びに画像分析の組合せを通して、評価することができる。更に、可視汚れ粒子は、従来の光学手段を使用して特性評価することができる。したがって、リサイクルパルプのマクロ混入物の全体像は、工場における、ポンプ駆動、閉ループ、バッチ構成、又は連続的側流装置の形で実現することができる、同様の光学的流過構成を用いて得ることができる。

この特性評価は、いかなる濾過又はサンプル調製もすることなく、完成紙料が存在する実際のパルプの流れにおいて行うことができることが重要である。さらに、パルプは、その表面に堆積した疎水性マイクロ粒子のレベルについて、同じ実験で特徴付けることができる。要するに、方法は、工場におけるスクリーニングの効率、供給される完成紙料の質、及びパルプの疎水性被覆の程度を特徴づけることができる。

本発明の第一の側面として、典型的に製紙工場において見られる化学組成物を含む水と、繊維性パルプと、親水性及び疎水性粒子の混合物とから成る多相流体中の可視粘性物を検出するための方法、及び装置を記載する。蛍光による可視疎水性粒子の検出は、少なくとも４つの工程を必要とする。

第一に、蛍光色素を、一定の濃度、混合速度、時間、及びサンプル温度で、多相の流れに添加する。閉ループ系において、色素を、パルプスラリーのバルクを含み、ミキサーを備える容器に添加する。ループを通してパルプを循環させ、滞留時間を実験的に決定（測定値が安定するまで）し、測定を繰り返し行って誤差範囲を評価する。側流の流過システムにおいて、混合は、静的ミキサー、又はコイル状のホース、及び充分な滞留時間を潜在的に含む装置によって提供する。滞留時間、濃度、及びサンプル温度の制御は、疎水性粒子の表面への蛍光色素の吸収速度に影響を及ぼし、それによって測定時間に影響を及ぼす。

第二に、励起光源は、表面上に吸収された蛍光色素を有する疎水性粒子を照らす。

第三に、撮像装置を用いて、励起源からの光子を吸収したフルオロフォアのエネルギー遷移過程から生じる、疎水性粒子から放出される蛍光を測定する。

第四に、画像処理アルゴリズムを用いて疎水性粒子を背景から区別し、粒子のサイズを決定する。流れる系における一連の画像を収集及び処理することによって、マクロ粘性物の数及び粒度分布を決定する。異なる工程に関する詳細を更に記載する。

マクロ粘性物のサイズ及び分布を検出及び測定する装置を、図１Ａで説明する。装置は、光学的アクセス窓１０３を有する流過セル１０２、及び撮像装置１０１から成る。繊維性材料１０４、及び疎水性又は親水性のいずれかであることができる粒子１０５から構成される多相流体は、光学的アクセス窓１０３を過ぎて、セルを通って流れる。疎水性色素（ナイルレッド）の励起波長で作動している光源１００は、光学的アクセス窓１０３に向けられている。疎水性粒子の検出は、撮像装置１０１を用いて蛍光放射１０６をモニタリングすることによって行う。放射された光は励起源と比較してより低いエネルギー（より長い波長）であり、したがって疎水性粒子は、ナローバンド又はバンドパスフィルタを用いて、励起源波長及び放射波長から区別することができる。

使用する励起源１００は、パルス化したもの、又は連続的なものとすることができる。使用することができる光源の例としては、特定の波長源、例えばＬＥＤ、レーザー（ダイオード、Ｎｄ：ＹＡＧ、Ａｒ―イオン等）、又は任意の白色光源（ＬＥＤ、白熱、アークランプ等）と、適切な励起波長を達成する光学フィルタとの組合せが挙げられる。好ましい方法は、光源を平行にして、撮っている領域を均一に照らすことである。僅かに０度超〜垂直の範囲の入射角（θ）を有する、複数又は単一の光源を使用することができる。図１Ａに示した構成について、励起光の検出及び位置は、光学的アクセス窓１０３と同じ側に作られている。この構成においては、媒体を通る光の伝播長が最小化されるので、多相流体中の散乱及び減衰からの励起光の損失が最小化される。励起光を導入するための代替の配置を、図１Ｃ及び１Ｄに示す。

撮像装置１０１の好ましい実施形態は、レンズとフィルタ組立体との組合せを有する、アレイ検出カメラである。蛍光を検出する程度に、短い露出時間で量子効率（又は低ルクス）が十分に高いという条件で、カメラ検出器はＣＭＯＳ又はＣＣＤ型であることができる。歪むこと又はぼやけることなく、流れている媒体中の粒子の弱い蛍光を検出するために、高い量子効率と、短い露出時間との組合せが求められる。標準的な商業的に入手可能なＣＣＤカメラについての典型的な量子効率は、本出願の蛍光を検出する程度に十分高い。更に、典型的なＣＣＤカメラは、画像の歪み又はぼやけの低減を助けるグローバルシャッターを使用している。

ＣＭＯＳカメラを用いることもできるが、これらのカメラは典型的により低い量子効率を有し、及びローリングシャッター技術を使用しているため、カメラの選択に更に注意が必要である。特殊な高ゲインＣＭＯＳ、又は画像強化ＣＭＯＳカメラを用いることができるが、これらの装置は典型的により高価である。レンズフィルタの組合せについて、レンズの選択は、所望する倍率に依存し、使用するフィルタは、蛍光放射の波長に依存する。

疎水性粒子の識別及びサイズの決定において使用する画像処理工程を、図１Ｂに示すフローチャートで概説する。画像処理は、画像を撮り、カメラと一体化した又はカメラに組み込まれたコンピュータ又は処理装置を用いて画像を処理することによって、リアルタイムに行うことができる。代替として、画像は、あとで後処理するために、記憶媒体（例えば、磁気テープ、ハードドライブ等）を使用して、収集することができる。

図１Ｂのフローチャートは、処理工程及びサンプル画像を掲げ、それぞれの処理工程の影響を説明する。第一の工程において、分析のための生画像を撮影する。示したサンプル画像は、図１Ａにおいて説明したものと類似の構成を用いた、工場を流れるサンプルの、研究所での測定からのものである。この例では、疎水性粒子は、画像における輝点によって明確に識別される。しかしながら、生画像は、灰色にみえる背景の全体像とともに、繊維性材料に伴う、より小さな粒子を示す。背景の修正を適用することによって、この場合、べき変換を適用することによって、暗領域の明るさ及びコントラストを減少させつつ、明領域のコントラストを増加させる。サンプル画像に示すように、変換は、大部分の背景の放射特徴に伴う灰色の背景を本質的に除去する。代替的な背景の修正方法としては、疎水性混入物によって生じる蛍光の変化を有しない収集した画像を減算すること、又は以前の画像の平均を減算することが挙げられる。画像の平均化について、蛍光を発している疎水性混入物を含む平均から画像を識別して除去するアルゴリズムを有する、移動平均を用いることができる。粒子の識別は、次の工程において、閾値限界を用いて画像を２値に変換し、更に画像の弱い放射特徴を除去することにより行う。この例においては、画像に示すように、いくつかの残留した小さな粒子が、固定した閾値設定についての２値画像内に残っている。サイズパラメータ（例えば指定したサイズより小さい粒子）に基づく更なるフィルタリングは、残留した小さな粒子の画像を除去して、単一の粒子を有するきれいな２値画像にする。最終工程において、粒子は、ピクセル数に換算して報告されるそれらの特性、例えば粒子面積、水力半径、Ｗａｄｄｅｌディスク直径、位置、鉛直高さ、水平長さ等に関する測定によって、特性評価する。ピクセル値から物理単位（例えば、１ピクセル当たりのｍｍ）に変換することは、当業者によって、公知の水準を用いて、カメラを調整することによって行われる。一つのフレームの分析結果を保存し、次の撮影画像についてプロセスを繰り返す。分析結果をｎ個の画像について集めることによって、異なる粒子の特性である度数分布及び記述統計を展開することができる。粒子特性（例えば、平均粒子サイズ）を履歴的にトレンディングして、流体の特性、並びに操作上のプロセス及び化学的処理の変化の影響を追跡することができる。

本発明の第二の側面は、カメラの組合せを使用して、蛍光体色素で覆われた疎水性粒子からの蛍光と、多相流体を通る透過度特性との両方をモニタリングし、親水性粒子、繊維、及び凝集物を識別する。デュアルカメラシステムの説明を、疎水性粒子の蛍光をモニタリングするカメラ１０１、及び多相流体を通る全体の透過特性をモニタリングするカメラ１０２を備える図１Ｅに示す。照明及び励起源は流体に向かって通り、放射光を透過させ及び励起光を反射させる二色性要素１１１を用いて分割する。カメラ１１０は、流体中の繊維、浮塊、及び粒子の密度によって減衰する励起光をモニタリングする。カメラ１０１及び１１０からの画像を、同時に収集及び処理することによって、親水性粒子と疎水性粒子とを、並びに表面に吸収された疎水性材料を有する繊維と、有しない繊維とを、識別することができる。疎水性粒子の検出のための反射と、繊維及び粒子の全体のモニタリングのための流体を通る透過とを使用する組合せは、代替の配置である。この場合も、二色性要素１１１は、やはりフィルタ及び反射要素として用いられる。図１Ｅに示した構成の変形は、デュアルカメラと共に、ビームスプリッタープリズム（図示せず）を使用することを含む。異なる流体特性の同時モニタリングは、本技術分野において周知の適切なフィルタを用いて行うことができる。加えて、複数のカメラシステムを用いて、流体中の異なる光学的深さでモニタリングすることもできる。

本発明の第三の側面は、図１Ｆ及び１Ｇに示すように、流線型本体２００を用いて測定領域の多相流体を濃縮する方法である。流線型本体２００を流れに入れることによって、測定ゾーンに近い領域が減り、これによって固体材料を撮像システムの焦点面の近くへと濃縮する。流線型本体２００の形状は、流れのレイノルズ数が乱流遷移レベル未満（Ｒｅ_Ｄ＜４０００）のままであるという条件で、流体が本体周辺に接近して流れる際に、なめらかな移行を提供する。流線型本体の使用は、撮像システムの焦点面を通って流れる粒子の数を増加させることによって、検出を強化する。加えて、この設計は、流過セルを通る圧力損失を最小化し、及び詰まりの危険性を減らす。

本発明の第四の側面は、Ｓｃｈｅｖｃｈｅｎｋｏら（米国特許出願公開第２００９／００５６８９７号明細書）、及びその一部継続出願（２０１０年１０月１９日に出願された米国特許出願第１２／９０７，４７８号明細書）によって記載されているものに類似する半疎水性透明材料で被覆された光学窓上で、粘着性粒子（マイクロ及びマクロ）を撮ることに基づいており、両出願は引用によって本明細書に取り入れられる。しかしながら、被覆した基材に付着している粘着性粒子の蓄積を検出するために水晶微量天秤を使用する代わりに、本方法は、経時的に蛍光の変化をモニタリングすることに基づく。構成は図１Ａと類似であるが、光学的アクセス窓１０３は疎水性材料で被覆されている。窓に付着している粒子は、励起源１００を使用して、蛍光によって検出される。この場合、流動力学は測定から除去され、撮像の要求（露出時間、量子効率、撮影速度等）を減らす。表面上への粒子の蓄積の数に伴って、強度又は覆われた領域は、経時的に変化する。このデータの経時的な傾向は、被覆した窓上への粘性物の蓄積速度を示す。蓄積速度の変化は、化学的添加剤、完成紙料組成物の影響及び濃度、又はプロセス操作上の変化に関連する可能性がある。

最後に、図１Ａ、１Ｃ、１Ｄ、及び１Ｅに示す全ての構成は、流線型本体２００と共に使用することができる。光がカメラの反対側に（図１Ｄ及び１Ｅに示すセルの底部を通って）伝播する場合、流線型本体２００は光学的に透明とすることができる。適切に設計すれば、光学的に透明な流線型本体は、セルの底部を通って導入される光のラインを平行にするよう機能することができる。

本発明の一実施形態は、水性の媒体、例えば水性のパルプスラリー、及び特に水性のリサイクルしたパルプスラリーの中の、少なくとも一つのマクロ混入物のサイズ、又はマクロ混入物の濃度をモニタリングする方法である。水性の媒体は、マクロ及びマイクロの両方の混入物を含む。方法は、水性のパルプスラリーの流れを提供する工程；水性のパルプスラリーの流れに疎水性色素を注入する工程であって、注入は、疎水性色素が混入物と相互作用し、相互作用が蛍光放射に変化を引き起こすように行う、工程；蛍光放射の変化の画像を撮る工程であって、画像は背景を有する、工程；画像の背景を修正する工程；非マクロ混入物によって生じた蛍光放射における撮った変化を、画像からフィルタリングする工程；及び、フィルタリングで除かれなかった、蛍光放射における撮った変化を使用して、少なくとも一つのマクロ混入物の粒子サイズ、又はマクロ混入物の濃度を定量化する工程を含む。方法は、流過セル、光源、及び少なくとも一つのデジタル顕微鏡カメラを含む装置を用いて行う。背景の修正は、疎水性色素とマクロ混入物との相互作用によって生じた蛍光放射における撮った変化を強化しつつ、非マクロ混入物及び疎水性層で覆われた繊維の蛍光放射における撮った変化を弱める。繊維からの放射は、可視／マクロ疎水性混入物からの放射ほど強くない。

他の実施形態において、本発明は、添加剤の効果を測定する方法である。添加剤を水性のスラリーに加え、製紙プロセスにおけるマクロ混入物の堆積を減少させる。水性のスラリーは、マクロ及びマイクロの両方の混入物を含む。方法は、水性のスラリーの流れを提供する工程；水性のスラリーの流れに疎水性色素を注入する工程であって、注入は、疎水性色素が混入物と相互作用して、相互作用が蛍光放射に第一の変化を引き起こすように行う、工程；蛍光放射の第一の変化の画像を撮る工程であって、画像は背景を有する、工程；画像の背景を修正する工程；画像から、非マクロ混入物によって生じた蛍光放射における撮った第一の変化をフィルタリングする工程；添加物を水性のスラリーに加える工程；注入、撮影、修正、及びフィルタリング工程を繰り返して、フィルタリングで除かれなかった、蛍光放射における撮った第二の変化を作る工程；及び、フィルタリングで除かれなかった、蛍光放射における撮った第二の変化と、フィルタリングで除かれなかった蛍光放射における撮った第一の変化とを比較する工程を含む。方法は、流過セル、光源、及び少なくとも一つのデジタル顕微鏡カメラを含む装置を用いて行う。背景の修正は、疎水性色素とマクロ混入物との相互作用によって生じた蛍光放射における撮った変化を強化しつつ、非マクロ混入物の蛍光放射における撮った変化を弱める。

更に他の実施形態において、本発明は、水性のスラリー中の非可視（コロイドの）マイクロ粘性物の濃度を低下させるマイクロ粘性物の定着剤添加物の効果を測定する方法である。定着剤添加物は、繊維の表面に均一に付着する。その結果、疎水的に被覆された繊維の蛍光が増加する。この増加を用いて、定着剤の影響を定量化することができる。典型的に、繊維の蛍光は、撮影画像からの背景としてフィルタリングされる。この実施形態においては、被覆された繊維の蛍光が測定され、撮った画像から可視及びコロイド混入物に対応する蛍光をフィルタリングするように、フィルタリングを設定する。

添加物を水性のスラリーに加えて、製紙プロセスにおける疎水性マクロ混入物の堆積を減少させる。水性のスラリーは、疎水性混入物（マクロ及びマイクロの両方）を典型的に含む。方法は、水性のスラリーの流れを提供する工程；水性のスラリーの流れに疎水性色素を注入する工程であって、注入は、疎水性色素が混入物と相互作用して、相互作用が蛍光放射に変化を引き起すように行う、工程；蛍光放射の変化の画像を撮る工程であって、画像は背景を有する、工程；画像の背景を修正する工程；マクロ及びマイクロの浮動性混入物によって生じた蛍光放射における撮った変化を、画像からフィルタリングする工程；及び、フィルタリングで除かれなかった、繊維によって生じた蛍光放射における撮った変化を使用して、添加物の効果を決定する工程を含む。決定する工程は、繊維によって生じた蛍光放射における測定した変化を平均値と比較することによって、又は当業者が利用できる任意の他の手段によって行ってもよい。方法は、流過セル、光源、及び少なくとも一つのデジタル顕微鏡カメラを含む装置を用いて行う。背景の修正は、疎水性色素及び繊維の表面上の疎水性層の相互作用によって生じた蛍光放射における撮った変化を強化しつつ、浮動性混入物の蛍光放射における撮った変化を弱める。

製紙装置上への混入物の堆積を防止しようとする試みで、化学物質を水性のスラリーに加えてもよい。添加物の効果は、マクロ混入物の濃度が増加したか、減少したか、変化しないままであるか、選択した範囲内であるか、又は混入物の粒子サイズがより大きくなったか、より小さくなったか、若しくは同じままであるかを決定することによって、本発明によって測定することができる。定着剤添加物を含むことがある添加物の、ある特定の種類の効果もまた、より多くの混入物が繊維上に定着した際に増加する疎水的に被覆された繊維の蛍光における変化に基づいて、測定することができる。そのような測定は、ある添加剤の効果と他の１つ（若しくはいくつか）とを比較することを可能にし、又は測定は、水性のパルプスラリーへの添加剤の量若しくは濃度の最適化を可能にすることができる。類似の算出又は比較は、パルプ源、プロセス変数、又は当業者が合うと認める任意の場所について行うことができる。

光源は、好ましい実施形態であるＬＥＤの形態をとってもよい。

疎水性色素は、ソルバトクロミズム（solvatochromatic）色素、例えばフェノキサゾン色素、カルボシアニン、ピリジニウムベタイン色素、ポリスルホン化ピレン、ローダミン、フルオレセイン、又はこれらの化学物質の一つ以上の組合せのいくつかを含む化学物質でもよい。疎水性色素の特に好ましい実施形態は、ナイルレッドを含む。

疎水性色素は、水中に混和できる有機溶媒、例えばメタノール、エタノール、プロパノール、イソプロパノール、ブタノール、又はこれらの溶媒の一つ以上の組合せのいくつかの中に、溶解していてもよい。

図２において疎水性バッチ分析システムの実施形態を説明する。分析を行うために、パルプスラリー３０４を、容器３０２内に保持する。加熱要素３０３を、サンプルの加熱のために容器３０２の周りに巻き、温度を維持する。ミキサー３０１を用いて、確実にパルプを水性の溶液中に均一に分布させ、並びにスラリーと添加した色素溶液との間に迅速な混合を提供する。説明するように、ミキサーの流れ（パルプスラリー及び色素）は、前述のように、ポンプ３０６を使用して、容器３０２を出て管３０５を通り、ポンプで送られ、サンプルセル１０２を通ることにより、反時計回りに循環する。流れるスラリーの分析は、前述のように、撮像装置及び励起源から成る撮像システム３００を使用して行う。サンプルセルの後、スラリーは容器３０２に戻る。

一実施形態において、変数は粒度分布である。

一実施形態において、変数は濃度である。

一実施形態において、変数は、粒子計数である。

一実施形態において、変数は、添加物の効果である。

水性のスラリーの流れは、製紙プロセスの処理段階から提供することができる。そのような段階は、リパルピング段階、脱インキ段階、水ループ段階、ウェットエンドストック調製段階、製紙段階、又はちり紙製造段階でもよい。当業者はこれらの段階、及び各々に対応する単位操作を容易に識別する。流れがポンプで補助される閉ループ循環系、又は工場における側流の配置のいずれからも、水性のスラリーの流れを提供することができる。

図２で説明したような流過セル及び光学撮像システムを使用するポータブルバッチ分析器を、閉ループ循環系における連続的なパルプの流れで試験した。分析器は、４００ｒｐｍ、１．２ｇｐｍの流速で混合するバケットミキサー、必要に応じてパルプ予熱器を含んでおり、加熱した外部のブランケット及び熱電対によって温度を維持した。光学系は卓上機器として用いることができ、又は連続的なオンラインのモニタリングのために再構成することができる。これらの例に関して、卓上の構成を使用した。第一の源から新しいパルプをサンプリングした。リサイクル繊維から新しいパルプを作り、次に水で１：４に希釈し、１５Ｌにした。イソプロパノール中に０．１質量％の色素溶液３０ｍＬであるナイルレッド色素を、混合しながら希釈したスラリーに加えて、直ちに記録を開始した（表ＩＩに記載する実験を除く）。得られたデータを電子的に保存した。以下の表Ｉに掲げる適切なカメラ及び画像処理設定を使用して、蛍光粘性物を、パルプ繊維と干渉することなく、希釈したパルプの流れの中に検出することができた。予想されたように繊維からの蛍光が存在したが、粒子からの放射より非常に弱いものであった。毎回の試験が１１分かかることを考慮して、表ＩＶ〜ＶＩに記載した実験についての試験の途中でタイミングを設定した。

比較できるデータを得るために、データにそれぞれのパルプの希釈比及び濃度を考慮することが必要である。下表において、濃度調整数／１００として示す濃度について調整した粒子数は、２つのパルプの間で比較できる値を表す。値は、粒子数を希釈率（２０％）で割り、次いで濃度で割ることによって算出した。次に「濃度調節数」を任意的に１００で割り、それらの値を下表に報告する。

第一の実験について、粘性物の含有量の低いパルプを用いた。パルプは、１．６８％の濃度を有した。この実験では、導入期を越えて完全な飽和状態を提供するように色素を加えたので、データは４５分後に開始して７回収集した。データは、粒子の数及び粒度分布の両方において良好な再現性を示した。表ＩＩは、第一の実験の結果を説明する。

第二の実験について、より混入したパルプを同様に特性評価した。パルプは、４．１５％の濃度を有した。この実験では、色素を加えた直後に、データを連続的に収集した。この試験は動画を提供し、完全に飽和する前の導入期の長さを実証した（室温で４０分；４０℃の標準的なリパルピング条件に温度を調節することによって、完全に飽和するまでの時間は劇的に減った）。飽和を達成すると、データは、粒子の数及び粒度分布の両方において、良好な再現性を示した。表ＩＩＩは、第二の実験の結果を説明する。２つの実験の比較は、２つのサンプルについての整合したデータを実証し、色素の平衡前の導入期の例を与え、期待通りに２つのパルプの混入物を比較することができた。粘着物の含有量の比率は、予想された比率である約１：６．５に等しかった。

第三の実験において、発明者らは、試験温度を変化させ、その飽和時間への影響を評価した。選択した条件下、室温で、約１時間で安定な測定値（飽和）を達成した。温度を４０℃に上げると、この時間は約３０分まで短縮し、更に温度を（色素を加える瞬間に）５５℃に上げると、約１５分まで短縮した。

本明細書の本文中に具体的に引用するか否かを問わず、本明細書に引用した全ての特許は、本明細書に取り入れられる。

本開示において、単語「ａ」又は「ａｎ」は、単数形及び複数形を含むこととする。反対に、任意の複数形の項目の引用は、必要に応じて単数形を含む。

上記のことから、本発明の新規な概念の真の精神及び範囲を逸脱しない範囲で、多数の変更及び変形を実施できることがわかる。図示した特定の実施形態又は例に関して、いかなる限定も意図するものではなく、又は推定されるべきでないことを理解すべきである。本開示は、特許請求の範囲によって、すべてのそのような変更を、特許請求の範囲の技術的範囲に属するよう、含むことを意図する。

Claims (15)

1. 水性のパルプスラリーの変数をモニタリングする方法であって、前記水性のパルプスラリーは混入物を含んでおり、前記方法は、
   前記水性のパルプスラリーの流れを提供する工程；
   前記水性のパルプスラリー内に光を照射する工程；
   前記水性のパルプスラリーに疎水性色素を添加する工程であって、前記添加は、前記疎水性色素を前記混入物と相互作用させる条件において行い、前記疎水性色素と前記混入物との前記相互作用は、蛍光放射における変化を引き起こす、工程；
   蛍光放射における変化の画像を撮る工程；
   前記画像を変更して、前記疎水性色素と前記混入物の少なくとも一つの混入物との前記相互作用によって生じる前記蛍光放射における変化を分離する工程；及び、
   変更した前記画像に基づいて前記水性のパルプスラリーの変数を測定する工程を含む、方法。
2. 前記変数が、水性のパルプスラリー中の混入物の粒度分布である、請求項１に記載した方法。
3. 前記変数が、水性のパルプスラリー中の混入物の濃度である、請求項１に記載した方法。
4. 前記変数が、添加物の効果であって、前記添加物は水性のパルプスラリーに加えたものである、請求項１に記載した方法。
5. 前記疎水性色素が、フェノキサゾン色素、カルボシアニン、ピリジニウムベタイン色素、ポリスルホン化ピレン、ローダミン、フルオレセイン、及びこれらの組み合わせからなる群から選択される化学物質を含むソルバトクロミズム色素である、請求項１に記載した方法。
6. 前記疎水性色素がナイルレッドである、請求項１に記載した方法。
7. 前記疎水性色素が、水中に混和できる溶媒中に溶解した、請求項１に記載した方法。
8. 前記水性のパルプスラリーの流れが、リパルピング段階、脱インキ段階、水ループ段階、ウェットエンドストック調製段階、製紙段階、及びちり紙製造段階から成る群から選択した処理段階に由来する、請求項１に記載した方法。
9. 前記変更する工程が、画像の背景を修正することを含み、前記修正することは、疎水性色素と少なくとも一つの混入物との相互作用によって生じる蛍光放射における撮った変化を強化すること、及び疎水性色素と前記少なくとも一つの混入物以外のいずれかとの相互作用によって生じる蛍光放射における撮った変化を弱めることである、請求項１に記載した方法。
10. 前記変更する工程が、画像をフィルタリングすることを更に含み、前記フィルタリングは、弱められた撮った蛍光放射の変化を除去し、強化された撮った蛍光放射の変化を測定工程に進ませることを可能にする、請求項８に記載した方法。
11. 水性のパルプスラリーの変数をモニタリングする装置であって、前記水性のパルプスラリーは混入物、水性のパルプスラリーに加えた疎水性色素を含んでおり、前記装置は、
    ミキサーを備える容器；
    温度制御装置；
    サンプルセル；
    水性パルプスラリー循環装置；
    光源；
    撮像装置；及び、
    処理装置；
    を含んでおり、前記温度制御装置は前記水性のパルプスラリーの温度を使用可能な状態に制御し；
    前記容器は、使用可能な状態で前記サンプルセル及び前記水性パルプスラリー循環装置に取り付けられており、前記水性のパルプスラリーは前記サンプルセルを通って循環し；
    前記水性のパルプスラリーが前記サンプルセルを通過する際に、前記水性のパルプスラリー内に光を供給するよう、前記光源が使用可能な状態で配置されており；
    前記撮像装置は、蛍光放射の変化の画像を撮るよう、使用可能な状態で配置されており；
    前記処理装置は、蛍光放射の変化の撮影画像を受けて、前記撮影画像を処理し、変数を出力し；及び、
    前記水性のパルプスラリーを使用可能な状態で前記容器内へとリサイクルするよう、前記サンプルセルを備える、装置。
12. 前記変数が粒度分布である、請求項１２に記載した装置。
13. 前記変数が混入物の濃度である、請求項１２に記載した装置。
14. 前記変数が添加物の効果であって、前記添加物は前記水性のパルプスラリーに加えたものである、請求項１２に記載した装置。
15. 前記光源、前記撮像装置、及び前記処理装置が、３台未満の個別の装置のユニットである、請求項１２に記載の装置。

Images