TW201100813A - Determining the zeta potential at inside surface of tube via the streaming potential in annular flow - Google Patents

Description

201100813 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於一種電位量測方法，特別是關於一種圓管 内表面電位量測方法及量測系統。 【先前技術】 材料表面與溶液接觸時之電性，對其工程應財有決定 〇 性的影響’目前有關材料電性量測，多以平板材質為主，但在 實際應用上’管狀構造(tubular stmcture)已廣泛使用於業界(如 陶磁管膜）。對於微管，藉由流體流職管時兩端之流線電位 值即可決定表面界達電位，但對於大於毛細管徑之圓管，除非 管子甚長㈣於職流動下於不易有義之流線電位 可量測到’對於有限長度之此類管，目前並無方法可有效決定 其内壁表面電位。有鑑於此，有必要發展新的電位量測方法及 ❹ 制祕以量刪管物_喊面電位，提供該類物體於工 織用時内壁面電性的資訊，以作為材料製備、改質或操作條 件選定等的參考依據。 【發明内容】 蓉於上述之發明背景中’為了符合產業上之要求，本發 明提供一種新的圓管内表面電位量測方法及量測系統。 本發月之目的在於藉由同軸圓管(肪如p㈣設計以 4 201100813 量測圓管魄面電位，其巾參考®柱體之表面界達電位為已知 或預先測定(如參考圓柱體為玻璃材質，以玻璃毛細管内之流 線電位量測即可決定其表面電位），量測時將參考圓柱體置入 圓管中，以壓力迫使流體於兩管間隙内流動，量測該間隙進出 口兩端點之流線電位，並配合流線電位與兩壁面界達電位之關 係式’即可決定圓管内表面電位，此方法操作簡便，系統安裝 容易。據此，本發明能符合經濟上的效益與產業上的利用性。 Ο 根據以上所述之目的，本發明揭示了一種圓管内表面電 位量測方法’首先提供一具有第一半徑之圓管與一具有第二半 徑之參考圓柱體，其中，第一半徑大於第二半徑，圓管與參考 圓柱體之間具有間隙並形成一流動空間，且圓管的軸心與參考 圓柱體的軸心重合。其次，導入一溶液於上述之流動空間中， 接著藉由一壓力差ΔΡ執行一加壓程序使上述之溶液於流動 空間中流動’且溶液之流動方向係平行於參考圓柱體之軸線方 〇 向。最後’執行一測量程序以量測流動空間之溶液入口處與溶 液出口處兩端點之流線電位差5，其中，上述之測量程序包含 下列方程式以計算圓管内表面之界達電位: ~ == ’其中’ D代表電容率’ 代表參考圓柱體表面之界達電位， V代表溶液黏度，々代表溶液電導度，厂代表修正因子。 5 201100813 【實施方式] 去及装此聰相方向為—細管内表面電位量測方 法及其朗。為了能_地_1 ，】方 7盡的步其料。_地，本㈣軌; :之技藝者所熟習的特殊細節。另-方面，眾所周知： 縣财咖科，《奴造縣㈣秘要之^成

G 〇 卿會詳，細除了触詳細描述 敍地贿雜㈣實 的範圍不_,其以之後的__。本發月 參考第—騎示，本㈣之第—實_聽—種圓管内 表面電位量測方法，首先提供—具有第,R1之8^與 -具有第二+彳心之參考圓柱體2G， π之間具有間隙並形成-流動_3G，其中，第—考jfR體 大於第二半徑R2，且圓管1G的軸心與參考體2G的軸心 1 重口其次’導入-溶液於上述之流動空間％中，接著藉由 壓力差ΔΡ執行-加壓程序使上述溶液於流動空間邓中流 動’且溶液之流射向解行於參考體2()之軸線方向， 兩壁面上電雙層⑽電荷將賴體移動而產生流線電位 (streaming P〇tential)。最後’執行―測量程糾麵流動空間 30之溶液入口處與溶液出口處兩端點之流線電位差⑼職㈣ potential difference)! ’其中，上述之測量程序包含下列方程式 以計算圓管内表面之界達電位（zetap〇tential) 6 201100813

E ΔΡ ，其中，D代表電容率[permittivity，〜 常數（dielectric constant)、為真空下介電常數(di— c福ant in vacuum) =8.85χ，C2JV1]，^代表參考圓柱 體表面之界達電位，〃代表絲減，（代表溶液電導度，F 代表修正因子。

+ Ce/ ^為相對介電 於本實施例中，上述之參考圓柱體2〇表面平滑，以避免 溶液異常擾動’影響量測結果。再者，上述之溶液的電導度與 酸驗值可以預先菫測’或是藉由上述^_測量程序以量測溶液之 電導度與酸驗值。 於本實施例中，上述之修正因子F的一般式如下： F- (ί±· ζη (手)+ 1 1 +

A.[b.K,{Xb)-KxW\y href ^χ^±12όΜη6_4.[/ι(Λ)_6./ι(/1ό)] Cm 1ηδ·(1-62\ ~ — ~: ^ref hW-K,{X)-K0{Xb)-I0{X) 尤〇(乂)十·尤。⑽） _ζτ£_ I0(Ab)-K0(X)-K0(Ab)-I0

κ (reciprocal Debye length)可視 為電雙層厚度之倒數’/〇與/】為第一類之零階與一階之修正貝 索函數（zero-order and first order modified Bessel function of first kind)，：^及Ka分別為第二類之零階與一階修正貝索函數 (modified Bessel function of second kind )。 201100813 參考第二騎示，本發明之第二實關揭露—種圓管内 表電位量測系統，其包含一進料模組、一測量模組、至少一 貞;則器與一汁算模組。上述之測量模組包含一圓管與一參 考^域’ 81管辭鼓於齡考B1輔的半徑，储之軸心 中參考圓柱體之表面界達電位為已知，量測模組接 收進料模组之溶液’使溶液流過參考圓柱體與圓管之間的間隙 後排出溶液至出料模組中，形成量測通路，量測模組藉由此 〇 量測通路產生一電位差訊號。 上述之量測模組更包含一組用以量測參考圓柱體進出口 端之流線電位偵測器，兩偵侧器執行偵測並產生一電位差訊 號。 於本實施例中，上述之壓力偵測器係用以量測進料入口端 與出口端的溶液壓力差以產生一壓力差訊號。其次，上述之計 算模組包含下列方程式以計算圓管内表面之界達電位（zeta 〇 potential) :

D U.+CrA 1 2 J ，其中，D代表電容率’ 代表該參考圓柱體表面之界達電 位，//代表溶液黏度’々代表溶液電導度’ F代表修正因子（其 一般式與第一實施例相同）。上述之計算模組藉由參考圓柱體 表面已知之界達電位及分別接收之電位差訊號與壓力差訊號 8 201100813 以計算圓管内表面之界達電位。此外，圓管内表面電位量測系 統更可以包含-用以偵測溶液電導度之電導度偵測器和用 以偵測溶液酸鹼值之酸鹼值偵測器。 於本實施财，上述之參相鋪為實心緻密圓柱體， 以防止溶液於其内部中流動，影響量測結果，同時，該 柱體之表面平滑’以避免溶液異常擾動，影響量測結果。 Ο 〇 、綜合以上所述，本發明揭示了—麵管内表面電位量測 方法，瓦先提供-具有第一半徑之圓管與一具有第二半經之 考圓柱體，其中，第一半徑大於第二半徑，圓管與參考圓柱體 之間具有間隙並形成-流動空間，且圓管的軸心與參考圓 的軸^重σ其_人’導人_溶液於上述之流動空間中，接著 由一壓力差ΔΡ執行一加壓程序使上述之溶液於流動空間中 流動，且溶液之流動方向係平行於參考_體之軸線方向 執行程序以量猶動郎之溶狀口處與溶 處兩端點之流線電位差互’其中，上述之測量程序包含下列方 程式以叶算圓管内表面之界達電位^ : 其中，D代表電容率，“代表參考圓柱體内表面之界達電 位1代表溶液黏度，硪表溶液電導度，F代表修正因子。 顯然地’依照上面實施例巾的描述，本發财能有許多 的修正與差異。因此需要在其附加的權利要求項之範圍内加以 9 201100813 理解除了上述詳細的描述外，本發明還可以廣泛地在其他的 實施例中施行。上述僅為本發日月之較佳實施例而已，並非用以 限疋本發狀帽專概圍；凡其它未脫縣㈣所揭示之精 #下所7〇成的等效改變或修飾，均應包含在下述中請專利範圍 【圖式簡單說明】 第一圖係根據本發明之第一實施例中，圓管、參考圓柱 體與流動空間之相對關係示意圖；以及 第二圖係根據本發明之第二實施例中，一種圓管内表面 電位量測系統之示意圖。 【主要元件符號說明】 10圓管 2〇參考圓柱體 30流動空間

Claims (1)

1. 201100813 七、申請專利範圍： 1.一種圓管内表面電位量測方法，該圓管内表面電位量測方法包 含： 提供一具有第一半徑之圓管與一具有第二半徑之參考圓 柱體，其中，該第一半徑大於該第二半徑，該圓管與該參考圓

   柱體之間具有間隙並形成一流動空間，且該圓管的軸心與該參 考圓柱體的軸心重合； 導入一溶液於該流動空間中；藉由一壓力差ΔΡ執行一加 壓程序使該溶液於該流動空間中流動，且該溶液之流動方向係 平行於該參考圓柱體之軸線方向；與 執行一測量程序以罝測該流動空間之溶液入口處與溶液 出口處兩端點之流線電位差(streamingp〇tentialdifference)互，其 中，該測量程序包含下列方程式以計算該圓管内表面之界達電 位（zeta potential) L : —== ^ 2 ，其中’ D代表電容率，I：㈣代表該參考圓柱體表面之界達電 位，以代表溶液黏度，A代表溶液電導度，尸代表修正因子。 2. 如申請專利範圍帛！項之圓管内表面電位量測方法，其中上述之 圓管包含内徑大於毫米級之圓管。 3. 如申請專利範_ i項之圓管内表面電位量測方法，其中上述之 11 201100813 參考圓柱體表面平滑。 4·如申請專利範圍第1項之圓管内表面電位量測方法，其中上述之 測量程序更包含量測該溶液之電導度灸。 5. 如申睛專利範圍第1項之圓管内表面電位量測方法，其中上述之 測量程序更包含量測該溶液之酸鹼值。 6. 如申請專利範圍第1項之圓管内表面電位量測方法，其中上述之 修正因子F的一般式如下： O f=^1 _ 4 · [/.g) - & · i.im ΚΛλ)_Ζ^·κ°(ΛΙή __ (ik) + 1 l + I^ \nb-(l-b2) A. (1 _ 62). (1 + ^ I0(Ab) · KM - K0(Xb) · Ι0(λ) Cref A-[b-K,{Xb)-K,(X)-\ Α·(1-ή2).(1 + ^-) ζref

   - W) _br£__ /〇(Λδ)·Κ0(Λ)-Κ0(Λδ)·Ι0(λ)

   ，κ (reciprocal Debye length)可視為

   電雙層厚度之倒數，與A為第一類之零階與一階之修正貝索 函數（zero-order and first order modified Bessel fimction of flrst kind) ’ K〇及Ka分別為第二類之零階與一階修正貝索函數 (modified Bessel fimction of second kind ) 〇 7. —種圓管内表面電位量測系統，該圓管内表面電位量測系統包 含： 一進料模組： 一測量模組，該測量模組包含一圓管與一參考圓柱體，該 12 201100813 圓管的半控大於該參考圓柱體的半徑，兩者之轴心重合，其中， 該參考陳體之表㈣達電位為已知電位，該量賴組接收該 進料模組之洛液，使該溶液流過該參考圓柱體與該圓管之間的 間隙後，排出該溶液至-出料模組中，形成一量測通路，該量 . 測模域由該量騎路產生-驗差訊號； 、至少—壓力偵測器，用以量測該圓管之入口端與出口端的 /合液壓力差以產生一壓力差訊號；與一計算模組，該計算模組 〇 ㈣下列方程式以計算ϋ管内表面之界達電位（zetapGtential) ζ m ：

   ，其中代表電料’ q代表該參考圓_表面之界達電 位1代表溶液黏度，Α代表溶液電導度，F代表修正因子，該 計算模組藉由已知之參考縣面之界達電位。並分雌 收電位差訊號與該壓力差訊號以計算該圓管内表面之界達電位 泛m。 8.如申請專利範圍第7項之圓管内表面電位量測系統，其中上述之 圓官包含内徑大於毫米級之圓管。 電位量測系統’其中上述參 9.如申請專利範圍第7項之圓管内表面 考圓柱體之表面平滑。 電位量測系統，其中上述 10.如申請專利範圍第7項之圓管内表面 參考圓柱體為實心緻密圓柱體。 201100813 11.如申請專利範圍第7項之圓管内表面電位量測系統，其中上述 之該第一偵測器與該第二偵測器係於該量測通路中偵測並產生 該電位差訊號。 12.如申請專利範圍第7項之圓管内表面電位量測系統，其中上述 之修正因子F的一般式如下： F = _?_+ Cref xb2-\-2b2-\nb 4-[IiU)-b.IlUh)] 夺)+ 1 1 + 笋 InMH2) ^ “f ζη/

   ^-(1-62).(1 + ^-) Qref _href λ= Rb ，κ (reciprocal Debye length)可視為電 雙層厚度之倒數，/fl與/!為第一類之零階與一階之修正貝索函 數(zero-order and first order modified Bessel fimction of flrst

   kind)，K◦及Ki分別為第二類之零階與一階修正貝索函數 (modified Bessel function of second kind )。