用于确定工业过程中的表面活性剂浓度的方法和系统与流程

用于确定工业过程中的表面活性剂浓度的方法和系统


背景技术：

1.表面活性剂用于所有不同类型的工业过程。几乎所有的表面活性剂本质上都是有机的并且是两亲性的，包括疏水基团和亲水基团。表面活性剂的类型包括非离子表面活性剂、阴离子表面活性剂、阳离子表面活性剂和两性离子表面活性剂。表面活性剂也称为可降低表面张力的表面活性剂。当添加到液体中时，表面活性剂可以改善接触液体的其他组分的润湿性能。表面活性剂可以用作乳化剂、润湿剂、发泡剂等。
2.例如，在纸制品和薄纸制品的生产过程中，可以在过程的不同点将表面活性剂添加到流体中。例如，为了生产纸制品和薄纸制品，纸浆纤维通常与水组合并施加到成形表面以形成幅材。可以将表面活性剂添加到纤维的水性悬浮液中，以改善纤维的润湿特性和/或更好地将纤维均匀分散在含水悬浮液中。在一种特定类型的工艺中，将纸浆纤维悬浮在泡沫中，然后该泡沫用于形成幅材。在这种应用中，表面活性剂可以用作发泡剂以产生泡沫形成的幅材。
3.在利用表面活性剂的各种不同的工业过程中，希望以一定精度知道水溶液中的表面活性剂浓度。例如，在某些工业过程中，表面活性剂浓度应在所需范围内，以优化该过程。例如，在一些过程中可能需要一定的最低水平的表面活性剂以制备高质量的产品。在该过程的其他点，可能需要实施进行控制以确保表面活性剂水平低于所需水平，使得例如在该过程期间产生的废水可以排放到环境中。例如，为了确保符合环境管理标准，可能需要将表面活性剂水平保持在一定浓度以下。
4.过去，表面活性剂水平的测量是离线进行的。化学分析也花费几个小时或几天完成。能够测试表面活性剂水平的长期延迟限制了工业过程即时快速调节工艺条件的能力。此外，表面活性剂化学品可能相对昂贵。基于低效的测试方案，表面活性剂过量投配和浪费也是一个问题。
5.鉴于以上所述，目前需要一种能够准确且快速地确定水溶液中，特别是工业水流中的表面活性剂浓度水平的方法和系统。


技术实现要素：

6.一般来说，本公开涉及一种用于确定水溶液中表面活性剂浓度的方法和系统。水溶液可以是工业过程中流体流的一部分，诸如用于生产纸制品和/或吸收制品的过程。然而，本公开的方法和系统在所有领域和所有不同类型的工艺设计中具有广泛的适用性。可以快速确定表面活性剂浓度，然后在选择性增加或降低表面活性剂浓度的过程中进行改变或调节，以便保持表面活性剂浓度低于预定限值或在预定限值内。
7.例如，在一个实施方案中，本公开涉及一种用于确定流体中表面活性剂水平的方法。该方法包括从水溶液中收集流体样品。水溶液含有表面活性剂。例如，水溶液可以是工业过程中的流体流，所述工业过程诸如造纸、薄纸制造过程、用于制造其他非织造材料或基材的过程、或与制造吸收制品相关的过程，所述吸收制品诸如个人护理产品，包括尿布、女性护理产品、成人失禁产品等。然后从流体样品测量碳相关参数。例如，碳相关参数可以是
化学需氧量(cod)或总有机碳(toc)。根据本公开，然后通过将测得的碳相关参数与基于测得的碳相关参数来指示表面活性剂浓度的校准数据集进行比较来确定流体样品内的表面活性剂浓度。例如，校准数据集可以是基于参考数据构建的校准曲线。
8.基于所确定的表面活性剂浓度，本公开的方法还可以包括增加或降低水溶液中表面活性剂浓度以将表面活性剂浓度保持在预设限值内的步骤。例如，可以降低表面活性剂浓度以保持表面活性剂浓度低于预设限值。在一个替代实施方案中，可以选择性地增加或降低表面活性剂浓度，使得表面活性剂浓度保持在第一预设限值以上和第二预设限值以下。在一个实施方案中，控制器可以用于接收碳相关参数的测量值，并然后可计算或确定表面活性剂浓度。控制器还可以被构造成基于所确定的表面活性剂浓度值自动增加或降低水溶液中的表面活性剂浓度。例如，控制器可以被构造成增加或减少从表面活性剂供应器进入水溶液的表面活性剂的流速，或者可以被构造成增加或减少从水供应器进入水溶液的水流。
9.根据本公开，可以快速、有效和在线(例如自动取样和测量)确定表面活性剂浓度。例如，在一个方面，水溶液的表面活性剂浓度可以约每12小时，诸如约每6小时，诸如约每4小时，诸如约每2小时，诸如约每小时进行测量。表面活性剂浓度的快速测定允许对该过程进行快速和瞬时调节，以将表面活性剂水平保持在预设限值内。
10.一般来说，根据本公开可以监测任何合适的表面活性剂。例如，表面活性剂可以是非离子表面活性剂、阴离子表面活性剂、阳离子表面活性剂或两性离子表面活性剂。可以根据本公开监测的特定表面活性剂的实例包括十二烷基硫酸钠、月桂基硫酸铵、脂肪酸胺、氧化胺、脂肪酸季化合物或月桂基硫酸盐。在一个方面，水溶液中所含的表面活性剂是烷基多糖苷。
11.本公开的方法和系统特别适用于监测造纸或薄纸制造过程中或与制造吸收制品如个人护理产品相关的过程中的表面活性剂浓度。例如，在一个实施方案中，可以将水溶液进料到流浆箱中以形成纤维的悬浮液，诸如纤维的泡沫悬浮液。该水溶液可以通过将来自水供应器的水与来自表面活性剂供应器的表面活性剂组合而形成。根据本公开，基于所确定的表面活性剂浓度，控制器可以用于选择性地增加或减少从表面活性剂供应器进料到水溶液中的表面活性剂的量，以将表面活性剂浓度保持在预设限值内。另选地，可以选择性地增加或减少来自水供应器的水流，以将表面活性剂浓度保持在预设限值内。
12.在另一方面，本公开的方法和系统可以用于确保表面活性剂浓度保持在一定限值以下，以便将水溶液排放到环境中或以其他方式再循环水流。在该实施方案中，水溶液可以首先通过分离装置进料，该分离装置在收集流体样品之前从水溶液中去除表面活性剂。例如，分离装置可以使用溶解臭氧浮选，可以是任何合适的过滤器如活性炭过滤器，并且/或者可以使用反渗透以从水溶液中去除表面活性剂。分离装置可以产生包含被取样的水溶液的贫表面活性剂流和富表面活性剂流。可以监测贫表面活性剂流中的表面活性剂浓度，并且如果表面活性剂水平保持在一定水平以下，则将其进料到流出物中。在另一方面，如果贫表面活性剂流中的表面活性剂水平高于预设极限，则可以将贫表面活性剂流进料返回至分离装置以降低水溶液中的表面活性剂浓度。
13.在将水溶液进料到分离装置之前，也可以过滤水溶液中的悬浮固体。例如，可以使用溶解空气浮选、悬浮空气浮选或任何合适的过滤器从水溶液中去除固体。
14.本公开还涉及一种用于测量水供应器中表面活性剂浓度的系统。该系统包括测量流体样品中化学需氧量或总有机碳的碳参数分析仪。碳参数分析仪被构造成接收来自工业流体流的流体样品。工业流体流包含含有表面活性剂的水溶液。该系统还包括与碳参数分析仪通信的控制器。控制器被构造成接收所测量的化学需氧量或总有机碳参数，并根据测量结果确定表面活性剂浓度。例如，表面活性剂浓度可以由可存储在控制器中的参考数据确定。控制器可以被进一步构造成通过控制工业过程中至少一种流体流的流动来选择性地增加或降低水溶液中的表面活性剂浓度。
15.在一个方面，碳参数分析仪可以使用高铁酸盐氧化来测量碳相关参数。在另一方面，碳参数分析仪可以包括荧光传感器或uv传感器。
16.本公开的其他特征和方面在下文更详细地讨论。
附图说明
17.在说明书的其余部分中并参考附图更具体地提出了本公开全面并使之能够实施的公开内容，在附图中：
18.图1是可包括本公开的系统的造纸系统的一个实施方案；
19.图2是根据本公开制造的表面活性剂测量系统的一个实施方案；
20.图3是可以根据本公开使用的校准曲线的一个实施方案；
21.图4是可以根据本公开使用的校准曲线的另一个实施方案；并且
22.图5是可以根据本公开使用的校准曲线的又另一个实施方案。
23.在本说明书和附图中对附图标记的反复使用旨在表示本发明的相同或类似的特征或元件。
具体实施方式
24.本领域的普通技术人员应理解，本论述只是对示例性实施方案的描述，并且无意限制本公开的更广泛的方面。
25.表面活性剂用于所有不同类型的生产过程中。通常，将表面活性剂与水供应器或其他水溶液组合以在生产产品中或在促进产品生产中提供益处。能够确定生产过程中的表面活性剂水平可以提供各种益处和优点。例如，在某些过程中，表面活性剂水平应保持在最低水平以上，以便优化该过程或以其他方式生产高质量的产品。然而，在其他情况下，需要将表面活性剂水平保持在一定水平以下，以确保符合监管标准，诸如污染物排放标准。此外，虽然表面活性剂在某些过程中是有益的，但表面活性剂可在同一生产设施的其他部分中引起问题。
26.本公开整体涉及一种用于快速且有效地确定水流中表面活性剂水平或浓度的方法和系统。例如，在一个方面，本公开的系统可以实时确定过程流体中的表面活性剂水平。除了快速确定水溶液中的表面活性剂浓度之外，本公开的方法和系统还涉及基于表面活性剂浓度测定，在该过程中进行调节和改变以增加或降低表面活性剂水平，使得表面活性剂浓度保持在预设限值内。例如，可以在开环系统或闭环系统中控制表面活性剂浓度。
27.表面活性剂化学品在工业过程中也是非常昂贵的组分。能够确定表面活性剂浓度还消除了化学品的浪费和过度使用。
28.根据本公开，间接确定水溶液，特别是过程流体中的表面活性剂水平。代替直接测量表面活性剂水平，本公开的方法和系统测量流体样品中的碳相关参数，该参数可以是表面活性剂浓度的模拟。例如，碳相关参数可以是化学需氧量(cod)或总有机碳(toc)。发现流体中的表面活性剂水平可以与cod和/或toc测量相关。cod和/或toc测量可以非常快速地进行，并且甚至可以在线进行。例如，可以通过与过程流体管线或罐的流体连通来自动收集并测试流体样品。
29.尽管本公开的方法和系统可以用于任何合适的过程或环境，但在一个方面，本公开的方法和系统可以用于控制任何合适过程中的表面活性剂水平，该过程包括含有固体(例如包括超吸收材料的颗粒)的悬浮液的水溶液。例如，该过程可以是造纸或薄纸制造过程或生产吸收制品的过程。仅出于示例性和说明性的目的，参考图1，示出了造纸或薄纸制造过程的一个实施方案。更具体地，图1中所示的过程是用于生产高松厚度薄纸产品如面巾纸、卫生纸、纸巾等的过程的局部视图。
30.在形成薄纸幅材时，将含有纤维素纤维的纤维配料与水组合，以形成纤维的含水悬浮液。然后将纤维的含水悬浮液沉积到成形表面上以形成幅材，然后将该幅材输送到下游，任选地进行进一步处理，并最终干燥并卷绕成卷。通常将一种或多种表面活性剂添加到纤维的含水悬浮液中，以提供各种益处和优点。例如，表面活性剂可以增加纤维的润湿性和/或产生更好和更均匀的纤维分散。
31.在一个实施方案中，表面活性剂可以用作形成泡沫的发泡剂。纤维包含在泡沫中，并然后沉积到成形表面上。因此，与液态水相反，载体是用于纤维的泡沫。泡沫可以包含大量的空气。在泡沫形成过程中，使用较少的水来形成幅材，并因此需要较少的能量来干燥幅材。
32.在泡沫形成过程中，表面活性剂或发泡剂通常以大于约0.001重量％，诸如大于约0.05重量％，诸如大于约2重量％的量，诸如以大于约5重量％的量，诸如以大于约10重量％的量，诸如以大于约15重量％的量与水组合。一种或多种发泡剂通常以少于约50重量％的量、例如少于约40重量％的量、例如少于约30重量％的量、例如少于约20重量％的量存在。在一个方面，表面活性剂浓度可以保持在低量，诸如0.001重量％至约1重量％。例如，在一个实施方案中，表面活性剂水平保持在约200ppm至2000ppm，诸如约300ppm至1000ppm。
33.一旦发泡剂和水组合，就将混合物共混或以其他方式经受能够形成泡沫的力。泡沫通常是指多孔基质，其是可以相互连接以形成通道或毛细管的中空单元或气泡的聚集体。
34.泡沫密度可根据具体应用和各种因素而变化，包括所用的纤维配料。在一个实施方案中，例如，泡沫的泡沫密度可以大于约200g/l，例如大于约250g/l，例如大于约300g/l。泡沫密度通常小于约600g/l，例如小于约500g/l，例如小于约400g/l，例如小于约350g/l。在一个实施方案中，例如，使用泡沫密度通常小于约350g/l、例如小于约340g/l、例如小于约330g/l的较低密度泡沫。泡沫的空气含量通常将大于约30％，例如大于约40％，例如大于约50％，例如大于约60％。空气含量通常小于约80体积％，例如小于约70体积％，例如小于约65体积％。
35.无论是泡沫形成过程还是湿法成网工艺过程，可以结合到该过程中的表面活性剂包括各种有机化合物。在一个实施方案中，使用非离子表面活性剂。例如，非离子表面活性
剂可以包括烷基多糖苷。例如，在一个方面，表面活性剂可以是c8烷基多糖苷、c10烷基多糖苷或c8和c10烷基多糖苷的混合物。其他表面活性剂可以包括十二烷基硫酸钠，诸如月桂基硫酸钠、月桂基聚氧乙烯醚硫酸钠、月桂基醚硫酸钠或月桂基硫酸铵。在其他实施方案中，表面活性剂可以包括任何合适的阳离子和/或两性表面活性剂。例如，其他表面活性剂包括脂肪酸胺、酰胺、氧化胺、脂肪酸季化合物等。
36.无论是泡沫形成过程还是湿法成网过程，将含有表面活性剂的水溶液与纤维素纤维组合以形成幅材。可以掺入到幅材中的纤维素纤维包括但不限于非木质纤维，诸如棉、马尼拉麻、洋麻、印度草、亚麻、茅草、秸秆、黄麻、甘蔗渣、马利筋绒纤维和菠萝叶纤维；以及木质或纸浆纤维，诸如从阔叶树和针叶树获得的那些，包括软木纤维，诸如北方和南方软木牛皮纸纤维；硬木纤维，诸如桉树、枫树、桦树和山杨。纸浆纤维可以高收率或低收率形式制备，并且可以任何已知方法(包括牛皮纸、亚硫酸盐、高收率制浆方法)和其他已知制浆方法进行制浆。也可以使用由有机溶剂制浆方法制备的纤维。
37.在一个方面，薄纸幅材可以仅由纤维素纤维制成。另选地，纤维素纤维可以与其他纤维组合，以增加强度或改善一种或多种性质。例如，幅材也可以包含任何合适的合成聚合物纤维或任何合适的再生纤维素纤维。可以掺入到幅材中的示例性聚合物纤维包括例如聚酯纤维、聚烯烃纤维如聚乙烯纤维和/或聚丙烯纤维，以及它们的混合物。聚合物纤维也可以是包括皮芯构型或并列构型的双组分纤维。
38.合成纤维素纤维类型包括所有品种的人造丝和其他来源于粘胶或化学改性纤维素的纤维。可以使用经化学处理的天然纤维素纤维，诸如丝光纸浆、化学硬化或交联的纤维、或磺化纤维。为了在使用造纸纤维时实现良好的机械性质，可能期望纤维相对不受破坏并且大部分未精制或仅轻微精制。虽然可以使用再生纤维，但原生纤维通常因其机械性质和不含污染物而可用。可以使用丝光纤维、再生纤维素纤维、由微生物产生的纤维素、人造丝以及其他纤维素材料或纤维素衍生物。在能够实现高松厚度和良好的压缩特性的某些实施方案中，纤维可具有至少200、更具体地讲至少300、更具体地讲至少400并且最具体地讲至少500的加拿大标准游离度。
39.除了纤维之外，幅材还可以包含各种其他不同的组分和化学品。例如，幅材还可以包含剥离剂、湿润剂和增塑剂，诸如低分子量聚乙二醇和多羟基化合物，诸如甘油和丙二醇。提供皮肤健康益处的材料诸如矿物油、芦荟提取物、维生素e、有机硅、一般乳液等也可以掺入成品中。
40.通常，本公开的产品可以与任何已知的材料和化学品结合使用，所述材料和化学品不与其预期用途对立。此类材料的实例包括但不限于气味控制剂，诸如气味吸收剂、活性炭纤维和颗粒、婴儿用爽身粉、小苏打、螯合剂、沸石、香料或其他气味掩盖剂、环糊精化合物、氧化剂等。也可以使用超吸收颗粒。附加选项包括阳离子染料、荧光增白剂、湿润剂、润肤剂等。
41.为了形成基础幅材，将水溶液与选定的纤维配料以及任何辅助剂组合。然后将纤维的悬浮液泵送到罐中，并从罐中进料到流浆箱中。图1和图2例如示出了根据本公开的用于形成幅材的过程的一个实施方案。
42.参考图1，如上所述的纤维的含水悬浮液在罐12中形成。如图1中所示，例如，罐12可以与用于将水进料到罐中的水供应器22和用于将表面活性剂进料到罐12中的表面活性
剂供应器24连通。将纤维配料进料到槽12中并与水和表面活性剂组合。在一个方面，形成主要为液体形式的纤维的含水悬浮液。另选地，可将通过混合表面活性剂和水形成的水溶液搅拌并形成为泡沫以形成纤维的泡沫悬浮液。在任一过程中使用一种或多种表面活性剂。
43.纤维悬浮液从流浆箱10排出到由辊28支撑和驱动的环形移动成形织物26上，以形成湿胚幅材12。如图1所示，成形板14可以定位在与流浆箱10相邻的幅材12下方。一旦在成形织物26上形成，所形成的幅材可以具有小于约50％，诸如小于约20％，诸如小于约10％，诸如小于约5％的稠度。实际上，成形稠度可以小于约2％，诸如小于约1.8％，诸如小于约1.5％。成形稠度通常大于约0.5％，诸如大于约0.8％。
44.一旦在成形织物26上形成湿幅材，就将纸幅向下游输送并脱水。例如，该方法可任选包括多个真空装置16，诸如真空箱和真空辊。真空箱有助于从新形成的幅材12中去除水分。
45.如图1所示，成形织物26也可以放置成与位于一对真空辊20上方的蒸汽箱18连通。蒸汽箱18例如可以显著增加干燥度并减少横向水分变化。从蒸汽箱18施加的蒸汽加热湿幅材12中的水分，使得幅材中的水更容易排出，尤其是在与真空辊20结合时。新形成的幅材12从成形织物26向下游传送并干燥。可以使用任何合适的干燥装置干燥该幅材。例如，幅材可以被通风干燥或放置在加热的干燥滚筒上并起皱或不起皱。例如，在图1中，成形幅材12与两个加热的干燥滚筒38和40接触。在一个实施方案中，在卷绕成卷之前，幅材可以从干燥滚筒38和40进料到通风干燥器。
46.本公开的方法可以产生具有良好松厚度特性的幅材。片材“松厚度”计算为以微米表示的干燥薄纸片材的厚度除以以克每平方米表示的干燥基重的商。所得片材松厚度以立方厘米每克表示。更具体地讲，厚度被测量为十个代表性片材的叠堆的总厚度并将叠堆的总厚度除以十，其中叠堆内的每个片材被放置为相同侧朝上。根据tappi测试方法t411 om-89“thickness(caliper)of paper,paperboard,and combined board”中针对叠堆片材的说明3，测量厚度。用于实施t411 om-89的测微计为得自emveco,inc.,newberg,oreg的emveco 200-a薄纸厚度测试仪。该测微计的负荷为2.00千帕斯卡(132克每平方英寸)，压脚面积为2500平方毫米，压脚直径为56.42毫米，停留时间为3秒，并且下降速率为0.8毫米每秒。
47.根据本公开制造的薄纸幅材可以用于所有不同类型的产品。例如，薄纸幅材可以用于生产卫生纸、面巾纸、纸巾、工业擦拭物、个人护理产品等。
48.根据本公开，图1中所示的方法和系统还包括用于确定进料到罐12中或罐12内的水溶液的表面活性剂浓度的分析仪和控制器。例如，如图1中所示，薄纸制造系统还包括碳参数分析仪50，其被构造成接收来自罐12或来自到罐12的流体供应管线的流体样品。根据本公开，碳参数分析仪50被构造成测量水溶液内的碳相关参数，该水溶液容纳在罐12中或者被进料到罐12中。例如，碳相关参数可以是化学需氧量(cod)、总有机碳(toc)等。然后，可以将所测量的碳参数与水溶液中包含的表面活性剂浓度相关联。还选择碳参数分析仪50，使得分析仪可以接收来自罐12的样品，并以相对快的速率测量碳参数。例如，在一个方面，碳参数分析仪50可以在小于约2小时，诸如小于约1小时，诸如小于约30分钟，诸如小于约20分钟，诸如小于约10分钟，诸如小于约5分钟，诸如小于约3分钟，诸如小于约2分钟的时间量内测量水溶液中的碳参数。
49.例如，在一个实施方案中，碳参数分析仪50可以使用氧化来测量cod或toc。这种仪器目前是可商购获得的，并且可以在小于约两分钟内测量碳参数。例如，在一个方面，碳参数分析仪50可以使用高铁酸盐氧化来测量流体样品中的cod和/或toc水平。当使用氧化方法时，toc和/或cod可以通过首先向流体样品中添加酸性试剂以将样品中的无机碳转化为气态二氧化碳来测量。通过用不含二氧化碳的载气如氮气喷射溶液来去除二氧化碳。可以测量释放的二氧化碳来确定总无机碳(tic)。然后向所得溶液中添加化学氧化剂以氧化样品中存在的有机碳。在一个方面，氧化剂包括高铁酸盐。任选地借助于紫外线辐射将有机碳转化为碳酸盐物质。然后产生二氧化碳，再次测量为toc。
50.例如，使用氧化测量的碳参数分析仪可从hach商购获得。美国专利号9,476,866和美国专利公开号2015/0108009中也描述了合适的分析仪，这两个专利均以引用的方式并入本文。
51.在一个替代实施方案中，碳参数分析仪50可以包括测量荧光强度以确定碳参数如cod、toc或者甚至生物需氧量(bod)的荧光传感器。在一个方面，碳参数分析仪50还可以包括温度传感器和与荧光传感器结合使用以确定碳参数的浊度传感器。使用荧光和/或紫外光来测量碳参数的商业上可获得的碳参数分析仪可以从r.s.hydro limited的分公司proteus商购获得。美国专利公开号2019/0242864中也公开了碳参数分析仪的一个实例，该专利以引用的方式并入本文。
52.如图1所示，碳参数分析仪50与控制器52通信。例如，控制器52可以是任何合适的可编程装置。例如，控制器52可以是一个微处理器或多个微处理器。在一个方面，控制器52可以是从碳参数分析仪50无线地或通过有线装置接收信息的计算机。
53.更具体地，控制器52被构造成从碳参数分析仪50接收所测量的碳参数数据。然后控制器52被构造成基于所测量的碳参数值来计算水溶液中的表面活性剂浓度，无论该值是cod、toc、两者的组合还是一些其他合适的碳参数。在一个方面，然后可将所测量的表面活性剂浓度传达给用户，以可能地对该过程进行调节。例如，基于所测量的表面活性剂浓度，可以调节表面活性剂供应器24、水供应器22或两者，以便选择性地增加或降低容纳在罐12内的水溶液中的表面活性剂浓度。
54.在一个方面，控制器52被构造成自动对系统进行调节。例如，控制器52可以与表面活性剂供应器24和/或水供应器22连通。例如，基于所确定的表面活性剂浓度，控制器52可以选择性地增加或减少表面活性剂进入过程的流速并且/或者选择性地增加或减少水进入过程的流速。
55.在一个特定实施方案中，控制器52可以用预设的表面活性剂浓度限值来编程。例如，控制器52可以存储第一预设限值和第二预设限值。然后可以将从碳参数分析仪50接收的一个或多个碳参数测量值得到的所确定的表面活性剂浓度与第一预设限值和第二预设限值进行比较，以确保表面活性剂浓度保持在期望的范围内。例如，控制器52可以被构造成自动地将所确定的表面活性剂浓度与预设限值进行比较，以确保表面活性剂浓度高于第一预设限值并且低于第二预设限值。如果所确定的表面活性剂浓度在由预设限值设定的范围之外，则控制器52可以通知用户以便进行调节，或者可以通过控制表面活性剂供应器和/或水供应器而在过程中自动进行调节。控制器52可以以开环方式或闭环方式对该过程进行调节。
56.通过图1中所示的过程，连续地监测该过程中的表面活性剂浓度，从而可以在该过程中进行即时调节，以确保表面活性剂浓度保持在严格限制的公差内。例如，碳参数分析仪50可以至少每12小时，诸如至少每6小时，诸如至少每4小时，诸如至少每小时进行与控制器52通信的测量。在一个方面，碳参数分析仪50可以被设计成每45分钟，诸如每30分钟，诸如每20分钟，诸如每10分钟，诸如甚至每5分钟进行碳参数测量。
57.根据测得的碳参数确定表面活性剂浓度可以使用各种方法和技术来完成。例如，在一个方面，表面活性剂浓度可以基于各种系统变量的输入从碳参数测量中进行数学估计。
58.在另一方面，将参考数据输入到控制器52中以确定表面活性剂浓度。例如，参考数据可以基于工艺条件通过实验获得。例如，可以以已知的表面活性剂浓度制备储备表面活性剂溶液。可以制备储备溶液以反映通过图1所示的过程进料的水溶液。基于图1所示的过程运行期间可能遇到的表面活性剂浓度的估计范围，储备溶液中的表面活性剂浓度可以变化。对于具有已知表面活性剂浓度的每种储备溶液，可以从溶液测量碳参数。例如，碳参数可以是cod、toc或两者。然后可以创建将表面活性剂浓度与测量的碳参数进行比较的校准曲线。在许多过程中，诸如图1中所示的过程，发现校准曲线基本上是线性的。在一些系统中发现碳参数和表面活性剂浓度之间的线性关系有助于选择性地增加或降低表面活性剂浓度的调节。换句话说，线性关系使得基于对进入系统的表面活性剂流和/或水流的调节来推断未来的表面活性剂浓度变得容易。
59.在图1中，本公开的表面活性剂控制系统被设计并用于在表面活性剂进料到生产产品的过程中时保持表面活性剂水平在预设限值内。然而，在其他应用中，本公开的表面活性剂控制系统可用于保持将表面活性剂水平在预设极限以下。例如，从图1所示的过程中排出的所有流体可以被收集并进料到可以从水溶液中去除表面活性剂的过程和/或监测排出溶液的表面活性剂浓度的过程中，并且如果低于一定水平，则可以作为废水排放到环境中或再循环到工厂内的一些其他过程中。例如，尽管一种或多种表面活性剂可以在图1所示的过程中提供许多优点和益处，但是在该过程的其他部分中，表面活性剂的浓度超过一定浓度可能是不希望的。在这点上，本公开还涉及用于将流出物或过程流中的表面活性剂浓度保持在一定水平以下的系统和方法。
60.参考图2，例如，示出了用于控制流出物流中表面活性剂浓度的系统和方法的一个实施方案。如图2中所示，过程流60代表被处理的初始流。例如，过程流60可以是含有表面活性剂的水溶液。过程流60例如可以是在工艺设备中产生的废物流或副产物流。例如，过程流60可以是通过收集从图1中所示的过程中收集的所有流体流出物而产生的料流。
61.如图2中所示，将过程流60任选地进料至固体去除装置62。如果过程流60包含悬浮固体，则可能需要固体去除装置62。例如，从图1所示的过程中收集的流体可能包含残余量的造纸纤维或其他颗粒材料。通常，固体去除装置62可以是能够去除悬浮固体的任何合适的装置，并且可以通过过滤、浮选、沉降及它们的组合来操作。
62.例如，在一个方面，固体去除装置可以使用溶解空气浮选。例如，溶解空气浮选澄清器通常将过程流体接收到大罐中，该大罐本质上可以是矩形或圆形的。过程流体以降低速度和均匀分布水溶液的方式引入。加压侧水流并将高压空气引入侧流。将高浓度的空气溶解到高压水流中。然后当高压水流进入溶解空气浮选澄清器时，将其引入过程流中。将高
压释放到大气压允许超饱和空气从溶液中出来，产生微泡。微泡附着在絮凝物颗粒上，这降低了絮凝物颗粒的有效密度，导致它们上升到过程流的顶部。然后可将在澄清器顶部形成的微泡/絮凝物垫从表面机械刮除，用于进一步的固体处理。当从水溶液中去除造纸纤维时，溶解空气浮选是特别有效的。
63.在一个替代实施方案中，分离装置64可以使用悬浮空气浮选来操作。悬浮空气浮选澄清器与溶解空气浮选澄清器类似地工作，但是形成在大气压下产生的带静电的微泡。悬浮空气浮选澄清器产生含有大于40％空气的泡沫。悬浮空气浮选澄清器内的气泡形成可提供优于溶解空气浮选的优点。特别地，悬浮空气浮选澄清器可以产生较小的气泡，这增加了可用于附着到悬浮固体的表面积。较小的气泡可产生表面张力优势，这改善了悬浮固体粘附到气泡的能力，并具有对气泡聚结的一般抗性，这增加了气泡尺寸，从而减小了气泡表面积。因此，在一些应用中，悬浮空气浮选澄清器可能具有增加的上升速率，从而导致占地面积变小。
64.在又一个实施方案中，固体去除装置62可以包括盘式过滤系统。盘式过滤器包括含有多个过滤舱的过滤滑道。每个舱含有盘式过滤器。盘式过滤器在每个舱中堆叠在一起，并且在处于过滤模式时可以用弹簧压缩以去除悬浮固体。当固体在过滤器中积聚时，随着固体被截留在过滤器的开放区域中，过滤器上的压差增加。在达到特定的压差之后或在一定时间之后，可以反冲洗盘式过滤器以清除截留的固体。在反冲洗过程中，来自弹簧的压力被释放，同时反向水流被切向地引入到圆盘。圆盘自由旋转，释放出固体。如果需要，某些舱可以在反冲洗模式下操作，而其他舱可以在过滤模式下操作。
65.在将过程流60进料到固体去除装置62之前，过程流在某些应用中可能需要预处理。例如，取决于水溶液中包含的表面活性剂的量，过程流60可以用消泡剂预处理并且可以进行ph处理。
66.如图2中所示，在固体去除装置62之后，将过程流60进料到分离装置64。分离装置64用于从过程流60中去除和分离表面活性剂。在一个方面，分离装置可以用于降解或分解表面活性剂，使得组分释放到环境中。另选地，可以从过程流60中去除表面活性剂。
67.在一个方面，例如，分离装置64可以使用溶解臭氧浮选。例如，溶解臭氧浮选将固体去除装置62与分离装置64组合，用于去除悬浮固体，并且还降解过程流60中所含的表面活性剂。
68.在溶解臭氧浮选过程中，固体漂浮到溶解臭氧浮选澄清器的顶部以进行去除。在该过程中，臭氧也与加压空气组合以形成气泡。臭氧为过程流60中的表面活性剂的氧化提供了机制。例如，在溶解臭氧浮选过程中，表面活性剂和其他碳基材料暴露于高浓度臭氧中，导致材料氧化。
69.在另一个实施方案中，分离装置64可以是任何合适的过滤装置，诸如使用颗粒活性炭的碳过滤器。颗粒活性炭是对有机化合物具有吸附性能的介质。介质由各种材料产生，包括煤、椰子壳、木材等。例如，可将过程流60引入颗粒活性炭过滤介质容器的顶部并向下流经该装置。颗粒活性炭用防止介质向反应容器下游迁移并允许反向向上流动以反冲洗积聚的固体的暗渠保持在适当位置。一旦颗粒活性炭介质耗尽，就取出材料并用新鲜介质替换。耗尽的介质可以再生。颗粒活性炭过滤器非常适合于从过程流，例如过程流60中去除表面活性剂。
70.在一个方面，分离装置64使用反渗透进行操作。反渗透装置利用部分渗透膜从水中去除离子和分子。通过在水被引入膜组件时对水施加高压来实现去除。例如，反渗透过程中使用的压力可以大于约200psi，诸如大于约500psi，诸如大于约800psi，诸如大于约1000psi，诸如大于约1200psi，并且通常小于约2000psi，诸如小于约1500psi。压力迫使过程流60通过膜。如图2所示，反渗透装置产生贫表面活性剂流66和富表面活性剂流68。
71.如图2所示，离开分离装置64的贫表面活性剂流66与碳参数分析仪50连通。例如，碳参数分析仪50可以周期性地从贫表面活性剂流66中取出流体样品，并分析样品的碳参数。碳参数分析仪50可以与控制器52通信。控制器52可以被构造成从碳参数分析器50接收测量数据。控制器52然后可以基于所测量的碳参数确定贫表面活性剂流66中的表面活性剂浓度。在图2中所示的实施方案中，控制器52可以被设计成确定表面活性剂水平何时高于预设限值。例如，图2中所示的过程的目的之一是在将贫表面活性剂流66释放到流出物70中之前将表面活性剂浓度保持在特定水平以下。
72.在一个方面，控制器可以确定贫表面活性剂流66中的表面活性剂浓度，并且如果表面活性剂浓度低于预设限值，则允许贫表面活性剂流66进入流出物70。预设限值例如可以小于100ppm，诸如小于80ppm，诸如小于40ppm，诸如小于20ppm。另一方面，如果所确定的表面活性剂浓度高于预设限值，则控制器52可以被构造成采取补救措施。例如，如图2中所示，在一个实施方案中，贫表面活性剂流66可以进入再循环回路72并进料返回至分离装置64。例如，控制器52可被设计成控制使贫表面活性剂流66进入流出流70或再循环流72的阀。
73.在另一个实施方案中，控制器52可以与存储罐连通，并且如果表面活性剂浓度水平高于预设限值，则可以将贫表面活性剂流66送到存储罐。然后可以进一步处理或稀释进料到存储罐的贫表面活性剂流66，以降低表面活性剂水平。
74.然后，可以将含有低于所需水平的表面活性剂浓度的流出物70作为废水释放到环境中和/或再循环并用作工艺设备中的补充水流。
75.通过参照以下实施例可以更好地理解本公开。
76.实施例
77.制备各种不同的表面活性剂和水储备溶液并测试cod水平。然后将该数据用于创建校准曲线。
78.在该实施例中，生产了三组不同的样品。每组样品都是针对不同的浓度范围生产的。在第一组样品中，浓度范围为200至15,000mg/l cod和0至2,000ppm表面活性剂。在所有测试期间，根据制造商方法435，对第一组和第三组样品使用hach dr3900碳参数分析仪。由于浓度较低，制造商方法430用于第二组样品。在每组样品中，使用c8和c10烷基多糖苷表面活性剂。
79.在每组样品中，制备储备溶液并测试以确定表面活性剂浓度。还对每个样品的cod测量了三次并取平均值。将过滤的自来水与每组样品中的表面活性剂混合。
80.对于第一组样品，获得了以下结果。在第一组样品中，读出值为实际值的1/10并用于构建校准曲线。
[0081][0082]
对于第二组样品，表面活性剂浓度范围为0至70ppm，并且cod测量范围为3mg/l至150mg/l。获得了以下结果：
[0083][0084]
对于第三组样品，表面活性剂浓度范围为0至750ppm，并且cod测量范围为20mg/l至1500mg/l。获得了以下结果：
[0085][0086]
上述三组样品的结果示于图1、图2和图3中。如图所示，每组样品产生一个线性相关图。结果表明了测得的cod值和表面活性剂浓度之间的明显关系。
[0087]
在不脱离在所附权利要求中更具体地描述的本发明的精神和范围的情况下，本发明的这些和其他修改和变型可由本领域的普通技术人员实践。此外，应当理解各种实施方案的方面可整体或部分互换。此外，本领域的普通技术人员将会知道，以上描述仅仅是举例，而无意限制此类所附权利要求中进一步描述的本发明。

技术特征：
1.一种用于确定流体中的表面活性剂水平的方法，所述方法包括：从水溶液收集流体样品，所述水溶液包含表面活性剂；测量所述流体样品中的碳相关参数，所述碳相关参数包括化学需氧量或总有机碳；以及通过将所测量的碳相关参数与指示表面活性剂浓度的校准数据进行比较，或基于所测量的碳相关参数计算所述表面活性剂浓度来确定所述水溶液中的所述表面活性剂浓度。2.如权利要求1所述的方法，其中基于所确定的表面活性剂浓度，所述方法还包括增加或降低所述水溶液中的表面活性剂浓度以将表面活性剂浓度保持在预设限值内的步骤。3.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述水溶液包括工业过程中的流体流。4.如权利要求3所述的方法，其中所述工业过程是造纸过程、薄纸制造过程或用于生产吸收制品的过程。5.如权利要求2所述的方法，其中所测量的碳相关参数被馈送到控制器以确定所述表面活性剂浓度。6.如权利要求5所述的方法，其中基于所确定的表面活性剂浓度，所述控制器选择性地增加或降低所述水溶液中的表面活性剂浓度以将所述表面活性剂浓度保持在预设限值内。7.如权利要求2或权利要求5所述的方法，其中选择性地降低所述表面活性剂浓度以保持所述表面活性剂浓度低于当前限值。8.如权利要求2或权利要求5所述的方法，其中选择性地增加或降低所述表面活性剂浓度以保持所述表面活性剂浓度高于第一预设限值且低于第二预设限值。9.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中至少每12小时，诸如至少每6小时，诸如至少每4小时，诸如至少每小时收集流体样品并测量所述碳相关参数。10.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述水溶液中所含的所述表面活性剂是非离子表面活性剂。11.如权利要求1至9中任一项所述的方法，其中所述表面活性剂包括十二烷基硫酸钠、月桂基硫酸铵、脂肪酸胺、氧化胺、脂肪酸季化合物、烷基多糖苷或月桂基硫酸盐。12.如权利要求1至11中任一项所述的方法，其中所述水溶液包含含有按体积计大于约30％的空气的泡沫悬浮液。13.如权利要求2或5所述的方法，其中将所述水溶液进料到流浆箱以形成颗粒材料的悬浮液，所述水溶液通过将来自水供应器的水与来自表面活性剂供应器的表面活性剂组合而形成，并且其中通过增加或减少与来自所述水供应器的所述水组合的来自所述表面活性剂供应器的所述表面活性剂的量来选择性地增加或降低所述表面活性剂浓度。14.如权利要求2或5所述的方法，所述方法还包括在收集所述流体样品之前将所述水溶液通过分离装置进料的步骤，所述分离装置从所述水溶液中去除表面活性剂。15.如权利要求14所述的方法，其中所述分离装置产生含有所述水溶液的贫表面活性剂流和富表面活性剂流。16.如权利要求15所述的方法，所述方法还包括将所述富表面活性剂流循环回工业过程中并将所述贫表面活性剂流进料至流出物的步骤。17.如权利要求15或16所述的方法，其中如果所确定的表面活性剂浓度高于所述预设限值，则通过将所述贫表面活性剂进料返回到所述分离装置中来降低所述水溶液中的所述
表面活性剂浓度。18.如权利要求14至17中任一项所述的方法，所述方法还包括在将所述水溶液通过所述分离装置进料之前过滤所述水溶液以去除固体的步骤。19.如权利要求18所述的方法，其中使用溶解空气浮选或悬浮空气浮选来过滤所述水溶液。20.如权利要求14至19中任一项所述的方法，其中所述分离装置使用溶解臭氧浮选进行操作。21.如权利要求14至19中任一项所述的方法，其中所述分离装置包括过滤装置。22.如权利要求14至19中任一项所述的方法，其中所述分离装置包括活性炭过滤器。23.如权利要求14至19中任一项所述的方法，其中所述分离装置使用反渗透进行操作。24.一种用于确定表面活性剂浓度的系统，所述系统包括：碳参数分析仪，所述碳参数分析仪测量流体样品中的化学需氧量或总有机碳，所述碳参数分析仪被构造成接收来自工业流体流的流体样品，所述工业流体流包含含有表面活性剂的水溶液；以及控制器，所述控制器与所述碳参数分析仪通信以从所述碳参数分析仪接收所测量的化学需氧量数据或所测量的总有机碳数据，所述控制器被构造成基于从所述碳参数分析仪接收的所测量的化学需氧量或所测量的总有机碳来确定所述流体样品中的表面活性剂浓度。25.如权利要求24所述的系统，其中所述控制器被构造成控制供应到工业过程中的表面活性剂流或水流以选择性地增加或降低所述水溶液中的表面活性剂浓度。26.如权利要求24或25所述的系统，其中所述碳参数分析仪使用高铁酸盐氧化来测量化学需氧量或总有机碳。27.如权利要求24或25所述的系统，其中所述碳参数分析仪包括荧光传感器。

技术总结
公开了一种用于确定水溶液中的表面活性剂浓度水平的方法和系统。根据本公开的所述方法，在水溶液中测量相关碳参数，诸如COD或TOC。然后使用数学相关性或参考数据将该测量值转换成表面活性剂浓度。通过本公开的所述方法和系统，可以在运行中监控和调节工艺流中的表面活性剂浓度。活性剂浓度。活性剂浓度。


技术研发人员：珀拉肖克 V
受保护的技术使用者：金伯利-克拉克环球有限公司
技术研发日：2020.11.06
技术公布日：2023/8/13