上一篇我們介紹了基於流動電位(streaming potential)原理測定纖維帶電情況的zeta電位儀。同時我們知道，除纖維之外，紙料中的填料以及其他固體物質表面也可能擁有可離子化的基團，各種半纖維素的分解產物、分散劑、木樹脂、膠乳則可能成為溶解與膠體物質，對紙料懸浮物的總體電荷作出貢獻。另外紙料纖維懸浮液及造紙過程用水/白水的帶電情況還受到加入到生產過程的各種正、負電性造紙助劑的影響，因此，造紙工作者常常需要檢測和定量表達各種助劑的綜合使用效果。
但實際上，在此過程中，檢測紙料體系的電荷需求量(charge demand)往往要比測定zeta電位更為頻繁，說它更為重要其實也不為過。
首先讓我們看一下什麼是電荷需求量。
在紙廠的實際工作中，造紙工作者總是很想知道某種陽離子助劑的最佳添加量是多少。答案常常與將紙料體系的zeta電位/流動電位變為0所需的標準陽離子滴定劑的量有關(當然也不一定與之完全相等)。換言之，造紙工作者需要執行一種滴定方法，以測得紙料樣品或過程水樣品的電荷需求量。
由於紙張的纖維組分起初是帶負電荷的(主要是因為擁有羧基基團)，因此從紙機溼部取得的樣品大多數情況下是帶負電荷的，對其進行中和就需要陽離子助劑，用滴定方法進行「模擬」時就需要採用陽離子聚合電解質標準物，這種標準物最常用的是聚二甲基二烯丙基氯化銨(PDADMAC)。使原來呈負電性的纖維懸浮液的zeta電位變為0時樣品所需消耗的陽離子標準滴定液的量，就是「陽離子需求量(cationic demand)」。而某些特殊情況下，紙料已經過度陽離子化，對其滴定就需要採用陰離子標準物(常用的是聚乙烯硫酸鉀或鈉，即PVSK或PVSNa)，此時採用「陰離子需求量(anionic demand)」這個術語。需要注意的是，以上解釋為行文方便起見，將測試樣品「限定」為紙料，實際操作中，其實更多地會針對各種水樣品，包括紙料的各級濾液、紙機白水或回用過程水等，此時可將「流動電位變為0」替代成「流動電流(streaming current)為0」。
接下來讓我們看看zeta電位和電荷需求量的主要差別是什麼。如果你能一下子說中，大家可能立即對你刮目相看哦...
應該講，造紙工作者出於不同的目的使用「電荷需求量」和「zeta電位」。它們的主要差別在於：電荷需求量的測出結果與樣品量的大小有關，換句話說，「電荷需求量」跟「熱容量」這種物理量類似，是一種「廣度變量」(廣度變量具有可加性，即整體的性質是各部分性質之和，你更為熟悉的體積、質量、長度等都屬於廣度變量)；相比之下，zeta電位是一種與「溫度」類似的「強度變量」，就是說zeta電位值和測試樣品量的大小是沒有關係的(同樣地注釋一下，強度變量不可加和，你更為熟悉的強度變量有密度、溫度、壓強、黏度、濃度等，它們都不可加和，體會下)。
前面提到，實際工作中檢測紙料體系的電荷需求量往往要比測定zeta電位更為頻繁，說它更為重要其實也不為過。但稍微再中肯點講，這兩方面的信息是互補的，兩者相結合可對生產過程提供更為全面的電荷狀況信息，這一點我們今後還會專門撰文闡述。
好了，現在我們來看看基於流動電流原理的電荷需求量的測定方法。
圖1.基於流動電流原理的電荷需求量測定裝置工作示意圖
基於流動電流原理的電荷需求量測定裝置及其工作原理如圖1所示：在一個材質為特氟龍、末端封閉的圓柱筒內，寬鬆地插入一根材質同樣是特氟龍的柱塞。測量池中還裝備兩根金屬電極，一般一根裝於圓柱體底部，另一根靠近圓柱體的開口處。測量開始後，在柱塞的上下運動過程中，樣品中的帶電固體物質慢慢吸附於測量池的表面(相對地可以看成不動)，液體則在柱塞的帶動下保持流動(類似於液體反覆衝刷固體表面)，此時連接兩根電極會產生電流，對此電信號進行檢測是流動電流裝置的主要工作原理。
圖2. 測定起始電荷為負值的過程水陽離子需求量時儀器的代表性輸出記錄
圖2展示的是使用上述流動電流裝置測定某紙廠過程水樣品陽離子需求量時儀器記錄流動電流輸出信號(Streaming Current Output Signal)的過程。從圖中可以看到，初期陽離子滴定液的添加(Addition of Cationic Titrant)對輸出信號的影響往往很小。這是因為滴定液和樣品本體中的溶解與膠體物質能立即發生相互作用的緣故。這種相互作用的產物被稱為「聚合電解質複合物」，也可被稱為是「被中和的膠體物質」。在後續的滴定過程中，部分陽離子滴定液繼續以聚合物複合物的方式被吸附到樣品池和柱塞表面，但部分也直接被吸附到樣品池和柱塞的表面。慢慢地，電極表面也被中和，樣品中的粒子不再有離子雙電層的存在，因此流動電流裝置的輸出信號為零，即到達了滴定的終點(End-point of Titration)。
至於最終的測定結果，其實還需要計算的，而計算的依據就是萬變不離其宗的「等電量作用法則」(英文表達得「粘」上看起來有點兒生僻的「stoichiometry」)，其實就是需要符合化學計量原理，那就是：
樣品的電荷需求量Q1=標準液提供的電荷量Q2
而，樣品的電荷需求量Q1
=樣品的體積V1×樣品的電荷密度C1
標準液提供的電荷量Q2
=滴定消耗的標準液體積V2×標準液電荷密度C2
因此：C1=V2×C2/V1
舉個例子：測試過程中放入測量池的白水樣品的體積是準確的10.00ml，消耗PDADMAC標準滴定液的量為5.28ml，已知該標準滴定液的電荷密度為1.00×10-3mol/L，那麼你很容易計算出這個白水的電荷密度是負的5.28×10-4mol/L了，也可記為0.528mmol/L。
你有沒有發現，本文講的是電荷需求量的測定，但是我們最後表達成電荷密度了。再聯繫前面的說法，電荷需求量是廣度變量，具有加和性，那電荷密度呢？既然是密度，當然就是強度變量了，又變成不具有加和性了。
對了，我們再來點趣味性的吧。你有沒有從同業人員中聽說過「白水的電荷是5ml」或「白水的PCD是5ml」這樣的說法？你聽到的時候有沒有覺得這個說法挺彆扭的？懷疑哪裡不對？歡迎你留言表達意見。
最後，跟上次一樣，讓我們欣賞一下市場上兩款流行的電荷需求量測定儀美麗的樣子，結束本次愉快的學習。
歡迎留言交流。
https://www.afg-analytic.de/en/cas-touch-charge-analyzing-system.html
https://www.btg.com/products/mutek-pcd-05-smart/