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Faserfilter zur Entfernung von wässerigen Nebeln aus Gasen oder Dämpfen
Die Erfindung betrifft ein Faserfilter zur Entfernung von wässerigen Nebeln mit Teilchengrössen unter 5 aus Gasen oder Dämpfen.
Genaue mikroskopische Untersuchungen haben ergeben, dass, wenn ein den feinen Nebel enthaltendes Gas oder ein Dampf durch ein Faserfilter, das aus einem der bisher für solche Zwecke verwendeten Materialien, wie z. B. Baumwolle, Schlackenwolle oder Glaswolle, besteht, geleitet wird und die Durchmesser der Fasern dieses Materials unter Berücksichtigung der Grösse der Nebeltröpfchen so gewählt werden, dass sie die Nebel abfangen können, die so eingefangenen Tröpfchen die Fasern benetzen und einen flüssigen Film auf diesen bilden.
Dieser Film ist nicht gleichmässig dick-es kann bei einer ersten Untersuchung so erscheinen, als ob einzelne Tröpfchen auf den Fasern zurückgehalten werden-jedoch wird bei näherer Untersuchung erkannt, dass die Tröpfchen nicht voneinander getrennt und voneinander unabhängig sind, sondern dass vielmehr ein flüssiger, im wesentlichen kontinuierlicher Film die Faser umgibt und von einem Tröpfen zu dem andern reicht.
Im Gegensatz dazu wurde überraschenderweise gefunden, dass bei Verwendung einer andern Gruppe von Fasern eine erhebliche Verbesserung des Filtriervermögens erzielbar ist ; nämlich Fasern, welche wässerige Nebelteilchen im wesentlichen als einzelne, voneinander getrennte Tröpfchen, die an der Oberfläche haften, ohne die Fasern zu umgeben und ohne zwischen sich einen Film zu bilden, festhalten.
Doch ist nicht, wie man glauben könnte, das Problem der Herstellung geeigneter Faserfilter für feine Nebel einfach damit zu lösen, dass hydrophobe oder wasserabweisende Fasern verwendet werden. Es wurde z. B. gefunden, dass mit Silikon behandelte Glaswolle, die unter dem Namen" Terylene" bekannten Polyester-Fasern und Polyacrylnitrilfasern Faserfilter von besonders guter Qualität bilden, wogegen unbehandelte Glaswolle, Nylonstapelfasern, Polyvinylchloridfasern, Schlackenwolle, Polyvinylacetatfasern und Cellulosetriacetatfasern sich als Filter für feine Nebel nicht eignen.
Werden aber diese verschiedenen Fasern nach ihrem Wasserabweisungsvermögen gereiht, das durch die mittleren blossen Kontaktwinkel der Fasern mit 10%iger Schwefelsäure gemessen wird, ergibt sich folgende Reihenfolge : Unbehandelte Glaswolle, Polyvinylacetat- und Polyacrylnitrilfasern, Cellulosetriacetat, Nylon, Polyesterfasern, mit Silikon behandelte Glaswolle und Polyvinylchlorid. Die Polyvinylchloridfasern zeigen die stärkste Wasserabweisung von all diesen Fasern und dennoch sind die aus diesen Fasern hergestellten Filter nicht sehr wirksam ; anderseits weist die Polyacrylnitrilfaser einen kleineren Kontaktwinkel als Nylon auf, eignet sich aber zur Herstellung solcher Filter unvergleichlich besser als Nylon. Es hat sich des weiteren als unmöglich erwiesen, das Filtriervermögen mit andern messbaren Eigenschaften in Beziehung zu bringen, z.
B. mit der "Feuchtigkeitswiederaufnahme", d. i. dem Prozentgehalt an Wasser, der von dem im Vakuum getrockneten Filter absorbiert wird, wenn dieses mit einer Atmosphäre, die mit Wasserdampf bei 20 C gesättigt ist, im Gleichgewicht steht. Demnach stimmt die bei Betrachtung der eingangs angeführten Beobachtungen naheliegende Theorie, dass nämlich hydrophobe Fasern wirkungsvoller sein sollten, mit den experimentell nachgewiesenen, miteinander verglichenen Wirksamkeiten der verschiedenen Faserarten, nicht überein. Es ist offensichtlich so, dass die Erfordernisse, die an ein wirksames Filter gestellt werden, sehr vielfältiger Art sind ; die Beurteilung der Benetzbarkeit der Faser durch Messung einer ihrer Grundeigenschaften ergibt augenblicklich keinen Hinweis, der die Unterscheidung wirksamer von nichtwirksamen Fasern ermöglicht.
Es wurde daher von den oben genannten empirischen Beobachtungen ausgegangen, die zeigen, dass diejenigen Fasern wirksam sind, die die zurückgehaltenen Nebelteilchen als einzelne voneinander getrennte Tröpfchen zurückhalten und diejenigen Fasern (eingeschlossen solche Fasern, die gewöhnlich als wasserabweisend gelten, wie z. B. Nylon) unwirksam sind, die so benetzt werden, dass die Faser von einem im wesentlichen kontinuierlichen Film umgeben wird, der die Zwischenräume zwischen den einzelnen Tröpfchen überbrückt. Es wurde festgestellt, dass nur diejenigen Fasern für sehr feine Nebel, d. s.
Nebel aus Teilchen, deren Durchmesser überwiegend unter 5 liegen, verwendbare Faserfilter ergeben, welche wässerige Nebelteilchen im wesentlichen als einzelne, voneinander getrennte Tröpfchen, die an der Oberfläche haften, ohne die Fasern zu umgeben und ohne zwischen sich einen Film zu bilden, festhalten.
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Es wurde ferner gefunden, dass, wie in bezug auf die üblicherweise verwendeten Faserfilter bereits bekannt, die erfindungsgemässen Fasern zur Erzielung eines verbesserten Filtriervermögens nicht alle den gleichen Durchmesser aufweisen sollen, sondern dass die Faserdurchmesser in einem bestimmten
Bereich, z. B. zwischen 5 fL und 50 Ca variieren sollen.
Dies wurde insbesondere mit Polyesterfasern nachbewiesen, indem einerseits die Wirkung der Filter, die aus Stapelfasern gleichen Durchmessers hergestellt wurden, und anderseits die Wirkung von Filtern die aus "garnettierten" Stapelfasern hergestellt wurden, verglichen worden ist. "Garnettieren" ist ein Verfahren, nach welchem die Stapelfasern kardiert werden und dabei einige der Fasern in verschiedenem Ausmass kalt verzogen werden, wodurch die ursprünglich einheitliche Masse der Fasern zu einer heterogenen und teilweise ausgerichteten Masse wird, die aus Fasern besteht, deren Durchmesser sehr verschieden ist. Um Nebel mit Teilchengrössen von weniger als 5 [JL zu filtrieren, sollen die Durchmesser der meisten Fasern des Filters zwischen 5 jjL und 50 liegen.
Das Faserfilter gemäss der Erfindung zur Entfernung von wässerigen Nebeln mit Teilchengrössen unter 5 {jL aus Gasen oder Dämpfen, wobei die Faserdurchmesser grösstenteils im Bereich von 5 bis 50 zo liegen, kennzeichnet sich im wesentlichen dadurch, dass es aus Fasern besteht, welche wässerige Nebelteilchen im wesentlichen als einzelne, voneinander getrennte Tröpfchen, die an der Oberfläche haften, ohne die Fasern zu umgeben und ohne zwischen sich einen Film zu bilden, festhalten.
Faserstoffe aus verschiedensten Materialien können als Filter zur Entfernung feiner Nebel verwendet werden, vorausgesetzt natürlich, dass sie gegenüber der den Nebel bildenden Flüssigkeit und auch gegen- über dem den Nebel mitreissenden Gas oder Dampf genügend inert sind und, ferner noch vorausgesetzt, dass bei Durchführung des Nebels durch das Filter die Ablagerung des Nebels nicht unter Bildung eines
Filmes, sondern so erfolgt, dass auf dem Filter einzelne Tröpfchen, wie zuvor genauer beschrieben, ab- gelagert werden.
Eine direkte Beobachtung der Art, in welcher die Nebelteilchen sich auf den Fasern eines in Betrieb stehenden Filters niederschlagen, ist nicht leicht durchführbar ; im Verlaufe der Arbeit mit vielen ver- schiedenen Faserarten wurde gefunden, dass es möglich war, vorauszusagen, ob eine bestimmte Faser wirk- sam ist oder nicht, indem ein einfacher Test verwendet wurde : ein feiner Nebel einer Flüssigkeit, der filtriert werden soll, wird quer über eine oder mehrere Arten von Versuchsfasern, die im Gesichtsfeld eines
Mikroskopes festgehalten werden, geleitet. Dies kann leicht dadurch bewerkstelligt werden, dass eine kleine
Zelle aus zwei Objektträgern gebildet wird, die zueinander parallel und in einer kleinen Entfernung von einander mit Hilfe von an deren Seitenkanten befindlichen Glasblöcken gehalten werden.
Die Fasern werden quer durch die so gebildete Zelle gesteckt und der zu untersuchende Nebel durch die Zelle ge- leitet.
Eine Ausführungsform einer solchen Zelle ist in Fig. l gezeigt, die einen Schnitt der Zelle darstellt, wobei um deren Aufbau leichter zeigen zu können, ein Teil weggebrochen ist. Die Objektträger 1 und 2 werden durch gläserne Zwischenblöcke 3 auseinandergehalten. Deformierbare Dichtungen oder Beilage- folien 4 befinden sich zwischen den Glasblöcken und dem oberen Objektträger, wobei die Objektträger, die Beilagfolien und die Zwischenblöcke auf diese Weise eine rechteckige Zelle mit offenen Enden bilden.
Die zu untersuchenden Fasern 5 werden zwischen den Beilagfolien und den Zwischenblöcken so gehalten, dass sie quer durch die Zelle und auf dem Weg des den Nebel enthaltenden Gases, das durch die Zelle von einem zum andern Ende derselben geleitet wird, zu liegen kommen. Endplatten, die Ein- und Aus- lassröhren tragen (nicht gezeigt), sind auf den Zellenenden angebracht und dienen dazu, das nebelführende
Gas zu und aus der Zelle zu führen, die im Gesichtsfeld des Mikroskopes befestigt ist. Wenn gewünscht, können die Fasern mit den an ihnen haftenden Tröpfchen photographiert werden, so dass dann ihre genaue
Form und die Art der Lagerung auf der Faser genau studiert werden kann.
Auf Grund von Versuchen dieser Art, die mit verschiedenen Fasern durchgeführt worden sind, wurde festgestellt, dass die Aufnahmefähigkeit einer Faser gewöhnlich bestimmt werden kann, indem solche
Photographien einer Faser, die nach Berührung der Faser mit einem Nebel, der in einem leicht zugäng- lichen Trägergas, z. B. Luft, mitgeführt wird, gemacht wurden, untersucht werden, wobei die Teilchen- grösse bzw. Konzentration des Nebels nicht notwendigerweise dieselbe sein muss, wie die des Nebels, der filtriert werden soll.
Von den verschiedenen Fasern, die die Bildung einzelner Tröpfchen aus dem Nebel ermöglichen und die als Faserfilter zur Erzielung der erfindungsgemäss erforderlichen Resultate in Betracht kommen, können beispielsweise Glasfasern mit einer Silikonoberfläche und kardierte und ungleich verzogene Polyester- fasern genannt werden. Von den Faserarten, die zur Bildung von aus den Tröpfchen gebildeten und die
Faser umgebenden Filmen führen und die nicht die gewünschte bessere Filtrierung der feinen Nebel gestatten, können z. B. unbehandelte Glas- und unbehandelte Nylonfasern genannt werden.
Die Art der Ablagerung des Nebels auf diesen Fasern kann aus den Fig. 2-5 ersehen werden. Diese sind genaue Nachzeichnungen von Mikrophotographien, die erhalten wurden, wenn Teilchen, bestehend aus Schwefelsäurenebel, der von einem Luftstrom mitgeführt wurde, in der oben beschriebenen Vorrichtung in Kontakt mit den verschiedenen Fasern gebracht werden. Der Schwefelsäurenebel wurde gebildet, indem Luft durch Wasser enthaltende Behälter, dann durch 10% igues Oleum, hierauf wieder durch Wasser und schliesslich durch einen leeren Behälter zur Entfernung von Spritzern geleitet wurde.
Die auf diese Weise hergestellten Nebelteilchen, die später mit den Fasern in Kontakt gebracht wurden, waren sehr fein und hatten einen Durchmesser von weniger als 5 (i. Durch Beobachtung der Art der Ablagerung
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des Nebels auf den Fasern war es möglich, vorauszusagen, welche Fasern Nebel von sehr feinen Teilchen- grössen aus Gasen oder Dämpfen entfernen und welche einen solchen Nebel nicht entfernen werden.
Fig. 2 zeigt die mit Glasstapelfasern mit anhaftender Silikonoberfläche erzielten Resultate, wobei in diesen Fällen der Nebel in Form von einzelnen Tröpfchen, die an der Oberfläche anhaften, ohne die Faser zu umgeben, niedergeschlagen ist und keine Spur einer Filmbildung auf der Faser ersichtlich ist. Die
Silikonoberfläche wurde unter Verwendung einer Silikonflüssigkeit mit der Nummer M 441, die noch näher beschrieben werden soll, aufgetragen.
Fig. 3 zeigt die in ähnlicher Weise mit kardierten und ungleich verzogenen Polyesterfasern erzielten
Resultate. Es wird bemerkt werden, dass in Fig. 3 und zu einem geringeren Ausmass auch in Fig. 2 Tröpfchen gezeigt werden, die so aussehen, als ob sie die Faser umgeben. Dies ist jedoch nicht der Fall ; es sind dies nur Tröpfchen, die genau so wie die andern auf der Faser gehalten werden, die aber um die Faser herum geschwungen von der Faser herunterhängen. Die Anordnung der Vorrichtung wurde so gewählt, dass der Gasstrom horizontal in einer Richtung im rechten Winkel zu der Achse der horizontal gestützten Faser geführt wurde (beides gesehen in der Ebene des Papiers) und die Beobachtungen vertikal von oben her und somit in einer Richtung im rechten Winkel zum Gasstrom und der Faser gemacht wurden. Diese hängenden Tröpfchen sind nahezu halbkugelig.
Im Gegensatz dazu, sind die Tröpfchen, welche die Fasern benetzen (s. Fig. 4 und 5), wie leicht festzustellen ist, linsenartig und an den Enden zugespitzt. Derartige Beobachtungen lassen leicht und verlässlich zwischen einer wirklichen und scheinbaren Benetzung unterscheiden und damit auch zwischen den "benetzbaren" Fasern und denjenigen, welche wässerige Nebelteilchen im wesentlichen als einzelne, voneinander getrennte Tröpfchen, die an der Oberfläche haften, ohne die Fasern zu umgeben und ohne zwischen sich einen Film zu bilden, festhalten.
Fig. 4 zeigt die mit unbehandelten Glasfasern erzielten Resultate, auf welchen der Nebel in Form eines kontinuierlichen Filmes auf der Faser abgelagert ist, wobei der Film in bestimmten Abständen sich zu die Faser umgebenden Tröpfchen erweitert. Ein kontinuierlicher, die Faser umgebender und die Zwischenräume zwischen den Tröpfchen überbrückender Film kann insbesondere aus Fig. 5, welche die mit Nylon erzielten Resultate zeigt, ersehen werden.
Bei praktischen Versuchen in Schwefelsäurefabriken wurden flache, zylindrische Faserfilter mit einem Durchmesser von 76 cm und 5 cm Stärke hergestellt, u. zw. unter Verwendung der oben erwähnten vier Faserarten. Diese wurden im Fabriksmassstab zur Entfernung von Schwefelsäurenebel von einer Konzentration von ungefähr 0, 5 g H2S04/m3 und von Teilchengrössen unter 2 ia aus den Abgasen der Fabrik ausprobiert.
Wie nach den Fig. 2 und 3 vorausgesagt werden kann, entfernten die Faserfilter aus mit Silikon behandelter Glaswolle und kardierte und ungleich verzogene Polyesterfasern diese feinen Nebel in sehr wirksamer Art. Im Gegensatz dazu konnten, wie auf Grund der in den Fig. 4 und 5 gezeigten Ergebnisse vorausgesagt werden kann, Faserfilter aus unbehandelter Glaswolle und Nylon diese feinen Nebel nicht in genügendem Ausmass zurückhalten. Das Verhältnis der Faserdurchmesser der die Filter ausbildenden Fasern war in den vier Fällen ungefähr das gleiche, so dass der einzige beachtenswerte Unterschied in der Faserart gelegen war.
Das Material der erfindungsgemässen Faserfilter wird natürlich mit Rücksicht auf ein mögliches Einwirken des Nebels und des nebelführenden Gases oder Dampfes auf die Fasern gewählt werden. Es darf demnach nicht so beschaffen sein, dass es durch den Nebel oder das nebelführende Gas leicht angegriffen werden kann. Wenn das Material verhältnismässig langsam angegriffen wird, kann die Verwendung von Faserfiltern, welche aus einem nicht ganz inerten Material bestehen, zugelassen und das Filter nach einer bestimmten Zeit ausgewechselt werden. Dasselbe gilt auch für Filter mit einem Überzug, der langsam angegriffen wird, z. B. ein Filter aus Glasfasern mit Silikonüberzug. Wenn z. B. ein solches Filter zur Entfernung von feinem Schwefelsäurenebel von ziemlich hoher Konzentration verwendet werden soll, kann der Silikonüberzug nach einer gewissen Zeit angegriffen sein.
Dieses Filter kann dann entfernt, nochmals mit Silikon behandelt und wieder zur Entfernung des Nebels verwendet werden.
Bei Faserfiltern mit einem Silikonüberzug sind die auf die Glasfaseroberfläche aufgetragenen Silikone im allgemeinen Organo-Siliziumverbindungen, die Polysiloxanbrücken enthalten. Sie können zweckmässigerweise auf die Glasfaser in Form von Silikonflüssigkeiten und Silikonharze aufgetragen werden. Die Bezeichnung "Silikonflüssigkeit" oder, wie es manchmal genannt wird, "Silikonöl", bezieht sich auf flüssige Produkte, die ihren flüssigen Zustand nach Erwärmen beibehalten und durch Hydrolyse und Polymerisation eines Zwischenproduktes, das im wesentlichen aus Dialkyldichlorsilan besteht, erhalten werden.
Silikonflüssigkeiten können auch erhalten werden, wenn Alkylgruppen durch Aryl- und Alkenylgruppen ersetzt werden. Silikonharze können flüssige oder feste Produkte sein, die von Zwischenprodukten abgeleitet sind, welche Mischungen von Dialkyl-dichlorsilan und Trialkylchlorsilan darstellen. Diese Harze können auch aus Alkyl-Wasserstoffdichlorsilanen erhalten werden ; auch können flüssige Silikonharze mit aromatischem Substituenten hergestellt werden. Wenn auch das Wort Harz auf einen festen oder halbfesten Zustand schliessen lässt, können Harze flüssige Produkte sein, die erst fest werden, wenn sie durch Erhitzen weiter kondensieren.
Eine Silikonflüssigkeit, die sich zur Behandlung dieser Fasern eignet, besteht aus einem Produkt, das durch teilweise Hydrolyse und Polymerisation eines Methylchlorsilangemisches erhalten wird, das hauptsächlich aus Dimethyldichlorsilan zusammengesetzt ist, wobei dieses Produkt zusätzlich zu dessen Poly-
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siloxangruppen zwischen 16 und 26, 6% an Silizium gebundenes Chlor enthält. Das bedeutet, dass die endständigen Gruppen des Polymeren noch nicht hydrolysierte Methylchlorsilan-Rückstände enthalten. Ein derartiges Produkt ist im Handel erhältlich und kann unter der Handelsbezeichnung "Silicone Fluid M 441" von den "Imperial Chemical Industries Limited" bezogen werden.
Zur Herstellung einer auf den Glasfasern anhaftenden Schichte werden die Fasern in eine 2% ige Lösung der Silikonverbindungen
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Dämpfen erzielt. Diese Filter können bei einem verhältnismässig geringen Druckabfall verwendet werden und verringern den Schwefelsäuregehalt der feinen Schwefelsäurenebel bis auf Null oder praktisch auf Null, so dass der ständig sichtbare Gasaustritt, der eine Folge der aus sehr feinen Teilchen bestehenden Schwefelsäurenebel ist, beseitigt wird. Das Verfahren zur Entfernung von Nebeln aus Gasen und Dämpfen nach vorliegender Erfindung ist einfach, bequem und verlässlich, verlangt nur eine verhältnismässig einfache Filtrieranlage und führt zu, verglichen mit den mit Filtern aus unbehandelten Glasfasern erzielten Resultaten, weitaus besseren Ergebnissen.
Ausserdem weist dieses Verfahren keinen der bei den andern zuvor beschriebenen Verfahren auftretenden Nachteile auf und stellt hiemit einen bedeutenden Fortschritt der einschlägigen Technik dar.
Die erfindungsgemässen Filter können durch Zusammenballung der Fasern bis zu der gewünschten Stärke und Zusammenhalten der so gelagerten Fasern zwischen Drahtgeflechte erhalten werden. Filter verschiedener Grössen und Formen können nach diesen Verfahren hergestellt und zur Entfernung eines sehr feinen Nebels aus nebelhältigen Gasen und Dämpfen verwendet werden.
Die folgenden Beispiele erläutern die Erfindung :
Beispiel 1 : In einer Schwefelsäurefabrik wurden die aus der Kontaktkammer austretenden Gase abgekühlt, dann in starker Schwefelsäure absorbiert und schliesslich durch alkalihältige Absorptionstürme
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05"Silicone Fluid M 441"behandelt, aufeinandergelagert und zu einer Stärke von 160 kg/m3 unter Bildung einer 5 cm dicken Schichte zusammengepresst ; das Filter war von netzartigen Haltevorrichtungen aus mit Harz überzogenem, rostfreiem Stahl begrenzt. Die dem Gasstrom ausgesetzte Fläche des Filters machte ungefähr 0, 46 m2 aus. Das den Nebel enthaltende Gas wurde von unten durch das Filter in einer Geschwindigkeit von 300 bis 350 m3/h pro m2 der Filteroberfläche geführt, wobei der Druckabfall 19 cm Wassersäule betrug.
Während das Filter über 900 h hindurch in Betrieb stand, war kein sichtbarer Dunst in dem aus-
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;Vergleichsversuch : Das Beispiel wurde wiederholt, das den Nebel enthaltende Gas jedoch durch ein ähnliches aber aus unbehandelten Glasfasern bestehendes Filter geleitet. Bei diesem Versuch drang ein ständig sichtbares Gas durch das Filter hindurch ; der Schwefelsäuregehalt des Schlussgases lag zwischen 0, 007 und 0, 012 gfm3. ì Beispiel 2 : Kardierte und ungleich verzogene Polyesterfasern mit einem Durchmesser von zwischen 10 fil und 40 fL wurden aufeinander gelagert und zu einer Dichte von 160 kg/m3 unter Bildung einer 5 cm starken Schichte zusammengepresst und das Filter zwischen Gazen aus Harz, das mit rostfreiem Stahl überzogen war, gehalten.
Die dem Gasstrom ausgesetzte Oberfläche des Filters betrug ungefähr 0, 89 m2.
Ein nebelhältiges Gas, wie in Beispiel l beschrieben, wurde von unten durch ein Filter mit einer Geschwindigkeit von 225 bis 280 m3/h pro m2 Filterobetfläche bei einem Druckabfall von 23 bis 24 cm Wassersäule geleitet. Das Filter stand 3000 h in ständigem Betrieb und es wurde kein sichtbarer Dunst in dem austretenden Gas festgestellt. Eine Säure, deren Stärke zwischen 7 und 21% Schwefelsäure schwankte, wurde aus dem Filter abgeleitet. Der Schwefelsäuregehalt des aus dem Filter austretenden Gases, gemessen mit einem elektrostatischen Sammler schwankte zwischen 0, 007 und 0, 0015 g/m3.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Faserfilter zur Entfernung von wässerigen Nebeln mit Teilchengrössen unter 5 {j. aus Gasen oder Dämpfen, wobei die Faserdurchmesser grösstenteils im Bereich von 5 fL bis 50 liegen, dadurch gekennzeichnet, dass es aus Fasern besteht, welche wässerige Nebelteilchen im wesentlichen als einzelne, voneinander getrennte Tröpfchen, die an der Oberfläche haften, ohne die Fasern zu umgeben und ohne zwischen sich einen Film zu bilden, festhalten.