CH649231A5 - Verfahren zum elektrischen aufladen von schwebeteilchen in gasen. - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum elektrischen Aufladen von Teilchen, die in Gasen, speziell in Luft, schweben. Dabei wird Gebrauch gemacht von der wohlbekannten Erscheinung, dass feste oder flüssige Materie bei Bestrahlung mit ultraviolettem Licht ab einer bestimmten Grenzenergie, der sogenannten Photoschwelle G>, Elektronen emittiert. Beim erfindungsgemässen Verfahren handelt es sich darum, diese Photoelektronen in geeigneter Weise abzuführen, so dass sie sich nicht wieder an die Teilchen anlagern können und diese dann elektrisch geladen zurückbleiben.
Schwebeteilchen in Gasen sind in der Technik von wachsender Bedeutung. In der Luft treten sie als Abfallprodukte bei der Verbrennung und anderen industriellen Prozessen auf. Meistens besteht die Aufgabe darin, diese Teilchen möglichst quantitativ zu entfernen. Andererseits produziert man auch absichtlich Schwebeteilchen, um bestimmte Zwecke zu erreichen. Bei der künstlichen Wetterbeeinflussung z.B. wird die Wolke mit Silberjodidteilchen geimpft, die als Nuklea-tionszentren zur Eiskeimbildung dienen. Ein anderes Beispiel ist die Herstellung von Rauchfleisch, wo die in der Verbrennung erzeugten Teilchen auf dem Fleisch niedergeschlagen werden müssen.
Es ist schon lange bekannt, dass die elektrische Aufladung der Schwebeteilchen für folgende Zwecke notwendig ist:
1) Zur messtechnischen Erfassung der Teilchen. Geladene Teilchen geben beim Auftreffen auf eine leitende Elektrode ihre Ladung wieder ab und können dann mithilfe eines elektrischen Messgerätes nachgewiesen werden.
2) Zur Entfernung der Teilchen: Sind die Teilchen geladen, so können sie mit einem elektrischen Feld aus dem Gas abgezogen werden.
3) Zur Deponierung der Teilchen an einer gewünschten Stelle. Dazu muss an der Oberfläche der gewünschten Stelle ein genügend starkes elektrisches Feld durch Anlegen einer Spannung erzeugt werden.
4) Zur Verhinderung der Koagulation: Sind die Teilchen gleichsinnig aufgeladen, so tritt eine elektrostatische Abstos-sung zwischen ihnen auf, welche das Zusammenkleben oder Koagulieren verhindert bzw. reduziert oder sogar rückgängig macht.
Bisher wird die elektrische Aufladung der Schwebeteilchen meist dadurch erzielt, dass in einer Glimm- oder Sprühentladung negative oder positive Luftionen erzeugt werden. Die teilchenhaltige Luft wird dann in den Bereich der Glimmentladung gebracht, wo sich die Luftionen durch Diffusion an die Staubteilchen anlagern können. Diese Aufladung durch Diffusion von Ionen findet grosstechnische Verwendung in den Elektrofiltern zur Abgasreinigung. Eine andere Anwendung der Aufladung durch Diffusion liegt im bekannten elektrostatischen Analysator nach Wittby vor. Durch eine nachfolgende Messung des Beweglichkeitsspektrums erhält man in bekannter Weise ein sog. Grössenspek-trum der Schwebeteilchen.
Ein Nachteil der Aufladung durch Diffusion besteht darin, dass sehr kleine Teilchen mit einem Durchmesser von weniger als 10"5 mm nicht mehr aufgeladen werden können. Solche Teilchen spielen jedoch bei der Nukleation und in der Katalyse chemischer Reaktionen oft die ausschlaggebende Rolle, und man möchte sie insbesondere messtechisch erfassen und ihr Anwachsen durch Koagulation verhindern. Ein weiterer Nachteil der Aufladung durch Diffusion ist, dass sie nur von der Grösse des Teilchens, nicht aber von der chemischen Beschaffenheit abhängt. Demgegenüber kennzeichnet sich das erfindungsgemässe photoelektrische Verfahren dadurch aus, dass die Aufladung auch bei sehr kleinen Teilchen effizient ist und darüber hinaus vom chemischen Zustand der Oberfläche des Teilchens abhängt. Man kann also z.B. bestimmte Teilchen aus einem Gemisch herausgreifen oder chemische Reaktionen, kataly tische Vorgänge und Kondensationskeimbildung, bei denen sich die Oberfläche verändert, direkt messtechnisch verfolgen. Ferner lässt sich der Einfluss
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der Aufladung auch bei Teilchen kleiner als 10"5 mm studieren und gegebenenfalls technisch ausnützen.
Die photoelektrische Aufladung ist im Gegensatz zur Diffusionsladung nicht nach oben begrenzt. Sie kann daher so stark sein, dass flüssige Teilchen oder Agglomerate von festen Teilchen auseinander gesprengt werden, wenn ihre Oberflächenspannung bzw. die Adhäsionskräfte entsprechend niedrig sind. Diese Möglichkeit ist zur Analyse und bei der Produktion von Kleinstaerosolen von Bedeutung.
Das erfindungsgemässe Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass das die Schwebeteilchen enthaltende Gas in ein Gefass gebracht wird, welches mindestens ein Fenster zum Eintritt ultravioletten Lichtes aufweist. Die Wände des Gefässes sind so beschaffen, dass sie einerseits die von den Teilchen durch Photoeffekt emittierten Elektronen absorbieren bzw. die sekundär in manchen Gasen wie Luft aus ihnen gebildeten Kleinionen neutralisieren, andererseits aber selbst keine oder nur vergleichsweise wenig Photoelektronen emittieren, wenn sie von ultraviolettem Licht getroffen werden. Beide Anforderungen an das Wandmaterial können dadurch gleichzeitig erfüllt werden, dass einerseits eine kleine elektrische Leitfähigkeit vorhanden ist, andererseits aber die Photoschwelle hoch und/oder die Zustandsdichte der Elektronen an der Fermikante sehr klein ist; ein schwach, eventuell nur an der Oberfläche dotierter Isolator erfüllt z. B. diese Bedingungen. Die Photoemission von den Wänden kann aber auch dadurch herabgesetzt sein, dass sie gegen das Ultraviolettlicht abgeschattet sind. Die elektrische Leitfähigkeit ermöglicht die Abführung der auftretenden Ionenladungen. Die hohe Photoschwelle in Verbindung mit der kleinen Zustandsdichte hält die Photoemission vom Wandmaterial selbst niedrig. Es ist auch möglich, im Gefäss eine zusätzliche Elektrode anzubringen, an die eine Spannung angelegt wird. Diese Spannung erzeugt ein elektrisches Feld, mit dem die Diffusion der aus den Schwebeteilchen stammenden Photoelektronen bzw. Kleinionen zur Wand gesteuert sowie die Emission von Photoelektronen aus der Wand selbst beeinflussbar ist.
Beim erfindungsgemässen Verfahren wird das die Schwebeteilchen enthaltende Gas dem ultravioletten Licht eine gewisse Zeit \ ausgesetzt. Es ergibt sich eine gewisse Wahrscheinlichkeit, dass ein Photoelektron aus einem Teilchen entweicht, zur Wand diffundiert und dort neutralisiert wird. Selbstverständlich gelangen durch Diffusion auch einige Teilchen an die Wand, aber diese Verluste sind wegen der viel kleineren Beweglichkeit und damit Diffusionskonstanten der Teilchen im Vergleich zu den Elektronen oder Kleinionen zu vernachlässigen. Die somit positiv geladenen Schwebeteilchen werden mittels einer Strömung des Trägergases aus dem Gefass abgezogen und ihrer Weiterverwendung zugeführt. Die Bedingung, dass Photoemission von Elektronen aus einem Schwebeteilchen erfolgt, lautet: hv > ® (e2/R) ± (p+ 1)/47ie0, wo hv die Energie eines Lichtquantes, die photoelektrische Austrittsarbeit des Teilchens, R sein Radius und p seine Ladung vor der Photoemission ist; p ist eine ganze Zahl, e ist die Elementarladung und e„ die Dielektrizitätskonstanze. Für t -> oo stellt sich die folgende Sättigungsladung ein:
(reo = (hv — CE>)R(4jt£0/e2)
Wie schnell die Sättigung erreicht ist, hängt neben der Intensität des Lichtes auch von der photoelektrischen Ausbeute Y ab, d.h. von der Anzahl der pro einfallendes Lichtquant emittierten Photoelektronen. Y nimmt bei sehr kleinen Teilchen zu, einmal weil der Phasenraum für den Austritt der Photoelektronen grösser ist, dann aber auch wegen Besonderheiten in der Lichtabsorption. Daher ist es möglich, mit den bekannten Lichtquellen die Sättigungsladung in Zeiten too von einigen Sekunden zu erreichen. Als Lichtquellen kommen Hoch- oder Niederdrucklampen, deren Spektren ins UV-Gebiet reichen, sowie UV-Laser oder auch Synchrotron-Strahlungsquellen in Frage. Mit Hochdrucklampen, die gepulst betrieben werden, erzielt man eine grössere Lichtausbeute im UV-Bereich. Das gilt auch für sehr kleine Teilchen, für die es sonst bisher überhaupt keinen Auflademechanismus gibt. Für t <| (Anlaufgebiet) gilt:
a = const R2 + Y + t
Wird nach der photoelektrischen Aufladung das Beweglichkeitsspektrum in bekannter Weise ermittelt, so ist die Interpretation besonders einfach, wenn man sich im Sätti-gungs- oder Anlaufgebiet befindet. Darüber hinaus ist bei kleinsten Teilchen die Annahme a = 1 oft erfüllt. Die Beweglichkeitsanalyse liefert dann direkt die Grössenvertei-lung.
Es ist .oftmals zweckmässig, das erfindungsgemässe Verfahren der photoelektrischen Aufladung mit der bekannten Aufladung durch Diffusion von Ionen zu kombinieren. Zur Kombination mit negativer Diffusionsaufladung können vor der photoelektrischen Aufladung in einer Glimmentladung erzeugte negative Ionen in das teilchenhaltige Gas eingebracht werden oder man kann die Wiederanlagerung der Photoelektronen bzw. der aus ihnen entstandenen Kleinionen an die Staubteilchen teilweise zulassen. Dies geschieht z. B. dadurch, dass die Steuerelektrode im Gefass leicht positiv vorgespannt wird, wodurch einerseits die Diffusion der Photoelektronen zu den Gefässwänden erschwert, andererseits aber die an der Gefässwand selbst durch Photoeffekt entstandenen Ionen in den Reaktionsraum hineingezogen werden. Durch Reduktion der Abschattung der Gefasswän-de kann deren Photoemission noch erhöht werden. Damit erreicht man, dass für eine bestimmte maximale Energie hv des eingestrahlten Lichts die Teilchen mit $ < hv positiv und die mit O > hv negativ aufgeladen werden, während die Teilchen mit = hv neutral bleiben. Je nach Oberflächeneigenschaften hat man das Aerosol damit in 3 Gruppen geschieden, die nun jede für sich analysiert werden kann. Andererseits kann es aber auch vorteilhaft sein, die Teilchen in bekannter Weise durch Anlagerung der in einer Glimmentladung erzeugten positiven Ionen zuerst positiv aufzuladen und sie dann zusätzlich mit dem erfindungsgemässen Verfahren photoelektrisch positiv nachzuladen. Damit erhält man das Grössenspektrum und die photoelektrischen Eigenschaften der Teilchen unabhängig voneinander.
Schliesslich kann man auch noch isolierte Messelektroden in das Gefass einführen, um insbesondere durch Registrierung der elektrische Leitfähigkeit des die Teilchen enthaltenden Gases das erfindungsgemässe Verfahren der photoelektrischen Aufladung der Teilchen zu überwachen. Dabei ist es zweckmässig zur Anwendung des bekannten Lock-in-Verfahrens eine gepulste Lichtquelle zu verwenden bzw. den Lichtstrahl periodisch zu unterbrechen.
In der Figur 1 ist eine Möglichkeit, das erfindungsgemässe Verfahren zu realisieren, illustriert. Das Licht aus einer Xenon-Hochdrucklampe 1 wird auf den Eingangsschlitz eines Monochromators 2 mit einem Spiegel 3 fokussiert. Das aus dem Monochromators 2 mit einem Spiegel 3 fokussiert. Das aus dem Monochromator austretende Licht wird mittels eines Spiegels 4 in ein nahezu paralleles monochromatisches Bündel verwandelt, welches über Suprasilfenster 5 das Gefäss 6 durchsetzt. Danach wird der Lichtstrahl zur Erhöhung der Intensität durch einen Spiegel 7 wieder in sich selbst zurückgeworfen. Das die Schwebeteilchen enthaltende Gas strömt durch die Öffnung 8 in das Gefäss ein und verlässt
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das Gefass durch die Öffnung 9. Die Strömungsgeschwindigkeit wird mittels Pumpe und Ventilen zur Erreichung der optimalen Reaktionszeit x in bekannter Weise eingestellt. Die Wände des metallischen Gefasses 6 sind z. B. mit einer sehr dünnen Schicht aus Siliconlack versehen, mit der die Wand 5 die geforderten Eigenschaften der minimalen Photoemissivi-tät bei nicht verschwindender elektrischer Leitfähigkeit erfüllt. Mithilfe des Monochromators 2 kann die Lichtenergie beliebig bis hv = 6eV eingestellt werden. Das gestattet die Ermittlung der Photoschwelle ® der Teilchen. 10
In der Fig. 2 ist ein mögliches Mittel zur Durchführung einer Variation des erfindungsgemässen Verfahrens dargestellt. Mittels eines parabolischen Spiegels 10 wird das Licht aus der Hochdrucklampe 11 in einen parallelen Hohlstrahl 12 verwandelt, der das Gefäss 13 über die beiden Suprasil- 15 fenster 14 und 15 durchdringt. Das die Teilchen tragende Gas strömt durch den ringförmigen Einlass 16 in das Gefass ein und verlässt es über die gleichmässig auf dem Durchmesser verteilten Löcher 17 des inneren Zylinders 18, durch den es der weiteren Verwendung zugeführt wird. Der Zylinder 18 20 befindet sich im lichtfreien Teil des Hohlstrahls und es kann eine Potentialdifferenz zwischen ihm und der äusseren Ge-fässwandung 13 aufrecht erhalten werden, welche die Diffusion der Photoelektronen bzw. Kleinionen zu den Gefäss-wänden beeinflusst. Diese sehr lichtstarke Anordnung er- 25 laubt es insbesondere, die photoelektrische Sättigung auf den Teilchen zu erzeugen, bzw. mit einer entsprechenden Potentialdifferenz zwischen 18 und 13 durch Wiederanlagerung der Photoelektronen bzw. Kleinionen je nach Photoemissivi-tät und Anlagerungskoeffizienten positiv oder negativ aufzu- 30 laden bzw. neutral zu halten. Die metallischen Gefasswände sind wiederum entsprechend an der Oberfläche behandelt und die Strömungsgeschwindigkeit wird in bekannter Weise zur Erreichung der gewünschten Aufladung eingestellt.
In Fig. 3 ist ein Beispiel für eine Anwendung des erfin- 35 dungsgemässen Verfahrens insbesondere zur Gasreinigung dargestellt. Das Gefass 19 ist ein metallisches Rohr, dessen Wände mit einer sehr dünnen Teflonschicht belegt wurden, so dass bei immer noch vorhandener elektrischer Leitfähigkeit die Photoemission minimal wird. In der Achse wird eine handelsübliche Quecksilberniederdrucklampe 20 gehalten, welche ultraviolettes Licht liefert. Sie ist mit einer Drahtspirale 21 umgeben, welche die elektrischen Störfelder der Entladung und des Lampengehäuses abschirmt, und es gestattet, etwa das radialsymetrische elektrische Feld eines Zylinderkondensators im Innern des Gehäuses 19 aufrecht zu halten. Die Lampe 20 mit Spirale 21 wird am oberen und unteren Ende des Gefasses 19 mit je einer Halterung 22 gehalten, welche von vielen Kanälen durchbohrt ist, so dass das schwebeteilchenhaltige Gas in gleichförmiger Strömung unten in das Gefass ein- und oben wieder ausströmen kann. Die Bohrungen verhindern gleichzeitig, dass das gesundheitsschädliche Licht in den Aussenraum austritt. Die Wände der Bohrungen können zu diesem Zweck noch mit einer ultraviolett-absorbierenden Schicht bestrichen sein. Sobald die Schwebeteilchen mit dem Gasstrom in das Innere des Gefasses gelangen, können sie Licht absorbieren und Photoelektronen emittieren. Ist die elektrische Spannung zwischen 21 und 19 niedrig, so treten die geladenen Teilchen am oberen Rohrende wieder aus und können der Weiterverwendung zugeführt werden. Ist die Spannung zwischen 21 und 19 dagegen hoch und 21 der positive Pol, so werden die Teilchen an der Gefässwand 19 niedergeschlagen. Die Anlage kann daher direkt zur Luftreinigung dienen, wobei eventuelle Bakterien und Viren automatisch durch das ultraviolette Licht abgetötet werden. Ist die Achse der Anlage vertikal, so entsteht durch die Wärmeentwicklung der Niederdrucklampe 20 automatisch ein thermischer Aufwind, der bei entsprechender Dimensionierung der Bohrungen in 21 das Gas mit einer für den Reinigungseffekt optimalen Geschwindigkeit durch die Reinigungsanlage treibt.
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3 Blatt Zeichnungen
Claims (9)
1. Verfahren zum elektrischen Aufladen von Schwebeteilchen in Gasen, dadurch gekennzeichnet, dass das die Schwebeteilchen enthaltende Gas in ein Gefäss gebracht und dort während einer regulierbaren Zeit von ultraviolettem Licht bestrahlt wird, wobei die Wände des Gefässes eine nicht verschwindende elektrische Leitfähigkeit bei vernachlässigbar kleiner photoelektrischer Emission aufweisen.
2. Mittel zur Ausführung des Verfahrens nach Patentanspruch 1, gekennzeichnet durch eine Hochdrucklampe, die im Brennpunkt eines Parabolspiegels einen parallelen Lichthohlstrahl erzeugt, der einen Zylinderkondensator mit variabler Spannung über ultraviolett-durchlässige Fenster durchsetzt, wobei das teilchenhaltige Gas an einem äusseren Zylinder oben eintritt und am unteren Ende einer Mittelelektrode wieder austritt.
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PATENTANSPRÜCHE
3. Mittel zur Ausführung des Verfahrens nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dem photoelektrischen Auflademittel eine Vorrichtung zur Messung des Beweglichkeitsspektrums nachgeschaltet ist.
4. Anwendung des Verfahrens nach Patentanspruch 1 zur Entfernung von Schwebeteilchen aus Gasen, dadurch gekennzeichnet, dass eine stabförmige Lichtquelle mit elektrischer Abschirmung die Mittelelektrode eines Zylinderkondensators bildet, durch den das teilchenhaltige Gas strömt und an dem eine Spannung liegt, so dass die positiv geladenen Teilchen an der Aussenelektrode abgeschieden werden.
5. Verfahren zum elektrischen Aufladen von Schwebeteilchen nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorgang der photoelektrischen Aufladung durch Messung der elektrischen Leitfähigkeit im Gefäss überwacht wird, wobei eine intermittierende Bestrahlung mit ultraviolettem Licht erfolgen kann.
6. Verfahren zum elektrischen Aufladen von Schwebeteilchen nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Energie des ultravioletten Lichtes mittels eines oder mehrerer Filter oder mittels eines Monochromators eingegrenzt bzw. frei gewählt wird.
7. Verfahren zum elektrischen Aufladen von Schwebeteilchen nach einem der vorgehenden Patentansprüche 1,4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass vor, gleichzeitig mit oder nach der positiven photoelektrischen Aufladung eine Aufladung durch Diffusion von Ionen bzw. Elektronen aus einer Glimmentladung erfolgt.
8. Verfahren zum elektrischen Aufladen von Schwebeteilchen nach einem der vorstehenden Patentansprüche 1,4, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Anlagerung der Photoelektronen bzw. Kleinionen an die Schwebeteilchen zugelassen wird indem die Photoemission von der Gefass-wand durch Oberflächenbehandlung und/oder Regulieren des ultravioletten Lichtstrahls verstärkt wird und/oder eine Hilfsspannung die Diffusion der Elektronen bzw. Kleinionen zur Wand herabsetzt.
9. Anwendung des Verfahrens nach Patentanspruch 3 zur Ausfällung kleinster Teilchen, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannung an der Mittelelektrode mit Lampe so niedrig gewählt wird, dass schwerer bewegliche geladene Teilchen bei der herrschenden Strömung nicht an der Aussenelektrode abgeschieden werden.
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