DE10162053A1

DE10162053A1 - Trenn- und Klassifizierverfahren

Info

Publication number: DE10162053A1
Application number: DE2001162053
Authority: DE
Inventors: Gerhard Pohlmann; Wolfgang Koch
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2001-12-17
Filing date: 2001-12-17
Publication date: 2003-06-26
Anticipated expiration: 2021-12-18
Also published as: DE10162053B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Trenn- und Klassifizierverfahren zur Trennung von faserförmigen (10) und nicht faserförmigen (11) Partikeln und/oder zur Klassifizierung von faserförmigen Partikeln (11). DOLLAR A Ein Partikel enthaltendes Trägergas wird durch einen Ionisationsbereich (5) und einen Abscheidebereich (6a, 6b) geleitet, wobei die Partikel in dem Ionisationsbereich (5) unipolar aufgeladen, DOLLAR A in dem Abscheidebereich (6a, 6b) durch ein elektrostatisches Feld auf mindestens einer Abscheideelektrode abgeschieden und DOLLAR A in einzelnen Zonen (6a, 6b) der mindestens einen Abscheideelektrode längs der Strömungsrichtung des Trägergases zonenweise getrennt aufgenommen werden.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Trennung von faserförmigen und nicht faserförmigen Partikeln bzw. zur Klassifizierung faserförmiger Partikel.
Derartige Trenn- bzw. Klassifizierverfahren werden beispielsweise zur Herstellung großer Fasermengen einheitlicher Dimensionen zur Untersuchung ihrer toxischen Eigenschaften eingesetzt. Für diese Untersuchung dürfen die Fasern eine bestimmte Größe nicht überschreiten. Daher werden diese Faserproben üblicherweise durch Zerkleinerung längerer Fasern mit anschließender Sichtung der Fasern gewonnen. Bei dem Zerkleinerungsprozeß entstehen jedoch neben den gewünschten Fasern häufig auch nicht faserförmige Partikel oder faserförmige Partikel anderer Länge mit vergleichbaren aerodynamischen Eigenschaften. Dadurch ist bei den herkömmlicherweise auf aerodynamischen Eigenschaften basierenden Klassifizierungsprozessen eine Trennung von faserförmigen und nicht faserförmigen Partikeln nicht möglich.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren zur Trennung bzw. Klassifizierung von Partikeln sowie eine Vorrichtung hierfür anzugeben. Diese Aufgabe wird durch das Verfahren gemäß Patentanspruch 1 und die Vorrichtung gemäß Patentanspruch 7 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. der erfindungsgemäßen Trenn- und Klassifiziervorrichtung werden in den jeweiligen abhängigen Ansprüchen gegeben.

Erfindungsgemäß werden die zu klassifizierenden oder zu trennenden Partikel bzw. Fasern in einen Luftstrom eingebracht. Dieser Luftstrom durchströmt einen Bereich, in dem die Fasern unipolar aufgeladen werden. In einem nachfolgenden Abscheidebereich werden die Fasern mittels elektrostatischer Felder auf Abscheideelektroden abgeschieden.

Entscheidend bei dem vorliegenden Verfahren ist nun, daß die Fasern sich entsprechend ihrer Länge unterschiedlich aufladen und von daher eine unterschiedliche Abscheidegeschwindigkeit im elektrostatischen Feld des Abscheidebereiches aufweisen. Dadurch werden zuerst die längeren Fasern abgeschieden und erst nach längerem Transport innerhalb des Luftstroms auch die kürzeren Fasern oder die nicht faserigen Partikel. Dies bedeutet, daß sich auf der Abscheidevorrichtung in Längsrichtung zu dem Luftstrom unterschiedliche Abscheidezonen ausbilden. Werden nun die Partikel von diesen unterschiedlichen Abscheidezonen getrennt voneinander eingesammelt, so erhält man unterschiedliche Fraktionen von Partikeln, die sich in ihrer Länge unterscheiden.

Damit ist eine gesicherte Klassifizierung faserförmiger Partikel oder auch eine Trennung faserförmiger Partikel von nicht faserförmigen Partikeln gewährleistet.

Das allgemeine Prinzip soll nun noch einmal ausführlich beschrieben werden.

Durch die elektrische Aufladung von luftgetragenen, faserförmigen und nicht faserförmigen Partikeln in einem Ionenstrom und anschließender Migration in einem elektrischen Feld wandern die elektrisch geladenen Partikel (positiv oder negativ) in Richtung von Abscheideelektroden und werden dort abgeschieden. Aufgrund der unterschiedlichen Geometrien von faserförmigen und nicht faserförmigen Partikeln kommt es im Ionenstrom zu unterschiedlich starker Aufladung. Daraus resultiert eine größere elektrische Mobilität der luftgetragenen Fasern im Vergleich zu nicht faserförmigen Partikeln desselben Materials. Durch geeignete Auslegung des elektrischen Feldes zur Abscheidung und geeignete Anordnung der Abscheideelektroden kann die unterschiedliche elektrische Mobilität zur Trennung von faserförmigen und nicht faserförmigen Partikeln genutzt werden.

Das Verfahren wird zur Herstellung großer Fasermengen zur Untersuchung ihrer toxischen Eigenschaften eingesetzt. Für diese Untersuchungen dürfen die Fasern eine bestimmte Größe nicht überschreiten. Daher werden diese Faserproben üblicherweise durch Zerkleinerung längerer Fasern mit anschließender Sichtung der Fasern gewonnen. Bei dem Zerkleinerungsprozeß entstehen neben den gewünschten Fasern häufig auch nicht faserförmige Partikel mit vergleichbaren aerodynamischen Eigenschaften. Dadurch ist bei den üblicherweise auf aerodynamischen Eigenschaften basierenden Klassifizierungsprozessen eine Trennung von faserförmigen und nicht faserförmigen Partikeln nicht möglich. Das hier beschriebene Verfahren ermöglicht auf der Basis der folgend dargelegten Überlegungen die Trennung durch die Ausnutzung der unterschiedlichen elektrischen Mobilitäten von Fasern und sphärischen Partikeln.

Für die Wanderungsgeschwindigkeit eines geladenen Partikels im elektrischen Feld gilt:

Dabei bedeuten n die Anzahl der Ladungen auf dem Partikel, E die Feldstärke des äußeren Feldes, C_c die Cunninghamkorrektur, η die Luftviskosität, d der Partikeldurchmesser und χ der Formfaktor. Für die Feldaufladung eines kugelförmigen Partikels im elektrischen Feld einer Stärke E gilt:

Dabei bedeuten ε die Dielektrizitätskonstante der Partikel, d der Partikeldurchmesser, K_E ist eine Konstante, N_i ist die Luftionenkonzentration, Z_i die Luftionenbeweglichkeit, e die elektrische Elementarladung und t die Zeit.

Der erste Term auf der rechten Seite von Gleichung 2 enthält nur Konstanten. Der zweite Term ist abhängig von der Oberfläche des betrachteten Partikels (d²), während der dritte Term die Zeitabhängigkeit der Partikelaufladung, unabhängig von der Partikelgröße, wiederspiegelt.

Für eine zylindrische Faser der Länge l = xd_F gilt analog:

Unter der Annahme, daß die Cunninghamkonstante für Faser und sphärisches Partikel gleich ist, gilt für das Verhältnis der Wanderungsgeschwindigkeiten von Faser und sphärischem Partikel im elektrischen Feld:

Einsetzen von Gleichungen 2 und 3 in Gleichung 4, Gleichsetzen von d_F und d sowie Berücksichtigung von x = l/d führt zu:

Da das Verhältnis der Formfaktoren von Faser zu Partikel den Faktor 2 nicht überschreitet, ist bei einem Längen- zu Dickenverhältnis (x = 1/d_F) der Faser größer 1,5 mit einer schnelleren Wanderung der Faser im elektrischen Feld bei sonst gleichen Bedingungen auszugehen. Dieser Unterschied wird bei geeigneter Auslegung des elektrischen Feldes zur Abscheidung und geeigneter Anordnung der Abscheideelektroden zur Trennung von faserförmigen und nicht faserförmigen Partikeln gemäß der vorliegenden Erfindung genutzt. Im folgenden werden einige Beispiele erfindungsgemäßer Verfahren und Vorrichtungen gegeben.

Es zeigen:
Fig. 1 einen erfindungsgemäßen Faserklassifizierer;
Fig. 2 die in einer ersten Abscheidezone abgeschiedenen Faserpartikel;
Fig. 3 die in einer zweiten Abscheidezone abgeschiedenen Partikel.
Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung 1 zum Trennen von faserförmigen und nicht faserförmigen Partikeln bzw. zum Klassifizieren von faserförmigen Partikeln bezüglich ihrer Länge bzw. bezüglich ihres Längen : Dicken-Verhältnisses.
Die Vorrichtung 1 weist einen Sichtungskanal 2 auf, durch den eine Luftströmung in Richtung des Pfeiles A geblasen wird. Diese tritt bei einem Gaseinlaß 15 in den Sichtungskanal 2 und an einer Gasauslaßöffnung 16 aus dem Sichtungskanal 2 wieder aus. Vor dem Gaseinlaß 15 ist ein Dispergierer 3 angeordnet, der Fasern in die Luftströmung, die den Sichtungskanal 2 durchströmen, dispergiert. Dadurch werden die Fasern luftgetragen durch den Sichtungskanal transportiert.
Als erstes durchlaufen die Fasern dann einen Vorabscheider 4, in dem grobe Verunreinigungen aus dem Luftstrom ausgefiltert werden. Anschließend treten sie in einen Ionenerzeuger 5 ein, in dem mittels kroner Entladung die Faserpartikel bzw. Partikel elektrisch geladen (ionisiert) werden. Anschließend durchlaufen sie einen Abscheidebereich 6, in dem ein elektrostatisches Feld zwischen Kondensatorplatten aufgebaut ist. Dieser Abscheidebereich 6 unterteilt sich hier in eine erste Abscheidezone 6a, die sich noch im Bereich des Ionenerzeugers 5 als Teil des Ionenerzeugers 5 ausbildet. Weiterhin bildet sich eine zweite Abscheidezone 6b, die ebenfalls durch Kondensatorplatten, zwischen denen ein elektrostatisches Feld anliegt, gebildet wird. Nach Durchlaufen der beiden Abscheidezonen 6a und 6b durchläuft der Luftstrom einen Back-up-Filter, zur nachträglichen vollständigen Ausfilterung jeglicher Faserpartikel aus der durch den Sichtungskanal 2 strömenden Luft. Am Ende des Sichtungskanals 2 befindet sich ein Gebläse 8, mit dem der Luftstrom durch den Sichtungskanal 2 gesaugt wird, bevor er hinter dem Gebläse 8 den Sichtungskanal 2 verläßt.
Der Vorfilter 4 dient der Abscheidung der besonders großen Fasern und Partikel und verhindert, daß die nachgeschaltete Klassifiziervorrichtung 5, 6a, 6b überladen wird. Der nachgeschaltete Back-up-Filter 8 verhindert das Austreten von Fasern in die Umwelt.
Aufgrund der unterschiedlichen ionischen Aufladung der Partikel in Abhängigkeit von ihrer Länge werden nun in der ersten Abscheidezone 6a bevorzugt faserige Partikel abgeschieden und in der zweiten Abscheidezone 6b vorwiegend nicht faserförmige Partikel bzw. Partikel mit kurzer Faserlänge. Damit wird eine Trennung von faserförmigen und nicht faserförmigen Partikeln bzw. eine Klassifizierung in kurzfaserige und langfaserige Partikel bewirkt.
Fig. 2 und 3 zeigen in rasterelektronenmikroskopischen Aufnahmen Proben aus der ersten Abscheidezone (Fig. 2) bzw. der zweiten Abscheidezone (Fig. 3). Es ist gut zu erkennen, daß in der Abscheidezone 6a im wesentlichen langfaserige Partikel abgeschieden werden, während in der zweiten Abscheidezone 6b überwiegend nicht faserige bzw. kurzfaserige Partikel abgeschieden werden.
Für die in den Fig. 2 und 3 dargestellten Ergebnisse wurde Steinwolle nach Mahlung in einer Schneidmühle (Fa. Retsch) in einer Luftströmung dispergiert. Es wurde ein Elektrofilter vom Typ SFE 25 der Fa. Euromat GmbH, Willich ohne Strömungsvergleichmäßiger eingesetzt. Der Filter wurde mit 5 kV Abscheidespannung und 0,5 cm Plattenabstand betrieben. Die Koronaentladung arbeitete mit einer Spannung von 10 kV mit einem Abstand des Drahtes zur Gegenelektrode von 5 cm.
In diesem Falle ist die erste Abscheidezone 6a noch innerhalb des Bereiches der Coronaentladung, in dem es ebenfalls aufgrund des elektrischen Feldes zwischen dem Draht und der Gegenelektrode bereits zu einer Abscheidung kommt. Als zweite Abscheidezone wurden die Platten des Filtrationsteiles des Elektrofilters verwendet. Der Volumenstrom durch den Filter betrug während der Versuche ca. 300 m³/h.
Erfindungsgemäß können daher herkömmliche Elektrofilter als Klassifizierer und Trennvorrichtungen eingesetzt werden, wobei zu beachten ist, daß die einzelnen Abscheidezonen nicht notwendigerweise in Form von getrennten Abscheideplatten vorliegen, sondern auch lediglich Bereiche ein und derselben Abscheideplatten sein können, die sich in Strömungsrichtung des Gases hintereinander auf der Platte ausbilden.
Durch die erfindungsgemäße Verfahrensweise ist es folglich möglich, ein kontinuierliches Klassifizierungsspektrum für die Faserpartikel zu erhalten.

Claims

1. Trenn- und Klassifizierverfahren zur Trennung von faserförmigen (10) und nicht faserförmigen (11) Partikel und/oder zur Klassifizierung von faserförmigen Partikeln (11), dadurch gekennzeichnet, daß
ein Partikel enthaltendes Trägergas durch einen Ionisationsbereich (5) und einen Abscheidebereich (6a, 6b) geleitet wird,
die Partikel in dem Ionisationsbereich (5) unipolar aufgeladen werden,
die Partikel in dem Abscheidebereich (6a, 6b) durch ein elektrostatisches Feld auf mindestens einer Abscheideelektrode abgeschieden werden, und
die Partikel in einzelnen Zonen (6a, 6b) der mindestens einen Abscheideelektrode längs der Strömungsrichtung des Trägergases zonenweise getrennt aufgenommen werden.

2. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß der Ionisationsbereich (5) als Teil des Abscheidebereiches (6a) verwendet wird.

3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Partikel durch Coronaentladung unipolar aufgeladen werden.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Partikel in dem Abscheidebereich (6a, 6b) auf elektrisch geladenen Platten als Abscheideelektroden abgeschieden werden.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Trägergasstrom vor der Ionisation der Partikel zur Entfernung von Partikeln, die eine vorbestimmte Größe überschreiten, vorgefiltert wird.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Trägergasstrom nach der Abscheidung der Partikel zur Entfernung von Partikelresten gefiltert wird.

7. Trenn- und Klassifiziervorrichtung (1) für luftgetragene Partikel, gekennzeichnet durch einen Sichtungskanal (2) mit einer Gaseinlaßöffnung (15) und einer Gasauslaßöffnung (16), wobei in dem Sichtungskanal (2) eine Gasionisiervorrichtung (5) und eine elektrostatische Abscheidevorrichtung (6a, 6b), die eine Längenausdehnung in Längsrichtung des Sichtungskanals (2) aufweist, angeordnet sind.

8. Vorrichtung (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß die Abscheidevorrichtung (6a, 6b) mindestens eine sich in Längsrichtung des Sichtungskanals (2) erstreckende Kondensatorplatte aufweist.

9. Vorrichtung (1) nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß vor der Ionisiervorrichtung (5) im Bereich der Gaseinlaßöffnung (15) innerhalb und/oder außerhalb des Sichtungskanals (2) mindestens ein Vorabscheider (4) angeordnet ist.

10. Vorrichtung (1) nach einem der drei vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß nach der Abscheidevorrichtung (6a, 6b) im Bereich der Gasauslaßöffnung (16) innerhalb und/oder außerhalb des Sichtungskanals (2) ein Nachabscheider (7) angeordnet ist.

11. Vorrichtung (1) nach einem der vier vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß vor der Ionisationsvorrichtung (5) im Bereich der Gaseinlaßöffnung (15) innerhalb und/oder außerhalb des Sichtungskanals (2) eine Dispergiervorrichtung (3) zur Dispersion von Partikeln (11) in ein Trägergas angeordnet ist.