DE102004018260B4

DE102004018260B4 - Sammelfilter und Verfahren zur quantitativen Analyse von in der Luft suspendierten Schwebteilchen

Info

Publication number: DE102004018260B4
Application number: DE102004018260A
Authority: DE
Inventors: Katsumi Saitoh; Junji Kato; Masahiko Fujiwara; Masayoshi Shinohara
Original assignee: Horiba Ltd
Current assignee: Horiba Ltd
Priority date: 2003-04-16
Filing date: 2004-04-15
Publication date: 2006-04-20
Anticipated expiration: 2024-04-16
Also published as: US8012231B2; CN1539543A; US7254212B2; CN100491957C; US20070277626A1; US20050041774A1; DE102004018260A1

Abstract

Sammelfilter (2) mit einem Sammelabschnitt (15) zum Sammeln von in der Luft suspendierten Schwebteilchen als Messmaterial, welcher Sammelabschnitt (15) aus einem porösen Film besteht und mit einer gasdurchlässigen Verstärkungsschicht (16) beschichtet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungsschicht (16) mit einer vorbestimmten Menge eines von dem Messmaterial und von dem Material der Verstärkungsschicht verschiedenen Kennzeichnungsmaterials (17) versehen ist, welches geeignet ist, als Referenz für eine Bestimmung der Menge oder Konzentration von Messkomponenten des Messmaterials zu dienen, wobei das Kennzeichnungsmaterial ein Signal (P_S) einer bestimmten Höhe ergibt, welches durch die Menge des gesammelten Messmaterials nicht verändert wird.

Description

Die Erfindung betrifft einen Schwebteilchen-Sammelfilter zum Sammeln von suspendierten Schwebteilchen, welche zum Beispiel in der Luft, in verschiedenen Ar- ten von Abgasen, durch Verdünnen erzeugten verdünnten Abgasen und dergleichen enthalten sind. Sie betrifft ferner ein Verfahren zur quantitativen Analyse von in der Luft suspendierten Schwebteilchen.

Als ein Verfahren zum Messen von in der Luft suspendierten Schwebteilchen (im weiteren als SPM bezeichnet) ist ein Verfahren bekannt, bei welchem ein vorbestimmter Luftstrom als Probengas kontinuierlich in ein Probenrohr gesaugt wird, um dadurch die in dem Probengas suspendierten Schwebteilchen als Staub auf einem Bandfilter in einer auf der unterstromigen Seite des Probenrohrs installierten Vakuumkammer kontinuierlich zu sammeln, wobei der gesammelte Staub mit β-Strahlen aus einer β-Strahlenquelle bestrahlt wird, um die durch den zu diesem Zeitpunkt gesammelten Staub durchgelassenen β-Strahlen mittels eines Detektors zu erfassen und hierdurch eine Masse des gesammelten Staubs mit Hilfe einer β-Strahlenabsorbtionsmethode unter Verwendung des Ausgangssignals des Detektors zu messen. Gemäß dem Verfahren kann eine Gesamtkonzentration von in der Atmosphäre enthaltenen SPM quantitativ erfasst werden.

In jüngster Zeit bestand jedoch nicht nur der Wunsch nach einer quantitativen Analyse der Gesamtmenge an SPM, sondern auch der Konzentrationen von einzelnen Komponenten (Elemente). D. h., es war erforderlich, dass der auf dem Filter gesammelte Staub mittels Methoden, wie Ionenchromatographie, Fluoureszenz-Röntgenstrahlenanalyse oder PIXY (charged particle induced X-ray analytical method = analytische Methode mittels durch geladene Teilchen induzierte Röntgenstrahlen) analysiert wird, um hierbei Konzentrationen von in dem Staub enthaltenen, einzelnen Komponenten quantitativ zu analysieren. Ein Analysieren von SPM nicht nur bezüglich des Gesamtgewichts (Masse oder Konzentration), sondern auch bezüglich der in den SPM enthaltenen, einzelnen Komponenten, wie oben beschrieben, ist sehr wichtig, um eine SPM-Quelle zu spezifizieren und, basierend auf den Ergebnissen der Analyse, eine brauchbare Luftverschmutzungskontrollmessung durchzuführen.

Falls SPM-Staub auf seine einzelnen Komponenten hin quantitativ analysiert wird, z. B. mittels eines ionenchromatographischen Instruments, eines Fluoureszenz-Röntgenstrahlenanalysators, oder eines PIXY-Analysators, bestand jedoch die Notwendigkeit eine komplizierte Prozedur, wie die Erstellung einer Eichkurve für eine bekannte Teilchenart oder eine Empfindlichkeitskorrektur in einem der oben beschriebenen Instrumente durchzuführen, bevor eine quantitative Analyse einer SPM-Komponente durchgeführt werden kann.

Bei suspendierten Schwebteilchen, welche in der Luft vorhanden sind, beeinträchtigen insbesondere SPM mit einem Durchmesser von 10 μm oder weniger die menschliche Gesundheit und von SPM mit einem Durchmesser von 2,5 μm oder weniger, welche als Mikroschwebteilchen oder PM2.5 bezeichnet werden, wird berichtet, dass sie einen engen Zusammenhang mit der Todesrate bei Menschen haben.

Als eine der Techniken zum Messen der Masse (Konzentration) von SPM in der Luft gibt es zum Beispiel ein Verfahren, das einen manuell betätigten Probennehmer, wie einen Niedrigvolumenprobennehmer einsetzt. Der Probennehmer ist insbesondere so aufgebaut, dass er SPM auf einem Filter sammelt, indem eine vorbestimmte Flussrate der Luft kontinuierlich in ein Probenrohr zum Gewinnen eines Probengases gesaugt wird und dann das Probengas durch den auf der unterstromigen Seite des Probenrohrs angeordneten Filter strömt. Die SPM werden auf dem Filter in diesem Probennehmer einen Tag oder einige wenige Tage lang gesammelt, und anschließend wird deren Masse mittels einer Waage oder dergleichen gemessen, so dass die Konzentration von SPM aus der Masse der gesammelten SPM und der Flussrate des Probengases bestimmt werden kann (siehe zum Beispiel die JP 2001-343319 A).

In den letzten Jahren gab es eine zunehmende Nachfrage nach einer spezifischeren Zusammensetzungsanalyse von SPM. Deshalb wird ein Filter, auf welchem SPM wie oben beschrieben gesammelt worden ist, mittels eines Röntgenspektrometers zum Bestimmen der Zusammensetzung von SPM analysiert (siehe zum Beispiel die JP 10-68684 A). Jedoch hat die oben beschriebene, herkömmliche Methode das Problem, dass sie sehr zeitraubend ist, weil die Messung der SPM mittels einer Waage und die Zu sammensetzungsanalyse der SPM mittels eines Röntgenspektrometers separat ausgeführt werden.

Alternativ, als weitere Technik zum Messen der Masse der aus der Luft gesammelten SPM, gibt es eine Technik, die eine sogenannte β-Strahlen-Absorptionsmethode verwendet, wobei die Masse des Filters, auf welchem die SPM gesammelt worden sind, nicht mittels einer Waage gemessen wird, sondern ein Messpunkt, der durch Sammeln von Schwebteilchen auf einem Filter geformt ist, mit β-Strahlen bestrahlt und die Masse der SPM auf der Basis des Detektionswerts der durchgelassenen Strahlen gemessen wird.

Da jedoch der in der β-Strahlen-Absorptionsmethode eingesetzte Filter aus Silikon, Natrium, Zink und dergleichen enthaltenden Glasfasern besteht, welche in Konkurrenz Röntgenstrahlen absorbieren, ist es schwierig gewesen, mit dem Röntgenspektrometer die Zusammensetzungsanalyse der auf dem aus Glasfasern bestehenden Filter gesammelten SPM durchzuführen.

Als Material für den Filter wird ein Fluoroharz, welches eine ausgezeichnete chemische Stabilität und eine niedrige Hygroskopizität hat, hauptsächlich verwendet. Jedoch ist ein aus Fluoroharz bestehender Filter empfindlich gegenüber einer elektrischen Aufladung, so dass ein solcher Filter den Nachteil hat, aufgrund der elektrischen Aufladung zusammen mit den gesammelten Schwebteilchen auch unerwünschte Stoffe zu absorbieren. Die Absorption der unerwünschten Stoffe aufgrund der elektrischen Aufladung erfolgt, was sich erübrigt mitzuteilen, während des Sammelns der Schwebteilchen mit dem Probennehmer und insbesondere erfolgt eine solche Absorption merklich während der Messung der Masse des Sammelfilters, welcher von dem Probennehmer zu einer Waage überbracht wurde. Dies ist ein Grund für einen großen Meßfehler bei der Analyse der Schwebteilchen.

DE 41 21 493 A1 zeigt eine Analysevorrichtung mit einem beispielsweise als Membranfilter ausgebildeten Träger, welcher eine Reaktionsschicht aufweist, in der für jeweilige Analyten spezifische Antikörper gebunden und mit einem Tracer markiert sind. Der Tracer/Antikörper-Komplex geht mit dem Analyten eine Verdrängungsreaktion ein, durch die der Tracer durch den Analyten ersetzt wird. Der verdrängte Tracer diffundiert in eine Nachweisschicht und reichert sich dort an.

Die US 4,961,916 zeigt einen Sammelfilter, der aus einem ersten Filter aus einem porösen Material wie Polytetrafluoroethylen, einem zweiten Filter aus einem porösen Material, der mit einer wirksamen Menge einer chemischen Verbindung imprägniert ist, und einem dritten Filter als Verstärkungsschicht aufgebaut ist. Die chemische Verbindung des zweiten Filters reagiert mit einem schädigenden oder toxischen Stoff um ein harmloses Derivat zu bilden.

In den beiden obigen Sammelfiltern des Standes der Technik wird das Nachweismaterial für den Analyten bei der Nachweisreaktion umgesetzt und kann aus diesem Grund nicht als Referenz für die Mengenbestimmung anderer Analyten dienen.

Ferner zeigt die nachveröffentlichte DE 103 28 867 A1 einen Bandfilter und ein Verfahren zur Bestimmung der Masse einer am Bandfilter anhaftenden teilchenförmigen Substanz mittels eines Betastrahlungsabsorptionsverfahrens. Bei der Bestimmung der Masse wird die Betastrahlungsstreustärke des leeren Bandfilters ohne zusätzliches Spurenelementmaterial als Referenz berücksichtigt.

Weiterhin zeigt die DE 197 28 930 A1 einen Standard, der aus einem Filter hergestellt werden kann. Es handelt sich jedoch nicht um einen Sammelfilter in Sinn der vorliegenden Erfindung, bei welcher der Standard in dem zum Sammeln einer Staubprobe verwendeten Filter integriert ist.

Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung einen Schwebteilchen-Sammelfilter (welcher im Weiteren einfach als Sammelfilter bezeichnet wird) für in der Atmosphäre suspendierte Schwebteilchen bereitzustellen, welcher geeignet ist, eine quantitative Analyse an SPM-Bestandteilen innerhalb eines kurzen Zeitraums, einfach, komfortabel und mit einer guten Genauigkeit durchzuführen. Ferner soll ein Analyseverfahren unter Verwendung des Sammelfilters angegeben werden.

Diese Aufgabe wird durch einen Sammelfilter gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind durch die Unteransprüche gegeben. Das Verfahren unter Verwendung des Sammelfilters ist in Anspruch 21 angegeben.

Gemäß vorliegender Erfindung zeichnet sich ein Schwebteilchen-Sammelfilter mit einem aus einem porösen Film bestehenden Sammelabschnitt zum Sammeln von in der Luft suspendierten Schwebteilchen als Messmaterial, welcher mit einer gasdurchlässigen Verstärkungsschicht beschichtet ist, dadurch aus, dass die Verstärkungsschicht mit einer vorbestimmten Menge eines von dem Messmaterial und von dem Material der Verstärkungsschicht verschiedenen Kennzeichnungsmaterials versehen ist, welches geeignet ist, als Referenz für eine Bestimmung der Menge oder Konzentration von Messkomponenten des Messmaterials zu dienen, wobei das Kennzeichnungsmaterial ein Signal einer bestimmten Höhe ergibt, welches durch die Menge des gesammelten Messmaterials nicht verändert wird.

Gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung umfasst ein Schwebteilchen-Sammelfilter eine poröse Schicht aus einem Fluoroharz und eine luftdurchlässige Verstärkungsschicht aus einem porösen Harzmaterial mit einer niedrigen elektrischen Aufladungsneigung.

Insbesondere kann die Verstärkungsschicht aus einem nicht-gewebten Stoff bestehen, welcher zum Beispiel aus einem oder einer Vielzahl von Materialien besteht, die aus Polyethylen, Polyethylenterephthalat, Nylon, Polyester und Polyamid gewählt sind.

Ein Fluoroharz, welches in die poröse Schicht eingebracht wird, ist im Allgemeinen empfindlich gegenüber elektrostatische Aufladung. Jedoch hat die Verstärkungsschicht eine antistatische Eigenschaft (statisch-entladende Wirkung), so dass die Verstärkungsschicht eine elektrostatische Aufladung der porösen Schicht, welche die Absorption von unerwünschten Stoffen aus der Atmosphäre bewirkt, effektiv verhindert. Somit kann der Schwebteilchen-Sammelfilter gemäß der Erfindung eine merkliche Verbesserung der Genauigkeit der Messung an den gesammelten Schwebteilchen erreichen.

Während ein herkömmlicher Filter aus einem Fluoroharz von einem Stützring gehalten wird, der aus einem anderen Harztyp besteht und um den aus Fluoroharz bestehenden Filter herum angeordnet ist, ist zur Einsparung von Gewicht die gesamte, aus einem Fluoroharz bestehende, poröse Schicht so geformt, dass sie von der Verstärkungsschicht gehalten wird, so dass erfindungsgemäß ferner eine Verringerung in Dicke und Gewicht erreicht werden kann.

Mittels des Schwebteilchen-Sammelfilters, welcher in der Lage ist, Schwebteilchen effektiv zu sammeln, kann eine hoch-empfindliche quantitative Analyse an den Schwebteilchen durchgeführt werden, und überdies kann eine solche Analyse kontinuierlich und in einfacher Weise durchgeführt werden. Ferner können die Schwebteilchen-Sammelfilter einzeln von dem Drehtisch abgenommen werden, was die Sache vereinfacht, d.h. die Handhabung wird stark verbessert.

Das Meßverfahren unter Verwendung des Sammelfilters beruht auf der β-Strahlen-Absorptionsmethode.

Die Zeichnungen zeigen Ausführungsformen des Sammelfilters und weitere Details des Meßverfahrens.
1 ist eine Darstellung eines beispielhaften Aufbaus eines Messinstruments, in welchem ein Sammelfilter für in der Luft suspendierte Schwebteilchen gemäß der Erfindung eingesetzt ist;
2 ist eine Darstellung einer Struktur eines Hauptteils in dem Instrument;
3 ist eine Kurve, in welcher die Ergebnisse einer mit einem PIXY-Analysator durchgeführten quantitativen Analyse von durch den Sammelfilter gesammelten SPM dargestellt sind;
4A und 4B sind eine Darstellung und ein vertikaler Schnitt, die jeweils in schematischer Weise den Aufbau eines erfindungsgemäßen Sammelfilters zeigen;
5 ist eine perspektivische Ansicht, die in schematischer Weise den Aufbau einer Filtereinheit, die mit dem Sammelfilter von 5 verbunden ist, zeigt.
1 zeigt eine Skizze einer Vorrichtung 1, in welcher SPM unter Verwendung eines Sammelfilters gemäß der Erfindung gesammelt werden, um eine Konzentration (Masse) aller gesammelten SPM zu messen, und 2 zeigt eine Struktur eines Hauptteils hiervon. In 1 steht die Bezugszahl 2 für einen Bandfilter zum Sammeln von SPM (dessen Struktur im Einzelnen später beschrieben wird), wobei der Bandfilter 2 um eine Zufuhrhaspel 3 in Form einer Rolle gewickelt ist. Die Bezugszahl 4 steht für eine Aufnahmehaspel, welche den aus der Zufuhrhaspel 3 zugeführten Bandfilter 2 aufnimmt, wobei eine Kammer 5, in welcher SPM gesammelt und eine Konzentration hiervon gemessen wird, zwischen der Zufuhrhaspel 3 und der Aufnahmehaspel 4 angeordnet ist. Es sei bemerkt, dass die Bezugszahl 6 für eine Transporthaspel zum Bewegen des Bandfilters 2 steht, welche mit einem Transportsensor 6a zum Erfassen einer Transportlänge (eine Bewegungslänge) des Bandfilters 2 aus der Zufuhrhaspel 3 ausgerüstet ist, um den Bandfilter 2 um eine vorbestimmte Länge zu bewegen.
Die Kammer 5 umfasst eine Einlassöffnung für den Bandfilter 2, welche an einer Endseite hiervon ausgebildet ist, eine Auslassöffnung für den Bandfilter 2, welche an der anderen Endseite hiervon ausgebildet ist, und einen Filterhalteabschnitt 7 zum horizontalen Halten und Führen des Bandfilters 2, welcher im Innenraum hiervon angeordnet ist. Z. B. sind, wie in 2 gezeigt ist, in einer horizontalen Haltefläche 7a des Filterhalteabschnitts 7 eine Vielzahl von Gasdurchtrittslöchern 8b und ein in der Draufsicht in Form eines Sechsecks mittig der vorigen angeordnetes Gasdurchtrittsloch 8a ausgebildet, so dass SPM auf dem Bandfilter 2 gesammelt werden können. Eine β-Strahlenquelle 9, welche β-Strahlen in Richtung zum Bandfilter 2 zu dessen Bestrahlung aussendet, ist unterhalb der Unterseite des Filterhalteabschnitts 7 und unterhalb der Sammelposition von SPM (unterhalb der Unterseite des Bandfilters 2) angeordnet, und ein β-Strahlendetektor 10, welcher die durch den Bandfilter 2 durchgelassenen β-Strahlen erfasst, ist über dem Filterhalteabschnitt 7 (über der Oberseite des Bandfilters 2) so angeordnet, dass er der β-Strahlenquelle 9 gegenüberliegt. Es sei bemerkt, dass ein Ausgangssignal des β-Strahlendetektors 10 einem Berechnungssteuerabschnitt, welcher später beschrieben wird, zugeführt wird.
Z. B. ist ein Zyklonvolumenprobensammler 12, welcher in der Lage ist, ein vorbestimmtes Luftvolumen der Luft durch ein Lufteinlassrohr 11 zu entnehmen, mit einer Endseite (einer oberstromigen Seite) der Kammer 5 verbunden, während ein Luftauslassrohr (nicht gezeigt), welches mit einer Probenentnahmepumpe (nicht gezeigt), beispielsweise eine Vakuumpumpe ausgestattet ist, mit der anderen Endseite (eine unterstromige Seite) der Kammer 5 verbunden ist. Luft wird durch einen Saugvorgang der Probenentnahmepumpe in den Volumenprobennehmer 12 eingebracht, wobei die Luft 13 mit SPM einer Konzentration, die durch die Einwirkung des Volumenprobennehmers 12 erhöht ist, in die Kammer 5 geleitet wird, durch den Bandfilter 2 hindurch tritt, durch das Gasdurchtrittsloch 8a des Filterhalterabschnitts 7 strömt und anschließend aus der Kammer 5 befördert wird. Es sei bemerkt, dass die Menge der von dem Volumenprobennehmer 12 angesaugten (entnommenen) Luft dem später beschriebenen Berechnungssteuerabschnitt zugeführt wird.
Es sei bemerkt, dass der Berechnungssteuerabschnitt in 1, welcher durch die Bezugszahl 14 bezeichnet ist, nicht nur jeden Abschnitt der Vorrichtung 1 kontrolliert, sondern auch Berechnungen einer Konzentration durchführt, wobei es sich hierbei z. B. um einen Personalcomputer handelt, wobei ein Anzeigeabschnitt, welcher mit der Bezugszahl 14a bezeichnet ist, ein Berechnungsergebnis oder dergleichen anzeigt.
Es erfolgt nun die Beschreibung einer Struktur des Bandfilters 2 unter Bezugnahme auf die 2; der Bandfilter 2 hat z. B. eine Länge von 40 m und eine Breite W von 4 cm. Der Bandfilter 2 ist aus einem SPM-Sammelabschnitt 15, bestehend aus einem porösen Film, dessen Material Fluoroharz (z. B. Tetrafluouroethylenharz) ist, und einer gasdurchlässigen Verstärkungsschicht 16, welche dem SPM-Sammelabschnitt 15 hinterlegt ist, zusammengesetzt, und enthält ein von dem Messmaterial verschiedenes Kennzeichnungsmaterial 17 in einer vorbestimmten Menge in der Verstärkungsschicht 16, wobei der Bandfilter 2 in der Kammer 5 der Vorrichtung 1 in solcher Weise platziert ist, dass sich der SPM-Sammelabschnitt 15 auf dessen Oberseite (der Seite des β-Strahlendetektors 10) und die Verstärkungsschicht 16 an dessen Unterseite (der Seite der β-Strahlenquelle 9) befinden.
Eine Dicke des Bandfilters 2 liegt vorzugsweise im Bereich von 100 bis 200 m und beträgt stärker bevorzugt im Mittel ca. 140 μm. Ein Gewicht des Bandfilters 2 liegt vorzugsweise im Bereich von 1.1 bis 3.0 mg/cm² und beträgt stärker bevorzugt ca. 1.5 mg/cm².
Eine Dicke des SPM-Sammelabschnitts 15 liegt vorzugsweise im Bereich von 80 bis 90 μm, und ein Gewicht hiervon liegt vorzugsweise im Bereich von 0.1 bis 1 mg/cm², und beträgt stärker bevorzugt ca. 0.3 mg/cm². Ein Gewicht der Verstärkungsschicht 16, welche dem SPM-Sammelabschnitt 15 hinterlegt ist, liegt vorzugsweise im Bereich von 1 bis 2 mg/cm² und beträgt stärker bevorzugt ca. 1.2 mg/cm². Als Verstärkungsschicht 16 ist ein nicht-gewebter Stoff mit einer niedrigen Hygroskopizität bevorzugt, welcher aus Polyethylen, Polyethylenterephtalat, Nylon, Polyester oder Polyamid hergestellt ist, und dem SPM-Sammelabschnitt 15 lokal mit Hilfe eines vorbestimmten Mittels anhaftet. Dabei ist das Kennzeichnungsmaterial 17 als ein von den in der Luft enthaltenen SPM (Messmaterial) verschiedenes Material in der Verstärkungsschicht 16 enthalten, und in einem Fall, wo eine quantitative Analyse nach einer Messung der Konzentration von SPM mit β-Strahlen mit einem PIXY-Analysator durchgeführt wird, wird ein Element, welches aus der Gruppe, bestehend aus Ti, Br, In, Pd, und dergleichen gewählt ist, verwendet, und ein Verfahren angewendet, bei welchem die Verstärkungsschicht 16 mit dem Element imprägniert wird oder dieses darin verwoben ist, so dass das Element in einer vorbestimmten Menge darin enthalten ist. In einem Fall, wo die quantitative Analyse mit einem ionenchromatographischen Instrument durchgeführt wird, wird eine Methode angewendet, bei welcher die Verstärkungsschicht 16 mit einem Element imprägniert wird, oder dieses darin verwoben ist, welches aus der Gruppe, bestehend aus Al, Ca, Cr, Cu, Fe, K, Mg, Mn, Na, Ni, Zn, und dergleichen gewählt ist, so dass das Element in einer vorbestimmten Menge darin enthalten ist. Der Grund, warum das Kennzeichnungsmaterial 17 in der Verstärkungsschicht 16 enthalten ist, liegt darin, dass es wegen des SPM-Sammelabschnitts 15 aus Fluoroharz schwierig ist, dass das Kennzeichnungsmaterial 17 in einer definierten Weise in dem SPM-Sammelabschnitt 15 enthalten ist, während die Verstärkungsschicht 16 als ein nicht-gewebter Stoff mit einer niedrigen Hygroskopizität, welcher aus einem aus Polyethylen, Polyethylenterephtalat, Nylon, Polyester und Polyamid besteht, das Kennzeichnungsmaterial 17 in einer definierten Weise enthalten kann.
Es erfolgt nun die Beschreibung eines Beispiels einer Messsmethode von SPM in der Atmosphäre unter Verwendung eines Bandfilters 2 mit der oben beschriebenen Struktur. Wie in 1 gezeigt ist, wird der Bandfilter zwischen der Zufuhrhaspel 3 und der Aufnahmehaspel 4 platziert, so dass er sich um die Transporthaspel 6 wickelt und durch den Innenraum der Kammer 5 hindurch tritt. Hierbei befindet sich ein Teil des Bandfilters 2 an einer Probenentnahmeposition und bleibt in diesem Zustand stationär.
Durch den Saugvorgang einer Probenentnahmepumpe auf der unterstromigen Seite der Kammer 5 wird im stationären Zustand Luft entnommen und in den Volumenprobennehmer 12 eingebracht, wobei die Luft 13, in welcher eine SPM-Konzentration durch die Einwirkung des Volumenprobennehmers 12 erhöht ist, in die Kammer 5 eingebracht wird, durch den Bandfilter 2 strömt, durch das Luftdurchtrittsloch 8a des Filterhalteabschnitts 7 strömt und hiernach aus der Kammer 5 gelangt. Zu diesem Zeitpunkt werden in der Kammer 5 in der Luft 13 enthaltene SPM auf dem SPM-Sammelabschnitt 15 des Bandfilters 2 gesammelt, während die entnommene Luft 13 durch den Bandfilter 2 strömt, und, wie in 2 gezeigt ist, Messpunkte, die durch die Bezugszahl 18 gekennzeichnet sind, geformt werden. Die Messpunkte 18 werden geformt, indem die gesammelte Luft in einem stationären Zustand des Bandfilters 2 für einen vorbestimmten Zeitraum (z. B. eine Stunde) durch diesen strömt.
Ein Messpunkt 18, welcher auf dem Bandfilter 2 geformt wird, indem eine Luftprobe für eine vorbestimmte Zeit durchgeleitet wird, wird mit β-Strahlen von der β-Strahlenquelle 9 bestrahlt, um die durch den Bandfilter 2 zu diesem Zeitpunkt durchgelassenen β-Strahlen mit dem β-Strahlendetektor 10 zu erfassen. Ein von dem β-Strahlendetektor 10 abgegebenes Intensitätssignal wird einer vorbestimmten, rechnerischen Verarbeitung in dem Berechnungssteuerabschnitt 14 unterzogen, um hierdurch ein Gesamtgewicht des Staubs, d. h. der gesammelten SPM, zu gewinnen, und es erfolgt eine weitere rechnerische Verarbeitung, wobei die eingesaugte Luftmenge verwendet wird, um hierdurch eine Konzentration der gesammelten SPM zu gewinnen. Nach der Messung wird die Transporthaspel 6 betätigt, um den Bandfilter 2 um eine vorbestimmte Länge zu bewegen, wodurch die Messpunkte 18 in Richtung zur Aufnahmehaspel 4 bewegt werden, und ein neuer Abschnitt des Bandfilters 2 wird an der Sammel- und Messposition platziert, wobei ein Bereitschaftszustand für die nächste Sammlung und Messung eingenommen wird.
Um SPM in dem gesammelten Staub auf die enthaltenen, einzelnen Komponenten hin quantitativ zu analysieren, wird ein Messpunkt 18 auf dem Bandfilter 2 beispielsweise mit einem PIXY-Analysator analysiert, wodurch es möglich ist, einzelne Komponenten von SPM im Staub quantitativ zu analysieren. Da eine Komponente (ein Element), welches von den Messkomponenten verschieden ist, als Kennzeichnungsmaterial 17 in der Verstärkungsschicht 16 des Bandfilters 2 enthalten ist, wird in diesem Fall eine Empfindlichkeitskorrektur in dem PIXY-Analysator durchgeführt; hierdurch wird eine Messung einer Konzentration einer gewünschten Messkomponente in den SPM mit einer guten Genauigkeit und einer hohen Empfindlichkeit ermöglicht.
3 zeigt ein Signal 19, welches gewonnen wurde, indem ein Punktabschnitt 18 mit dem PIXY-Analysator als Modell gemessen wird, wobei die Symbole P₁–P₅ Peak-Signale sind, welche den, in dem in den Messpunkten 18 gesammelten Staub (SPM) enthaltenen Elementen (Komponenten), wie Na, S, Cl, Ca und Fe, entsprechen, wobei die Höhe eines Peaks proportional zur Konzentration (Menge) eines zugehörigen Elements ist.
Das Symbol P_S ist ein Ti entsprechendes Peaksignal, das als ein Kennzeichnungsmaterial 17 in der Verstärkungsschicht 16 des Bandfilters 2 enthalten ist. Wenn die Konzentration (Menge) von Titan als Kennzeichnungsmaterial 17 beispielsweise 1 ppm beträgt, gibt eine Peakhöhe des Peaksignals P_S 1 ppm an; deshalb kann eine korrekte Konzentration (Menge) jedes Elements mit der Peakhöhe als Referenz bestimmt werden.
In einem Fall, wo der Bandfilter 2 nur aus dem SPM-Sammelabschnitt 15 besteht, dessen Material Fluoroharz ist, und eine geringe Dicke von beispielsweise 80 bis 90 μm und ein geringes Gewicht von beispielsweise 0.3 mg/cm² aufweist, ist die Zugfestigkeit des Bandfilters 2 so gering, dass er für eine intermittierende automatische Messung nicht geeignet ist, wohingegen der erfindungsgemäße Bandfilter eine Struktur hat, in welcher die gasdurchlässige Verstärkungsschicht 16 mit einem Gewicht von beispielsweise 1.2 mg/cm² (Mittelwert) als eine Verstärkung des dünnen und leichten SPM-Sammelabschnitts 15 verwendet wird, wodurch die Zugfestigkeit des Bandfilters 2 erhöht werden kann, während die Dicke des Bandfilters 2 vermindert wird. Das heißt, der Bandfilter 2 ist in der obigen Ausführungsform für ein automatisches Messverfahren, in welchem der Bandfilter 2 in einem vorbestimmten Spannungszustand beim Sammeln von SPM gehalten wird, besonders geeignet.
Da in der oben beschriebenen Ausführungsform die Verstärkungsschicht 16 dem SPM-Verstärkungsabschnitt 15 des Bandfilters 2 lokal anhaftet, kann eine Struktur eingesetzt werden, in welcher die Dicke eines Abschnitts, auf welchem die Verstärkungsschicht 16 nicht anhaftet, vermindert ist, welche dann beispielsweise nur 80 bis 90 μm dick ist, wobei das Gewicht des Abschnitts auf einen Wert in der Größenordnung von beispielsweise 0.3 mg/cm² vermindert wird, wodurch es möglich ist, das Gewicht (Dichte) des Bandfilters 2 auf einen Wert in der Größenordnung von im Mittel 1.5 mg/cm² zu vermindern; deshalb kann die von dem SPM-Sammelabschnitt 15 absorbierte β-Strahlungsmenge vermindert werden, um hierdurch die Empfindlichkeit der Messung zu erhöhen.
Es sei bemerkt, dass der Sammelfilter 2 gemäß der Erfindung bei der Messung nicht auf das β-Strahlenabsorptionsverfahren als Messverfahren eingeschränkt ist, sondern dass auch andere Messinstrumente, welche auf einem Druckverlustverfahren oder einem Lichtstreuverfahren basieren, eingesetzt werden können.
Wie oben beschrieben ist, wird in einem Sammelfilter der Erfindung SPM als Staub gesammelt und anschließend eine Messung an den gesammelten SPM mit einem PIXY-Analysator, einem Fluoreszenz-Röntgenstrahlenanalysator und einem ionenchromatographischen Instrument durchgeführt, um hierdurch zu ermöglichen, dass eine Empfindlichkeitskorrektur in dem PIXY-Analysator oder dergleichen durchgeführt wird, wodurch eine quantitative Analyse einzelner SPM-Komponenten mit einer guten Genauigkeit möglich ist. Demzufolge können mit dem eingesetzten Sammelfilter nicht nur eine Gesamtmenge von SPM in der Luft, sondern auch einzelne Komponenten hiervon mit guter Genauigkeit quantitativ analysiert werden.
Die 4A und 4B zeigen einen Schwebteilchen-Sammelfilter (im Weiteren einfach als Filter bezeichnet) gemäß einer weiteren Ausgestaltung. Dieser Filter 101 wird zum Sammeln der in einem Probengas enthaltenen Schwebteilchen verwendet. Zum Beispiel ist der Filter zum Sammeln von SPM in der Atmosphäre, insbesondere Feinschwebteilchen, wie PM2.5, geeignet. Der Filter 101 hat in einer Draufsicht beispielsweise die Form eines Kreises und eine Vielschichtenstruktur (Zweischichtenstruktur) mit einer porösen Schicht 102 als Filterkörper, welche aus einem Fluoroharz besteht, und einer Verstärkungsschicht 103, die luftdurchlässig ist und auf einer der Seiten der porösen Schicht 102 (Unterseite in der Figur) angeordnet ist, wobei die Verstärkungsschicht 103 aus einem porösen Harz besteht, welches eine niedrige elektostatische Aufladungsneigung hat.
Insbesondere umfasst die poröse Schicht 102 einen porösen Film aus einem Fluoroharz, wie Tetrafluoroethylenharz. Die Verstärkungsschicht 103 umfasst einen nicht-gewebten Stoff, welcher aus einem oder einer Vielzahl von Materialien besteht, die aus Polyethylen, Polyethylenterephthalat, Nylon, Polyester und Polyamid gewählt sind, und eine niedrige hygroskopische Eigenschaft aufweisen. Die poröse Schicht 102 und Verstärkungsschicht 103 werden mit einem geeigneten Verfahren miteinander verbunden, wie etwa Verkleben.
Insbesondere weist die poröse Schicht 102 des Filters 101 eine Dicke von beispielsweise 80 bis 90 μm auf. Das Gewicht der porösen Schicht 102 liegt vorzugsweise in einem Bereich von 0,1 bis 1 mg/cm². In dieser Ausführungsform beträgt das Gewicht ca. 0,3 mg/cm². Andererseits liegt das Gewicht der Verstärkungsschicht 103 vorzugsweise in einem Bereich von 1,0 bis 2,0 mg/cm². In dieser Ausführungsform beträgt das Gewicht ca. 1,2 mg/cm².
Ferner liegt die Gesamtdicke des Filters 101 vorzugsweise in einem Bereich von 100 bis 200 μm als ein Mittelwert. In dieser Ausführungsform beträgt die Dicke ca. 140 μm. Ferner liegt das Gewicht des Filters 101 vorzugsweise in einem Bereich von 1,0 bis 3,0 mg/cm² als ein Mittelwert. In dieser Ausführungsform beträgt das Gewicht ca. 1,5 mg/cm².
5 zeigt ein Beispiel einer Filtereinheit 104, in welcher der Filter 101 montiert ist. Diese Filtereinheit 104 ist so aufgebaut, dass sie den Filter 101 zwischen einer Basisplatte 105 und einer Rückhalteplatte 106 hält, und ermöglicht, dass das Probengas durch den dazwischen gehaltenen Filter 101 strömen kann. Diese Filtereinheit 104 ist beispielsweise in einem Strömungsdurchgang (nicht gezeigt) des Probengases platziert.
Insbesondere ist die Basisplatte 105 eine Platte, welche in der Draufsicht im Wesentlichen die Form eines Rechtecks hat und mit einem Mittelabschnitt versehen ist, der gegenüber der Umgebung stufenförmig abgesenkt ist. Dieser Mittelabschnitt dient als ein Filtermontageabschnitt 107, an den der Filter 101 montiert wird. Der Filtermontageabschnitt 107 weist einen ringförmigen Abschnitt 108 auf, der an dessen Innenumfang geformt ist, und so gestaltet ist, dass er gegen den Außenumfang des Filters 101 stößt, sowie eine Vielzahl von Durchgangslöchern 109 und eine Vielzahl von Brücken 110, die in dessen Mittelabschnitt geformt sind, wobei die Durchgangslöcher dazu dienen, das Probengas hindurchtreten zu lassen, und wobei die Brücken, die eine geeignete Form haben und von der unterstromigen Seite (untere Seite in der Figur) des Filters gegen den Filter 101 stoßen, dazu dienen, zu verhindern, dass der Filter 101 zur unterstromigen Seite hin verformt wird und durch die Strömung des Probengases bricht.
Zusätzlich umfasst die Basisplatte 105 einen dicken Plattenabschnitt 111 und einen Montageseitenabschnitt 112, wobei der dicke Plattenabschnitt 111 an einem Ende einer der Seiten (Oberseite) der Basisplatte 105 geformt ist, mit einer Oberseite, die gegenüber dem restlichen Abschnitt dieser Seite mit einer der Dicke der Rückhalteplatte 106 entsprechenden Dicke erhöht ist, und wobei der restliche Abschnitt dieser Seite, mit Ausnahme des dicken Plattenabschnitts 111, als Montageseitenabschnitt 112 zum Aufnehmen der Rückhalteplatte 106 dient. Es sei bemerkt, dass der Montageseitenabschnitt 112 und der Rückhalteabschnitt 106 so geformt sind, dass sie im Wesentlichen die gleiche Form und Größe haben. Wenn die Rückhalteplatte 106 über dem Montageseitenabschnitt 112 platziert wird, ist die Oberseite der Rückhalteplatte 106 im Wesentlichen eben mit der Oberseite des dicken Plattenabschnitts 111.
Andererseits ist die Rückhalteplatte 106 eine Platte, die in der Draufsicht im Wesentlichen die Form eines Rechtecks hat, und mit einem Durchgangsloch 113 im Wesentlichen in deren Mitte versehen ist, welches Durchgangsloch 113 wie jenes des Filters 101 in der Draufsicht die Form eines Kreises hat, und einen Durchmesser hat, der ein wenig kleiner ist als der Durchmesser des Filters 101. Demzufolge ist die Mitte des Filtermontageabschnitts 107 der Basisplatte 105 so gestaltet, dass sie automatisch mit der Mitte des Durchgangslochs 113 der Rückhalteplatte 106 zusammenfällt, wenn die Rückhalteplatte 106 über dem Montageseitenabschnitt 112 der Basisplatte 105 platziert wird, wie in 9 gezeigt ist. Wenn somit der Filter 101 in den Filtermontageabschnitt 107 der Basisplatte 105 platziert und die Rückhalteplatte 106 über dem Montageseitenabschnitt 112 platziert wird, wodurch die Befestigung des Filters 101 zwischen der Basisplatte 105 und der Rückhalteplatte 106 abgeschlossen ist, wird der Filter 101 zwischen den dem ringförmigen Abschnitt der Basisplatte 105 bzw. dem Umfang des Durchgangslochs 113 der Rückhalteplatte 106 angrenzenden Abschnitten festgehalten.

Claims

Sammelfilter (2) mit einem Sammelabschnitt (15) zum Sammeln von in der Luft suspendierten Schwebteilchen als Messmaterial, welcher Sammelabschnitt (15) aus einem porösen Film besteht und mit einer gasdurchlässigen Verstärkungsschicht (16) beschichtet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungsschicht (16) mit einer vorbestimmten Menge eines von dem Messmaterial und von dem Material der Verstärkungsschicht verschiedenen Kennzeichnungsmaterials (17) versehen ist, welches geeignet ist, als Referenz für eine Bestimmung der Menge oder Konzentration von Messkomponenten des Messmaterials zu dienen, wobei das Kennzeichnungsmaterial ein Signal (P_S) einer bestimmten Höhe ergibt, welches durch die Menge des gesammelten Messmaterials nicht verändert wird.
Sammelfilter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungsschicht (16) dem Sammelabschnitt (15) nur lokal anhaftet.
Sammelfilter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abschnitt, an welchem die Verstärkungsschicht (16) dem Sammelabschnitt (15) nicht anhaftet, eine verminderte Dicke aufweist.
Sammelfilter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der poröse Film aus einem oder mehreren Materialien, gewählt aus der Gruppe bestehend aus Fluoroharz und Glasfasern, besteht.
Sammelfilter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungsschicht (16) aus einem nicht-gewebten Stoff mit einer niedrigen Hygroskopizität besteht.
Sammelfilter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der nicht-gewebte Stoff auf einem oder mehreren Materialien, gewählt aus der Gruppe, bestehend aus Polyethylen, Polyethylenterephthalat, Nylon, Polyester und Polyamid besteht.
Sammelfilter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die Dicke des Filters im Bereich von 100 bis 200 μm liegt.
Sammelfilter nach Anspruch 7, bei welchem die Dicke des Filters im Mittel ca. 140 μm beträgt.
Sammelfilter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem das Gewicht des Filters im Bereich von 1,1 bis 3,0 mg/cm² liegt.
Sammelfilter nach Anspruch 9, bei welchem das Gewicht des Filters im Mittel ca. 1, 5 mg/cm² beträgt.
Sammelfilter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die Dicke des Sammelabschnitts (15) im Bereich von 80 bis 90 μm liegt.
Sammelfilter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem das Gewicht des Sammelabschnitts (15) im Bereich von 0,1–1 mg/cm² liegt.
Sammelfilter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem das Gewicht der Verstärkungsschicht (16) im Bereich von 1 bis 2 mg/cm² liegt.
Sammelfilter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem das Gewicht der Verstärkungsschicht in der Größenordnung von ca. 1,2 mg/cm² liegt.
Sammelfilter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem das Kennzeichnungsmaterial (17) aus der Gruppe, bestehend aus Ti, Br, In, Pd, und Kombinationen hieraus, gewählt ist.
Sammelfilter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem das Kennzeichnungsmaterial (17) aus der Gruppe, bestehend aus Al, Ca, Cr, Cu, Fe, K, Mg, Mn, Na, Ni, Zn, und Kombinationen hieraus, gewählt ist.
Sammelfilter nach einem der Ansprüche 1 bis 16, welcher in Form eines Bandfilters ausgebildet ist.
Sammelfilter nach einem der Ansprüche 1 bis 16, welcher eine blattartige Form aufweist.
Sammelfilter nach einem der Ansprüche 1 bis 18, welcher eine poröse Schicht aus einem Fluoroharz und eine luftdurchlässige Verstärkungsschicht, die auf einer der Seiten der porösen Schicht angeordnet ist, aufweist, wobei die Verstärkungsschicht aus einem porösen Harz mit einer geringen elektrostatischen Aufladungsneigung besteht.
Sammelfilter nach Anspruch 19, bei welchem die Verstärkungsschicht aus einem nicht-gewebten Stoff gefertigt ist, welcher aus einem oder einer Mehrzahl von Materialien, gewählt aus der Gruppe, bestehend aus Polyethylen, Polyethylenterephthalat, Nylon, Polyester und Polyamid, besteht.
Verfahren zur quantitativen Analyse von in der Luft suspendierten Schwebteilchen, welches die folgenden Schritte umfasst: – Bereitstellen eines Sammelfilters nach einem der Ansprüche 1 bis 20 zum Sammeln der in der Atmosphäre suspendierten Schwebteilchen; – Durchleiten einer Luftprobe für eine vorbestimmte Zeit durch den Sammelfilter, um einen Messkomponenten enthaltenden Messpunkt auf dem Sammelfilter zu formen; – Bestrahlen des Messpunkts mit β-Strahlen von einer β-Strahlenquelle, um die durch den Sammelfilter zu diesem Zeitpunkt durchgelassenen β-Strahlen mit einem β-Strahlendetektor zu erfassen; – rechnerische Verarbeitung eines von dem β-Strahlendetektor abgegebenen Intensitätssignals in einem Berechnungssteuerabschnitt zur Bestimmung des Gesamtgewichts des gesammelten Messmaterials, – Durchführung einer weiteren komponenten- oder elementspezifischen Messung, – Bestimmung der Menge oder Konzentration von Komponenten oder Elementen des gesammelten Messmaterials, wobei ein Signal (P_S) des in der Verstärkungsschicht vorhandenen Kennzeichnungsmaterials als Referenz für die Bestimmung der Menge oder Konzentration der Komponenten oder Elemente des Messmaterials verwendet wird.