DE102018203842A1

DE102018203842A1 - Sensortag zur Detektion von Feinstaubpartikeln und Staubmaske

Info

Publication number: DE102018203842A1
Application number: DE102018203842.2A
Authority: DE
Inventors: Andreas Gehrold
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2018-03-14
Filing date: 2018-03-14
Publication date: 2019-09-19
Also published as: CN110274856A

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Sensortag (10) zur Detektion von Feinstaubpartikeln (30). Dieser weist eine Gelmatrix (11) auf, die mindestens ein farbiges Oxidationsmittel (20) enthält. Das Oxidationsmittel (20) kann gegenüber Kohlenstoff als Elektronenakzeptor fungieren. Der Sensortag kann im Innenraum einer Staubschutzmaske angeordnet werden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Sensortag zur Detektion von Feinstaubpartikeln. Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung eine Staubmaske, welche mindestens einen Sensortag aufweist.
Stand der Technik
Zur Überwachung der Feinstaubpartikelbelastung in der Luft werden technisch komplizierte Verfahren eingesetzt. Meistens kommen resistive Rußsensoren zum Einsatz um kohlenstoffbasierte Partikel, wie sie in Verbrennungsmotoren entstehen, zu erfassen. Optische Messverfahren, wie die spektrometrische Bestimmung von Ruß oder die streulichtbasierte Messung mit Sensoren sind zwar weniger komplex und erlauben die Detektion von Feinstaubpartikeln unabhängig von ihrer chemischen Zusammensetzung, allerdings sind sie auf eine Stromzufuhr und eine Auswertesoftware angewiesen.
In Umgebungen, in denen die Luft stark mit Feinstaubpartikeln belastet ist, ist ein Arbeitsschutz durch das Tragen von Staubmasken möglich. Undichtigkeiten derartiger Staubmasken können allerdings nicht auf einfache Weise erkannt werden. Insbesondere ist es nicht möglich, im ständigen Einsatz der Staubmasken einen Detektor für Feinstaubpartikel in ihrem Innenraum anzuordnen, da alle derartigen Detektoren hierfür viel zu groß sind.
Offenbarung der Erfindung
Der Sensortag zur Detektion von Feinstaubpartikeln weist als funktionelle Einheit eine Gelmatrix auf. Die Gelmatrix enthält mindestens ein farbiges Oxidationsmittel, dessen Redoxpotential so gewählt ist, dass es gegenüber Kohlenstoff als Elektronenakzeptor fungieren kann. Die Gelmatrix schützt das Oxidationsmittel vor äußeren Einflüssen, wie beispielsweise einem mechanischen Abtragen. Es ermöglicht außerdem den Kontakt zwischen dem Oxidationsmittel und einem Analyten. Wenn Feinstaubpartikel sich als Analyt an die Gelmatrix anlagern, können sie durch Diffusion mit dem Oxidationsmittel in Kontakt geraten. Um die Detektion der Feinstaubpartikel mittels des Sensortags zu ermöglichen, müssen sie durch das Oxidationsmittel oxidierbare Komponenten enthalten. Das Oxidationsmittel kann Kohlenstoff oxidieren, wie er in Rußpartikeln zu finden ist. Ein Oxidationsmittel, dessen Redoxpotential ausreicht um Kohlenstoff zu oxidieren, kann aber beispielsweise auch gegenüber polyzyklischen aromatischen Kohlenwasserstoffen als Oxidationsmittel fungieren.
Der Sensortag kann eine Sensorvorrichtung sein. Beispielsweise kann der Sensortag ein Sensor-Aufkleber oder eine Sensor-Plakette sein.
Farbige Oxidationsmittel ändern ihre Farbe, wenn sie als Elektronenakzeptor fungieren und dabei selbst reduziert werden. Durch die Farbänderung des Oxidationsmittels in der Gelmatrix kann die Anwesenheit von Feinstaubpartikeln detektiert werden.
Der Sensortag arbeitet passiv und ist somit nicht auf eine Stromversorgung, eine Betriebssoftware oder eine Auswertesoftware angewiesen. Sein Farbumschlag kann direkt durch einen Menschen ausgelesen werden. Um eine ständige Überwachung auf die Anwesenheit von Feinstaubpartikeln zu ermöglichen, kann in einer Ausführungsform des Sensorstags allerdings auch vorgesehen sein, dass eine Kamera so am Sensortag angeordnet ist, dass sie eine Farbänderung der Gelmatrix erfassen kann und bei Erfassen der Farbänderung automatisch einen Alarm auslöst.
Besonders gut für den Sensortag geeignete Oxidationsmittel sind insbesondere anorganische Oxide, die ein hohes Redoxpotential aufweisen können.
Es ist bevorzugt, dass das Oxidationsmittel ein Charge-Transfer-Komplex ist, da Charge-Transfer-Komplexe bei einer Änderung der Oxidationsstufe besonders intensive Farbänderungen zeigen.
Besonders bevorzugt handelt es sich bei dem Oxidationsmittel um ein Permanganat, wie beispielsweise Kaliumpermanganat. In diesem liegt Mangan in der Oxidationsstufe +7 vor. Das Permanganat-Anion ist ein Charge-Transfer-Komplex, welcher intensiv violett gefärbt ist. Bei der Reaktion des Permanganat-Anions mit Kohlenstoff wird das Mangan auf die Oxidationsstufe +2 reduziert. Mangan(II)-Kationen verleihen der Gelmatrix lediglich eine hellrosane Farbe. Bei Verwendung eines Permanganats als Oxidationsmittel des Sensortags genügt bereits eine geringe Menge an Permanganat in der Gelmatrix um diese violett einzufärben. Entsprechend genügt auch eine geringe Menge an Feinstaubpartikeln, um das gesamte Permanganat in der Gelmatrix zu reduzieren und so einen Farbumschlag der Gelmatrix zu bewirken. Unter Verwendung eines Permanganats als Oxidationsmittel kann also ein besonders empfindlicher Sensortag erhalten werden.
Grundsätzlich ist es möglich, den Sensortag mit einer wasserfreien Gelmatrix zu realisieren. In diesem Fall genügt es allerdings nicht, dass Feinstaubpartikel aus der Luft in die Gelmatrix eindiffundieren und mit dem Oxidationsmittel in Kontakt kommen. Ferner muss die Gelmatrix auch ausreichend Wasser aus der Luftfeuchtigkeit aufnehmen, um eine Redox-Reaktion zwischen den Feinstaubpartikeln und dem Oxidationsmittel zu ermöglichen. Es ist deshalb bevorzugt, eine Gelmatrix zu verwenden, welche von vorneherein Wasser enthält.
Weiterhin enthält die Gelmatrix vorzugsweise mindestens einen Katalysator für eine Redox-Reaktion. Dieser setzt die Aktivierungsenergie für die Redox-Reaktion zwischen den Feinstaubpartikeln und dem Oxidationsmittel herab. Dies beschleunigt die Redox-Reaktion. Als Katalysator kann beispielsweise Platinstaub verwendet werden.
Es ist weiterhin bevorzugt, dass die Gelmatrix mindestens eine Säure enthält. Die Anwesenheit einer Säure erniedrigt den pH-Wert der Gelmatrix und setzt damit das Oxidationspotential des Oxidationsmittels herauf. Hierdurch kann auch die Oxidation von Feinstaubpartikeln durch solche Oxidationsmittel thermodynamisch ermöglicht werden, welche bei höheren pH-Werten gegenüber Kohlenstoff nicht als Elektronenakzeptor fungieren könnten. Bei der Säure kann es sich um eine freie Säure oder um immobilisierte Säurefunktionen der Gelmatrix handeln. Immobilisierte Säurefunktionen, wie beispielsweise Sulfonsäuregruppen, sind hierbei bevorzugt, da sie im Gegensatz zu freien Säuren nicht durch Diffusion aus der Gelmatrix ausgetragen werden können.
Damit ein Beobachter eine Farbänderung der Gelmatrix leicht erkennen kann, ist diese vorzugsweise als Schicht auf einem farblosen Trägermaterial aufgebracht. Bei dem Trägermaterial kann es sich beispielsweise um eine Polymerfolie handeln.
Um den Sensortag dauerhaft auf einem Zieluntergrund anbringen zu können ist es weiterhin bevorzugt, dass das Trägermaterial auf seiner von der Gelmatrix abgewandten Seite eine Klebeschicht aufweist.
Die Staubschutzmaske weist in ihrem Innenraum mindestens einen Sensortag gemäß der voranstehenden Beschreibung auf. Unter dem Innenraum wird dabei der Raum der Staubmaske verstanden, welcher bei ihrem Tragen der Nase und dem Mund des Benutzers zugewandt ist. Ist die Staubmaske undicht und dringen demnach Feinstaubpartikel in den Innenraum ein, so erfolgt eine Farbänderung des Sensortags. Beim Abnehmen der Staubmaske kann deren Träger aufgrund der Farbänderung die Undichtigkeit erkennen und die Staubmaske ersetzen. Wenn mit besonders kritischen Stäuben gearbeitet wird, kann in einer Ausführungsform der Staubschutzmaske auch vorgesehen sein, dass diese ein Sichtfenster aufweist, welches so angeordnet ist, dass die Gelmatrix des Sensortags von außen sichtbar ist. Wenn es zu einer Farbänderung des Sensortags kommt kann ein Arbeitskollege des Staubmaskenträgers diesen darauf hinweisen, dass seine Staubmaske undicht ist, damit dieser den Gefahrenbereich sofort verlässt und sich eine neue Staubmaske besorgt. Mittels eines Spieles oder eines Selfies kann der Staubmaskenträger die Verfärbung auch selbst erkennen.
Figurenliste
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.

1 zeigt schematisch die Detektion von Feinstaubpartikeln mittels eines Sensortags gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
2 zeigt eine isometrische Darstellung einer Staubmaske gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Ausführungsbeispiele der Erfindung
In 1 ist ein Sensortag 10 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Dieser besteht aus drei Schichten. Bei der oberen Schicht handelt es sich um eine Gelmatrix 11. Diese besteht vorliegend aus einem oxidationsstabilisierten organischen Polymer, welches Sulfonsäuregruppen aufweist und das Platinpartikel als Katalysator enthält. Weiterhin enthält die Gelmatrix 11 Kaliumpermanganat als Oxidationsmittel 20. Die Gelmatrix 11 ist auf einer farblosen Polymerfolie als Trägermaterial 12 angeordnet. Auf der von der Gelmatrix 11 abgewandten Seite des Trägermaterials 12 ist eine Klebeschicht 13 aufgebracht.
In dem Zustand I ist der Sensortag 10 noch nicht mit Feinstaubpartikeln in Kontakt gekommen. Der Zustand II zeigt die Anlagerung von Feinstaubpartikeln 30 aus der Umgebungsluft an der Oberfläche der Gelmatrix 11. Im Zustand III diffundieren die Feinstaubpartikel 30 durch eine kontinuierliche Diffusionsbewegung in die Gelmatrix 11 ein und gelangen dort in Kontakt mit dem Oxidationsmittel 20. Dabei läuft die folgende Redox-Reaktion ab: $4 {MnO}_{4}^{-} (violett) + 5 C + 12 H^{+} \to {4MN}^{2 +} (hellrosa) + {CO}_{2} + 6 H_{2} O$
Diese Redox-Reaktion setzt sich aus der Reduktion von Mangan(VII) im Permanganat-Anion zu Mangan(II) im Mangan(II)-Kation und aus der Oxidation des Kohlenstoffanteils der Feinstaubpartikel 30 zu Kohlendioxid zusammen. Dabei wird der Kohlenstoff von der Oxidationsstufe 0 zur Oxidationsstufe +4 oxidiert:

Reduktion: ${MnO}_{4}^{-} + 8 H^{+} + 5 e^{-} \to {Mn}^{2 +} + 4 H_{2} O$
Oxidation: C + 2 H₂O → CO₂ + 4 H⁺

Das gebildete Kohlendioxid gelangt durch Diffusion wieder an die Oberfläche der Gelmatrix 11 und tritt in die Umgebungsluft aus.
Wenn das Permanganat in der Gelmatrix 11 durch die Redox-Reaktion vollständig verbraucht wurde, wird der Zustand IV erreicht, in dem die Gelmatrix neben den eindiffundierten Feinstaubpartikeln 30 nur noch Mangan(II)-Kationen 21 enthält. Während die Gelmatrix im Zustand I bis III durch die Anwesenheit der Permanganat-Anionen intensiv violett gefärbt war, können die Mangan(II)-Kationen der Gelmatrix 11 im Zustand IV nur noch eine schwache hellrosane Farbe verleihen. Vor dem weißen Hintergrund des Trägermaterials 12 wird dies von einem Beobachter als annähernd vollständige Entfärbung der Gelmatrix 11 wahrgenommen. Aus dieser Entfärbung kann auf die Anwesenheit von Feinstaubpartikeln geschlossen werden.
Ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Staubschutzmaske 40 ist in 2 dargestellt. Die Staubschutzmaske 40 weist einen Innenraum 41 auf, welcher beim Tragen die Nase und den Mund ihres Trägers vollständig umschließt. In diesem Innenraum 41 ist ein erfindungsgemäßer Sensortag 10 mit seiner Klebeschicht 13 eingeklebt. Sollte die Staubschutzmaske 40 undicht sein, so gelangen bei ihrer Verwendung in einer feinstaubbelasteten Umgebung Feinstaubpartikel in den Innenraum 41 und lagern sich dort an die Gelmatrix 11 des Sensortags 10 an. Dies führt zu einer Farbänderung der Gelmatrix 11. Beim Abnehmen der Staubschutzmaske 40 kann deren Träger die Farbänderung erkennen und aus dieser darauf schließen, dass die Staubmaske undicht ist. Er wird die undichte Staubschutzmaske dann nicht erneut verwenden.

Claims

Sensortag (10) zur Detektion von Feinstaubpartikeln (30), aufweisend eine Gelmatrix (11), die mindestens ein farbiges Oxidationsmittel (20) enthält, welches gegenüber Kohlenstoff als Elektronenakzeptor fungieren kann.
Sensortag (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Oxidationsmittel (20) ein anorganisches Oxid ist.
Sensortag (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Oxidationsmittel (20) ein Charge-Transfer-Komplex ist.
Sensortag (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Oxidationsmitttel (20) ein Permanganat ist.
Sensortag (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Gelmatrix Wasser enthält.
Sensortag (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Gelmatrix (11) mindestens einen Katalysator für eine Redox-Reaktion enthält.
Sensortag (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Gelmatrix (11) mindestens eine Säure enthält.
Sensortag (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Gelmatrix (11) auf einem farblosen Trägermaterial (12) aufgebracht ist.
Sensortag (10) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägermaterial (12) auf seiner von der Gelmatrix (11) abgewandten Seite eine Klebeschicht (13) aufweist.
Staubschutzmaske (40), dadurch gekennzeichnet, dass in ihrem Innenraum (41) mindestens einen Sensortag (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 angeordnet ist.