DE19947597C1 - Aerosolgenerator - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung, um abgelagerte Stäube, die als sedimentierte feste Partikel vorliegen, wieder in den luftgetragenen Zustand zu überführen. Dazu werden die sedimentierten Partikel mittels einer schwingenden Membran 3 innerhalb eines Behälters 1 zerstäubt und mittels eines einstellbaren Transportgasstromes abgeführt, wobei ausgewählte Teilchengrößen bevorzugt abtransportiert werden und zur weiteren Verwertung zur Verfügung stehen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung, um abgelagerte Stäube, die als se­ dimentierte feste Partikel vorliegen, wieder in den luftgetragenen Zustand zu überführen, was nachfolgend als Re-Dispergierung bezeichnet wird.

Die Erzeugung von re-dispergierten Stäuben ist für medizinische oder toxi­ kologische Untersuchungen von zunehmendem Interesse. Aus dem Stand der Technik sind bereits Verfahren und Vorrichtungen zur Re-Dispergierung bekannt, wobei zwischen trockenen Dispergierverfahren und Verfahren unterschieden wird, bei denen die festen Teilchen in einer Flüssigkeit sus­ pendiert werden oder mit dieser eine echte Lösung bilden. Bei den letztge­ nannten Verfahren wird die Flüssigkeit nach dem Zerstäuben mit soge­ nannten "Atomizern" durch Diffusion entfernt, so daß die festen Teilchen zurückgewonnen werden.

Alle Verfahren, bei denen zur Generierung der Aerosole die zu dispergie­ renden Teilchen mit Flüssigkeit in Kontakt kommen, eignen sich jedoch grundsätzlich nicht, sedimentierte Teilchen zu re-dispergieren, da die Flüs­ sigkeit wesentliche Eigenschaften und insbesondere Oberflächenbeladun­ gen der Teilchen verfälscht und für die weiteren Untersuchungen un­ brauchbar macht. Die Re-Dispergierung von Stäuben oder ähnlichen Aero­ solpartikeln zu solchen Zwecken kann daher nur durch eine trockene Dis­ pergierung erfolgen, d. h. ohne Verwendung flüssiger Hilfsmittel.

Aus dem Stand der Technik sind auch Vorrichtungen zur trockenen Dis­ pergierung bekannt. Z. B. finden sogenannte "Fluidized-Bed"-Generatoren Verwendung, bei denen Aerosolpartikel über ein Transportband in einen Luftstrom eingetragen werden, der die Partikel in einer Wirbelschicht durchströmt und diese dabei mitreißt. Eine weitere Möglichkeit ist der Ein­ satz von rotierenden Bürsten. Außerdem können trockene Partikel eben­ falls mit Hilfe von Dispergierdüsen in den luftgetragenen Zustand gebracht werden, indem sie durch einen scharfen Luftstrom mitgerissen und dis­ pergiert werden.

Vorstehend genannte Verfahren und Vorrichtungen sind jedoch nur für nichtkohäsive partikuläre Substanzen, d. h. die keine Agglomerate bilden, geeignet, wie Arzneimittel, Farbpigmente und andere pulverisierte Feststof­ fe. Prinzipiell ist jeder Stoff geeignet, wenn die Partikel möglichst kugel­ förmig oder gleichmäßig kristallin sind und eine ausreichend harte Oberflä­ che aufweisen. Das ist bei realen Staubproben aus dem Innen- und Außen­ luftbereich nicht der Fall, so daß auch bei der trockenen Re-Dispergierung die berührungsempfindlichen Partikel so stark verändert werden, daß sie für die vorgesehenen Forschungszwecke unbrauchbar sind.

Es ist somit die Aufgabe der Erfindung, eine Möglichkeit zu schaffen, auch äußerst berührungsempfindliche reale Staubproben unter schonenden Be­ dingungen so zu re-dispergieren, ohne daß ihre ursprünglichen physikali­ schen und chemischen Eigenschaften wesentlich verändert werden oder verloren gehen.

Die Aufgabe wird mit einem Aerosolgenerator nach Anspruch 1 mit fol­ genden Merkmalen gelöst: Ein Behälter, z. B. ein senkrecht stehender Zy­ linder, hat an seiner Bodenfläche eine schwingfähige Membran, die mittels einer geeigneten Vorrichtung zu Schwingungen angeregt werden kann. Auf der Membran ist die zu re-dispergierende Staubprobe gelagert. Wenn die Membran schwingt, wird die Staubprobe wechselweise nach oben be­ schleunigt und dadurch re-dispergiert. Bedingt durch die Schwerkraft sin­ ken die Staubpartikel wieder nach unten. Am Kopf des Behälters ist ein Aerosolausgang vorgesehen, aus dem die re-dispergierten, d. h. vereinzel­ ten Staubpartikel austreten können. Für Untersuchungen ist es wichtig, daß die Staubkonzentration und die Aerosolströmungsmenge, d. h. das Volumen pro Zeiteinheit, regelbar sind. Mittels eines Düsensystems wird ein nach oben gerichteter Transportgasstrom erzeugt, der die Staubpartikel durch den Aerosolausgang mitführt. Durch Änderung der Parameter Schwingungsamplitude und Schwingfrequenz der Membran und Stärke Strömungsmenge des Transportgasstromes können erstmals Gasvolumen­ ströme mit vorbestimmter Staubpartikelkonzentration bereitgestellt wer­ den. Vorteilhaft ist auch, daß erstmals Teilchenfraktionen mit vorbestimm­ ter Teilchengröße nach den Normen ISO 7708 und EN 481 definiert er­ zeugt werden können.

Nach Anspruch 2 ist ein kontinuierlich arbeitendes Probenzuführsystem vorgesehen, um über einen längeren Zeitraum einen kontinuierlichen Strom von Staubpartikeln am Aerosolausgang zu erzeugen. Dafür stehen dem Fachmann geeignete Systeme, wie z. B. ein Schnecken- oder Zellenraddo­ sierer, zur Verfügung, die lediglich auszuwählen und anzupassen sind.

Nach Anspruch 3 wird ein Lautsprecher als Membranschwinger eingesetzt. Lautsprecher weisen für diesen Einsatzzweck eine Reihe von Vorteilen auf, da sie über einen weiten Frequenzbereich und in der Schwingungsamplitu­ de gut regelbar sind.

Nach Anspruch 4 ist über der Lautsprechermembran eine weitere Membran angeordnet. Diese Weiterbildung ist dann von Vorteil, wenn an das Mem­ branmaterial besondere physikalisch-chemische Anforderungen gestellt werden, um die Eigenschaften der Stäube bei ihrer Re-Dispergierung nicht zu verändern. Geeignete Membranmaterialien sind z. B. PTFE, Polyimid, Silikon oder hochlegierter Edelstahl, die alle physikalisch bzw. chemisch weitgehend inert sind.

Nach Anspruch 5 ist über der Membran, auf der die Staubprobe aufliegt oder schwebt, wenigstens ein Metallgitter angeordnet, das mit der Gehäu­ semasse elektrisch verbunden ist. Dieses Metallgitter verhindert, daß sich die Staubteilchen durch ihre Bewegung und Berührung und die dabei auf­ tretende Reibung elektrisch aufladen, weil sie sich sonst unkontrolliert ab­ lagern können bzw. wieder agglomerieren.

Nach Anspruch 6 wird das Metallgitter zu Schwingungen angeregt. Durch diese Schwingungen wird die Wahrscheinlichkeit erhöht, daß die Staubteil­ chen einerseits das Gitter berühren, andererseits jedoch nicht daran haften bleiben.

Es ist noch zu erwähnen, daß nach den Ansprüchen 5 und 6 auch mehrere Metallgitter übereinander angeordnet sein können.

Nach Anspruch 7 werden zusätzlich weitere Schallquellen eingesetzt, die Druckschallwellen in den Bereich der schwebenden Stäube abstrahlen. Je nach Beschaffenheit des Staubes kann mittels der Druckschallwellen eine zusätzliche Kraftwirkung auf den Staub ausgeübt werden, so daß der Re- Dispersionsprozeß unterstützt wird.

Nach Anspruch 8 sind mehrere Düsensysteme übereinander angeordnet. Damit ist es möglich, das Strömungsverhalten des Transportgasstromes sehr differenziert einzustellen und somit optimale Strömungsverhältnisse in dem Behälter 1 zu erzeugen.

Nach Anspruch 9 sind mehrere Auslaßrohre übereinander angeordnet. Damit ist es besonders gut möglich, die einzelnen Staubfraktionen vonein­ ander zu trennen, d. h. getrennt abzuführen.

Nach Anspruch 10 ist eine Beobachtungseinrichtung vorgesehen, die vor­ zugsweise den Bereich der schwebenden Stäube abbildet. Es ist prinzipiell möglich, die Qualität der re-dispergierten Staubteilchen nach dem Austritt aus dem Aerosolausgang zu untersuchen und die vorstehend genannten Verfahrensparameter zu variieren, um ein Qualitätsoptimum zu ermitteln. Es hat sich gezeigt, daß sich die Verfahrensparameter besonders leicht bestimmen lassen, wenn der Prozeß der Re-Dispergierung direkt beobach­ tet werden kann. Dazu stehen dem Fachmann geeignete optische und op­ toelektronische Geräte zur Verfügung, wobei die Beobachtung sowohl bei sichtbarem als auch bei unsichtbarem Licht erfolgen kann.

Nach Anspruch 11 weist die Beobachtungseinrichtung zusätzlich eine Bil­ derkennungs- und -auswerteeinrichtung auf. Dadurch ist es möglich, ein Meßsignal zu erzeugen, mit dem die einzelnen Verfahrensparameter nach einem vorbestimmten Algorithmus geregelt werden können, um so eine vollautomatische Re-Dispergierung durchführen zu können.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit schematischen Zeichnungen näher erläutert.

Die Fig. 1 zeigt eine Schnittdarstellung des Aerosolgenerators in der Sei­ tenansicht.

Der Aerosolgenerator umfaßt einen senkrechten, zylinderförmigen Behälter 1, der am Kopfabschnitt mit einem Deckel 2 und am Fußabschnitt mit ei­ ner Membran 3 verschlossen ist. Unterhalb der Membran 3 ist ein Schwin­ gungsgeber 4 mit einem Schwingungsgenerator (nicht gezeigt) angekop­ pelt, wobei in der vorliegenden Ausführungsform ein Lautsprecher ver­ wendet wird. Auf der Membran 3 liegt der zu re-dispergierende Stoff, im vorliegenden Fall Straßenstaub, der je nach Bedarf von Hand aufgegeben wird oder auch durch ein kontinuierlich arbeitendes Fördersystem (nicht gezeigt), das der Fachmann, je nach spezifischem Anwendungsfall, aus dem Stand der Technik auswählen kann, eingetragen wird. Wenige Zenti­ meter oberhalb der Membran 3 ist ein Düsensystem 5 vorgesehen, und im Deckel 2 ist ein weiteres Düsensystem 6 angeordnet.

Wenn der Schwingungsgenerator eingeschaltet wird, schwingt die Laut­ sprechermembran mit einer am Schwingungsgenerator einstellbaren Fre­ quenz und Amplitude und überträgt die Schwingung luftgekoppelt auf die Membran 3, die dadurch ebenfalls zum Schwingen angeregt wird. Der auf der Membran 3 liegende Staub wird durch die Membranschwingungen aufgewirbelt und sehr schonend re-dispergiert, d. h. wieder in die ur­ sprünglichen einzelnen Teilchen zerlegt. In Abhängigkeit von der gewähl­ ten Schwingfrequenz oder mehreren überlagerten Schwingfrequenzen bil­ det sich über der Membran 3 eine Wolke des zu re-dispergierenden Stof­ fes, wobei sich nach einer Einlaufphase ein nahezu stationärer Zustand einstellt. Wenn über die Düsensysteme 5 und 6 Luft eingeblasen wird, werden je nach Stärke der Luftströmung Teilchen vorbestimmter Größe aufwärts bewegt und über das Auslaßrohr 7 ausgetragen.

Zur Vermeidung von elektrostatischen Aufladungen, die die Re- dispergierung stark stören würden, sind alle Teile des Aerosolgenerators, die mit dem zu re-dispergierenden Material in Berührung kommen, aus Me­ tall hergestellt und über die Gehäusemasse leitend mit dem Erdpotential verbunden. Wenn die Re-Dispergierung beobachtet werden soll, werden in eine Öffnung im Behälter 1 eine Beobachtungskamera und eine geeignete Beleuchtungsquelle eingesetzt.

Es ist dem Fachmann klar, daß mit dem erfindungsgemäßen Aerosolgene­ rator Feststoffe unterschiedlichster Eigenschaften re-dispergiert werden können. Es ist daher erforderlich, durch wenige Versuche die optimalen Betriebsparameter zu ermitteln. Für den Fachmann bedarf es jedoch dazu keiner erfinderischen Tätigkeit.

Claims (11)

1. Aerosolgenerator, vorzugsweise zur Re-Dispergierung von sedimentier­ ten Stäuben, mit folgenden Merkmalen:

• - einem Behälter (1) mit einem Fußabschnitt und einem Kopfabschnitt, wo­ bei in dem Fußabschnitt
• - ein Membranschwinger (4) angeordnet ist, auf dessen
• - schwingender Membran (3) die zu re-dispergierenden Stäube in der Schwebe gehalten und zu Staubpartikeln vereinzelt werden, und
• - ein Düsensystem (5) zur Erzeugung eines Transportgasstromes, der so einstellbar ist, daß eine vorbestimmbare Konzentration und Größenfraktion der Staubpartikel nach oben in den Kopfabschnitt beförderbar sind, wo sie durch einen Aerosolausgang (7) den Aerosolgenerator verlassen.

2. Aerosolgenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Fußabschnitt ein kontinuierlich arbeitendes Probenzuführsystem vorgese­ hen ist, um einen kontinuierlichen Strom von Staubpartikeln am Aeroso­ lausgang (7) zu erzeugen.

3. Aerosolgenerator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Membranschwinger (4) ein Lautsprecher ist.

4. Aerosolgenerator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß über der Lautsprechermembran (3) eine weitere Membran angeordnet ist.

5. Aerosolgenerator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß über der Membran (3) im Bereich der schwebenden Stäube wenigstens ein Metallgitter angeordnet und mit der Gehäusemasse elektrisch verbunden ist.

6. Aerosolgenerator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Metallgitter mittels einer Schwingungsvorrichtung zu Schwingungen ange­ regt wird.

7. Aerosolgenerator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich der schwebenden Stäube weitere Schall­ quellen angeordnet sind, deren Druckschallwellen in den Bereich der schwebenden Stäube gerichtet sind.

8. Aerosolgenerator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Düsensysteme (5) übereinander angeordnet sind.

9. Aerosolgenerator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Aerosolauslässe (7) übereinander angeordnet sind.

10. Aerosolgenerator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Beobachtungseinrichtungen vorgesehen sind, die vor­ zugsweise den Bereich der schwebenden Stäube abbilden.

11. Aerosolgenerator nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Beobachtungseinrichtungen mit Bilderkennungs- und auswerteeinrichtun­ gen signaltechnisch verbunden sind, wobei ein Meßsignal zur Ansteuerung der Membran und/oder des Metallgitters und/oder der weiteren Schallquel­ len und/oder des Probenzuführsystems gewinnbar ist.