DE3413426C2

DE3413426C2 - Verfahren zur Bestimmung der Oberflächenbeschaffenheit luftgetragener Partikeln

Info

Publication number: DE3413426C2
Application number: DE19843413426
Authority: DE
Inventors: Christoph Dr.-Ing. 4100 Duisburg Helsper
Original assignee: Individual
Current assignee: Niessner Reinhard Dr 5840 Schwerte De Helsper
Priority date: 1984-04-10
Filing date: 1984-04-10
Publication date: 1986-03-27
Also published as: DE3413426A1

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Bestimmung der Oberflächenbeschaffenheit luftgetragener, submikroner Partikel beschrieben, das aus der Kombination eines elektrischen Mobilitätsanalysators mit einem automatisierten Druckstufenkondensationskernzähler besteht. Aus der Differenz des elektrischen Mobilitätsdurchmessers und des mit dem Kernzähler bestimmten Kelvin-Äquivalentdurchmessers einer monodispersen Aerosolfraktion wird auf die Beschaffenheit der Partikeloberfläche geschlossen.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Bestimmung air Oberflächenbeschaffenheit von luftgetragenen Parfskeln.

Durch in-situ-Kondensationsmessungen soll die Struktur und chemische Beschaffenheit der Partikeloberfläche ermittelt werden. So hängt der Kondensationsvorgang von Struktur und chemischer Beschaffenheit der Partikeloberfläche, aber auch von der Partikelgröße ab.

Versuche, durch die Beobachtung von Kondensationsvorgängen an Aerosolen Informationen über Art und Zusammensetzung der Partikeloberfläche zu gewinnen, sind bereits veröffentlicht worden. Egilmez und Davies (Proc. R. Soc. London A380 (1982) 99-118) beschreiben Experimente, in denen ein Nolan-Pollak-Kondensationskernzähler (Nolan und Pollak; Proa R. Irish Acad.51A(2)(1946)9—31) mit unterschiedlichen Expansionsverhältnissen betrieben wird, um Rückschlüsse auf den Kelvin-Äquivalentdurchmesser der verwendeten Partikeln zu ziehen.

Pohl und Wagner (J. Phys. Chem. 84 (1980) 1642—1644) führten mit einem sogenannten »Size Analyzing Nucleus Counter« Messungen zur Bestimmung der Kelvin-Äquivalent-Größenverteilung des atmosphärischen Aerosols durch.

Riediger (Staub-Reinh. Luft 31 (1971) 237-243) beschreibt einen Kondensationskernzähler mit Unterdruckexpansion in verschiedenen Stufen sowie Messungen an verschiedenen Testaerosolen mit dem Ziel, die Abhängigkeit des Kondensationsverhaltens vom Partikelmaterial zu ermitteln.

Da das Kondensationsverhalten aber sowohl von der Partikelgröße, als auch von der Beschaffenheit der Partikeloberfläche und unter bestimmten Umständen auch noch von der Partikelkonzentration abhängt, ist bei nicht völlig monodispersen Aerosolen eine Trennung der einzelnen Effekte, und damit eine sinnvolle Interpretation der Meßergebnisse nicht möglich.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde ein Verfahren anzugeben, mit dem besser interpretierbare Meßergebnisse und damit genauere Angaben über die Beschaffenheit der Partikeloberfläche erhalten werden. Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch angegebenen Merkmale gelöst.

Die Kombination eines elektrischen Mobilitätsanalysators mit einem automatisierten Kondensationskernzähler liefert für ein monodisperses Aerosol mit bekanntem Mobilitätsdurchmesser Aussagen über die Eigenschaften der Partikeloberfläche und macht das Verfahren auch auf reale Aerosole anwendbar.

Das zu untersuchende Aerosol wird zunächst durch einen elektrischen Mobilitätsanalysator (Liu und Pui; |.

Colloid Interface Sei. 47 (1974) 155-171) geleitet, der aus diesem Partikelkollektiv eine monodisperse Fraktion mit bekanntem elektrischen Mobilitätsdurchmesser herausfiltert. Diese Fraktion wird einem programmgesteuerten Druckstufenkondensationskernzähler zugeführt, in welchem das Aerosol mit Wasserdampf gesättigt und durch Zugabe von Stickstoff komprimiert wird. Durch anschließende adiabatische Expansion kommt es zu einer Obersättigung, die zur Kondensation von Wasserdampf auf den Partikeln führt Die Konzentration der dabei entstehenden Wassertröpfchen wird durch eine einfache Extinktionsmessung bestimmt.

Bei einem bestimmten Obersättigungsverhältnis werden nur Partikeln oberhalb eines bestimmten Grenzdurchmessers, dem sogenannten Kelvin-Äquivalentdurchmesser, zum Kondensationswachstuin angeregt. Das Verfahren nutzt dies aus, indem es den Überdruck in der Meßkammer, von dem aus auf Umgebungsdruck expandiert wird, und damit auch das Obersäitigungsverhältnis systematisch variiert, und durch Messung der Lichtextinktion in der Längsachse der Meßkammer feststellt, bei welchem Übersättigungsverhältnis das Kondensationswachstum der Partikeln beginnt Dies entspricht der Bestimmung des Kelvin-Äquivalentdurchmessers.

Da der Kondensationsvorgang neben der Partikelgröße auch von Struktur und chemischer Beschaffenheit der Partikeloberfläche abhängt, werden aus dem Vergleich des Kelvin-Äquivalentdurchmessers mit dem bekannten elektrischen Mobilitätsdurchmesser Informationen über die Oberflächenbeschaffenheit der Partikel erhalten.

Der zur Messung des Kelvin-Äquivalentdurchmessers entwickelte Kondensationskernzähler zeichnet sich durch eine Thermostatisierung der Expansionskammer aus, die für reproduzierbare Messungen absolut unerläßlich ist. Durch eine frei programmierbare Reihe von Expansionsverhältnissen wird das Auflösungsvermögen und der Meßbereich der jeweiligen Meßaufgabe angepaßt. Die Beobachtung des Töpfchenwachstums und damit auch die Bestimmung der Partikelkonzentration wird mit einfachen Mitteln durch eine Extinktionsmessung erreicht.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden anhand der Abbildung näher erläutert, die im wesentlichen einen Schnitt durch den Kondensationskernzähler zeigt. Er besteht aus einem Messingrohr, das mit einer Schicht aus saugfähigem Material ausgekleidet ist. Diese Schicht ist mit Wasser getränkt und sorgt

5C für die Befeuchtung des Aerosols im Inneren des Rohres. Beide Stirnseiten sind mit einer Glasplatte verschlossen. Hinter der einen sitzt eine aus Leuchtdiode, Blende und Sammellinse bestehende Beleuchtungseinrichtung, hinter der anderen ein Halbleiter-Photodetektor. Auf der Rohraußenwand ist ein spiralförmig gebogenes Kupferrohr aufgelötet, durch das die Thermostatisierflüssigkeit fließt.

Das aus dem elektrischen Mobüitätsanalysator austretende monodisperse Aerosol (mit bekanntem elektrischem Mobilitätsdurchmesser) wird von einer Pumpe (Magnetventil (MV) 1 und 3 geöffnet) durch die Expansionskammer gesaugt. Anschließend wird über MV 4 Stickstoff zur Druckerhöhung zugegeben. Die Steuerung registriert das Signal eines Drucksensors und schließt nach Erreichen des gewünschten Drucks MV 4 wieder.

Durch gleichzeitiges öffnen von MV 2 und MV 5 kommt es zu einer schnellen Expansion und damit zu

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Obersättigung und Kondensation in der Kammer. Die ^: elektronische Steuerung fährt eine in einem program mierbaren Speicherbaustein abgelegte Druck- bzw. Ex- pansionsverhältnisreihe automatisch durch. Aus der gleichzeitigen Beobachtung der Extinktion 5 erfolgt die Bestimmung des Kelvin-Aquivalentdurch- ·.. messers.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
-^r 10
% 15
: 20
25
30
35
40
ν 45
50
55
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Claims

Patentanspruch:

Verfahren zur Bestimmung der Oberflächenbeschaffenheit luftgetragener Partikeln, dadurch gekennzeichnet, daß aus dem Partikelkollektiv mittels eines elektrischen Mobilitätsanalysators eine monodisperse Fraktion ausgefiltert sowie anschließend deren Kelvin-Äquivalentdurchmesser mittels eines automatischen Druckstufenkondensationskernzählers bestimmt wird und deren beide Durchmesser miteinander verglichen werden.