DE3628612A1

DE3628612A1 - Vefahren und vorrichtung zur hocheffizienten elektrischen aufladung von schwebeteilchen in einem traegergas durch optische strahlung und sekundaerphotoelektronenanlagerung

Info

Publication number: DE3628612A1
Application number: DE19863628612
Authority: DE
Inventors: Reinhard Dr Niessner
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1986-08-22
Filing date: 1986-08-22
Publication date: 1988-03-03

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Ober begriff des Patentanspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung eine Einrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens.

Bei vielen technischen und natürlichen Prozessen entstehen Parti kel im Größenbereich über 1 Nanometer. Häufig stellt sich daher die Aufgabe, Aerosol-Schwebeteilchen, die durch unerwünschte par tikelbildende Prozesse (Emission und Immission) entstehen, aus dem Trägergas des Aerosols zu entfernen, wofür im allgemeinen Verfahren, die mit Trägheitskräften als auch Verfahren, die mit elektrostatischer Anziehung arbeiten, verwendet werden.

Bei Partikeln oder Schwebeteilchen im Submikronbereich sind je doch die Viskosität des Trägergases und die den Teilchen eigene Brown'sche Molekularbewegung für eine gezielte Deposition der Teilchen und für eine wirtschaftliche und rasche Abscheidung nur durch elektrische Kräfte zu überwinden. Zur Entstaubung werden daher neben mechanisch wirkenden Filtern häufig Elektrofilter eingesetzt. Voraussetzung für eine effektive Entfernung von Schwebeteilchen aus einem Aerosol durch Elektrofilter oder eine elektrostatisch bewirkte Richtungsänderung von Partikeltrajekto rien bei Beschichtungsverfahren und dergleichen, ist eine effek tive elektrische Aufladung der im Trägergas suspendierten Schwe beteilchen.

Zur elektrischen Aufladung von Schwebeteilchen, die in einem Trä gergas suspendiert sind, hat man bisher im wesentlichen die fol genden Verfahren verwendet:

- unipolare Aufladung, z. B. mittels einer Coronaentladung,
- bipolare Aufladung, z. B. mittels eines radioaktiven Präpara tes,
- Thermoionisation,
- Verschiebungspolarisation,
- Chemoionisation,
- tribolektrische Aufladung oder über Kontaktpotentiale,
- Exoelektronenemission,
- Photoelektronenemission.

Verfahren, die mit unipolarer oder bipolarer Aufladung von Schwe beteilchen arbeiten, sind seit langem im Gebrauch. Sie haben je doch den Nachteil, daß die aufzuladenden Teilchen in die Nähe einer Coronaentladung bzw. einer die Trägergasmoleküle ionisie renden radioaktiven Quelle gebracht werden müssen. Thermoionisa tion und Chemoionisation durch Verbrennungsprozesse sind wegen der dabei entstehenden Luftverunreinigungen nur eingeschränkt zur Entstaubung bzw. elektrischen Aufladung geeignet. Verschiebungs polarisation ist bei kleinen Teilchen nur dann effektiv, wenn die Teilchen unregelmäßig geformt sind und hohe inhomogene elektri sche Felder angewendet werden, welche ihrerseits Anlaß zu uner wünschten Sekundärprozessen geben können. Darüber hinaus ist über diesen Ausführungsmechanismus relativ wenig bekannt, so daß keine gezielte Steuerung möglich ist. Triboelektrische Aufladung über Kontaktpotentiale ist bisher nur bei größeren Teilchen (<1 µm) effizient möglich. Die elektrisch aufzuladenden Teilchen müssen ferner zuerst mit einer geeigneten Rezeptorfläche in Kontakt ge bracht und anschließend wieder von dieser entfernt werden. Wegen der meist undefinierten Partikeleigenschaften, wie Oberflächen widerstand, van der Waals'schen Kräfte und dergleichen, bereitet eine gezielte Durchführung dieses Prozesses außerordentliche Schwierigkeiten.

Die photoelektrische Aufladung ist besonders bei Teilchen im Sub mikronbereich wirkungsvoll, weil einerseits ein Teilchen rein statistisch leicht von einer hohen Anzahl von Photonen getroffen werden kann und andererseits, weil die Wahrscheinlichkeit gering ist, daß ein einmal emittiertes Photoelektron zu dem dadurch po sitiv aufgeladenen Teilchen zurückdiffundiert.

Um jedoch Teilchen aus einem Material mit einer Austrittsarbeit von mehr als 6 eV zur Elektronenemission anregen zu können, und das sind die meisten aus anorganischen oder organischen Stoffen bestehenden Teilchen, muß das Teilchen entweder vorher mit einem bei geeigneten Wellenlängen emittierenden Stoff beschichtet wer den, wie es z. B. aus der DE-PS 34 09 932 bekannt ist, oder das die Schwebeteilchen enthaltende Aerosol muß mit optischer Strah lung einer das Trägergas, wie Luft, ionisierenden Wellenlänge oder Quantenenergie bestrahlt werden. Hier wird gern mit sehr kurzwelligem Licht gearbeitet, um die Quantenausbeute gemäß der Fowler-Nordheim-Gleichung zu erhöhen. Die Folge ist eine uner wünschte Produktion neuer Submikronpartikel aus den Spurenbe standteilen des Trägergases, z. B. SO₄^2- aus H₂S oder SO₂ oder die Bildung des aggressiven Ozons aus Sauerstoff.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Ionisieren von in einem Trägergas suspendierten Schwebeteilchen, bei welchem die Schwebeteilchen im Trägergas einmal direkt durch Einwirken optischer Strahlung und nachfolgend durch Anlagerung von ebenfalls photoelektroisch erzeugten Sekun därelektronen ionisiert werden, anzugeben, bei welchem uner wünschte Nebenprozesse vermieden werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren der oben genannten Art mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentan spruchs 1 gelöst.

Weiterbildungen und vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungs gemäßen Verfahrens sowie vorteilhafte Einrichtungen zu seiner Durchführung werden im folgenden erläutert und sind Gegenstand von Unteransprüchen.

Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht die effektive Aufladung oder Ionisierung von Schwebeteilchen eines Aerosols, ohne daß da bei unerwünschte Nebenprozesse auftreten.

Bei dem Verfahren gemäß der Erfindung wird das die zu ionisieren den oder aufzuladenden Schwebeteilchen enthaltende Aerosol, kurz gesagt, zunächst mit das Trägergas nicht ionisierendem Licht be strahlt, wobei die Intensität und Dauer der Bestrahlung so ge wählt sind, daß die Elektronenaustrittsarbeit des Schwebeteil chenmaterials durch lineare Einphotonenabsorption aufgebracht wird. Die wegen zu geringer Photonenenergie noch nicht aufgelade nen Schwebeteilchen werden in einer nachfolgenden Aufladekammer durch die mittels Photoemission an einer geeigneten Oberfläche herausgelösten Sekundärphotoelektronen negativ aufgeladen. Die photoeemittierende Wandfläche steht im direkten Kontakt mit dem Aerosolstrom.

Die Bestrahlung kann kontinuierlich oder in Impulsen erfolgen.

Durch Wahl einer das Trägergas selbst nicht ionisierenden Wellen länge wird zwar nur ein geringer Anteil direkt durch Photoemis sion der Schwebeteilchen positiv aufgeladen, die nachfolgende Anlagerung von Sekundärelektronen kann jedoch durch Wahl einer geeigneten metallischen Oberfläche mit niedriger Elektronenaus trittsarbeit bei derselben Wellenlänge durch die hohe Anzahl der freigesetzten Elektronen hocheffizient durchgeführt werden. Dies deshalb, weil nach Fowler-Nordheim die Anzahl der photoemittier ten Elektronen quadratisch von der Energiedifferenz zwischen An regungslichtenergie und Elektronenaustrittsarbeit der Metallober fläche abhängt. Durch Steigerung des Photonenflusses auf die Metalloberfläche wird ebenfalls die Anzahldichte der Sekundärpho toelektronen erhöht.

Man kann auf diese Weise beispielsweise Schwebeteilchen aus Pro zeßgasen wie AsH₃ oder B₂H₆ entfernen, ohne daß dabei neue Teil chen oder Gase durch photolytische Spaltung und Nukleation ent stehen.

Auch können photoemissionsfähige Teilchen z. B. Metallstäube von nicht photoemissionsfähigen Teilchen, z. B. Rußteilchen, oder oxidischen Partikeln getrennt werden und jeweils elektrostatisch manipuliert, z. B. niedergeschlagen werden.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung zur Gasreinigung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Abb. 1 näher erläutert.

Abb. 1 zeigt schematisch ein Beispiel einer Vorrichtung zur Durchführung und Anwendung des vorliegenden Verfahrens. In der Einrichtung gemäß Abb. 1 wird das Aerosol durch den Einlaß 1 in die Abscheidevorrichtung eingeleitet. Das Aerosol gelangt durch die aus selbst nicht photoemittierendem Material gefertigte Lichtfalle 2 in den Strahlungsbereich der durch eine lichtdurch lässige Röhre 3 geschützten Lampe 4. Hier erfolgt, sofern mög lich, die direkte Aufladung der Schwebeteilchen durch Photoelek tronenemission. Die dabei gebildeten positiven Teilchen werden nach Passieren der Lichtfalle 5 im nachfolgenden Elektrofilter 6 vollständig entfernt. Die durch direkte Photoemission nicht gela denen Teilchen gelangen nun durch die Lichtfalle 7 in den Sekun därelektronenemissionsbereich der metallischen oder ähnlich gut photoemittierenden Fläche 8 (z. B. aus Cr). Die Schwebeteilchen agieren hierbei als Spurenfängeraerosol für Photoelektronen. Durch geeignete Dimensionierung der Aufladeeinheit (Durchflußge schwindigkeit, Lichtintensität bzw. Wellenlänge) wird eine hoch effiziente Aufladung der Schwebeteilchen unabhängig von der stofflichen Zusammensetzung erreicht. Nach Passieren der Licht falle 9 und des Elektrofilters 10 verläßt das nunmehr von Partikeln befreite Gas die Einheit am Ausgang 11. Der Gasstrom wird beispielsweise durch eine Pumpe oder den Eigendruck des das Vorratsbehältnis (Druckzylinder) verlassenden Gases aufrecht er halten.

Claims

1. Verfahren zur hocheffizienten elektrischen Aufladung von Schwebeteilchen, die in einem Trägergas suspendiert sind, bei welchem die Suspension aus den Schwebeteilchen und dem Träger gas einmal der direkten photoelektrischen Aufladung als auch der Koagulation mit Sekundärphotoelektronen ausgesetzt werden, dadurch gekennzeichnet, daß

a) die optische Strahlung eine Quantenenergie hat, die nicht zur Ionisation des Trägergases ausreicht,
b) dieselbe optische Strahlung eine bei der angewandten Quan tenenergie unvollständige direkte photoelektrische Aufla dung durch nachfolgende Anlagerung von bei derselben Wel lenlänge erzeugten Sekundärphotoelektronen aus einer mit dem Aerosolstrom in Kontakt befindlichen Wandfläche er gänzt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufladung der Teilchen nur durch Anlagerung von Sekundärphoto elektronen bewirkt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufladung der Teilchen nur durch direkte photoelektrische Auf ladung der Teilchen bewirkt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß die aufgeladenen Teilchen durch ein elektrostatisches Feld aus dem Trägergas entfernt werden.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeich net, daß die aufgeladenen Teilchen örtlich gezielt auf einer Empfangsfläche niedergeschlagen werden.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeich net, daß die aufgeladenen Teilchen von gleichnamig aufgelade nen Funktionsflächen abgestoßen werden.

7. Verfahren nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch die Anwendung auf ein Toneraerosol zur elektrostatischen Bilderzeugung.

8. Verfahren nach Anspruch 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß die die optische Strahlung aussendende Lichtquelle durch ein selbst nicht photoemittierendes, aber lichtdurchlässiges Mate rial vom Aerosolstrom getrennt ist.

9. Verfahren nach Anspruch 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß die die optische Strahlung aussendende Lichtquelle impulshaft be trieben wird.