EP2029281A1 - Verfahren zur agglomeration und/oder koagulation von aerosolen - Google Patents

Verfahren zur agglomeration und/oder koagulation von aerosolen

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EP2029281A1
EP2029281A1 EP07764379A EP07764379A EP2029281A1 EP 2029281 A1 EP2029281 A1 EP 2029281A1 EP 07764379 A EP07764379 A EP 07764379A EP 07764379 A EP07764379 A EP 07764379A EP 2029281 A1 EP2029281 A1 EP 2029281A1
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EP
European Patent Office
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charged
aerosols
air mass
electrically
positively
Prior art date
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Ceased
Application number
EP07764379A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Gerhard Zehnicker
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Haunold Werner
Original Assignee
Haunold Werner
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Haunold Werner filed Critical Haunold Werner
Publication of EP2029281A1 publication Critical patent/EP2029281A1/de
Ceased legal-status Critical Current

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    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E01—CONSTRUCTION OF ROADS, RAILWAYS, OR BRIDGES
    • E01H—STREET CLEANING; CLEANING OF PERMANENT WAYS; CLEANING BEACHES; DISPERSING OR PREVENTING FOG IN GENERAL CLEANING STREET OR RAILWAY FURNITURE OR TUNNEL WALLS
    • E01H13/00—Dispersing or preventing fog in general, e.g. on roads, on airfields
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B03—SEPARATION OF SOLID MATERIALS USING LIQUIDS OR USING PNEUMATIC TABLES OR JIGS; MAGNETIC OR ELECTROSTATIC SEPARATION OF SOLID MATERIALS FROM SOLID MATERIALS OR FLUIDS; SEPARATION BY HIGH-VOLTAGE ELECTRIC FIELDS
    • B03C—MAGNETIC OR ELECTROSTATIC SEPARATION OF SOLID MATERIALS FROM SOLID MATERIALS OR FLUIDS; SEPARATION BY HIGH-VOLTAGE ELECTRIC FIELDS
    • B03C3/00—Separating dispersed particles from gases or vapour, e.g. air, by electrostatic effect
    • B03C3/017—Combinations of electrostatic separation with other processes, not otherwise provided for
    • B03C3/0175—Amassing particles by electric fields, e.g. agglomeration
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B03—SEPARATION OF SOLID MATERIALS USING LIQUIDS OR USING PNEUMATIC TABLES OR JIGS; MAGNETIC OR ELECTROSTATIC SEPARATION OF SOLID MATERIALS FROM SOLID MATERIALS OR FLUIDS; SEPARATION BY HIGH-VOLTAGE ELECTRIC FIELDS
    • B03C—MAGNETIC OR ELECTROSTATIC SEPARATION OF SOLID MATERIALS FROM SOLID MATERIALS OR FLUIDS; SEPARATION BY HIGH-VOLTAGE ELECTRIC FIELDS
    • B03C3/00—Separating dispersed particles from gases or vapour, e.g. air, by electrostatic effect
    • B03C3/02—Plant or installations having external electricity supply
    • B03C3/16—Plant or installations having external electricity supply wet type
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E03—WATER SUPPLY; SEWERAGE
    • E03B—INSTALLATIONS OR METHODS FOR OBTAINING, COLLECTING, OR DISTRIBUTING WATER
    • E03B3/00—Methods or installations for obtaining or collecting drinking water or tap water
    • E03B3/28—Methods or installations for obtaining or collecting drinking water or tap water from humid air
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B03—SEPARATION OF SOLID MATERIALS USING LIQUIDS OR USING PNEUMATIC TABLES OR JIGS; MAGNETIC OR ELECTROSTATIC SEPARATION OF SOLID MATERIALS FROM SOLID MATERIALS OR FLUIDS; SEPARATION BY HIGH-VOLTAGE ELECTRIC FIELDS
    • B03C—MAGNETIC OR ELECTROSTATIC SEPARATION OF SOLID MATERIALS FROM SOLID MATERIALS OR FLUIDS; SEPARATION BY HIGH-VOLTAGE ELECTRIC FIELDS
    • B03C2201/00—Details of magnetic or electrostatic separation
    • B03C2201/14—Details of magnetic or electrostatic separation the gas being moved electro-kinetically
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02A—TECHNOLOGIES FOR ADAPTATION TO CLIMATE CHANGE
    • Y02A20/00—Water conservation; Efficient water supply; Efficient water use

Definitions

  • the present invention relates to a method for the agglomeration and / or coagulation of aerosols in a passively moved air mass in open space, in which the moving air mass passively moves through at least one planar substantially two-dimensional, electrically charged structure and thereby the aerosols contained therein in spatial Close to each other positively and negatively charged electrically and agglomerate such oppositely charged aerosols and / or coagulate.
  • the invention relates to the use of the method according to the invention for the removal of water aerosols, in particular mist, or fine dusts from the air.
  • the polarity of the aerosols is always the same in conventional electrostatic precipitators and the uniformly charged aerosols are deposited on an opposite or uncharged surface.
  • the required separation surfaces require considerable construction effort.
  • the air mass to be treated is actively moved by means of pumps.
  • electrostatic precipitators so the structural design effort is high and the same applies to the associated costs.
  • the currently used electrostatic precipitators are spatially limited.
  • Fog itself is not dangerous, but can be a significant hazard by obstructing the visibility of traffic facilities such as roads, airports and ports.
  • traffic facilities e.g. Highways which produce large amounts of water vapor can even cause the released water vapor to restrict the operator at certain seasons of operation in order to avoid a traffic hazard.
  • mist represents a large part of the amount of water available. Regrettably, this amount of water is of no use to humans, animals and plants and usually evaporates shortly after daybreak.
  • Fine dust has in recent years more and more recognized as hazardous to health, as it due to the small size to deep into the bronchi, and even partially into the alveoli of the lung, can penetrate and degraded or discharged very slowly.
  • fine dusts as described, for example, in US Pat.
  • the direct and long-term contact with the lung cells is problematic.
  • house dust and otherwise inert fine dusts can affect the lung function permanently. While there are some devices and methods for the reduction of fine dust in enclosed spaces, which are usually realized as a filter or air scrubber, there are no effective methods for the removal of these health-impairing fine dust available for outdoor areas.
  • the method should be able to remove water vapor, preferably water vapor in the form of fog, on the one hand to free transport facilities such as roads, aviation and shipping ports thereof, to gain other water, especially drinking water and / or industrial water.
  • the method should be able to remove fine dusts, preferably those from internal combustion engines, in order to reduce the load on production facilities and traffic centers.
  • the abovementioned objects are achieved by the method according to the invention for the agglomeration and / or coagulation of aerosols in a passively moved air mass in open space, in which the moved air mass passes passively through at least one planar substantially two-dimensional, electrically charged structure and thereby the therein contained aerosols in spatial proximity to each other positively and negatively charged electrically and agglomerate such oppositely charged aerosols and / or coagulate.
  • a passively moved air mass means that the air mass is not exposed to non-natural active convection forces.
  • the air mass moves only by its inertia or natural convection forces, such as. Wind. Therefore, in the method of the present invention, there is also no spatial enclosure / limitation of the air mass before or after the electrically charged structure. This saves design effort. The same applies to the absence of actively operated, i. using energy-driven convection.
  • Aerosols are airborne, ie floatable, liquid or solid particles which preferably have an average diameter of ⁇ 100, more preferably ⁇ 50 ⁇ m at a density of about 1 g / cm 3 .
  • Natural mist usually has a mean diameter of 20 microns and common dust such as house dust or bacteria have a mean diameter of 10 microns.
  • the fall rate of these aerosols in still air is normally a few centimeters per minute.
  • Floating aerosols remain in an air mass only up to a certain net mass or size. The residence time of very small aerosols in an air mass can last for months to years outdoors.
  • the method of the invention charges positively and negatively electrically the aerosols contained in a moving air mass during passive movement through a two-dimensional essentially two-dimensional, electrically charged structure in spatial proximity to one another so that the aerosols charged in the opposite direction agglomerate and / or coagulate.
  • agglomeration the skilled person understands the attachment of solids by physisorption and / or chemisorption, whereas coagulation means the merging of two previously separate liquids into a liquid / droplet.
  • the agglomeration and / or coagulation by the method according to the invention leads to a strong increase in the volume as well as the mass of the aerosols and thus ultimately leads to their accelerated sedimentation out of the moving air mass. It can fall speeds up to several centimeters per second come about, allowing a quick removal of fog and other aerosols. For example, mist droplets with a mean diameter of 10 ⁇ m sediment only a few centimeters per minute, but with 50 ⁇ m droplets they fall at about one meter per second.
  • the inventive method allows the separation / precipitation of aerosols in a short time, as soon as the particles have a sufficiently large mass. Depending on the framework conditions, this is possible after a few meters behind the electrically charged structure with the method according to the invention.
  • planar substantially two-dimensional electrically charged structure (s) can be done in many suitable ways.
  • a charged structure is alternately positively and negatively charged to charge the aerosols contained in the passively moved air mass successively in spatial proximity to each other positively or negatively electrically.
  • the frequency of the alternating positive and negative electrical charge should be chosen so that the already charged aerosols are not re-polarized or deposited by the charged structure.
  • the frequency of loading thus depends on the other conditions such as the voltage, the speed of the air mass and the aerosol loading.
  • the charged structure may be spatially separated, ie, in itself, simultaneously positively and negatively charged in order to charge the aerosols contained in the passively moved air mass adjacent to one another in spatial proximity to one another positively or negatively.
  • the spatial separation of the positive and negative electrical charge is to be chosen so that the already charged aerosols are not reversed or deposited again by the oppositely charged structure.
  • the spatial separation of the opposing loads thus depends on the other conditions such as the voltage, the velocity of the air mass and the aerosol loading.
  • the method according to the invention is realized by at least two charged structures which are arranged at such a distance one behind the other in the flow direction of the moving air mass, so that at least 50%, preferably at least 60%, more preferably at least 70%, most preferably at least 90%, the aerosols charged by the first structure are already electrically neutral upon agglomeration and / or coagulation when the subsequent structure is reached.
  • the neutral and possibly still charged aerosols hit the next loaded structure, they will be charged again or possibly opposite.
  • the purpose of this embodiment is the multiple successive agglomeration and / or coagulation to increase the aerosol mass to precipitation. Again, the frequency of loading and the distance of the at least two charged structures from each other on the other conditions such as the voltage, the velocity of the air mass and the aerosol loading depends.
  • the planar substantially two-dimensional, electrically charged structure may be any substantially two-dimensional structure useful in the method.
  • the charged structure (s) for carrying out the method of the invention are preferably electrically conductive wires, preferably mesh (s) and / or grid of electrically conductive wires, preferably conventional metal wires, with a diameter of 5 to 2000 ⁇ m , preferably a diameter of 50-500 microns.
  • the charged structure (s) are (are) subjected to a high voltage, preferably with a voltage of 1 kV to 10OkV, more preferably 5 kV to 50 kV, most preferably 20 to 30 kV busy.
  • a high voltage preferably with a voltage of 1 kV to 10OkV, more preferably 5 kV to 50 kV, most preferably 20 to 30 kV busy.
  • the frequency / frequency of occupancy must also be taken into account as a function of the other varying parameters for optimal agglomeration and / or coagulation of the aerosols.
  • the frequency of the occupancy of the charged structure (s) with the positive and / or negative charge of the speed and / or the aerosol loading of the passively moved air mass is adjusted, so that a substantially uniform charge in the Air mass contained aerosols.
  • the current flow for charging the electrically charged structure of the speed and / or the aerosol loading of the passively moved air mass is adjusted so that a substantially uniform charging of the aerosols contained in the air mass is achieved.
  • the distance therebetween is preferably chosen such that penetration of the applied high voltage under the selected operating conditions can be essentially precluded.
  • the electrically charged structure is a fixed structure with limited flexibility.
  • limited flexibility is meant that the shape of the structure hardly or not at all adapts to the pressure of the passively moved air mass.
  • An example of such a solid structure is a solid wire mesh.
  • the electrically charged structure is a flexible structure, preferably a highly flexible structure, more preferably a sail-like structure extending in the convection direction of the air mass, i. in the wind, aligns.
  • a flexible structure preferably a highly flexible structure, more preferably a sail-like structure extending in the convection direction of the air mass, i. in the wind, aligns.
  • Such structures are easier, easier to align and less expensive.
  • the inventive method for removing water vapor preferably water vapor in the form of mist
  • the method is used to remove fog from traffic installations, preferably at traffic facilities such as roads, airports and ship harbors.
  • traffic facilities such as roads, airports and ship harbors.
  • the inventive method for the production of water especially drinking water and / or water for agriculture from the ambient air, in particular from fog, is used.
  • the method of the invention is used to remove particulate matter, preferably particulate matter from combustion processes, more preferably internal combustion engines, most preferably automotive engines.
  • particulate matter preferably particulate matter from combustion processes, more preferably internal combustion engines, most preferably automotive engines.
  • internal combustion engines most preferably automotive engines.
  • the method is particularly suitable for relieving highly polluted traffic junctions, but can be used e.g. also serve to clear certain spaces, e.g. in front of clinics, at spa areas of fine dust, pollen, etc. to liberate.
  • FIG. 1 A first figure.
  • the arrows (10) represent the convection direction of a passively moved air flow with unloaded aerosol load (3).
  • the uncharged aerosols (3) move through a two-dimensional, essentially two-dimensional, electrically charged structure (positive (1) and negative (11 Wires loaded through) and by the existing high voltage fields (positive (2), negative (22)) in spatial proximity positive (4) and negative (5) electrically charged.
  • the oppositely charged aerosols (6, 7) diffuse towards and to mix (8). Due to the opposite charges agglomerate and / or coagulate the aerosols and thus increase their mass (9) and thereby their sedimentation. If the sedimentation rate is still insufficient, the aerosols can still pass through the process according to the invention one or more times until the desired mass / sedimentation rate has been reached.
  • Fig. 2 carries a flowing air mass (10) uncharged aerosols (1) in two successive electrically charged networks (A) and (B).
  • the networks (A) and (B) are subjected to a high voltage of alternating polarity.
  • the aerosols carried through the net (A) are alternately provided with positive (1 P) or negative (1 N) charge.
  • these oppositely charged aerosols (1 NA and 1 PA) come into contact with each other. It comes to agglomeration and / or coagulation, whereby larger mostly uncharged aerosol body (2) arise.
  • Fig. 3 shows a sail-like, designed as a network, flat, substantially two-dimensional, electrically charged structure (A) for carrying out a method according to the invention, which is like a sail over support wires (3) on pillars (4) anchored in the ground (5) to which a positive (1) and a negative (2) voltage are applied.
  • An air mass (10) with uncharged aerosols (6) moves through the positively and negatively charged structure, whereby the aerosols are spatially positively and negatively electrically charged and then diffused (7) and accumulate under neutralization, ie agglomerate or coagulate (8), causing the mass and thus the sedimentation rate to increase and the agglomerated or coagulated aerosols of gravity (9) to sink to the earth (5) (11).
  • FIG. 4 shows a sail-like, designed as a network, flat, substantially two-dimensional, electrically charged structure (A) for carrying out a method according to the invention, which is like a sail over support wires (3) on pillars (4) anchored in the ground (5)
  • Fig. 4A shows two pasture fence ropes with interwoven metal wire, to each of which a positive and a negative high voltage can be applied, but are not applied. Then a water mist is brought between both ropes, which floats down through them.
  • Fig. 4B shows the arrangement of Fig. 4A, but with applied bipolar high voltage at which the nebula collapses, i. coagulated.
  • Figures 4C and 4D show. the same arrangement, but with two bipolar wires (whose position is indicated in Fig. 4 on the right side by 2 dashes) with a diameter of 0.1 mm, without (4C) or with a bipolar voltage of +15 kV / -15 kV (4D).
  • a commercially available nebulizer from medical technology (an ultrasonic nebulizer with fan and hose outlet) was used to detect water vapor nebulae (suspended fog droplets of about 10 to 20 ⁇ m in diameter) from above by gravity through two 50 cm long electric fence ropes stretched across the nebula with braided metal wire at a distance of 4 to 6 cm to each other.
  • the bipolar voltage the fog coagulated just before reaching the bipolar high voltage cables (see Fig. 4A (without voltage) Fig. 4B (with bipolar voltage)).
  • the construction of the second experiment was identical to that of the first, except that two 50 cm long metal wires with a diameter of 0.1 mm instead of the pasture fence ropes were stretched at right angles to the fog or parallel to the ground.
  • the bipolar voltage is applied, the mist already coagulates about 30 cm before reaching the wires (see Fig. 4C (without voltage); Fig. 4D (with bipolar voltage)).

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Agglomeration und/oder Koagulation von Aerosolen in einer passiv bewegten Luftmasse im offenen Raum, bei dem sich die bewegte Luftmasse passiv durch wenigstens eine flächige im Wesentlichen zweidimensionale, elektrisch geladene Struktur (A) bewegt und dadurch die darin enthaltenen Aerosole (6) in räumlicher Nähe zueinander positiv und negativ elektrisch aufgeladen werden und derart entgegengesetzt geladene Aerosole agglomerieren und/oder koagulieren (8). In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung die Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Entfernung von Wasseraerosolen, insbesondere Nebel, oder Feinstäuben aus der Luft.

Description

Verfahren zur Agglomeration und/oder Koagulation von Aerosolen
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Agglomeration und/oder Koagulation von Aerosolen in einer passiv bewegten Luftmasse im offenen Raum, bei dem sich die bewegte Luftmasse passiv durch wenigstens eine flächige im Wesentlichen zweidimensionale, elektrisch geladene Struktur bewegt und dadurch die darin enthaltenen Aerosole in räumlicher Nähe zueinander positiv und negativ elektrisch aufgeladen werden und derart entgegengesetzt geladene Aerosole agglomerieren und/oder koagulieren. In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung die Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Entfernung von Wasseraerosolen, insbesondere Nebel, oder Feinstäuben aus der Luft.
Beschreibung des relevanten Standes der Technik
Es gibt eine ganze Reihe von technischen Verfahren sowie Vorrichtungen zur Abtrennung von Aerosolen aus Luftmassen, die sich in der Zielsetzung sowie der Dimensionierung der zu behandelnden Luftmasse stark unterscheiden können. Exemplarisch werden hier die Luftfiltration und Elektrofilter genannt. Üblicherweise dienen die Verfahren und Vorrichtungen der Entfernung bzw. der Gewinnung kleiner und kleinster in einer Luftmasse schwebender Partikel. Bei dem Verfahren der Filtration ist bedingt durch die notwendige Druckdifferenz der Luftmasse vor und nach dem Filter ein erheblicher Energieaufwand notwendig. Dieser Aufwand ist umso größer, je kleiner die zu filtrierenden Aerosole sind. Lediglich der Elektrofilter arbeitet nahezu ohne Druckdifferenz und wird daher sehr erfolgreich auch für größere Luftmengen eingesetzt. Bei Elektrofiltern werden Luftbestandteile wie Aerosole mit einer elektrischen Spannung beaufschlagt. Die Polarität der Aerosole ist bei den herkömmlichen Elektrofiltern immer gleich und die derart einheitlich geladenen Aerosole werden an einer entgegengesetzt oder ungeladenen Oberfläche abgeschieden. Die benötigten Abscheideflächen erfordern einen erheblichen baulichen Aufwand. Zudem wird die zu behandelnde Luftmasse mittels Pumpen aktiv bewegt. Bei Elektrofiltern ist also der funktionsbedingte bauliche Aufwand hoch und das Gleiche gilt für die damit verbundenen Kosten. Zudem sind die derzeitig verwendeten Elektrofilter räumlich beschränkt. Es sind auch eine Reihe anderer Verfahren zur Entfernung luftgetragener Partikel in Abluftschächten bekannt, bei denen z.B. Elektrodenpaare im geschlossenen Strömungskanal die luftgetragenen Partikel bipolar aufladen und es dann zu einer Agglomeration beim neutralisierenden Kontakt kommt (DE 44 00 817 C1).
Nebel selbst ist zwar ungefährlich, kann aber durch die Behinderung der Sicht an Verkehrsanlagen wie beispielsweise Strassen, Flug- und Schiffshäfen ein erhebliches Gefahrenpotential darstellen. Bei Kraftwerken und Fabrikanlagen in der Nähe von Verkehrsanlagen, z.B. Autobahnen, die große Mengen an Wasserdampf produzieren, kann der freigesetzte Wasserdampf sogar dazu führen, dass der Betreiber zu bestimmten Jahreszeiten den Betrieb beschränken muss, um eine Verkehrsgefährdung zu vermeiden. Auf der anderen Seite stellt Nebel in manchen Trockengebieten der Erde einen Grossteil der vorhandenen Wassermenge dar. Bedauerliche Weise ist diese Wassermenge für die Menschen, Tiere und Pflanzen nicht von Nutzen und verdampft meist kurz nach Tagesanbruch.
Feinstaub wurde in den letzten Jahren mehr und mehr als gesundheitsgefährdend erkannt, da er bedingt durch die geringe Größe bis tief in die Bronchien, ja sogar teilweise in die Alveolen der Lunge, vordringen kann und nur sehr langsam abgebaut bzw. ausgetragen wird. Bei gesundheitsgefährdenden Feinstäuben, wie sie z.B. bei Verbrennungsvorgängen entstehen, ist der direkte und langfristige Kontakt mit den Lungenzellen problematisch. Aber auch Pollen, Hausstaub und ansonsten inerte Feinstäube können die Lungenfunktion dauerhaft beeinträchtigen. Während es einige Vorrichtungen und Verfahren zur Reduktion von Feinstäuben in geschlossenen Räumlichkeiten gibt, die meist als Filter oder Luftwäscher realisiert werden, stehen für Aussenbereiche keine wirksamen Verfahren zur Entfernung dieser gesundheitsbe- einträchtigenden Feinstäube zur Verfügung.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Entfernen von Aerosolen wie z.B. Wasser und Feinstäube aus großen Luftmassen mit einem möglichst geringen apparativen Aufwand und Energiebedarf bereit zu stellen. Insbesondere soll das Verfahren in der Lage sein, Wasserdampf, vorzugsweise Wasserdampf in der Form von Nebel, zu entfernen, um zum einen Verkehrsanlagen wie Strassen, Flug- und Schiffshäfen davon zu befreien, zum anderen Wasser, insbesondere Trinkwasser und/oder Nutzwasser zu gewinnen. Des Weiteren soll das Verfahren in der Lage sein, Feinstäube, vorzugsweise solche aus Verbrennungsmotoren, zu entfernen, um die Belastung an Produktionsanlagen und Verkehrsschwerpunkten zu verringern. Beschreibung der Erfindung
Die oben genannten Aufgaben werden durch das erfindungsgemäße Verfahren zur Agglomeration und/oder Koagulation von Aerosolen in einer passiv bewegten Luftmasse im offenen Raum gelöst, bei dem sich die bewegte Luftmasse passiv durch wenigstens eine flächige im Wesentlichen zweidimensionale, elektrisch geladene Struktur bewegt und dadurch die darin enthaltenen Aerosole in räumlicher Nähe zueinander positiv und negativ elektrisch aufgeladen werden und derart entgegengesetzt geladene Aerosole agglomerieren und/oder koagulieren.
Unter einer passiv bewegten Luftmasse ist zu verstehen, dass die Luftmasse keinen nicht natürlichen aktiven Konvektionskräften ausgesetzt ist. Die Luftmasse bewegt sich lediglich durch Ihre Massenträgheit bzw. natürliche Konvektionskräfte, wie z.B. Wind. Bei dem Verfahren der vorliegenden Erfindung liegt deshalb auch keinerlei räumliche Umfassung/Begrenzung der Luftmasse vor oder nach der elektrisch geladenen Struktur vor. Dies spart konstruktiven Aufwand. Dasselbe gilt für die Abwesenheit aktiv betriebener, d.h. unter Aufwendung von Energie betriebener Konvektionsmittel.
Bei Aerosolen handelt es sich um durch Luft getragene, d.h. schwebefähige, flüssige oder feste Partikel, die vorzugsweise einen mittleren Durchmesser von < 100, mehr bevorzugt < 50 μm bei einer Dichte von ca. 1 g/cm3 aufweisen.
Natürlicher Nebel hat üblicherweise einen mittleren Durchmesser von 20 μm und üblicher Staub wie Hausstaub oder Bakterien haben einen mittleren Durchmesser von 10 μm. Die Fallgeschwindigkeit von diesen Aerosolen in unbewegter Luft liegt normaler Weise bei wenigen Zentimeter pro Minute. Schwebefähig bleiben Aerosole in einer Luftmasse nur bis zu einer bestimmten Eigenmasse bzw. Größe. Die Verweilzeit kleinster Aerosole in einer Luftmasse kann im Freien Monate bis Jahre andauern.
Das Verfahren der Erfindung lädt die in einer bewegten Luftmasse enthaltenen Aerosole bei der passiven Bewegung durch eine flächige im Wesentlichen zweidimensionale, elektrisch geladene Struktur in räumlicher Nähe zueinander positiv und negativ elektrisch auf, so dass die derart entgegengesetzt geladene Aerosole agglomerieren und/oder koagulieren. Unter Agglomeration versteht der Fachmann die Anlagerung von Feststoffen durch Physisorption und/oder Chemisorption, wohingegen Koagulation das Verschmelzen zweier zuvor getrennter Flüssigkeiten in eine Flüssigkeit/Tropfen bedeutet.
Die Agglomeration und/oder Koagulation durch das erfindungsgemäße Verfahren führt zu einem starken Anwachsen des Volumens wie auch der Masse der Aerosole und führt somit letztendlich zu deren beschleunigten Sedimentation aus der bewegten Luftmasse heraus. Dabei können Fallgeschwindigkeiten bis zu mehreren Zentimetern pro Sekunde zustande kommen, die ein schnelles Entfernen von Nebel und anderen Aerosolen erlauben. Zum Beispiel sedimentieren Nebeltröpfchen mit einem mittleren Durchmesser von 10 μm nur wenige Zentimeter pro Minute, bei 50 μm großen Tröpfchen fallen diese allerdings schon mit etwa einem Meter pro Sekunde. Somit erlaubt das erfindungsgemäße Verfahren die Abtrennung/Fällung von Aerosolen in kurzer Zeit, sobald die Partikel eine ausreichend große Masse besitzen. Diese ist je nach Rahmenbedingungen mit dem erfindungsgemäßen Verfahren schon nach wenigen Metern hinter der elektrisch geladenen Struktur möglich.
Die Anordnung bzw. die Anzahl der flächigen im Wesentlichen zweidimensionalen elektrisch geladenen Struktur(en) kann auf viele geeignete Arten erfolgen.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird eine geladene Struktur alternierend positiv und negativ geladen, um die in der passiv bewegten Luftmasse enthaltenen Aerosole nacheinander in räumlicher Nähe zueinander positiv oder negativ elektrisch aufzuladen.
Diese Anordnung ist besonders einfach und mit geringem Materialaufwand zu realisieren. Die Häufigkeit der alternierenden positiven und negativen elektrischen Beladung sollte so gewählt werden, dass die bereits geladenen Aerosole von der geladenen Struktur nicht erneut umgepolt bzw. abgeschieden werden. Die Häufigkeit der Beladung hängt also von den anderen Rahmenbedingungen wie beispielsweise der Spannung, der Geschwindigkeit der Luftmasse und der Aerosolbeladung ab.
Alternativ dazu kann die geladene Struktur in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform räumlich getrennt, d.h. in sich selbst, gleichzeitig positiv und negativ geladen sein, um die in der passiv bewegten Luftmasse enthaltenen Aerosole nebeneinander in räumlicher Nähe zueinander positiv oder negativ elektrisch aufzuladen. Auch hier ist die räumliche Trennung der positiven und negativen elektrischen Beladung so zu wählen, dass die bereits geladenen Aerosole von der entgegengesetzt geladenen Struktur nicht erneut umgepolt bzw. abgeschieden werden. Die räumliche Trennung der entgegengesetzten Beladungen hängt also von den anderen Rahmenbedingungen wie beispielsweise der Spannung, der Geschwindigkeit der Luftmasse und der Aerosolbeladung ab.
In einer weiteren Alternative wird das erfindungsgemäße Verfahren durch wenigstens zwei geladene Strukturen realisiert, die in einem solchen Abstand hintereinander in der Strömungsrichtung der bewegten Luftmasse angeordnet sind, so dass mindestens 50 %, vorzugsweise mindestens 60 %, mehr bevorzugt mindestens 70 %, am meisten bevorzugt mindestens 90 %, der durch die erste Struktur aufgeladenen Aerosole beim Erreichen der nachfolgenden Struktur bereits durch Agglomeration und/oder Koagulation elektrisch neutral sind.
Wenn die neutralen und ggf. verbleibenden noch geladenen Aerosole auf die nächste geladene Struktur treffen, werden diese erneut oder ggf. entgegengesetzt geladen. Der Zweck dieser Ausführungsform ist die mehrfache hintereinander folgende Agglomeration und/oder Koagulation zum Anwachsen der Aerosolmasse bis zur Fällung. Auch hier hängt die Häufigkeit der Beladung und der Abstand der wenigstens zwei geladenen Strukturen voneinander von den anderen Rahmenbedingungen wie beispielsweise der Spannung, der Geschwindigkeit der Luftmasse und der Aerosolbeladung ab.
Die flächige im Wesentlichen zweidimensionale, elektrisch geladene Struktur kann jede beliebige dem Verfahren dienliche im Wesentlichen zweidimensionale Struktur sein. Vorzugsweise handelt es bei der/den geladenen Struktur(en) zur Durchführung des Verfahrens der Erfindung um elektrisch leitende Drähte, vorzugsweise um Netz(e) und/oder Gitter aus elektrisch leitenden Drähten, vorzugsweise üblichen Metalldrähten, mit einem Durchmesser von 5 bis 2000 μm, vorzugsweise einem Durchmesser von 50 - 500 μm.
In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird(werden) die geladene(n) Struktur(en) mit einer Hochspannung, vorzugsweise mit einer Spannung von 1 kV bis 10OkV, mehr bevorzugt 5 kV bis 50 kV, am meisten bevorzugt 20 bis bis 30 kV belegt. Neben der Dicke und Leitfähigkeit der geladenen Struktur(en) und der angelegten Spannung ist auch die Häufigkeit/Frequenz der Belegung in Abhängigkeit von den anderen variierenden Parametern zur optimalen Agglomeration und/oder Koagulation der Aerosole zu berücksichtigen.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird daher die Frequenz der Belegung der geladenen Struktur(en) mit der positiven und/oder negativen Ladung der Geschwindigkeit und/oder der Aerosolbeladung der passiv bewegten Luftmasse angepasst, so dass eine im Wesentlichen gleichmäßige Aufladung der in der Luftmasse enthaltenen Aerosole zustande kommt.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird der Strom- durchfluss zur Aufladung der elektrisch geladenen Struktur der Geschwindigkeit und/oder die Aerosolbeladung der passiv bewegten Luftmasse angepasst wird, so dass eine im Wesentlichen gleichmäßige Aufladung der in der Luftmasse enthaltenen Aerosole zustande kommt.
Zudem wird für das erfindungsgemäße Verfahren in dem Fall der Verwendung einer benachbarten Anordnung von entgegengesetzt geladenen Strukturen der Abstand dazwischen vorzugsweise so gewählt ist, dass ein Durchschlagen der angelegten Hochspannung bei den gewählten Betriebsbedingungen im Wesentlichen ausgeschlossen werden kann.
In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die elektrisch geladene Struktur eine feste Struktur mit beschränkter Flexibilität. Unter beschränkter Flexibilität ist zu verstehen, dass sich die Form der Struktur dem Druck der passiv bewegten Luftmasse kaum oder gar nicht anpasst. Ein Beispiel solch einer festen Struktur ist ein festes Drahtgeflecht.
Mehr bevorzugt ist die elektrisch geladene Struktur eine flexible Struktur, vorzugsweise eine hochflexible Struktur, mehr bevorzugt eine segelartige Struktur ist, die sich in der Konvektionsrichtung der Luftmasse, d.h. im Wind, ausrichtet. Solche Strukturen sind leichter, einfacher auszurichten und kostengünstiger.
In einem weiteren Aspekt wird das erfindungsgemäße Verfahrens zur Entfernung von Wasserdampf, vorzugsweise Wasserdampf in Form von Nebel, verwendet. In einer bevorzugten Ausführungsform wird das Verfahren zur Entfernung von Nebel an Verkehrsanlagen, vorzugsweise an Verkehrsanlagen wie Strassen, Flug- und Schiffshäfen verwendet. Dazu können beispielsweise feste oder flexible elektrisch geladene Strukturen neben Verkehrsanlagen angebracht bzw. erfindungsgemäß angeordnet und so gesteuert werden, dass sich der Wasserdampf vor dem Erreichen der Verkehrsanlage abscheidet.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird das erfindungsgemäße Verfahren zur Gewinnung von Wasser, insbesondere Trinkwasser und/oder Wasser für die Landwirtschaft aus der Umgebungsluft, insbesondere aus Nebel, verwendet.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird das erfindungsgemäße Verfahren zur Entfernung von Feinstaub, vorzugsweise Feinstaub aus Verbrennungsvorgängen, mehr bevorzugt Verbrennungsmotoren, am meisten bevorzugt KFZ-Motoren, verwendet. Dazu können beispielsweise feste oder flexible elektrisch geladene Strukturen neben Produktions- oder Verkehrsanlagen angebracht bzw. erfindungsgemäß angeordnet und so gesteuert werden, dass sich der Feinstaub hinter den erfindungsgemäß gesteuerten elektrisch geladenen Strukturen abscheidet. Das Verfahren ist besonders für die Entlastung von stark mit Feinstaub belasteten Verkehrsknotenpunkten geeignet, kann aber z.B. auch dazu dienen, bestimmte Freiräume, z.B. vor Kliniken, an Kurgebieten von Feinstaub, Pollen, etc. zu befreien.
Das oben beschriebene Verfahren wird im Folgenden beispielhaft unter Bezugnahme auf Figuren erläutert.
Figuren
Figur 1
In Figur 1 stellen die Pfeile (10) die Konvektionsrichtung eines passiv bewegten Luftstroms mit ungeladener Aerolsollast (3) dar. Die ungeladenen Aerosole (3) bewegen sich durch eine flächige im Wesentlichen zweidimensionale, elektrisch geladene Struktur (positiv (1) und negativ (11) geladene Drähte) hindurch und werden durch die vorhanden Hochspannungsfelder (positiv (2); negativ (22)) in räumlicher Nähe zueinander positiv (4) und negativ (5) elektrisch aufgeladen. Nach dem Durchlaufen der geladenen Struktur diffundieren die entgegengesetzt geladenen Aerosole (6, 7) aufeinander zu und vermischen (8). Bedingt durch die entgegen gesetzten Ladungen agglomerisieren und/oder koagulieren die Aerosole und erhöhen so ihre Masse (9) und dadurch auch ihre Sedimentationsgeschwindigkeit. Ist die Sedimentationsgeschwindigkeit noch nicht ausreichend, so können die Aerosole noch ein oder mehrere Male bis zum Erreichen der gewünschten Masse/Sedimentationsgeschwindigkeit das erfindungsgemäße Verfahren durchlaufen.
Figur 2
In Fig. 2 trägt eine strömende Luftmasse (10) ungeladene Aerosole (1) in zwei aufeinander folgende elektrisch geladene Netze (A) und (B). Die Netze (A) und (B) sind mit einer Hochspannung wechselnder Polarität beaufschlagt. Die durch das Netz (A) durchgeführten Aerosole werden wechselweise mit positiver (1 P) oder negativer (1 N) Ladung versehen. Im freien Raum zwischen den Netzen (A) und (B) kommen diese entgegengesetzt geladenen Aerosole (1 NA und 1 PA) miteinander in Kontakt. Es kommt zur Agglomeration und/oder Koagulation, wodurch größere meist ungeladene Aerosolkörper (2) entstehen. Diese größeren Aerosole (2) durchströmen das zweite Netz (B), das wiederum mit wechselnder Polarität beaufschlagt wird, und es entstehen entgegengesetzt geladene größere Aerosole (2N und 2P), die erneut koagulieren und/oder agglomerieren, um noch größere Teilchen (3) mit noch schnellerem Sedimentationsverhalten bereit zu stellen.
Figur 3
Fig. 3 zeigt eine segelartige, als Netz ausgeführte, flächige, im Wesentlichen zweidimensionale, elektrisch geladene Struktur (A) zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens, die segelartig über Stützdrähte (3) an Pfeilern (4) mit Verankerung im Erdboden (5) gehalten wird, an die eine positive (1) und eine negative (2) Spannung angelegt ist. Eine Luftmasse (10) mit ungeladenen Aerosolen (6) bewegt sich durch die positiv und negativ geladene Struktur hindurch, wodurch die Aerosole in räumlicher Nähe zueinander positiv und negativ elektrisch aufgeladen werden und sich anschließend diffusiv vermischen (7) und unter Neutralisieren anlagern, d.h. agglomerisieren oder koagulieren (8), wodurch sich die Masse und damit die Sedimentationsgeschwindigkeit erhöht und die agglomerisierten bzw. koagulierten Aerosole der Erdanziehung folgend (9) zur Erde (5) sinken (11). Figur 4
Die Fig. 4A zeigt zwei Weidezaunseile mit eingeflochtenem Metalldraht, an die jeweils eine positive und eine negative Hochspannung angelegt werden können, nicht aber angelegt sind. Dann wird ein Wassernebel zwischen beide Seile gebracht, der durch diese hinabschwebt. Die Fig. 4B zeigt die Anordnung von Fig. 4A, aber mit angelegter bipolarer Hochspannung, bei der der Nebel kollabiert, d.h. koaguliert. Die Figuren 4C und 4D zeigen. die gleiche Anordnung, aber mit zwei bipolaren Drähten (deren Position wird in Fig. 4 an der rechten Seite durch 2 Striche gekennzeichnet) mit einem Durchmesser von 0,1 mm, ohne (4C) bzw. mit einer bipolaren Spannung von +15 kV/-15 kV (4D).
Im Folgenden wird die Erfindung beispielhaft anhand von zwei Experimente dargestellt, die nicht als einschränkend für den Umfang der Erfindung auszulegen sind.
Beispiele
Experiment 1
Es wurde ein handelsüblicher Vernebler aus der Medizintechnik (ein Ultraschallvernebler mit Ventilator und Schlauchausgang) verwendet, um Wasserdampfnebel (schwebefähige Nebeltröpfchen von ca. 10 bis 20 μm im Durchmesser) von oben durch Schwerkraft durch zwei quer zum Nebel gespannte, parallele, 50 cm lange Weidezaunseile mit eingeflochtenem Metalldraht im Abstand von 4 bis 6 cm zueinander zu führen. Es wurde an die Seile eine Spannung von jeweils +12 bis 15 kV DC, geglättet auf ca. 10 mA, angelegt. Beim Anlegen der bipolaren Spannung koagulierte der Nebel kurz vor dem Erreichen der bipolaren Hochspannungsseile (siehe Fig. 4A (ohne Spannung); Fig. 4B (mit bipolarer Spannung)).
Experiment 2
Der Aufbau des zweiten Experiments war zu dem des ersten identisch, außer dass zwei 50 cm lange Metalldrähte mit einem Durchmesser von 0,1 mm statt der Weidezaunseile im rechten Winkel zum Nebel bzw. parallel zum Boden gespannt wurden. Bei dem Anlegen der bipolaren Spannung koaguliert der Nebel bereits ca. 30 cm vor Erreichen der Drähte (siehe Fig. 4C (ohne Spannung); Fig. 4D (mit bipolarer Spannung)).

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Agglomeration und/oder Koagulation von Aerosolen in einer passiv bewegten Luftmasse im offenen Raum, das dadurch gekennzeichnet ist, dass sich die bewegte Luftmasse passiv durch wenigstens eine flächige im Wesentlichen zweidimensionale, elektrisch geladene Struktur bewegt und dadurch die darin enthaltenen Aerosole in räumlicher Nähe zueinander positiv und negativ elektrisch aufgeladen werden und derart entgegengesetzt geladene Aerosole agglomerieren und/oder koagulieren.
2. Das Verfahren von Anspruch 1 , bei dem die wenigstens eine geladene Struktur alternierend positiv und negativ geladen wird, um die in der passiv bewegten Luftmasse enthaltenen Aerosole nacheinander in räumlicher Nähe zueinander positiv und negativ elektrisch aufzuladen.
3. Das Verfahren von Anspruch 1 , bei dem die wenigstens eine geladene Struktur räumlich getrennt gleichzeitig positiv und negativ geladen ist, um die in der passiv bewegten Luftmasse enthaltenen Aerosole nebeneinander in räumlicher Nähe zueinander positiv und negativ elektrisch aufzuladen.
4. Das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem wenigstens zwei geladene Strukturen in einem solchen Abstand hintereinander in der Strömungsrichtung der bewegten Luftmasse angeordnet sind, so dass mindestens 50 %, vorzugsweise mindestens 60 %, mehr bevorzugt mindestens 70 %, am meisten bevorzugt mindestens 90 %, der durch die erste Struktur aufgeladenen Aerosole beim Erreichen der nachfolgenden Struktur bereits durch Agglomeration und/oder Koagulation elektrisch neutral sind.
5. Das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die geladene(n) Struktur(en) elektrisch leitende Drähte, vorzugsweise Netz(e) und/oder Gitter aus elektrisch leitenden Drähten, vorzugsweise Metalldrähten, mit einem Durchmesser von 5 bis 2000 μm, vorzugsweise einem Durchmesser von 50 - 500 μm, sind.
6. Das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem geladene(n) Struktur(en) mit einer Hochspannung, vorzugsweise mit einer Spannung von 1 kV bis 10OkV, mehr bevorzugt 5 kV bis 50 kV, am meisten bevorzugt 20 bis 30 kV belegt werden.
7. Das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem die Frequenz der Belegung der geladenen Struktur(en) mit der positiven und/oder negativen Ladung der Geschwindigkeit und/oder der Aerosolbeladung der passiv bewegten Luftmasselast angepasst wird, so dass eine im Wesentlichen gleichmäßige Aufladung der in der Luftmasse enthaltenen Aerosole zustande kommt.
8. Das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem der Stromdurchfluss zur Aufladung der elektrisch geladenen Struktur der Geschwindigkeit und/oder der Aerosolbeladung der passiv bewegten Luftmasse angepasst wird, so dass eine im Wesentlichen gleichmäßige Aufladung der in der Luftmasse enthaltenen Aerosole zustande kommt.
9. Das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem im Fall der Verwendung einer benachbarten Anordnung von entgegengesetzt geladenen Strukturen der Abstand dazwischen so gewählt ist, dass ein Durchschlagen der angelegten Hochspannung bei den gewählten Betriebsbedingungen im Wesentlichen ausgeschlossen werden kann.
10. Das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem die elektrisch geladene Struktur eine feste Struktur mit beschränkter Flexibilität ist.
11. Das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem die elektrisch geladene Struktur eine flexible Struktur, vorzugsweise eine hochflexible Struktur ist, mehr bevorzugt eine segelartige Struktur ist, die sich im Wind ausrichtet.
12. Verwendung eines Verfahrens gemäß den Ansprüchen 1 bis 11 zur Entfernung von Wasserdampf, vorzugsweise Wasserdampf in Form von Nebel.
13. Die Verwendung gemäß Anspruch 12 zur Entfernung von Nebel an Verkehrsanlagen, vorzugsweise an Verkehrsanlagen wie Strassen, Flughäfen und Schiffshäfen.
14. Die Verwendung gemäß Anspruch 12 zur Gewinnung von Wasser, insbesondere Trinkwasser und/oder Wasser für die Landwirtschaft aus der Umgebungsluft, insbesondere aus Nebel.
15. Verwendung eines Verfahrens gemäß den Ansprüchen 1 bis 11 zur Entfernung von Feinstaub, vorzugsweise Feinstaub aus Verbrennungsvorgängen, mehr bevorzugt Verbrennungsmotoren, am meisten bevorzugt KFZ-Motoren.
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