ES2350132B1 - Sistema para disminuir la caida de presion en un analizador por movilidad electrica (dma). - Google Patents
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Abstract
Sistema para disminuir a caída de presión en un
analizador por movilidad eléctrica (DMA), de los llamados del tipo
Viena, que está construido de manera que favorece la asimetría del
flujo, no presenta restricciones de éste para evitar fuertes caídas
de presión y potentes bombeos, está provisto de un aislante
eléctrico, a través del cual circula el gas de arrastre, y está
dotado de un cono para estabilizar el flujo, todo ello en un único
dispositivo con el que es posible cubrir un rango de medición de 1 a
600 nm. El aislante eléctrico empleado permite alcanzar diferencias
de potencial de hasta 14 kV. Los correspondiente electrodos,
interior y exterior, van montados conforme a lo señalado en la
figura l. Aplicable a la medición de iones y partículas, del rango
indicado, con resoluciones de hasta 12.
Description
Sistema para disminuir la caída de presión en un
analizador por movilidad eléctrica (DMA).
La presente invención, que se pretende registrar
bajo la modalidad de patente de invención, se refiere a un
dispositivo único para medir iones y partículas desde 1 nm hasta 600
nm, con resoluciones de hasta 12. Se alcanza este rango amplio de
medida al disminuir la caída de presión en un analizador de
movilidad diferencial (DMA), de tipo Viena (Winklmayr, W., Reischl,
G. P., Lindner, A. O. y Berner, A., A New Electromobility
Spectrometer for the Measurement of Aerosol Size Distributions in
the Size Range From 1 to 1000 nm, J. Aerosol Sci. 22,
289-296, 1991). Además, tal rango se consigue con
una capacidad de bombeo moderada, como por ejemplo por medio de una
bomba de aspirador eléctrico. El dispositivo de la invención permite
alcanzar diferencias de potencial de hasta 14 kV, siendo posible
medir partículas de varios cientos de nm.
Los DMA's clasifican partículas cargadas
basándose en la capacidad de éstas para migrar cuando se someten a
un campo eléctrico. Un DMA opera básicamente a base de introducir
una muestra de partículas cargadas, en un cierto punto, en una
corriente de gas limpio, que las arrastra a través de una zona
sometida a un campo eléctrico. La combinación de éste con el campo
fluido separa las partículas en función de sus respectivas
movilidades eléctricas.
Dado que la movilidad eléctrica depende de la
carga y del tamaño de las partículas, si se conoce la distribución
de cargas de las partículas que entran en un DMA se puede determinar
también su distribución por tamaños a la salida de éste.
Los DMA's tradicionalmente se han venido
utilizando por la comunidad científica para estudios propios de
campos relacionados con la protección del medio ambiente, como, por
ejemplo, en los relativos a la obtención de la distribución de
tamaños de las partículas de aerosoles atmosféricos o de emisiones
producidas por procesos de combustión.
El rango de medida ha estado durante muchos años
situado entre los 15 y los 1000 nm. Sin embargo, con el desarrollo
de la nanotecnología y de otras técnicas analíticas de alta
resolución se ha llegado a exigir la extensión de este rango a
partir de 1 nm, para poder así separar con gran eficiencia
partículas de tamaños muy próximos entre sí.
A título de ejemplo, las propiedades de los
llamados materiales funcionales, o nanomateriales, dependen
significativamente del tamaño de las Partículas utilizadas en la
síntesis del correspondiente material. Es decir, que las partículas
han de ser altamente monodispersas (muy del mismo tamaño). De ahí,
la relevancia de disponer de instrumentación que cumpla unos muy
estrictos requerimientos de resolución.
En el supuesto de que las partículas que se
estén midiendo sean no difusivas, la resolución ideal del
instrumento viene dada como la relación entre el caudal de gas de
arrastre y el caudal de aerosol (Knutson, E. O. y Whitby, K. T.
Aerosol classification by electric mobility: apparatus, theory and
applications. J. Aerosol Sci. 6, 443-451,
1975). Sin embargo, el límite para alcanzar una alta resolución en
el rango nanométrico es el de la difusión browniana.
Una estrategia para minimizar el efecto difusivo
es la de aumentar el número de Peclet, o lo que es lo mismo,
aumentar el número de Reynolds (de Juan, L. y Fernández de la Mora,
J. Size Analysis of Nanoparticles and lons: Running a Vienna DMA of
Near Optimal Length at Reynolds Numbers up to 5000. J. Aerosol
Science 29, 617-626, 1998). Sin embargo, además
de operar a altos caudales, el flujo debe permanecer en régimen
laminar. En el caso de producirse una transición a la turbulencia,
la resolución del instrumento se degrada drásticamente. Otra
condición que debe cumplir el flujo es la que ha de ser
axisimétrico.
En el diseño original de Winklmayr, el gas se
extrae radialmente. Por ello, y para mantener la axisimetría del
flujo, se impone una constricción aguas debajo de la ranura de
salida del aerosol. El precio a pagar es el de una alta caída de
presión, la cual impide alcanzar elevados caudales y, por tanto,
altas resoluciones.
Un intento para solucionar este problema fue el
de Rosser y Fernández de la Mora (Rosser, S. y Fernández de la Mora.
J. Vienna-Type DMA of High Resolution and High Flow
Rate. Aerosol Science and Technology, 39,
1191-1200, 2005) y el propio del prototipo previo de
Martínez Lozano (Martínez-Lozano, P et al.
Generation of Highly Monodisperse Particles via Electrical Mobility
Analysis. Trends in Nanotechnology Conference (TNT2004), Segovia,
13-17 de Septiembre de 2004), en cuyos
planteamientos se prevén dos cámaras de salida para evitar la
asimetría causada por la salida convencional de los DMA's. Al
duplicar las cámaras, es necesaria una constricción similar a las
tradicionales, que aumenta la caída de presión en la salida del gas
de arrastre.
Estos problemas han provocado la necesidad de
utilizar dos DMA's diferentes para cubrir el rango de 1 a 600 nm, ya
que un único instrumento no era capaz de cubrirlo con la resolución
mínima adecuada.
Con el sistema que se propone aquí, en la
presente invención, la salida del gas de arrastre se produce sin
ninguna constricción en una única cámara, con extracción del gas de
arrastre completamente axial, lo que permite que la caída de presión
sea relativamente baja, alcanzándose así altos números de Reynolds.
Esta caída de presión se minimiza sin utilizar difusores, siendo las
paredes siempre paralelas, sin ángulo de divergencia. Como
consecuencia de todo esto, se ha conseguido un único dispositivo
capaz de medir en el rango de 1 a 600 nm, con resoluciones mayores
de 10 y manteniendo la distancia entrada/salida de aerosol del DMA
de Winklmyr. Cabe destacar también que su fabricación y montaje son
sencillos.
El DMA consta de un filtro de alta eficiencia,
que permite que el gas de arrastre entre libre de partículas y
distribuido uniformemente. Tras pasar el gas por una rejilla de
laminación y una sección convergente, que laminan el flujo, el gas
de arrastre pasa a través de la sección de clasificación de
partículas. Aguas abajo de la sección de clasificación, el gas es
extraído en la dirección axial, tras pasar por una pieza de Teflon®
ranurada, que permite una única cámara de salida, y que actúa a la
vez como soporte del electrodo interior y como aislante eléctrico.
Aguas abajo, el gas es finalmente extraído a través de otra pieza de
Teflon® convergente y una pieza metálica en forma de cono, cuyo
objeto es el de evitar, en la medida de lo posible, inestabilidades
del flujo, que podrían propagarse aguas arriba, hacia la sección de
clasificación, y deteriorar la resolución.
El sistema de salida del gas de arrastre,
compuesto por esta tres piezas, permite alcanzar resoluciones de
hasta 12, con iones de aproximadamente 1 nm. La máxima diferencia de
potencial que se alcanza, antes de llegar a la rotura dieléctrica,
es de 14 kV, lo cual, junto con la distancia entre las ranuras de
entrada y salida del aerosol, permite medir partículas de hasta 600
nm, con una relación de caudales de gas de arrastre y de aerosol de
3/0,3 y una resolución teórica de 10.
Para complementar la descripción, y al objeto de
ayudar a una mejor comprensión de la invención, se incluyen varias
figuras representativas de aspectos gráficos de la misma, y en ellas
se muestra lo que sigue:
En la figura 1, una vista lateral del conjunto
del DMA de la invención.
En la figura 2, una vista lateral detallada del
conjunto de extracción de gas de arrastre, observándose una única
cámara y la ausencia de constrictores.
En las figuras 3 a 6, las distintas piezas que
componen el sistema de la fig. 2.
En la figura 3, el cono (pieza 2), situado aguas
abajo, diseñado para estabilizar el flujo tras pasar el aire por
la
pieza 3.
pieza 3.
En las figuras 4a y 4b, una vista lateral y en
planta, respectivamente, seccionada de la pieza 4 situada aguas
arriba de la pieza 3.
En la figura 5, la pieza 1, que conecta a la
bomba extractora de gas de arrastre y permite su extracción
axial.
En la figura 6, una vista en planta de la pieza
3 que aísla eléctricamente el electrodo interior y exterior, y que
además sostiene a aquél.
En la figura 7, se representa una distribución
de tamaños de aerosoles atmosféricos.
En la figura 8, se observa un espectro de
movilidad de iones de tamaño conocido.
Las referencias de las figuras corresponden
a:
- (1)
- Pieza de extracción del gas de arrastre
- (2)
- Pieza cónica para estabilizar el flujo
- (3)
- Pieza circular que aísla eléctricamente el electrodo interior y exterior
- (4)
- Portabalas
- (5)
- Electrodo interior
- (5')
- Electrodo exterior
- (6)
- Pieza por donde se introduce el aerosol polidisperso
- (7)
- Sección convergente
- (8)
- Pieza que tensa la rejilla de laminación
- (9) y (11)
- Piezas que componen la cámara
- (10)
- Filtro HEPA
- (12)
- Tubo de entrada del gas de arrastre
- (13)
- Tubo de salida del aerosol monodisperso
- (14)
- Rejilla de laminación
El sistema de extracción de gas de arrastre
(fig. 2) consta de una pieza circular de Teflon® (3) que aísla
eléctricamente el electrodo interior y exterior, y que además
sostiene a aquél, con tres orificios ranurados concéntricos (A, en
la fig. 6). A través de las tres ranuras circula axialmente el gas
de arrastre. Existe un cuarto orificio horadado radialmente (B, en
la figura 6), por el que se introduce el tubo de salida del aerosol
monodisperso (13). Este tubo va roscado a la pieza cónica metálica
(2) (figura 3), situada aguas abajo de la pieza circular (3). A su
vez, el denominado portabalas (4), va roscado a la pieza cónica (2),
quedando la pieza circular de Teflon® (3) entre ta pieza cónica (2)
y el portabalas (4). El electrodo interior (5) va roscado al
portabalas (4). Una vez ensambladas estas piezas, éstas se asientan
sobre el electrodo exterior (5'). Finalmente, la pieza de Teflon®
(1) (figura 5) se atornilla al conjunto.
Así, el gas de arrastre accede por el tubo de
entrada (12), hasta llegar a la cámara compuesta por las piezas (9)
y (11). El gas entra radialmente a través de un filtro HEPA (10).
Posteriormente, pasa a través de una rejilla de laminación (14)
tensada por la pieza (8). Se acelera en la sección convergente (7),
y se mezcla con el aerosol polidisperso en la posición (E) de la
figura 1. Las partículas se separan en función de su movilidad
eléctrica, y sólo aquellas dentro de un estrecho rango de movilidad
son extraídas a través de la ranura (S) de la figura 1. El gas de
arrastre continúa aguas abajo atravesando la pieza (3), siendo
extraído finalmente a través de la pieza (1).
El instrumento de la invención puede ser
utilizado en el área de la tecnología de aerosoles para la medida de
la distribución de tamaños de partículas de aerosoles polidispersos
(por ejemplo, en aerosoles atmosféricos o en aerosoles provenientes
de procesos de combustión), Para ilustrar este punto, en la figura 7
se representa una distribución de tamaños de aerosoles atmosféricos
obtenidos mediante el instrumento de la invención. Se observan dos
picos: uno submicrométrico y otro nanométrico. Hasta la presente
invención, eran precisos dos DMA's, con rangos diferentes, para
poder medir simultáneamente ambos máximos.
Asimismo, puede ser utilizado para la generación
de partículas monodispersas. Esta técnica es empleada en la
fabricación de materiales funcionales por síntesis, en fase gaseosa,
de nanomateriales, Su resolución permite separar partículas de
tamaño similar a partir de mezclas complejas. En la figura 8, se
observa un espectro de movilidad de iones de tamaño conocido. En
ella, se advierte que es capaz de separar casi por completo iones de
1,44 y 1,77 nm.
Claims (4)
1. Sistema para disminuir la caída de presión en
un analizador por movilidad eléctrica (DMA), de los llamados del
tipo Viena, que se caracteriza por comprender:
- una pieza circular (3) aislante a través de la
cual circula el gas de arrastre en dirección axial con tres
orificios ranurados concéntricos y un cuarto orificio horadado
radialmente por el que se introduce el tubo de salida del aerosol
monodisperso (13)
- una pieza cónica (2) para estabilizar el flujo
situada aguas abajo de la pieza circular (3)
- Pieza de extracción (1) del gas de
arrastre
- un tubo por el que se extrae el aerosol
monodisperso (13) que va roscado a la pieza cónica metálica (2).
\vskip1.000000\baselineskip
2. Sistema para disminuir la caída de presión en
un analizador por movilidad eléctrica (DMA), según reivindicación 1
caracterizado porque la pieza circular (3) y la pieza de
extracción (1) son de Teflon®.
3. Sistema para disminuir la caída de presión en
un analizador por movilidad eléctrica (DMA), según reivindicación 1
caracterizado porque la pieza cónica (2) es metálica.
4. Analizador por movilidad eléctrica (DMA)
caracterizado por comprender el sistema de la reivindicación
1.
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