NL2003439C2

NL2003439C2 - Inrichting en werkwijze voor filtering van fijn stof uit een gas.

Info

Publication number: NL2003439C2
Application number: NL2003439A
Authority: NL
Inventors: Rene Paul Otjes
Original assignee: Stichting Energie
Priority date: 2009-09-04
Filing date: 2009-09-04
Publication date: 2011-03-09
Also published as: EP2292313A3; EP2292313A2

Description

Inrichting en werkwijze voor filtering van fijn stof uit een gas

TECHNISCH VAKGEBIED

De onderhavige uitvinding heeft betrekking op een filtreerinrichting en een 5 werkwijze voor het filteren van fijn stof uit een gas. De uitvinding heeft voorts betrekking op een werkwijze voor het meten van specifieke eigenschappen van fijn stof.

STAND VAN DE TECHNIEK

10 Fijn stof (particulate matter) is de verzamelnaam voor in de lucht zwevende deeltjes van verschillende grootte, herkomst en chemische samenstelling. Epidemiologisch en toxicologisch onderzoek heeft aangetoond dat fijn stof bij inademing schadelijk is voor de gezondheid. Zo is bekend dat er een eenduidige epidemiologische relatie is tussen vervroegde sterfte en fijn stof concentraties. In de 15 industrie heeft de ervaring bijvoorbeeld geleerd dat ongewenste vorming van deeltjes tijdens productieprocessen in aanzienlijke mate schadelijk kan zijn voor de gezondheid van personeel. Industrieën waar dit probleem een grote rol kan spelen zijn onder andere de metaalindustrie, de houtindustrie en de steenindustrie. De blootstelling van werknemers en bevolking aan fijn stof wordt door middel van adviezen en wetgeving 20 vanuit nationale overheden en internationale organisaties in toenemende mate aan beperkingen onderworpen. Werkgevers en overheden dienen er dan ook zorg voor te dragen dat de werkomgeving respectievelijk leefomgeving van werkend personeel en bevolking veilig is.

Bij een bepaling van fijn stof voor een veiligheidsevaluatie zijn meetsystemen 25 nodig waarmee concentraties en eigenschappen van fijn stof kunnen worden vastgesteld. Een meetsysteem dat op grote schaal kan worden ingezet is nuttig bij het vaststellen van epidemiologische verbanden tussen gemeten specifieke eigenschappen van fijn stof en gezondheidsschade. Met behulp van resultaten uit een dergelijk onderzoek kunnen op efficiëntere wijze maatregelen worden geformuleerd en getroffen 30 voor het terugdringen van die gezondheidsschade en daaraan verbonden economische schade. Een meetsysteem dat eenvoudig in gebruik is en weinig operationele beperkingen kent, draagt aan dit doel bij door eenvoudig en op willekeurige plaatsen inzetbaar te zijn. Aangenomen wordt dat enkel de massaconcentratie van fijn stof geen 2 efficiënte indicator is, maar dat andere specifieke eigenschappen van fijn stof de veroorzaker zijn van gezondheidsschade. Helaas bestaan er nog geen instrumenten die dit soort specifieke eigenschappen op een breed inzetbare manier kunnen meten.

Fijn stof bestaat voor een aanzienlijk deel uit zouten die in vloeistoffen zoals 5 water kunnen worden opgelost. Ook bevat fijn stof niet-oplosbare componenten. Als gevolg zal het fijn stof dat is overgebracht naar een vloeistof aangeduid kunnen worden als een suspensie en als een oplossing.

Bekende methodes voor het overbrengen van zwevend fijn stof naar een vloeistof benutten de aangroei van fijn stof door stoominjectie gevolgd door 10 scheidingsmethoden die gebruik maken van massatraagheidsverschillen, zoals centrifugale afscheiding of impactie. Het toepassen van stoominjectie heeft als nadeel dat fijn stof tijdelijk in temperatuur wordt verhoogd, waardoor de genoemde andere specifieke eigenschappen van het fijn stof sterk kunnen veranderen.

Een techniek die zonder stoominjectie het fijn stof van het gas scheidt, is 15 beschreven in (Al-Horr et al, 2003). In het daarin besproken systeem wordt een luchtstroom met fijn stof bij kamertemperatuur door middel van verstuiving gemengd met vloeibaar water. De luchtstroom wordt daarbij haaks op een filter gericht, waardoor de fijn stof deeltjes te ver in de poriën van het filtreerelement doordringen, zodat dit filtreerelement na enige tijd van gebruik verstopt raakt. Als gevolg moet het systeem 20 worden geopend om het filter na ongeveer twee weken te vervangen. Een verder nadeel is dat zwaartekracht de drijvende kracht is bij verwijdering van de vloeistof met fijn stof suspensie uit het filtreerelement. Dit impliceert dat een dergelijk systeem een voorkeursoriëntatie heeft voor efficiënte werking.

25 KORTE BESCHRIJVING

Het is een doelstelling om een werkwijze te verschaffen waarmee de effectieve gebruiksduur van het filtreerelement wordt verlengd. Tevens is het een doelstelling om een filtreerinrichting te verschaffen waarin de filtreerwerkwijze kan worden toegepast. Een dergelijke filterinrichting kan hierdoor gedurende langere tijd voor ononderbroken 30 metingen worden ingezet. Hierdoor worden vertragingen en kosten ten gevolge van onderhoudswerkzaamheden gereduceerd.

Voorts is het een doelstelling om een filtreerinrichting met een werkwijze te verschaffen die oriëntatieonafhankelijk kan functioneren. Een dergelijk systeem kan op 3 willekeurige plaatsen ingezet worden, onafhankelijk van de oriëntatie ten opzichte van het bodemoppervlak, dan wel van de richting van de zwaartekracht.

Deze doelstellingen zijn bereikt door een fïltreerinrichting en een werkwijze 5 voor het filteren van fijn stof uit een mengsel van gas en fijn stof.

Volgens een aspect wordt voorzien in een filtreerinrichting voor het filtreren van een fijn stof uit het mengsel, omvattende een aanvoergebied, waar een vloeistof en het gas met het fijn stof de filtreerinrichting worden binnengevoerd; een afvoergebied, waar de vloeistof met het fijn stof en het gas uit de filtreerinrichting worden afgevoerd; 10 een filtreerkamer, omvattende een primair kanaal dat hoofdzakelijk langwerpig is langs een lengteas, waarin de vloeistof en het gas met het fijn stof vanuit het aanvoergebied worden aangevoerd; een secundair kanaal, waarin het gas na filtering wordt afgevoerd naar het afvoergebied; een filtreerelement dat een werkzaam filtreeroppervlak omvat dat doorlatend is voor het gas en niet-doorlatend is voor het fijn stof en de vloeistof; 15 een grensoppervlak dat een fysieke scheiding tussen het primaire kanaal en het secundaire kanaal vormt en het filtreerelement omvat. De inrichting wordt gekenmerkt door een aanvoerleiding ingericht voor het produceren van een trein van volumepakketjes vloeistof en gas met fijn stof, waarbij de aanvoerleiding ten minste een verbindingdeel omvat waarin een gastoevoerleiding voor het aanvoeren van een 20 instromend gas met fijn stof en vloeistoftoevoerleiding voor het aanvoeren van een instromende vloeistof samenkomen en overgaan in een gezamenlijke doorvoerleiding die uitmondt in het aanvoergebied van het primaire kanaal. Verder is de filtreerkamer ingericht om de trein van volumepakketjes van afwisselend vloeistof en gas met fijn stof door het primaire kanaal langs het werkzame filtreeroppervlak te laten stromen, in 25 een richting hoofdzakelijk evenwijdig aan de lengteas.

Volgens een ander aspect wordt voorzien in een werkwijze voor het filtreren van fijn stof uit een gas met behulp van de beschreven filtreerinrichting, omvattende de stappen van het vormen van een trein van volumepakketjes van afwisselend vloeistof en een gas met het fijn stof, het aanvoeren van de trein van volumepakketjes van 30 afwisselend vloeistof en gas met fijn stof in het aanvoergebied van het primaire kanaal, het voeren van de trein van volumepakketjes van afwisselend vloeistof en gas met fijn stof hoofdzakelijk in een richting evenwijdig aan de lengteas door het primaire kanaal vanuit het aanvoergebied langs het werkzame filtreeroppervlak van het filtreerelement, het verwijderen van het gas uit de trein met volumepakketjes vloeistof en gas met fijn 4 stof in het primaire kanaal, door enkel het gas het fïltreerelement te laten passeren, het vormen van een suspensie van de vloeistof en het in het fïltreerelement achtergebleven fijn stof, en het afvoeren van de gevormde vloeistof met fijn stof uit het primaire kanaal.

5

Doordat de fïltreerinrichting is ingericht om tijdens gebruik afwisselend een volumepakketje van de vloeistof en een volumepakketje van het gas met fijn stof door het primaire kanaal langs het werkzame fïltreeroppervlak te laten stromen, zullen de fijn stof deeltjes het werkzame fïltreeroppervlak niet snel verstoppen. Doordat het gas 10 het werkzame fïltreeroppervlak kan passeren terwijl het fijn stof in de bovenste laag van het werkzame fïltreeroppervlak achterblijft, kan een achteropkomend volumepakketje vloeistof het achtergebleven fijn stof meenemen en zo het fïltreerelement schoonvegen. Door gebruik van een trein van afwisselende volumepakketjes vloeistof en gas met fijn stof kunnen de stappen van toevoeren, 15 filtreren en schoonvegen in een cyclus worden doorlopen, zodat de fïltreerinrichting gedurende langere tijd ononderbroken kan functioneren.

De hier beschreven fïltreerinrichting en filtreerwerkwijze maken geen gebruik van de zwaartekracht als drijfveer voor één van de stappen in de filtreerwerkwijze, zodat toepassing van de beschreven filtreerwerkwijze met behulp van de 20 fïltreerinrichting oriëntatieonafhankelijk kan plaatsvinden.

KORTE BESCHRIJVING VAN DE TEKENINGEN

Hieronder zullen uitvoeringen van de uitvinding worden beschreven, uitsluitend 25 bij wijze van voorbeeld, aan de hand van de begeleidende schematische tekeningen, waarbij corresponderende onderdelen door corresponderende verwijzingssymbolen zijn aangegeven en waarbij FIG. 1 een fïltreerinrichting toont volgens een uitvoeringsvorm en een filtreerwerkwijze illustreert; 30 FIG. 2 en 3 de filtreerwerkwijze nader illustreren; FIG. 4 een dwarsdoorsnede van een membraan toont; FIG. 5 een fïltreerinrichting toont volgens een alternatieve uitvoeringsvorm, en FIG. 6A en 6B fïltreerelementen tonen volgens verschillende uitvoeringsvormen.

5

De tekeningen zijn slechts bedoeld voor illustratieve doeleinden, en dienen niet ter beperking van de beschermingsomvang zoals is gedefinieerd door de conclusies.

5 GEDETAILLEERDE BESCHRIJVING

De filtreerinrichting is ingericht om, tijdens gebruik, met behulp van een hieronder beschreven filtreerwerkwijze het fijn stof dat zich aanvankelijk in het gas bevindt van dit gas te scheiden. Een vloeistof voert het fijn stof, nadat deze van het gas is gescheiden, de filtreerinrichting uit. Met de voorgestelde filtreerinrichting en 10 filtreerwerkwijze kunnen op eenvoudige wijze monsters worden genomen van het fijn stof dat samen met de vloeistof een suspensie vormt.

Gas, fijn stof en vloeistof passeren door een primair kanaal langs een filtreerelement FIG. 1 toont een filtreerinrichting volgens een uitvoeringsvorm. Deze 15 uitvoeringsvorm omvat een aanvoergebied 102, een afvoergebied 104 en een filtreerkamer 106. De filtreerkamer omvat een primair kanaal 108 en een secundair kanaal 110. Het primaire kanaal en het secundaire kanaal zijn ten minste gedeeltelijk aangrenzend. De aangrenzende delen van het primaire kanaal 108 en het secundaire kanaal 110 vormen een grensoppervlak 112.

20 Het primaire kanaal 108 heeft een langwerpige vorm die een lengteas A

definieert. Het primaire kanaal 108 kan gekromd zijn, zodat de lengteas A met een kromme beschreven kan worden.

Het grensoppervlak 112 in de filtreerkamer 106 omvat een filtreerelement 114. In een uitvoeringsvorm kan het filtreerelement 114 een vlak opspannen. Dit vlak, het 25 werkzame fütreeroppervlak 115, is een mogelijk gekromd en niet noodzakelijk aaneengesloten oppervlak. Met het werkzame fütreeroppervlak 115 wordt het deel van het filtreerelement bedoeld dat de filtreerfimctie van het fijn stof uit het gas uitvoert.

Dit begrip moet worden onderscheiden van effectief filtreeroppervlak van het filtreerelement, welke gerelateerd is aan de efficiëntie waarmee het filtreerelement zijn 30 functie uitvoert met betrekking tot specifieke deeltjestypen.

De werking van de filtreerinrichting is gebaseerd op het filtreren van fijn stof uit een gas, door middel van het filtreerelement 114 dat is ingericht om doorlatend te zijn voor het gas maar niet-doorlatend te zijn voor een vloeistof en voor het fijn stof. Het gas met fijn stof enerzijds en de vloeistof anderzijds worden via het aanvoergebied 102 6 de filtreerinrichting binnengevoerd. Dit aanvoergebied 102 vormt het beginpunt van het primaire kanaal 108 waardoor gas en vloeistof worden getransporteerd. De filtreerinrichting is ingericht om, tijdens gebruik, de vloeistof en het gas met fijn stof door het primaire kanaal 108 langs het werkzame filtreeroppervlak 115 te laten 5 stromen. De langwerpige vorm van het primaire kanaal 108 bewerkstelligt dat gas en vloeistof door het primaire kanaal stromen met een gemiddelde locale snelheid hoofdzakelijk evenwijdig aan de lengteas A.

Het gas met fijn stof en de vloeistof worden aangevoerd in afwisselende 10 volumepakketjes FIG. 1 illustreert tevens de wijze waarop het filtreerelement 114 het fijn stof van het gas scheidt. Hierbij wordt voorzien in een werkwijze voor het voeren van volumepakketjes gas met fijn stof 206 enerzijds en volumepakketjes vloeistof 208 anderzijds naar het aanvoergebied 102 en door het primaire kanaal 108. De 15 volumepakketjes gas met fijn stof 206 en de volumepakketjes vloeistof 208 zijn samenhangend, wat wil zeggen dat een dergelijk volumepakketje een aaneengesloten grensoppervlak heeft, zonder gaten of losse delen. De volumepakketjes vloeistof 208 en volumepakketjes gas met fijn stof 206 wisselen elkaar af. Elk volumepakketje strekt zich over een bepaald deel van het primaire kanaal 108 uit en ieder grensvlak tussen 20 een volumepakketje gas met fijn stof 206 enerzijds en een volumepakketje vloeistof 208 anderzijds eindigt op de binnenwand van het primaire kanaal 108. De volumepakketjes in het primaire kanaal sluiten elkaar spreekwoordelijk af en vormen samen een trein van volumepakketjes vloeistof en gas met fijn stof 210. Een werkwijze voor de vorming van de trein van volumepakketjes vloeistof en gas met fijn stof 210 25 wordt verderop uitgelegd aan de hand van FIG. 5. Volumeverschillen tussen vloeistof-respectievelijk gascomponenten zijn onder andere van invloed op de concentratie van het fijn stof in een uitstromende vloeistof met fijn stof 214. Bij voorkeur is de volumeverhouding tijdens gebruik ten hoogste 1 deel vloeistof op 10000 delen gas. Gebruik van een groter vloeistofvolume is mogelijk, maar resulteert in een lage fijn stof 30 concentratie in de vloeistof. Bij toepassing van de filtreerinrichting voor analysedoeleinden kan een resulterende lage signaal/ruisverhouding van een fijn stof meting nadelig zijn voor onder andere de meetnauwkeurigheid en de detectiegrens.

Een gebruikelijke concentratie van fijn stof in de buitenlucht is 20 microgram per kubieke meter. Bij gebruik van de filtreerinrichting met de gegeven verhouding 7 tussen aangevoerd vloeistof en gas wordt middels de fïltreerbewerking een vloeistof met fijn stof concentratie bereikt van ongeveer 20 microgram per 100 ml. Een dergelijk lage concentratie heeft geen invloed op de viscositeit van de uitstromende vloeistof met fijn stof 214.

5

Het gas met het fijn stof schampt het filtreerelement FIG. 2 illustreert de wijze waarop de trein van volumepakketjes vloeistof en gas met fijn stof 210 het filtreerelement 114 passeert. Zoals gezegd vindt het daadwerkelijke filteren van het fijn stof uit het gas met fijn stof plaats door de 10 volumepakketjes gas met fijn stof 206 in het primaire kanaal 108 hoofdzakelijk langs het filtreerelement 114 te laten stromen. De fijn stof deeltjes dienen het werkzame fïltreeroppervlak 115 te ‘schampen’. Het stromingskarakter van de trein van volumepakketjes vloeistof en gas met fijn stof 210 kan worden voorgesteld door een ruimtelijke verdeling van locale stroomsnelheidvectoren 302. De richting van de locale 15 snelheidsvector 302 nabij het werkzame fïltreeroppervlak 115 kan worden beschreven door een eerste hoek a die de locale snelheidsvector maakt met een locale normaalvector 304 van het werkzame fïltreeroppervlak 115. Het schampende karakter wordt in deze conventie uitgelegd als een locale snelheidsvector 302 waarvan de snelheidscomponent loodrecht op het werkzame fïltreeroppervlak klein is ten opzichte 20 van de snelheidscomponent evenwijdig aan het werkzame fïltreeroppervlak 115. Bij voorkeur is de locale snelheidsvector 302 geheel evenwijdig aan het locale werkzame fïltreeroppervlak 115, wat correspondeert met de eerste hoek a gelijk aan 90 graden met de klok mee, zoals weergegeven in FIG. 2. Een volledig evenwijdige gemiddelde locale stroomsnelheid kan echter niet altijd worden gerealiseerd, bijvoorbeeld bij 25 uitvoeringsvormen van de fïltreerinrichting met de aanvoerleiding 116 niet geheel evenwijdig lopend aan het werkzame fïltreeroppervlak 115. Meer algemeen zal het schampende karakter uitgelegd kunnen worden als een locale snelheidsvector 302 waarvan de snelheidscomponent evenwijdig aan het werkzame fïltreeroppervlak 115 groter is dan de loodrechte snelheidscomponent. Dit correspondeert met een waarde 30 voor de eerste hoek a tussen 45 en 135 graden met de klok mee, zoals gezien in FIG. 2. De oriëntatiemogelijkheden voor de aanvoerleiding 116, mede van invloed op de locale snelheidsvector 302, worden verderop aan de hand van FIG. 3 besproken.

8

Het gas wordt door het fïltreerelement ‘gezogen’ door een onderdruk, aangebracht in de secundaire fïltreerkamer.

Het fïltreerelement 114 is ingericht om alleen het gas door te laten en het fijn stof tegen te houden. Het gas zal het fïltreerelement doorkruisen en verzamelen in het 5 secundaire kanaal 110 terwijl het fijn stof op en in het fïltreerelement aan de zijde van het primaire kanaal 108 achterblijft.

Om de verplaatsing van het gas door het fïltreerelement heen te bewerkstelligen wordt er tijdens gebruik in het secundaire kanaal 110 een onderdruk P2 aangebracht ten opzichte van de druk Pi die heerst in het primaire kanaal 108. Aangezien het 10 fïltreerelement doorlatend is voor het gas, zal het drukverschil tussen P2 en Pi ertoe leiden dat er tijdens gebruik een evenwichtstoestand ontstaat met betrekking tot vloeistof- en gastransport door de kanalen. In een uitvoeringsvorm kan aan het einde van het secundaire kanaal 110 een inrichting zijn voorzien voor het onderhouden van de onderdruk P2 tijdens gebruik. Een luchtpomp is hiervoor een geschikt middel. Het 15 effect van de drukwaarde P2 in het secundaire kanaal op de efficiëntie van de filtreerinrichting is onder andere afhankelijk van de gekozen geometrie van de kanalen en de eigenschappen van het fïltreerelement, zoals de grootte van het werkzame filtreeroppervlak 115. Optimalisatie van filtreereigenschappen als functie van de onderdruk P2 is een routinematige aangelegenheid, en mag de reikwijdte van de 20 uitvinding niet beperken.

Het fïltreerelement wordt schoongeveegd door de vloeistof FIG. 1 toont ook hoe het fijn stof wordt afgevoerd met de vloeistof. Het fïltreerelement 114 is ingericht om de vloeistof niet door te laten. Doordat het gas het 25 fïltreerelement passeert verkleint het volumepakketje gas met fijn stof 206 geleidelijk.

De volumepakketjes vloeistof 208 die niet in volume verminderen komen, terwijl zij door het primaire kanaal 108 stromen, geleidelijk dichter bij elkaar te liggen. Doordat het fijn stof het fïltreerelement 114 niet kan passeren zal het neerslaan en hierin achterblijven nadat het gas het fïltreerelement 114 is gepasseerd. Het neergeslagen fijn 30 stof kan vervolgens in de achteropkomende volumepakketjes vloeistof 208 worden opgenomen. Daar het fijn stof deels uit zouten en deels uit niet-oplosbare componenten bestaat, zal de uitstromende vloeistof met fijn stof 214 tegelijkertijd een oplossing en een suspensie vormen. Hier gebruiken we uitsluitend de term suspensie om het mengsel van vloeistof en fijn stof aan te duiden. De suspensie ontstaat op het moment dat een 9 vloeistofpakket het werkzame fïltreeroppervlak 115 passeert waarop het fijn stof is achtergebleven. Zoals gezegd resulteert het samenhangende karakter van het vloeistofpakket in een aansluiting op de binnenwand van het primaire kanaal 108, en zal als gevolg het werkzame fïltreeroppervlak 115 bij het passeren ervan raken. De 5 verplaatsing van de volumepakketjes vloeistof 208 met een aanzienlijke component evenwijdig aan het werkzame fïltreeroppervlak 115 heeft tot gevolg dat het achtergebleven fijn stof van het fïltreeroppervlak wordt ‘geveegd’. Het volumepakketje vloeistof 208 stroomt vervolgens verder door het primaire kanaal 108 langs het werkzame fïltreeroppervlak 115, totdat deze bij het afvoergebied 104 aankomt. In het 10 afvoergebied 104 zijn de volumepakketjes gas met fijn stof 206 nagenoeg geheel uit de trein van volumepakketjes vloeistof en gas met fijn stof 210 verdwenen en zijn de volumepakketjes vloeistof 208 samengevoegd tot een geheel.

Het filtreerelement 114 is na het schoonvegen weer klaar voor een nieuwe filtreerbewerking. De stappen van toevoeren, filtreren en schoonvegen kunnen in een 15 cyclus worden doorlopen, zodat de filtreerinrichting ononderbroken kan functioneren. De hier beschreven werkwijze maakt geen gebruik van de zwaartekracht als drijfveer voor een van de stappen in het filtreerproces, zodat toepassing van de beschreven filtreerwerkwijze met behulp van de filtreerinrichting in principe oriëntatieonafhankelijk kan plaatsvinden.

20

Verdere uitleg over het schampen van de stroom FIG. 3 toont een wijze waarop het schampende karakter van de trein van volumepakketjes vloeistof en gas met fijn stof 210 kan worden gerealiseerd. Voor optimale werking van de filtreerinrichting dient de integriteit van de aangevoerde trein 25 van volumepakketjes vloeistof en gas met fijn stof zoveel mogelijk behouden te blijven en daarom een zo uniform mogelijke gemiddelde stromingsrichting te hebben. Wervelingen in de stroom moeten indien mogelijk worden voorkomen. Een dergelijk stroomkarakter kan worden gerealiseerd door de aanvoerleiding 116 daar waar deze aansluit op het aanvoergebied 102, onder een helling met en bij voorkeur hoofdzakelijk 30 evenwijdig aan het locale werkzame fïltreeroppervlak 115 te laten lopen. Een tweede hoek P tussen de aanvoerleiding 116 en de locale normaalvector 304 van het werkzame fïltreeroppervlak 115, zoals weergegeven in FIG. 3, dient derhalve een waarde aan te nemen tussen 45 en 90 graden tegen de klok in. Een waarde voor de tweede hoek p van 90 graden correspondeert met de aanvoerleiding evenwijdig aan het locale werkzame 10 filtreeroppervlak 115. Het gegeven waardebereik van p correspondeert met een waardebereik voor de eerste hoek a gegeven door 90° < a < 135° met de klok mee. Binnen dit bereik geldt dat een kleinere waarde voor de eerste hoek a resulteert in een lager verstoppingtempo van het fïltreerelement tijdens gebruik.

5

Het fïltreerelement bevat een membraan om het gas door te laten en het fijn stof tegen te houden FIG. 4 toont een fïltreerelement 114 volgens een uitvoeringsvorm. Dit fïltreerelement is gelegen tussen het primaire kanaal 108 en het secundaire kanaal 110. 10 Het fïltreerelement 114 is ingericht om, tijdens gebruik, het gas dat door het primaire kanaal 108 stroomt door te laten en het fijn stof en de vloeistof tegen te houden. In een uitvoeringsvorm omvat het fïltreerelement een membraan 402 dat doorlatend is voor het gas, maar niet doorlatend is voor het fijn stof en voor de vloeistof. Het membraan 402 wordt ten minste gedeeltelijk begrensd door een eerste oppervlak 404 15 en een tweede oppervlak 406. Het eerste oppervlak grenst aan het primaire kanaal 108 en het tweede oppervlak grenst aan het secundaire kanaal 110. Op macroscopische schaal kan het membraan 402 overal een locale membraandikte 410 worden toegekend, bijvoorbeeld gedefinieerd door de locale kortste afstand tussen het eerste oppervlak 404 en het tweede oppervlak 406. De locale membraandikte 410 is niet noodzakelijk op alle 20 plaatsen even groot. Het membraan 402 omvat zogenaamde poriën 408 die verbindingskanaaltjes vormen tussen het eerste oppervlak 404 en het tweede oppervlak 406. Deze poriën in het membraan zijn ingericht om het gas wel maar de vloeistof en het fijn stof niet door te laten. Als gevolg van deze doorlaatbaarheideigenschappen zijn het primaire kanaal 108 en het secundaire kanaal 110 wel fysisch gescheiden voor de 25 vloeistof en het fijn stof, maar staan het primaire en secundaire kanaal in verbinding met elkaar voor wat betreft het gas.

Het membraan raakt minder snel verstopt

Door de hierboven beschreven fïltreerwerkwijze zullen de fijn stof deeltjes door 30 hun zijwaartse beweging ten opzichtte van het werkzame filtreeroppervlak 115 voornamelijk in het bovenste deel van het fïltreerelement 114 worden afgevangen. De poriën 408 van het membraan 402 verstoppen minder snel omdat de fijn stof deeltjes niet diep in de poriën doordringen. Hierdoor heeft het membraan 402 een langere 11 gebruiksduur en zal de aaneengesloten gebruikstijd van de fïltreerinrichting effectief verlengd worden.

Opwekking van de trein van volumepakketjes 5 FIG. 5 illustreert een uitvoeringsvorm en een werkwijze waarmee de trein van volumepakketjes van vloeistof en van gas met fijn stof 210 kan worden gevormd. Deze uitvoeringsvorm correspondeert met een filtreerinrichting zoals in FIG. 1, maar hier omvat de aanvoerleiding 116 een gastoevoerleiding 504, een vloeistoftoevoerleiding 506, een verbindingsdeel 508 en een gezamenlijke doorvoerleiding 510. De 10 aanvoerleiding 116 kan zijn gesplitst in het verbindingsdeel 508. Gezien met de stromingsrichting van het gas en de vloeistof mee begint de filtreerinrichting bij de gastoevoerleiding 504 en de vloeistoftoevoerleiding 506. Gastoevoerleiding 504 en vloeistoftoevoerleiding 506 komen samen in het verbindingsdeel 508 en gaan over in de gezamenlijke doorvoerleiding 510. In deze gezamenlijke doorvoerleiding wordt de 15 trein van volumepakketjes van vloeistof en van gas met fijn stof 210 gevormd. De gezamenlijke doorvoerleiding 510 is verbonden met het aanvoergebied 102 van de filtreerinrichting, zodat de trein van volumepakketjes vloeistof en gas met fijn stof 210 in het aanvoergebied 102 van het primaire kanaal 108 kan worden binnengeleid.

De volumeverhoudingen van de volumepakketjes zijn onder andere van invloed 20 op de fijn stof concentratie in de uitstromende vloeistof met fijn stof 214. De vorming van de trein van volumepakketjes vloeistof en gas met fijn stof 210 wordt beïnvloed door de aanvoersnelheden van het instromende gas met fijn stof 202 en van de instromende vloeistof 204 in de gastoevoerleiding 504 en de vloeistoftoevoerleiding 506. Deze aanvoersnelheden zijn afhankelijk van verschillende eigenschappen van de 25 filtreerinrichting. Hierbij hoort zowel de onderdruk Pj die wordt aangelegd in het primaire kanaal als ook de onderdruk P2 in het secundaire kanaal. Onderdruk kan worden aangelegd door het afvoergebied 104 te voorzien van middelen voor het aanleggen van onderdruk. Zo kan een vloeistofafzuiginrichting 522, bijvoorbeeld een vloeistofpomp, worden aangesloten op de vloeistofafvoerleiding 120 en/of een 30 gasafzuiginrichting 524 worden aangesloten op de gasafvoerleiding 118.

Vloeistofmonsters kunnen worden opgevangen en geanalyseerd

Naast een filtreerfunctie kan de filtreerinrichting door toevoeging van enige elementen worden toegepast als meetinrichting. De bemonsterde vloeistof met het 12 gesuspendeerde fijn stof kan worden gebruikt als object voor bepaling van de eigenschappen van het fijn stof. FIG. 5 toont een alternatieve uitvoeringsvorm van de filtreerinrichting, waarbij het primaire kanaal 108 een meetkamer 512 omvat, waarin ten minste één meetsonde 514 is aangebracht. Een dergelijke meetsonde vormt een 5 sensor voor een meetinrichting 515 die is ingericht om eigenschappen van het fijn stof in de vloeistof te bepalen. In een alternatieve uitvoeringsvorm kan de meetkamer 512, eventueel met de ten minste één meetsonde 514 en de meetinrichting 515, ook buiten het primaire kanaal gelegen zijn, bijvoorbeeld door deze stroomafwaarts aan te sluiten op de vloeistofafvoerleiding 120.

10 In een uitvoeringsvorm kan de filtreerinrichting ten minste gedeeltelijk omsloten zijn door een behuizing 524, om de filtreerinrichting hanteerbaar te maken en te beschermen tegen schadelijke omgevingsinvloeden.

Meerdere uitvoeringsvormen kunnen worden samengesteld door combinatie van de oorspronkelijke uitvoeringsvorm uit FIG. 1 met een selectie uit een verzameling van 15 de in FIG. 5 getoonde additionele elementen.

Uitvoeringsvorm met aanliggende kanalen en een vlak membraan

Een toepassingsvoorbeeld van de hier beschreven filtreerinrichting en werkwijze betreft het analyseren van fijn stof in lucht. Indien water als vloeistof wordt 20 gebruikt dan kan deze uitvoeringsvorm van de filtreerinrichting alleen functioneren boven het vriespunt van water. Het fijn stof wordt hierbij van een membraan gespoeld door een wateroplossing. Het membraan kan bijvoorbeeld zijn samengesteld uit een hydrofoob polymeer zoals polytetrafluoretheen (PTFE). In een uitvoeringsvorm heeft het primaire kanaal 108 een vierkante dwarsdoorsnede met typische afmetingen van 2 25 bij 2 mm. Het vlakke PTFE membraan is gemiddeld 30 micrometer dik. Het vlakke membraan is ingespannen en heeft daarom niet veel sterkte van zichzelf nodig. Door toepassing van een filtreerinrichting met een PTFE membraan met een membraanporiegrootte van gemiddeld 0,2 micrometer of groter is het mogelijk om fijn stof met een effectieve diameter van 50 nanometer of groter uit lucht te filtreren. Als 30 bovenlimiet voor deze toepassing is een gemiddelde waarde van 5 micrometer voor de poriegrootte gegeven, wil de filtreerinrichting in deze toepassing nog fijn stof kunnen tegenhouden. Bij een poriegrootte beneden de 0,2 micrometer komt er bijna geen lucht meer door het PTFE membraan, zodat de filtreerinrichting niet meer de bedoelde functie kan vervullen. In deze uitvoeringsvorm hebben de volumepakketjes vloeistof bij 13 voorkeur een pakketlengte van ten minster 6 millimeter, resulterend in een vloeistofpakketvolume van ten minste 24 microliter. De volumepakketjes water 208 dienen de omsluitende wanden van het primaire kanaal volledig te bevochtigen. Indien dit niet het geval is dan zal het hydrofobe PTFE het water overmatig afstoten, zodat 5 teveel fijn stof op het werkzame fïltreeroppervlak 115 achterblijft. In deze uitvoeringsvorm is tijdens gebruik de druk P2 ten hoogste 20 kiloPascal lager dan Pi. Indien Pj tijdens gebruik meer dan 20 kiloPascal boven P2 uitstijgt dan duidt dit op een verstopping van het membraan. In een verdere uitvoeringsvorm kan de fïltreerinrichting zijn ingericht met het doel fijn stof uit de buitenlucht te filtreren of monsters hiervan te 10 analyseren, zodat de druk Pi nagenoeg gelijk zal zijn aan de atmosferische druk.

Er zijn experimenten uitgevoerd met filtreerinrichtingen met verschillende lengtes van het primaire kanaal en het werkzame filtreeroppervlak, variërend van 5 tot 150 cm. Al bij een lengte van 5 cm wordt een luchtfïlterdebiet van 1 tot 2 liter per minuut gerealiseerd. Bij toenemende lengtes van het primaire kanaal neemt dit debiet 15 nauwelijks meer toe. Een voordeel van een grotere lengte van het primaire kanaal en het werkzame filtreeroppervlak is dat bij optreden van lichte vervuiling van het werkzame filtreeroppervlak de filtreerwerking op kan schuiven naar een verdere locatie in het primaire kanaal. Dit resulteert in een verlenging van de effectieve gebruiksduur van het filtreerelement. De gasafvoerleiding 118 heeft bij voorkeur een diameter van 4 20 millimeter en de vloeistofafvoerleiding 120 bij voorkeur een diameter van 1 millimeter. Een andere keuze voor deze diameters is echter mogelijk.

Meerdere configuraties voor de filtreerinrichting FIG. 6 toont een tweetal manieren waarop de filtreerinrichting geometrisch kan 25 zijn gevormd. Het voornaamste verschil in deze uitvoeringsvormen ligt in de vorm en onderlinge samenhang van het primaire kanaal 108, het secundaire kanaal 110 en het filtreerelement 114. FIG. 6A toont een uitvoeringsvorm waarbij de filtreerkamer 106 cilindervormig is en het filtreerelement 114 zich als een in de lengterichting van de filtreerkamer opgespannen vlak de filtreerkamer ongeveer halverwege opdeelt in het 30 primaire kanaal 108 en secundaire kanaal 110.

FIG. 6B toont het primaire kanaal 108 het secundaire kanaal 110 in een coaxiale configuratie, gescheiden door een cilindervormig filtreerelement 114 dat het primaire kanaal omsluit. In een verdere uitvoeringsvorm wordt het filtreerelement 114 gevormd door een holle fiber gemaakt van PTFE. Hierbij is het zelfs mogelijk dat het gehele 14 begrenzing van het primaire kanaal 108 wordt gevormd door deze holle PTFE fiber.

Het hydrofobe karakter van PTFE en de isotrope dwarsdoorsnede van het primaire kanaal hebben tot gevolg dat de vloeistof niet meer door het filtreerelement kan worden afgestoten naar een gebied binnen het primaire kanaal waar geen hydrofoob materiaal 5 aanwezig is. Als gevolg wordt de samenhang van de volumepakketjes vloeistof 208 minder aangetast, zodat volumepakketjes vloeistof met een kleiner volume kunnen worden aangevoerd. In deze uitvoeringsvorm heeft het filtreerelement bij voorkeur een interne diameter van 1 tot 4 millimeter, zodat volumepakketjes vloeistof 208 van minimaal 3 microliter mogelijk worden. Dit verhoogt de resulterende concentratie van 10 het fijn stof in de vloeistof, hetgeen de meetresultaten uit een fijn stof analyse ten goede komt. Bij voorkeur dient de cilindrische vorm van de holle fiber, met name tijdens gebruik, intact te blijven. Dit vereist een fiberwand van voldoende sterkte. Indien een dergelijke holle fiber PTFE bevat dan dient de dikte van de fiberwand groter te zijn dan de dikte van een vlak PTFE membraan. Een dikte van 100 micrometer of groter is 15 gewenst, waarbij toenemende diameter van de holle fiber vereist dat de dikte van de fiberwand ook toeneemt.

In een alternatieve uitvoeringsvorm kan het isotrope karakter uit FIG. 6B worden gecombineerd met een hellend werkzaam fïltreeroppervlak 115, hetgeen een filtreerelement 114 met een werkzaam fïltreeroppervlak in de vorm van een afgeknotte 20 kegel oplevert.

Analyse van bemonsterde vloeistof met fijn stof

Specifieke eigenschappen van het fijn stof die bij gezondheidsevaluaties kunnen worden bepaald zijn bijvoorbeeld de elektrochemische redox-, pH- en 25 geleidbaarheidseigenschappen. Een andere toepassing is de meting van de chemische samenstelling van fijn stof in de vorm van anionen en kationen met bijvoorbeeld capillaire elektroforese voor het bepalen van de herkomst van het fijn stof. Combinaties zijn denkbaar. Een breed scala aan analysetechnieken kan worden ingezet voor de meting van specifieke eigenschappen van het fijn stof in de bemonsterde suspensie. Een 30 niet-limitatieve verzameling van nuttige analysetechnieken omvat elektrochemische analyse, massaspectroscopie, ionchromatografie, vloeistofchromatografïe, (organische) koolstofanalyse, reactive oxygen species (ROS) analyse, elektroforese, spectroscopie, fotometrie en gravimetrie.

15

Zo kan een systeem dat twee filtreerinrichtingen omvat, waarbij één fïltreerinrichting is voorzien van een filter dat alle fijn stof afvangt, door middel van substractie voor het mogelijke interfererende effect van reactieve gassen worden gecorrigeerd.

5 Voordeligerwijs levert de beschreven filtreerinrichting een verhoging op van de nauwkeurigheid waarmee concentratie-eigenschappen van fijn stof in een gas kunnen worden gemeten. Door de continue aanvoer van de trein van volumepakketjes vloeistof en gas met fijn stof 210 kan de beschreven filtreerinrichting ononderbroken functioneren als filtreerinrichting dan wel als bemonsterinrichting, Door de 10 ononderbroken bemonsteringstechniek wordt het routinematig uitvoeren van metingen van fijn stof mogelijk.

Het zal duidelijk zijn dat de hierboven beschreven uitvoeringsvormen slechts beschreven zijn bij wijze van voorbeeld en niet in enige begrenzende betekenis, en dat verschillende wijzigingen en aanpassingen mogelijk zijn zonder buiten de omvang van 15 de uitvinding te komen en dat de reikwijdte slechts bepaald wordt door de bijgevoegde conclusies.

16

REFERENTIE

R. Al-Horr, S. Samanta, P. K. Dasgupta, “A Continuous Analyser for Soluble Anionic Constituents and Ammonium in Atmospheric Particulate Matter”, Environ. Sci. Tech. 5 37, pp 5711-5720, 2003 17

LIJST VAN FIGUURELEMENTEN

102 aanvoergebied 104 afvoergebied 5 106 filtreerkamer 108 primair kanaal 110 secundair kanaal 112 grensoppervlak 114 fïltreerelement 10 115 werkzaam filtreeroppervlak 116 aanvoerleiding 118 gasafvoerleiding 120 vloeistofafvoerleiding A lengteas 15 202 instromend gas met fijn stof 204 instromende vloeistof 206 volumepakketje gas met fijn stof 208 volumepakketje vloeistof 20 210 trein van volumepakketjes van afwisselend vloeistof en gas met fijn stof 212 neergeslagen fijn stof 214 uitstromende vloeistof met fijn stof 216 uitstromend gas 25 302 locale snelheidsvector 304 locale normaalvector a eerste hoek P tweede hoek 30 402 membraan 404 eerste oppervlak 406 tweede oppervlak 408 porie 410 lo cale membraandikte 18 504 gastoevoerleiding 506 vloeistoftoevoerleiding 508 verbindingsdeel 5 510 gezamenlijke doorvoerleiding 512 meetkamer 514 meetsonde 515 meetinrichting 516 gasuitvoeropening 10 518 vloeistofuitvoeropening 522 vloeistofafzuiginrichting 524 gasgafzuiginrichting 528 behuizing 15 602 vlak membraan 604 cilindrisch membraan

Claims

1. Filtreerinrichting voor het filtreren van een fijn stof uit een mengsel van gas en fijn stof, omvattende a. een aanvoergebied (102), waar een vloeistof en het gas met het fijn stof de 5 filtreerinrichting worden binnengevoerd; b. een afvoergebied (104), waar de vloeistof met het fijn stof en het gas uit de filtreerinrichting worden afgevoerd; c. een filtreerkamer (106), omvattende i. een primair kanaal (108) dat hoofdzakelijk langwerpig is langs een 10 lengteas (A), waarin de vloeistof en het gas met het fijn stof vanuit het aanvoergebied worden aangevoerd; ii. een secundair kanaal (110), waaruit het gas na filtering wordt afgevoerd naar het afvoergebied; iii. een filtreerelement (114) dat een werkzaam filtreeroppervlak (115) 15 omvat dat doorlatend is voor het gas en niet-doorlatend is voor het fijn stof en de vloeistof; iv. een grensoppervlak (112) dat een fysieke scheiding tussen het primaire kanaal en het secundaire kanaal vormt en het filtreerelement omvat; 20 met het kenmerk dat de filtreerinrichting verder voorzien is van een aanvoerleiding (116) ingericht voor het produceren van een trein van volumepakketjes vloeistof en gas met fijn stof (210), waarbij de aanvoerleiding (116) ten minste een verbindingdeel (508) omvat waarin een gastoevoerleiding (504) voor het aanvoeren van een 25 instromend gas met fijn stof (202) en vloeistoftoevoerleiding (506) voor het aanvoeren van een instromende vloeistof (204) samenkomen en overgaan in een gezamenlijke doorvoerleiding (510) die uitmondt in het aanvoergebied (102), en waarbij de filtreerkamer (106) is ingericht om, tijdens gebruik, de trein van volumepakketjes van afwisselend vloeistof en gas met fijn stof (210) door het 30 primaire kanaal (108) langs het werkzame filtreeroppervlak (115) te laten stromen, in een richting hoofdzakelijk evenwijdig aan de lengteas (A).

2. Filtreerinrichting voor het filtreren van fijn stof volgens een van de voorgaande conclusies, waarbij het filtreerelement (114) een membraan (402) omvat, welke ten minste een gedeelte van het grensoppervlak (112) opspant.

3. Filtreerinrichting voor het filtreren van fijn stof volgens conclusie 2, waarbij het membraan (402) bestaat uit een hydrofoob polymeer.

4. Filtreerinrichting voor het filtreren van fijn stof volgens een van de voorgaande conclusies, waarbij het grensoppervlak (112) tussen het primaire kanaal (108) en 10 het secundaire kanaal (110) een vorm aanneemt gekozen uit de verzameling bestaande uit een plat vlak, een cilinderoppervlak en een kegeloppervlak.

5. Filtreerinrichting voor het filtreren van fijn stof volgens een van de voorgaande conclusies, waarbij de aanvoerleiding (116) onder een tweede hoek (P) met een 15 locale normaalvector (304) van het werkzame filtreeroppervlak (115) georiënteerd is daar waar de aanvoerleiding (116) aansluit op het aanvoergebied (102), en ingericht is om de trein van volumepakketjes van afwisselend vloeistof en gas met fijn stof (210) het filtreerelement (114) schampend met het werkzame filtreeroppervlak (115) het primaire kanaal (108) te laten binnenstromen.

6. Filtreerinrichting voor het filtreren van fijn stof volgens conclusie 5, waarbij de tweede hoek (P) een waarde tussen 45° en 90° aanneemt.

7. Filtreerinrichting voor het filtreren van fijn stof volgens een van de voorgaande 25 conclusies, waarbij het afvoergebied (104) in het primaire kanaal (108) een meetkamer (512) omvat voor het verzamelen van de vloeistof met het fijn stof, waarbij de meetkamer voorzien is van ten minste een meetsonde (514) om ten minste een fysisch-chemische eigenschap van het fijn stof in de vloeistof te meten. 30

8. Werkwijze voor het filtreren van fijn stof uit een mengsel van een gas en fijn stof met behulp van de filtreerinrichting volgens een der voorgaande conclusies, omvattende de volgende stappen: a. het vormen van een trein van volumepakketjes van afwisselend vloeistof en het gas met het fijn stof (210); 5 b. het aanvoeren van de trein van volumepakketjes van afwisselend vloeistof en gas met fijn stof in het aanvoergebied (102) van het primaire kanaal (108); c. het voeren van de trein van volumepakketjes van afwisselend vloeistof en gas met fijn stof hoofdzakelijk in een richting evenwijdig aan de 10 lengteas (A) door het primaire kanaal vanuit het aanvoergebied langs het werkzame filtreeroppervlak (115) van het filtreerelement (114); d. het verwijderen van het gas uit de trein met volumepakketjes van afwisselend vloeistof en gas met fijn stof in het primaire kanaal, door enkel het gas het filtreerelement te laten passeren; 15 e. het vormen van een suspensie van de vloeistof en het in het filtreerelement (114) achtergebleven fijn stof tot een uitstromende vloeistof met fijn stof (214); f. het afvoeren van de uitstromende vloeistof met fijn stof (214) uit het primaire kanaal (108). 20

9. Werkwijze voor het filtreren van fijn stof volgens conclusie 8, waarbij een locale snelheidsvector (302) van de stroom van de trein van volumepakketjes vloeistof en gas met fijn stof (210) in het aanvoergebied (102) een eerste hoek (a) tussen 90° en 135° met een locale normaalvector (304) van het werkzame 25 filtreeroppervlak (115) maakt.

10. Werkwijze voor het filtreren van fijn stof volgens een van de conclusies 8 of 9, waarbij in het secundaire kanaal (110) een onderdruk P2 heerst ten opzichte van de heersende druk PI in het primaire kanaal (108). 30

11. Werkwijze voor het meten van specifieke eigenschappen van het fijn stof met behulp van de filtreerinrichting volgens een van de conclusies 1 - 7, door analyse van monsters van de uitstromende vloeistof met fijn stof (214) met behulp van één of meer analysemethoden gekozen uit een verzameling bestaande uit elektrochemie, massaspectroscopie, ionchromatografïe, vloeistofchromatografïe, (organische) koolstofanalyse, ROS analyse, elektroforese, spectroscopie, fotometrie, gravimetrie.

12. Werkwijze voor het meten van specifieke eigenschappen van het fijn stof met behulp van de werkwijze voor het filtreren van fijn stof uit een gas volgens een van de conclusies 8-10, door analyse van monsters van de uitstromende vloeistof met fijn stof (214) met behulp van één of meer analysemethoden gekozen uit een verzameling bestaande uit elektrochemische analyse, 10 massaspectroscopie, ionchromatografïe, vloeistofchromatografïe, (organische) koolstofanalyse, ROS analyse, elektroforese, spectroscopie, fotometrie, gravimetrie.