WO2001024940A1 - Aerosolgenerator - Google Patents
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- B05C19/02—Apparatus specially adapted for applying particulate materials to surfaces using fluidised-bed techniques
- B05C19/025—Combined with electrostatic means
Definitions
- the invention relates to a device for converting deposited dusts, which are present as sedimented solid particles, back into the air-borne state, which is referred to below as redispersion.
- redispersed dusts are of increasing interest for medical or toxicological studies.
- Processes and devices for redispersion are already known from the prior art, a distinction being made between dry dispersion processes and processes in which the solid particles are suspended in a liquid or form a real solution with it. In the latter method, the liquid is removed by atomization with so-called “atomizem” by diffusion, so that the solid particles are recovered.
- any substance is suitable if the particles are as spherical as possible or uniformly crystalline and have a sufficiently hard surface. This is not the case with real dust samples from inside and outside air, so that even with dry redispersion, the touch-sensitive particles are changed so much that they are unusable for the intended research purposes.
- an aerosol generator according to claim 1 with the following features: B. a vertical cylinder has on its bottom surface an oscillatable membrane which can be excited to vibrate by means of a suitable device. The dust sample to be re-dispersed is stored on the membrane. If the membrane swings, the dust sample is alternately accelerated upwards and thereby redispersed. Due to gravity, the dust particles sink back down. At the top of the container there is an aerosol outlet from which the redispersed, ie isolated, dust particles can escape. It is important for investigations that the dust concentration and the aerosol flow quantity, ie the volume per unit of time, are controllable. An upward transport gas stream is generated by means of a nozzle system and carries the dust particles through the aerosol outlet.
- gas volume flows with a predetermined dust particle concentration can be provided for the first time. It is also advantageous that particle fractions with a predetermined particle size can be generated for the first time in accordance with the standards ISO 7708 and EN 481.
- a continuously operating sample supply system is provided in order to generate a continuous stream of dust particles at the aerosol outlet over a longer period of time.
- Suitable systems are available to the person skilled in the art, such as, for. B. a screw or cellular wheel dispenser, which are only to be selected and adjusted.
- a speaker is used as a membrane oscillator.
- Loudspeakers have a number of advantages for this purpose, since they can be regulated well over a wide frequency range and in the vibration amplitude.
- a further membrane is arranged over the speaker membrane.
- the membrane material is subject to special physico-chemical requirements so that the properties of the dusts are not redispersed to change.
- Suitable membrane materials are e.g. B. PTFE, polyimide, silicone or high-alloy stainless steel, all of which are largely physically or chemically inert.
- At least one metal grid is arranged above the membrane on which the dust sample rests or floats, which is electrically connected to the housing mass. This metal grid prevents the dust particles from becoming electrically charged due to their movement and contact and the friction that occurs, because otherwise they can deposit or agglomerate again in an uncontrolled manner.
- the metal grid is excited to vibrate. These vibrations increase the probability that the dust particles on the one hand touch the grating but on the other hand do not adhere to it.
- additional sound sources are used which emit pressure sound waves in the area of the floating dusts.
- an additional force effect can be exerted on the dust by means of the pressure sound waves, so that the re-dispersion process is supported.
- an observation device which preferably images the area of the suspended dusts.
- the observation device additionally has an image recognition and evaluation device. This makes it possible to generate a measurement signal with which the individual process parameters can be regulated according to a predetermined algorithm in order to be able to carry out a fully automatic redispersion.
- FIG. 1 shows a sectional illustration of the aerosol generator in a side view.
- the aerosol generator comprises a vertical, cylindrical container 1, which is closed at the head section with a lid 2 and at the foot section with a membrane 3.
- a vibration generator 4 with a vibration generator (not shown) is coupled below the membrane 3. pelt, using a speaker in the present embodiment.
- On the membrane 3 is the material to be redispersed, in the present case street dust, which is applied by hand as required or by a continuously operating conveyor system (not shown), which the person skilled in the art, depending on the specific application, from the state of the art Technology can be selected, is entered.
- a nozzle system 5 is provided a few centimeters above the membrane 3, and a further nozzle system 6 is arranged in the cover 2.
- the loudspeaker diaphragm oscillates with a frequency and amplitude that can be set on the oscillation generator and transmits the oscillation air-coupled to the diaphragm 3, which is thereby also excited to oscillate.
- the dust lying on the membrane 3 is whirled up by the membrane vibrations and very gently re-dispersed, i.e. H. broken down into the original individual particles.
- a cloud of the substance to be re-dispersed forms over the membrane 3, an almost steady state being established after a running-in phase.
- particles of a predetermined size are moved upwards depending on the strength of the air flow and are discharged via the outlet pipe 7.
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung, um abgelagerte Stäube, die als sedimentierte feste Partikel vorliegen, wieder in den luftgetragenen Zustand zu überführen. Dazu werden die sedimentierten Partikel mittels einer schwingenden Membran (3) innerhalb eines Behälters (1) zerstäubt und mittels eines einstellbaren Transportgasstromes abgeführt, wobei ausgewählte Teilchengrößen bevorzugt abtransportiert werden und zur weiteren Verwertung zur Verfügung stehen.
Description
Aerosolgenerator
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung, um abgelagerte Stäube, die als se- dimentierte feste Partikel vorliegen, wieder in den luftgetragenen Zustand zu überführen, was nachfolgend als Re-Dispergierung bezeichnet wird.
Die Erzeugung von re-dispergierten Stäuben ist für medizinische oder toxi- kologische Untersuchungen von zunehmendem Interesse. Aus dem Stand der Technik sind bereits Verfahren und Vorrichtungen zur Re-Dispergierung bekannt, wobei zwischen trockenen Dispergierverfahren und Verfahren unterschieden wird, bei denen die festen Teilchen in einer Flüssigkeit suspendiert werden oder mit dieser eine echte Lösung bilden. Bei den letztge- nannten Verfahren wird die Flüssigkeit nach dem Zerstäuben mit sogenannten „Atomizem" durch Diffusion entfernt, so daß die festen Teilchen zurückgewonnen werden.
Alle Verfahren, bei denen zur Generierung der Aerosole die zu dispergie- renden Teilchen mit Flüssigkeit in Kontakt kommen, eignen sich jedoch grundsätzlich nicht, sedimentierte Teilchen zu re-dispergieren, da die Flüssigkeit wesentliche Eigenschaften und insbesondere Oberflächenbeladungen der Teilchen verfälscht und für die weiteren Untersuchungen unbrauchbar macht. Die Re-Dispergierung von Stäuben oder ähnlichen Aero- solpartikeln zu solchen Zwecken kann daher nur durch eine trockene Dis- pergierung erfolgen, d. h. ohne Verwendung flüssiger Hilfsmittel.
Aus dem Stand der Technik sind auch Vorrichtungen zur trockenen Dis- pergierung bekannt. Z. B. finden sogenannte „Fluidized-Bed"-Generatoren Verwendung, bei denen Aerosolpartikel über ein Transportband in einen Luftstrom eingetragen werden, der die Partikel in einer Wirbelschicht durchströmt und diese dabei mitreißt. Eine weitere Möglichkeit ist der Einsatz von rotierenden Bürsten. Außerdem können trockene Partikel ebenfalls mit Hilfe von Dispergierdüsen in den luftgetragenen Zustand gebracht werden, indem sie durch einen scharfen Luftstrom mitgerissen und dis- pergiert werden.
Vorstehend genannte Verfahren und Vorrichtungen sind jedoch nur für nichtkohäsive partikuläre Substanzen, d. h. die keine Agglomerate bilden, geeignet, wie Arzneimittel, Farbpigmente und andere pulverisierte Feststoffe. Prinzipiell ist jeder Stoff geeignet, wenn die Partikel möglichst kugel- förmig oder gleichmäßig kristallin sind und eine ausreichend harte Oberfläche aufweisen. Das ist bei realen Staubproben aus dem Innen- und Außen- luftbereich nicht der Fall, so daß auch bei der trockenen Re-Dispergierung die berührungsempfindlichen Partikel so stark verändert werden, daß sie für die vorgesehenen Forschungszwecke unbrauchbar sind.
Es ist somit die Aufgabe der Erfindung, eine Möglichkeit zu schaffen, auch äußerst berührungsempfindliche reale Staubproben unter schonenden Bedingungen so zu re-dispergieren, ohne daß ihre ursprünglichen physikalischen und chemischen Eigenschaften wesentlich verändert werden oder verloren gehen.
Die Aufgabe wird mit einem Aerosolgenerator nach Anspruch 1 mit folgenden Merkmalen gelöst: Ein Behälter, z. B. ein senkrecht stehender Zylinder, hat an seiner Bodenfläche eine schwingfähige Membran, die mittels einer geeigneten Vorrichtung zu Schwingungen angeregt werden kann. Auf der Membran ist die zu re-dispergierende Staubprobe gelagert. Wenn
die Membran schwingt, wird die Staubprobe wechselweise nach oben beschleunigt und dadurch re-dispergiert. Bedingt durch die Schwerkraft sinken die Staubpartikel wieder nach unten. Am Kopf des Behälters ist ein Aerosolausgang vorgesehen, aus dem die re-dispergierten, d. h. vereinzel- ten Staubpartikel austreten können. Für Untersuchungen ist es wichtig, daß die Staubkonzentration und die Aerosolströmungsmenge, d. h. das Volumen pro Zeiteinheit, regelbar sind. Mittels eines Düsensystems wird ein nach oben gerichteter Transportgasstrom erzeugt, der die Staubpartikel durch den Aerosolausgang mitführt. Durch Änderung der Parameter Schwingungsamplitude und Schwingfrequenz der Membran und Stärke Strömungsmenge des Transportgasstromes können erstmals Gasvolumenströme mit vorbestimmter Staubpartikelkonzentration bereitgestellt werden. Vorteilhaft ist auch, daß erstmals Teilchenfraktionen mit vorbestimmter Teilchengröße nach den Normen ISO 7708 und EN 481 definiert er- zeugt werden können.
Nach Anspruch 2 ist ein kontinuierlich arbeitendes Probenzuführsystem vorgesehen, um über einen längeren Zeitraum einen kontinuierlichen Strom von Staubpartikeln am Aerosolausgang zu erzeugen. Dafür stehen dem Fachmann geeignete Systeme, wie z. B. ein Schnecken- oder Zellenraddo- sierer, zur Verfügung, die lediglich auszuwählen und anzupassen sind.
Nach Anspruch 3 wird ein Lautsprecher als Membranschwinger eingesetzt. Lautsprecher weisen für diesen Einsatzzweck eine Reihe von Vorteilen auf, da sie über einen weiten Frequenzbereich und in der Schwingungsamplitude gut regelbar sind.
Nach Anspruch 4 ist über der Lautsprechermembran eine weitere Membran angeordnet. Diese Weiterbildung ist dann von Vorteil, wenn an das Mem- branmaterial besondere physikalisch-chemische Anforderungen gestellt werden, um die Eigenschaften der Stäube bei ihrer Re-Dispergierung nicht
zu verändern. Geeignete Membranmaterialien sind z. B. PTFE, Polyimid, Silikon oder hochlegierter Edelstahl, die alle physikalisch bzw. chemisch weitgehend inert sind.
Nach Anspruch 5 ist über der Membran, auf der die Staubprobe aufliegt oder schwebt, wenigstens ein Metallgitter angeordnet, das mit der Gehäusemasse elektrisch verbunden ist. Dieses Metallgitter verhindert, daß sich die Staubteilchen durch ihre Bewegung und Berührung und die dabei auftretende Reibung elektrisch aufladen, weil sie sich sonst unkontrolliert ab- lagern können bzw. wieder agglomerieren.
Nach Anspruch 6 wird das Metallgitter zu Schwingungen angeregt. Durch diese Schwingungen wird die Wahrscheinlichkeit erhöht, daß die Staubteilchen einerseits das Gitter berühren, andererseits jedoch nicht daran haften bleiben.
Es ist noch zu erwähnen, daß nach den Ansprüchen 5 und 6 auch mehrere Metallgitter übereinander angeordnet sein können.
Nach Anspruch 7 werden zusätzlich weitere Schallquellen eingesetzt, die Druckschallwellen in den Bereich der schwebenden Stäube abstrahlen. Je nach Beschaffenheit des Staubes kann mittels der Druckschallwellen eine zusätzliche Kraftwirkung auf den Staub ausgeübt werden, so daß der Re- Dispersionsprozeß unterstützt wird.
Nach Anspruch 8 sind mehrere Düsensysteme übereinander angeordnet. Damit ist es möglich, das Strömungsverhalten des Transportgasstromes sehr differenziert einzustellen und somit optimale Strömungsverhältnisse in dem Behälter 1 zu erzeugen.
Nach Anspruch 9 sind mehrere Ausiaßrohre übereinander angeordnet. Damit ist es besonders gut möglich, die einzelnen Staubfraktionen voneinander zu trennen, d. h. getrennt abzuführen.
Nach Anspruch 10 ist eine Beobachtungseinrichtung vorgesehen, die vorzugsweise den Bereich der schwebenden Stäube abbildet. Es ist prinzipiell möglich, die Qualität der re-dispergierten Staubteilchen nach dem Austritt aus dem Aerosolausgang zu untersuchen und die vorstehend genannten Verfahrensparameter zu variieren, um ein Qualitätsoptimum zu ermitteln. Es hat sich gezeigt, daß sich die Verfahrensparameter besonders leicht bestimmen lassen, wenn der Prozeß der Re-Dispergierung direkt beobachtet werden kann. Dazu stehen dem Fachmann geeignete optische und optoelektronische Geräte zur Verfügung, wobei die Beobachtung sowohl bei sichtbarem als auch bei unsichtbarem Licht erfolgen kann.
Nach Anspruch 1 1 weist die Beobachtungseinrichtung zusätzlich eine Bil- derkennungs- und -auswerteeinrichtung auf. Dadurch ist es möglich, ein Meßsignal zu erzeugen, mit dem die einzelnen Verfahrensparameter nach einem vorbestimmten Algorithmus geregelt werden können, um so eine vollautomatische Re-Dispergierung durchführen zu können.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit schematischen Zeichnungen näher erläutert.
Die Fig. 1 zeigt eine Schnittdarstellung des Aerosolgenerators in der Seitenansicht.
Der Aerosolgenerator umfaßt einen senkrechten, zylinderförmigen Behälter 1 , der am Kopfabschnitt mit einem Deckel 2 und am Fußabschnitt mit ei- ner Membran 3 verschlossen ist. Unterhalb der Membran 3 ist ein Schwingungsgeber 4 mit einem Schwingungsgenerator (nicht gezeigt) angekop-
pelt, wobei in der vorliegenden Ausführungsform ein Lautsprecher verwendet wird. Auf der Membran 3 liegt der zu re-dispergierende Stoff, im vorliegenden Fall Straßenstaub, der je nach Bedarf von Hand aufgegeben wird oder auch durch ein kontinuierlich arbeitendes Fördersystem (nicht gezeigt), das der Fachmann, je nach spezifischem Anwendungsfall, aus dem Stand der Technik auswählen kann, eingetragen wird. Wenige Zentimeter oberhalb der Membran 3 ist ein Düsensystem 5 vorgesehen, und im Deckel 2 ist ein weiteres Düsensystem 6 angeordnet.
Wenn der Schwingungsgenerator eingeschaltet wird, schwingt die Lautsprechermembran mit einer am Schwingungsgenerator einstellbaren Frequenz und Amplitude und überträgt die Schwingung luftgekoppelt auf die Membran 3, die dadurch ebenfalls zum Schwingen angeregt wird. Der auf der Membran 3 liegende Staub wird durch die Membranschwingungen aufgewirbelt und sehr schonend re-dispergiert, d. h. wieder in die ursprünglichen einzelnen Teilchen zerlegt. In Abhängigkeit von der gewählten Schwingfrequenz oder mehreren überlagerten Schwingfrequenzen bildet sich über der Membran 3 eine Wolke des zu re-dispergierenden Stoffes, wobei sich nach einer Einlaufphase ein nahezu stationärer Zustand einstellt. Wenn über die Düsensysteme 5 und 6 Luft eingeblasen wird, werden je nach Stärke der Luftströmung Teilchen vorbestimmter Größe aufwärts bewegt und über das Auslaßrohr 7 ausgetragen.
Zur Vermeidung von elektrostatischen Aufladungen, die die Re- dispergierung stark stören würden, sind alle Teile des Aerosolgenerators, die mit dem zu re-dispergierenden Material in Berührung kommen, aus Metall hergestellt und über die Gehäusemasse leitend mit dem Erdpotential verbunden. Wenn die Re-Dispergierung beobachtet werden soll, werden in eine Öffnung im Behälter 1 eine Beobachtungskamera und eine geeignete Beleuchtungsquelle eingesetzt.
Es ist dem Fachmann klar, daß mit dem erfindungsgemäßen Aerosolgenerator Feststoffe unterschiedlichster Eigenschaften re-dispergiert werden können. Es ist daher erforderlich, durch wenige Versuche die optimalen Betriebsparameter zu ermitteln. Für den Fachmann bedarf es jedoch dazu keiner erfinderischen Tätigkeit.
Claims
1 . Aerosolgenerator, vorzugsweise zur Re-Dispergierung von sedimentier- ten Stäuben, mit folgenden Merkmalen:
- einem Behälter (1) mit einem Fußabschnitt und einem Kopf abschnitt, wo- bei in dem Fußabschnitt
- ein Membranschwinger (4) angeordnet ist, auf dessen
- schwingender Membran (3) die zu re-dispergierenden Stäube in der Schwebe gehalten und zu Staubpartikeln vereinzelt werden, und
- ein Düsensystem (5) zur Erzeugung eines Transportgasstromes, der so einstellbar ist, daß eine vorbestimmbare Konzentration und Größenfraktion der Staubpartikel nach oben in den Kopfabschnitt beförderbar sind, wo sie durch einen Aerosolausgang (7) den Aerosolgenerator verlassen.
2. Aerosolgenerator nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß im Fußabschnitt ein kontinuierlich arbeitendes Probenzuführsystem vorgesehen ist, um einen kontinuierlichen Strom von Staubpartikeln am Aerosolausgang (7) zu erzeugen.
3. Aerosolgenerator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Membranschwinger (4) ein Lautsprecher ist.
4. Aerosolgenerator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß über der Lautsprechermembran (3) eine weitere Membran angeordnet ist.
5. Aerosolgenerator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß über der Membran (3) im Bereich der schwebenden Stäube wenigstens ein Metallgitter angeordnet und mit der Gehäusemasse elektrisch verbunden ist.
6. Aerosolgenerator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Metallgitter mittels einer Schwingungsvorrichtung zu Schwingungen angeregt wird.
7. Aerosolgenerator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich der schwebenden Stäube weitere Schall- quellen angeordnet sind, deren Druckschallwellen in den Bereich der schwebenden Stäube gerichtet sind.
8. Aerosolgenerator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Düsensysteme (5) übereinander angeordnet sind.
9. Aerosolgenerator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Aerosolauslässe (7) übereinander angeordnet sind.
10. Aerosolgenerator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Beobachtungseinrichtungen vorgesehen sind, die vorzugsweise den Bereich der schwebenden Stäube abbilden.
1 1 . Aerosolgenerator nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Beobachtungseinrichtungen mit Bilderkennungs- und auswerteeinrichtun- gen signaltechnisch verbunden sind, wobei ein Meßsignal zur Ansteuerung der Membran und/oder des Metallgitters und/oder der weiteren Schallquellen und/oder des Probenzuführsystems gewinnbar ist.
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