Development of a method for measuring surface area concentration of ultrafine particles

(2007), XV, 128 S.
Dissertation / Fach: Elektrotechnik
Duisburg, Essen, Univ., Diss., 2007
Abstract:
Viele Studien kommen immer wieder zu dem Ergebnis, dass Partikel, insbesondere ultrafeine Partikel, mit negativen Auswirkungen verbunden auf die Gesundheit sind. Bislang ist noch nicht geklärt, welche Eigenschaften (wie z. B. Partikelmasse, Partikelanzahl, Partikeloberfläche usw.) ein Partikel aufweisen muss, um als Mass für negative Auswirkungen herangezogen zu werden. Jünste epidemiologische Studien haben gezeigt, dass sich luftgetragene Partikel, besser durch die Grössen "Partikelanzahl" bzw. "Partikelobfläche" beschreiben lassen, als durch die "Partikelmasse". Einige toxikologische Studien haben nachgewiesen, dass ultrafeine Partikel eines Werkstoffs giftiger sein können, als weniger klein Partikel mit der gleichem Masse des gleichen Werkstoffs. In weiteren Studien wurde aufgezeigt, dass Entzündung und Lungenflügeltumore mit der Partikeloberfläche der eingeatmeten in Zusammenhang stehen. Zusammenfassend ist zu erkennen, dass die Partikeloberfläche die Schlüsselgrösse für ultrafeine Partikel sein könnte. Folglich ist es von grosser Bedeutung, eine einfache Methode zur Messung der Partikeloberfläche zu finden. Im Rahmen dieser Dissertationsarbeit wird ein neue Methode zur Messung der Gesamtoberflächenkonzentration der Partikel, die einen Durchmesser von 20nm bis 100nm haben, entwickelt. Die Methode zur Bestimmung der Gesamtobflächenkonzentration basiert auf einem dreistufigen Ansatz: Partikel sind unipolar aufzuladen, die überschüssigen Ionen zu entfernen und die aufgeladenen Partikeln zu deponieren. Zuerst werden die Partikeln durch die Mischungen des Aerosolflusses mit freien Ionen aufgeladen. Dann werden die aufgeladenen Partikel durch einen Ionenabscheider geleitet, um die überschüssigen Ionen abzuscheiden. Damit wird eine Nebenwirkung der Ionen auf die spätere Messung des Partikelstromes vermieden. Die aufgeladenen Partikeln werden in einen elektrischen Abscheider, mit Hilfe eines elektrostatischen Felds abgeschieden. Der durch die abgeschiedenen Partikel verursachte Strom wird mit einem hochempfindlichen Elektrometer gemessen, um die Gesamtoberflächenkonzentration der Partikel zu bestimmen. Zur Verifizierung wurde ein Prototyp, einschliesslich eines Koronadiffusionaufladers, eines Ionenabscheiders und eines elektrischen Abscheiders entworfen und aufgebaut. Mehrere grundlegende Experimente wurden durchgeführt. Jede Komponente des Prototyps ist mit einem oder mehreren Parametern an der Partikelaufladeeffizienz und der Partikelabscheideffizienz beteiligt. Die durchgeführten Experimente konzentrieren sich einerseits auf die Bestimmung dieser Parameter und andererseits auf die Erforschung von Gesetzmässigkeiten zwischen diesen Parametern und dem Partikeldurchmesser. Diese Parameter beeinflussen direkt den Signalstrom, der durch die abgeschiedenen aufgeladenen Partikel verursacht wurde. Basierend auf die Experimenten wurden einige empirische Formeln durch die Approximation der Ergebnisse mit dem Potenzmodell abgeleitet. Die Gleichung, die den durch die abgeschiedenen aufgeladenen Partikel verursachten Signalstrom beschreibt, wurde abgeleitet. Diese Gleichung ist eine Funktion der oben genannten Parameter. Die Gültigkeit der Gleichungen wird durch den Vergleich des berechneten Signalstroms mit dem direkt gemessenen Signalstrom verifiziert. Der Vergleich wurde sowohl mit monodispersen als auch mit polydispersen Aerosol durchgeführt. Ausgehend von diesem theoretischen Ansatz wurden die Abhängigkeiten zwischen dem Signalstrom und dem Partikeldurchmesser ermittelt. Dieser Beziehung zeigt, dass der Signalstrom proportional zum Integral einer Exponentialfunktion des Partikeldurchmessers ist. Weitere Analysen zeigen, dass der Exponent dieser Exponentialfunktion durch die Änderung eines Betriebsparameters, der Abscheidespannung, eingestellt werden kann. Bei bestimmten Einstellungen lässt sich ein Exponent von 2 erreichen. Diese Tatsache weist darauf hin, dass die Gesamtpartikeloberflächenkonzentration durch die Messungen des Signalstroms berechnet werden kann. Abschließend wird die Gesamtpartikeloberflächenkonzentration, die vom gemessenen Strom abgeleitet wurde, mit der von einem SMPS unter den gleichen Betriebsbedingungen gemessenen Oberflächenkonzentration verglichen. Die Ergebnisse zeigen eine gute Übereinstimmung.

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