Einfluss von Entladungsmethode und Aerosolmaterial

1 Einleitung

Gewebefilter finden heutzutage Anwendung in verschiedenen Bereichen, um z. B. die Luftqualität zur verbessern, Komponenten vor Staub zu schützen oder Emissionen zu reduzieren. Ein wichtiger Aspekt bei der Wahl eines geeigneten Filters ist dabei stets, eine hohe Abscheideeffizienz bei möglichst niedrigem Druckverlust zu erreichen. Aus diesem Grund fällt die Wahl oft auf Elektretfilter. Solche Filter tragen quasipermanente elektrische Ladungen auf den Fasern, die entweder direkt mit geladenen Partikeln durch die Coulombkraft (Elektrophorese) oder mit induzierten Dipolen in geladenen oder ungeladenen Partikeln wechselwirken (Dielektrophorese) [1]. So wird die Abscheideef­fizienz im Vergleich zu rein mechanischen, ungeladenen Filtern gesteigert, ohne dabei den Druckverlust zu erhöhen.

Untersuchungen zur Ladungs- und Partikelgrößenabhängigkeit der elektrostatischen Abscheidemechanismen wurden bisher meist nur für Partikel im bipolaren Gleichgewicht [2; 3], d. h. mit einer insgesamt neutralen Ladungsverteilung, wie sie üblicherweise für ein Umgebungsaerosol vorliegt [4], oder für gezielt mit einer einzelnen positiven oder negativen Elementarladung aufgeladene Partikel [5; 6] durchgeführt. Systematische Untersuchungen zu hochgeladenen Partikeln liegen hingegen kaum vor [7]. Da diese in der Praxis jedoch beispielsweise beim Einsatz von Ionisatoren in Raumluftreinigern oder im Kfz-Innenraumbereich durchaus relevant sind, sind hier weitere Erkenntnisse von Interesse. Zudem wurden bisherige Untersuchungen meist nur an FIachfiltermedien und nicht an fertig konfektionierten Filtern durchgeführt, sodass diese Arbeit Möglichkeiten für Übertragbarkeitsstudien eröffnet.

Obwohl Elektretfilter anfänglich eine hohe Abscheideeffizienz erreichen, kann diese mit der Zeit durch Exposition gegenüber Partikeln [8 bis 10], organischen Lösemitteln [11; 12] oder Luftfeuchtigkeit [13] stark abnehmen. Dieser als Alterung der Filter bezeichnete Effekt kann durch Kompensation oder Abschirmung der Faserladungen sowie durch zu einem Ladungsverlust auf den Fasern führende chemische Reaktionen zwischen Aerosol- und Filtermaterial zustande kommen [14].

Um die mit der Zeit nachlassende Effizienz zu berücksichtigen, sehen Normen zur Prüfung von Filtern für die allgemeine Raumlufttechnik eine Entladung mit Isopropanol (engl. isopropyl alcohol, IPA) vor. Dabei gibt es zwei grundsätzlich verschiedene Ansätze: Die Europäische Norm DIN EN ISO 779 verlangt die Entladung von Ausschnitten der Medien, aus denen die Filter konfektioniert wurden, durch Tränken in IPA [15]. Teil 4 der kürzlich veröffentlichten Norm DIN EN ISO 16890, die die DIN EN ISO 779 seit Mitte 2018 vollständig ersetzt, sieht hingegen die Entladung der kompletten Filter in mit IPA-Dampf gesättigter Luft vor [16]. Es besteht noch Forschungsbedarf, inwiefern beide Methoden miteinander vergleichbar sind und ob sich Testergebnisse nach der alten Norm auf die neue übertragen lassen. Um dies näher zu untersuchen, wurden im Rahmen dieser Arbeit verschiedene Filtertypen in IPA getränkt bzw. in mit IPA-Dampf gesättigter Luft entladen.

Ein weiteres Problem bei der Übertragbarkeit zwischen alter und neuer Norm ist, dass die DIN EN ISO 16890 neben Di-Ethyl-Hexyl-Sebacat (DEHS) zudem Kaliumchlorid (KCl) als weiteres Testaerosol einführt. Um zu untersuchen, welchen Einfluss ein Wechsel des Testaerosolmaterials hat, wurde die Abscheideeffizienz gegenüber DEHS und Natriumchlorid (NaCl) – hier als Alternative für KCl eingesetzt – für die verschiedenen Filtertypen miteinander verglichen.

2 Entwicklung eines unipolaren Diffusionsaufladers

Um das Abscheideverhalten bezüglich verschieden geladener Aerosole zu untersuchen, wurde ein unipolarer Diffu­sionsauflader entwickelt, der in Bild 1 skizziert ist.

Das Aerosol wird durch den größeren Querschnitt eines ISO-KF-40/16-Reduzierkreuzes geleitet, dessen ISO-KF-40-Flansche durch zwei konische Adapterstücke mit Schläuchen verbunden werden können. Einer der beiden ISO-KF-16-Flansche des Reduzierkreuzes ist im hier verwendeten Betriebsmodus blindgeflanscht, während der andere mit einem ISO-KF-16-T-Stück verbunden ist. Das gegenüberliegende Ende des T-Stücks ist mit einer koaxialen Hochspannungsdurchführung verschlossen, über die ein Hochspannungsnetzteil angeschlossen wird. Eine Nadelelektrode aus Wolframdraht mit 1 mm Durchmesser, die in einer scharfen Spitze endet, ist an den Pin der koaxialen Durchführung gelötet. Der verbleibende Flansch des T-Stücks dient als Gaseinlass für gefilterte Druckluft, welche die an der Spitze der Koronanadel generierten Ionen in den Transportkanal einbringt, wo diese sich an die Aerosolpartikel anlagern. Es wurde ein Volumenstromverhältnis von 1 : 4 zwischen Neben- und Hauptvolumenstrom gewählt, da dies für eine effiziente Aufladung ausreichend ist.

Ein Vorteil dieser Bauweise des Diffusionsaufladers ist, dass Partikelverluste minimiert werden, da nur niedrige elektrische Feldstärken in der eigentlichen Aufladungszone vorliegen. Die feldfreie Mischkammer stellt zudem sicher, dass die Partikel rein durch Diffusionsaufladung aufgeladen werden, die im Gegensatz zur Feldaufladung unabhängig vom Material des aufzuladenden Partikels ist. Weiterhin wird eine Verschmutzung der Koronaspitze durch Partikeldeposition, die zu einer instabilen Ionenproduktion führen kann, minimiert, da das Aerosol die Koronaspitze nicht direkt passiert. Es wurde versucht, diese Trennung zwischen Ionenerzeugung und Aerosolfluss weiter zu verstärken, indem die Koronaspitze kurz vor einer engen Düse platziert wurde, was zudem gleichzeitig die lokale Strömungsgeschwindigkeit und damit Ionenverluste an den Wänden minimieren sollte. Es stellte sich jedoch heraus, dass bei den dann gegebenen geringen Abständen bereits bei verhältnismäßig niedrigen Spannungen Überschläge auftraten, sodass auf den Einsatz der Düse verzichtet wurde.

Zur Bestimmung der mittleren Ladung pro Partikel für das gesamte polydisperse Testaerosol wurde der Diffusionsauflader an den in Bild 2 gezeigten Prüfstand angeschlossen, der später auch für die Filtrationsversuche genutzt wird.

Mithilfe eines Volumenstromteilers werden gleichzeitig die Partikelanzahlkonzentration C_N und der von den Partikeln getragene elektrische Strom I_p mittels eines Kondensationspartikelzählers (CPC, TSI 3776) und eines Aerosolelektrometers (TSI 3068B) mit einem Volumenstrom von 0,6 lmin^-1 gemessen. Die mittlere Zahl n_e von Elementarladungen e pro Partikel errechnet sich nach Gl. (1) zu

Bild 3 zeigt die berechnete mittlere Ladung pro Partikel für NaCl- und DEHS-Aerosole zusammen mit den zugehörigen Partikelgrößenverteilungen, die mit einem Scanning Mobility Particle Sizer (SMPS, TSI 3936) gemessen wurden.

Des Weiteren ist in Bild 3 zu sehen, dass die mittlere Ladung pro Partikel bei gleicher angelegter Spannung für negative Polarität etwas höher ist als für positive Polarität. Dies deckt sich mit vorherigen Befunden, dass eine negative Koronaentladung zu einer höhere Ionenproduktionsrate führt. Andererseits ist die positive Koronaentladung stabiler und generiert weniger gasförmige Nebenprodukte wie Ozon [18; 19].

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass der selbstentwickelte Diffusionsauflader geeignet ist, um unipolar geladene Aerosole entweder positiver oder negativer Polarität zu erzeugen. Für die folgenden Versuche wurde die Spannung auf ±5 kV gesetzt, um einen stabilen Betrieb ohne Überschläge zu gewährleisten. Durch regelmäßige Reinigung der Koronanadel und stetige Überprüfung der mittleren Ladung wurde sichergestellt, dass die mittlere Ladung des Aerosols bei jeder Filterprüfung nahezu identisch war, um die Ergebnisse direkt miteinander vergleichen zu können.

3 Abscheideeffizienz bezüglich unterschiedlich geladener Aerosole

Die Abscheideeffizienz verschiedener Elektretfilter für den Kfz-Innenraumbereich wurde an dem bereits in Bild 2 gezeigten Prüfstand vermessen. Die unterschiedlich geladenen NaCl- und DEHS-Aerosole wurden in den Hauptvolumenstrom von 200 m³h^-1 (entsprechend einer Anströmgeschwindigkeit von 8 cms^-1 bei der verwendeten Filtergeometrie) eingebracht und alternierend die Partikelkonzentrationen C_n,roh(d_p) und C_n,rein(d_p) in Roh- bzw. Reingas in Abhängigkeit vom elektrischen Mobilitätsdurchmesser an den entsprechenden Probenahmestellen vor und hinter dem Filter gemessen. Daraus lassen sich die Fraktionsabscheidegrade gemäß Gl. (2) bestimmen.

Es wurden drei verschiedene Filtertypen untersucht. Alle sind makroskopisch gleich konfektioniert (307,5 x 212 mm Querschnittsfläche mit 60 Falten von je 28 mm Tiefe, entsprechend einer Filterfläche von 0,71 m²), aber bestehen aus verschiedenen Materialien. Das Medium zu Filtertyp F1 enthält eine Nanofaserlage aus Polyamid (PA) auf einem Bico-Trägermaterial aus Polyethylen (PE) und Polypropylen (PP). Filtertyp F2 besteht aus einem Meltblown-Material aus PP auf einem Polyethylenterephthalat(PET)-Spunbond, Filtertyp F3 aus einem reinen PP-Meltblown-Material. Der Druckverlust beim gewählten Volumenstrom von 200 m³h^-1 liegt mit 32 Pa bei Filtertyp F1 merklich höher als bei F2 und F3 mit 20 bzw. 23 Pa, was hauptsächlich auf die geringere Luftdurchlässigkeit der Nanofaserlage zurückzuführen ist.

Die in Bild 4 gezeigten Fraktionsabscheidegrade für neutrale Partikel (d. h. ohne angelegte Spannung am Diffu­sionsauflader) sowie positiv und negativ geladene Partikel (± 5 kV am Diffusionsauflader) sind jeweils über drei Filter vom gleichen Typ gemittelt.

 

4 Entladung der Filter in flüssigem Isopropanol

Um die elektrostatischen von den mechanischen Beiträgen zur Abscheideeffizienz separieren zu können, wurden die Filter mit IPA entladen. Zunächst wurde die bisher am weitesten verbreitete Methode, nämlich das Tränken in flüssigem IPA angewendet, wie es z. B. DIN EN ISO 779 zur Prüfung von Filtern für die allgemeine Raumlufttechnik für die zugehörigen Filtermedien vorsieht. In unserem Fall wurden die kompletten Filter 5 min in IPA mit > 99,9 % Reinheit getränkt und anschließend mindestens 24 h getrocknet. Die Fraktionsabscheidegrade nach dieser Behandlung sind für die drei verschiedenen Filtertypen in Bild 5 gezeigt.

 

5 Entladung der Filter in mit Isopropanoldampf gesättigter Luft

Zum Vergleich wurden die Filter 24 h nach DIN EN ISO 16890-4 in mit IPA-Dampf gesättigter Luft entladen. Dazu wurde das Konditionierungskabinett TDC 584 der Fa. Topas verwendet, das eine schnelle Sättigung der Luft mit IPA-Dampf und dessen gleichmäßige Verteilung innerhalb der Kammer durch ein entsprechendes Lüftungskonzept ermöglicht. Die Ergebnisse für die drei verschiedenen Filtertypen werden in den Bildern 6 und 7 gezeigt.

 

 

Für den Filtertyp F1 in Bild 6 liegt die Abscheideeffizienz nach der Entladung in mit IPA-Dampf gesättigter Luft leicht über der nach Tränken des Filters in flüssigem IPA. In der Literatur wurde an verschiedenen Stellen berichtet, dass das Behandeln von Filtermedien in flüssigem IPA zu strukturellen Veränderungen des Mediums und somit zu einer Verringerung der mechanischen Abscheideeffizienz zusätzlich zur reinen Entladung des Mediums führen kann, was der Grund für die niedrigeren Fraktionsabscheidegrade im Vergleich zur Dampfentladung sein könnte. So wurde zum Beispiel für Glasfasermedien eine zunehmende Dicke des Mediums nach Tränken und anschließendem Trocknen beobachtet, was durch Auflösen von Bindemitteln und ein damit einhergehendes Auflockern des Faserverbunds erklärt wurde [21]. Eine andere Arbeitsgruppe berichtet, dass sich nach der Behandlung mit flüssigem IPA die Glasübergangstemperatur des Materials verändert hat, was für eine irreversible Änderung in der Struktur des Polymers durch das Aufquellen im Lösemittel spricht [22]. Schließlich wurde für ein Medium mit Nanofaserlage, ähnlich dem hier untersuchten Filtertyp F1, ein deutlicher Druckverlustanstieg beobachtet, der aus einer deutlichen strukturellen Veränderung der Nanofaserlage durch die Lösemittelbehandlung resultiert, die auch im Mikroskop zu beobachten war [21].

Im hier untersuchten Fall spricht jedoch insbesondere die Tatsache, dass keinerlei Veränderung des Druckverlusts nach der IPA-Behandlung nachgewiesen werden konnte, gegen signifikante strukturelle Veränderungen des Filtermediums. Eine rasterelektronenmikroskopische Analyse der behandelten Filter und Messungen der Glasübergangstemperatur stehen noch aus, um dies zu bestätigen. Somit verbleibt momentan als Erklärung, dass die Entladung im Konditionierungskabinett für 24 h nicht ausreichend war, die Filter vollständig zu entladen. Hierzu sind weitere Versuche mit einer Wiederholung der Entladungsprozedur geplant.

Genau umgekehrt verhält es sich bei den Ergebnissen für die Filtertypen F2 und F3, die in Bild 7 gezeigt sind: Hier liegt die Abscheideeffizienz nach Tränken in IPA deutlich über der Effizienz der in IPA-Dampf entladenen Filter, was darauf hindeutet, dass durch das Tränken keine vollständige Entladung erreicht wurde. Dies wird für Filtertyp F2 zudem dadurch unterstützt, dass hier die Streuung zwischen den einzelnen Filtern nach dem Tränken deutlich größer ist als vorher, was auf das Erreichen eines nicht sehr gut definierten Zustands hindeutet. Um diese Vermutung zu bestätigen, wurden die Filter der gleichen Prozedur folgend ein zweites Mal in IPA getränkt. Die ebenfalls in Bild 7 gezeigten Fraktionsabscheidegrade nach dem zweiten Tränken stimmen gut mit denen nach der Dampfentladung überein, was zeigt, dass nun offenbar eine vollständige Entladung erzielt werden konnte.

Die Beobachtungen widersprechen zunächst den gängigen Erfahrungen, zumal die in DIN EN ISO 779 zur Entladung geforderte Mindesttränkzeit von 2 min sogar überschritten wurde. Andererseits sind in der Literatur Hinweise zu finden, dass die Entladung in mit IPA-Dampf gesättigter Luft zu einer stärkeren Reduzierung der Abscheideeffizienz als das Tränken in IPA führen kann [23; 24]. Die Ursache des Effekts ist jedoch bis heute nicht bekannt. Eine Annahme von Xiao et al., dass nur eine geringe Entladung erfolgt, wenn das Polymer im Lösemittel schlecht aufquillt [25], ließ sich durch Vergleich der Hansen-Löslichkeitsparameter für die hier verwendeten Polymere und IPA nicht belegen.

6 Einfluss des Aerosolmaterials

Während die bisherigen Untersuchungen mit NaCl durchgeführt wurden, sollen die Fraktionsabscheidegrade der neuen und unbehandelten Filter für NaCl-Aerosole abschließend noch mit Abscheidegraden für DEHS als Test­aerosol verglichen werden. Dieses hat im Vergleich zu einem NaCl-Aerosol insbesondere den Vorteil, dass auch größere Partikel bis zu 1 µm in ausreichender Konzentration produziert werden, um bei gleicher Messzeit eine hinreichende statistische Basis zu haben, um die Fraktionsabscheidegrade in diesen Größenbereich fortzuführen. Die entsprechenden Kurven für die drei Filtertypen getestet mit neutralen Partikeln sind in Bild 8 gezeigt.

Die Ursache dieser starken Abweichungen ist bisher nicht verstanden. In der Literatur gibt es Hinweise, dass Salz­aerosole nach Verlassen des Atomizers leicht positiv geladen sind, während Ölaerosole nahezu keine Ladungen tragen [26], was prinzipiell die elektrostatische Abscheidung beeinflusst. Um die Relevanz dieses Effekts zu beurteilen, wurden in weiteren Versuchen beide Aerosole vor Eintritt in den Diffusionsauflader mit einem ⁸⁵Kr-Neutralisator in den identischen bipolaren Gleichgewichtszustand gebracht. Die Neutralisation führte jedoch für beide Aerosole zu keiner signifikanten Veränderung der Fraktionsabscheidegrade, sodass eine unterschiedliche Ladungsverteilung der Aerosole nach der Generierung als alleinige Ursache für die beobachteten Diskrepanzen ausgeschlossen werden kann. Eine alternativer Erklärungsansatz sind Unterschiede in der dielektrophoretischen Abscheidung, deren Stärke von der relativen Dielektrizitätskonstante des Partikelmaterials abhängt [1]. Diese unterscheidet sich zwischen 5,9 für NaCl [27] und 5,1 für DEHS [28] jedoch nur um etwa 15 %. Weitere Untersuchungen sind geplant, um die noch offenen Fragen zu klären.

7 Zusammenfassung

Im Rahmen dieser Arbeit wurde die Abscheidung dreier Elektretfiltertypen bezüglich verschiedener Aerosole in unterschiedlichen Ladungszuständen untersucht. Es zeigte sich, dass die Abscheidung von geladenen Aerosolen gegenüber neutralen Aerosolen deutlich erhöht ist. Dies war auch der Fall für entladene Filter, was auf die Relevanz von Bildladungseffekten für hochgeladene Aerosole hindeutet.

Beim Vergleich der beiden Entladungsmethoden nach DIN EN ISO 779 (Tränken in flüssigem IPA) und DIN EN ISO 16890-4 (Entladung in mit IPA-Dampf gesättigter Luft) zeigten sich deutliche Unterschiede. Während für den Filtertyp F1 die Entladung im IPA-Dampf über 24 h zu einer nur nahezu vollständigen Entladung führte, hat in den anderen beiden Fällen das Tränken in IPA für fünf Minuten die Filter nicht vollständig entladen. Eine Wiederholung der Prozedur führte jedoch zu nahezu gleichen Ergebnissen wie die Dampfentladung. Es sind weitere Untersuchungen erforderlich, um beurteilen zu können, ob bei Anwendung der Normen auch tatsächlich eine vollständige Entladung erreicht wird.

Beim Vergleich zweier verschiedener Aerosolmaterialien zeigten sich durchgehend geringere Abscheideeffizienzen für DEHS im Vergleich zu NaCl. Ein unterschiedlicher Ladungszustand der generierten Aerosole konnte als alleinige Ursache durch gezieltes Neutralisieren der Aerosole ausgeschlossen werden, sodass womöglich dielektrophoretische Effekte maßgeblich für die beobachteten Diskrepanzen sind.

Danksagung

Das IGF-Vorhaben 19145 N der Forschungsvereinigung Institut für Energie- und Umwelttechnik e.V. – IUTA, Bliersheimer Straße 58-60, 47229 Duisburg wird über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.

Die Autoren bedanken sich zudem bei Christoph Krautner von der MANN+ HUMMEL GmbH für die Zurverfügungstellung der untersuchten Filter.

 

 

 

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