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Dissertation angenommen durch: Universität Duisburg-Essen, Campus
Duisburg, Fakultät für Ingenieurwissenschaften, Abteilung
Elektrotechnik und Informationstechnik, 2004-01-14
BetreuerIn: Prof. Dr.-Ing. Heinz Fissan ,
Universität Duisburg-Essen, Campus Duisburg, Fakultät für
Ingenieurwissenschaften, Abteilung Elektrotechnik und
Informationstechnik
GutachterIn: Prof. Dr.-Ing. Heinz Fissan ,
Universität Duisburg-Essen, Campus Duisburg, Fakultät für
Ingenieurwissenschaften, Abteilung Elektrotechnik und
Informationstechnik
GutachterIn: Prof. Dr. rer. nat. Peter Bruckmann , Landesumweltamt Nordrhein Westfalen,
Schlüsselwörter in Englisch: Aerosol, Aerosol Instrumentation, Corona Discharge, Airborne Particles, Gas Phase, Particle
Schlüsselwörter in Deutsch: Aerosol, Aerosolmesstechnik, Koronaentladung, Luftgetragene Partikel, Gasphase, Partikel
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Abstrakt in Deutsch
Für verschiedene Prozesse, wie etwa die Artefaktkorrektur bei der
kontinuierlichen Bestimmung von atmosphärischen
Partikelmassenkonzentrationen oder die Messung von Gaseigenschaften,
wird die Bereitstellung partikelfreier Luft benötigt. Herkömmliche
Methoden zur Trennung von Gas und Partikeln sind Filtration oder
elektrostatische Präzipitation. Beide Mechanismen üben jedoch einen
Einfluss auf den thermodynamischen Zustand des Gases und/oder die
Gaszusammensetzung aus und können somit die nachgeschaltete Messung von
Gas- oder Partikeleigenschaften stören. Für eine hoch effiziente
Trennung von Gas und Partikeln ohne Beeinflussung des thermodynamischen
Zustandes und ohne wesentliche Änderung der Gaszusammensetzung wurde im
Zuge dieser Arbeit eine koaxiale Gas Partikel Trennapparatur (GPP,
engl. Gas Particle Partitioner) entwickelt und intensiv getestet. Im
eingeschalteten Zustand nutzt der GPP eine Koronaentladung um die
Aerosolpartikel elektrisch aufzuladen und ein starkes elektrisches Feld
um diese abzulenken und aus dem Probenstrom zu entnehmen. Die Korona
wurde in Hinblick auf minimierte Bildung von Gasen wie Ozon und
Stickoxiden optimiert, d.h. es wird ein nur 25 µm dicker Golddraht
verwendet und bei positiver Polarität betrieben. Zusätzlich wird der
Bereich rund um den Koronadraht von einer partikelfreien Spülluft
umströmt, um so die Gase, welche trotzdem durch die Korona gebildet
werden abzutransportieren. Innerhalb des GPP wird der gesamte
Aerosolstrom aufgetrennt in einen Probenstrom und einen Volumenstrom
mit Überschussluft. Durch die Trennung des Volumenstromes wird sicher
gestellt, dass Verflüchtigung oder Lösen von auf der Außenelektrode
abgeschiedenen Partikeln nur die Überschussluft, nicht aber den
Probenstrom beeinflussen. Die Volumenstromtrennung ist dabei so
ausgelegt, dass sie das Aerosol nicht beeinflusst, d.h. im
ausgeschalteten Zustand ist die Größenverteilung der Partikel im
Probenstrom identisch mit der im ursprünglichen Aerosol. Wird der GPP
eingeschaltet, ist der Probenstrom partikelfrei. Die
Laboruntersuchungen haben ergeben, dass der GPP Gas und Partikel im
Größenbereich 25 nm £ dp £ 10.7 µm mit einer Effizienz von nahezu 100%
trennt. Für Partikeldurchmesser kleiner 25 nm lässt die Effizienz mit
sinkendem Partikeldurchmesser nach. Die Maßnahmen zur Reduktion der
Beeinflussung der Gaszusammensetzung haben in deutlich reduzierten
Ozon- und Stickoxidkonzentrationen im Probenstrom resultiert.
Verglichen mit dem Fall eines 100 µm dicken Golddrahtes, betrieben mit
negativer Polarität und ohne Spülluft konnte die zusätzliche
Ozonkonzentration im Probenstrom um 98,5% und die zusätzliche
Stickstoffdioxidkonzentration um etwa 90% reduziert werden.
Abstrakt in Englisch
Particle free air is required in a wide range of scientific and
technical applications such as pre-filtering for gas analysers or for
the artefact correction of particle mass concentration measurements.
Most common processes for the removal of particles from a gas stream
are filtration and electrostatic precipitation. However, both
mechanisms introduce changes to the thermodynamic conditions and/or the
composition of the gas, which might be detrimental to the downstream
measurement of gas or particle concentrations. For highly efficient
separation of gas and particles with no changes of the thermodynamic
conditions and substantially no changes to the gas phase, a coaxial Gas
Particle Partitioner (GPP) has been developed and intensively tested.
The GPP utilizes corona charging to electrically charge the particles
and a strong electric field in a separate unit to take them out of the
sample flow when switched on. The corona was optimised with respect to
gas formation, i.e. a gold wire of only 25 µm is used as corona
electrode along with positive corona polarity. Additionally, the
vicinity of the corona wire gets continuously flushed by means of a
wash flow, which is spatially separated from the sample flow, to
prevent gases formed by the corona, such as ozone and oxides of
nitrogen from reaching the sample aerosol flow. Inside the GPP, the
total aerosol flow is split into a sample flow and an excess gas flow.
The splitting of the flow ensures that evaporation or release of
particles, deposited on the outer wall does not affect the sample flow
but only the excess gas flow. The flow splitter is designed such that
the particle size distribution in the sample flow is identical to the
ambient distribution, when the GPP is switched off. When switched on,
the sample flow is particle free. The laboratory investigations have
shown that the GPP is able to separate gas and particles with an
efficiency of near 100% in the particle size range of 25 nm £ dp £ 10.7
µm. For particle sizes below 25 nm, the separation efficiency decreased
with decreasing particle size. The measures for a minimization of the
influence of the corona on the gas composition have led to
substantially reduced O3 and NOx concentrations in the sample flow.
Compared to the worst case (100 µm gold wire, negative polarity, no
wash flow) the additional ozone concentration could be reduced by 98.5%
and the nitrogen dioxide concentration by approx. 90%.
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