Abscheidung von nanoskaligen Partikeln mit Filtermedien

Status:

abgeschlossen 02/2012

Zielsetzung:

Nanoskalige Partikel entstehen insbesondere in thermischen Prozessen als Emissionen, (z. B. ultrafeine Partikel (UFP) aus Schweißprozessen, Dieselruß oder Industrieabgasen), oder sie werden bewusst als synthetische Nanomaterialien erzeugt und technischen Werkstoffen beigefügt, um diesen besondere Materialeigenschaften zu verleihen (Herstellung von elektrisch leitfähigen Kunststoffen, kratzfesten Lacken, etc.).
Ultrafeine Partikel/Nanomaterialien sind Partikel mit einem Durchmesser im Bereich von 1 bis 100 Nanometer. Gelangen sie in die Atmosphäre, so ist davon auszugehen, dass sie aufgrund fehlender Sedimentationsprozesse über lange Zeiträume als dispers verteilte luftgetragene Stoffe in der Umgebungsluft verbleiben.
Über die Atmung können sie beispielsweise in den menschlichen Organismus gelangen. Es liegen Hinweise vor, dass nanoskalige Partikel Ursache zahlreicher Erkrankungen sein können. Ihre Auswirkungen auf die menschliche Gesundheit sowie ihre Risiken für die Umwelt sind daher Thema zahlreicher Forschungsaktivitäten. Aus Arbeitsschutzgründen ist es daher notwendig, die Exposition von Beschäftigten gegenüber nanoskaligen Partikeln mit geeigneten Mitteln zu minimieren.

Luftgetragene Stoffe, die durch Arbeitsprozesse freigesetzt werden, werden üblicherweise mit filternden Einrichtungen abgeschieden.
Im Rahmen dieses Forschungsprojektes wurde ermittelt, ob übliche Filtermedien unterschiedlicher Qualitäten, die zur Abscheidung von Stäuben in Filteranlagen eingesetzt werden, auch zum Abscheiden von ultrafeinen Partikeln geeignet sind.

Aktivitäten/Methoden:

Im Auftrag des Instituts für Arbeitsschutz der Deutschen Gesetzlichen Unfallversicherung (IFA) wurde am Lehrstuhl für Mechanische Verfahrenstechnik der Universität Kaiserslautern die Abscheideleistung verschiedener Filtermaterialien gegenüber nanoskaligen Partikel untersucht.
Mithilfe eines UFP-Generators wurden ultrafeine Titanpartikel erzeugt, die in der Luftströmung eines Staubkanals dispergiert und als staubbeladene Rohluft einzelnen Filtermedien zugeführt wurden. Bei den Filtermedien handelt es sich um diverse Filtermaterialien, deren Abscheidegrade zuvor nach DIN EN 60335-2-69 "Sicherheit elektrischer Geräte für den Hausgebrauch und ähnliche Zwecke - Teil 2-69: Besondere Anforderungen für Staub- und Wassersauger einschließlich kraftbetriebener Bürsten für den gewerblichen Gebrauch" mit Quarzfeinstaub (Filter der Staubklasse M) bzw. mit Paraffinölnebel (Glasfaserfilter der Staubklasse H) geprüft worden waren.
Die Abscheidung von UFP wurden an runden Planfiltern vorgenommen, deren Durchmesser jeweils 90 mm betrug. Die Luftgeschwindigkeit im Staubkanal wurde so gewählt, dass die An-strömverhältnisse unter Prüfbedingungen mit Filterflächenbelastungen, wie sie üblicherweise in filternden Abscheidern vorherrschen, vergleichbar/identisch sind.
Die Partikelanzahlkonzentrationen in der Luft wurden mit zwei SMPS-Messgeräten jeweils vor und hinter den Filtern gemessen. (SMPS: scanning mobility particle sizer, Partikelmobilitätsanalysator) Anhand der Konzentrationen wurden die Abscheidegrade/Trenngrade für die einzelnen Filtermaterialien bestimmt.

Ergebnisse:

Untersucht wurde das Abscheideverhalten acht verschiedener Filtermaterialien, die die Anforderungen der Staubklasse M bzw. H nach DIN EN 60335-2-69, Anhang AA erfüllen.
Die M-Filter bestehen aus folgenden Materialien: Vliesstoff aus Oolyester (PES)-Filamenten, zweilagigem Zellstoff mit synthetischen Fasern, rillierter Cellulose, Polyester-Nadelfilz mit antistatischem Stützgewebe, Spinnvlies/Meltblown/Spinnvliesverbund bzw. Polyester Spundbond und PTFE-Membrane.
Die H-Filter bestehen aus Glasfaser bzw. Mikro-Glasfaserfilterpapier.
Über den betrachteten Partikelgrößenbereich von ca. 20 bis 300 nm wurden für die H-Filter beinahe konstante Trenngrade in Höhe von nahezu 1 (Abscheidergrade = ca. 100 %) ermittelt.
Dagegen wiesen die M-Filter ein nicht einheitliches Abscheidevermögen auf.
Im UFP-Größenbereich von ca. 20 bis 300 nm wiesen vier M-Filter nicht konstante Abscheideverhalten auf.
Für das Zellstoffmaterial mit synthetischen Fasern und für das Cellulose-Filter wurden Trenngrade in Höhe von 0,6 im Größenbereich von 20 bis 40 nm ermittelt. Mit zunehmender Partikelgröße verschlechtern sich die Trenngrade stetig, sodass sie im Größenbereich 100 bis 300 nm nur etwa 0,2 betragen.
Polyester-Nadelfilz und Vliesstoff aus PES-Filamenten zeigen ein besseres Abscheideverhalten. UFP im Größenbereich von 20 bis 40 nm werden zu etwa 90 % abgeschieden (Abscheidegrad = 0,9); mit zunehmender Partikelgröße nehmen die Trenngrade bis auf 0,3 (Größenbereich 200 bis 300 nm) ab.
Die beiden übrigen M-Filter zeigen ein annähernd so gutes Abscheideverhalten wie die H-Filter. Für das Spinnvlies-Material wurde über den gesamten UFP-Größenbereich ein Trenngrad von etwa 0,97 ermittelt. Für Polyester Spundbond mit PFTE-Membrane beträgt der Trenngrad im UFP-Bereich 20 bis 40 nm ebenfalls etwa 0,97, für größere UFP (70 bis 90 nm) sinkt der Trenngrad auf Werte in Höhe von 0,9 geringfügig ab.
Die Ergebnisse decken sich mit den Ergebnissen aus Filtermaterialprüfungen nach DIN EN 60335. Erwartungsgemäß sind die Trenngrade der H-Filter höher als die der M-Filter.

Stand: