Kombinierte Messung von aerodynamischen und mobilitätsbasierten Durchmessern zu online Bestimmung von Agglomeratstrukturen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die gleichzeitige Messung vom Mobilitätsdurchmesser und von der Partikeldichte abhängigem aerodynamischem Durchmesser erlaubt eine Aussage über die Agglomeratstruktur zu machen. Ein hintereinander Schalten beider Messungen erlaubt, eine zweidimensionale Verteilungsfunktion von beiden Durchmessern aufzustellen. Dies erfordert allerdings ein Messverfahren für den aerodynamischen Durchmesser mit deutlich höherer Empfindlichkeit und Auflösung als bestehende Messverfahren. In diesem Projekt wurde eine differentielle Messung zur Bestimmung des aerodynamischen Durchmessers vorgeschlagen, technisch umgesetzt und überprüft. Hierzu wird das aerodynamische Verhalten der Partikel in einer aerodynamischen Linse ausgenutzt. Das Aerosol wird an einer bestimmten radialen Position in ein partikelfreies Hilfsgas in die Linse eingebracht, nach Durchströmen der Linse werden die Partikel sich abhängig vom aerodynamischen Durchmesser an einer anderen radialen Position befinden. Nach Durchströmen der Linsenöffnung wird ein Teilstrom des Aerosols dem Partikeldetektor zugeführt. Es wurde gefunden, dass der bei niedrigem Druck gemessene Stokes-Durchmesser für offen strukturierte Agglomerate dazu führt, dass dieser Durchmesser ein guter Indiz für die Primärpartikelgröße ist. In Kombination mit einem DMA kann man die Annahme der Agglomeratstruktur auch messtechnisch überprüfen. Somit hat das entwickelte Gerät ein großes Potential als online Messgerät für die Primärpartikelgröße von gasgetragenen agglomerierten Partikeln. In der 2.Antragsperiode wurden ausführliche numerische Simulation durchgeführt, um das Verhalten dieser Differentieller Aerodynamische Linse besser zu verstehen. Die Übertragungsfunktion wurde für verschiedene Linsen-Geometrien bestimmt und es wurde nachgewiesen, dass die Form der Transferfunktion über die Düsenabmessungen einstellbar ist, z.B. wird die Transferfunktion deutlich schmaler bei einer kleineren Auslassdüse. Mit dem kleinsten Auslassdurchmesser können Aerosole erzeugt werden mit Werten für die geometrische Standardabweichung kleiner 1.10 bei einem Aerosol zu Hilfsgas Verhältnis von 1:1 , dies führt zu einen deutliche Verbesserung der Signalhöhe so dass schneller oder höher aufgelöst gemessen werden kann. Der Messbereich wurde nach unten erweitert durch eine Verringerung des Durchflusses und den Einsatz von leichteren Trägergasen im Hilfsgas wie z.B. Helium. Der Messbereich (bei 125 sccm Helium als Hilfsgas, 125 sccm Aerosol in Stickstoff) für den aerodynamischen Durchmesser (bis ~1 µm auch experimentell nachgewiesen) ist 25 nm bis (theoretisch) etwa 5 µm. Durch weitere apparative Verbesserungen ist es jetzt möglich, einen kompletten Scan der aerodynamischen Durchmesserverteilung innerhalb von 1 Minute durchzuführen. Das Aufnehmen einer zweidimensionalen Verteilungsfunktion, z.B. von Sauterdurchmesser und Mobilitätsdurchmesser, dauert dann mit zehn fest eingestellten Werten für den Mobilitätsdurchmesser etwa 10 Minuten. Es wurde gezeigt, dass das Messgerät auch an industriellen Anlagen diese 2d Verteilungsfunktion zuverlässig aufnehmen kann.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Inversion of Electrical Mobility Measurements Using Bipolar or Unipolar Chargers for the Arbitrary Distribution of Channels, Particuology 20, 114-123 (2015)
Domat, M.; Kruis, F.E.; Azong-Wara, N.L.; Fernandez-Diaz, J.M.
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Introduction of the new Differential Aerodynamic Particle Sizer (DAPS), European Aerosol Conference 2016, Tours, Frankreich
D. Kiesler, F.E. Kruis
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Novel Optical and Aerodynamic Online Measurement Techniques for Nano-Aerosols and their Application in Multi-Parameter Particle Characterization (MPaC), Proc. PARTEC 2016, Nürnberg
Huber, F.J.T., Will, S., Pitz, M., Antonyuk, S., Kiesler, D., Kruis, F.E.
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High resolution measurement of aerodynamic focusing behaviour of nanoparticles in different gases and gas-mixtures using a Differential Aerodynamic Particle Sizer (DAPS), Proc. European Aerosol Conference 2017, Zürich, Switzerland
Kiesler, D., Kruis, F.E.
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Ejector-based sampling from low-pressure aerosol reactors, Journal of Aerosol Science, 123, 105-115 (2018)
Rosenberger, T.; Münzer, A.; Kiesler, D.; Wiggers, H.: Kruis, F.E.
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High Resolution Online Measurement of Aerodynamic Diameters using the Differential Aerodynamic Particle Sizer (DAPS), International Aerosol Conference 2018, St.Louis, US
Kiesler, D., Kruis, F.E.
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Multiparameter characterization of aerosols. Chem. Ing. Tech. 90 (7):923–36 (2018)
Babick, F., L. Hillemann, M. Stintz, T. Dillenburger, M. Pitz, A. Hellmann, S. Antonyuk, S. Ripperger, F. J. T. Huber, S. Will, D.Kiesler, F.E. Kruis
