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Kaskadenimpaktor

Gerät zur Staubmessung

Ein Kaskadenimpaktor ist als Impaktor (Partikelmessgerät bzw. Partikelabscheider) ein Gerät zur fraktionierenden Erfassung der Staubmasse in Gasen. Mit seiner Hilfe kann eine Partikelgrößenverteilung in Abhängigkeit vom Partikeldurchmesser ermittelt werden. Ein Kaskadenimpaktor kann sowohl zur Erfassung von Schwebstaub[1] als auch zur Staubmessung in strömenden Gasen[2] eingesetzt werden. Zur Bestimmung der PM10- und PM2,5-Massenkonzentrationen legt die Norm EN ISO 23210:2009-12 einen zweistufigen Kaskadenimpaktor fest.[3] Kaskadenimpaktoren wurden erstmals in einer Veröffentlichung aus dem Jahr 1945 beschrieben.[4]

Messprinzip Bearbeiten

 
Schematische Darstellung eines Kaskadenimpaktors

Das Messprinzip eines Kaskadenimpaktors beruht darauf, dass Partikel aufgrund ihrer Trägheit plötzlichen Richtungsänderungen der sie mitführenden Strömung nicht oder nur eingeschränkt folgen können und Partikel unterschiedlicher Größe bei gleicher Dichte unterschiedliche Trägheiten aufweisen. Ein Kaskadenimpaktor besteht im Wesentlichen aus mehreren Impaktorstufen, die jeweils aus einer oder mehrerer Düsen und einer Prallplatte bestehen. Ein staubhaltiger Gasstrom wird durch die Düse geleitet und aufgrund der Prallplatte um 90° umgelenkt. Partikel mit zu großer Trägheit können der Strömungsumlenkung nicht folgen und werden auf der Prallplatte abgeschieden. Damit die abgeschiedenen Partikel haften bleiben, befindet sich auf der Prallplatte eine Sammelplatte, die beispielsweise aus Glasfasermaterial bestehen kann.

Ausschlaggebend für die Fraktionierung der Partikel sind Düsenlänge und -weite sowie der Abstand zwischen Prallplatte und Düse. Durch Verringerung der Düsenweite mit jeder Impaktorstufe wird die Strömungsgeschwindigkeit vergrößert, sodass mit jeder Stufe ein kleinerer Partikeldurchmesser erfasst werden kann.[1] Der letzten Stufe ist ein Filter nachgeschaltet, der die nicht abgeschiedenen Partikel sammeln soll. Die Sammelplatten sowie der Filter werden nach der Beaufschlagung mit Staub gewogen.

Bei den Düsen kann es sich um Bohrungen gleicher Größe, aber auch um Schlitzdüsen handeln. Düsenplatten und Prallplatten können apparativ voneinander getrennt sein, es gibt aber auch Prallplatten, in denen die Düsen der nächsten Stufen eingebaut sind. Die Strömungsgeschwindigkeiten in den Düsen bewegen sich zwischen 3 m/s und 4 m/s in der ersten Stufe und zwischen 100 m/s und 200 m/s in der letzten Stufe.[5]

Die einzelnen Stufen zeigen keine idealen Trennlinien. Vielmehr kann jeder Stufe ein aerodynamischer Partikeldurchmesser zugeordnet werden, bei dem die Abscheidewahrscheinlichkeit 50 % beträgt.[6] Die Genauigkeit der Wägung ist maßgeblich für die Genauigkeit des Messverfahrens. Da für die Impaktormessung eine ausreichende Staubmasse vorhanden sein muss, ist ein ausreichend großer Gasvolumenstrom notwendig. Dies wird häufig durch eine Vielzahl parallel geschalteter gleichartiger Düsen in einer Impaktorstufe bewerkstelligt.

Mittels Kaskadenimpaktoren lässt sich ein Größenbereich von ca. 20 µm bis hinunter zu 10 nm abdecken.[7] Sie können in heißen, chemisch aggressiven Gasen unmittelbar eingesetzt werden.[2] Hochtemperatur-Kaskadenimpaktoren sind für Temperaturen bis über 1000 °C ausgelegt.[8]

Varianten Bearbeiten

Der Kaskadenimpaktor hat im Laufe der Zeit zahlreiche Modifikationen und Anpassungen erfahren. Zu den bekannteren Varianten des Kaskadenimpaktors zählen beispielsweise der Berner Impaktor, bei dem zur Erzielung feinerer Partikelfraktionen vier gleichartige Kaskadenimpaktoren parallel geschaltet werden,[9] und der Elektrische Niederdruckimpaktor, der als Kombination aus Kaskadenimpaktor und Aerosolelektrometer[10] arbeitet. Kaskadenimpaktoren werden auch zur Erfassung von Bioaerosolen eingesetzt, indem die Prallplatte aus einem für die erfassten Partikel biologischen Ursprungs geeignetem Substrat besteht.[11]

Zur Bestimmung der PM10- und PM2,5-Massenkonzentrationen bei der Emissionsmessung nach Norm EN ISO 23210:2009-12 ist ein zweistufiger Kaskadenimpaktor zu verwenden.[3] Die Fraktion PM10 wird auf der zweiten Impaktorstufe gesammelt, die Fraktion PM2,5 auf dem Endfilter.[12][13] Die erste Impaktorstufe dient der Grobabscheidung.

Quarzfeinstaub (PM4) wird ebenfalls mit einem zweistufigen Kaskadenimpaktor erfasst. Hier werden beide Impaktorstufen zur Grobabscheidung verwendet.[14]

Literatur Bearbeiten

  • VDI 2066 Blatt 5:1994-11 Messen von Partikeln; Staubmessung in strömenden Gasen; Fraktionierende Staubmessung nach dem Impaktionsverfahren; Kaskadenimpaktor (Particulate Matter Measurement; Dust Measurement in Flowing Gases; Particle Size Selective Measurement by Impaction Method; Cascade Impactor). Beuth Verlag, Berlin. (Zusammenfassung und Inhaltsverzeichnis online)

Einzelnachweise Bearbeiten

  1. ↑ a b Lothar Laskus, Dieter Bake: Erfahrungen bei der Korngrößenanalyse von Luftstäuben mit dem Andersen-Kaskadenimpaktor. In: Staub – Reinhalt. Luft. 36, Nr. 3, 1976, ISSN 0949-8036, S. 102–106.
  2. ↑ a b VDI 2066 Blatt 5:1994-11 Messen von Partikeln; Staubmessung in strömenden Gasen; Fraktionierende Staubmessung nach dem Impaktionsverfahren - Kaskadenimpaktor (Particulate Matter Measurement; Dust Measurement in Flowing Gases; Particle Size Selective Measurement by Impaction Method - Cascade Impactor). Beuth Verlag, Berlin, S. 3.
  3. ↑ a b DIN EN ISO 23210:2009-12 Emissionen aus stationären Quellen; Ermittlung der Massenkonzentration von PM10/PM2,5 im Abgas; Messung bei niedrigen Konzentrationen mit Impaktoren (ISO 23210:2009); Deutsche Fassung EN ISO 23210:2009. Beuth Verlag, Berlin, S. 13.
  4. ↑ Axel Berner: Zur Theorie der Messung von Aerosolgrößenverteilungen mittels einfacher und vielfacher Kaskadenimpaktoren. In: Staub – Reinhalt. Luft. 36, Nr. 9, 1976, ISSN 0949-8036, S. 385–390.
  5. ↑ Sheldon Kay Friedlander: Smoke, Dust, and Haze - Fundamentals of Aerosol Dynamics. John Wiley & Sons, New York 1977, ISBN 0-471-01468-0, S. 164.
  6. ↑ Günter Baumbach: Luftreinhaltung. 2. Auflage. Springer-Verlag, Berlin/ Heidelberg/ New York 1992, ISBN 3-540-55078-X, S. 214.
  7. ↑ Carsten Möhlmann, Johannes Pelzer, Albert Hellmann, Jens Niklas: Messtechnische Bestimmung von ultrafeinen und Nanopartikeln bei mechanischen Bearbeitungsverfahren von Nanomaterialien und deren Kompositen. In: Gefahrstoffe – Reinhalt. Luft. 72, Nr. 11/12, 2012, ISSN 0949-8036, S. 463–465.
  8. ↑ Thomas Brunner, Juergen Fluch, Ingwald Obernberger, Ragnar Warnecke: Investigations of aerosol formation pathways during MSW combustion based on high-temperature impactor measurements. In: Fuel Process. Technol. 105, 2013, ISSN 0378-3820, S. 154–160.
  9. ↑ Axel Berner: Praktische Erfahrungen mit einem 20-Stufen-Impaktor. In: Staub – Reinhalt. Luft. 32, Nr. 8, 1972, ISSN 0949-8036, S. 315–320.
  10. ↑ VDI 3867 Blatt 6:2012-12 Messen von Partikeln in der Außenluft; Bestimmung der Partikelanzahlkonzentration und Anzahlgrößenverteilung von Aerosolen; Elektrischer Niederdruckimpaktor (ELPI) (Measurement of particles in ambient air; Determination of the particle number concentration and number size distribution of aerosols; Electrical Low Pressure Impactor (ELPI)). Beuth Verlag, Berlin, S. 3.
  11. ↑ James H. Vincent: Aerosol Sampling - Science, Standards, Instrumentation and Applications. John Wiley & Sons, Chichester 2007, ISBN 978-0-470-02725-7, S. 481.
  12. ↑ Astrid C. John, Thomas A. J. Kuhlbusch, Heinz Fißan, Günter Bröker, Karl-Josef Geueke: Entwicklung eines PM 10/PM 2.5-Kaskadenimpaktors zur Messung der Emission von Feinstäuben. In: Gefahrstoffe – Reinhalt. Luft. 59, Nr. 11/12, 1999, ISSN 0949-8036, S. 449–454.
  13. ↑ VDI 2066 Blatt 10:2004-10 Messen von Partikeln; Staubmessung in strömenden Gasen; Messung der Emissionen von PM10 und PM2,5 an geführten Quellen nach dem Impaktionsverfahren (Particulate matter measurement; Dust measurement in flowing gases; Measurement of PM10 and PM2,5 emissions at stationary sources by impaction method). Beuth Verlag, Berlin, S. 10.
  14. ↑ VDI 2066 Blatt 11:2018-05 Messen von Partikeln; Staubmessung in strömenden Gasen; Messung der Emissionen von kristallinem Siliziumdioxid (Quarz und Cristobalit) in der PM4-Fraktion (Particulate matter measurement; Dust measurement in flowing gases; Measurement of emissions of crystalline silicon dioxide (quartz and cristobalite) in the PM4 fraction). Beuth Verlag, Berlin, S. 10.
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