Способ детектирования концентраций субмикронных аэрозольных частиц при испытании высокоэффективных фильтров Советский патент 1991 года по МПК G01N15/02 

Изобретение относится к анализу аэродисперсных систем и может быть использовано для контроля технологической гигиены и при испытании эффективности фильтров и газоочистных устройств.

Цель изобретения - повышение точности определения малых концентраций аэрозольных частиц и эффективности фильтров за счет устранения влияния на ток переноса субмикронных анализируемых частиц (Q, 1 мкм) после фильтра токов фоновых амик- роскопических аэрозольных частиц, образующихся при ионизации газа и зарядке детектируемого аэрозоля.

На фиг. 1 приведена конструкция избирательного фильтра; на фиг. 2 - принцип действия фильтра; на фиг. 3 - устройство для осуществления способа.

Для испытания высокоэффективных фильтров используют, как правило, модельные (тестовые) наиболее проникающие субмикронные частицы. При малых скоростях течения газа (V 1 см/с) через фильтр наиболее проникающими являются частицы с радиусом г 0,1-0,2 мкм. При увеличении скорости фильтрации газа (V Ј 10-20 см/с) наиболее проникающими являются частицы с г Ј 0,05 мкм. Это означает, что при испыо о

00 XI

о

00

тании наиболее распространенных волокнистых фильтрующих материалов для высокоэффективной очистки газов необходимо использовать частицы с г 0,05 мкм.При использовании предлагаемого известного способов образуются фоновые амикроско- пические частицы с г 0,01 мкм. Если величина -мх тока переноса la Ј tn тестовых частиц с г & 0,05 мкм после исследуемого фильтра, то в этом случае практически нель- зя точно определить эффективность фильтра, так как фоновый спонтанный сигнал 1а вносит большую ошибку в результате измерений тока переноса п модельных частиц с г , О,OS мкм. Следовательно, для регистра- ции малых концентраций субмикронного аэрозоля и определения эффективности фильтров необходимо устранить влияние 1в на In, т.е. необходимо, чтобы 1П 1а. Эту задачу решают в предлагаемом способе пу- тем пропускания потока частиц после зарядки через избирательный механический волокнистый фильтр , который эффективно фильтрует (удаляет) из газа частицы с г 0,01 мкм, ко слабо задерживает модель- ныв частицы с г . 0,05 мкм. В результате регистрируют после избирательного фильтра ток переноса п, который существенно превышает ток а фоновых отфильтрованных амикроскопических частиц. Между ре- шетчзтыми параллельными электродами 1 и 2 установлен механический калиброванный фильтр аэрозольных частиц 3, поляризованный внешним электрическим полем Е0 так, 4jo вектор конвективного переноса частиц УК потоком газа антипараллелен вектору скорости электрофореза заряженной частицы под действием поля Е0. т.е., например, положительно заряженная частица тормозится электрическим полем Е0 между элек- тродами 1 и 2. В результате эффективная скорость движения частицы через фильтр 3 составляет . При этом ее осаждение происходит на противоположную сторону поляризованного волокна {фиг. 2) фильтра 3 (фиг. 1). Фильтрация частиц происходит за счет их диффузионного осаждения на волокна, а также за счет электростатических эффектов, обусловленных зарядкой частиц и полем Е. Экспери- ментально доказано, что фильтрация амикроскопических частиц происходит эффективно, если V0 0,5 VK или Ve 2: VK-O ,5

Величина

,

где fi - электрическая подвижность однократно заряженной частицы;

g - ее заряд.

Частицы с г $ 0,01 мкм имеют g 1е , а при г 0,03 мкм величину g можно расчитывать по формуле

ЗгКТ

ig(t.4

1011(7

t) (1)

1-16

1,3810 эрг/к - постоянная БольцгдеКмана;

Т (К) - температура газа;

е 4,8 10 СГСЕ - заряд электрона;

размерности t, а , г с, (Ом м )1 и см соответственно.

Из (1) следует, что при at 6 (Ом м)1 с скорость электрофореза частиц с г 0,01 мкм существенно больше скорости Ve частиц модельного аэрозоля с г , 0,05 мкм. Однако при 10 (Ом -м) с модельные частицы аэрозоля заряжаются неэффективно, т.е. частицы с г 0,05 мкм имеют малый заряд, что затрудняет их регистрацию при малых концентрациях ввиду малости тока п. Следовательно, при fft 3- (Ом- м)1 с частицы тестового аэрозоля заряжать нецелесообразно. Кроме того, при (Ом м с амикроскопические частицы заряжаются неэффективно и наряду с заряженными частицами имеется некоторая доля незаряженных частиц Х0 1-Х, которые не дают вклада в величину их фонового тока U (X - доля заряженных амикроскопических частиц). При образовании амикроскопических частиц с г 0,01 мкм только небольшая их доля влияет на величину фонового тока а, величина которого а 0 после пропускания потока газа через избирательный фильтр. При этом модельные частицы субмикронного аэрозоля с г 0,05 мкм эффек тивно заряжены, а избирательный фильтр слабо влияет на величину их тока переноса In, поскольку подбирают такое значение поля Ео, чтобы скорость электрофореза тестовых (модельных) субмикронных частиц с г ,05 мкм была существенно меньше скорости электрофореза амикроскопических аэрозольных частиц с г 0,01 мкм

Значение Е0 расчитывают следующим образом; скорость электрофореза Ve fi gE , для амикроскопических частиц g le, поэтому условие эффективной фильтрации Ve , 0,5 VK означает, что Eoi. 0,5 , где /и - электрическая подвижность Однократно заряженной частицы с г 0,01 мкм.

Устройство для осуществления способа

включает патрубок ввода потока аэрозоля 1,

газоход 2, цилиндрический, решетчатый,

заземленный электрод 3 и соосный ему

сплошной электрод4, подключенный через

микроамперметр 5 к источнику б с напряжением 1)2, коронирующий проволочный электрод 7, подключенный к высоковольтному выпрямителю 8 с напряжением Ui, плоские, перпендикулярные потоку газа, параллельный, решетчатый электроды 9,10, первый из которых походу газа (электрод 9) подключен к источнику 11 напряжения с напряжением U, а второй электрод 10 заземлен, механический калиброванный фильтр аэрозольных частиц 12, расположенный параллельно электродам 9 и 10 и предназначенный для удаления фоновых амикроскопических частиц из потока исследуемого субмикронного аэрозоля, камеру регистрации заряженных -частиц в потоке газа 13 и патрубок вывода потока аэрозоля из устройства 14. Знак напряжения U источника 11 противоположен знаку напряжения Ui выпрямителя 8, а абсолютное значение U , 0,5 Wd/// где d - расстояние между электродами 9 и 10, величина VK Q/S. Q - объемная скорость потока аэрозоля, S - площадь фильтра 12.

Устройство работает следующим образом.

Анализируемый поток аэрозоля через патрубок 1 и газоход 2 поступает в зоне зарядки А, расположенную между электродами 3 и 4, в зоне А частицы заряжают униполярными ионами, образованными в коронном разряде при подаче высокого напряжения Ui от выпрямителя 8 на проволочный электрод 7 с ф 20-30 мкм, Ионы вытягивают в зону зарядки из области коронного заряда за счет создания разности потенциалов U2 между электродами 3 и 4 с помощью источника 6 напряжения. Величина проводимости в зоне А определяется по плотности ионного тока j аЕ,измеряемом микроамперметром 5 (Е - напряженность поля в зоне А). Из зоны зарядки поток анализируемого аэрозоля поступает в камеру регистрации заряженных частиц 13 через механический калиброванный фильтр аэрозольных частиц, поляризованный внешним электрическим полем Е0 за счет создания разности потенциалов между решетчатыми, плоскими и параллельными электродами 9 и 10. Знак напряжения U на электроде 9 противоположен знаку напряжения на электроде 7, а его величина

U , 0,5 V«d/ ju (при этих значениях U выполняется условие Ve Ј0,5VK для амикроскопических аэрозольных Частиц). При V 0 осаждение аэрозоля на волокнистом фильтре 12 мало и составляет для частиц с г 0,05 мкм около 5%, а при г 0,01 кмм

около 35% для указанного в примере волокнистого фильтра 12. Камера 13 состоит из стекловолокнистого фильтра, соединенного с электрометром для измерения тока 5 .переноса заряженных частиц при их осаждении на воТГокна. При этом спонтанно образующиеся амикроскопические частицы не поступают в камеру 13, поскольку их отсекают от тестовых субмикронных частиц изби0 рательным фильтром 12, поляризованным внешним электрическим полем.

Пример. Коронирующий электрод 7 выполнен из молибденовой проволоки с 25 мкм; напряжение Ui 3700 В; ток

5 коронного разряда составляет 4 мкА; напряженность электрического поля в зоне зарядки 100 В/см; величина at 5,5 (Ом м)1 с; расстояние между решетчатыми электродами 9 и 10 с шагом 5 мм составляет

0 2 см; в качестве механического калиброванного фильтра используют эталонный веерный модельный фильтр с диаметром волокон 0,15 мм, расстоянием между ними. 2 мм и количеством слоев 120; камера реги5 страции заряженных частиц состоит из стек- ловолокнистого фильтра ФСВ/П, соединенного с электрометрическим усилителем У5-11 ; скорость течения газа через фильтр 12 составляет V 5 см/с; напря0 женность поля Е0 500 и 700 В/см; U 1000 и 1400 В. Измерение эффективности фильтра 12 проводилось с частицами хлористого натрия и дибутилфталата, радиус которых г 0,005-0,2 мкм.

5 При Ve Ј 0.5 VK амикроскопические частицы эффективно улавливаются веерным фильтром. Величина Ve субмикронных частиц с г 0,05 мкм существенно меньше значения VK и модельные частицы слабо за0 держиваются фильтром. При Е 0 проскок частиц существенно превышает значения К, измеренные в присутствии внешнего электрического поля с Е Ј500 В/см. Доля Х&0.1, т.е. амикроскопические частицы заряжаются

5 неэффективно при at. 6 10 (Ом м)1 с, поэтому, если образуется спонтанно N3 фоновых частиц, то после фильтра 12 вклад в фоновый ток а будут вносить частицы с концентрацией KXN3.

0 Измеренное значение тока переноса субмикронного монодисперсного аэрозоля с г «0,15 мкм до высокоэффективного фильтра типа ФСБ/А составляло , а после фильтра In 5 А, Соответст1, а концентрация In/gQ -150 частиц/см, Q 18 л/мин, заряд g расчитывался по формуле (I). При этом фоновый ток амик- роскопичих частиц не регистрировался.

5 венно проскок К 5 -10 частиц после фильтра N

Таким образом, изобретение существенно повышает точность измерения малых концентраций модельного субмикронного аэрозоля после фильтра и, соответственно позволяет определить его эффективность по сравнению с известным, в котором не предусмотрено устранение спонтанно образующихся фоновых амикроскопических частиц, что не позволяет точно определить малые концентрации субмикронных частиц, ток переноса которых соизмерим или меньше фонового тока амикроскопического аэрозоля, и соответственно определить эффективность высокоэффективных фильтров. Формула изобретения Способ детектирования концентраций субмикронных аэрозольных частиц при испытании высокоэффективных фильтров, включающий ионизацию газа, создание отдельной зоны зарядки аэрозоля с униполярной ионной атмосферой, пропускание через нее потока исследуемого газа, диффузионную зарядку аэрозольных частиц униполярными ионами при фиксированном значении параметра зарядки, определяемом как произведение ионной проводимости газа в зоне зарядки на время зарядки частиц, измерение их токов переноса или объемного заряда до и после фильтра, по величине

которых судят о концентрации субмикронного аэрозоля и эффективности фильтров, отличающийся тем, что, с целью повышения точности определения концентраций аэрозольных частиц за счет устранения влияния на ток переноса субмикронных анализируемых частиц, после фильтра тока фоновых амикроскопических аэрозольных частиц, образующихся при ионизации газа и

зарядке детектируемого аэрозоля, частицы заряжают при значениях параметра зарядки, ограниченных интервалом (3-6) (Ом. м)1 с, и перед измерением тока переноса пропускают через механический калиброванный

фильтр аэрозольных частиц, поляризованный внешним электрическим полем так, что векторы скоростей электрофореза амикроскопических аэрозольных частиц и их конвективного переноса потоком газа

антипараллельны при Е0 0,5 VK/{4 ,

где Ео - напряженность внешнего электрического поля;

4 - электрическая подвижность одно- кратно заряженной амикроскопической аэрозольной частицы с радиусом 0,01 мкм: V - средняя линейная скорость течения газа через механический калиброванный фильтр.

Изобретение относится к анализу аэродисперсных систем и может быть использовано для контроля технологической гигиены и при испытании эффективности фильтра и газоочистных устройств. Цель - повышение точности определения малых концентраций аэрозольных частиц и эффективности фильтров. Цель достигается тем, что частицы заряжаются при значениях параметров зарядка 3-6 (Ом м)1 с. Перед измерением тока переноса частицы пропускают через механический калиброванный фильтр аэрозольных частиц. Фильтр поляризован внешним электрическим полем так, что векторы скоростей электрофореза амик- роскопических аэрозольных частиц и их конвективного переноса потока антипараллельных и соизмеримых по абсолютным значениям при Е0 S0,5 V./ft , где Е0 - напряженность внешнего электрического поля; р. - электрическая подвижность однократно заряженной амикроскопической аэрозольной частицы с радиусом 0,01 мкм; V - средняя линейная скорость течения газа через механический калиброванный- фильтр. 3 ил. СО с

А

J3f

Е„ а

О

Е„ а

О

Фиг.1

Фиг. 2