Construction and operation of an aerosol test device for measuring the particle size distribution and collection efficiency of nanoparticles in liquids

Abstract

Dieser Masterarbeit wurde im Zuge des Projektes Entwicklung eines Lunge am Chip- Systems zur in- vitro Analyse der Toxizität von Nanostäuben durchgeführt.Das Ziel ist kommerziell erhältliche anorganische Stäube, die aus nanoskaligen Partikeln bestehen, in den luftgetragenen Zustand zu versetzen und diese anschließend in einem geeigneten flüssigen Sammelmedium abzuscheiden, um diese weiteren Untersuchungen zu unterziehen.Dafür wurde eine Testapparatur entwickelt, aufgebaut und in Betrieb genommen.Nach Überprüfung der Funktionsfähigkeit der Testapparatur wurde die Dauer bis zum Erhalt eines konstanten Aerosolstroms untersucht. Für die drei ausgewählten Teststäube (Titandioxid, Siliciumdioxid und Zinkoxid) wurden unterschiedlich lange Zeiten bis eine Konstanz des Aerosolstroms gegeben war, festgestellt.Des weiteren, wurden die Partikelgrößenverteilung der drei Stäube untersucht. Dabei kamen zwei unterschiedliche Meßgeräte zum Einsatz die zeitgleich das generierte Aerosol vermessen haben. Die Untersuchungen haben gezeigt, daß die beiden Meßsysteme, anhängig von der untersuchten Partikelgröße und dem untersuchten Material, übereinstimmende Ergebnisse liefern. Jedoch unterscheiden sich die Resultate stark bei Partikelgrößen von über 400 nm bei Siliciumdioxid und Zinkoxid.Im letzten durchgeführten Experiment wurde die Sammeleffizienz eines Waschflaschen-Systems, genannt Impinger, untersucht. Dabei wurde ein konstanter Aerosolstrom bereitgestellt und dieser dann in einen mit Glaskörpern und destilliertem Wasser gefüllten Impinger eingeleitet. Die Roh- und Reingaskonzentrationen wurden bestimmt. Anschließend wurde rechnerisch ein Abscheidegrad berechnet. Die Berechnungen haben gezeigt, daß die Sammeleffizienz maßgeblich von der abgeschiedenen Partikelgröße abhängt und von der Art des Materials.

This Master Thesis is part of the project “Entwicklung eines Lunge am Chip-Systems zur in- vitro Analyse der Toxizität von Nanostäuben“. The main goal is to transfer commercial available inorganic dusts, which consists of nano scale particles in an airborne state and collect these in an eligible liquid medium for further examination.Therefor an aerosol test device was developed, constructed and made operational. The aerosol test rig was thoroughly tested before the first test was conducted. At first the ability to produce a stable aerosol flow was tested. Three selected test dusts (Titanium dioxide, Silicon dioxide and Zinc oxide) were dispersed with the aerosol test rig. The duration that the test device took to produce a stable aerosol flow was measured. The results show that each test dust needs a certain time till a stable aerosol flow is reached. In addition the particle size distribution of each test dust was examined. For this purpose two different analysers were used. Both measured the newly generated aerosol at the same time. The results show that both analysers provide a similar particle size distribution, but the accuracy differ greatly with greater particle sizes.The last experiment engages on the task of retrieving a collection efficiency for every test dust. A constant aerosol flow was provided and directed into the Impinger. The raw and crude gas concentration was measured. The received data was analysed and the collection efficiency was calculated. The results show that the collection efficiency is mostly depending on the particle size, but the type of material has some effect on the measurements.