Studie zur Untersuchung des Explosionsverhaltens von Nanostäuben

Abstract

Da von mikroskaligen Stäuben bereits bekannt ist, dass bei der Handhabung dieser mit stark erhöhten Brand- und Explosionsgefahren zu rechnen ist, insbesondere bei sinkendem Partikeldurchmesser, hat die Erforschung des Explosionsverhaltens von nanoskaligen Stäuben eine bedeutende Rolle. Das Ziel der Arbeit ist die Ausarbeitung eines oder mehrerer Vorschläge für einen Nanopartikelgenerator, mit dem in Kombination mit einer zugehörigen Testvorrichtung grundlegende Untersuchungen zum Explosionsverhalten von Nanostäuben durchgeführt werden können. Anhand einer ausführlichen Literaturstudie wurde der derzeitige Stand der Technik im Bereich der Bestimmung der Explosionskenngrößen von Nanostäuben erhoben. Zur Bestimmung werden in der Regel die für Mikrostäube normierten Methoden und Apparaturen verwendet, die allerdings noch nicht hinreichend auf ihre Anwendbarkeit für nanoskalige Stäube überprüft sind. Ein Schwerpunkt dieser Arbeit liegt auf dieser Überprüfung. Ein weiterer Schwerpunkt der Literaturstudie waren die Herstellungsmethoden von Nanopartikeln. Die einzelnen Methoden zur Generierung von Nanopartikeln wurden beschrieben und nach bestimmten Kriterien bewertet, damit wurden geeignete Verfahren zur Erzeugung eines Standard-Teststaubes identifiziert. Nach Auswertung der gesammelten Literaturstellen haben sich die Funkenentladung, die Laser-Ablation und der Heißwandreaktor als möglicherweise geeignete Herstellungsmethoden für einen Nanopartikelgenerator erwiesen. Die vorgeschlagene Testvorrichtung zur Untersuchung des Explosionsverhaltens von Nanostäuben besteht aus einer Explosionskammer und zugehörigen Partikelmessgeräten. Als Explosionskammer wird eine möglichst kleine kugel- oder zylinderförmige Kammer aus Metall (Edelstahl) vorgeschlagen. Zur Charakterisierung der Stäube wird eine Kombination aus einem Fast Aerosol Emission Sizer (FMPS) und einem Streulichtsensor zur Bestimmung der Anzahlpartikelgrößenverteilung und -konzentration empfohlen. Diese Testvorrichtung würde sich auch als mobile Testapparatur eignen, die mit Hilfe einer "Andockstation" direkt an einen industriellen Prozess zur Herstellung oder Verarbeitung von Nanopartikeln angeflanscht werden kann. Durch Absaugung eines Teilstroms des mit Nanostaub beladenen Gasstroms kann das Explosionsverhalten des Staubes online und zeitnah bestimmt werden.

It is already known from microscale dusts that fire and explosion hazards are strongly increased while handling these dusts, especially with decreasing particle size. Therefore the investigation of the explosion behavior of nanoscale dusts is of high interest. The aim of this work is the development of one or more suggestions for a nanoparticle generator in combination with an associated test apparatus, in order to make fundamental investigations of the explosion behavior of nanodusts. Based on a detailed literature review the current state of the art for the assessment of the explosion indices of nanodusts was collected. Usually equipment and methods that were normed for microscale dusts were used to assess the explosion indices of nanodusts, but these methods are not sufficiently validated regarding their usability for nanodusts. One focus of this work was the validation of these methods and equipment. Another focus of the literature review was laid on the production of nanoparticles. The different methods for the generation of nanoparticles have been described and evaluated, in order to identify methods for the production of a standard test dust. The methods that appear most suitable for a nanoparticle generator are spark discharge, laser ablation and production with a hot wall reactor. The test apparatus for the investigation of the explosion behavior of nanodusts includes an explosion chamber and particle measuring instruments. For the explosion chamber a spherical or cylindrical chamber made of metal (stainless steel), with a volume that is as small as possible, is suggested. A combination of a Fast Aerosol Emission Sizer (FMPS) and a scattered light sensor is recommended for the determination of the number particle size distribution and concentration. This test apparatus would also be suitable as a mobile test device, which can be mounted directly to an industrial process that produces or processes nanoparticles using a so called "docking station". By extracting a part of a nanodust/gas-stream, the explosion behavior of the dust can be determined online and on site.