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Untersuchungen an Filtermaterialien auf ihre Eignung als Messfilter zur Bestimmung radioaktiver Schwebstoffe in Luft EUR 3178 = Studies of filter materials with regard to their suitability for the measurement of radioactive aerosols EUR 3178

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INSCHAFT — EURATOM

EUROPÄISCHE ATOMGEMEINSCHAFT — EURATOM

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UNTERSUCHUNGEN AN FILTERMATERIALIEN

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Bericht abgefasst vom

Stanbforschungsinstitut des Hauptverbandes der gewerblichen

Berufsgenossenschaften e.V.

Bonn — Deutschland

Euratom­Vertrag Nr. 004­62­12 PSTD

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HINWEIS ÆSiilkJ

Dae vorliegende Dokument ist im Rahmen des Forschungsprogramme

der Kommission der Europäischen Atomgemeinschaft (EURATOM)

ausgearbeitet worden.

Es wird darauf hingewiesen, daß die Euratomkommission, ihre Ver­

tragspartner und die in deren Namen handelnden Personen :

keine Gewähr dafür übernehmen, daß die in diesem Dokument ent­

haltenen Informationen richtig und vollständig sind, oder daß die

Verwendung der in diesem Dokument enthaltenen Informationen,

«MÌAF ΑΛΤ i n dieaAm T)nlcnm«nt b e s c h r i e b e n e n t e c h n i s c h e n A n o r d »

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nungen, Methoden und Verfahren nicht gegen gewerbliche Schutz·

rechte verstößt;

keine Haftung für die Schäden übernehmen, die infolge der Ver­

wendung der in diesem Dokument enthaltenen Informationen,

oder der in diesem Dokument beschriebenen technischen Anord­

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nungen, Methoden oder Verfahren enstehen könnten,

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Dieser Bericht wird in den auf der vierten Umschlagseite genannte:

Vertriebsstellen

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sum Preise von DM 4.­

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Es wird gebeten, bei Bestellungen die EUR­Nnmmer und den Titel

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anzugeben , die auf dem Umschlag jedes Berichte aufgeführt sind·

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(3)

E U R

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UNTERSUCHUNGEN AN FILTERMATERIALIEN AUF IHRE EIGNUNG ALS MESSFILTER ZUR BESTIMMUNG RADIOAKTIVER SCHWEB­ STOFFE IN LUFT von D. Hasenclever (Staubforschungsinstitut des Haupt­ verbandes der gewerblichen Berufsgenossenschaften e. V.)

Europäische Atomgemeinschaft — EURATOM

Bericht abgefasst vom Staubforschungsinstitut des Hauptverbandes der gewerblichen Berufsgenossenschaften e.V., Bonn (Deutschland)

Euratom­Vertrag Nr. 004­62­12 PSTD Direktion Gesundheitsschutz

Brüssel, Mai 1967 — 32 Seiten — 9 Abbildungen — FB 50

Die hier durchgeführten Untersuchungen weisen 2 Hauptgruppen von Filtern aus :

1) Filter, deren Abscheidegrad (Wirksamkeit) für den hier betrachteten Korngrößenbereich von etwa 0,01 bis 1 μηι Durchmesser in Abhängigkeit von der Anströmgeschwindigkeit stark variieren kann. In dieser Gruppe werden hei den von den Stationen benutzten Anströmgeschwindigkeiten und für Schwebstoffe mit Durchmessern kleiner 0,3 μτα mittlere Abscheide­

E U R 3178.d

STUDIES OF FILTER MATERIALS WITH REGARD TO THEIR

SUITABILITY FOR THE MEASUREMENT OF RADIOACTIVE

AEROSOLS by D. HASENCLEVER (Staubforschungsinstitut des Haupt­ verbandes der gewerblichen Berufsgenossenschaften e.V.).

European Atomic Energy Community — EURATOM

Report prepared by the Staubforschungsinstitut des Hauptverbandes der gewerblichen Berufsgenossenschaften e.V., Bonn (Deutschland)

Euratom Contract No. 004­62­12 PSTD Directorate for Health and Safety

Brussels, May 1967 — 32 Pages — 9 Figures — FB 50

The studies carried out here show that there are two main groups of filters, namely :

1) Those having an efficiency which may vary greatly depending on the inlet flow­rate for the 0.01­1 μηι particle size range considered here. Average efficiencies of above 85 % are not attained in this group at the inlet flow­ rates used at the stations and for aerosols of less than 0.3 μηι diameter (31.5­82.6 % ) . In the case of oil mist (0.2­1 μηι diameter), however,

E U R

3178.d

STUDIES OF FILTER MATERIALS WITH REGARD TO T H E I R

SUITABILITY FOR THE MEASUREMENT OF RADIOACTIVE

AEROSOLS by D. HASENCLEVER (Staubforschungsinstitut des Haupt­ verbandes der gewerblichen Berufsgenossenschaften e.V.).

European Atomic Energy Community — EURATOM

Report prepared by the Staubforschungsinstitut des Hauptverbandes der gewerblichen Berufsgenossenschaften e.V., Bonn (Deutschland)

Euratom Contract No. 004­62­12 PSTD Directorate for Health and Safety

Brussels, May 1967 — 32 Pages — 9 Figures — FB 50

The studies carried out here show that there are two main groups of filters, namely :

1) Those having an efficiency which may vary greatly depending on the inlet flow­rate for the 0.01­1 μιη particle size range considered here. Average efficiencies of above 85 % are not attained in this group at the inlet flow­ rates used at the stations and for aerosols of less than 0.3 om diameter (31.5­82.6 % ) . In the case of oil mist (0.2­1 om diameter), however,

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STUDIES OF FILTER MATERIALS WITH REGARD TO THEIR

SUITABILITY FOR THE MEASUREMENT OF RADIOACTIVE

AEROSOLS by D. HASENCLEVER (Staubforschungsinstitut des Haupt­ verbandes der gewerblichen Berufsgenossenschaften e.V.).

European Atomic Energy Community — EURATOM

Report prepared by the Staubforschungsiiistitut des Hauptverbandes der gewerblichen Berufsgenossenschaften e.V., Bonn (Deutschland)

Euratom Contract No. 004­62­12 PSTD Directorate for Health and Safety

Brussels, May 1967 — 32 Pages — 9 Figures — FB 50

The studies carried out here show that there are two main groups of filters, namely :

(4)

grade von mehr als 85 % nicht erreicht (31,5 % bis 82,6 % ) . Gegenüber Ölnebel (0,2 bis 1 μιη Durchmesser) können j e n a c h Anströmgeschwindigkeit jedoch Abscheidegrade bis zu 99,98 % u n d m e h r erreicht werden (7,0 % bis > 9 9 , 9 8 % ) . Bei dem gleichen F i l t e r m a t e r i a l k ö n n e n starke Schwan­ kungen des Abscheidegrades von Meßfilter zu Meßfilter auftreten, die nicht vorhandene Konzentrationsschwankungen des r a d i o a k t i v e n Schwebstoff­ gehaltes der Luft vortäuschen können. Der Abscheidegrad für verschiedene Korngrößenbereiche k a n n sehr unterschiedlich sein. Die Filter h a b e n Minima der Abscheidung, die von der Korngröße der Schwebstoffe u n d der Luftgeschwindigkeit abhängen.

2) Filter, deren Abscheidegrad (Wirksamkeit) für den hier b e t r a c h t e t e n Konigrößenbereich in Abhängigkeit v o n den hier gewählten A n s t r ö m ­ geschwindigkeiten stets größer ist als 97 % . Diese Filter zeigen gegenüber ölnebel (0,2 bis 1 μηι Durchmesser) stets Abscheidegrade von m e h r als 99,7 °/0. Auch diese hochwertigen Filter h a b e n m e h r oder weniger ausge­ prägte Minima des Abscheidegrades, die v o n der K o r n g r ö ß e der Schwebe­ stoffe u n d der Luftgeschwindigkeit abhängen.

efficiencies of 7.0 to 99.98 °/0 can be a t t a i n e d , depending u p o n t h e flow­rate. Using t h e same filter m a t e r i a l there m a y he wide efficiency fluctuations from filter to filter, which create t h e illusion of fluctuations in t h e radioactive aerosol concentration. Efficiency m a y v a r y greatly w i t h particle size. T n e m i n i m u m efficiencies depend u p o n particle size and air­velocities.

2) Filters whose efficiency for the relevant particle size r a n g e varies with the flow­velocity chosen b u t is always over 97 % . W i t h oil m i s t (0.2­1 μιη dia­ m e t e r ) their efficiency is always more t h a n 99.7 % . E v e n these high­ efficiency filters have fairly clearly defined minima, which v a r y as a function of the aerosol particle size a n d t h e air­velocity.

efficiencies of 7.0 to 99.98 % can be a t t a i n e d , depending u p o n the flow­rate. Using the same filter m a t e r i a l there m a y be wide efficiency fluctuations from filter to filter, which create t h e illusion of fluctuations in t h e radioactive aerosol concentration. Efficiency m a y v a r y greatly w i t h particle size. The m i n i m u m efficiencies depend u p o n particle size and air­velocities.

2) Filters whose efficiency for the relevant particle size range varies w i t h the flow­velocity chosen b u t is always over 97 % . W i t h oil m i s t (0.2­1 μηα dia­ meter) their efficiency is always more t h a n 99.7 % . E v e n these high­ efficiency filters have fairly clearly defined minima, which v a r y as a function of the aerosol particle size and the air­velocity.

efficiencies of 7.0 to 99.98 % can be a t t a i n e d , depending u p o n t h e flow­rate. Using t h e same filter m a t e r i a l there m a y be wide efficiency fluctuations from filter t o filter, which create the illusion of fluctuations in t h e radioactive aerosol concentration. Efficiency m a y v a r y greatly w i t h particle size. T h e m i n i m u m efficiencies depend u p o n particle size and air­velocities.

2) Filters whose efficiency for t h e relevant particle size range varies w i t h t h e flow­velocity chosen b u t is always over 97 % . W i t h oil mist (0.2­1 μιη dia­

(5)

EUR 3178.d

EUROPÄISCHE ATOMGEMEINSCHAFT — EURATOM

UNTERSUCHUNGEN AN FILTERMATERIALIEN

AUF IHRE EIGNUNG ALS MESSFILTER

ZUR BESTIMMUNG RADIOAKTIVER

SCHWEBSTOFFE IN LUFT

von

D. HASENCLEVER

(Staubforschungsinstitut des Hauptverbandes der gewerblichen

Berufsgenossenschaften)

1967

Bericht abgefasst vom

Staubforschungsinstitut des Hauptverbandes der gewerblichen

Berufsgenossenschaften e.V.

Bonn — Deutschland

(6)

ZUSAMMENFASSUNG

Die hier durchgeführten Untersuchungen weisen 2 Hauptgruppen von Filtern aus :

1) Filter, deren Abscheidegrad (Wirksamkeit) für den hier betrachteten Korngrößenbereich von etwa 0,01 bis 1 μιη Durchmesser in Abhängigkeit von der Anströmgeschwindigkeit stark variieren kann. In dieser Gruppe werden bei den von den Stationen benutzten Anströmgeschwindigkeiten und für Schwebstoffe mit Durchmessern kleiner 0 3 μιη mittlere Abscheide­ grade von mehr als 85 % nicht erreicht (31,5 % bis 82,6 % ) . Gegenüber Ölnebel (0,2 bis 1 μηι Durchmesser) können je nach Anströmgeschwindigkeit jedoch Abscheidegrade bis zu 99,98 % und mehr erreicht werden (7,0 % bis >99,98 % ) . Bei dem gleichen Filtermaterial können starke Schwan­ kungen des Abscheidegrades von Meßfilter zu Meßfilter auftreten, die nicht vorhandene Konzentrationsschwankungen des radioaktiven Schwebstoff­ gehaltes der Luft vortäuschen können. Der Abscheidegrad für verschiedene Korngrößenbereiche kann sehr unterschiedlich sein. Die Filter haben Minima der Abscheidung, die von der Korngröße der Schwebstoffe und der Luftgeschwindigkeit allhängen.

(7)

INHALTSVERZEICHNIS

VORWORT

4

1 _ VORBEMERKUNG

5

2 — BESCHEIBUNG DER VERSUCHSANORDNUNGEN

6

2.1 — Grundsätzliche Überlegungen

6

2.2 — Prüfung mit Ölnebel

7

2.3 — Prüfung mit radioaktiv indizierten, atmosphärischen Aerosolen kleiner

0,3 μηι Durchmesser

9

2.4 — Die Messung des Durchflusswiderstandcs

12

3 — Untersuchungen und Messergebnisse

12

3.1 — Anströmgeschwindigkeiten

12

3.2 — Zusammenfassende Darstellung aller Messergebnisse und Erläuterungen

13

4 — Diskussion der Messergebnisse

20

4.1 — Voraussetzungen

20

4.2 — Diskussion

20

5 — Zusammenfassung und Folgerungen

23

5.1 — Zusammenfassung

23

5.2 — Empfehlungen

23

LITERATUR

24

Die Übersetzung des Vorworts und des Kapitels « Zusammenfassung und Folge­

rungen » ins Französische, Italienische und Niederländische befinden sich am Ende

des Textes.

Avant­propos

25

Résumé et Conclusions

26

Prefazione

27

Riassunto e conclusioni

28

Voorword

30

Samenvatting en conclusies

31

(8)

VORWORT

Um sich ein klares Bild über die zur Messung der Luftradioaktivität benutzten

Filter zu verschaffen, hat die Kommission der Europäischen Atomgemeinschaft eine

vergleichende Prüfung der in den Mitgliedstaaten der Gemeinschaft am meisten benutzten

Filtermaterialen durchführen lassen.

Im Zuge dieser Untersuchung hat das Staubforschungsinstitut Bonn Vorrichtungen

entwickelt, die für die ihm übertragenen Messungen besonders geeignet waren, und zwar

sowohl hinsichtlich der physikalisch-chemischen Eigenschaften der Aerosole als auch in

bezug auf die praktischen Anforderungen, die in den laufend mit Filtern arbeitenden

Meßstationen an die Filtermaterialien gestellt werden.

Der

abschließende Bericht des Staubforschungsinstitutes umfaßt zwei Teile; im

ersten Teil werden die verschiedenen zur Durchführung der von der Kommission in Auftrag

gegebenen Studie benutzten Methoden beschrieben und die angewandten mathematischen

Formeln aufgeführt, während im zweiten Teil die Ergebnisse der Messungen in tabellarischen

Übersichten zusammengefaßt werden.

Die in dem Bericht enthaltenen theoretischen Erörterungen und die verschiedenen

Versuchsergebnisse dürften die Benutzer von Filtern in die Lage versetzen, die an der

Filterung von SchwebstofTteilchen entscheidend beteiligten Vorgänge besser zu verstehen

und den Wirkungsgrad der für die Bestimmung solcher Teilchen in Frage kommenden

Meßfilter richtiger zu beurteilen.

(9)

UNTERSUCHUNGEN AN FILTERMATERIALIEN

AUF IHRE EIGNUNG ALS MESSFILTER ZUR RESTIMMUNG

RADIOAKTIVER SCHWEBSTOFFE (*) IN LUFT (**)

1 — VORBEMERKUNG

Mit Vertrag Nr. 004-62-12 PSTD beauftragte die Europäische Atomgemeinschaft

(EURATOM), vertreten durch ihre Kommission, das Staubforschungsinstitut des

Haupt-verbandes der gewerblichen Berufsgenossenschaften e.V., Bonn, Langwartweg 103, mit der

Prüfung von Filtermaterialien, die in den verschiedenen Meßstationen der Länder der

Gemeinschaft für die Messung der Radioaktivität der Atmosphäre benutzt werden. In

Absprache mit der Kommission wurden folgende Filtermaterialien geprüft :

Hersteller

J. C. Binzer, Hatzfeld/Eder Delbag Luftfilter GmbH, Berlin Drägerwerk, Lübeck

Membranfiltergesellschaft GmbH, Göttingen

Mine Safety Appliances Co., Pittsburgh, USA (vertrieben von Auergesellschaft GmbH, Berlin)

IL Reeve Angel u. Co. LTD, London

Schleicher u. Schüll, Dassel, Krs. Einbeck

Sclmeider-Poelman, Charenton (Seine)

Type

Ederol Nr. 265 99/97-Microsorban-4/200 Meßfilterpapier Nr. 766 Membranfilter " Co 5 „

Nr. 1106 b

Whatman Filter Nr. 541 Whatman Filter AG.F/A Nr. 589/1

Nr. 589/2 Nr. 984 Nr. 2430 Nr. 9743

Blau, H Y N 75 % Gelb, HYN 97 % Rosa, H Y N 100 %

Gemessenes Flächengewicht

g/m2

117,0 310,2 240,0 46,0

58,0 77,5 58,7 80,5 80,5 128,0 125,0 160,0 65,0 125,0 165,0

Die von der Kommission angegebenen Anströmgeschwindigkeiten der Luft an die

Filteroberflächen sind bei den einzelnen Stationen außerordentlich unterschiedlich. Es

fanden sich Geschwindigkeiten von wenigen cm/s bis zu mehreren m/s. Die Beurteilung

der Versuchsergebnisse und die daraus sich ergebenden Folgerungen sollen in erster Linie

vom Standpunkt der diskontinuierlichen Messung aus erfolgen.

(*) Unter Schwebstoffe werden alle schwebefähigen festen und flüssigen Teilchen mit Durchmessern kleiner als 5 . 10~4 cm verstanden.

(10)

2 — BESCHREIBUNG D E R VERSUCHSANORDNUNGEN

2.1 — Grundsätzliche Überlegungen

Bei d e n u n t e r s u c h t e n F i l t e r n h a n d e l t es sich — m i t A u s n a h m e des Membranfilters — ausschließlich u m Faserfilter (Papiere, Vliese oder F a s e r s c h i c h t e n ) . F ü r die A b s c h e i d u n g v o n Aerosolen in Faserfiltern sind grundsätzlich folgende Effekte m a ß g e b e n d :

1) Sperr­ oder Siebeffekt, 2) T r ä g h e i t s ­ oder Pralleffckt, 3) Diffusionseffekt,

4) Absetzeffekt, 5) E l e k t r i s c h e K r ä f t e .

Bei den hier zu u n t e r s u c h e n d e n F i l t e r n k ö n n e n die elektrischen K r ä f t e , m i t A u s n a h m e des Membranfilters, n a c h den bisher vorliegenden E r f a h r u n g e n v e r n a c h l ä s s i g t w e r d e n . D a s gleiche gilt für die Absetzeffekte ( S e d i m e n t a t i o n ) , d a sie für Teilchen v o n 1 μηι ( I O­ 4 cm) erst bei D u r c h t r i t t s g e s c h w i n d i g k e i t e n der Luft v o n weniger als 0,04 cm/s w i r k s a m w e r d e n . Der F i l t r a t i o n s v o r g a n g für a t m o s p h ä r i s c h e Aerosole k a n n d u r c h folgende allgemeine Filtergleichung wiedergegeben w e r d e n :

n = n0.e­ * ­b = n0.e­<Av2 + U v­ "2 + J>­b

H i e r i n b e d e u t e n :

n0 die K o n z e n t r a t i o n v o r u n d n die K o n z e n t r a t i o n n a c h d e m F i l t e r m i t der Dicke b, welches m i t der D u r c h t r i t t s g e s c h w i n d i g k e i t ν d u r c h s t r ö m t wird. A ist ein P a r a m e t e r für die A b s c h e i d u n g d u r c h Trägheitseffekte (Inertial), D ein solcher für die A b s c h e i d u n g d u r c h Diffusion u n d J ein P a r a m e t e r für die A b s c h e i d u n g d u r c h den Sperreffekt ( I n t e r c e p t i o n ) . F ü r die A b s c h e i d u n g v o n r a d i o a k t i v e n Schwebstoffen, S p a l t p r o d u k t e n oder F o l g e p r o d u k t e n sind die T r ä g h e i t s ­ u n d Diffusionseffekte bei den h e u t e üblichen F i l t e r m a t e r i a l i e n (Faser­ filter) besonders b e d e u t e n d . E s sind viele Versuche g e m a c h t w o r d e n , die P a r a m e t e r A u n d D n ä h e r zu b e s t i m m e n .

F r i e d l a n d e r findet für den Abscheidegrad eines Filters m i t gegebener Dicke folgenden A u s d r u c k :

6γ2':ί 3 d2V]'2

+

'

v

1/6

d¡'

2

4

ß

v

1

'

2

'

v

1

'

2

df

worin γ = &.Τ/3πμ u n d ν = μ/ρ ist.

k ist die B o l t z m a n n ­ K o n s t a n t e , Τ die absolute T e m p e r a t u r des Gases, μ die Visko­ s i t ä t , ρ die D i c h t e , dF b e d e u t e t den F a s e r d u r c h m e s s e r , dp den T e i l c h e n d u r c h m e s s e r u n d V die Geschwindigkeit des Gases.

Diese Gleichung ist experimentell gesichert für Aerosole v o n 0,15 bis 1,3 μηι D u r c h ­ messer u n d für Filterfaser­Durchmesser zwischen 2 u n d 9,5 μηι. D a s e r s t e Glied stellt die A b s c h e i d u n g d u r c h Diffusion, das zweite d u r c h T r ä g h e i t s k r ä f t e d a r . W e n n a u c h das 2. Glied bei der P r ü f u n g m i t Nebeln m i t einem Teilchendurchmesser v o n 0,3 μηι n i c h t restlos b e s t ä t i g t w e r d e n k o n n t e , so gibt die Gleichung doch v e r h ä l t n i s m ä ß i g gute N ä h e r u n g e n .

(11)

dpnii

bei dem bei gegebenem Faserdurchmesse'r und einer bestimmten Luftgeschwindigkeit

V

m

ein Minimum der Abscheidung vorliegt.

d

pm

0,855

γ

1 / 4

ν

1 / 8

4

/ 8

" v ! í

8

^

Die Existenz dieses Minimums ist gesichert, da die zweite Ableitung stets positiv ist.

Das gleiche gilt, wenn man nach V differenziert, so daß zu einer gegebenen Aerosolgröße

und einem bestimmten Faserduchmesser eine Geschwindigkeit

Y

m

existiert, bei der ein

Minimum der Abscheidung in Abhängigkeit von der Durchströmgeschwindigkeit vorliegt.

Die Existenz solcher Minima konnte auch bei den hier durchgeführten Untersuchungen

bestätigt werden.

Bei grundlegenden Untersuchungen von Faserfiltern muß also versucht werden,

durch Prüfung mit einem oder mehreren Prüfaerosolen möglichst viele Eigenschaften der

Filtermaterialien eindeutig und reproduzierbar zu messen. Dabei ist die Korngrößen­

verteilung der festen und flüssigen Schwebestoffe so zu wählen, daß die nach der Theorie

zu erwartenden Minima der Abscheideleistung bzw. die Maxima der Durchlässigkeit bei

den zu prüfenden Filtertypen und den von den Stationen gegebenen Anströmgeschwindig­

keiten mit Sicherheit erkannt werden. Gelingt es außerdem, Gruppen von Kornverteilungen

und Materialien zu benutzen, die den in der Praxis vorkommenden möglichst ähnlich oder

gar gleich sind, ist das Höchstmaß an Aussagekraft einer solchen Prüfung erreicht.

Es wurden folgende Prüfaerosole und ­verfahren benutzt :

2.2

Prüfung mit ölnebel

: (Durchmesser etwa 0,2­1 μηι)

2.2.1

Darstellung

des

als Prüfaerosol benutzten Obaebels

.

Es werden Nebelentwickler (Hersteller : Drägerwerk, Lübeck, Baumuster VI)

benutzt, deren Wirkungsweise wie folgt ist (siehe Bild 1). Ein mit einem definierten Paraf­

fino! (techn. rein; harz­ und alkalifrei; Dichte 0,853 g/cm

3

bei 20 °C; Viskosität bei 20 °C

4­5 Englcrgrade bzw. 30­38 Centistokes; Flammpunkt bei + 1 8 0 °C; Stockpunkt bei

—14 °C) gefülltes Vcrnebelungsgcfäß (8) befindet sich in einem durch eine Heizschlange (25)

auf Siedetemperatur gehaltenen Wasserbad (9). Das Vernebelungsgefäß, rechts oben im

Bild getrennt gezeichnet, enthält einen Düsenstock, der drei in Dreiecksform stehende

Einzelvernebelungsdüsen enthält.

1 f Ch ?·>9; f

(12)

Die D ü s e n h a b e n B o h r u n g e n von 0,4 m m D u r c h m e s s e r u n d sind so g e w ä h l t , d a ß m i t t e l s g u t gefilterter Preßluft bei einem V o r d r u c k des M a n o m e t e r s (14) v o n 2,4 a t ü eine Nebelluftmenge v o n 13,5 1/min entwickelt wird. Paraffinöl h a t normalerweise einen sehr niedrigen D a m p f d r u c k . Auf der a n d e r e n Seite ist b e k a n n t , d a ß beim V e r n e b e l n einer Flüssigkeit der D a m p f d r u c k u n d die Verdampfungsgeschwindigkeit m i t a b n e h m e n d e m Teilchendurchmesser z u n i m m t . Die Vernebelung geschieht hier bei einer T e m p e r a t u r v o n 100 °C. Diese T e m p e r a t u r h a t einen dreifachen Effekt':

1) E i n B a d im D a m p f siedenden Wassers ist ein einfacher, g u t e r T h e r m o s t a t , g a r a n t i e r t also i m m e r gleiche V e r n e b e l u n g s t e m p e r a t u r .

2) Bei 100 °C h a b e n alle ö l e eine geringere V i s k o s i t ä t ; geringe U n t e r s c h i e d e in der k a l t b e s t i m m t e n Viskosität h a b e n bei 100 °C keinen merklichen Einfluß m e h r .

3) Bei dieser T e m p e r a t u r v e r d a m p f e n die feinsten Nebeltröpfchen fast restlos, die größeren z u m i n d e s t teilweise.

I n d e m in der Mitte s i c h t b a r e n , schräg n a c h oben weisenden A u s l a ß r o h r , welches ü b e r eine K o n t r o l l d ü s e (19) u n d eine Rohrschlange (20) in ein Mischgefäß (4) f ü h r t , befindet sich also ein Gemisch v o n Luft, Öldampf u n d Ölnebel. I m Gefäß (4) wird dieses Gemisch pro M i n u t e mit e t w a 50 1 k a l t e r Preßluft v e r d ü n n t , wobei eine K o n d e n s a t i o n des Öldampfes s t a t t f i n d e t .

Die dabei e n t s t e h e n d e n Aerosole bilden den H a u p t b e s t a n d t e i l des Nebels. D e r aus der A p p a r a t u r a u s t r e t e n d e Nebel h a t eine K o n z e n t r a t i o n v o n e t w a 3000 m g / m3. Dieser Nebel wird ü b e r einen Pressluftinjektor m i t h o c h w e r t i g gefilterter Luft soweit v e r d ü n n t , d a ß v o r d e m zu prüfenden F i l t e r m a t e r i a l eine K o n z e n t r a t i o n v o n 7 bis 9 m g / m3 h e r r s c h t . I n seiner K o r n v e r t e i l u n g e n t s p r i c h t dieser Nebel w e i t g e h e n d derjenigen v o n R a u c h e n u n d Nebeln der I n d u s t r i e . Die D u r c h m e s s e r der Tröpfchen liegen zwischen 0,2 u n d 1 μηι (siehe Bild 2). D a b e i h a b e n 80 bis 85 % der Teilchen einen D u r c h m e s s e r zwischen 0,3 u n d 0,5 μηι. Dieses K o r n g r ö ß e n g e b i e t ist deshalb besonders i n t e r e s s a n t , weil Sperreffekte ( I n t e r c e p t i o n ) p r a k t i s c h nicht m e h r ( A u s n a h m e Membranfilter), Trägheitseffekte n u r v e r m i n d e r t u n d Diffusionseffekte noch nicht oder erst schwach w i r k s a m w e r d e n .

Bild 2

Korngrö/lenverteilung der Prüfaerosole

rad indizierte, almosph.Aerosole

-2

10 3 5 7 10

Durchmtsscr in um

Bild 2

(13)

2.2.2 — Die Prüfanordnung und die Messung des Abscheidegrades

Eine schematische Darstellung der Prüfeinrichtung gibt Bild 3. Der vom

Ölnebel-generator G erzeugte Nebel (siehe 2.2.1) wird in einem Pressluftinjektor

i

mit Pressluft

soweit verdünnt, daß eine Nebelkonzentration von 7 bis 9 mg/m

3

erzeugt wird. Die zur

Verdünnung benutzte Pressluft wird mit einem Kompressor

k

erzeugt und in einem

3-stufigen Filter

F

x

von allen Schwebestoffen befreit. Die dem Ölnebelgenerator zugeführte

Pressluft ist über ein gleichartiges Filter F

3

ebenfalls höchstwertig gefiltert. Das den

Injek-tor

i

verlassende Nebel-Luft-Gemisch wird über die Dreiwegehähne

Ό

λ

und D

2

dem zu

prüfenden Filter

F

p

zugeführt. Die Bestimmung des Abscheidegrades (bzw. der Durch­

lässigkeit) des Filters geschah in jeder Minute der Prüfzeit durch Konzentrationsmessung

vor und nach dem Filter mittels des Tyndallometers Τ (30­Watt­Lampe) der Fa. Leitz,

Wetzlar.

Ο

ΘιΧτβ

D 2

Ρ

D 3

O

0

Bild 3

Mit diesem Gerät wird die relative Intensität des von Schwebstoffen gestreuten

Lichtes als Maß für die Nebelkonzentration gemessen. Durch Umschalten der Dreiwege­

hähne D

2

und D

3

kann abwechselnd die Konzentration vor und nach dem Filter F

p

gemessen

werden. Alle Filter liegen auf einem Stützsieb mit einer Maschenweite von ca 1 X 1 cm.

Manometer Ρ dient zur Bestimmung des Druckverlustes. Die Luftmenge wird mit einem

Durchflußmesser R gemessen. Sie kann über einen Regulierhahn

Ό

1

geregelt werden. Dabei

wird ein mehr oder weniger

großer Anteil der Nebelluft über ein Filter F

2

nach außen

abgegeben. Bild 4 zeigt den Meßstand zur Prüfung von Materialproben auf Durchlässigkeit

gegenüber Ölnebel.

Im Vordergrund erkennt man verschiedene Sonden mit Ringleitungen zur Messung

des Druckverlustes. Links befindet sich ein Manometer, das im Bereich von 0­200 mmWS

die Druckdifferenz auf 1/100 mmWS genau angibt. In der Mitte des Bildes sieht man das

Tyndallometer zur Messung der Ölnebelkonzentration und rechts einen Satz Durchfluß­

messer. Im Hintergrund sind 2 Ölnebelgeneratoren zu erkennen.

2.3

Prüfung mit radioaktiv indizierten, atmosphärischen Aerosolen

kleiner 0,3

μίη Durchmesser

(siehe Bild 2)

2.3.1

Darstellung der als

Prüfaerosol benutzten radioaktiv indizierten Aerosole

Das Prüfaerosol wird dadurch erzeugt, daß man den Inhalt einer oder mehrerer 25 1

fassenden Waschflaschen, welche mit vorgefilterter Luft gefüllt sind, im geschlossenen

(14)

Bild 4 — Meßstand zur Prüfung von Filterproben auf Durchlässigkeit gegenüber Ölnebel

Kreislauf ü b e r ein h o c h e m a n i e r e n d e s R a d i o t h o r p r ä p a r a t (Th 228) p u m p t . D u r c h die Vor­ filterung soll die Luft weitgehend v o n allen Schwebstoffen > 0 , 3 μηι befreit sein (5). Man erhält so ein Gemisch v o n Luft, Schwebstofl'teilchen u n d T h o r i u m e m a n a t i o n ( R n 2 2 0 ; E m 220). I s t die A k t i v i t ä t der Luft in der Flasche groß genug, w e r d e n E i n ­ u n d A u s l a ß h a l m an der Waschflasche verschlossen. Das Gemisch Luft, Schwebstoffteilchen u n d T h o r i u m ­ e m a n a t i o n wird n u n m i n d e s t e n s 10 M i n u t e n sich selbst überlassen. I n dieser Zeit ist die

Bild 5 — Anlage zur Prüfung von Filtern mittels radioaktiv indizierter Aerosole

(15)

T h o r i u m e m a n a t i o n bis auf einen R e s t v o n weniger als 1 %0 zerfallen, u n d die i n d e r Luft v o r h a n d e n e n Schwebstoffteilchen sind d u r c h A n l a g e r u n g der gebildeten T h o r i u m ­ B ­ A t o m e r a d i o a k t i v g e k e n n z e i c h n e t . D u r c h Einlaufen v o n W a s s e r wird d a n n d a s r a d i o a k t i v e Schweb­ st offluftgemisch v e r d r ä n g t u n d ü b e r eine halbkugelförmige Sonde, die n a c h allen R i c h t u n g e n feine A u s l a ß Öffnungen h a t , der v o n der P r ü f a n l a g e a n g e s a u g t e n R a u m l u f t im A n s a u g r o h r gleichmäßig b e i g e m i s c h t .

2.3.2 Die Prüfanordnung und die Messung des Abscheidegrades

Die Anlage ist in Bild 5 gezeigt. Sie b e s t e h t aus einem Chirongebläse (2800 U p m ; 0,33 k W , 25 m3/ h ; 440 m m W S ) , welches ü b e r ein 1030 m m langes R o h r v o n 140 m m lichter W e i t e R a u m l u f t d u r c h eine h i n t e r d e m A n s a u g r o h r befindliche S p e z i a l e i n s p a n n v o r r i c h t u n g s a u g t u n d ü b e r eine D u r c h f l u ß m e ß s t r e c k e ins Freie b l ä s t . Z u r D u r c h f l u ß m e s s u n g wird eine N o r m b l e n d e v o n 18,5 m m D u r c h m e s s e r n a c h D I N 1952 b e n u t z t u n d der Differenzdruck m i t einem M i k r o m a n o m e t e r gemessen. U n m i t t e l b a r h i n t e r d e m Gebläse sitzt ein Drossel­ h a h n zur R e g u l i e r u n g d e r d u r c h g e s a u g t e n L u f t m e n g e . Bei B e l a s t u n g e n der F i l t e i p r o b e n v o n weniger als 2 m3/ h w u r d e n s t a t t der N o r m b l e n d e R o t a m e s s e r b e n u t z t .

Die E i n s p a n n v o r r i c h t u n g für die F i l t e r p r o b e n b e s t e h t aus 2 R o h r s t ü c k e n v o n j e 70 m m L ä n g e , e i n e m I n n e n d u r c h m e s s e r v o n 140 m m u n d e i n e m A u ß e n d u r c h m e s s e r v o n 160 m m , zwischen die das zu p r ü f e n d e F i l t e r s a m t einem S t ü t z g e w e b e g e s p a n n t w i r d . Die Maschenweite des S t ü t z g e w e b e s b e t r u g ca. Ι χ ΐ cm. J e d e r Einsatz t r ä g t a u ß e n einen S t u t z e n , der m i t 5 gleichmäßig ü b e r d e n U m f a n g v e r t e i l t e n Meßstellen zur Messung des s t a t i s c h e n D r u c k e s v e r b u n d e n ist. Die b e i d e n E i n s a t z s t ü c k e s a m t d e m dazwischenliegenden R i n g m i t S t ü t z g e w e b e u n d F i l t e r s t e h e n in einer F ü h r u n g . D u r c h V e r d r e h e n eines fest­ liegenden Gewindes w i r d ein Laufring z u m Gebläse h i n g e s c h r a u b t , der ü b e r d i e i a n i h m befestigte S t ä b e d a s auf Rollen gelagerte A n s a u g r o h r fest u n d gleichmäßig gegen die E i n s a t z s t ü c k e d r ü c k t u n d eine zuverlässige A b d i c h t u n g g e w ä h r l e i s t e t .

Die freie Filterfläche des zu p r ü f e n d e n Materials b e t r ä g t hierbei 154 cm2. B e d i n g t d u r c h die z u m Teil sehr h o h e n A n s t r ö m g e s c h w i n d i g k e i t e n der S t a t i o n e n u n d der dem I n s t i t u t zur Verfügung s t e h e n d e n Gebläseleistungen m u ß t e ein großer Teil der P r ü f u n g e n m i t kleineren Filteroberflächen d u r c h g e f ü h r t w e r d e n ( 5 ; 20 u n d 64 cm2). I n j e d e m Falle w u r d e n d a n n so viele P r ü f u n g e n p r o M a t e r i a l u n d p r o A n s t r ö m g e s c h w i n d i g k e i t d u r c h g e ­ f ü h r t , d a ß m i n d e s t e n s 300 cm2 oder m e h r Filterfläche beaufschlagt w u r d e n .

A u s g e h e n d v o n der Ü b e r l e g u n g , d a ß die A b s c h e i d u n g in Schwebstoffiltern d e r Sonderstufe S n a c h einem E x p o n e n t i a l ­ G e s e t z erfolgt, k a n n folgender A n s a t z g e m a c h t w e r d e n : S c h a l t e t m a n zwei P r o b e s t ü c k e des F i l t e r m a t e r i a l s Fx u n d F2, d e r e n Abscheide­ g r a d e Tu u n d η2 sein m ö g e n , h i n t e r e i n a n d e r u n d b e a u f s c h l a g t sie m i t Luft, die kurzlebige r a d i o a k t i v e Schwebstoffe e n t h ä l t , so m i ß t m a n m i t t e l s eines Zählrohres n a c h d e m Versuch auf d e m F i l t e r F1 eine A k t i v i t ä t v o n NF l tind auf d e m F i l t e r F2 eine solche v o n N F2. Nach Abklingen der A k t i v i t ä t auf den P r o b e s t ü c k e n w i e d e r h o l t m a n d e n V e r s u c h , n u r d a ß m a n j e t z t das im ersten V e r s u c h a n zweiter Stelle gelegene F i l t e r F2 an die erste Stelle setzt, d.h. die Reihenfolge der F i l t e r v e r t a u s c h t . Bezeichnet m a n die n a c h diesem A'ersuch gefundenen A k t i v i t ä t e n e n t s p r e c h e n d m i t N 'F2 u nd N 'F l, so findet m a n , o h n e die jeweiligen Rohluft­ k o n z e n t r a t i o n e n k e n n e n zu m ü s s e n , für die A b s c h e i d e g r a d e folgende B e z i e h u n g :

ηρι =

η F2

NF l. N 'F 2­ Nl vN 'F l NF l­ N 'F 2 + NF 2­ Ñ 'F 2 NF l­ N 'F 2­ NF 2­ N 'F l NF l­ NF'2 + NF l­ N 'F l

(16)

Diese Versuchsanordnung hat den großen Vorteil, daß man nicht auf Roh­ und

Rcinluftmessung angewiesen ist und dadurch von Fehlem der Meß­ und Sondeneinrichtung

sowie von einem nicht genau definierten Abscheidegrad des benutzten Staubmeßgerätes

für diese radioaktiven Aerosole freibleibt.

Der Abstand der beiden Filter kann so klein gehalten werden — praktisch Zehntel

Millimeter —, daß ein nachweisbarer Fehler durch teilweise Abscheidung der durch das

erste Filter hindurchgegangenen Staubteilchen durch Diffusion oder durch elektrische Bild­

kräfte an die Wände nicht entsteht. Je kleiner die benutzten Materialausschnitte sind, um

so größer werden die Abweichungen von r

jFl

und ηρ

2

sein, da der Abscheidegrad eines

Filtermaterials z.B. infolge von Dichte­ oder Dickenschwankungen nicht an jeder Stelle der

Fläche gleich ist. Je größer der Materialausschnitt gewählt werden kann und je gleich­

mäßiger das Material gefertigt ist, um so mehr werden sich ηρ

:

und r

jF2

nähern. Ist

Fl

= 7¡

F2

= η, so vereinfacht sich die Formel zu

_ N

F 2

°

N

F l

Bei den hier durchgeführten Untersuchungen wurde stets nach dieser vereinfachten

Formel gerechnet. Da Filtermaterialien mit unterschiedlichen Wirkungsgraden von Probe­

stück zu Probestück oder sehr niedrigen Abscheidegraden als Meßfilter nicht geeignet

erscheinen, konnte die in diesen Fällen auftretende größere Streuung der Ergebnisse ohne

weiteres in Kauf genommen werden. (Siehe auch Abschnitt 3.2.2, Fehlerbetrachtungen.)

Die Aktivitäten der Probestücke wurden unter einem Proportionalzählrohr oder in

einem Durchflußzählrohr oder in einer Ionisationskammer entsprechender Größe sorg­

fältig bestimmt. Vor den Aktivitätsmessungen wurde die Erreichung des radioaktiven

Gleichgewichtszustandes zwischen dem Thorium Β (Pb 212) und seinen nachgebildeten

Folgeprodukten abgewartet. Das ist nach einer Zeit von mehr als 5 Stunden der Fall.

2.4

Die Messung des Durchflußwiderstandes

Die Filterhalterungen sind unmittelbar hinter dem eingespannten Filter mit über

den Umfang der Sonde verteilten Bohrungen versehen, die in einer Ringleitung zusammen­

laufen. (Siehe Bild 4). Je nach erforderlichem Meßbereich wird der Differenzdruck (Druck

hinter dem Filter minus Druck vor der frei angeströmten Filterfläche) mittels Minimeter,

Schrägrohr­ oder U­Rohrmanometer oder Quecksilbermanometer gemessen.

3

UNTERSUCHUNGEN UND MESSERGEBNISSE

3.1 — Anströmgeschwindigkeiten

Von den einzelnen Stationen wurden insgesamt 44 verschiedene Anströmgeschwindig­

keiten der Luft an die planen Filteimaterialien angegeben. Die Verteilung der Geschwindig­

keiten nach Gruppen zeigt Bild 6. Fast 66 % der benutzten Geschwindigkeiten sind kleiner

als 2,4 m/s. Geschwindigkeiten von mehr als 4 m/s werden fast ausschließlich nur von konti­

nuierlich arbeitenden Geräten mit beweglichem Filterband benutzt. Das Schwergewicht

der Untersuchungen über das Verhalten von Filtermaterialien lag entsprechend der hier

gezeigten Verteilung bei Geschwindigkeiten kleiner als 2,4 m/s. Ausführliche Untersuchungen

über die Abhängigkeit von Abscheidegrad gegenüber radioaktiv indizierten Aerosolen und

Anströmgeschwindigkeit wurden bei Filtern durchgeführt, die in ihrem Aufbau charakte­

ristisch für eine Gruppe von Materialien waren. Bei den übrigen Filtern wurde die Prüfung

(17)

bei der Geschwindigkeit v o r g e n o m m e n , die für das F i l t e r v o n den S t a t i o n e n a m häufigsten b e n u t z t w u r d e . I n einigen Fällen reichte die zur Verfügung s t e h e n d e Gebläseleistung n i c h t a u s , u m die geforderten h o h e n Geschwindigkeiten zu erreichten. I n solchen Fällen w u r d e m i t der h ö c h s t e n e r r e i c h b a r e n Geschwindigkeit geprüft.

Verteilung von A4 Anströmgeschwindigkeiten auf 17 verschiedene Filter materialien

(nach Angaben der Kommission)

Anzahl des Vorkommens Diskontinuierliche Messung

'Bewegliche Filter, Messung kontinuierlich

0 1 2 3 4 ~5~ 6 7

Bild 6

δ 9 ir/s

3.2 Zusammenfassende Darstellung aller Meßergebnisse und Erläuterungen

3.2.1 — Tabellarische Darstellung

F ü r alle hier u n t e r s u c h t e n F i l t e r m a t e r i a l i e n sind die gemessenen R e s u l t a t e in Tabelle I z u s a m m e n g e s t e l l t .

N e b e n d e m F i l t e r t y p e n t h ä l t sie das an P r o b e n für die Ölnebelprüfung e r m i t t e l t e F l ä c h e n g e w i c h t ( F l ä c h e n g e w i c h t s w a a g e Q W 201 der F a . Sartorius) u n d die für die jeweiligen A n s t r ö m g e s c h w i n d i g k e i t e n gemessenen Durchfluß w i d e r s t ä n d e u n d A b s c h e i d e g r a d e gegenüber Ölnebel (0,2­1,0 μιη D u r c h m e s s e r ) u n d gegenüber n a t ü r l i c h e n , r a d i o a k t i v indizierten Aero­ solen (kleiner 0,3 μηι D u r c h m e s s e r ) .

3.2.2 Fehlerbetrachtungen

3.2.2.1. — Flächengewicht

Die hier gegebenen W e r t e sind M i t t e l w e r t e . Die S t a n d a r d a b w e i c h u n g liegt in A b h ä n g i g k e i t v o m M a t e r i a l zwischen + 0 , 9 u n d + 1 0 % .

3.2.2.2 — Anströmgeschwindigkeit

Die hier gegebenen A n s t r ö m g e s c h w i n d i g k e i t e n k ö n n e n u m + 2 % abweichen.

(18)

TABELLE I

Filter

Ederol Nr. 265 Kunst Faser Papier 99/97­Microsorban­4/200

Meßfilterpapier Nr. 766

CO 5 Neue Beichnung MF 50

Auer­MSA 1106 b W h a t m a n Nr. 541 W h a t m a n AGF/A Neue Bezeichnung GF/A

Flächen­ gewicht S/m2 117,0 310,2 240,0 46,0 58,0 77,5 58,7 Anström­ geschwindig­ keit cm/s 400 40 5 20 50 77,8 100 200 25 40 64 100 5 20 40 50 70 120 25 5 30 50 100 130 Widerstand mmWS 209 11.5 25,5 95,0 240.0 472,0 930,0 266 430 675 1094 506 1496 2992 3536 4352 693 130 33 193 315 640 Abscheidegrad für Ölnebel 0,2­1 μιη 0

in %

kleinster mittlerer höchster

41,28 42,75

99,90 99,80 99,85 99,888 99,951 99,974 >99,980 >99,980 >99,980 99,951 99,954 99,912 99,923 99,851 99,943 99,91 99,83 99,86 99,901 99,956 >99,980 >99,980 > 99,980 >99,980 99,961 99,960 99,934 99,937 99,890 99,943 74,34 74,91 99.976 >99,980 99.977 99,977 >99,980 >99,980 99.978 >99,980

44,78 99,93 99,84 99,86 99,916 99,976 >99,980 >99,980 >99,980 >99,980 99,976 99,972 99,956 99,951 99,930 99,945 75,51 >99,980 99,977 >99,980 >99,980 Abscheidegrad

für rad. indiz. Aerosole < 0 , 3 μιη 3 in <>„

|

I

kleinster mittlerer höchster

59,517 99,698 99,668 97,140 99,180 99,754 99,928 99,927 99,939 99,845 99,108 60,744 99,170

(19)

589/1 olme Wasserzeichen

(20)

TABELLE I (Fortsetzung)

Filter

Blau H Y N 75 %

Gelb H Y N 97 %

Rosa H Y N 100 %

Flächen­ gewicht g/m­ 65,0 125,0 165,0 Anström­ geschwindig­ keit cm/s 7 10 16 70 100 160 236 260 335 133 297 5 50 86 300 Widerstand

m m W S

18 117 168 302 468 635 1555 106 633 3264 Abscheidegrad für Ölnebel 0,2­1 μηι 0

I

kleinster mittlerer höchster

78,31 88,13 96,85 98,63 99,14 99,87 99,84 99,911 99,889 78,81 88,37 96,93 98,65 99,18 99,899 99,87 99,912 99,910 79,13 88,58 96,99 98,66 99,20 99,923 99,900 99,913 99,935 Abscheidegrad

für rad. indiz. Aerosole < 0 , 3 μιη 0 in %

! . !

kleinster mittlerer höchster

(21)

3.2.2.3 — Durchflußwiderstände

Die hier gegebenen W i d e r s t ä n d e b e r u h e n jeweils auf der Messung an einem Probe-stück. Die S t a n d a r d a b w e i c h u n g der so ermittelten W e r t e b e t r ä g t etwa + 2 , 5 % . I n dieser Streuung ist die Variationsstreuung, d.h. die Streuung der Meßgröße selbst, bedingt durch unterschiedliche Dicke u n d Dichte von P r o b e zu P r o b e , nicht e n t h a l t e n .

3.2.2.4 — Ab scheide grade

Der Fehler der ermittelten Abscheidegrade setzt sich zusammen aus der Streuung der Schwebstoffkonzentrationsmessungen vor u n d nach dem Filter, der Variationsstreuung des Abscheidegrades, bedingt durch Dichte-, Dicke- u n d Strukturunterschiede der einzelnen Filterproben u n d aus der Streuung der Durchfluß- bzw. Luftvolumenmessung. Untersucht m a n die gemessenen Abscheidegrade eines Filters bei einer Anströmgeschwindigkeit, die an 30 bis 120 Filterproben gemessen wurden, so stellt m a n fest, d a ß diese Meßwerte sehr häufig keiner normalen Gaußverteilung unterliegen. Es ist deshalb sinnlos, die mittlere Abweichung (Streuung) oder ein Vielfaches davon anzugeben. F ü r alle Abscheidegrade ist deshalb der arithmetische Mittelwert u n d die Variationsbreite d.h. kleinster u n d größter gemessener W e r t angegeben. Die beim Abscheidegrad gegenüber radioaktiv indizierten Aerosolen bei einigen Filtern auftretenden größeren Variationsbreiten beruhen darauf, d a ß

1) sehr viel m e h r Filterproben mit kleinerer Filterfläche u n t e r s u c h t wurden als bei der Prüfung mit Ölnebel, die meist n u r an einer Filterprobe erfolgte u n d daß

2) der für diesen Korngrößenbereich maßgebende Filtereffekt (Diffusion) sehr viel empfind-licher auf Änderungen des Porenvolumens, der spezifischen Faserdurchmesservertcihmg u n d der Dicke des Filters reagiert, als der Abscheidemechanismus für den Korngrößen-bereich des Ölnebels.

3.2.3 Anmerkungen zu den in der Tabelle I aufgeführten Meßfiltern, ihren Eigenschaften

und einzelnen Meßergebnissen

Ederol, Nr. 265 : Bei der Prüfung auf Abscheidevermögen gegenüber radioaktiv indizierten Aerosolen k o n n t e wegen mangelnder Gebläseleistung die geforderte Anström-geschwindigkeit von 400 cm/s nicht erreicht werden. D a ß der Abscheidegrad für diese Aerosole bei einer Anströmgeschwindigkeit v o n 40 cm/s höher ist als derjenige für Ölnebel hei 10-fach größerer Anströmgeschwindigkeit, steht im Einklang mit der Theorie.

99/97 Microsorban-4¡200 : Hierbei handelt es sich u m ein lösliches Kunststoff-Faser-filtcr (Lösungsmittel sind z.B. Benzol, Trichloräthylen u.a.). Der Abfall des Abscheidegrades gegenüber radioaktiv indizierten Aerosolen bei einer Anströmgeschwindigkeit von 50 cm/s ist experimentell durch Messung v o n 3 Filterpaaren, d.h. 6 Filtern, mit einer Gesamtober-fläche von 924 cm2 gesichert.

Meßfillerpapier Nr. 766 : Zellulose-Asbest Filterpapier. Die Abscheidegrade gegenüber Ölnebel liegen so hoch, d a ß genauere W e r t e wegen Erreichens der oberen Meßgrenze nicht gemacht werden können. Nur sehr geringe Eindringtiefe der Staubteilchen in das Filter-material. (Siehe auch 1106 b.)

Co 5 : Es handelt sich u m ein Membranfilter. Bei diesem Filtermaterial t r i t t mit zunehmender Belastung eine D e h n u n g u n d d a m i t eine W e i t u n g der P o r e n auf, die ein Absinken des Abscheidegrades gegenüber Ölnebeln zur Folge h a t . (Siehe auch Bild 7). Auffällig ist auch die große Variationsbreite des Abscheidegrades gegenüber radioaktiv indizierten Aerosolen. Die hier gegebenen W e r t e s t a m m e n aus Meßreihen an 30 Filtern mit je einer freien Filterfläche von 20 cm2 (Gesamtfläche = 600 cm2). Die kleinste und größte gemessene Durchlässigkeit verhalten sich wie 1 : 40.

(22)

Bild 7

1106 b : Glasfaserpapier. Bei U n t e r s u c h u n g e n an diesem P a p i e r , die das I n s t i t u t a u ß e r h a l b der hier angestellten d u r c h f ü h r t e , zeigte sich, d a ß das Filter a u c h ü b e r weite Geschwindigkeitsbereiche ( < 1 2 0 cm/s) sein hohes Abscheidevermögen b e h ä l t , teilweise sogar besser wird. Es w u r d e n dabei auch U n t e r s u c h u n g e n ü b e r die Eindringtiefe der S t a u b ­ teilchen in das Material g e m a c h t . Bei R a u c h e n (0,2­0,8 μηι Durchmesser) u n d gröberen Teilchen ist sie so klein, d a ß selbst α­Strahlen n i c h t wesentlich geschwächt w e r d e n . So erzielt m a n bei der V e r w e n d u n g v o n offenen Durchflußzählrohren m i t 27t­Geometrie W i r k u n g s ­ grade zwischen 35 u n d 44 % . Dieses F i l t e r p a p i e r wird ebenso wie das P a p i e r 766 v o m I n s t i t u t auch zur Messung der K o n z e n t r a t i o n v o n α­strahlenden Schwebestoffen eingesetzt. Das Filter zeichnet sich auch im p r a k t i s c h e n Gebrauch d u r c h seine G e w i c h t s k o n s t a n z a u s . Whatman Nr. 541 : Zellulosefilter. A u c h hierbei zeigt sich eine große V a r i a t i o n s b r e i t e bei d e n Abscheidegraden gegenüber r a d i o a k t i v indizierten Aerosolen. E s w u r d e n 30 F i l t e r mit j e einer Fläche von 20 cm2 geprüft, (Gesamtfläche 600 cm2). Es h a n d e l t sich u m echte M a t e r i a l s c h w a n k u n g e n . Diese lassen die V e r w e n d u n g des P a p i e r e s als Meßfilter fragwürdig erscheinen. Bei der P r ü f u n g mit Ölnebel zeigte sich, d a ß das Filter n u r ein geringes Auf­ n a h m e v e r m ö g e n für flüssige Aerosole (Nebel) h a t .

Whatman AGF/A : Glasfaserfilter. Zeigt bezüglich Eindringtiefe u n d Gewichts­ k o n s t a n z e t w a die gleichen Eigenschaften wie Filter 1106 b . T r o t z u n t e r g e l e g t e m S t ü t z s i e b m i t einer Maschenweite v o n e t w a l x l cm rissen einzelne Filter bei D u r c h f l u ß w i d e r s t ä n d e n v o n 700 bis 800 m m W S . (Anströmgeschwindigkeiten oberhalb 120 bis 150 cm/s).

Nr. 58911 : Zellulosefilter. Dieses Filter lag in 2 Ausführungen v o r . Es h a n d e l t sich u m Rundfilter m i t Wasserzeichen u n d u m Bogen ohne Wasserzeichen. Die herstellende F i r m a teilte hierzu m i t , d a ß neue Filter 589/1 ohne W a s s e r z e i c h e n r i p p u n g gefertigt w e r d e n . Die Stoffzusammensetzung sei bei beiden P a p i e r e n die gleiche. Die V a r i a t i o n s b r e i t e des Abscheidegrades (26,0 bis 47,7 %) gegenüber r a d i o a k t i v indizierten Aerosolen (30 Mes­ sungen) erscheint für ein Meßfilter zu hoch. Sie ist noch größer (34,2 bis 83 % ) bei d e n geprüften F i l t e r p r o b e n des Materials 589/1 m i t Wasserzeichen, (66 Messungen, 420 cm2 Gesamtfläche).

(23)

Ñr. 589/2

: Zelíulosefilter. Auch dieses Filter wird heute ohne Wasserzeichenrippung

hergestellt. Die Untersuchtingen wurden an diesem neuen Material vorgenommen. Für

Ölnebel wurde ein stetiges Wachsen des Abscheidegrades mit der Anströmgeschwindigkeit

festgestellt. Bei einer Anströmgeschwindigkeit von 125 bis 130 cm/s beträgt zwar der Ab­

scheidegrad gegenüber Ölnebel mehr als 99,9 %, derjenige gegenüber radioaktiv indizierten

Aerosolen jedoch im Mittel nur 82,6 %.

Vergleicht man die in Spalte 5 der Tabelle I gemessenen Widerstände mit denje­

nigen anderer Filter, so stellt man fest, daß das Filter 589/2 einen höheren Widerstand hat,

(siehe auch Bild 9) als Filter mit höherem Abscheidegrad und kleinerer Variationsbreite

(z.B. Nr. 766; AGF/A; 1106 b ; 9743 und Mikrosorban 4/200). Vom filtertechnischen Gesichts­

punkt aus sprechen keine Gründe — außer mechanischen — für die Verwendung dieses

Materials.

Nr. 0984

: Kunststoff­Faser­Vliespapier. Es wird in kontinuierlich arbeitenden

Luftüberwachungsgeräten (vornehmlich denen der Firma Frieseke u. Hoepfner) ebenso wie

das Filtermaterial „ Ederol Nr. 265 " benutzt. Beide Filter ersetzen die früher benutzten

Materialien CH 150 und Rovylfaserpapier Typ 1001. Gegenüber Ölnebel zeigt das Filter 0984

mit wachsender Anströmgeschwindigkeit zunehmende Ahscheidegrade von ca. 7 % bis

95 %. Die Variationsbreite gegenüber radioaktiv indizierten Aerosolen (ca. 35 % bis 72 %

bei 30 Messungen) ist außerordentlich groß und kann genauso wie andere Filter mit ähn­

licher Variationsbreite bei einer Benutzung des Materials als bewegliches Filterband deshalb

zeitliche Schwankungen der Konzentration radioaktiver Schwebstoffe in der Atmosphäre

vortäuschen, die in Wirklichkeit nicht vorhanden sind.

Nr. 2430 :

Vermutlich Zellulosepapier. Es wird ebenfalls in kontinuierlich arbeitenden

Luftüberwachungsgeräten (Landis und Gyr) eingesetzt. Wenngleich der Abscheidegrad

gegenüber Ölnebeln bei Anströmgeschwindigkeiten unter 100 cm/s größer und die Varia­

tionsbreite des Abscheidegrades gegenüber radioaktiv indizierten Aerosolen (30 Messungen,

Gesamtfläche 150 cm

2

) etwas kleiner ist, gilt doch das gleiche wie bei Filter 0984 gesagte.

Nr. 9743 :

Zellulose­Asbest­Filterpapier. Der Abscheidegrad gegenüber unserem

Ölnebel steigt mit zunehmender Anströmgeschwindigkeit und zeigt keine Minima in dem

untersuchten Geschwindigkeitsbereich. Der Abscheidegrad gegenüber radioaktiv indizierten

Aerosolen dagegen zeigt ein solches in der Gegend von 30 cm/s (gemessen an 4 Filtern mit

einer freien Gesamtoberfläche von 616 cm

2

). Die Variationsbreite ist wie bei anderen Filtern

dieser Leistung befriedigend klein.

Blau, HYN 75

% : Zellulose­Filterpapier. Bei Anströmgeschwindigkeiten oberhalb

70 cm/s wächst der Abscheidegrad für Ölnebel mit der Zunahme der Anströmgeschwindig­

keit. Ein Minimum des Abscheidegrades für radioaktiv indizierte Aerosole findet sich im

Bereich zwischen 20 und 80 cm/s. Zur Bestimmung des Abscheidegrades bei einer Anström­

geschwindigkeit von 70 cm/s wurden hier 15 Filterpaare = 30 Filter mit je einer freien

Filterfläche von 20 cm

2

(Gesamtfläche — 600 cm

2

) gemessen. Sehr große Variationsbreite !

Das Material zeigt verhältnismäßig starke Schwankungen im Flächengewicht und im

Durchflußwiderstand.

Gelb, HYN 97

% : Zellulose­Asbest­Filterpapier. Bei der Prüfung mit radioaktiv

indizierten Aerosolen konnten wegen der vorhandenen Gebläseleistung keine höheren

Anströmgeschwindigkeiten als angegeben erreicht werden.

Rosa, HYN

100

% : Zellulose­Asbest­Filterpapier. Im untersuchten Geschwindig­

keitsbereich praktisch gleichbleibender Abscheidegrad gegenüber Ölnebel 0,2­1 μηι Durch­

messer. Im Abscheidevermögen gegenüber atmosphärischen, radioaktiv indizierten Aero­

solen zeigt sich ein ausgeprägtes Minimum um 80 cm/s Anströmgeschwindigkeit. (Messungen

an 30 Filterproben, Gesamtfläche 150 cm

2

).

(24)

4 — DISKUSSION D E R MESSERGEBNISSE

4.1 Voraussetzungen

Zweck der diskontinuierlichen oder kontinuierlichen Messung des Gehaltes der Luft an r a d i o a k t i v e n Schwebestoffen ist die rechtzeitige E r k e n n u n g v o n Gefahren, die d e m Menschen d u r c h E i n a t m e n dieser Schwebestoffe e n t s t e h e n k ö n n e n . Die K o r n g r ö ß e der möglicherweise v o r k o m m e n d e n r a d i o a k t i v e n festen oder flüssigen Schwebestoffe k a n n a u ß e r o r d e n t l i c h verschieden sein, sie h ä n g t v o n der A r t der E r z e u g u n g oder E n t s t e h u n g u n d den dabei v o r h a n d e n e n a t m o s p h ä r i s c h e n B e d i n g u n g e n a b . Die Masse der m e c h a n i s c h erzeugten Schwebstoffe h a t D u r c h m e s s e r größer als 0,5 μιη. Die K o r n g r ö ß e v o n O x i d a t i o n s ­ aerosolen, R a u c h e n u n d K o n d e n s a t i o n s a e r o s o l e n k a n n sich v o n 0,1 bis 1 μηι e r s t r e c k e n . Auch K o n d e n s a t i o n s k e r n e , deren Teilclienzahlkonzentration sehr groß ist (103 bis einige 106 pro c m3 Luft) k ö n n e n u n t e r b e s t i m m t e n U m s t ä n d e n (accidents) A k t i v i t ä t s t r ä g e r sein (Absorption r a d i o a k t i v e r Gase u n d D ä m p f e , selbst F o l g e p r o d u k t r a d i o a k t i v e r Edelgase). Von einem Meßfilter sollte m a n deshalb einen möglichst großen Abscheidegrad für alle K o r n g r ö ß e n o b e r h a l b 0,01 μηι v e r l a n g e n .

Wie bei j e d e m Meßverfahren ist es auch bei der K o n z e n t r a t i o n s m e s s u n g radio­ a k t i v e r Schwebestoffe nicht möglich, den a b s o l u t e n , d.h. den w a h r e n W e r t zu messen. D e r durch Messung u n d R e c h n u n g e r m i t t e l t e W e r t soll jedoch d e m w a h r e n W e r t möglichst n a h e k o m m e n . I n die F e h l e r b e t r a c h t u n g gehen folgende Größen m i t ein :

1) S t a n d a r d a b w e i c h u n g der G a s v o l u m e n m e s s u n g . Sic k a n n n a c h den bisher vorliegenden E r f a h r u n g e n bei R o u t i n e m e s s u n g e n günstigenfalls m i t + 3 % a n g e n o m m e n w e r d e n . 2) S t a n d a r d a b w e i c h u n g bei der A k t i v i t ä t s m e s s u n g der b e s t a u b t e n F i l t e r . Sie dürfte im

R o u t i n e b e t r i e b bei + 1 bis + 2 % liegen.

3) Die Genauigkeit der K e n n t n i s des W i r k u n g s g r a d e s der A p p a r a t u r zur A k t i v i t ä t s m e s s u n g in A b h ä n g i g k e i t v o n der A r t u n d der Energie der zu messenden S t r a h l u n g . Dieser Fehler ist v e r h ä l t n i s m ä ß i g schwer a b z u s c h ä t z e n , dürfte aber in der G r ö ß e n o r d n u n g + 1 0 % der K o n z e n t r a t i o n s a n g a b e liegen.

4) Die Genauigkeit der K e n n t n i s des Abscheidevermögens des Meßfilters gegenüber den Schwebstoffen aller K o r n g r ö ß e n bei den v e r s c h i e d e n s t e n A n s t r ö m g e s c h w i n d i g k e i t e n . Die K l ä r u n g dieses P u n k t e s w a r Aufgabe vorliegender A r b e i t .

U m den Fehler der K o n z e n t r a t i o n s a n g a b e möglichst klein zu h a l t e n , m ü ß t e ein oder m e h r e r e F i l t e r m a t e r i a l i e n gefunden w e r d e n , die bei allen b e n u t z t e n A n s t r ö m g e ­ schwindigkeiten der S t a t i o n e n u n d für alle K o r n g r ö ß e n der v o r k o m m e n d e n Schwebstoffe möglichst den gleichen u n d großen Abscheidegrad aufweisen. D e r D u r c h f l u ß w i d e r s t a n d sollte dabei möglichst klein sein.

4.2 DISKUSSION

Zur besseren Übersichtlichkeit ist in Bild 7 der Abscheidegrad aller u n t e r s u c h t e n Filter gegenüber Ölnebel (0,2 bis 1,0 μιη Durchmesser) in A b h ä n g i g k e i t v o n der A n s t r ö m ­ geschwindigkeit im W a h r s c h e i n l i c h k e i t s n e t z aufgetragen. Dieses Bild l ä ß t deutlich 2 H a u p t ­ g r u p p e n v o n F i l t e r n e r k e n n e n .

1) Filter, deren Abscheidegrad bei kleinen A n s t r ö m g e s c h w i n d i g k e i t e n klein ist (7 bis 80 % ) , m i t z u n e h m e n d e r Luftgeschwindigkeit aber w ä c h s t u n d sogar W e r t e ü b e r 99 % erreichen k a n n .

(25)

Abscheidegrad gegenüber natürlichen radioaktiv indizierten Aerosolen in Abhängigkeit von der Anströmgeschwindigkeit

Bild 8

~UP 2 5 WJ Anslrormeschwindiakeit vfcnVsec1

2) Filter, d e r e n A b s c h e i d e g r a d s t e t s ü b e r 99,8 % liegt t r o t z d e m a b e r in einzelnen Fällen Minima aufweisen.

Bei der e r s t e n G r u p p e h a n d e l t es sich a u s n a h m s l o s u m Zeihdose­ oder K u n s t ­ stoffaser­Filter, Bei der zweiten G r u p p e h a n d e l t es sich — m i t A u s n a h m e des Filters Co 5 — u m Mischfaser­Filter, die einen gewissen A n t e i l an F a s e r n m i t D u r c h m e s s e r n u m oder u n t e r 1 μηι h a b e n .

I n Bild 8 ist der A b s c h e i d e g r a d aller u n t e r s u c h t e n F i l t e r gegenüber r a d i o a k t i v indizierten, a t m o s p h ä r i s c h e n Aerosolen m i t D u r c h m e s s e r n kleiner 0,3 μιη in A b h ä n g i g k e i t v o n der A n s t r ö m g e s c h w i n d i g k e i t ebenfalls im W a h r s c h e i n l i c h k e i t s n e t z aufgetragen. Zu j e d e m W e r t ist die V a r i a t i o n s b r e i t e e i n g e t r a g e n . Wenngleich die m e i s t e n Filter jeweils n u r in d e m a m h ä u f i g s t e n b e n u t z t e n Geschwindigkeitsbereich geprüft w u r d e n , ergeben sich a u c h hier 2 H a u p t g r u p p e n .

1) Filter, d e r e n A b s c h e i d e g r a d bei den u n t e r s u c h t e n A n s t r ö m g e s c h w i n d i g k e i t e n im Mittel weniger als 85 % b e t r ä g t . Bei diesen F i l t e r n k ö n n e n zusätzlich ausgesprochene Minima der A b s c h e i d e l e i s t u n g in A b h ä n g i g k e i t v o n der A n s t r ö m g e s c h w i n d i g k e i t a u f t r e t e n . 2) F i l t e r , d e r e n A b s c h e i d e g r a d e bei d e n u n t e r s u c h t e n A n s t r ö m g e s c h w i n d i g k e i t e n s t e t s

m e h r als 97 % b e t r a g e n , t r o t z d e m a b e r in einzelnen F ä l l e n a u s g e p r ä g t e Minima atifweisen.

Es gibt E m p f e h l u n g e n , n a c h d e n e n zur Messung gesundheitsschädlicher, n i c h t r a d i o a k t i v e r S t ä u b e n u r Meßfilter v e r w e n d e t w e r d e n sollen, die ein Abscheidever­ m ö g e n v o n m e h r als 99 % für alle K o r n g r ö ß e n u n d A n s t r ö m g e s c h w i n d i g k e i t e n h a b e n sollen. G r u n d s ä t z l i c h ist n i c h t einzusehen, w a r u m die gleichen F o r d e r u n g e n n i c h t auch für die Messung g e s u n d h e i t s s c h ä d l i c h e r , r a d i o a k t i v e r S t ä u b e gelten sollen. Die F o r d e r u n g , d a ß die zu b e n u t z e n d e n Meßfilter ein A b s c h e i d e v e r m ö g e n v o n 9 9 % oder m e h r für alle K o r n ­ größen i n n e r h a l b eines b e s t i m m t e n A n s t r ö m g e s c h w i n d i g k e i t s b e r e i c h e s h a b e n sollen, w ü r d e b e d e u t e n , d a ß die a n g e g e b e n e n K o n z e n t r a t i o n e n u n t e r d e n in 4.1 gegebenen V o r a u s ­ s e t z u n g e n m a x i m a l u m 15 % v o m w a h r e n W e r t abweichen k ö n n t e n .

(26)

mm Ws 3000

2500

2000

1500

WOO

500

Widerstandscharakteristiken verschiedener Menfilter

7 8 9 (m/sec J

Im Bild 9 sind die Widerstandscharakteristiken verschiedener Meßfilter wieder­

gegeben. Dabei steht das Filter AGF/A stellvertretend auch für das Filter Nr. 1106 b.

Man sieht, daß bestimmte Filter sich wegen des hohen Widerstandes für Routine­

messungen kaum durchsetzen werden. Sie werden aber für bestimmte Fragestellungen mit

Erfolg eingesetzt werden können. (Separierung einzelner „ heißer Teilchen " ; Messung der

Konzentration von α­Strahlern usw). Die Zellulose­Asbestfilter haben etwa einen 6 bis

7­fachen höheren Luftdurchlaß bei gleichem Widerstand als das Membranfilter. Auch sie

eignen sich wegen der geringen Eindringtiefe der Teilchen zur Messung von α­Strahlern.

Die Glasfaserfilter haben einen etwa 11 bis 13­fachen höheren Luftdurchsatz bei gleichem

Widerstand als das Membranfilter. Auch sie eignen sich hervorragend zur Messung von

α­Strahlern.

Die in ihrem Abscheidevermögen für alle Korngrößen konstantesten und sichersten

Filtermaterialien sind nach diesen Untersuchungen zweifellos bestimmt die Zellulose­

Asbest­Filterpapiere.

Bei Verwendung bestimmter Glasfaserfilter muß beachtet werden, daß sie mehr

oder weniger große Anteile des Isotops Kalium­40 enthalten. Ob der dadurch hervorgerufene

„ background " noch stört, hängt von der Aktivität der auf dem Filter gesammelten

Schwebestoffe ab. Der Wirkungsgrad für alle Korngrößen beträgt 99,0 % oder mehr. Die

mechanische Stabilität von Glasfaser­ oder Zellulose­Asbestfilter kann durch Unterlegen

von Stützgeweben, „ Japan­Papier ", oder von Stützsieben kleiner Maschenweite erheblich

gesteigert werden.

Einen Wirkungsgrad von 99,0 % oder mehr gegenüber allen Korngrößen kann man

in dem hier betrachteten Geschwindigkeitsbereich auch für bestimmte Membranfilter

ansetzen.

Es ist deshalb nicht einzusehen, weshalb weiter Filter benutzt werden, die bei gleicher

Anströmgeschwindigkeit Abscheidegrade zwischen 26 % und 99 % je nach Korngrößen­

verteilung des atmosphärischen Aerosols aufweisen. Schließlich gibt es ja Filter, die für

alle Korngrößen Abscheidegrade von 99,9 % oder mehr haben.

References

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