Wpływ struktury i porowatości wybranych materiałów filtracyjnych stosowanych w analizie grawimetrycznej na skuteczność zatrzymywania nanocząstek

W artykule przedstawiono wyniki badań dotyczących zatrzymywania nanocząstek grafitu na filtrach o różnej strukturze, które wykorzystywane są w analizie grawimetrycznej. Zbadano trzy poliwęglanowe membrany filtracyjne Nuclepore o deklarowanej wielkości porów 0,2 µm, 1 µm oraz 5 µm. Wyniki porównano z rezultatami otrzymanymi dla membran filtracyjnych z nitrocelulozy o deklarowanej wielkości porów 0,8 µm, a także dla filtrów z włókna szklanego o współczynniku retencji 1,6 µm. Podczas badania filtry zamontowane były w próbnikach IOM (SKC) wyposażonych w nasadki kalibracyjne. Aerozol zawierający nanocząstki grafitu kierowany na filtry generowany był za pomocą generatora GFG 1000 (Pallas). Generowane cząstki były w atmosferze argonu i nie były rozcieńczane powietrzem. Częstotliwość iskrzenia między elektrodami grafitu podczas badań wynosiła ok. 25Hz. W celu uzyskania jednakowego strumienia objętości aerozolu na wszystkich próbnikach, aerozol zasysany był przez pompki indywidualne Gilian 5000 (Sensidyne), które posiadają charakterystyki ciśnieniowe umożliwiające realizację eksperymentu przez 2 godziny przy przepływie 1 dm3/min. Pompki posiadają stabilizację przepływu i system sygnalizację zmianę wartości większą niż 5%. Na próbnikach IOM z zamontowanymi filtrami mierzone były spadki ciśnienia. Do tego celu wykorzystano przetworniki różnicy ciśnień P26 firmy Halstrup Walcher. Aerozol zawierający nanocząstki został poddany analizie za pomocą systemu analizy wymiarowej SMPS, składającego się klasyfikatora elektrostatycznego 3082 i kondensacyjnego licznika cząstek UCPC 3082 (TSI). Maksimum ilości uzyskano dla cząstek o średnim wymiarze 156,8 nm. Zbadane filtry pomiarowe charakteryzowały się zbliżoną masą zatrzymywanych nanocząstek grafitu. Różnica wartości średnich wynosiła 14,1%. Uwzględniając odchylenia standardowe największa różnica zebranej masy cząstek na filtrach wynosiła 38,3%. Największy przyrost masy krążków odnotowano dla filtra o deklarowanej wielkości porów równej 1 µm, najmniejszy natomiast na membranie o deklarowanej średnicy porów 5 µm i włókninie z włókien szklanych. Największym początkowym oporem przepływu charakteryzowała się membrana 0,2 µm (10,6 kPa), najmniejszym natomiast membrana 5 µm (0,29 kPa). Dla obydwu tych membran zaobserwowano szybki wzrost oporów w początkowym okresie. Dla membrany 0,2 µm w ciągu pierwszych piętnastu sekund opory przepływu wzrosły o prawie 2,5 kPa, po czym tempo przyrostów zmalało. W przypadku membrany 5 µm bardzo dynamiczny wzrost oporów przepływu obserwowano przede wszystkim w pierwszych kilkunastu minutach. W ciągu pierwszych dziesięciu minut opory przepływu wzrosły aż o ok. 10 kPa. Dla pozostałych trzech filtrów nie zarejestrowano tak znaczących wzrostów oporu podczas trwania badania. Największe końcowe spadki ciśnienia na filtrze odnotowano na membranie Nuclepore o deklarowanej wielkości porów 5 µm. Wynika to z faktu, iż średnica porów, znacznie większa od wielkości cząstek oraz relatywnie niewielka ilość porów przypadająca na centymetr kwadratowy, sprzyjają wnikaniu cząstek w głąb porów oraz zatrzymywaniu cząstek na ich granicy, co skutkuje zatykaniem filtra. W warunkach eksperymentu najbardziej odpowiednie do poboru nanocząstek grafitu okazały się filtry Nuclepore 1 µm oraz filtr z nitrocelulozy 0,8 µm.

Czasopismo: Rocznik Ochrona Środowiska
Dziedziny: nauki inżynieryjno-techniczne, nauki ścisłe i przyrodnicze
Dyscypliny: inżynieria środowiska, górnictwo i energetyka, nauki o ziemi i środowisku