Luchtzuiveraars soms gevaarlijk voor gezondheid

Transcriptie

1 Meer wetenschapsnieuws van de TU Delft Colofon DI-Archief Luchtzuiveraars soms gevaarlijk voor gezondheid Hoogspanning tovert druppels om in vernevelaar (1 van 16) [ :23:18]

2 DOOR JOOST VAN KASTEREN Luchtzuiveraars worden op grote schaal gebruikt om schadelijke deeltjes weg te vangen in bedrijfshallen, kapperszaken, volières en kantoren. In de praktijk blijken deze filters echter ook deeltjes te kunnen produceren, met name wanneer ze worden gebruikt voor het verwijderen van minuscule druppeltjes (aërosolen), zo blijkt uit het onderzoek van dr. ir. Jan Marijnissen van het Delftse Aërosollaboratorium. Die kleine druppels, met een diameter van minder dan 1 micron, kunnen diep doordringen Spuitgietmachines bij Brabant Alucast International in Oss, waarmee vloeibaar aluminium (700 C) bij druk variërend van 300 tot 1200 bar tot onderdelen voor overwegend de automobielindustrie wordt geperst. Boven op elke spuitgietmachines is een elektrostatisch filter aangebracht voor het afvangen van zwevende vaste deeltjes en druppeltjes, die vrijkomen bij het productieproces maar die gevaarlijk kunnen zijn voor de gezondheid. Overigens komen bij veel (productie)processen zwevende deeltjes vrij, van chemische fabrieken tot kapsalons. (2 van 16) [ :23:18]

3 in de menselijke longen. Wanneer de luchtzuiveraar het omgekeerde doet van wat hij moet doen, kan hij een gevaar opleveren voor de gezondheid. Dr.ir. Jan Marijnissen komt regelmatig in Frankrijk. Niet alleen privé, maar ook zakelijk. Tenminste voor zover je van zakelijk kunt spreken bij iemand die, getuige zijn enthousiasme, van zijn werk zijn hobby lijkt te hebben gemaakt. Een paar jaar geleden was ik op bezoek bij het Franse Centre Technique des Industries Aérauliques et Thermiques, kortweg CETIAT, vertelt Marijnissen. Het is een instituut dat apparaten en installaties keurt in opdracht van de industrie. Men was er bezig met het testen van een elektrostatische precipitator, zeg maar het hart van een luchtzuiveraar, bedoeld om kleine deeltjes en druppeltjes uit de lucht te halen. De betreffende elektrostatische precipitator was van een automobielfabriek en diende vooral om de lucht te zuiveren in een hal voor metaalbewerking, waar veel met vloeistoffen wordt gewerkt.' Bij de test werd gebruik gemaakt van een olie-vernevelaar, die een mist produceerde van druppeltjes van gemiddeld 2 micrometer doorsnede. Olie-vernevelaars worden vaak ook gebruikt om «rook» te maken bij optredens van popgroepen. Tijdens de test werd de efficiency gemeten waarmee de druppels werden weggevangen. Dat gebeurde met een deeltjesteller die doelmatigheid aangeeft als functie van de deeltjesdiameter. De elektrostatische precipitator (ESP) uit de autofabriek werkte goed. Het merkwaardige was alleen dat het verwijderingsrendement voor druppeltjes met een diameter van 0,6 micron (een micron is eenduizendste millimeter) heel laag was. Sterker nog, toen de onderzoekers het voorfilter van gaas en het nageschakelde koolstoffilter van de luchtzuiveraar verwijderden, bleek het rendement zelfs negatief. Met andere woorden, in plaats van aërosolen weg te vangen, produceerde de ESP juist aërosolen van een formaat dat schadelijk kan (3 van 16) [ :23:18]

4 zijn voor de gezondheid. Marijnissen: Dat heeft nogal wat consequenties. Wereldwijd worden er vele tienduizenden elektrostatische precipitators gebruikt, in zowel bedrijven als woningen. In de industrie worden ze bijvoorbeeld aangewend om nevels van zwavelzuur en fosforzuur uit de lucht te verwijderen en natuurlijk ook om oliedruppeltjes weg te vangen, zoals in het geval van de automobielfabriek. Bij kappers en schoonheidssalons worden ESP's gebruikt om aërosolen, onder meer afkomstig uit spuitbussen, weg te filteren. Als de ESP's dan geen schadelijke stoffen opvangen maar juist produceren, kun je je afvragen wat de gevolgen zijn voor de gezondheid.' Corona Mede door de potentiële gevolgen van de test besloot Marijnissen om de vorming van druppeltjes in ESP's verder te onderzoeken. Eenmaal terug op de faculteit Technische Natuurwetenschappen van de tu delft schafte hij zich een elektrostatische luchtzuiveraar aan en haalde hem uit elkaar. Je bent tenslotte niet voor niets ingenieur. Naast een voorfilter om het grove materiaal tegen te houden, bevat zo'n luchtzuiveraar een corona-draad om deeltjes en druppeltjes op te laden, een elektrostatische precipitator om de deeltjes te laten neerslaan, een nafilter en een ventilator. De feitelijke werking ervan berust dus op het opladen en vervolgens laten neerslaan van deeltjes in de lucht. De elektrostatische precipitator bestaat uit een opeenstapeling van platen die om en om zijn geaard en die onder hoogspanning staan. Het potentiaalverschil bedroeg in dit geval 5,3 kilovolt. In eerste instantie had Marijnissen het idee dat het rendement van de luchtzuiveraar teniet werd gedaan door het Rayleigh-effect. Dat houdt in dat vloeistofdeeltjes die een hoge elektrische lading hebben uit elkaar spatten. Om dat idee te testen, werd de luchtzuiveraar ontdaan van het voorfilter en besproeid met een nevel van dezelfde vloeistof zoals die wordt gebruikt bij CETIAT in Frankrijk. Marijnissen: Een deel van de druppels bleek terecht te komen op de corona-draad. Toen we daar hoogspanning op zetten, spatten de druppels echter niet uit elkaar zoals we hadden verwacht. Nee, ze vervormden tot een minuscuul klein kegeltje, dat sterk leek op de zogeheten Taylor-conus.' Het elektrostatische filter bij de spuitgietmachines is opgebouwd uit een dubbel (parallel) traject, waarvan het onderste een tegengestelde lading heeft tot het bovenste traject. Elk traject bestaat uit verschillende modules: (links) het frame met corona-draden die de deeltjes en druppeltjes een bepaalde lading geven en (rechts) een frame met platen waarop een spanning staat die de deeltjes doet neerslaan. Het dubbele traject heeft als doel om de eventueel niet-neergeslagen deeltjes uit beide filters elkaar te laten neutraliseren. (4 van 16) [ :23:18]

5 Die Taylor-conus was Marijnissen bepaald niet onbekend [zie ook Delft Integraal 98.5 en Delft Integraal 99.2]. De conus ontstaat wanneer je een druppel onder hoogspanning zet. In dat geval begeven de ionen zich naar het oppervlak van de druppel, waardoor de elektrostatische druk op het oppervlak toeneemt, vertelt de Delftse onderzoeker. Als de druk maar hoog genoeg is, ontstaat op een zeker ogenblik zo'n Taylor-conus, een kegeltje dat uitloop in een straaltje dat vervolgens opbreekt in een stroom druppeltjes. Zo'n kegeltje kan honderdduizenden druppeltjes per seconde produceren. Wij gebruiken de Taylor-conus voor elektro-sproeien; het produceren van minuscule druppels, die uniform in grootte zijn. De grootte van de druppels varieert van nanometers (eenduizendste micron) tot vele micrometers en is vooral afhankelijk van de eigenschappen van de vloeistof en de toestroomsnelheid. De druppels hebben een zeer hoge elektrische lading. De gemiddelde druppelgrootte neemt af naarmate de vloeistof meer geleidend is. Over de vraag hoe de druppeltjesstroom uit de kegel precies tot stand komt, zijn de geleerden het nog niet helemaal eens. Duidelijk is wel dat er verschillende soorten van druppelvorming bestaan. In 1965 beschreef de Japanse fysicus Akazaki puntvormige waterdruppels aan hoogspanningsleidingen. Amber De Taylor-conus is vernoemd naar de fysicus Sir Geoffrey Taylor, die halverwege de jaren zestig uitvlooide onder welke voorwaarden een kegelvormig vloeistof-oppervlak ontstaat en blijft bestaan. Hij gaf een wiskundige beschrijving van de relatie tussen de grootte van het elektrische veld, de oppervlaktespanning van de betreffende vloeistof en het ontstaan van de kegeltjes. Taylor was overigens niet de eerste die ze waarnam. Dat was de Britse arts William Gilbert, lijfarts van Queen Elizabeth I, die de kegeltjes al in 1600 ontdekte. Marijnissen: In zijn boek De Magnete, Magneticisque Corporibus et de Magno Magnete Tellure beschrijft Gilbert hoe hij een druppel water in de vorm van een kegel omhoog trekt met behulp van een stuk amber dat hij eerst heeft opgewreven, anders gezegd: statisch heeft geladen. De Taylor-conus wordt benut, onder andere om uniforme druppeltjes te produceren, waarmee onder meer zonnecellen, katalysatoren en (5 van 16) [ :23:18]

6 brandstofcellen kunnen worden gemaakt [zie Delft Integraal 96.6/97.1]. Een andere toepassing is het maken van uniforme deeltjes van medicijnen. Met name voor het bestrijden van astma is dat interessant, omdat deeltjes met een diameter van 3 micron veel effectiever zijn dan deeltjes met een willekeurige diameter. Voor deze toepassing ontwikkelt Marijnissen samen met anderen de Delft Aerosol Generator, «een inhaler» die ook is gebaseerd op het principe van de Taylor-conus. Rendementsverlies Bij de luchtzuiveraar blijkt het ontstaan van een Taylor-conus een flink rendementsverlies te veroorzaken. Volgens Marijnissen komt dat doordat de vorming van de geladen druppeltjes energie kost. Een groot deel van die druppeltjes slaat vervolgens neer op een van de geaarde platen van de elektrostatische precipitator. Ook dat kost energie, waardoor het totale rendement van de zuiveraar afneemt. Een mogelijke andere oorzaak voor het dalende rendement is dat de neergeslagen druppeltjes op bepaalde plaatsen het elektrisch veld verkleinen. Daarmee is echter nog niet verklaard waarom het rendement voor druppeltjes van een bepaalde grootte zelfs negatief wordt. Immers, de elektrisch geladen deeltjes worden geproduceerd op de corona-draden, die zich voor de afvangplaten bevindt. Ze zijn bovendien elektrostatisch opgeladen, dus je zou zeggen dat ze, net als alle andere deeltjes, door die afvanger worden weggevangen. Marijnissen: Dat is ook zo. Ze worden gemaakt en ook weer weggevangen. Tenminste als ze zich stroomafwaarts van de draad bevinden. Druppeltjes die voor de corona-draad ontstaan, kunnen neerslaan op het voorfilter. Dat verklaart waarom dat filter aan de binnenkant nat is.' Scherpe randjes Volgens de aërosol-deskundige is de corona-draad niet de enige plaats waar Taylor-conussen kunnen ontstaan. Ook tussen de platen van de afvanger staat een hoogspanning. Als op die platen oneffenheden of scherpe randjes zitten, dan ontstaan op die plekken ook kegeltjes, die druppeltjes produceren. Zijn medewerkers en hij hebben die hypothese natuurlijk ook getoetst. Het achterste deel van een plaat van de afvanger, die normaal onder Close-up van het aanhechtpunt van de coronadraden (iets onder het midden). Op de foto is duidelijk te zien dat er in het elektrostatisch filter een opeenhoping van vocht plaatsvindt. De opeenhoping is afkomstig van de vloeistof die op de gereedschappen wordt gesproeid om het gereedschap te koelen en om er tevens voor te zorgen dat het aluminium eindproduct makkelijk loskomt van de gietmal. De aanwezigheid van vocht bij hoogspanning kan het ontstaan van Taylors-conussen veroorzaken, die de opgevangen vloeistof juist kunnen gaan vernevelen. Principe van een elektrostatisch filter. (AAF-International B.V., Amsterdam) (6 van 16) [ :23:18]

7 hoogspanning staat, werd met een vijl bewerkt om een ruw oppervlak te maken met scherpe onregelmatige randen. Vervolgens werd er paraffine op aangebracht en werd de plaat onder spanning gezet. Vrijwel meteen zagen we Taylor-conussen ontstaan op de oneffenheden van de plaat', vertelt Marijnissen. Om na te gaan of deze kegeltjes eenzelfde type druppeltjes produceerden als werd waargenomen tijdens de test aan het begin van dit artikel, werden verschillende mengsels van maïsolie met ethanol en butanol op de opgeruwde plaat aangebracht met een kwastje. Elke keer als er hoogspanning op de plaat werd gezet, ontstond een regen van druppeltjes', zegt Marijnissen. De grootte ervan varieerde van enkele tienden tot een paar micrometer; het overgrote deel bestond echter uit deeltjes met een diameter van 0,6 tot 1,2 micrometer.' Omgekeerd ontstonden er geen conussen op de gladde gedeelten van de plaat, hetgeen volgens Marijnissen bewijst dat de scherpe randen een cruciale rol spelen. `Bij de veldsterktes die gebruikelijk zijn in een luchtzuiveraar verwacht je niet meteen het ontstaan van een Taylor-conus. Meestal ontstaan die bij hogere veldsterkten. Het gevolg van die scherpe randen is dat nu juist lokaal hogere veldsterktes ontstaan.' Potentiële verontreiniging Omdat druppeltjes die aan het uiteinde van de plaat worden gevormd niet meer worden weggevangen in het elektrisch veld van de afvanger, is de luchtzuiveraar een bron van potentiële verontreiniging geworden. Een serieuze verontreiniging, want deeltjes in de orde van een micrometer doorsnede kunnen doordringen tot in de diepste delen van de longen. Bovendien kunnen ze, omdat ze zo klein zijn, over grote afstanden worden getransporteerd. Moeten we dan de elektrostatische precipitatoren maar bij de vuilnisbak zetten? Marijnissen meent van niet: Een mogelijke remedie is het aanbrengen van een goed nafilter. Op die manier wordt een deel van de gevormde druppels alsnog weggevangen. Op de wat langere termijn zullen de leveranciers van ESP's wat aan hun ontwerp moeten gaan doen door bijvoorbeeld scherpe randen, waar hoge elektrische ladingen kunnen ontstaan, zoveel mogelijk te vermijden. Hoe het ook zij, gezien de potentiële gevolgen voor de gezondheid is het alleszins de moeite waard (7 van 16) [ :23:18]

8 om het ontstaan van Taylor-conussen in luchtzuiveraars te voorkomen.' Voor nadere informatie over dit onderwerp kunt u contact opnemen met dr.ir. Jan C.M. Marijnissen, tel. (015) , fax (015) , marijnissen@tnw. tudelft.nl j.c.m. (8 van 16) [ :23:18]

9 (9 van 16) [ :23:18]

10 Bij elektrisch lassen komen deeltjes en gassen vrij die schadelijk zijn voor de gezondheid. Daarom worden ze met elektrostatische filters afgevangen. De afgevangen lucht wordt na reiniging in het elektrostatische filter weer terug geblazen in de werkplaats. Het filterpakket van dit mobiele apparaat bestaat uit (van boven naar beneden) een metalen gazen voorfilter, een module met de corona-draden, een module met afvangplaten en uit een koolstoffilter. Bij een droog proces, zoals elektrisch lassen, is het onwaarschijnlijk dat er zich vocht in het filter zal ophopen. Bij andere metaalbewerkingsprocessen echter, zoals draaien en frezen waarbij vloeistoffen voor het koelen en smeren van de beitels worden gebruikt, zal er wel vochtophoping ontstaan. In dat geval kan het filter gaan fungeren als een generator van minuscule druppeltjes die tot diep in de longen kunnen doordringen. (10 van 16) [ :23:18]

11 (11 van 16) [ :23:18]

12 Bij kapsalons worden veel spuitbussen gebruikt waarbij een groot deel van de inhoud naast het doel terecht komt. Bij het permanenten worden bovendien nog eens allerlei chemicaliën gebruikt. Dat is de reden waarom veel kapsalons zijn voorzien van elektrostatische filters. Voor het binden van dampen, gassen en deeltjes zijn de elektrostaten ook voorzien van een koolstof voorfilter. Close-up van een corona-draad met enkele druppeltjes. Een dergelijke situatie kan zich voordoen in elektrostatische filters waarin vochtige lucht of lucht met kleine druppeltjes wordt gereinigd. Er staat nu geen spanning op de draad. De corona-draad is ongeveer 0,05 mm dik. Voor deze opname is maïsolie gebruikt. (12 van 16) [ :23:18]

13 Close-up van de corona-draad met druppeltjes wanneer er een spanning van enkele kilovolts op de draad wordt gezet. De druppeltjes veranderen onmiddellijk in Taylor-conussen. Bij deze opname zijn heel duidelijk de jets onderaan de Taylor-conussen te zien. Ze produceren druppeltjes in de orde van grootte van 0,6 micrometer. Omdat dit te klein is voor waarneming met het blote oog, heeft Marijnissen gemeten met een zogeheten Aerosizer van Amhurst Process Instruments. (13 van 16) [ :23:18]

14 Dat hier nauwelijks sprake is van zwaartekrachteffecten blijkt duidelijk uit de verschillende richtingen waarin de Taylor-conussen wijzen. Op verzoek van het Franse instituut CETIAT (Centre Technique des Industries Aérauliques et Thermiques) heeft dr. Marijnissen het afvangstrendement van elektrostatische filters bepaald waarbij de voor- en nafilters zijn verwijderd. Uit de grafiek is duidelijk op te maken dat deeltjes van ongeveer 0,6 micrometer niet worden opgevangen, maar juist worden geproduceerd. (14 van 16) [ :23:18]

15 De kegel, de jet en de nevel van een Taylor-conus zoals geproduceerd in het Aërosollaboratorium van de sectie Deeltjestechnologie. De uitwendige diameter van het buisje is 2 millimeter. (15 van 16) [ :23:18]

16 Aan scherpe randjes (beschadigingen) op platen in de afvangsectie kunnen Taylor-conussen ontstaan. Wanneer de kleine druppeltjes aan het uiteinde van de platen ontstaan, worden ze niet meer door het elektrostatisch filter zelf onderschept: ze kunnen door hun afmetingen maar ten dele door nafilters worden tegengehouden. (16 van 16) [ :23:18]