DE19831313A1 - Quantitative and qualitative determination of absorbed pollutant substances by monitoring electrical properties of a substrate during controlled thermal desorption - Google Patents
Quantitative and qualitative determination of absorbed pollutant substances by monitoring electrical properties of a substrate during controlled thermal desorptionInfo
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Abstract
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Sensor dessen Verwendung, insbesondere zur Messung und Regelung von Stoffen in wäßrigen und gasförmigen Fluiden und/oder Aerosolen, sowie Verfahren zur Bestimmung der Art des Sorbats und der Sorbatbeladung des Sensors. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung Filterelemente, die derartige Sensoren enthalten und geeignete Verwendungen hierfür, sowie ein Verfahren zur Bestimmung der Art des Sorbats und der Sorbatbeladung des Filterelementes. The present invention relates to a sensor, the use thereof, in particular for measurement and regulation of substances in aqueous and gaseous fluids and / or aerosols, and Method for determining the type of sorbate and the sorbate loading of the sensor. Further The present invention relates to filter elements which contain such sensors and suitable ones Uses for this, as well as a method for determining the type of sorbate and the Sorbate loading of the filter element.
Sensoren zur Bestimmung von in Fluid enthaltenen Stoffen sind bekannt. Beispielsweise gibt es elektronische Geräte zur Bestimmung von Ethanol, CO und anderen Gasen. Diese Sensoren haben den Nachteil, daß sie entweder nur für die qualitative oder quantitative Messung von bestimmten Stoffen geeignet sind. Darüberhinaus ist die quantitative Bestimmung meist nur unzureichend. Insbesondere ist die quantitative und/oder qualitative Bestimmung von Prozeßgasen oder dergleichen im ppb-Bereich nur mit apparativ sehr aufwendigen Mitteln möglich. Diese bekannten Systeme sind technisch aufwendig und erfordern daher einen großen technischen Aufwand bei der Herstellung. Hinzuzufügen ist noch, daß die im Stand der Technik bekannten Sensorsysteme schon aufgrund ihres Platzbedarfes nicht an beliebigen Orten eingesetzt werden können.Sensors for determining substances contained in fluid are known. For example there is electronic devices for the determination of ethanol, CO and other gases. These sensors have the disadvantage that they are only used for the qualitative or quantitative measurement of are suitable for certain substances. In addition, the quantitative determination is mostly only insufficient. In particular, the quantitative and / or qualitative determination of Process gases or the like in the ppb range only with means that are very complex in terms of equipment possible. These known systems are technically complex and therefore require a large one technical effort in the production. It should also be added that those in the prior art Known sensor systems are not used anywhere because of their space requirements can be.
Gasförmige und wäßrige Fluide, beispielsweise Prozeßgase und -dämpfe, enthalten häufig toxische oder umweltbelastende Schadstoffe. Zum Schutz von Mensch und Umwelt werden üblicherweise Filterelemente verwendet, um solche Schadstoffe aus wäßrigen und gasförmigen Fluiden zu entfernen, die dann einer sachgerechten Entsorgung zugeführt werden.Gaseous and aqueous fluids, for example process gases and vapors, often contain toxic or polluting pollutants. To protect people and the environment Usually filter elements are used to remove such pollutants from aqueous and gaseous ones Remove fluids, which are then disposed of properly.
Bekanntermaßen können die jeweiligen Stoffanteile in den Fluiden beträchtlich varrieren. Eine Bestimmung von Gehalt und Zusammensetzung der Schadstoffe des jeweiligen Fluidstroms ist jedoch meist nicht oder nur mit technisch sehr aufwendigen Sensorsystemen, speziell bei einer kontinuierlichen Messung, möglich.It is known that the respective proportions of substances in the fluids can vary considerably. A Determination of the content and composition of the pollutants of the respective fluid flow however mostly not or only with technically very complex sensor systems, especially with one continuous measurement, possible.
Bei den bekannten Filterelementen hat es sich als sehr nachteilig erwiesen, daß insbesondere bei Änderungen des Schadstoffgehalts in Fluiden die Beladung des Filterelementes mit Sorbat oft nicht oder nur grob abgeschätzt werden kann. Ein großer Nachteil der bekannten Filtersysteme ist, daß sich der genaue Zeitpunkt, wann solche Filterelemente ausgetauscht bzw. regeneriert werden müssen, d. h. der Zeitpunkt der maximalen Beladung des Filterelementes mit Sorbat, nicht exakt bestimmt werden kann sondern abgeschätzt werden muß. Dies führt dazu, daß man Austauschzyklen für Filterelemente, innerhalb derer die Filterelemente unabhängig vom tatsächlichen Beladungszustand ausgetauscht werden, festlegt. Eine solche im Stand der Technik weit verbreitete Vorgehensweise führt dazu, daß Filterelemente frühzeitig ausgetauscht werden. In the known filter elements, it has proven to be very disadvantageous that in particular Changes in the pollutant content in fluids often load the filter element with sorbate cannot be estimated or can only be roughly estimated. A major disadvantage of the known filter systems is that the exact time when such filter elements are exchanged or regenerated must be d. H. the time of the maximum loading of the filter element with sorbate, cannot be determined exactly but must be estimated. This leads to one Exchange cycles for filter elements within which the filter elements are independent of actual load state are exchanged. One in the prior art widespread procedure leads to filter elements being replaced early.
Es bedarf hier keiner weiteren Ausführungen, daß ein solcher routinemäßiger Austausch zu einer Materialverschwendung führt, da noch aktive Filterelemente in Unkenntnis des tatsächlichen Beladungszustandes frühzeitig ausgetauscht werden. Ferner besteht die Gefahr, daß bei vorzeitiger Erschöpfung des Filterelementes toxische Stoffe in die Umwelt freigesetzt werden, da der tatsächliche Beladungszustand, der üblicherweise im Stand der Technik verwendeten Filter nicht kontrolliert wird.No further explanation is required here that such a routine exchange for a Waste of material leads because filter elements are still active in ignorance of the actual Loading condition can be replaced early. There is also a risk that at premature exhaustion of the filter element toxic substances are released into the environment, because the actual loading condition of the filters commonly used in the prior art is not controlled.
Ein weiterer Nachteil der im Stand der Technik bekannten Filtersysteme ist es, daß man keine Auskunft darüber erhält, mit welchen Stoffen der Filter beladen ist. Dies ist beispielsweise bei einer fachgerechten Entsorgung nachteilig, da die Filter Stoffe enthalten könnten, die bei der Regenerierung des Filters oder bei einer besonderen Entsorgung des Filters einer speziellen Behandlung bedürfen.Another disadvantage of the filter systems known in the prior art is that there are none Receives information about which substances the filter is loaded with. This is for example at Proper disposal is disadvantageous, since the filters could contain substances Regeneration of the filter or special disposal of the filter Need treatment.
Außerdem lassen sich die Filterelemente für den jeweiligen Einsatzort nicht optimieren, da man hierfür weder den zeitabhängigen Beladungszustand noch die Beladung des Filterelementes mit bestimmten Stoffen, die zurückgehalten werden sollen, kennt.In addition, the filter elements cannot be optimized for the respective place of use because for this neither the time-dependent loading state nor the loading of the filter element with knows certain substances that should be retained.
Es wäre daher sehr wünschenswert einen Sensor sowie Filterelemente enthaltend einen solchen Sensor zur Verfügung zu stellen, der sämtliche vorgenannten Nachteile im Stand der Technik überwindet und hierbei ohne großen Aufwand an Zeit und Material herstellbar ist.It would therefore be very desirable to have a sensor and filter elements containing one To make available sensor that has all the aforementioned disadvantages in the prior art overcomes and can be manufactured without great expenditure of time and material.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es insbesondere, die vorgenannten Nachteile und Mängel des Standes der Technik zu überwinden. Diese Aufgabe wird durch die vorliegende Erfindung durch einen Sensor für Fluide gelöst, der wenigstens eine vom Fluid durchströmbare und/oder anströmbare Fläche aus einem adsorbierenden und/oder absorbierenden Material zur Aufnahme von Sorbat, sowie elektrische Kontakte, an die von außen eine elektrische Spannung anlegbar ist, aufweist, wobei die durchströmbare und/oder anströmbare Fläche gegebenenfalls mit Halteorganen und/oder Formgebungsmitteln zu deren Stabilisierung versehen ist. The object of the present invention is, in particular, the aforementioned disadvantages and shortcomings to overcome the state of the art. This object is achieved by the present invention solved by a sensor for fluids, the at least one through which the fluid can flow and / or Flowable surface made of an adsorbing and / or absorbing material for absorption of sorbate, as well as electrical contacts to which an electrical voltage can be applied from the outside, has, the flow-through and / or flow-through surface optionally with Holding members and / or shaping means is provided to stabilize them.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind in den Unteransprüchen aufgeführt und lassen sich den beigefügten Figuren entnehmen.Further advantageous embodiments of the present invention are in the Subclaims listed and can be found in the accompanying figures.
Als durchströmbare und/oder anströmbare Fläche im Sinne der Erfindung lassen sich vorzugsweis auch ein oder mehrere Fäden vorteilhaft verwenden.A flowable and / or flowable area in the sense of the invention can be preferably also use one or more threads advantageously.
Der Sensor weist gegebenenfalls mehrere, vorzugsweise 1 bis 100, besonders bevorzugt 1 bis 5 durchströmbare und/oder anströmbare Flächen und/oder Fäden auf.The sensor may have several, preferably 1 to 100, particularly preferably 1 to 5 flowable and / or flowable surfaces and / or threads.
Vorteilhaft ist es, wenn an einer oder an mehreren der durchströmbaren und/oder anströmbaren Flächen und/oder Fäden jeweils ein oder mehrere elektrische Kontakte angebracht sind. An diese elektrischen Kontakte kann von außen eine elektrische Spannung angelegt werden, so daß dann die elektrische Spannung entweder an einer und/oder an mehreren der durchströmbaren und/oder anströmbaren Flächen und/oder Fäden liegt.It is advantageous if one or more of the flowable and / or flowable Surfaces and / or threads each have one or more electrical contacts attached. To this electrical contacts, an electrical voltage can be applied from the outside, so that then the electrical voltage either at one and / or at several of the flowable and / or flowable surfaces and / or threads.
Die durchströmbaren und/oder anströmbaren Flächen und/oder Fäden bestehen teilweise oder vollständig aus einem adsorbierenden und/oder absorbierenden Material.The flowable and / or flowable surfaces and / or threads are partially or made entirely of an adsorbent and / or absorbent material.
Das erfindungsgemäß verwendbare Material ist vorzugsweise mit Wasser benetzbar, kann eine enge Porenradienverteilung aufweisen, und besitzt einen temperaturabhängigen elektrischen Widerstandskoeffizienten. Geeignete Porenradienverteilungen liegen für nicht imprägnierte adsorbierende und/oder absorbierende Materialien im Bereich von ≦ 0,2 nm und besonders unterhalb von ≦ 0,1 nm. Für mit Edelmetallen imprägnierte adsorbierende und/oder absorbierende Materialien liegt die Porenradienverteilung vorzugsweise im Bereich von 0,2 bis 50 nm. Natürlich können die Porenradienverteilung, in Abhängigkeit des Anforderungsprofils, d. h. in Abhängigkeit von der Art der Beladung von Fluiden, auch < 0,2 nm oder sogar < 50 nm sein. Besonders bevorzugt weist das erfindungsgemäß verwendbare Material eine räumlich gleichmäßige elektrische Leitfähigkeit auf. The material that can be used according to the invention is preferably wettable with water have narrow pore radius distribution, and has a temperature-dependent electrical Resistance coefficients. Suitable pore radius distributions are for non-impregnated ones adsorbing and / or absorbing materials in the range of ≦ 0.2 nm and especially below ≦ 0.1 nm. For adsorbent and / or impregnated with precious metals absorbent materials, the pore radius distribution is preferably in the range of 0.2 to 50 nm. Of course, depending on the requirement profile, the pore radius distribution d. H. depending on the type of loading of fluids, also <0.2 nm or even <50 nm his. The material which can be used according to the invention particularly preferably has a spatial configuration uniform electrical conductivity.
Weitere erfindungsgemäß verwendbare Materialien umfassen alle Materialien, die mittels ohmscher Heizung auf eine Temperatur erwärmbar sind, bei der das adsorbierte und/absorbierte Sorbat ausgetrieben werden kann.Further materials that can be used according to the invention include all materials that are used ohmic heating can be heated to a temperature at which the adsorbed and / or absorbed Sorbate can be driven out.
Vorzugsweise ist das elektrisch leitfähige adsorbierende und/oder absorbierende Material aus einem porösen Metall, Halbleiter und/oder Aktivkohle, besonders bevorzugt Aktivkohle-Gewebe, Aktivkohle-Gestrick, Aktivkohle-Filz, Aktivkohle-Faserstrang, Aktivkohle-Fasermaterial und/oder Aktivkohle-Extrudat. Besonders vorteilhaft ist, daß Aktivkohle ein ohmscher Heizleiter ist. Aktivkohle zeichnet sich in vorteilhafter Weise durch sehr geringe Materialkosten, Ungiftigkeit, d. h. das Fehlen eines Gefährdungspotentials; lange Haltbarkeit, eine geringe Wärmekapazität, und einen temperaturabhängigen elektrischen Widerstandskoeffizienten (α: 3-4% [1/K]) aus. Außerdem ist Aktivkohle praktisch nicht empfindlich gegenüber Luftfeuchtigkeit im Bereich unterhalb von ca. 70-80% r.F. (relative Feuchtigkeit), d. h. Aktivkohle weist eine geringe Querempfindlichkeit zur relativen Luftfeuchte bzw. zur Wasserbeladung auf Liegen Luftfeuchtigkeiten oberhalb dieses Bereiches vor, so ist Aktivkohle in äußerst vorteilhafter Weise dazu geeignet, durch beispielsweise kontinuierliche Beheizung, mittels eines konstanten elektrischen Stroms, die Beladung mit Wasser zu vermindern.The electrically conductive adsorbing and / or absorbing material is preferably made of a porous metal, semiconductor and / or activated carbon, particularly preferably activated carbon fabric, Activated carbon knitted fabric, activated carbon felt, activated carbon fiber strand, activated carbon fiber material and / or Activated carbon extrudate. It is particularly advantageous that activated carbon is an ohmic heating conductor. Activated carbon is advantageously characterized by very low material costs, non-toxicity, d. H. the lack of a potential hazard; long durability, low heat capacity, and a temperature-dependent electrical resistance coefficient (α: 3-4% [1 / K]). In addition, activated carbon is practically not sensitive to atmospheric moisture in the area below approx. 70-80% RH (relative humidity), d. H. Activated carbon has a low Cross sensitivity to relative air humidity or water loading on couches Humidity above this range before, activated carbon is extremely advantageous suitable for example by continuous heating, by means of a constant electrical current to reduce the water load.
Es hat sich gezeigt, daß es bei hohen Fluidstromgeschwindigkeiten vorteilhaft ist, wenn der Sensor, insbesondere die Adsorptions- und/oder Absorptionsfläche(n) durch Halteorgane und/oder Formgebungsmittel stabilisiert werden, um eine mechanische Schädigung zu vermeiden.It has been found that at high fluid flow rates it is advantageous if the Sensor, in particular the adsorption and / or absorption surface (s) by holding members and / or shaping agents can be stabilized in order to avoid mechanical damage.
Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, daß die Halteorgane und/oder Formgebungsmittel wenigstens teilweise elektrisch leitfähig sind, so daß sie als elektrische Kontakte dienen können. Auf diese Weise kann eine äußere elektrische Spannung an das adsorbierende und/oder absorbierende Material angelegt werden, indem die Halteorgane und/oder Formgebungsmittel mit der äußeren elektrischen Spannungsquelle kontaktiert werden. An advantageous embodiment of the invention provides that the holding members and / or Shaping means are at least partially electrically conductive, so that they are electrical Contacts can serve. In this way, an external electrical voltage can be applied to the adsorbent and / or absorbent material can be applied by the holding members and / or Shaping means are contacted with the external electrical voltage source.
Es hat sich gezeigt, daß die Verwendung von Fäden gegenüber großflächigen Ad- und/oder Absorptionsflächen als Sonde besondere Vorzüge hat, da sich bei Verwendung von Fäden die Herstellung vereinfacht und nur ein geringerer Materialeinsatz notwendig ist. Aufgrund der geringeren Fläche benötigen derartige Sensoren einen geringeren Platzbedarf und sind praktisch an jedem denkbaren Einsatzort, die Rohrsysteme, Filter, Arbeitsräumen und dergleichen umfassen verwendbar. Außerdem ist bei Verwendung von Fäden die Wärmeabfuhr über die elektrische Kontaktierung bzw. Halteorgane und/oder Formgebungsmittel besonders gering, d. h. man erhält ein gutes Signal-/Rauschverhältnis.It has been shown that the use of threads over large-area ad and / or Absorption surfaces as a probe has special advantages, because when using threads the Manufacturing simplified and only a lower use of materials is necessary. Due to the Such a small area requires less space and is practical at every conceivable location, the pipe systems, filters, work rooms and the like include usable. In addition, when using threads, the heat is dissipated via the electrical contacting or holding members and / or shaping means particularly low, d. H. you get a good signal / noise ratio.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungform weist der Sensor eine zylindrische Umhüllung auf, welche eine dem Fluidstrom ausgesetzte Einlaßöffnung, sowie eine Auslaßöffnung umfaßt, wobei die Einlaßöffnung gleich der Auslaßöffnung sein kann.In a further advantageous embodiment, the sensor has a cylindrical envelope which comprises an inlet opening exposed to the fluid flow and an outlet opening, wherein the inlet opening can be equal to the outlet opening.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform weist die zylindrische Umhüllung einen elektrischen Kontakt zum adsorbierenden und/oder absorbierenden Material auf und ist mit elektrischen Kontakten versehen, an die von außen eine elektrische Spannung- bzw. Stromquelle anlegbar ist. Auf diese Weise kann über die zylindrische Umhüllung eine äußere elektrische Spannung an das adsorbierende und/oder absorbierende Material angelegt werden. Zur mechanischen Verstärkung sind in einer weiteren geeigneten Ausführungsform an den Einlaß- und/oder Auslaßöffnungen der zylindrischen Umhüllung Gitter, vorzugsweise Metallgitter, Kunststoffgitter und/oder dergleichen angeordnet.In a preferred embodiment, the cylindrical sheath has an electrical one Contact with the adsorbing and / or absorbing material and is with electrical Provide contacts to which an electrical voltage or current source can be applied from the outside. In this way, an external electrical voltage to the adsorbent and / or absorbent material are applied. For mechanical reinforcement are in a further suitable embodiment at the inlet and / or outlet openings the cylindrical cladding grid, preferably metal grid, plastic grid and / or the like arranged.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform ist das adsorbierende und/oder absorbierende Material des Sensors mit katalytisch wirksamen Substanzen imprägniert. Erfindungsgemäß vorteilhaft verwendbare Substanzen umfassen ionische und/oder polare Komplexverbindungen, vorzugsweise ausgewählt aus der Gruppe der Alkali- und/oder Erdalkalisalze, und besonders bevorzugt deren Jodide. Weitere bevorzugte Substanzen umfassen Metalle und Metallverbindungen, wie Übergangsmetalle, Edelmetalle oder dergleichen. Insbesondere sind Metalle und/oder Metallverbindungen der VIII. Nebengruppe und/oder Komplexverbindung(en), sowie Salze der vorstehend genannten Stoffe, die katalytische Eigenschaften aufweisen, bevorzugt.In an advantageous embodiment, the adsorbent and / or absorbent material impregnated the sensor with catalytically active substances. According to the invention advantageous usable substances include ionic and / or polar complex compounds, preferably selected from the group of alkali and / or alkaline earth metal salts, and particularly preferably their iodides. Other preferred substances include metals and Metal compounds such as transition metals, noble metals or the like. In particular are Metals and / or metal compounds of subgroup VIII and / or complex compound (s), and salts of the abovementioned substances which have catalytic properties, prefers.
Wenn hierbei z. B. die Detektion von Quecksilber vorgesehen ist, weisen die Übergangsmetalle, welche vorzugsweise innerhalb der zweiten und dritten Reihe des Periodensystems gewählt werden, eine gute Löslichkeit, d. h. eine Löslichkeit von bis zu etwa 100% für Quecksilber auf.If here z. B. the detection of mercury is provided, the transition metals, which is preferably chosen within the second and third rows of the periodic table become a good solubility, d. H. a solubility of up to about 100% for mercury.
Ebenso kann es vorteilhaft sein, daß das adsorbierende und/oder absorbierende Material des erfindungsgemäßen Sensors mit einem lipophilen Stoff, vorzugsweise Silikonöl imprägniert ist, um die Adsorption und/oder Absorption lipophiler Stoffe im Fluidstrom zu verbessern, bzw. um die Adsorption und/oder Absorption hydrophiler Stoffe zurückzudrängen.It can also be advantageous that the adsorbing and / or absorbing material of the sensor according to the invention is impregnated with a lipophilic substance, preferably silicone oil, to improve the adsorption and / or absorption of lipophilic substances in the fluid stream, or to to suppress the adsorption and / or absorption of hydrophilic substances.
Eine geeignete Ausführungsform des Sensors ist die Verwendung als "Breitband"-Sensor. Hierbei sind in geeigneter Weise mehrere durchströmbare und/oder anströmbare Flächen und/oder Fäden im Sensor angeordnet. Es ist bevorzugt, wenn eine oder mehrere der durchströmbaren und/oder anströmbaren Flächen und/oder Fäden teilweise und/oder vollständig gleiche oder unterschiedliche Imprägnierung(en) aufweisen. Eine derartige Anordnung ermöglicht es, in Abhängigkeit der adsorbierbaren und/oder absorbierbaren Stoffe des jeweiligen Fluidstroms die spezifische Adsorption und/oder Absorption am adsorbierenden und/oder absorbierenden Material des Sensors zu optimieren. Ein solcher Optimierungsschritt kann die quantitative und qualitative Bestimmung der im Fluid enthaltenen unterschiedlichen Stoffe verbessern.A suitable embodiment of the sensor is the use as a "broadband" sensor. Here are suitably a plurality of flowable and / or flowable surfaces and / or threads arranged in the sensor. It is preferred if one or more of the flowable and / or flowable surfaces and / or threads partially and / or completely the same or have different impregnation (s). Such an arrangement enables Dependence of the adsorbable and / or absorbable substances of the respective fluid flow specific adsorption and / or absorption on the adsorbent and / or absorbent material to optimize the sensor. Such an optimization step can be quantitative and qualitative Improve the determination of the different substances contained in the fluid.
Ein gleichermaßen bevorzugte Ausführungsform sieht vor, daß das vorzugsweise großflächige adsorbierende und/oder absorbierende Material benetzbar ist, wodurch insbesondere Menge und Art adsorbierbarer und/oder absorbierbarer Stoffe von feindispersiv verteilten Nebeltröpfchen, sog. Aerosolen bestimmbar ist. An equally preferred embodiment provides that the preferably large area adsorbent and / or absorbent material is wettable, whereby in particular amount and Type of adsorbable and / or absorbable substances of finely dispersed fog droplets, so-called aerosols can be determined.
In noch einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der Sensor in einem Filter, bzw. Filterelement angeordnet. Filterelemente, die den erfindungsgemäßen Sensor enthalten, bestehen vorzugsweise aus einem adsorbierenden und/oder absorbierenden Material, wie einem porösen Metall, Halbleiter insbesondere Aktivkohle. Bevorzugte Aktivkohlematerialien umfassen Aktivkohle-Gewebe, Aktivkohle-Gestricke, Aktivkohle-Filze, Aktivkohle-Faserstränge, Aktivkohle-Fasermaterialien und/oder Aktivkohle-Extrudate. Insbesondere bevorzugt ist hierbei, wenn das adsorbierende und/oder absorbierende Material des Filterelements aus gleichartigem Material wie das adsorbierende und/oder absorbierende Material des Adsorptionssensors ist.In yet another preferred embodiment, the sensor is in a filter or Filter element arranged. Filter elements that contain the sensor according to the invention exist preferably of an adsorbent and / or absorbent material, such as a porous one Metal, semiconductors, especially activated carbon. Preferred activated carbon materials include Activated carbon fabrics, activated carbon knits, activated carbon felts, activated carbon fiber strands, Activated carbon fiber materials and / or activated carbon extrudates. It is particularly preferred here if the adsorbing and / or absorbing material of the filter element is of the same type Material such as the adsorbent and / or absorbent material of the adsorption sensor.
Es ist natürlich ohne weiteres möglich, und auch besonders vorteilhaft, wenn in einem Filterelement mehrere erfindungsgemäße Sensoren angeordnet sind.It is of course easily possible, and also particularly advantageous if in one Filter element several sensors according to the invention are arranged.
Der erfindungsgemäße Sensor(en) kann vorteilhaft im vorderen, d. h. dem der Anströmfläche naheliegenden Filterabschnitt, im mittigen, d. h. dem zwischen An- und Abströmfläche etwa mittig gelegenen Filterabschnitt und/oder im endständigen Filterabschnitt, d. h. dem der Abströmfläche nahe gelegenen Filterabschnitt, angeordnet sein.The sensor (s) according to the invention can advantageously in the front, ie. H. that of the inflow surface nearby filter section, in the middle, d. H. between the inflow and outflow surface centrally located filter section and / or in the terminal filter section, d. H. that of Outflow surface nearby filter section, may be arranged.
In einer denkbaren Ausführungsform ist der Sensor im Bereich der größten Sorptionsrate des Sorbats des Fluidstroms, der sog. Massentransferzone, angeordnet.In a conceivable embodiment, the sensor is in the range of the largest sorption rate of the Sorbate of the fluid flow, the so-called mass transfer zone.
Eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sensors sieht zur Messung der Temperatur des adsorbierenden und/oder absorbierenden Materials ein Thermoelement vor, welches vorzugsweise am adsorbierenden und/oder absorbierenden Material des Sensors angeordnet ist.One embodiment of the sensor according to the invention provides for measuring the temperature of the adsorbing and / or absorbing material, a thermocouple, which is preferred is arranged on the adsorbing and / or absorbing material of the sensor.
Außerdem kann ein Sensor mit einer elektrischen Meßvorrichtung zur Bestimmung der elektrischen Eigenschaften insbesondere der elektrischen Leitfähigkeit des adsorbierenden und/oder absorbierenden Materials versehen sein. In addition, a sensor with an electrical measuring device for determining the electrical properties, in particular the electrical conductivity of the adsorbent and / or absorbent material.
Gegebenenfalls, und vorzugsweise bei Einsatz großflächiger Adsorptions- und/oder Absorptionsflächen, weist der Sensor ein zusätzliches Verbindungselement zur Weiterleitung des Desorbats an Geräte zur nachgeschalteten Analyse des Desorbats, wie etwa an ein Massenspektrometer, einen Flammenionisierungsdetektor, einen Wärmeleitfähigkeitsdetektor und/oder dergleichen auf.If necessary, and preferably when using large-area adsorption and / or Absorption surfaces, the sensor has an additional connecting element for forwarding the Desorbate on devices for downstream analysis of desorbate, such as on a Mass spectrometer, a flame ionization detector, a thermal conductivity detector and / or the like.
Der erfindungsgemäße Sensor ist zur Bestimmung der adsorbierbaren und/oder absorbierbaren Stoffe von Fluiden und/oder Aerosolen, insbesondere von Prozeßgasen und dergleichen, geeignet. Darüberhinaus läßt sich der erfindungsgemäße Sensor zur Bestimmung der Beladung und Sorbatart von Filterelementen verwenden. In besonders vorteilhafter Weise lassen sich mittels des erfindungsgemäßen Sensors mehrere Stoffe und deren jeweiligen Fluidbeladungen, sowie die Sorbatarten und Beladungen von Filterelementen bestimmen. Die Filterelemente können dabei z. B. als Fahrzeugkabinenfilter, Reinraumfilter in der Elektronikindustrie, Filter zur allgemeinen Abluftbehandlung, Korrosionsschutzfilter, militärische Filter etwa für Schutzräume, Fahrzeuge und den Personenschutz, Haushaltsfilter wie etwa Dunstabzugshauben, Staubsaugerfilter, Raumluftfilter und/oder Gasfilter und besonders bevorzugt als Benzindampfrückgewinnungsfilter verwendet werden. Außerdem ist der erfindungsgemäße Sensor zur Verwendung für Überwachungszwecke und/oder der Einstellung von Stoffkonzentrationen insbesondere von Minimal- und/oder Maximalkonzentrationen bei Prozeßgasen geeignet und/oder zur Regelung der Raumluft von beispielsweise Betriebsstätten.The sensor according to the invention is for determining the adsorbable and / or absorbable Substances from fluids and / or aerosols, in particular from process gases and the like, suitable. In addition, the sensor according to the invention can be used to determine the load and sorbate type of filter elements. In a particularly advantageous manner, by means of the sensor according to the invention, several substances and their respective fluid loads, and determine the sorbate types and loads of filter elements. The filter elements can z. B. as a vehicle cabin filter, clean room filter in the electronics industry, filter for general exhaust air treatment, anti-corrosion filter, military filter for shelters, Vehicles and personal protection, household filters such as extractor hoods, Vacuum cleaner filter, room air filter and / or gas filter and particularly preferred as Gasoline vapor recovery filters can be used. In addition, the invention Sensor for use for monitoring purposes and / or the setting of Concentrations of substances, in particular of minimum and / or maximum concentrations Process gases suitable and / or for regulating the room air of, for example, operating sites.
Die Erfindung betrifft außerdem Verfahren zur Bestimmung der Sorbatart und/oder der Sorbatbeladung eines erfindungsgemäßen Sensors und/oder der Sorbatart und/oder Sorbatbeladung eines Filterelementes, welches einen oder mehrere der erfindungsgemäßen Adsorptionssensoren enthält. Hierbei erfolgt zur Bestimmung der Menge und/oder Art des Sorbats eine Desorption und/oder Phasenübergang des Sorbats des adsorbierenden und/oder absorbierenden Materials des Sensors, wobei die Desorption bzw. Phasenübergang des Sorbats thermisch, vorzugsweise mittels elektrischer (ohmscher) Beheizung des adsorbierenden und/oder absorbierenden Materials erfolgt und wobei die Desorption ggf. unter Vakuum erfolgt. The invention also relates to methods for determining the type of sorbate and / or Sorbate loading of a sensor according to the invention and / or the type of sorbate and / or Sorbate loading of a filter element, which one or more of the invention Contains adsorption sensors. This involves determining the amount and / or type of sorbate a desorption and / or phase transition of the sorbate of the adsorbent and / or absorbent material of the sensor, the desorption or phase transition of the sorbate thermally, preferably by means of electrical (ohmic) heating of the adsorbent and / or absorbent material and the desorption takes place under vacuum, if necessary.
Die Desorptionstemperatur ist von dem jeweiligen Einsatzort des Sensors abhängig. Es versteht sich von selbst, daß die Desorptionstemperatur bei Verwendung des Sensors im Zusammenhang mit flüssiger Luft oder Stickstoff erheblich niedriger ist, als bei Verbrennungsprozessen im Auto-/Motor bereich. Die Desorptionstemperaturen können daher im Temperaturbereich von -200°C bis 1000°C liegen. Natürlich können die Desorptionstemperaturen darunter oder darüber liegen, da sie von den jeweiligen Prozeßbedingungen abhängig sind. So lassen sich beispielsweise bestimmte Metalle und/oder Metallverbindungen erst bei Temperaturen weit über 1000°C im Vakuum desorbieren.The desorption temperature depends on the location where the sensor is used. It understands goes without saying that the desorption temperature is related when using the sensor with liquid air or nitrogen is considerably lower than with combustion processes in the car / engine Area. The desorption temperatures can therefore be in the temperature range of -200 ° C up to 1000 ° C. Of course, the desorption temperatures can be below or above since they depend on the respective process conditions. For example, certain metals and / or metal compounds only at temperatures well above 1000 ° C in Desorb vacuum.
Erfindungsgemäß kann die Desorption des Sorbats des imprägnierten adsorbierenden und/oder absorbierenden Materials über eine reversible Komplexbildung erfolgen. Die Desorption kann außerdem über eine katalytische Reaktion verbessert werden. Beispielsweise bei organischen Stoffen läßt sich so eine Zerlegung des Sorbats über eine katalytisierte Reaktion erreichen, wobei die so erhaltenen Reaktionsprodukte desorbierbar sind. Vorzugsweise erfolgt die Imprägnierung hierbei mit einem Nebengruppenelement, insbesondere Platin, Palladium, Cobalt, Nickel oder Kupfer. Diese bilden reversible Komplexe mit CO, CO2, HCN, SO2 und NO. Über die thermische Zersetzung dieser Komplexe läßt sich so mittels des Sensors die Art und Gehalt solcher komplexbildender Stoffe des Fluids bestimmen.According to the invention, the desorption of the sorbate of the impregnated adsorbing and / or absorbing material can take place via a reversible complex formation. The desorption can also be improved via a catalytic reaction. In the case of organic substances, for example, the sorbate can be broken down via a catalyzed reaction, the reaction products thus obtained being desorbable. The impregnation is preferably carried out here with a sub-group element, in particular platinum, palladium, cobalt, nickel or copper. These form reversible complexes with CO, CO 2 , HCN, SO 2 and NO. The type and content of such complex-forming substances in the fluid can thus be determined by means of the sensor via the thermal decomposition of these complexes.
Geeignete Verfahren zur Bestimmung der Sorbatbelegung und/oder der Sorbatart des Sensors und/oder Filterelementes umfassen eine Messung der Änderung der elektrischen Eigenschaften des adsorbierenden und/oder absorbierenden Materials des Sensors wie Leitfähigkeit, insbesondere der differentiellen Leitfähigkeit, Kapazität und/oder dergleichen, wobei die Änderung der elektrischen Eigenschaften während der Desorption des Sorbats einen Hinweis auf die Art und Menge des Sorbats liefert.Suitable methods for determining the sorbate occupancy and / or the sorbate type of the sensor and / or filter element comprise a measurement of the change in the electrical properties the adsorbing and / or absorbing material of the sensor such as conductivity, in particular the differential conductivity, capacitance and / or the like, the A change in the electrical properties during the desorption of the sorbate provides the type and amount of sorbate.
Ein weiteres Verfahren zur Bestimmung der Art und/oder Menge des Sorbats umfaßt die Messung der Temperatur des adsorbierenden und/oder absorbierenden Materials des Sensors während der thermischen Desorption des Sensors und/oder des Phasenüberganges des Sorbats. Another method for determining the type and / or amount of sorbate comprises Measurement of the temperature of the adsorbing and / or absorbing material of the sensor during the thermal desorption of the sensor and / or the phase transition of the sorbate.
Die Temperatur wird dabei direkt durch ein Thermoelement und/oder indirekt durch die Korrelation der Temperatur mit der thermisch induzierten Veränderung der elektrischen Leitfähigkeit des adsorbierenden und/oder absorbierenden Materials während des Desorptionsvorgangs gemessen. Aktivkohle hat sich hierbei, wegen der Eigenschaften eines ohmschen Heizleiters, als besonders vorteilhaft erwiesen. Wird das adsorbierende und/oder absorbierende Material zum Zwecke der Desorption des Sorbats, vorzugsweise mit konstanter Heizleistung, geheizt, so wird der Desorptionsvorgang bzw. Phasenübergang des Sorbats über eine Verminderung der relativen Temperaturzunahme des adsorbierenden und/oder absorbierenden Materials pro Zeiteinheit charakterisiert. Anhand des charakteristischen nicht- linearen Verlaufs der Temperaturmeßkurve bestimmt man die Art und/oder die Menge des Sorbats. Zur genauen Bestimmung der Sorbatbeladung und/oder Sorbatart wird aus dem gemessenen zeitlichen Temperaturverlauf des adsorbierenden und/oder absorbierenden Materials des Sensors die nach der Zeit differenzierte Funktion gebildet.The temperature is determined directly by a thermocouple and / or indirectly by the Correlation of temperature with the thermally induced change in electrical Conductivity of the adsorbent and / or absorbent material during the Desorption process measured. Activated carbon has here because of the properties of a ohmic heating conductor, proven to be particularly advantageous. Will the adsorbing and / or absorbent material for the purpose of desorbing the sorbate, preferably with constant Heating power, heated, the desorption process or phase transition of the sorbate over a decrease in the relative temperature increase of the adsorbent and / or absorbent material characterized per unit of time. Based on the characteristic non- The linear course of the temperature measurement curve determines the type and / or the amount of Sorbats. For the exact determination of the sorbate loading and / or sorbate type, the measured temperature profile over time of the adsorbing and / or absorbing material of the sensor formed the function differentiated according to time.
Hinzuzufügen ist noch, daß bei diesem Verfahren die so erhaltene Temperaturmeßkurve zum einen stoffspezifisch ist und zum anderen proportional zur Beladung des Sensors ist. Besonders charakteristische Siede-/Desorptionstemperaturen ergeben sich für Substanzen, die im kapillaren Porensystem kondensiert sind, wenn die kapillare Siedetemperatur (Kelvin-Gleichung) erreicht wird; insbesondere wird der hierbei auftretende Temperatureffekt durch eine enge Porenradienverteilung in seiner Signalschärfe unterstützt.It should also be added that in this process the temperature measurement curve obtained in this way one is substance-specific and the other is proportional to the load on the sensor. Especially characteristic boiling / desorption temperatures result for substances in the capillary Pore system are condensed when the capillary boiling temperature (Kelvin equation) is reached becomes; in particular, the temperature effect occurring here is due to a narrow Pore radius distribution supported in its signal sharpness.
Vorzugsweise wird das Verfahren dabei bei einer relativen Gewichtsbeladung von 0,1 bis 30% des Sensors angewendet. Die Sorbatbeladung und/oder Art des Sorbats eines Sensors und/oder Filterelementes, welches einen derartigen Sensor enthält, wird in vorteilhafter Weise durch diese Verfahren diskontinuierlich, jedoch mit sehr kurzen Totzeiten, vorzugsweise von 5 Sekunden bis 60 Minuten gemessen. The process is preferably carried out with a relative weight loading of 0.1 to 30% of the sensor applied. The sorbate loading and / or type of sorbate of a sensor and / or Filter element which contains such a sensor is advantageously by this The process is discontinuous, but with very short dead times, preferably from 5 seconds to Measured 60 minutes.
Ein weiteres Verfahren zur Bestimmung der Art und/oder Menge des Sorbats sieht neben der Desorption des Sorbats eine Wägung des adsorbierenden und/oder absorbierenden Materials des Adsorptionssensors und/oder des Sensors während der Desorption des Sorbats vor. Hierzu wird das Gewicht des adsorbierenden und/oder absorbierenden Materials des Adsorptionssensors und/oder des Sensors mittels einer Quarz-Mikrowaage bestimmt.Another method for determining the type and / or amount of sorbate is provided in addition to Desorption of the sorbate a weighing of the adsorbent and / or absorbent material Adsorption sensor and / or the sensor during the desorption of the sorbate. To do this the weight of the adsorbent and / or absorbent material of the adsorption sensor and / or the sensor is determined by means of a quartz microbalance.
Ein weiteres Verfahren sieht bei Verwendung des Sensors in einem gasförmigen Fluid hoher relativer Luftfeuchte (oberhalb von ca. 70-80% r. F.) zur Verminderung der Beladung des Sensors mit Wasser eine vorzugsweise konstante Beheizung des adsorbierenden und/oder absorbierenden Materials, vorzugsweise durch einen konstanten elektrischen Strom, vor.Another method sees higher in a gaseous fluid when using the sensor relative air humidity (above approx. 70-80% RH) to reduce the load on the Sensor with water a preferably constant heating of the adsorbing and / or absorbent material, preferably by a constant electric current.
Ein weiteres Verfahren sieht bei Einsatz des Sensors in einem Fluid und/oder Aerosol überdies vor, daß der Sensor zur Durchführung der Thermoanalyse aus dem Fluid und/oder Aerosol entfernt wird.Another method also sees a fluid and / or aerosol when the sensor is used before that the sensor for performing the thermal analysis from the fluid and / or aerosol Will get removed.
Die Erfindung wird durch das in den nachfolgenden Figuren dargestellte Ausführungsbeispiel weiter verdeutlicht.The invention is illustrated by the embodiment shown in the following figures further clarified.
Fig. 1 zeigt einen schematischen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Ausführungsform des Sensors. Fig. 1 shows a schematic longitudinal section through an embodiment of the sensor according to the invention.
Fig. 2 zeigt einen schematischen Querschnitt durch die zu Fig. 1 gleiche erfindungsgemäße Ausführungsform des Sensors. FIG. 2 shows a schematic cross section through the embodiment of the sensor according to the invention that is the same as FIG. 1.
Nach Fig. 1 wird eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sensors mit einer zylindrischen Umhüllung im schematischen Längsschnitt gezeigt, bei dem die durchströmbare und/oder anströmbare Fläche (1) aus adsorbierendem und/oder absorbierendem Material besteht. An der An- und Abströmöffnung der zylindrischen Umhüllung (2) ist ein Gitter, z. B. ein Metallgitter (3) angeordnet. Die zylindrische Umhüllung (2), sowie die durchströmbare und/oder anströmbare Fläche (1) sind jeweils mit elektrischen Kontakten (4, 5) versehen, an die von außen eine elektrische Spannung über die Spannungsquelle (6) anlegbar ist. Zur Messung von Strom, Spannung und weiteren elektrischen Meßgrößen sind Meßgeräte (7) vorgesehen. Ferner ist der Fluidstrom (8) dargestellt.According to Fig. 1, an embodiment of the sensor according to the invention is shown having a cylindrical casing in schematic longitudinal section, wherein the flow-through and / or anströmbare surface (1) consists of adsorbent and / or absorbent material. At the inflow and outflow opening of the cylindrical casing ( 2 ) is a grid, for. B. a metal grid ( 3 ) is arranged. The cylindrical sheath ( 2 ) and the flowable and / or flowable surface ( 1 ) are each provided with electrical contacts ( 4 , 5 ) to which an electrical voltage can be applied from the outside via the voltage source ( 6 ). Measuring devices ( 7 ) are provided for measuring current, voltage and other electrical measured variables. The fluid flow ( 8 ) is also shown.
Nach Fig. 2 wird diese Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sensors im schematischen Querschnitt dargestellt. Die zylindrische Umhüllung (2) des adsorbierenden und/oder absorbierenden Materials (1) ist in seinem kreisförmigen Querschnitt gezeigt, wobei ebenso die elektrische Kontaktierung (5) der zylindrischen Umhüllung und die elektrische Kontaktierung (4) des adsorbierenden und/oder absorbierenden Materials, sowie die äußere elektrische Spannungsquelle (6) und das Meßgerät (7) dargestellt sind.According to FIG. 2, this embodiment is shown of the sensor according to the invention in schematic cross section. The cylindrical sheath ( 2 ) of the adsorbent and / or absorbent material ( 1 ) is shown in its circular cross section, the electrical contact ( 5 ) of the cylindrical sheath and the electrical contact ( 4 ) of the adsorbent and / or absorbent material as well the external electrical voltage source ( 6 ) and the measuring device ( 7 ) are shown.
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