CH671465A5

CH671465A5 -

Info

Publication number: CH671465A5
Application number: CH3763/86A
Authority: CH
Inventors: Heinz Walter Dr Gaeggeler; Urs Dr Baltensperger; Dietrich Theodor Dr Jost
Original assignee: Industrieorientierte Forsch
Priority date: 1986-09-19
Filing date: 1986-09-19
Publication date: 1989-08-31
Also published as: DE3727903A1; DE3727903C2

Description

BESCHREIBUNG

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Überwachen der Konzentration von in einem gasförmigen Medium enthaltenen Aerosolen sowie eine Einrichtung zum Durchführen des Verfahrens.

Zum Beispiel im Zusammenhang mit Kontrollen der Verschmutzung atmosphärischer Luft besteht das Bedürfnis, die Konzentration von Schwebeteilchen in der Luft zu überwachen, insbesondere von festen Schwebeteilchen in lungengängigen Grössen im Bereich von 0,1 bis 1 [im Durchmesser. Bekannte Verfahren und Einrichtungen zum Bestimmen von Aerosolkonzentrationen sind verhältnismässig kompliziert, aufwendig und/oder energieverbrauchend, weshalb sie für Einsätze an dezentralisierten Orten und in abgelegenen Gebieten, z. B. zur kontinuierlichen Überwachung der Konzentration von Aerosolen in der Luft, nur beschränkt oder gar nicht geeignet sind.

Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, ein verhältnismässig einfaches Verfahren und eine relativ einfache, leicht transportable und nur verhältnismässig wenig Energie benötigende Einrichtung zum Überwachen der Konzentration von Aerosolen in einem gasförmigen Medium, insbesondere Luft, zu schaffen.

Als Lösung dieser Aufgabe wurden das Verfahren gemäss Anspruch 1 und die Einrichtung gemäss Anspruch 6 gefunden.

In den abhängigen Ansprüchen sind zweckmässige und vorteilhafte Weiterbildungen des Verfahrens und der Einrichtung gemäss der Erfindung definiert.

Die Erfindung beruht auf dem Gedanken, die in einem gasförmigen Medium, wie z. B. Luft, enthaltenen Aerosole mit verhältnismässig kurzlebigen radioaktiven Isotopen zu markieren und nachher die Radioaktivität der an einem stationären Filter niedergeschlagenen markierten Aerosole zu messen. Hierfür wird erfindungsgemäss das die Aerosole enthaltende gasförmige Medium durch eine Kammer hindurchgefördert, in welcher die für die Markierung der Aerosole verwendeten Isotope mit einer konstanten Produktionsrate erzeugt werden. Als besonders zweckmässig haben sich für die Markierung der Aerosole Bleiisotope 211Pb(s) erwiesen, die eine Halbwertszeit von 36,1 min aufweisen und durch den Zerfall des Radonisotops 219Rn(g) erzeugt werden, das seinerseits aus einer langlebigen Actinium-Strahlungsquelle 227Ac(s) emaniert und eine Halbwertszeit von nur 4,0 s aufweist. Es hat sich gezeigt, dass die Radioaktivität der am Filter abgeschiedenen Aerosole proportional der Gesamtoberfläche der abgeschiedenen Aerosole und damit ein Mass für die jeweilige Aerosol-Konzentration ist. Da die für die Markierung der Aerosole benutzten radioaktiven Isotope s

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verhältnismässig kurzlebig sind, zerfällt die am Filter akkumulierte Radioaktivität verhältnismässig rasch, was eine kontinuierlich oder in relativ kurzen Perioden erfolgende Messung und gegebenenfalls Registrierung der von der Aerosolkonzentration abhängigen Radioaktivität erlaubt, obwohl der Filter stationär ist.

Es ist zwar bekannt, z. B. aus den deutschen Offenlegungsschriften 3 103 176 und 3 126 964, zur Messung der Radioaktivitätskonzentration eines Gases im Strömungsweg des Gases einen Filter anzuordnen, an dem die im Gas enthaltenen radioaktiven Aerosole abgeschieden werden, und dann die Radioaktivität der abgeschiedenen Aerosole zu messen. Bei dieser bekannten Technik hat man jedoch keinen stationären Filter sondern ein Filterband verwendet, das kontinuierlich bewegt wird, so dass fortlaufend frische Partien des Filterbandes mit den aus dem Gas abgeschiedenen Aerosolen belegt und anschliessend zu einem Strahlungsdetektor transportiert werden. Abgesehen davon, dass ein kontinuierlich zu bewegendes Filterband eine kompliziertere und aufwendigere Einrichtung bedingt als ein stationärer Filter, und zudem zusätzliche Energie für den Bewegungsantrieb des Filterbandes verlangt, liegt der bekannten Technik eine ganz andere Aufgabe als der vorliegenden Erfindung zugrunde, nämlich eine rasche Messung von zeitlich variierenden Radioaktivitätskonzentrationen eines Gases, wobei völlig offen ist, wie die Variation der Radioaktivitätskonzentrationen zustande kam.

Bei dem Verfahren gemäss vorliegender Erfindung werden zwar auch zeitlich variierende Radioaktivitätskonzentrationen eines gasförmigen Mediums gemessen, aber dies ist nur ein Teil der Erfindung.

Nachstehend ist die Erfindung rein beispielsweise näher erläutert, und zwar unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung, deren einzige Figur schematisch ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemässen Einrichtung zeigt. Die dargestellte Einrichtung ist für eine kontinuierliche oder periodische Überwachung der Konzentration von Aerosolen in der atmosphärischen Luft vorgesehen.

Diese Einrichtung weist eine erste Kammer 11 auf, in welche ein Lufteinlassrohr 12 hineingeführt ist. Die im Innern der Kammer 11 liegende Mündung 13 des Lufteinlassrohres 12 befindet sich in der Nähe einer langlebigen radioaktiven Strahlungsquelle 14 aus 227Actinium. Für den Luftauslass aus der Kammer 11 ist eine Rohrleitung 15 vorhanden, deren Eintrittsmündung 16 in einem relativ grossen Abstand von der Strahlungsquelle 14 angeordnet ist. Die Kammer 11 ist bis auf den Lufteinlass 12,13 und den Luftauslass 15,16 hermetisch geschlossen und weist ein Volumen von im Bereich von 100 bis 1000 ml, vorzugsweise etwa 500 ml, auf. Die Wandungen der Kammer 11 bestehen z. B. aus nichtrostendem Stahl oder aus einer Aluminium-Legierung.

Die für den Luftauslass aus der Kammer 11 vorgesehene Rohrleitung 15 führt zu einer zweiten Kammer 17, die durch einen Mikroporen-Filter 18 in zwei Räume 17A und 17B unterteilt ist. Die Austrittsmündung 19 der Rohrleitung 15 befindet sich im einem Raum 17A. Der andere Raum 17B steht mittels eines Rohrstutzens 20 mit dem Einlass 21 einer Saugpumpe 22 in Verbindung, deren Auslass 23 in die Atmosphäre mündet. Die Saugpumpe 22 hat die Aufgabe, Luft aus der Atmosphäre durch das Einlassrohr 12, die erste Kammer 11, die Rohrleitung 15 und die zweite Kammer 17 hindurch zu fördern und dann wieder in die Atmosphäre abzugeben. Die Förderleistung der Saugpumpe 22 ist verhältnismässig niedrig und liegt im Bereich von 150 bis 500 ml/min, vorzugsweise bei etwa 250 ml/min. Zum Antrieb der Saugpumpe 22 genügt deshalb ein verhältnismässig kleiner Elektromotor 24, der z. B. mittels einer Batterie 25 gespeist ist. Aus Gründen, die noch erläutert werden, weist die die beiden

Kammern 11 und 17 miteinander verbindende Rohrleitung einen Innendurchmesser im Bereich von 0,5 bis 5 mm, vorzugsweise etwa 1 mm, und eine Länge im Bereich von 0,5 bis 10 m, vorzugsweise etwa 1,5 m, auf. Die Rohrleitung 15 kann um die erste Kammer 11 herum gewickelt sein.

In der zweiten Kammer 17, und zwar zweckmässig im Raum 17A, in den die Rohrleitung 15 einmündet, befindet sich ein Detektor 26 für Alpha-Strahlungen, beispielsweise ein Sperrschicht-Detektor, der über eine elektrische Leitung 27 mit einem Mess- und Registriergerät 28 verbunden ist. Die elektrische Speisung des Gerätes 28 erfolgt entweder aus der bereits erwähnten Batterie 25 oder aus einer weiteren Batterie 29. Zweckmässig hat der Detektor 26 die Gestalt einer zum Filter 18 parallel angeordneten Ringscheibe, durch deren zentrale Öffnung die die Austrittsmündung 19 aufweisende Partie der Rohrleitung 15 hindurchragt.

Die Gebrauchs- und Wirkungsweise der beschriebenen Einrichtung und das mit dieser Einrichtung ermöglichte Verfahren zum Überwachen der Konzentration von Aerosolen in der atmosphärischen Luft sind wie folgt:

Die 227Actinium-Strahlungsquelle 14 emaniert fortwährend gasförmige radioaktive 219Radonisotope, die eine Halbwertszeit von lediglich 4,0 s aufweisen und in feste21 'Bleiisotope mit einer Halbwertszeit von 36,1 min zerfallen. Diese radioaktiven Bleiisotope werden mit einer konstanten Produktionsrate erzeugt. Durch die Saugwirkung der Saugpumpe 22 wird Luft aus der Atmosphäre über das Einlassrohr 12 in die erste Kammer 11 gefördert. Wenn die Luft Aerosole enthält, lagern sich die radioaktiven Bleiisotope an den Oberflächen der Aerosole an, wodurch die letzteren radioaktiv markiert werden.

Durch die Rohrleitung 15 hindurch wird die Luft mit den darin enthaltenen, radioaktiv markierten Aerosolen unter dem Einfluss der Saugpumpe 22 in die zweite Kammer 17 transportiert. Wegen des verhältnismässig kleinen Innendurchmessers der Rohrleitung 15 nimmt das die letztere durchströmende Medium eine relativ hohe Geschwindigkeit an, trotz der geringen Förderleistung der Saugpumpe 22. Infolge der relativ hohen Strömungsgeschwindigkeit in der Rohrleitung 15 werden die Aerosole zwangsläufig mitgerissen, und die relativ grosse Längenabmessung der Rohrleitung 15 gewährleistet eine verhältnismässig gleichmässige Verteilung der Aerosole in dem die Austrittsmündung 19 verlassenden Luftstrom. In der gegenüber der Rohrleitung 15 stark erweiterten zweiten Kammer 17 sinkt die Strömungsgeschwindigkeit der Luft erheblich. Während die Luft durch die Poren des Filters 18 hindurchtritt und nachher mittels der Saugpumpe 22 in die Atmosphäre zurück gefördert wird, werden die in der Luft mitgeführten Aerosole zusammen mit den an ihnen angelagerten radioaktiven Isotopen am Filter 17 abgeschieden. Mit Hilfe des Detektors 26 und dem angeschlossenen Gerät 28 wird die Aktivität der von den Isotopen ausgehenden Alpha-Strahlung kontinuierlich oder periodisch gemessen und vorzugsweise auch registriert. Die so gewonnenen Messresultate sind proportional der Gesamtoberfläche der radioaktiv markierten Aerosole und folglich ein Mass für die jeweiligen Aerosolkonzentrationen.

Da die zur Markierung der Aerosole benutzten Bleiisotope eine verhältnismässig kurze Halbwertszeit von 36,1 min aufweisen, zerfällt die am Filter 17 akkumulierte Radioaktivität relativ rasch. Ohne dass der Filter bewegt oder zwischen aufeinanderfolgenden Messungen ausgewechselt werden muss, ist daher eine kontinuierliche oder periodische Ermittlung der Konzentration von in der Luft enthaltenen Aerosolen mit ausreichend hoher Genauigkeit möglich. Eine Auswechslung des Filters 17 ist nur in relativ grossen Zeitabständen, z. B. nach mehreren Wochen Betriebsdauer, erfor5

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derlich, wenn der Filter durch die abgelagerten Aerosole verstopft zu werden droht.

Die beschriebene Einrichtung gestattet z. B. eine kontinuierliche Überwachung der Aerosolkonzentration in der atmosphärischen Luft über Tage oder Wochen hinweg. Die Einrichtung kann mit verhältnissmässig kleinen Abmessungen und geringem Gewicht realisiert werden und benötigt zu ihrem Betrieb nur relativ wenig elektrische Energie. Dies ermöglicht einen mobilen Einsatz der Einrichtung, auch an entlegenen Orten, so dass eine Überwacung der Höhe und s der zeitlichen Schwankungen von Schadstoffbelastungen der Luft praktisch überall durchgeführt werden kann.

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1 Blatt Zeichnungen

Claims

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1. Verfahren zum Überwachen der Konzentration von in einem gasförmigen Medium enthaltenen Aerosolen, dadurch gekennzeichnet, dass man das die Aerosole enthaltende gasförmige Medium durch eine Kammer (11) hindurch fördert, in welcher verhältnismässig kurzlebige radioaktive Isotope (14) mit einer konstanten Produktionsrate erzeugt werden, wobei diese Isotope sich an den Oberflächen der Aerosole anlagern und damit die Aerosole radioaktiv markieren, dass man das die radioaktiv markierten Aerosole enthaltende gasförmige Medium durch einen stationären Filter (18) hindurchführt, an welchem die Aerosole abgeschieden werden, und dass man die Radioaktivität der am Filter (18) abgeschiedenen Aerosole kontinuierlich oder intermittierend ermittelt, wobei jeweils das Messresultat proportional der Gesamtoberfläche der abgeschiedenen, radioaktiv markierten Aerosole und damit ein Mass für die jeweilige Aerosolkonzentration ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der Kammer (11) Bleiisotope 2UPb(s) erzeugt werden, die eine Halbwertszeit von 36,1 min aufweisen.

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PATENTANSPRÜCHE

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Bleiisotope durch den Zerfall des Radonisotops 2I9Rn(g) erzeugt werden, das seinerseits aus einer in der Kammer vorhandenen langlebigen Actinium-Strahlungs-quelle 227Ac(s) emaniert und eine Halbwertszeit von 4,0 s aufweist.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass man das die Aerosole enthaltende gasförmige Medium mit einer Förderrate im Bereich von 150 bis 500 ml/min, vorzugsweise etwa 250 ml/min, durch die Kammer und den Filter (18) fördert.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass man das die radioaktiv markierten Aerosole enthaltende gasförmige Medium von der Kammer (11) zum Filter (18) durch eine Rohrleitung (15) hindurch führt, deren Innendurchmesser im Bereich von 0,5 bis 5 mm liegt und vorzugsweise etwa 1 mm beträgt.

6. Einrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine erste Kammer (11) mit einem Einlass (13) und einem Auslass (16) für ein die Aerosole enthaltendes gasförmiges Medium, einer in der ersten Kammer (11) angeordneten Strahlungsquelle (14) zum Erzeugen von verhältnismässig kurzlebigen radioaktiven Isotopen, die sich an Oberflächen der Aerosole anzulagern vermögen, eine zweite Kammer (17) mit einem Einlass (19) und einem Auslass (20) für das gasförmige Medium, eine den Auslass (16) der ersten Kammer (11) mit dem Einlass (19) der zweiten Kammer (17) verbindende Rohrleitung (15), einen in der zweiten Kammer (17) angeordneten gasdurchlässigen Filter (18), der den Einlass (19) und den Auslass (20) dieser Kammer (17) voneinander trennt, eine Pumpe (22) zum kontinuierlichen Fördern des gasförmigen Mediums vom Einlass (13) der ersten Kammer (11) zum Auslass (20) der zweiten Kammer (17), und einen Strahlungsdetektor (26) zum Ermitteln der Radioaktivität von am Filter (18) abgeschiedenen Aerosolen.

7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die in der ersten Kammer (11) angeordnete Strahlungsquelle (14) Actinium 227Ac(s) aufweist und Radonisotope 219Rn(g) mit einer Halbwertszeit von 4,0 s erzeugt, die ihrerseits in Bleiisotope 2IIPb(s) zerfallen, welche sich an den Oberflächen der Aerosole anzulagern vermögen und eine Halbwertszeit von 36,1 min aufweisen.

8. Einrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpe (22) eine an den Auslass (20) der zweiten Kammer (17) angeschlossene Saugpumpe ist.

9. Einrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpe (22) eine Förderleistung im Bereich von 150 bis 500 ml/min, vorzugsweise etwa 250 ml/ min, aufweist.

10. Einrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die den Auslass (16) der ersten Kammer (11) mit dem Einlass (19) der zweiten Kammer (17) verbindende Rohrleitung (15) einen Innendurchmesser im Bereich von 0,5 bis 5 mm, vorzugsweise etwa 1 mm, aufweist.

11. Einrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohrleitung (15) eine Länge im Bereich von 0,5 bis 10 m, vorzugsweise etwa 1,5 m, aufweist.

12. Einrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Kammer (11) ein Volumen im Bereich von 100 bis 1000 ml, vorzugsweise etwa 500 ml, aufweist.