CHOVÁNÍ POLÉTAVÉHO PRACHU V ELEKTROSTATICKÉM POLI AUBRECHT. L, KOLLER J., STANĚK Z. ČVUT FEL katedar fyziky, Technická 2, 166 27 Praha 6, Česká Republika
Úvod V současných interiérech sedimentuje polétavý prach zpravidla za spoluúčasti elektrostatických polí. Jejich příčinou jsou jednak elektrické náboje na předmětech z plastických hmot, jednak přístroje pracující s relativně vysokým napětím.. Tento příspěvek představuje v prvním přiblížení experimentální pohled na detailní chování kovových a dielektrických prachových částic při jejich sedimentaci na elektricky nabité ploše.
Teorie Je známo, že částice jakékoli látky se cestou elektrické polarizace nebo cestou elektrostatické indukce stává v elektrostatickém poli dipólem pokud je původně, tj před vstupem do pole, elektricky neutrální. Je-li pole homogenní, projeví se to pouhým natočením dipóĺů do jeho směru. V nehomogenním elektrostatickém poli bude kromě natáčení na částice prachu jakožto dipóly působit síla vyvolávající translační pohyb. Uvažujeme podle obrázku 1 případ, že dipól je již natočený a tudíž rovnoběžný se směrem vektoru intenzity pole. Je-li E intenzita dE pole v místě záporného náboje, je v místě kladného náboje intenzita E + l dx
l
F=-QE
-
+
F´=Q(E+ldE/dx)
E Obr. 1. Prachová částice jako dipól ve vnějším elektrickém poli.
dE ) dx dE dE dE Jejich výslednice Fv = Q( E + l ) − QE = Ql =p leží ve směru pole, kde p je dipólový moment dx dx dx dipólu a x je souřadnice ve směru elektrického pole. Činitelem, který rozhoduje o silovém působení elektrostatického pole na prachovou částici tedy není intenzita tohoto pole, ale hodnota dE/dx, čili lokální spád intenzity. Ten je tím větší, čím je pole více nehomogenní. Nehomogennost pole je tedy rozhodující podmínkou pro silové působení. Kromě toho se zde uplatňuje dipólový moment p =Q*l. Síla Fv působící v nehomogenním elektrostatickém poli na dipólovou částici se vektorově skládá s ostatními silami, zejména tíží, v sílu výslednou, která určuje pohyb a konečné usazení částice na předmětech. V interiérech vyvolávají nehomogenní elektrostatická pole zejména reziduální náboje na látkách, předmětech i osobách. Pro modelování takovýchto polí byla zvolena kruhová kovová deska připojená na generátor vysokého napětí. K ověření, že el. pole v okolí této desky je nehomogenní, vyjdeme z obrázku 2. Odpovídající síly jsou
IUAPPA Praha 2000
F = −QE a F´= Q( E + l
133
Section: B
Staněk Z.: Chování polétavého prachu v elektrostatickém poli
K
a
s
r
dr
R
Obr. 2. Schéma použité usazovací desky. Předpokládáme, že na desce o poloměru R je elektrický náboj s plošnou hustotou σ. Na mezikruží o poloměru r a šířce dr bude elektrický náboj dQ = 2πrσdr. Určíme nejprve potenciál el. pole v bodě K, který leží ve vzdálenosti a na rotační ose desky. Bude mít velikost 1 2πrσ dϕ = 4πε 0 s Po integraci dostaneme potenciál vyvolaný celou deskou v bodě K: σ ϕ= ( a 2 + R 2 − a) 2ε 0 Z toho pak určíme intenzitu pole v tomtéž bodě: dϕ a σ E=− = (1 − ) 2 da 2ε 0 a + R2 Z posledního vzorce je zřejmé, že kovová kruhová deska připojená na elektrický potenciál může sloužit jako model elektrostatického pole vyvolaného na nějakém předmětu nebo technickém zařízení lokálním plošným nábojem. Měřením, např. snímačem typu field mill, lze zjistit, že nejčastější velikost nábojů na předmětech z plastických hmot, popř. na osobách je v rozmezí 10-7 – 10-11 As. Při tom plošný rozsah lze odhadnout pro většinu případů na cca 10 cm2. Proto byl průměr desky zvolen 40 mm. Z toho vyplynula volba potenciálů na sedimentační desce v oboru prvních desítek kilovoltů. Dosavadní údaje se týkaly prachových částic, které byly před vstupem do el. pole bez vlastního náboje. Chování částic s nábojem ve vnějším elektrostatickém poli je poněkud komplikovanější a bude probráno při hodnocení naměřených výsledků.
Uspořádání experimentu. Je znázorněno na obr. 3.Kovová deska 1 jakožto sedimentační plocha byla připojena na výstup stejnosměrného generátoru vysokého napětí 2. U generátoru bylo možno měnit polaritu. Prachové částice byly generovány pneumatickým rozprašovačem 3 jako jednorázové dávky. Kolmo na rovinu uspořádání byl umístěn koronový ionizátor, jímž bylo možno padající prachové částice záporně nabíjet cestou difuzního přisedání iontů. Sedimentaci a další děje na usazovací ploše bylo možno sledovat pomocí Tyndallova jevu. Zdroj světla a optika jsou na obrázku jako č. 4. Vše bylo umístěno ve speciální komoře. Byly vyšetřovány vzorky kovových i dielektrických materiálů organického a minerálního původu. Stanovení počtu usazených částic bylo realizováno prostým čítáním částic v mikroskopu (průměr z opakovaného čtení na různých částech sedimentační elektrody) za použití objektivního měřítka a okulárové stupnice. Expoziční doba byla 30 s popř 60 s. Závisle proměnnou veličinou na křivkách (obrázky 4 až 19) je počet částic na jedné polovině zorného pole mikroskopu. V daném případě to byla plocha 0,45 čtverečního milimetru. Nezávisle proměnná na křivkách je potenciál usazovací elektrody. Velikost a rozměry částic byly charakterizovány tzv. Martinovým průměrem [1]. (Vyšetřované vzorky měly velikost v rozsahu 5 – 120 µm).
IUAPPA 2000
134
Section: B
Staněk Z.: Chování polétavého prachu v elektrostatickém poli
4
3
R
a
E 1
VN
teflon
2
Obr. 3. Schéma aparatury.
N [částic na měrné ploše za 1 min]
N [částic na měrné ploše za 1 min]
bronz nabitý - usazovací elektroda kladná 8
bronz nabitý - usazovací elektroda záporná 6
4
2
charakter částic: lístečky s nepravidelným okrajem Martinův průměr: 0,0216 - 0,1188 mm
0
0
5
10
15
20
25
500
400
300
200
100
charakter částic: lístečky s nepravidelným okrajem Martinův průměr: 0,0216 - 0,1188 mm
0
30
0
10
20
V [kV]
30
40
50
V [kV]
B
N [částic na měrné ploše za 1 min]
N [částic na měrné ploše za 1 min]
B 80
bronz nenabitý - usazovací elektroda záporná
140 120 100 80 60 40
charakter částic: lístečky s nepravidelným okrajem Martinův průměr: 0,0216 - 0,1188 mm
20 0 0
10
20
30
40
60
40
20
charakter částic: lístečky s nepravidelným okrajem Martinův průměr: 0,0216 - 0,1188 mm
0
50
0
V [kV]
IUAPPA 2000
bronz nenabitý - usazovací elektroda kladná
10
20
30
40
50
V [kV]
135
Section: B
Staněk Z.: Chování polétavého prachu v elektrostatickém poli
120
hliník nabitý - usazovací elektroda záporná
6
N [částic na měrné ploše za 1 min]
N [částic na měrné ploše za 1 min]
7
5 4 3 2 1 0
charakter částic: nepravidelné hrudky s hladkým povrchem Martinův průměr: 0,0705 - 0,0939 mm 0
10
20
30
hliník nabity - usazovací elektroda kladná
100
80
60
40
20
charakter částic: nepravidelné hrudky s hladkým povrchem Martinův průměr: 0,0705 - 0,0939 mm
0 0
40
10
20
N [částic na měrné ploše za 1 min]
N [èástic na mìrné ploše za 1 min]
12
hliník nenabitý - usazovací elektroda záporná
20 18 16 14 12 10 8 6
charakter částic: nepravidelné hrudky s hladkým povrchem Martinův průměr: 0,0705 - 0,0939 mm
4 2 0
10
20
30
40
8
6
4
charakter částic: nepravidelné hrudky s hladkým povrchem Martinův průměr: 0,0705 - 0,0939 mm 2
50
0
10
N [částic na měrné ploše za 1 min]
N [částic na měrné ploše za 1 min]
15
10
5
charakter částic: nepravidelné ostrohranné mnohostěny Martinův průměr: 0,0576 - 0,0234 mm 10
20
20
30
60
40
charakter částic: nepravidelné ostrohranné mnohostěny Martinův průměr: 0,0576 - 0,0234 mm
20
0
10
20
N [částic na měrné ploše za 1 min]
N [částic na měrné ploše za 1 min]
40
35
30
25
charakter částic: nepravidelné ostrohranné mnohostěny Martinův průměr: 0,0576 - 0,0234 mm
15 30
40
50
45 40 35 30 25 20
charakter částic: nepravidelné ostrohranné mnohostěny Martinův průměr: 0,0576 - 0,0234 mm
15 0
50
10
20
30
40
V [kV]
V [kV]
IUAPPA 2000
40
korund nenabitý - usazovací elektroda kladná
50
45
20
30
V [kV]
B
10
50
80
40
korund nenabitý - usazovací elektroda záporná
0
40
korund nabitý - usazovací elektroda kladná
V [kV]
20
30
V [kV]
korund nabitý - usazovací elektroda záporná
0
50
hliník nenabitý - usazovací elektroda kladná
100
0
40
10
V [kV]
20
30
V [kV]
V [kV]
136
Section: B
Staněk Z.: Chování polétavého prachu v elektrostatickém poli
B N [částic na měrné ploše za 1 min]
N [částic na měrné ploše za 1 min]
škrob nabitý - usazovací elektroda kladná
škrob nabitý - usazovací elektroda záporná
16 14 12 10 8 6
prostý průměr částic: 0,072 - 0,019 mm
4 2
80
60
40
prostý průměr částic: 0,072 - 0,019 mm
20
0
0
0
0
5
10
15
20
25
10
20
30
40
V [kV]
30
V [kV]
B
škrob nenabitý - usazovací elektroda záporná N [èástic na mìrné ploše za 1 min]
N [částic na měrné ploše za 1 min]
25
20
15
10
prostý průměr částic: 0,072 - 0,019 mm
5
0
10
20
30
40
škrob nenabitý - usazovací elektroda kladná
30
25
20
15
prostý prùmìr èástic: 0,072 - 0,019 mm 10
50 0
V [kV]
10
20
30
40
V [kV]
Chování exponovaných částic je kromě elektrického pole ovlivněno řadou dalších činitelů, zejména materiálem, velikostí, tvarem a charakterem povrchu. Nenabité kovové částice v blízkosti elektrody 2 se stávají cestou elektrostatické indukce dipóly, natáčejí se do lokálního směru siločar (tedy tečny k siločáře) a nakonec se usadí na elektrodě. Zde přestanou být dipóly, převezmou část náboje elektrody a v závislosti na vlastní tíze opět vlivem coulombovských sil odskočí od elektrody [2]. Ukazují to sestupné větve depozičních křivek. Nenabité dielektrické částice se v blízkosti usazovací elektrody polarizují. Natočí se do směru tečen k siločarám a uloží na elektrodu. Zde dojde ke zrušení polarizace a ta část povrchu částice, která je v bezprostředním kontaktu s usazovací elektrodou převezme její náboj. Má-li částice dostatečně nízkou hmotnost, je odpuzena od plochy 2 jak to ukazují odpovídající křivky. Kovové částice nabíjené během sedimentace záporně se dle polarity depoziční elektrody na ní usazují ve zvýšené nebo naopak snížené míře pod vlivem Coulombových sil. Totéž platí o dielektrických nabíjených částicích. Při tom opět dochází v kontaktu s usazovací elektrodou (v některých případech) ke ztrátě vlastního náboje, přepólování a odpuzení. Částice, které jsou přirozenými dipóly pod vlivem hromadného přisedání iontů z korony tento svůj charakter ztrácejí a jejich chování se neliší od dielektrických částic bez dipólového momentu. Z uvedeného chování je ovšem mnoho výjimek. To platí tím více u prachů směsných.
Závěr Výsledkem experimentů je několik zjištění: 1. V elektrostatických polích dochází vždy k redistribuci prachových částic bez ohledu na jejich původ, chemickou podstatu, látkovou formu, tvar, povrchovou strukturu, hustotu a existenci či neexistenci vlastního elektrického náboje. Jako sedimentační „elektroda“ (popř. „elektrody“) fungují zpravidla lokální plošné náboje na plastech a technických zařízeních. 2. Přednostně podléhají elektrostatickému přerozdělení a depozici částice nejmenší. 3. Užití elektrostatických polí k zachycování prachových částic a čištění vzduchu od nich může v některých případech mít efekt právě opačný, tedy sekundární rozprašování vyvolané odskakováním.
IUAPPA 2000
137
Section: B
Staněk Z.: Chování polétavého prachu v elektrostatickém poli 4.
Vzhledem k tomu, že ve většině interierů mají nezanedbatelný elektrický náboj i osoby, může elektrický redistribuční efekt být příčinou průniku vyššího a zdravotně významného množství prachu (např. kovového z dopravy a provozu strojů vně interieru) do dýchacích cest ve srovnání se stavem bez el. polí. Je možno konstatovat, že redistribuční elektrický efekt je významným negativním činitelem životního prostředí v obytných i pracovních interierech. Tento efekt se samozřejmě vyskytuje i ve volné přízemní atmosféře za vhodných meteorologických podmínek, zejména v ovzduší měst a průmyslových aglomerací. Častý je také při hromadném odkvétání rostlin a zvláště jehličnatých dřevin.
Poděkování Tato práce byla podporována grantem GAČR 102/99/1365.
Literatura: [1] [2] [3] [4] [5]
Landsperský H.: Měření povrchu a velikosti částic práškových materiálů. SNTL Praha, 1967. Bohm J.: Elektrické odlučovače. SNTL Praha, 1977. Morton K.: Elektrické odlučovače na striedavé napatie. Sborník ČSVTS “Statická elektřina 86”, 1986. Hollerová J.: Prašnost ve vnitřním prostředí. Sborník “Přístroje pro úpravu vzduchu”. SZÚ Praha, 1998. Slovák P., Kuba J.: Zapojení pro měření elektrostatických nábojů. AO 151253, 1973.
IUAPPA 2000
138
Section: B
