Entwicklung und Optimierung pneumatischer Mikrozerstäuber für den verbesserten Probeneintrag in der Plasmaemissionsspektrometrie AES
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- Gisela Schwarz
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1 Entwicklung und Optimierung pneumatischer Mikrozerstäuber für den verbesserten Probeneintrag in der Plasmaemissionsspektrometrie AES Zur Erlangung des akademischen Grades eines Dr.-Ing. vom Fachbereich Bio- und Chemieingenieurwesen der Universität Dortmund genehmigte Dissertation vorgelegt von Dipl.-Ing. Sascha Groom aus Marl Tag der mündlichen Prüfung: Gutachter: Prof. Dr. Walzel 2. Gutachter: Prof. Dr. Fahlenkamp Dortmund 2006
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3 Schriftenreihe Mechanische Verfahrenstechnik Band 11 Sascha Groom Entwicklung und Optimierung pneumatischer Mikrozerstäuber für den verbesserten Probeneintrag in der Plasmaemissionsspektrometrie AES D 290 (Diss. Universität Dortmund) Shaker Verlag Aachen 2007
4 Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über abrufbar. Zugl.: Dortmund, Univ., Diss., 2006 Copyright Shaker Verlag 2007 Alle Rechte, auch das des auszugsweisen Nachdruckes, der auszugsweisen oder vollständigen Wiedergabe, der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen und der Übersetzung, vorbehalten. Printed in Germany. ISBN ISSN Shaker Verlag GmbH Postfach Aachen Telefon: / Telefax: / Internet: info@shaker.de
5 Danksagung Die vorliegende Arbeit ist während meiner Tätigkeit als wissenschaftlicher Mitarbeiter am Lehrstuhl für Mechanische Verfahrenstechnik im Fachbereich Bio- und Chemieingenieurwesen der Universität Dortmund entstanden. An dieser Stelle möchte ich mich bei all jenen Personen und Organisationen bedanken, die mich auf unterschiedlichste Art und Weise in meinem Promotionsvorhaben unterstützten. Zunächst geht mein Dank an Herrn Prof. Dr. Walzel, der die thematische Anregung zu dieser Dissertation gab und mir mit großem Engagement eine hervorragende wissenschaftliche Betreuung bot. Die Zeit am Lehrstuhl war auch auf Grund der abwechselungsreichen Themenstellungen äußerst lehrreich. Für die Übernahme des Korreferats bedanke ich mich bei Herrn Prof. Dr. Fahlenkamp. Des Weiteren haben die Lehrstuhlmitarbeiter, die studentischen Hilfskräfte und die Studienund Diplomarbeiter einen großen Anteil zum Gelingen dieser Arbeit beigetragen, wofür ich mich hier herzlich bedanken möchte. Für die fachliche Einführung in die zunächst fremde Thematik der Plasmaspektroskopie und den zahlreichen wertvollen Gesprächen möchte ich mich bei Herrn Dipl.-Chem. Gerd Schaldach bedanken. Dem Institut für Spektrochemie und angewandte Spektroskopie Dortmund (ISAS), und hier im Besondern Herrn Prof. Berndt, danke ich für die experimentell Unterstützung im Bereich der Spektroskopie. Meinen Assistentenkollegen danke ich für die außerordentlich Hilfsbereitschaft und die angenehme Diskussionsatmosphäre am Lehrstuhl. Mein Dank für die finanzielle Unterstützung gilt der Deutschen Forschungsgemeinschaft. Last but not least möchte ich dem wichtigsten Menschen, meiner Frau Yvonne, danken, die mich in dieser anstrengenden Zeit mit großer Geduld und unendlichem Verständnis unterstützte. Meine Familie, und hier im Besonderen auch unsere lieben Kinder Ian Bennet und Phil Louis, musste so manche Stunden auf mich verzichten, so dass ich ihnen gerne diese Arbeit widmen möchte.
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7 INHALTSVERZEICHNIS KAPITEL 1 EINLEITUNG Problemstellung Zielsetzung 3 KAPITEL 2 PRINZIPIEN UND VERFAHREN DES PROBENEINTRAGS DER ATOMSPEKTROMETRIE Die Atomemissionsspektrometrie AES/OES 6 Aufbau und Funktionsweise 7 Das Emissionssignal 8 Auswirkung der Tropfengrößenverteilung des Aerosols auf das Emissionssignal 8 Signal- und Hintergrundrauschen 8 Die Nachweisgrenze (LOD) Der Probeneintrag in der Plasmaspektroskopie 10 Grundlagen zum pneumatischen Zerstäuben 11 Dimensionslose Kennzahlen für das pneumatische Zerstäuben 12 Ausströmvorgänge des Gases an pneumatischen Zerstäubern 13 Die Abscheidekammer Stand der Technik- Übersicht der wissenschaftlichen Beiträge 19 Konzentrische Zerstäuber (Meinhardzerstäuber) 20 Crossflow-Zerstäuber 24 Babington-Zerstäuber 26 Hildebrand-Zerstäuber 31 Ultraschalzerstäuber 32 Thermospray-Zerstäuber 34 Prallkörper-Zerstäuber( Jet Impact Nebulizer) 36 Single Bore High Pressure Pneumatic Nebulizer 37 Rotationszerstäuber (RDN) 38 Direct Injection High Efficiency Nebulizer 39
8 INHALTSVERZEICHNIS KAPITEL 3 UNTERSUCHUNGEN AN MIKROZERSTÄUBERN Auswahl und Anfertigung der Mikrozerstäuber 41 Prefilming-Dralldüse (PFDD) 41 Pneumatische Ziehdüse (PEN) Modell zur Berechnung der Strahldehnung in Pneumatischen Ziehdüsen 45 Herleitung des Modells 45 Überprüfung des Modellansatzes Vergleichende Untersuchung der Probenzerstäuber 55 Versuchsbeschreibung und Versuchsaufbau 57 Versuchsergebnisse mit dem Laserbeugungsspektrometer (LDS) 58 Empirischer Ansatz zur Abschätzung der mittleren Tropfengröße 59 Versuchsergebnisse mit dem Laser-Phasen-Doppler- Anemometer (LPDA) Untersuchungen an vergrößerten Modellzerstäubern 87 Modellversuche an Prefilming-Dralldüsen (PFDD) 88 Modellversuche an pneumatischen Ziehdüsen (PEN) Untersuchungen mit dem optimierten PEN-Zerstäuber an einem Plasmaemissionspektrometer (AES/OES) 104 Der optimierte PEN-Zerstäuber 104 Ergebnisse der spektroskopischen Untersuchung 106 KAPITEL 4 ZUSAMMENFASSUNG 109 KAPITEL 5 LITERATURVERZEICHNIS 113
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