Agglomeratstabilität von Nanopartikeln in Flammen zur Untersuchung der Freisetzung von Nanopartikeln bei der Abfallverbrennung

Diese Arbeit untersucht die Stabilität von agglomerierten Ceroxid-Nanopartikeln in Flammen. Hierzu wurde Ceroxid-Aerosol in Laborflammen, in eine Drehrohr-Pilotanlage und in eine industrielle Sonderabfallverbrennungsanlage, eingebracht. Die Partikelgrößenverteilungen sowie CeO2-Konzentrationen im Abgas, Abwasser und Reststoffen der Abgasreinigung wurden gemessen. Es konnte gezeigt werden, dass sich CeO2-Agglomerate bereits weit unter dem Schmelzpunkt des Bulkmaterials zersetzen und im Abgas hohe Konzentrationen von Nanopartikeln bilden. Trotzdem tritt bei der thermischen Abfallbehandlung keine Freisetzung von CeO2 -Nanopartikeln in die Umgebung auf, da diese im Abgas mit dem Flugstaub agglomerieren und in der Abgasreinigung zurückgehalten werden. ... mehr
In Laboruntersuchungen mit einer Propan-Vormischflamme zersetzen sich CeO2-Agglomerate im Bereich von 1.400 bis 1.750°C und bilden hohe Konzentrationen von Nanopartikeln im Bereich von 7-15 nm. Die fahlgelbe Flammenfärbung weist auf die Bildung gasförmiger Cer-Spezies hin, die im kühleren Abgas Partikel bilden, deren mit HR-TEM bestimmte Gitterkonstante mit CeO2 übereinstimmt. Durch parallele Untersuchungen in einem Rohrofen im Temperaturbereich bis 1.600°C wurde ein reiner Temperatureffekt ausgeschlossen. Bei der Zersetzung dürften somit reduzierende Flammenbestandteile eine wesentliche Rolle spielen. Bei den Tracer-Versuchen an der Pilotanlage am Campus Nord des KIT und an der Rückstandsverbrennungsanlage in Dormagen wurde gleichermaßen vorgegangen, indem eine Ceroxid-Suspension mit einem Partikeldurchmesser von 40 nm in den Brennraum eingedüst und im Rauchgas die Konzentration und die Größenverteilung von Ceroxid bestimmt wurde. Im Rauchgas beider Anlagen wurden Partikel mit einem Durchmesser von weniger als 20 nm gemessen. Somit finden hier die gleichen Prozesse statt, welche, wie in den Laborversuchen, zur Bildung einer neuen Partikelfraktion führen. Die elementspezifische Massenverteilung des Cers durch die ICP-MS Analyse der einzelnen Impaktorstufen zeigt die Agglomeration der Ceroxidpartikel mit dem Flugstaub. Die Wiederfindungsrate im Rauchgas lag bei 30% des eindosierten Ceroxid-Tracers.
In der nassen Rauchgasreinigung (RGR) der Rückstandsverbrennungsanlage (RVA) wurden 99,99%, bezogen auf die insgesamt zudosierte Tracer-Menge, abgeschieden. Die Bilanzierung der wässrigen Stoffströme der RGR zeigt, dass 69% der Tracermenge in Quensche und saurem Wäscher abgeschieden werden. Im Filtrat der Waschwasserbehandlung, in der alle Stoffströme der RGR gereinigt werden, lag die Konzentration an Cer unterhalb der Nachweisgrenze. D. h., dass die gesamte Menge an abgeschiedenen Partikeln aus der RVA im Filterkuchen abgeschieden wird.

This thesis investigates the stability of agglomerated cerium oxide nanoparticles in flames. For this purpose, cerium oxide aerosol was introduced into laboratory flames, into a rotary kiln pilot plant and into an industrial hazardous waste incinerator. The particle size distributions and CeO2 concentrations in the flue gas, wastewater and residues from the flue gas cleaning were measured. It could be shown that CeO2 agglomerates decompose far below the melting point of the bulk material and form high concentrations of nanoparticles in the waste gas. Nevertheless, no release of CeO2 nanoparticles occurs during thermal waste treatment, as the agglomerates are retained in the waste gas with the flue dust in the waste gas purification system. ... mehr
In laboratory tests with a propane premix flame, CeO2 agglomerates decompose in the range of 1,400 to 1,750°C and form high concentrations of nanoparticles in the range of 7-15 nm. The pale yellow flame colour indicates the formation of gaseous cerium species, which form particles in the cooler exhaust gas whose lattice constant, determined with HR-TEM, coincides with CeO2. By parallel investigations using a tube furnace in the temperature range up to 1,600°C, a pure temperature effect was excluded. Thus, reducing flame components are likely to play a significant role in the decomposition. The tracer experiments at the pilot plant at KIT's Campus North and at the residue incineration plant in Dormagen proceeded in the same way, by injecting a cerium oxide suspension with a particle diameter of 40 nm into the combustion chamber and determining the concentration and size distribution of cerium oxide in the flue gas. Particles with a diameter of less than 20 nm are measured in the flue gas of both plants. Thus, the same processes leading to the formation of a new particle fraction take place, just like in the laboratory tests. The element-specific mass distribution of cerium by ICP-MS analysis of the individual impactor stages shows the agglomeration of the cerium oxide particles with the flue dust. The recovery rate in the flue gas was 30% of the injected ceria tracer.
In the wet flue gas cleaning of the residue incineration plant amounted to 99.99%, related to the total tracer quantity to be dosed. The balancing of the aqueous material flows of the wet flue gas cleaning shows that 69% of the tracer quantity is separated in the quencher and acid scrubber. In the filtrate of the wash water treatment, in which all material flows of the flue gas cleaning are cleaned, the concentration of cerium was below the detection limit, i. e. the entire amount of separated particles from the residue incineration plant are separated in the filter cake.