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Die Produktion von Materialien mit Abmessungen im Nanometerbereich hat in den letzten Jahren immer weiter zugenommen. Um die Sicherheit beim Umgang mit diesen Produkten zu gewährleisten, muss das Gefahrenpotenzial solcher innovativen Materialien bekannt sein. Während bereits in mehreren Studien die Auswirkungen von Explosionen (wie z.B. maximaler Explosionsdruck und maximaler zeitlicher Druckanstieg) von Stäuben mit Primärpartikeln im Nanometerbereich untersucht wurden, ist darüber hinaus bislang wenig über die Zündtemperaturen und die Flammenausbreitungsgeschwindigkeiten solcher Pulver bekannt.
Problematisch bei der Untersuchung der Flammengeschwindigkeiten von Staubexplosionen allgemein ist, dass die Stäube vor dem Entzünden dispergiert werden müssen. Auf diese Weise wird eine gute Verteilung der Partikel im entsprechenden Prüfvolumen sichergestellt. Dies führt jedoch dazu, dass zum Zündzeitpunkt in den Standardprüfapparaturen hohe Turbulenzbedingungen vorherrschen. Aus wissenschaftlicher Sicht wäre es jedoch wünschenswert, die laminare Flammenausbreitungsgeschwindigkeit bestimmen zu können.
Im Beitrag werden Ergebnisse von Versuchen mit verschiedenen metallischen Materialien und Partikelgrößenverteilungen vorgestellt.
Ziel dieser Versuche war es, die Turbulenzbedingungen zum Zündzeitpunkt durch einen speziellen Versuchsaufbau möglichst zu minimieren.
Die Flammenausbreitung wurde experimentell in einem vertikalen Rohr untersucht, das an einer Seite offen ist. Das Rohr wird auf einen metallischen Boden gestellt, der gleichzeitig die Staubprobe vorhält und die Luftzufuhr in das Rohr ermöglicht. Eine poröse Platte befindet sich innerhalb des metallischen Bodens, um die Turbulenzen im Luftstrom zu reduzieren. Die Zündquelle wird durch einen Hochspannungsfunken von zwei Elektroden bereitgestellt, die sich auf einem Drittel der Rohrlänge befinden. Die Staubkonzentration wird optisch (durch Lichtdämpfung) mit zwei Konzentrationssonden gemessen, die jeweils unter den Elektroden (unten) und über ihnen (oben) angeordnet sind. Die Flammenausbreitung wurde mit einer Hochgeschwindigkeitskamera aufgezeichnet.
Zur besseren Einordnung der Versuchsergebnisse wurden die untersuchten Proben eingehend charakterisiert und die Zündtemperaturen und unteren Explosionsgrenzen der untersuchten Staubproben bestimmt.
Die Nanotechnologie gilt als die Wachstumsbranche der nächsten Jahrzehnte. Nicht zuletzt ist diese Entwicklung der veränderten Eigenschaften der Materialien im Nanometerbereich zuzuschreiben. Das andersgeartete Verhalten solcher Stoffe und die daraus ableitbare Unkenntnis über die Interaktion dieser Materialien mit ihrer Umgebung erfordert eine intensive Auseinandersetzung mit der Thematik zur Risikoabschätzung. Deshalb wurden und werden z.B. die gesundheitlichen Wirkungen von nanoskaligen Materialien auf den menschlichen Organismus bereits in zahlreichen Studien und Forschungsvorhaben untersucht.
Fundierte Erfahrungen und Erkenntnisse über Brand- und Explosionsgefahren bei der Herstellung und Handhabung von nanoskalig hergestellten brennbaren Materialien bzw. von Stoffen mit Partikelgrößen < µlpm liegen hingegen bisher kaum vor. Aufgrund von Erfahrungen mit Stäuben mit Partikelgrößen im Mikrometerbereich ist jedoch bekannt, dass Stoffe mit abnehmender Partikelgröße kritischer einzustufen sind, da beispielsweise ihre Explosionsheftigkeit und Zündempfmdlichkeit zunehmen.
Die Explosionseigenschaften brennbarer Stäube werden durch sicherheitstechnische Kenngrößen beschrieben. Die Bestimmung sicherheitstechnischer Kenngrößen von Nanostäuben - welche die Grundlage für eine Gefährdungsbeurteilung und das Auslegen von Schutzmaßnahmen für Anlagen bilden - erfolgte bislang nur in geringem Umfang. Diese Untersuchungen wurden zudem großteils in Analogie zu den genormten Verfahren für Mikrostäube durchgeführt. Es wurde dabei jedoch nicht überprüft, ob die für Mikrostäube etablierten Prüfverfahren für eine sichere Bewertung des Brenn- und Explosionsverhaltens geeignet sind. Darüber hinaus kann es durch aus den Prüfapparaturen freigesetzten Staub zu einer Gesundheitsgefährdung der Mitarbeiter kommen.
Da bisherige Untersuchungen zum Brand- und Explosionsverhalten von Nanostäuben den Oxidationsgrad der Proben nicht berücksichtigt haben, bestand die Vermutung, dass das Gefahrenpotential von Nanostäuben bislang unterschätzt werden könnte. Deshalb wurde ein modifizierter Prüfaufbau der Prüfapparatur 20-L Kugel entwickelt, um Nanostäube und deren Gefahrenpotential richtig einschätzen und der Kernfrage im Titel dieses Beitrages näher auf den Grund gehen zu können.
Insbesondere metallische Nanostäube wurden bei den ersten Tests zur Bestimmung des Brand- und Explosionsverhaltens untersucht. Bei entsprechenden Stäuben ist zu erwarten, dass sich eine mögliche Oberflächenoxidation bzw. Passivierung besonders stark auf das Explosionsverhalten auswirken könnte. Darüber hinaus ist bekannt, dass metallische Stäube pyrophor reagieren oder sich aufgrund der hohen Scherkräfte bereites beim Eindüsen in die Versuchsapparatur entzünden können. Dies kommt gelegentlich bei Metallstäuben mit Medianwerten von wenigen Mikrometern vor. Da bei nanoskaligen Stäuben theoretisch wesentlich größere Oberflächen auftreten, ist davon auszugehen, dass sich dieses Verhalten bei solchen Stäuben verstärken könnte. Dies wurde von Wu et al. in für nanoskalige Eisen und Titanpartikel nachgewiesen.
In vielen Bereichen der Industrie und im verarbeitenden Gewerbe werden eine Vielzahl brennbarer Stäube gezielt oder ungewollt produziert, verarbeitet, transportiert oder anderweitig verwendet. Je nach Material- und Staubeigenschaften weisen diese eine teilweise sehr hohe Reaktivität auf. Es gilt weiterhin als allgemein bekannt, dass die Partikelgröße einen entscheidenden Einfluss auf das Brand- und Explosionsverhalten von Stäuben ausübt. Mit Abnahme der Partikelgröße nehmen die gefährlichen Auswirkungen im Falle einer Explosion und die Zündempfindlichkeit der Stäube zu. Aufgrund der veränderten Eigenschaften im Nanometerbereich hat die Produktion solcher Stäube mit sehr geringen Primärpartikelgrößen in den letzten Jahren zugenommen. Diese Entwicklung wird sich in den folgenden Jahren fortsetzen. Über das Brand- und Explosionsverhalten solcher Stäube war bis vor wenigen Jahren jedoch kaum bis wenig bekannt.
Aufgrund von Erfahrungen mit Stäuben mit Partikelgrößen im Mikrometerbereich ist bekannt, dass Stoffe mit abnehmender Partikelgröße kritischer einzustufen sind, da z.B. maximaler Explosionsdruck (pmax), maximaler zeitlicher Druckanstieg (dp/dtmax) und Zündempfindlichkeit durch die Zunahme der reaktiven Oberfläche des Staubes zunehmen. Eine Übersicht des Verlaufes der Explosionsauswirkungen metallischer Stäube vom Mikrometerbereich bis in den Nanometerbereich konnte bislang nur vereinzelt durch wenige Ergebnisse gegeben werden.
Dieser Beitrag präsentiert einen detaillierten Überblick über das Explosionsverhalten von Metallstäuben vom Mikrometer- bis in den Nanometerbereich. Hierfür wurden verschiedene Metallstäube untersucht und deren Explosionsauswirkungen in Abhängigkeit der mittleren Primärteilchengröße entweder durch BET-Messungen, Partikelgrößenverteilung oder REM-Mikroskopie bestimmt. Um den Verlauf des Explosionsverhaltens für diese Metalle darzustellen, wurde einerseits eine umfangreiche Literaturrecherche durchgeführt. Darüber hinaus wurden die im Rahmen deutscher und französischer Forschungsprogramme durchgeführten experimentellen Untersuchungen genutzt, um insbesondere die Datenlage für nanoskalig hergestellte Stäube zu verbessern. Auch bei Metallstäuben im Allgemeinen führt eine Verringerung der Teilchengröße zu einem kritischeren Verhalten der Stäube. Es scheint jedoch, dass diese Aussage nur bis zu einem kritischen Durchmesser gilt, unterhalb dessen die Auswirkungen einer Explosion (pmax, dp/dtmax) für alle betrachteten Stäube wieder abnehmen. Diese kritische Größe kann durch theoretische Überlegungen zur Art der thermischen Übertragung in der Flamme erklärt werden. Der Einfluss der Schlüsselparameter wird in diesem Beitrag ebenfalls diskutiert, um die Mechanismen besser zu verstehen und das Verständnis letztendlich auch auf andere pulverförmige Materialien auszudehnen.
Validation of the new ignition source 'exploding wire' for dust explosion testing in the 20-L-sphere
(2014)
The safety characteristics Maximum Explosion Pressure pniB, Maximum Explosion Pressure Rise (dp/dt)™* and Lower Explosion Limit LEL are determined in closed vessels such as the 20-L-sphere according to international Standards. Dust ignition is carried out using pyrotechnical igniters which are defined in the Standards. Due to various disadvantages of pyrotechnical igniters the need for alternative ignition sources arises again and again. Studies at the Federal Institute for Material Research and Testing (BAM) with ignition units which were able to generate ignition energies up to 2000 J showed that the so-called “exploding wire” or “fuse wire“ is suitable as an alternative ignition source. The paper presents further test results for the Validation of the exploding wire for the determination of Pm» and (dp/dt)mx in the 20-L-sphere. The tests were performed with a new ignition unit and improved electrodes which allowed ignition energies up to 10000 J. The paper also analyses propagation of flame and electrical arc on basis of high speed camera recordings. Turbulence measurements with a LDA System in the 20-L-sphere allowed investigation whether the activation of the ignition sources has an influence on the turbulence field generated during dust dispersion and whether the influence differs depending on the ignition source.