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

Abstract

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. 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.