Z e i t s c h r i f t
fü r den
Physikalischen und Chemischen Unterricht.
L. Jahrgang. 1937. Erstes Heft.
Aerosole.
E in Ü b e r b lic k ü b e r d ie neueren E rg e b n isse d e r A e ro s o lfo rs c h u n g 1.
Von 0. Brandt in K öln.
N ebel, Staube, R auche u n d ä h n lic h e G e b ild e, d ie a u f n a tü rlic h e m o d e r k ü n s tlic h e m W e g e e n ts ta n d e n sein k ö n n e n , w e rd e n u n te r dem w is s e n s c h a ftlic h e n N am en „A e ro s o le “ z u s a m m e n g e fa ß t1 2. Es h a n d e lt sich also u m disp e rse System e, die in einem g a s fö rm ig e n T r ä g e r fe in v e rte ilte feste o d e r flü ssig e S to ffe im S chw ebezustand e n th a lte n . M it den H y d ro s o le n haben sie v ie le Z üge in fo lg e ih re s k o llo id a le n C h a ra k te rs gem e in sa m . D e r g ro ß e U n te rs c h ie d , d e r z w isch e n den b e id en D is p e rs io n s m itte ln sow ohl in m e ch a n isch e r w ie in e le k tris c h e r H in s ic h t besteht, lä ß t in dessen auch g ru n d le g e n d e U n te rs c h ie d e e rw a rte n . D ie ly o p h ile n H y d ro s o le sin d d u rc h ih re U m h ü llu n g , d ie ly o p h o b e n d u rc h d ie A u fla d u n g gegen Zusam m enstöße u n te re in a n d e r u n d m it den G e fä ß w ä n d e n g e sch ü tzt u n d d a d u rc h w irk s a m s ta b ilis ie rt. (G en a u e r is t d ie B e z e ic h n u n g „ e le k tr o k r a tis c h “ fü r solche K o llo id e , d ie w e s e n tlic h d u rc h ih re e le k tris c h e n E igenschaftfen, u n d „n ic h te le k tro - k r a tis c h “ o d e r „ s o lv a to k r a tis c h “ fü r solche, d ie v o rw ie g e n d d u rc h S o lv a ta tio n s ta b ili
s ie rt sin d .) E in e d e ra rtig e S ta b ilis ie ru n g fe h lt b e i den A e ro s o le n . In fo lg e d e r g e rin g e n D ic h te des lu ftfö rm ig e n T rä g e rs is t d e r G e w ic h ts v e rlu s t d e r S ch w e b e te ilch e n d u rc h den A u ftrie b v e rs c h w in d e n d g e rin g , in fo lg e d e r g e rin g e n Z ä h ig k e it d ie B e w e g lic h k e it a b e r sehr g ro ß . D ie S c h w e b e p a rtik e l b e fin d e n sich u n te r d e r E in w ir k u n g d e r S c h w e r
k r a f t d a h e r in d a u e rn d e r F a llb e w e g u n g , d ie sie v e rh ä ltn is m ä ß ig sc h n e ll in B e rü h ru n g m it dem G efäß boden b r in g t. E in T e ilc h e n v o n b e isp ie lsw e ise 1 ^ R a d iu s s in k t in 1 sec u m 1 ,3 - IO -2 cm , e in solches v o n 0,1 ,u R a d iu s u m 3 • IO-4 cm ab (T e ilc h e n d ic h te = 1 gesetzt). K ü r z lic h k o n n te N . Fu c h s3 in e in e r e in fa c h e n A n o rd n u n g ze ig e n, daß fa s t je d e r Zusam m enstoß m it d e r G e fä ß w a n d zu m H a fte n des T e ilc h e n s fü h r t, das d a m it aus dem S yste m ausscheidet. V e rtik a le L u fts trö m u n g e n , T u rb u le n z b e w e g u n g e n u n d äußere e le k tris c h e F e ld e r (z. B . a uch in d e r A tm o s p h ä re ) k ö n n e n d e r F a llb e w e g u n g e n tg e g e n w irk e n . D e r g e ric h te te n F a llb e w e g u n g ü b e rla g e rt sich d ie f ü r a lle K o llo id e ty p is c h e B uow N sche B e w e g u n g , d ie u m so s tä r k e r is t, je m e h r sich d ie T e ilc h e n g rö ß e den m o le k u la re n D im e n s io n e n n ä h e rt. D iese le b h a fte n u n re g e lm ä ß ig e n B e w e g u n g e n fü h re n zu Z usam m enstößen d e r T e ilc h e n u n te re in a n d e r, d ie e b e n fa lls in fo lg e d e r fe h le n d e n S ta b ilis ie ru n g zu e in e m sehr hohen P ro ze n tsa tz w irk s a m zu sein scheinen u n d z u r V e re in ig u n g fü h re n . B e i e le k tris c h s ta b ilis ie rte n H y d ro s o le n k a n n b e k a n n tlic h e rs t n a ch E n tla d u n g d e r P a rtik e l e tw a d u rc h E le k tro ly tz u s a tz e in ge g e n se itig e s H a fte n u n d schnelle A u s flo c k u n g e rz ie lt w e rd e n . F ü r dieses sehr c h a ra k te ris tis c h e V e rh a lte n is t in A e ro s o le n k e in G e g e n b e isp ie l b e k a n n t. D ie A n n a h m e , daß das p lö tz lic h e A b re g n e n v o n W o lk e n a u f ein e n d e ra rtig e n U m s c h la g aus dem s ta b ile n zum in s ta b ile n Z u s ta n d
1 Eingegangen am 17. 10. 1936.
2 V o lls tä n d ig e Angaben des S chrifttum s können wegen der Beschränkung des Raumes n ich t gemacht werden. Bezüglich ausführlicherer Angaben sei auf die folgenden Monographien hmgewiesen:
R . Me l d a u: D er Industriestaub. B e rlin : V D I-V erlag 1926. — R . Wh y t l a w-Gr a y u. H . S.Pa t t e r s o n: Smoke. London 1932. — A . Wi n k e l u. G. Ja n d e r: Schwebstoffe in Gasen. S tu ttg a rt: Ferdinand Enke 1934. — D ie auf der Tagung der Faraday-Society im A p ril 1936 zu Leeds gehaltenen Vorträge wurden in einem Sonderheft der „Transactions of the Faraday Society“ zusammengefaßt unter D is
perse Systems in Gases; D ust, Smoke and Fog. A General Discussion held by the Faraday Society” ; London: Gurney and Jacksop 1936 (im folgenden angeführt als: Disc. F ar. Soc.).
3 N . Fu c h s: A cta physicochimica, U.R.S.S. I I I , 819 (1935).
U. L. 1
2 0 . Br a n d t: Ae r o s o l e. Zeitschrift für den physikalischen Fünfzigster Jahrgang.
in fo lg e e in e r E n tla d u n g d e r v o rh e r h o ch g e la d e n e n T e ilc h e n z u rü c k z u fü h re n sei, lie ß sich e x p e rim e n te ll n o ch ke in e sw e g s e n d g ü ltig bew eisen. D aß n a tü rlic h e N e b e l o ft sehr hohe L a d u n g e n tra g e n , d ie n ach den e le k tro s ta tis c h e n G ru n d g e se tze n e in e r V e re in ig u n g g le ic h s in n ig g e la d e n e r T e ilc h e n e n tg e g e n w irk e n m üssen, w u rd e v o r a lle m v o n Wi g a n d1 g e z e ig t. K r ä ftig e , e in s in n ig e A u fla d u n g , d ie im L a b o ra to riu m s v e rs u c h e rz ie lt w u rd e , b e w irk te z w a r ein A ussetzen d e r K o a g u la tio n , fü h rte a b e r zu ein e m sehr schnellen V e rs c h w in d e n des N ebels d u rc h e le k tro s ta tis c h e Z e rs tre u u n g 1 2* 3, d enn d ie e in s in n ig g e ladene A e ro s o lw o lk e b e w ir k t n ach den e le k tro s ta tis c h e n G ru n d g e se tze n (PoissoNsche G le ic h u n g ) e in R a u m la d u n g s fe ld , in dem d ie T e ilc h e n n a ch außen w a n d e rn . Ü b e rh a u p t k la f f t — so w e s e n tlic h neue G e s ic h ts p u n k te d ie M e te o ro lo g ie d e r B e tra c h tu n g d e r
„A tm o s p h ä re als K o llo id “ 4 v e rd a n k t — zw isch e n d e n E x p e rim e n te n in la b o ra to riu m s- m ä ß ig e n A usm aß en u n d den n a tü rlic h e n a tm o s p h ä ris c h e n V o rg ä n g e n eine K lu f t, d eren Ü b e rb rü c k u n g n och n ic h t g e lu n g e n is t. V o n solchen G re n z fä lle n abgesehen, w e rd e n w ir je d e n fa lls e in A e ro s o l stets als ein in s ta b ile s G e b ild e ansehen müssen, das in fo lg e A b s e tz u n g u n d F lo c k u n g in s te tig e r V e rä n d e ru n g b e g riffe n is t.
Z u r K e n n z e ic h n u n g eines System s v o n S ch w e b sto ffe n als A e ro s o l k a n n d a h e r n u r das M e rk m a l des F e in h e its g ra d e s d e r Z e rte ilu n g (D is p e rs itä ts g ra d ) h e ra n g e zo g e n w e rd e n . N a c h d e r ü b lic h e n F e s tle g u n g b e s c h rä n k t m a n den k o llo id a le n Z u s ta n d a u f T e ilc h e n g rö ß e n v o n 1 b is 500 m /i. D e r Ü b e rg a n g zum m o le k u la rd is p e rs e n b z w . g ro b d isp e rse n S ystem is t a b e r d u rch a u s s te tig . Es is t ü b lic h , d ie G re n ze n des A e ro s o l
gebietes h ö h e r zu legen als b e i den H y d ro s o le n . E rs t T e ilc h e n , d e re n R a d iu s d ie G röße v o n e in ig e n M ik ro n (1 ¡j, = IO-4 cm ) ü b e rs c h ritte n h a t, w ir d m a n n ic h t m e h r zu den e ig e n tlic h e n A e ro s o le n zä h le n, o b g le ic h sich in s ta rk e n G a sströ m u n g e n n och v ie l g rö ß e re T e ilc h e n in d e r Schwebe h a lte n k ö n n e n . B esonders b e i d e r U n te rs u c h u n g v o n In d u s trie s ta u b e n h a t m a n sich m it te ilw e is e sehr v ie l g ro b te ilig e re n S ch w ebstoffen („P s e u d o k o llo id e “ ) z u befassen. D ie u n te re G renze lä ß t sich b e i T e ilc h e n v o n e in ig e n M illim ik r o n ziehen. D a noch k le in e re T e ilc h e n in fo lg e ih r e r s ta rk e n B now N schen B e w e g u n g sehr s c h n e ll a g g re g ie re n , k ö n n e n sie höchstens in sehr h o h e r V e rd ü n n u n g V o rk o m m e n . D ie G ro ß io n e n d e r A tm o s p h ä re m it T e ilc h e n g rö ß e n v o n e in ig e n M i l l i m ik ro n fa lle n in das u n te re G re n z g e b ie t. K le in io n e n in d e r G rö ß e n o rd n u n g 5 • 10-8 b is IO -7 cm g e h ö re n n ic h t m e h r zu den e ig e n tlic h e n S ch w ebstoffen, o b g le ic h auch sie d u rc h C lu s te ru n g den m o le k u la rd is p e rs e n Z u s ta n d b e re its ü b e rs c h ritte n h aben. U n g e fä h r p a ra lle l zu diesen G re n ze n la u fe n d ie G re n ze n d e r o p tisch e n S ic h tb a rm a c h u n g . Im ob e re n G re n z g e b ie t b e g in n t d ie m ik ro s k o p is c h e , im u n te re n die u ltra m ik ro s k o p is c h e B e o b a ch tu n g zu ve rsa g e n . (M it s ta r k a u flö se n d e n S ystem en lassen sich a lle rd in g s T e ilc h e n b is h in a b zu 0,2 ¡ i no ch a b b ild e n .)
E in e E in te ilu n g d e r A e ro s o le k a n n n a ch v e rs c h ie d e n e n G e s ic h ts p u n k te n geschehen.
D ie v o rw is s e n s c h a ftlic h e n B e ze ich n u n g e n N ebel, S taub, R auch, W o lk e n , D u n st, S chw aden usw . s in d in d ie w is s e n s c h a ftlic h e F o rs c h u n g le id e r n ic h t in e in h e itlic h e r D e u tu n g ü b e r
n o m m e n w o rd e n . Es h a t sich n u n m e h r als p ra k tis c h e rw ie se n , daß u n te r N e b e ln ganz a llg e m e in S ch w e b sto ffe m it flü s s ig e r, u n te r S tauben solche m it fe s te r d is p e rs e r Phase v e rs ta n d e n w e rd e n . D ie B e ze ich n u n g e n W o lk e n , S ch w a d e n u sw . d a g e g e n d e u te n d ie äußere E rs c h e in u n g s fo rm des G e s a m tb ild e s an. E in e k u rz e G e g e n ü b e rs te llu n g v e r sch ie d en e r a n d e re r E in te ilu n g s g ru n d s ä tz e soll a u f d ie V ie ls e itig k e it d e r m it A e ro so len b e s c h ä ftig te n F o rs c h u n g h in w e is e n . D ie E in te ilu n g in n a tü rlic h e -k ü n s tlic h e S ch w e b stoffe, Io n e n -S ta u b -H y d ro m e te o re ( Wi g a n d), e rw ü n s c h te (chem ische F a b rik a tio n ) -u n e r
w ü n sch te , fre ie -a b ge sch lo sse n e (in u m w a n d e te n R äum en), g iftig e -g e s u n d h e its c h ä d lic h e - u n sc h ä d lic h e A e ro so le d e u te t je w e ils d ie le ite n d e n G e s ic h ts p u n k te des b e sonderen
1 A. Wi g a n d: Physik. Z. 27, 803 (1926); A . Wig a n d u. F . Fr a n k e n b e r g e r: Physik. Z. 31, 204 (1930). 2 Wh y t l a w-Gr a y: „Sm oke“ .
3 P. Be y e r s d o r e e r: Staubexplosionen, S. 77. Dresden: Theodor S teinkopff 1925. — N . Fuchs
u. J. Pe t r j a n o w; A cta physicochimica, U.R.S.S. I I I , 827 (1935).
4 A. Sc iim a u s su. A. Wig a n d: Die Atmosphäre als K o llo id . Braunschweig: F. Vieweg & Sohn 1929.
und chemischen U nterricht.
1937. H e ft I . O . Br a n d t: Ae r o s o l e. 3
F o rsch u n g sg e b ie te s an. Sie z e ig t g le ic h z e itig d ie u n m itte lb a re V e rb in d u n g m it p ra k tis c h bedeutsam en A n w e n d u n g e n , d ie d e r w is s e n s c h a ftlic h e n F o rs c h u n g stets besonderen A n trie b gegeben hat. D ie H e rs te llu n g fe in s t v e r te ilte r S to ffe sow ie d ie A b s c h e id u n g u n e rw ü n s c h te r N e b e l u n d S taube s p ie le n in d e r chem ischen In d u s trie eine w e s e n tlic h e H olle. H e rs te llu n g v o n T a rn - u n d G iftn e b e ln als A n g r iffs - u n d V e rte id ig u n g s w a ffe n a u f d e r einen, ih re A b s c h e id u n g u n d F ilte r u n g a u f d e r a n d e re n Seite, s in d F ra g e n , d ie m it d e r A e ro s o lfo rs c h u n g w e ite s tg e h e n d Z usam m enhängen. T ro tz d e r In s ta b ilitä t stöß t n ä m lic h d ie A b s c h e id u n g d e r A e ro s o le a u f zu n ä ch st u n e rw a rte te S c h w ie rig k e ite n ..
Das H in d u rc h le ite n d u rc h W a s c h flü s s ig k e it (W aschflaschen), in d e r b e k a n n tlic h Gase, d ie in d e r b e tre ffe n d e n F lü s s ig k e it lö s lic h s in d , sehr v o lls tä n d ig a b s o rb ie rt w e rd e n k ö n n e n , e rg ib t b e i A e ro s o le n n ic h t den g e w ü n s c h te n E rfo lg , da n u r e in T e il d e r P a r tik e l in fo lg e d e r g e g e n ü b e r den Gasen g e rin g e n D iffu s io n s g e s c h w in d ig k e it an d ie A u ß e n fläche d e r sie e n th a lte n d e n G asblasen g e la n g t. S ehr k le in e T e ilc h e n h a b e n d a b e i g rö ß e re A u s s ic h te n , d u rc h ih re s ta rk e B uo w N sch e B e w e g u n g , sehr g ro b e T e ilc h e n d u rc h ih re F a llb e w e g u n g , an d e r F lü s s ig k e its u m h ü llu n g d e r G asblasen z u r A b s c h e id u n g zu g e la n g e n x>1 2 3. Es g ib t d a h e r eine d a z w is c h e n lie g e n d e T e ilc h e n g rö ß e m it o p tim a le r D u rc h d rin g u n g s fä h ig k e it. N a ch n e u e re n U n te rs u c h u n g e n v o n Re m y1 s c h e in t a uch d ie B e w e g u n g des Gases in den h o c h p e rle n d e n G asblasen E in flu ß a u f d ie A b s c h e id u n g d e r in ih n e n e n th a lte n e n S c h w e b e p a rtik e l zu h a b e n . B e k a n n t s in d d ie S c h w ie rig k e ite n , d ie s ich zu n ä ch st d e r A b s o rp tio n d e r S 0 3-N e b e l aus dem K o n ta k tp ro z e ß e n tg e g e n s te llte n . E in e ä h n lic h e D u rc h d rin g u n g s fä h ig k e it ze ig e n n u n d ie A e ro s o le auch g e g e n ü b e r festen F ilte r n . A u f die se r E ig e n s c h a ft b e ru h te ih re V e rw e n d u n g als G iftk a m p f
s to ffe . N ebel v o n h o h e r R e iz w irk u n g s o llte n d ie K o h le filte r d u rc h d rin g e n , das T ra g e n d e r G asm asken u n e rträ g lic h m achen u n d den g le ic h z e itig verschossenen G iftg a s e n zum E r fo lg v e rh e lfe n . D ie E in s te llu n g d e r R e iz n e b e l a u f eine T e ilc h e n g rö ß e m it o p tim a le r D u rc h d rin g u n g s fä h ig k e it e in e rs e its u n d d ie S c h a ffu n g h o c h a b s o rb ie re n d e r F ilt e r m it m ö g lic h s t g e rin g e m S trö m u n g s w id e rs ta n d a n d e re rs e its s in d P ro b le m e v o n h o h e r B e d e u tu n g . V ö llig aussichtslos e rs c h e in t d a g e g e n d ie A b s c h e id u n g fre ie n N ebels. E in b e sch e id e n e r E r fo lg is t dem V e rfa h re n v o n E . L . Bo w l e s u n d H . G. Ho u g h t o n8 z w a r beschieden gew esen, n a ch dem es g e lu n g e n ist, e in b e s c h rä n k te s G e b ie t in u n m itte lb a re r E rd n ä h e d u rc h Z e rstä u b e n k o n z e n trie rte r C a lc iu m c h lo rid lö s u n g n e b e lfre i zu m achen.
F ü r d ie P ra x is k o m m t das V e rfa h re n w e g e n des M iß v e rh ä ltn is s e s z w is c h e n A u fw a n d u n d E r fo lg n ic h t in F r a g e 4 * * *.
S c h ä d e n d u r c h I n d u s t r i e s t a u b .
D e r k o llo id a le C h a ra k te r d e r A tm o s p h ä re b e s tim m t den Z u s ta n d a u f d e r E rd e so m aß gebend, daß eine E rd e , d e re n A tm o s p h ä re aus re in e n Gasen bestünde, in ih re m o rg a n is c h e n w ie a n o rg a n is c h e n A u fb a u g a n z a n d e rs o rg a n is ie r t sein m ü ß te . A n d e r e r seits s in d d ie g ro ß e n A e ro so lm e n g e n , d ie d u rc h d ie m e n s c h lic h e T ä tig k e it ü b e r den g ro ß e n In d u s trie z e n tre n a u s g e b re ite t w e rd e n , n ic h t ohne E in flu ß a u f d ie L e b e n s b e d in g u n g e n in d e r U m g e b u n g . L e id e r g e h t d ie K o n z e n trie ru n g v o n M enschen u n d S taub e in a n d e r p a ra lle l, d a in d e r N ähe d e r In d u s trie z e n tre n G ro ß s tä d te m it h o h e r B e v ö lk e ru n g s d ic h te a u fg ew achsen s in d . Z u dem A u s w u r f d e r F a b rik s c h lo te gesellen sich d ie sch w e b sto ffb e la d e n e n A b g a se d e r M aschinen u n d M o to re n eines d ic h te n E is e n b a h n - u n d K ra ftv e rk e h rs n e tz e s , d e r A b rie b v e rk e h rs re ic h e r S tra ß e n u n d d e r R uß u n g e z ä h lte r H a u s k a m in e . G erade b e i S c h ö n w e tte rla g e k a n n sich d ie s e r S c h w e b s to ff
1 D ie A rbeiten von H . Re m yund seinen M ita rb e ite rn siehe bei: H . Re m y: Disc. F ar. Soc. S. 1185.
2 H . En g e l h a r d: Z. E le k tro c h e m . 31, 590 (1925).
3 A ngeführt nach D . Britnt: Disc. Ear. Soc. S. 1264.
4 Auch die menschlichen Atemwege stellen ein F ilte r dar, in dessen weiteren Kanälen (Trachea und größere Bronchien) die groben Teilchen (größer als 10 n ) zur Abscheidung gelangen, während die kleineren (etwa 1 ,u) sich in der Lunge selbst absetzen. Auch hier g ib t es Teilchen m it geringster Neigung zur Abscheidung (etwa 0,1 n bis 0,3 /i), die infolgedessen größtenteils wieder ausgeatmet werden. Nach W . Fi n d e i s e n: Pflügers A rch. 236, 367 (1935).
1*
4 O . Br a n d t: Ae r o s o l e. Zeitschrift fü r den physikalischen Fünfzigster Jahrgang.
in fo lg e d e r W in d s tille ta g e la n g am O rte h a lte n , h e rv o rra g e n d g e tra g e n v o n d e r le ic h te n T h e rm ik ü b e r dem H ä u se rm e e r, fo r tla u fe n d sich k o n z e n trie re n u n d , u n te r
s tü tz t v o n a tm o s p h ä ris c h e n A b s c h e id u n g e n — denen d ie S ta u b te ilc h e n w illk o m m e n e K o n d e n s a tio n s k e rn e s in d — , zu e in e r u n b e w e g lic h la g e rn d e n D u n sth a u b e ausw achsen.
F . Al b r e c h t u n d J . Gr u n o w haben d ie L u f t V e rh ä ltn isse d e r G ro ß s ta d t sehr e in g eh e n d e rfo rs c h t. D u rc h M essungen v o m F lu g z e u g aus lie ß sich fe s ts te lle n , d a ß sich die
„D u n s th a u b e “ b is zu m e h re re n h u n d e rt M e te rn H öhe ausdehnen k a n n 1. In fo lg e dessen w e rd e n in d e r E in s tra h lu n g , d ie in s g e s a m t u m 20% g e sch w ä ch t sein k a n n 1 2, g e ra d e d ie w e rtv o lle n u n d k e im tö te n d e n u ltra v io le tte n S tra h le n d u rc h b e v o rz u g te A b s o rp tio n a u s g e tilte rt. E in g e h e n d e re B e a c h tu n g h a t d ie G e fa h r d e r S c h ä d ig u n g des L u n g e n g e w e b e s d u rc h d ie S ta u b e in w irk u n g g e fu n d e n . D e r S taub b ra u c h t je d o ch n ic h t e in m a l d ie u n m itte lb a re U rs a c h e v o n G e s u n d h e its s c h ä d ig u n g e n zu sein, e r k a n n v ie lm e h r auch d u rc h a n g e la g e rte p a th o g e n e K e im e z u m Ü b e r m ittle r in fe k tiö s e r E rk ra n k u n g e n w e rd e n . H in s ic h tlic h d e r u m fa n g re ic h e n m e d iz in is c h e n F o rs c h u n g m uß a u f d ie S p e z ia llite r a tu r 3 v e rw ie s e n w e rd e n . D ie g e ä u ß e rte n B e d e n k e n w e rd e n v e r s tä n d lic h , w e n n m a n d ie e rs ta u n lic h e H ö h e d e r S ta u b k o n z e n tra tio n in e in ig e n G ebieten e rfä h rt. G ro ß s ta d tlu ft k a n n m e h re re h u n d e rtta u s e n d S ta u b te ilc h e n im K u b ik z e n tim e te r e n th a lte n . M it je d e m A te m z u g g e la n g e n d a n n m e h re re h u n d e rt M illio n e n T e ilc h e n in d ie A te m w e g e . (N a ch Fl u r y u n d Ze r n i k.) U b e r L iv e r p o o l z. B . fa lle n n a ch M essungen, d ie se it 1921 a lljä h r lic h fo rtg e s e tz t w u rd e n , r u n d 250 T o n n e n an in d u s trie lle n S ch w e b s to ffe n je J a h r u n d Q u a d ra tk ilo m e te r a u s 4. N eben den c h ro n is c h e n S ch ä d ig u n g e n m üssen b e i d e r M enge d e r S ch w e b sto ffe so g a r a k u te V e rg iftu n g e n d e r a n w o h n e n d e n B e v ö lk e ru n g in den B e re ic h d e r E rw ä g u n g e n gezogen w e rd e n . D as B r itis h M e d ic a l J o u rn a l ( z itie r t n a ch Me l d a t j) b e ric h te t schon im J a h re 1880 ü b e r eine b e m e rk e n s w e rte E rh ö h u n g d e r S te rb lic h k e it, als L o n d o n E n d e J a n u a r u n d A n fa n g F e b ru a r v o n einem sehr d ic h te n N e b e l h e im g e su ch t w u rd e : „D ie jä h rlic h e S te rb lic h k e its z a h l fü r diese W o c h e . . . w a r 48,1 p ro T a u s e n d d e r g e sch ä tzte n B e v ö lk e ru n g , w ä h re n d in 19 P ro v in z s tä d te n diese Z if fe r 26,3 n ic h t ü b e r s c h r itt. . . Es is t d e r B a u ch , d e r d ie L o n d o n e r N e b e l so v e rd e rb lic h m a c h t.“ E in e g rö ß e re K a ta s tro p h e h a t in jü n g s te r Z e it in den T a g e n v o m 1. b is 5. D e ze m b e r 1930 das M a a sta l in B e lg ie n h e im g e su ch t. Fi r k e t5 h a t als M itg lie d des U ntersuchungsausschusses h ie rü b e r k ü r z lic h n o c h m a ls zu sa m m e n fassend b e ric h te t. A u c h h ie r b ild e te e in ta g e la n g u n b e w e g lic h ü b e r dem T a l la g e rn d e r d ic h te r N e b e l d ie G ru n d la g e fü r d ie a llm ä h lic h e A n re ic h e ru u g d e r L u f t m it sch ä d lic h e n A u s w u rfs to ffe n , d ie la n g s a m aus den K a m in e n d e r b e n a c h b a rte n In d u s trie n v o n L ü tt ic h in d e n „N e b e ltu n n e l“ a b s a n k e n . A m 4. u n d 5. D e ze m b e r w a r d ie K o n z e n trie ru n g so w e it fo rtg e s c h ritte n , daß m e h re re h u n d e rt P ersonen e rk ra n k te n , v o n denen 63 s ta rb e n . N a c h den p a th o lo g is c h e n u n d a n a ly tis c h e n B e fu n d e n s c h e in t d ie m aß gebende G ift w ir k u n g vo n S 0 2- u n d S 0 3-N e b e ln a u sg e g a n g e n zu sein, d ie als lä s tig e B e g le ite r in den V e rb re n n u n g s p ro d u k te n s c h w e fe lh a ltig e r K o h le n a u ftre te n . (U b e r d ie K o n z e n tra tio n s g re n z e , b is zu d e r S 0 2 u n d S 0 3 u n s c h ä d lic h , b z w . g e s u n d h e it
fö r d e rn d —• „S ä u re th e ra p ie “ — s in d , lie g e n eine B e ih e A rb e ite n v o r [ Fl u r y u n d Zk r n i k].) D ie G e fa h r e in e r solchen K a ta s tro p h e f ü r d ie Ö ffe n tlic h k e it z e ig t Fi r k e t
sehr e in d rin g lic h , w e n n e r a n g ib t, daß e in g le ich e s V o rk o m m n is ü b e r dem d ic h t
b e v ö lk e rte n L o n d o n 3200 T o d e s o p fe r g e fo rd e rt h ä tte.
W e s e n tlic h g rö ß e r is t n a tu rg e m ä ß d ie G e fä h rd u n g d e r M enschen, d ie d u rc h ih re T ä tig k e it an d ie u n m itte lb a re N ähe s ta r k e r S ta u b q u e lle n geb u n d e n s in d (z. B. Q u a rz staub in G o ld b e rg w e rk e n ü b e r 400 m g /m 3 [Me l d a u], im B u n k e rra u m v o n S c h iffe n b e im K o h le n la d e n b is fa s t 3 g /m 3 [ Fl u r y u n d Ze r n i k |). S taub aus b re n n b a re n S to ffe n is t in h ö h e re r K o n z e n tra tio n e x p lo s io n s g e fä h rlic h . A n e rs te r S telle stehen d ie K o h le n -
1 Siehe J. Gr u n o w: Z. V D I, H . 3 (1936).
2 Nach R . Me l d a u: D er Industriestaub. B e rlin : V D I-V erlag 1926.
3 F . Fl u r y u. F. Zkr.n i k: Schädliche Gase. B e rlin : Julius Springer 1931.
4 J. S. Ow e n s: Disc. F ar. Soc., S. 1234. 6 J. Fi r k e t: Disc. F ar. Soc., S. 1192.
und chemischen U nterricht.
1937. H e ft I . 0 . Br a n d t: Ae r o s o l e. 5
S ta u b e x p lo s io n e n 1, d ie tr o tz g ro ß e r F o rts c h r itte in ih r e r B e k ä m p fu n g (z. B. G esteins
s ta u b v e rfa h re n ) als ernste G e fä h rd u n g d e r B e le g s c h a ft zu g e lte n haben. D ie s c h ä d lic h e n W ir k u n g e n s ta rk e r S ta u b e in a tm u n g in sta u b ve rse u ch te n B e trie b e n haben u m fa n g re ic h e g e w e rb e h y g ie n is c h e M a ß n a h m e n g e fo rd e rt. K o h le n s ta u b sch e in t, solange e r f r e i v o n G esteinsstaub is t, z ie m lic h h a rm lo s z u s e in ; v o n m a n ch e n Seiten w u rd e ih m so g a r eine S c h u tz w irk u n g gegen T u b e rk u lo s e zu g e sch rie b e n . D asselbe g i lt v o n K a lk s ta u b e n . D ie e rs c h re c k e n d hohe S te rb lic h k e it d e r G o ld m in e n a rb e ite r, in d e re n L u n g e n m e h r als 20 g Q u a rzsta u b n a c h g e w ie se n w e rd e n k o n n te n , ze ig t, daß in i G egensatz zu m K o h le n s ta u b d e r chem isch g e g e n ü b e r d e n K ö rp e rs ä fte n fa s t ebenso in d iffe re n te Q u a rz s ta u b in fo lg e c h ro n is c h e r H e iz u n g e n zu tö d lic h e n E rk ra n k u n g e n f ü h r t („ S ilik o s e “ ). D as V o rk o m m e n des Q u a rzsta u b e s is t n a tü r lic h ke in e sw e g s a u f d ie a n g e fü h rte n G o ld m in e n b e s c h rä n k t. S ch w e b sto ffe v o n s p e z ifis c h e r G iftw irk u n g , w ie A rs e n tr io x y d - , S c h w e rm e ta ll-, besonders B le i-S ta u b e u n d b e i s c h w e fe lh a ltig e n E rz e n g ro ß e M e n g e n v o n s c h w e fe ld io x y d h a ltig e n N e b e ln w e rd e n v o n d e n H ü tte n ra u c h e n m itg e fü h rt. Z w e c k s g e n a u e re r U n te rw e is u n g m u ß a uch h ie r a u f d ie u m fa n g re ic h e S o n d e rlite ra tu r h in g e w ie s e n w e rd e n . In te re s s a n t z u e rw ä h n e n is t v ie lle ic h t n och d ie h a u tre iz e n d e W ir k u n g , d ie b e i e in ig e n H o lz s ta u b e n a u s lä n d is c h e r H ö lz e r n a c h gew iesen w u r d e 2 (T e a k h o lz u. a.). A u c h schw ebende M ik ro le b e w e s e n (H e u s c h n u p fe n !) s in d a ls A e ro s o l aufzufassen. S ieht m a n a b e r v o n a lle n diesen d ire k te n S chäden g a n z ab, so is t d ie A b la g e ru n g v o n H auch, S taub u n d R uß an den G ebäuden d ic h tb e s ie d e lte r In d u s trie v ie rte l u n d d e r fre u d e - u n d tro s tlo s e A n b lic k d u n k le r S tra ß e n zü g e u n d H ö fe , d ie u n a u fh a lts a m e S c h w ä rz u n g d e r A rb e its s tä tte n u n d h e lle r, n a c h so zia le n u n d h y g ie n is c h e n G e s ic h ts p u n k te n g e b a u te r N e u s ie d lu n g e n e in P ro b le m , das g e ra d e u n te r den heute le ite n d e n G e s ic h ts p u n k te n w e ite s tg e h e n d e A u fm e r k s a m k e it v e rd ie n t. D ie B e m ü h u n g e n z u r A b s c h e id u n g d e r S ch w e b sto ffe aus den In d u s trie a b g a s e n h a t zu den v e rs c h ie d e n s te n b ra u c h b a re n V e rfa h re n g e fü h rt, v o n denen w e ite r u n te n no ch d ie Rede sein w ir d .
E r g e b n i s s e d e r A e r o s o l f o r s c h u n g .
D ie E ig e n a rt des Gebietes b r in g t es m it sich, daß d ie „ k o llo id p h y s ik a lis c h e n “ U n te rs u c h u n g e n dem U m fa n g u n d d e r B e d e u tu n g n a ch w e it m e h r h e rv o rtre te n als d ie k o llo id c h e m is c h e n . Z u r D a rs te llu n g d e r G ru u d z iig e sei zu n ä ch st e in a llg e m e in e r T y p eines A e ro s o ls d e r B e tra c h tu n g z u g ru n d e g e le g t, w ä h re n d a lle d u rc h s to fflic h e u n d s tr u k tu re lle B e s o n d e rh e ite n b e d in g te n E rs c h e in u n g e n als A b w e ic h u n g e n d a v o n a u f
g e fa ß t w e rd e n . D iese A b w e ic h u n g e n s in d a lle rd in g s re c h t v ie ls e itig u n d n u r zu einem g e rin g e n T e il g e n a u e r b e k a n n t. K u g e lfö rm ig e S c h w e b s to ffte ilc h e n aus chem isch in d iffe re n te n S to ffe n v o n v e rs c h w in d e n d e m D a m p fd r u c k u n d u n k o m p liz ie rte r O b e r
flä c h e n b e s c h a ffe n h e it in e in e m ru h e n d e n T r ä g e r (L u ft) v o n N o rm a ld ru c k u n d T e m p e ra tu r w ü rd e n e in e m solchen T y p entsprechen. A n g e n ä h e rt re a lis ie r t w e rd e n k a n n e in s o lch e r S c h w e b s to ff z. B . d u rc h P a ra ffin ö ln e b e l o d e r ä h n lic h e S to ffe . K u g e lfö rm ig e feste P a r tik e l h a t W h y t l a w- Gb a y d u rc h V e rd a m p fe n u n d K o n d e n s ie ru n g v o n S te a rin säure e rh a lte n . Es is t a b e r zu b e d e n ke n , daß feste T e ilc h e n schon n a c h d e r ersten A g g re g a tio n ke in e sw e g s m e h r k u g e lfö rm ig sein k ö n n e n . Z u r H e rs te llu n g b ra u c h b a re r A e ro s o le f ü r w is s e n s c h a ftlic h e U n te rs u c h u n g e n h a t sich d ie M ethode d e r K o n d e n s a tio n z u v o r v e rd a m p fte r S ubstanzen a m m e is te n b e w ä h rt. A u c h chem ische G a s re a k tio n e n lie fe rn v ie lfa c h S ch w e b sto ffe . D ic h te S a lm ia k s ta u b e lassen sich z. B . in e in fa c h s te r W e ise aus S alzsäure- u n d A m m o n ia k g a s g e w in n e n . D iese T e ilc h e n s in d a lle rd in g s n ic h t k u g e lfö rm ig , so n d e rn m e h r o d e r w e n ig e r flo c k ig . S ehr fe in te ilig e E is e n o x y d staube s te llte n Ja n d e r u n d Wi n k e l3 d u rc h p h o to ch e m isch e R e a k tio n aus E isenpenta- c a rb o n y ld a m p f h e r. A u c h diese s in d ke in e s w e g s k u g e lfö r m ig u n d z e ig e n e in ig e u n e rw ü n sch te B e s o n d e rh e ite n 4’ 5. E in e s d e r bequem sten V e rfa h r e n , das d a h e r z u r
1 P. Be y e r s d o r e e r: Siehe Fußnote 3, S. 2. 2 K . To u t o n: N aturw iss. 17, 371 (1929).
3 G. Ja n d e r u. A. Wi n k e l: K ollo id -Z . 63, 5 (1933). 4 W . Ca w o o d u. R . Wh y t l a w-Gr a y: Disc. F ar. Soe., S. 1055. 5 K . E . Stumpe u. G. Ja n d e r: Diso. F ar. Soc., S. 1048.
6 0 . Br a n d t: Ae r o s o l e. Zeitschrift für den physikalischen Fünfzigster Jahrgang.
H e rs te llu n g v o n M o d e lln e b e ln in d e r T e c h n ik ( F ilte rp rü fu n g ) v ie l b e n u tz t w ir d , is t d ie V e rn e b e lu n g v o n F lü s s ig k e ite n d u rc h D r u c k lu ft aus Z e rs tä u b e rd ü s e n . L e id e r re ic h t d e r G ra d d e r F e in - u n d G le ic h te ilig k e it fü r g e n a u e re w is s e n s c h a ftlic h e U n te rs u c h u n g e n o ft n ic h t aus. F ü r d ie H e rs te llu n g v o n S tauben d u rc h Z e rm a h le n fe s te r K ö rp e r g i lt dasselbe in v e rs tä rk te m M aße. V e rb re n n u n g s ra u c h e lassen sich e b e n fa lls n u r zu q u a lita tiv e n o d e r g ro b q u a n tita tiv e n V e rsu ch e n benutzen. M g O -R a u ch e d u rc h V e rb re n n e n v o n M a g n e s iu m b a n d u n d T a b a k ra u c h 1 s in d w egen d e r E in fa c h h e it d e r H e rs te llu n g zu o rie n tie re n d e n V e rsu ch e n tro tz d e m h ä u fig b e n u tz t w o rd e n . V o n d e r A r t d e r H e rs te llu n g h ä n g t d e r G ra d d e r F e in - u n d G le ic h te ilig k e it in e rs te r L in ie ab. Es m uß h ie r e in g e s c h a lte t w e rd e n , daß a lle rd in g s eine m e h r o d e r w e n ig e r s ta rk e U n g le ic h - te ilig k e it eine w e s e n tlic h e E ig e n s c h a ft a lle r A e ro s o le is t. A ls g le ic h te ilig o d e r is o d isp e rs p fle g t m a n den S c h w e b s to ff schon zu bezeichnen, w e n n d ie T e ilc h e n g rö ß e n sich eng u m eine m a x im a le H ä u fig k e it g ru p p ie re n u n d a lle d a v o n w e s e n tlic h a b w e ich e n d e n G rößen in g e rin g e r K o n z e n tra tio n V o rk o m m e n . G erade d ie U n g le ic h te ilig k e it d e r S ch w e b sto ffe u n d b e i S tauben auß e rd e m d ie U n b e s tim m th e it d e r F o rm m a ch e n d e r q u a n tita tiv e n E rfo rs c h u n g e rh e b lic h e S c h w ie rig k e ite n . D ie th e o re tis c h e n A n s ä tz e g e lte n
f ü r k u g e lfö rm ig e P a r tik e l u n d d u rc h w e g f ü r is o d is p e rs e S ystem e. D ie Spanne d e r p r in z ip ie lle n u n d z u fä llig e n F e h le r is t d a h e r re c h t e rh e b lic h .
T e i l c h e n g r ö ß e u n d T e i l c h e n k o n z e n t r a t i o n (T e ilc h e n /c m 3) sin d g ru n d le g e n d e E ig e n s c h a fte n des A e ro so ls.
S olange es sich u m M ik ro n e n h a n d e lt, w ie b e i v ie le n In d u s trie s ta u b e n , is t eine d ire k te m ik ro s k o p is c h e B e o b a c h tu n g u n d Ausm essung m ö g lic h . A n sehr g ro b e n T e ilc h e n k ö n n e n so g a r S tru k tu ru n te rs u c h u n g e n u n d selbst m ik ro s k o p is c h e S c h n itte a u fs c h lu ß re ic h e E rk e n n tn is s e v e rm itte ln . A b e r auch noch u n te rh a lb 1 /* T e ilc h e n g rö ß e be ste h t d ie M ö g lic h k e it, m it s ta r k a u flö se n d e n M ik ro s k o p syste m e n d ie z u v o r abgesetzten P a r tik e l auszum essen. Pa t t e r s o n u n d Ca w o o d 1 2 b e nutzen n e u e rd in g s eine S k a la aus e in g e ä tzte n k le in e n K re is e n v o n stu fe n w e ise w a ch se nd e m D u rc h m e s s e r n a c h A r t eines O k u la rm ik ro m e te rs , u m d a m it d ie T e ilc h e n g rö ß e n ab zu sch ä tze n . N a ch d e rse lb e n M eth o d e g e lin g t den V e rfa s s e rn a uch d ie B e s tim m u n g d e r G rö ß e n v e rte ilu n g d e r P a rtik e l, d ie zu den s c h w ie rig s te n M essungen d e r A e ro s o lfo rs c h u n g g e h ö rt. Im G ebiete d e r S u b m ik ro n e n k ö n n e n d a g e g e n n u r in d ire k te M e ß v e rfa h re n zu m Z ie le fü h re n . Es h a n d e lt sich h ie r d a ru m , ü b e rh a u p t e in e n L ic h t e in d ru c k des T e ilc h e n s zu g e w in n e n . I n d e r D u n k e lfe ld b e le u c h tu n g e rsch e in e n die S u b m ik ro n e n als h e lle B e u g u n g ssch e ib ch e n a u f d u n k le m G ru n d e . D ie g ru n d le g e n d e A n o rd n u n g is t das S p a ltu ltra m ik ro s k o p v o n Si e d e n t o p f u n d Zs i g m o n d y, b e i dem B e le u c h tu n g s - u n d B e o b a c h tu n g s ric h tu n g z u e in a n d e r s e n k re c h t stehen (F ig . 1). D as B e d ü rfn is n a ch k u rz z e itig e n m ik ro p h o to g ra p h is c h e n A u fn a h m e n h a t n e u e rd in g s zu o p tisch e n A n o rd n u n g e n v o n b e so n d e re r L ic h ts tä r k e g e fü h rt. Wi n k e l u n d Wi t t3 ha b e n n a ch dem P rin z ip des S p a ltu ltra m ik ro s k o p e s v o n z w e i entge g e n g e se tzte n S eiten m it sehr s ta rk e n B o g e n la m p e n b e le u ch te t. E in e sehr hohe L ic h ts tä r k e , d ie auch eine b e frie d ig e n d e P ro je k tio n d e r T e ilc h e n u n d A u fn a h m e n v o n w e n ig e r als 1/ 100 sec B e lic h tu n g s d a u e r g e w ä h rle is te t, w u rd e v o n 0 . Br a n d t u n d I I . Fr e u n d4 n a ch dem b e k a n n te n P rin z ip d e r Z e n tra la b b le n d u n g e rre ic h t (F ig . 2)7 N e u e rd in g s w u rd e h ie r
1 Wegen seines analytisch hohen Wassergehaltes is t Tabakrauch o ft als kugelförm ig angesehen worden. D ie m ikrophotographische Aufnahme von Sedimenten (O. Br a n d t u. E. Hie d e m a n n, Disc.
Ear. Soc., S. 1101) zeigt, daß dies n u r bedingt z u trifft. Das typische „F u n ke ln “ von Tabakrauch
teilchen im U ltram ikroskop (O. Br a n d t u. H . Fr e u n d, u nveröffentlicht) deutet sogar auf eine aus
gesprochen anisotrope Gestalt hin.
2 H . S. Pa t t e r s o n u. W . Ca w o o d: Disc. F ar. Soc., S. 1084.
3 A . Wi n k e l u. W . Wi t t: Z. Elektrochem . 42, H . 6 (1936).
4 O. Br a n d t u. H . Fr e u n d: B l. U ntersuch.- u. Forsch.-Instrum . 9, 57 (1935).
Fig. 1. S paltultram ikroskop von Siedentopfund Zsigmondy. S Spalt, s S p a ltb ild in der Rauchkammer,
M Beobachtungsmikroskop.
und chemischen U nterricht.
1937. H e it I . 0 . Br a n d t: Ae r o s o l e. 7
d u rc h den G e b ra u c h eines H o h ls p ie g e ls u m das M ik ro s k o p o b je k tiv eine w e s e n tlic h e V e rb e s s e ru n g e rz ie lt. D as S p a ltu ltra m ik ro s k o p h a t fü r M eß zw ecke den V o rte il, daß d u rc h d ie v e rk le in e r te A b b ild u n g s des S paltes S in d e r R a u c h k a m m e r die B e g re n z u n g des B e o b a ch tu n g sra u m e s in d e r T ie fe o p tisch fe s tg e le g t is t. D ie A b g re n z u n g in den b e id e n a n d e re n K o o rd in a te n d u rc h das Q u a d ra t eines N e tz o k u la rs le g t d a n n ein e n d e fin ie rte n B e o b a c h tu n g s ra u m fest. M a n k a n n d a h e r d ie T e ilc h e n „a u s z ä h le n “ u n d aus e in e r g rö ß e re n A n z a h l so lc h e r M essungen d u rc h M itte lw e rtn a h m e d ie T e ilc h e n k o n z e n tra tio n (T e ilc h e n /c m 3) b e stim m e n . A n s ta tt d ie sch w ebenden T e ilc h e n zu zählen, e m p fie h lt sich m a n c h m a l d ie Z ä h lu n g d e r aus e in e m b e k a n n te n R a u m a u f e in fe h le r
fre ie s D e c k g la s a b g esetzten T e ilc h e n . D e r W e g ü b e r T e ilc h e n k o n z e n tra tio n u n d G e w ic h ts k o n z e n tra tio n , d ie sich aus e in e r W ä g u n g d e r in einem b e k a n n te n R a u m b e fin d lic h e n A e ro s o lm e n g e e rg ib t, fü h r t b e i a u s re ic h e n d e r G le ic h te ilig k e it u n d b e k a n n te r D ic h te z u r re c h n e ris c h e n E r m ittlu n g des R a d iu s r. B e i e in e r T e ilc h e n k o n z e n tra tio n 7,5 • 105 T e ilc h e n im K u b ik z e n tim e te r u n d e in e r G e w ie h ts k o n z e n tra tio n 3 • IO “ 6 g /c m 3 (3 g /m 3) e rg ib t sich z. B. e tw a d e r R a d iu s 1 «. B e i einem
R a d iu s 0,1 ¡j, w ü rd e n sich e n tsprechend 7 , 5 - I O 8 T e ilc h e n im K u b ik z e n tim e te r b e fin d e n (D ic h te = 1)- D iese e in fa ch e M ethode z u r B e s tim m u n g d e r T e ilc h e n g rö ß e v e rs a g t je d o c h be i u n g le ic h - te ilig e n S ch w ebstoffen.
D a d ie A n g a b e eines „d u rc h s c h n ittlic h e n “ R a d iu s sodann k e in e B e d e u tu n g m e h r hat, m uß d ie G röße d e r e in ze ln e n T e ilc h e n d u rc h in d ir e k te V e rfa h re n b e s tim m t w e rd e n . Sie w e rd e n e rm ö g lic h t d u rc h d ie K e n n tn is d e r B ew egungsgesetze d e r S c h w e b s to ffp a rtik e l im Gase. W e g e n des v o rh e rrs c h e n d e n Z ä h ig k e its w id e rs ta n d e s is t d ie B e w e g u n g u n b e s c h le u n ig t, d. h.
b e w egende K r a f t K u n d W id e rs ta n d s k ra ft W s in d im G le ic h g e w ic h t. Es g i lt n ach d e r v o n Cu n n i n g h a m f ü r k le in e T e ilc h e n k o r r ig ie r te n STOKESschen F o rm e l
K = W = 6 j i r r j v ( l -f- M /r)“ 1.
(j) — Zähigkeitsbeiwert, v = Geschwindigkeit, A — K onstante1.)
D ie G e s c h w in d ig k e it v lä ß t sich u ltra m ik ro s k o p is c h messen o d e r auch m ik ro p h o to g ra p h is c h aus d e r L ä n g e d e r T e ilc h e n b a h n e n b e s tim m e n , d ie sich w ä h re n d e in e r b e k a n n te n B e lic h tu n g s z e it als h e lle S tric h e a u f dem B ild a b g e ze ich n e t haben. D ie bew egende K r a f t K is t im e in fa ch ste n F a lle die S c h w e rk ra ft. = i ß n r 3- d- g {d = D ic h te , g = 981 cm /sec1 2 3). M a n b e o b a ch te t d a n n also d ie F a llb e w e g u n g d e r P a rtik e l. G eladene T e ilc h e n , d ie in einem e le k tris c h e n F e ld e d e r F e ld s tä rk e E w a n d e rn , u n te rlie g e n d e r K r a f t K e = e - E (e = T e ilc h e n la d u n g ). D ie F e ld s tä rk e is t h in re ic h e n d b e k a n n t, da R a u m la d u n g e n , d ie d u rc h die g e ladenen T e ilc h e n a u ftre te n k ö n n te n , g e g e n ü b e r dem a n g e le g te n F e ld in je d e m F a lle zu v e rn a c h lä s s ig e n sin d . A n s ta tt d e r G e s c h w in d ig k e it im k o n s ta n te n e le k tris c h e n F e ld e haben We l l s u n d Ge b k e2 d ie A m p litu d e n d e r in e in e m n ie d e rfre q u e n te n W e c h s e lfe ld s c h w in g e n d e n T e ilc h e n z u r B e s tim m u n g b e n u tz t.
D u rc h K o m b in a tio n d e r B e w e g u n g im S c h w e re fe ld u n d e in e m d a z u s e n kre ch te n e le k tris c h e n W e c h s e lfe ld b e s tim m te n Fu c h s u n d Pe t b j a n o w3 G röße u n d L a d u n g d e r T e ilc h e n g le ic h z e itig . I n seinen b e rü h m te n V e rs u c h e n h a t Mi l l i k a n z u r B e s tim m u n g des E le m e n ta rq u a n tu m s d ie S c h w e rk ra ft d u rc h eine en tg e g e n g e se tzte e le k tris c h e F e ld k r a ft k o m p e n s ie rt. B e i den F a llz e itm e s s u n g e n m u ß d, b e i den M essungen im e le k tris c h e n F e ld e b e k a n n t sein, d a m it r als e in z ig e U n b e k a n n te b e re ch n e t w e rd e n k a n n . E n t
sp re ch e n d lä ß t sich e ( Mi l l i k a n) o d e r d ( Wh y t l a w- Gb a y) 4 b e stim m e n , w e n n r v o r gegeben is t. D ie L a d u n g d e r T e ilc h e n is t a lle rd in g s m eistens u n b e s tim m t. Dasselbe g i lt v o n d e r T e ilc h e n d ic h te , so b a ld es sich n ic h t u m flü s s ig e S to ffe , s o n d e rn u m Staube
1 Dem Betrage nach is t A etwa gleich der m ittle re n freien Weglänge.
2 P. V . We l l s u. R . H . Ge r k e: J. Am er. chem. Soc. 41, 312 (1919).
3 Siehe Fußnote 3, S. 2. 4 Wh y t l a w-Gr a y: Smoke, S. 100.
b Zentralblende, K Beobach
tu ngskammer, O O b je k tiv des Beobachtnngsmikroskopes.
8 0 . Br a n d t: Ae r o s o l e. Zeitschrift fü r den physikalischen Fünfzigster Jahrgang.
h a n d e lt1. Eh r e n h a f t h a t s e in e rz e it diese T a tsa ch e übersehen u n d in fo lg ed e sse n die
„S u b e le k tro n e n “ g e fu n d e n , d a e r in t G egensatz zu Mi l l i k a n, d e r b e k a n n tlic h ( Ünebel b e n u tzte , seinen M essungen v e rsch ie d e n e Staube z u g ru n d e le g te . S p ä te r b e s tim m te Bä r1 2 d ie ta ts ä c h lic h e n D ic h te n d ie s e r P a rtik e l. A u c h VVh y t l a w- Gr a y3 h a t d ie D ic h te n fe s te r S ch w e b e te ilch e n gemessen, in d e m e r in U m k e h ru n g des Mi l l i k a nsehen V e rfa h re n s die e le k tris c h e L a d u n g als b e k a n n t an n a h m . A u s den gem essenen D ic h te n v o n b e i
spielsw eise d = 0 ,9 4 a n s ta tt D = 10,5 { D = D ic h te des k o m p a k te n S toffes) f ü r S ilb e r, m uß m a n f ü r S taube o ffe n b a r e in h ö ch st a u fg e lo c k e rte s flo c k ig e s G e b ild e annehm en. Es m uß d a n n b e d a c h t w e rd e n , daß d ie STOKEsschen B ew egungsgesetze n u r f ü r k u g e l
fö rm ig e T e ilc h e n g e lte n . Ob m a n d ie F o rm d e r ä u ß e re n z u sa m m e n hä n g e n d g e d achten U m h ü llu n g a b e r b e i einem S taube n o ch als a n n ä h e rn d k u g e l
fö r m ig a n n ehm en d a rf, is t m e h r als fr a g lic h . E in e g e d a ch te U m h ü llu n g is t ü b e rh a u p t b e i einem a u fg e lo c k e rte n flo c k ig e n G e b ild e U n d e fin ie rt u n d d e r p h y s ik a lis c h e S in n d e r D ic h te als G e w ic h t/V o lu m e n u n b e s tim m t. F ig . 3 z e ig t e in d u rc h a k u stisch e A g g r e g ie ru n g (siehe S. 9) aus m e h re re n Fig. 3. S taubpartikel m it lockerem Gefüge (etwa 350 fach). T a u se n d E in z e lte ilc h e n entstandenes
S ta u b p a rtik e l. M an s ie h t d a ra u s, daß zum m in d e s te n g rö b e re S taube d ie g e ä u ß e rte n B e d e n ke n re c h tfe rtig e n . D ie G e s ta lt v o n S ta u b te ilc h e n im u ltra m ik ro s k o p is c h e n G e b ie t is t n och u n b e k a n n t. S taube v e r- ä n d e rn zu d e m ih re F o rm a n d a u e rn d d u rc h d ie A g g re g a tio n d e r T e ilc h e n u n te r
e in a n d e r. Z w e i k u g e lfö rm ig e feste T e ilc h e n z. B. kö n n e n k e in k u g e lfö rm ig e s A g g re g a t ergeben.
S e d i m e n t a t i o n u n d K o a g u l a t i o n . I n e in e m u n g le ic h te ilig e n S ch w e b sto ff setzen sich die gro ß e n T e ilc h e n w e g e n ih r e r h ö h e re n F a llg e s c h w in d ig k e it b e v o rz u g t ab, w ä h re n d die k le in e re n w e g e n d e r s tä rk e re n ßROWNSchen B e w e g u n g b e v o rz u g t d u rc h g e g e n se itig e Zusam m enstöße a g g re g ie re n , so daß d e r S ch w e b sto ff w ä h re n d des A lte rn s d a u e rn d g le ic h te ilig e r w ir d . I n d e rse lb e n R ic h tu n g w ir k t d ie is o th e rm e D e s tilla tio n , da die k le in e n T e ilc h e n in fo lg e ih r e r s tä rk e re n K rü m m u n g ein e n h ö h e re n D a m p fd ru c k haben u n d zu den g rö ß e re n ü b e rd e s tillie re n . V o n d e r V e r d a m p fu n g s o ll im fo lg e n d e n a b e r abgesehen w e rd e n . Jede M essung von T e ilc h e n g rö ß e u n d -k o n z e n tra tio n g ib t also n u r e in e n z e itlic h b e g re n z te n Z u s ta n d w ie d e r.
B e tra c h te t m a n als K r ite r iu m das m ittle r e T e ilc h e n g e w ic h t, so w ir d sich b e i e in e m s ta r k u n g le ic h te ilig e n S ch w ebstoff, d e r also g ro b e P a r tik e l e n th ä lt, dieses d u rc h die S e d im e n ta tio n zu n ä ch st v e rm in d e rn (F ig . 4), be i e in e m im g a nzen fe in te ilig e n S c h w e b s to ff a b e r in fo lg e d e r v o rw ie g e n d e n A g g re g ie ru n g v e rg rö ß e rn . B e i e in e m sehr fe in te ilig e n A e ro s o l d a r f d ie S e d im e n ta tio n in e rs te r A n n ä h e ru n g ü b e rh a u p t v e rn a c h lä s s ig t w e rd e n . D ie re z ip ro k e T e ilc h e n z a h l 1 /n , d ie dem m ittle r e n T e ilc h e n g e w ic h t p ro p o r tio n a l is t, g ib t d a n n in A b h ä n g ig k e it v o n d e r Z e it t den V e rla u f d e r Fig. 4. Veränderung des m ittle re n
Teilchengewichtes g infolge Sedi
m entation und Aggregation bei einem ungleichteiligen gröberen ( I) und einem gleichteiligen feineren
( I I ) Schwebstoff.
1 V . Ko h l s c h ü t t e r u. Tü c h e r: Z. E le k tro c h e m . 27, 225 (1921).
2 R . Bä r: Ann. P hysik «7, 157 (1922). 3 Siehe Fußnote 2 S. 1.
und chemischen U nterricht.
1937. H e it I .
O . Br a n d t: Ae r o s o l e. 9
20 w 60 80 WO min KO
Fig. 5. Zunahme des m ittle re n Teilchengewichtes 1/n infolge Aggregation.
A g g re g a tio n an. Wh y t l a w- Gr a y u n d seine M ita r b e ite r 1- 2 fa n d e n P ro p o rtio n a litä t z w isch e n 1 /n u n d t. F ig . 5 z e ig t das E rg e b n is s o lch e r M essungen, d ie ü b e re in s tim m e n d n a c h z w e i M e th o d e n e rh a lte n w u rd e n . (E in m a l d u rc h A u s z ä h le n im S p a ltu ltra m ik ro s k o p , das a n d e re M a l d u rc h A u s z ä h le n d e r aus einem b e k a n n te n K a u m a b g esetzten T e ilc h e n .) T a ts ä c h lic h fo r d e r t d ie T h e o rie d e r K o a g u la tio n , d ie Sm o l t j c h o w s k y f ü r d ie schnelle K o a g u la tio n g le ic h te ilig e r H y d ro s o le a b g e le ite t h a t u n d d ie v o n Wh y t l a w- Gr a y d u rc h den CüNNiNGHAMschen K o r r e k t u r fa k t o r fü r A e ro s o le k o r r ig ie r t w u rd e , e in solches V e r
h a lte n . N a ch Sm o l t j c h o w s k y i st: d n ] d t = K - r i i u n d i = [ l / n — Di e f r a g e , ob diese A n s ä tz e auch fü r A e ro so le g elten,
h a t eine u n v e rh ä ltn is m ä ß ig s ta rk e B e a ch tu n g u n d B e h a n d lu n g e rfa h re n . Sie scheint d u rc h d ie M essungen b e ja h t zu w e rd e n , je d o c h s in d diese n ic h t u n w id e rs p ro c h e n g e b lie b e n 3. Es sei n o ch e rw ä h n t, daß hoch k o n z e n trie rte u n d sehr fe in te ilig e N ebel, w ie sie im A u g e n b lic k e d e r K o n d e n s ie ru n g e in e r v e rd a m p fte n S ubstanz a u ftre te n k ö n n e n , so sch n e ll a g g re g ie re n , daß fü r M essungen an diesem P u n k te g a r k e in e Z e it b le ib t. Wh y t l a w- Gr a y4 g ib t als
B e is p ie l fü r S te a rin sä u re sta u b e d ie Z e it 0,02 sec an, in d e r die 1 e ilc h e n k o n z e n tra tio n v o n 1011 T e ilc h e n /c m 3 a u f d ie H ä lfte g e s u n k e n ist.
B e i w e n ig e r fe in te ilig e n S ch w e b sto ffe n k ö n n e n ä h n lic h hohe A g g re g a tio n s g e s c h w in d ig k e ite n n u r in e in e m in te n s iv e n S c h a llfe ld b e i F re q u e n z e n des ob e re n S c h a ll- u n d u n te re n S ch a llg e h ie te s e rz ie lt w e rd e n . In n e rh a lb w e n ig e r S ekunden, be i h ö ch ste r S c h a ll
in te n s itä t in B ru c h te ile n e in e r Sekunde, lassen sich T e ilc h e n v e rg rö ß e ru n g e n a u f das M e h rh u n d e rtfa c h e d e r A n fa n g s g rö ß e
e rre ic h e n 5 * *. D ie T e iln a h m e d e r P a r
t ik e l an d e r S c h a lls c h w in g u n g des Gases h ä n g t v o n F re q u e n z u n d R a d iu s ab (siehe im n ä ch ste n A b s c h n itt F ig . 8). Es lie ß sich zeigen, daß in fo lg e d e r u n g le ic h e n A m p li
tu d e n d ie S to ß w a h rs c h e in lic h k e it zw isch e n v e rs c h ie d e n g ro ß e n T e il
chen e rh ö h t w ir d , so daß k in e ti
sche Z usam m enstöße zusam m en m it h y d ro d y n a m is c h e n A n z ie h u n g s k rä f
te n d ie schnelle a k u stisch e A g g re
g a tio n e rk lä re n d ü rfte n . I n F ig . 6 a s in d a k u s tis c h s c h w in g e n d e K a u c h p a rtik e l (1/ 125 sec B e lic h tu n g s z e it) u n d in F ig . 6 b d ie B ah n e n g rö ß e re r, n ic h t m e h r s c h w in g e n d e r a g g re g ie re n d e r P a r tik e l (D jo sec B e lic h tu n g s z e it) w ie d e rg e g e b e n . D as entgegengesetzte P ro b le m d e r B e e in flu ssu n g des S c h a llfe ld e s d u rc h den S ch w e b sto ff, v o r a lle m d ie
Fig. 6. a Schwingende Aerosolteilchen im Schallfeld, b Gröbere, n ic h t m ehr schwingende Teilchen während der Aggregation.
1 Wh y t l a w-Gr a y: Smoke; R . Wh y t l a w-Gr a y, W . Ca w o o d, H . S. Pa t t e r s o n: Disc. F ar. Soc.,
S. 1057. , rTT TZ.
2 A u f Systeme m it nichtkugeligen Teilchen soll hier n ich t eingegangen werden [ V. Ko h l s c h u t t e r : K o llo id -Z . 42, 203 (1927); Wh y t l a w-Gr a y: Smoke; D . Be is c h e r u. A . Wi n k e l: Z. physik. Chem.
(A) 176. 1 (1936)].
3 Wi n k e l u. Ja n d e r: Schwebstoffe in Gasen, s. Fußnote 2 S. 1; A . Wi n k e l: Z. angew. Chem.
49, 404 (1936).
4 R . Wh y t l a w-Gr a y: Disc. F ar. Soc., S. 1045.
5 O Br a n d t u H . Fr e u n d: Z. P hysik 92. 384 (1934); 94, 348 (1935). — O. Br a n d t u. E. Hi e d e- m a n n: Disc. F a r. Soc., S. 1101; K o llo id -Z . 75, 129 (1936).— O. Br a n d t, H . Fr e u n d u. E. Hi e d e- m a n n: K o llo id -Z . 77, 103 (1936).
10 0 . Br a n d t: Ae r o s o l e. Zeitschrift fü r den physikalischen Fünfzigster Jahrgang.
S c h a lla b s o rp tio n , d ie m it d e r E rh ö h u n g d e r S c h a llfre q u e n z sehr e rh e b lic h w ird , h a t tr o tz m a n c h e r A r b e ite n 1 noch n ic h t ih re abschließ ende B e h a n d lu n g g e fu n d e n .
D a s V e r h a l t e n d e r T e i l c h e n i n K r a f t f e l d e r n is t au ch u n te r a n d e re n G e s ic h ts p u n k te n v o n B e d e u tu n g . D ie B e w e g u n g im S c h w e re fe ld b e w irk t, w ie e rw ä h n t, K o n z e n tra tio n s v e rlu s t des S ch w e b sto ffs d u rc h S e d im e n ta tio n . V o m S ta n d p u n k te d e r S ta u b a b s c h e id u n g aus is t d ie se r V o rg a n g n a tu rg e m ä ß w ü n s c h e n s w e rt. I n d e r E n t
s ta u b u n g s te c h n ik w e rd e n a u f diesem G r u n d p rin z ip Gase v o n S ch w e b sto ffe n b e fre it, in d e m m a n sie d u rc h flache „S ta u b k a m m e rn “ le ite t. H ö h e u n d L ä n g e d e r K a m m e r u n d D u rc h s trö m u n g s g e s c h w in d ig k e it m üssen a u f d ie F a llg e s c h w in d ig k e it, also d ie T e ilc h e n g rö ß e , a b g e s tim m t sein. F ü r d ie k le in e n T e ilc h e n eines e chten A e ro so ls kö n n e n aus b e g re iflic h e n G rü n d e n solche K a m m e rn n ic h t m e h r w irts c h a ftlic h v e rw e n d e t w e rd e n . D u rc h B e la d u n g d e r T e ilc h e n m it F lü s s ig k e it lä ß t sich d ie A b s e tz b e w e g u n g b e sch le u n ig e n . M a n le ite t zu diesem Z w e c k das A e ro s o l d u rc h K ie s e ltü rm e o d e r K a m m e rn o d e r setzt ih m W a s s e rn e b e l zu. V o n den fa lle n d e n W a s s e rtro p fe n w e rd e n d ie T e ilc h e n zu m T e il auch re in m e ch a n isch m itg e ris s e n .
E in e A b s c h e id u n g d e r P a r tik e l k a n n w e ite rh in d u rc h d ie A u s n u tz u n g d e r T rä g h e its k rä fte b e w ir k t w e rd e n . D a die T e ilc h e n masse g e g e n ü b e r d e r Masse des v e rd rä n g te n M e d iu m s sehr g ro ß is t, tre te n b e i e in e r b e s c h le u n ig te n S trö m u n g s b e w e g u n g des Gases, d. h. also auch b e i je d e r R ic h tu n g s ä n d e ru n g T rä g h e its k r ä fte a u f, d ie das T e ilc h e n in d e r a lte n R ic h tu n g w e ite r zu b ew egen suchen. D a h e r k ö n n e n d ie S ch w e b sto ffe a u f P ra llflä c h e n o d e r a u f F ilte r n usw . z u r A b s c h e id u n g k o m m e n . I n F ig . 7 s in d sch e m a tisch d ie S tro m lin ie n des Gases v o r d e r P ra llflä c h e P e in g eze ich n e t. D ie g e s tric h e lte L in ie g ib t den W e g eines T e ilc h e n s an. B e i R o ta tio n des T rä g e rs , w ie sie z. B. in den F lie h k ra fta b s c h e id e rn (Z y k lo n e n ) e rz ie lt w ir d , äuß e rn sich d ie T rä g h e its k rä fte d u rc h Z e n trifu g ie re n d e r T e ilc h e n z u r A u ß e n w a n d , an d e r sie z u r A b s c h e id u n g k o m m e n .
A ls M aß d e r M a s s e n trä g h e it d e r T e ilc h e n k a n n d e r „sp e z ifis c h e B re m s w e g “ g e lte n , d e r d u rc h fo lg e n d e s G e d a n k e n e x p e rim e n t fe s tg e le g t i s t 1 2. E in T e ilc h e n vom R a d iu s r tre te m it d e r G e s c h w in d ig k e it 1 m /se c in e in ru h e n d e s Gas ein. Es s c h re ite t
, t / tyyij \
in diesem so la n g e fo r t, b is seine E in s c h u ß e n e rg ie ( ~ 2 / v o m Z ä h ig k e its w id e rs ta n d
9 XX>
(6 n r r j v ) v e rb ra u c h t is t. A u s ^ ~ = j 6 n r r j v d x fo lg t f ü r den B re m s w e g : * 0 0 = Fig. 7.
Strom linien des Gases (aus
gezogen) und eines Schwebe- teilchens (gestrichelt) vor einer P la tte (Prallfläche).
Q n r r/ {r = T e ilc h e n ra d iu s , d = T e ilc h e n d ic h te , rj -
6 71 r r] 0 ’ Z ä h ig k e its b e iw e rt, v0 = E in s c h u ß g e s c h w in d ig k e it, v = A u g e n b lic k s g e s c h w in d ig k e it, 0 - 0 0 = B re m s w e g , x'00= s p e z i
fis c h e r B re m s w e g .) D ie fo lg e n d e T a b e lle g ib t d e n speziüschen B re m s w e g f ü r ve rsch ie d e n e r in n j ic’o, in ß
0,5 3
1 12
10 1200
T e ilc h e n g rö ß e n an. (d = 1, rj = 1,8 • 10“ cm _1 g sec-1 .) F ü r d ie Schweb-
»■ in /1 | x'cqin ß s to ffe des e ig e n tlic h e n A e ro s o lg e b ie ts m a c h t sich d ie T rä g h e it also e rst bei g ro ß e n E in s c h u ß g e s c h w in d ig k e ite n o d e r — w e n n w ir w ie d e r zu den re a l v o rlie g e n d e n V e rh ä ltn is s e n , be i denen d ie T e ilc h e n v o n v o r n h e re in im Gase e in g e la g e rt s in d , z u rü c k k e h re n — b e i g ro ß e n G as
b e s c h le u n ig u n g e n b e m e rk b a r.
G anz u n g e m e in hohe B e s c h le u n ig u n g s a m p litu d e n w e rd e n in h o ch fre q u e n te n S c h a ll
fe ld e rn e rre ic h t. (B e i 1 0 0 0 0 H z u n d e in e r A m p litu d e 100 ^ is t d ie B e s c h le u n ig u n g s a m p litu d e z. B . 4 0 0 0 0 0 m /se c2.) D as V e rh a lte n d e r T e ilc h e n in solchen F e ld e rn is t d e r G egenstand n e u e re r U n te rs u c h u n g e n 3 gewesen. B e i hohen F re q u e n z e n (U ltra s c h a ll)
O. Br a n d t, H . Fr e u n d u. E.
1 W . Al t b e r g u. M. Ho l t z m a n n: P hysik. Z. 26, 149 (1925).
Hie d e m a n n: Erscheint in Z. Physik.
2 W . Se l l: Forschungsheft 347; V D I-V erlag 1931. — F . Al b r e c h t: Physik. Z. 32, 48 (1931).
3 O. Br a n d t, H . Fr e u n d, E . Hi e d e m a n n: Siehe Fußnote 5 S. 9.
