Fein­staub

Fein­staub – win­zi­ge Teil­chen natür­li­chen oder indus­tri­el­len Ursprungs, die Umwelt und Mensch gefähr­lich wer­den kön­nen. Auch in der Halb­lei­ter­indus­trie stellt Fein­staub eine Her­aus­for­de­rung dar, für die DAS Envi­ron­men­tal Expert GmbH lang­jäh­rig erprob­te und ste­tig wei­ter­ent­wi­ckel­te Lösun­gen bietet.

Was ist Fein­staub und war­um ist es für die Indus­trie ein Problem

Stäu­be sind fes­te Teil­chen, die über einen gewis­sen Zeit­raum in der Luft sus­pen­diert blei­ben. Die­se Par­ti­kel kön­nen aus orga­ni­schen (z.B. Bak­te­ri­en, Pilz­spo­ren, Holz, Mehl) oder anor­ga­ni­schen Mate­ria­li­en (z.B. Mine­ral­fa­sern, Glas, Gestei­ne) bestehen. Die­se in der Luft umher­flie­gen­den Kleinst­par­ti­kel sind lun­gen­gän­gig, also klein genug, um in den mensch­li­chen Kör­per ein­zu­drin­gen und sich in der Lun­ge abzu­la­gern bzw. sogar in den Blut­kreis­lauf zu gelan­gen. Dies kann schwer­wie­gen­de gesund­heit­li­che Fol­gen haben. Fein­staub und der rich­ti­ge Umgang damit ist und bleibt dem­nach eine zen­tra­le Her­aus­for­de­rung für Indus­trie und Umwelt.

Quel­len und Eigen­schaf­ten von Feinstaub

Staub­quel­len sind einer­seits natür­li­che Vor­gän­ge, wie Vul­ka­nis­mus, Ero­si­on und Stür­me, Mee­res­bran­dung, Pol­len­flug oder Wald­brän­de. Einen bedeu­ten­den Anteil an der Staub­be­las­tung der Atmo­sphä­re haben aber auch anthro­po­ge­ne Staub­quel­len, wie Ver­kehr, Land­wirt­schaft, Ener­gie­ge­win­nung und indus­tri­el­le Pro­zes­se. Pri­mä­rer Fein­staub wird unmit­tel­bar am Ort sei­ner Ent­ste­hung frei­ge­setzt, zum Bei­spiel bei Ver­bren­nungs­pro­zes­sen. Wenn die Par­ti­kel erst mit zeit­li­chem Abstand aus gas­för­mi­gen Vor­läu­fer­sub­stan­zen, wie Schwe­fel- und Stick­oxi­den, Schwe­fel­was­ser­stoff, Ammo­ni­ak oder flüch­ti­gen orga­ni­schen Koh­len­was­ser­stof­fen durch che­mi­sche Reak­tio­nen und/oder durch Anla­ge­rung an einen Kon­den­sa­ti­ons­kern ent­ste­hen, so wer­den sie als sekun­dä­rer Fein­staub bezeichnet.

Ein­tei­lung der Staub­par­ti­kel in Größenklassen

Staub­par­ti­kel wer­den nach ihrer Grö­ße in ver­schie­de­ne Klas­sen ein­ge­teilt. Dies geht zurück auf den im Jahr 1987 ein­ge­führ­ten Natio­nal Air Qua­li­ty-Stan­dard for Par­ti­cu­la­te Mat­ter (kurz als PM-Stan­dard bezeich­net) der US-ame­ri­ka­ni­schen Umwelt­schutz­be­hör­de Envi­ron­men­tal Pro­tec­tion Agen­cy (EPA). Auch nach DIN EN 12341:2014 ist Fein­staub der Kate­go­rie PMX „Schwebs­taub in der Luft, der einen grö­ßen­se­lek­ti­ven Luft­ein­lass pas­siert, der bei einem aero­dy­na­mi­schen Durch­mes­ser von x µm (Mikro­me­tern) eine Abschei­de­wirk­sam­keit von 50% aufweist“.

Feinstaub Größen im Vergleich zum menschlichen Haar

Aus gesund­heit­li­cher Sicht sind Grö­ße und Form der Staub­par­ti­kel sowie der Schad­stoff­ge­halt des jewei­li­gen Stau­bes die maß­geb­li­chen Kri­te­ri­en. Wäh­rend grö­be­re Par­ti­kel („Grob­staub“) von den Nasen­här­chen sowie den Schleim­häu­ten des Nasen-Rachen-Rau­mes abge­fan­gen wer­den, wer­den Fein­staub-Par­ti­kel über die Atem­we­ge bis in die Lun­ge inhaliert.

Fein­staub der Klas­se PM10 ent­spricht der soge­nann­ten tho­ra­ka­len Frak­ti­on nach den Nor­men EN 481 und ISO 7708. Die­se Par­ti­kel gelan­gen bereits in die obe­ren Berei­che der Lun­ge. Noch klei­ne­re Staub­teil­chen der Klas­se PM2,5 – auch bezeich­net als alveo­len­gän­gi­ge Frak­ti­on – wer­den über Luft­röh­re und Bron­chi­en hin­aus bis in die tie­fen Lun­gen­be­rei­che trans­por­tiert, wo die Dich­te des Flim­mer­epi­thels nach­lässt, was die Selbst­rei­ni­gung des Atem­or­ga­nes erschwert. Dazu gehört auch die Frak­ti­on der ultra­fei­nen Par­ti­kel (PM 0,1, Grö­ße < 0,1µm), bei der ver­mu­tet wird, dass sie über die Lun­gen­bläs­chen sogar in den Blut­kreis­lauf auf­ge­nom­men werden.

Gesund­heit­li­che Aus­wir­kun­gen von Feinstaub

Je klei­ner, des­to gefähr­li­cher: Die Aus­wir­kun­gen von Fein­staub auf Mensch und Umwelt sind abhän­gig von der Grö­ße und Ein­dring­tie­fe der Teil­chen, aber auch von ihrer che­mi­schen Zusam­men­set­zung. Staub­teil­chen kön­nen Sub­stan­zen wie Blei oder Queck­sil­ber ent­hal­ten. An der Ober­flä­che von Staub­par­ti­keln kön­nen sich aber auch wei­te­re Schad­stof­fe wie Koh­len­was­ser­stof­fe, Schwe­fel- oder Stick­stoff­ver­bin­dun­gen anla­gern. Fein­staub beein­träch­tigt die Gesund­heit; er ver­ur­sacht bzw. ver­stärkt Erkran­kun­gen der Atmungs­or­ga­ne, wie Bron­chi­tis, chro­nisch obstruk­ti­ve Lun­gen­er­kran­kung (COPD) oder Asthma.

Angriffsorte von Feinstaub im Menschen

Die gesund­heit­li­chen Aus­wir­kun­gen rei­chen Anga­ben der WHO und der Euro­päi­schen Umwelt­agen­tur zufol­ge von Schleim­haut­rei­zun­gen und loka­len Ent­zün­dun­gen in der Luft­röh­re und den Bron­chi­en oder den Lun­gen­bläs­chen bis zu ver­stärk­ter Plaque­bil­dung in den Blut­ge­fä­ßen, einer erhöh­ten Throm­bo­se­nei­gung oder Ver­än­de­run­gen der Regu­lie­rungs­funk­ti­on des vege­ta­ti­ven Ner­ven­sys­tems (Herz­fre­quenz­va­ria­bi­li­tät). Ultra­fei­ne Par­ti­kel mit einer Grö­ße von < 0,1µm ste­hen zudem im Ver­dacht, Krebs und Ent­zün­dun­gen her­vor­zu­ru­fen, die das Herz-Kreis­lauf-Sys­tem nach­hal­tig schädigen.

Gesetz­li­che Rege­lun­gen zur Reduk­ti­on von Feinstaub-Emissionen

Auf­grund die­ser Gesund­heits­ge­fah­ren gibt es seit eini­gen Jah­ren welt­weit Bestre­bun­gen, den Fein­staub­ge­halt in der Atem­luft zu redu­zie­ren. Für Mit­ar­bei­ter in Risi­ko­bran­chen, bei­spiels­wei­se im Berg­bau oder in Gie­ße­rei­en, gel­ten zusätz­lich stren­ge Arbeits­schutz­vor­schrif­ten. Denn wenn Beschäf­tig­te am Arbeits­platz dau­er­haft Staub aus­ge­setzt sind und die­sen ein­at­men, kann dies schwe­re Gesund­heits­schä­den wie Staub­lun­ge, Lun­gen­fi­bro­se und Lun­gen­krebs ver­ur­sa­chen. Für beson­ders gefähr­li­che Stäu­be gel­ten daher Arbeits­platz­grenz­wer­te. Außer­dem wur­den in den meis­ten Län­dern für Fein­staub Immi­si­ons­grenz­wer­te fest­ge­legt. So liegt seit 2005 euro­pa­weit der Tages­grenz­wert für die Fein­staub­frak­ti­on PM10 bei 50 µg/m3. Er darf nicht öfter als 35mal im Jahr über­schrit­ten wer­den; der zuläs­si­ge Jah­res­mit­tel­wert beträgt 40 µg/m3. Für Par­ti­kel PM2,5 ist seit 2008 euro­pa­weit ein Wert von 25 µg/m3 im Jah­res­mit­tel ver­bind­lich ein­zu­hal­ten. Die Grenz­wer­te, die die Welt­ge­sund­heits­or­ga­ni­sa­ti­on in ihren WHO-Luft­gü­te-Richt­li­ni­en emp­fiehlt, sind noch wesent­lich stren­ger. Die Fein­staub-Emis­sio­nen in Deutsch­land sind Anga­ben des Umwelt­bun­des­am­tes zufol­ge seit 1995 erheb­lich zurück­ge­gan­gen. So ist es gelun­gen, die PM2,5‑Emissionen von 0,22 Mil­lio­nen Ton­nen (Mio. t, 1995) auf 0,10 Mio. t (2018) zu redu­zie­ren.

Die Indus­trie gehört zu den größ­ten Feinstaub-Emittenten

Ange­fan­gen von der Strom­erzeu­gung über die Logis­tik bis hin zu Pro­duk­ti­ons­pro­zes­sen und der Abfall­be­hand­lung tra­gen Indus­trie­be­trie­be einen gro­ßen Teil zur Luft­ver­schmut­zung bei. Der Ein­satz von Lösungs­mit­teln, wie zum Bei­spiel in der che­mi­schen und Mine­ral­stoff­in­dus­trie, aber auch die Pro­duk­ti­ons­pro­zes­se in der High­tech-Indus­trie sind Bei­spie­le für Fein­staub-Quel­len in der Industrie.

Fein­staub­quel­len in der Hightech-Industrie

In der Halb­lei­ter­bran­che ist bei­spiels­wei­se im Backend-Bereich das Tren­nen von Wafern mit dem Laser eine bedeu­ten­de Fein­staub­quel­le. Auch bei der Ent­sor­gung von Pro­zess­ab­ga­sen durch ther­mi­sche Ver­fah­ren (Bren­ner) kön­nen Staub­par­ti­kel ent­ste­hen, ins­be­son­de­re nach Beschich­tungs­pro­zes­sen, wie z.B. bei Epi­ta­xie-Pro­zes­sen, oder bei der Beschich­tung gro­ßer Flä­chen wie z.B. in der Her­stel­lung von Solar­zel­len oder Flach­bild­schir­men. Ohne zusätz­li­che Maß­nah­men gelan­gen sie in das Abluft­sys­tem, wo sie zum einen Lei­tun­gen zuset­zen kön­nen („Clog­ging“) und damit poten­ti­ell eine gan­ze Anla­ge zum Still­stand zwin­gen kön­nen. Wenn Fein­stäu­be in die Umge­bung frei­ge­setzt wer­den, stel­len sie zudem eine Gefahr für Umwelt und Gesund­heit dar. In der Fab selbst wird streng dar­auf geach­tet, dass kei­ner­lei Staub­par­ti­kel in kri­ti­sche Berei­che, wie die Rein­räu­me, ein­ge­tra­gen wer­den, da Fein­staub sowohl das Equip­ment als auch Pro­duk­te wie Wafer beschä­di­gen kann.

 

Wafer

Ver­fah­ren zur Feinstaubascheidung

Fein­staub ist eine Gefahr für Mensch und Maschi­ne. Ins­be­son­de­re im Rah­men indus­tri­el­ler Pro­zes­se müs­sen ent­ste­hen­de Abga­se zuver­läs­sig und sicher behan­delt und der ent­hal­te­ne Fein­staub abge­schie­den wer­den. Dafür sind ver­schie­de­ne Ver­fah­ren in der Anwendung:

Zyklon­ab­schei­der, elek­tro­sta­ti­sche Abschei­der, Nassa­b­schei­der und fil­tern­de Abschei­der. Zur Abschei­dung von Fein­staub, ins­be­son­de­re für die PM2,5 Frak­ti­on und Ultra­fei­ne Par­ti­kel, wer­den meis­tens elek­tro­sta­ti­sche Abschei­der oder fil­tern­de Abschei­der genutzt. Zyklon­ab­schei­der eig­nen sich dage­gen beson­ders für grö­be­re Partikel.

Elek­tro­sta­ti­sche Abscheider

Elek­tro­sta­ti­sche Fil­ter ent­fer­nen Par­ti­kel, Aero­so­le und Kon­den­sa­te aus dem Abgas­strom mit­hil­fe eines elek­tri­schen Felds. Sowohl fei­ne und feins­te Stäu­be als auch kon­den­sier­ba­re orga­ni­sche Ver­bin­dun­gen wer­den zuver­läs­sig und effi­zi­ent aus den Abga­sen entfernt.

Nassa­b­schei­der

Abgas­wä­scher brin­gen den Abgas­strom mit einer Wasch­flüs­sig­keit in Kon­takt, die ent­hal­te­ne Par­ti­kel bin­det und teil­wei­se löst. Das ent­stan­de­ne Gemisch wird vom Abgas­strom getrennt und abge­schie­den; die Wasch­flüs­sig­keit aufbereitet.

Fil­tern­de Abscheider

Das Abgas durch­strömt beim fil­tern­den Abschei­der ein Fil­ter­ele­ment, meist von außen nach innen. Dabei setzt sich das Fil­trat auf dem Fil­ter­me­di­um ab; es bil­det sich ein so genann­ter Fil­terku­chen – eine Staub­schicht, die regel­mä­ßig ent­fernt wer­den muss.

Zuver­läs­si­ge Abgas­be­hand­lung besei­tigt gefähr­li­che Gase

Die Ver­mei­dung von Staub­emis­sio­nen gehört seit der Fir­men­grün­dung zur Phi­lo­so­phie der DAS Envi­ron­men­tal Expert GmbH. Um gefähr­li­che Gase zuver­läs­sig zu besei­ti­gen, bie­ten wir hoch­ef­fi­zi­en­te Bren­ner-Wäscher-Sys­te­me wie ESCAPE, STYRAX, UPTIMUM und TILIA an. Die dar­in ent­hal­te­ne Wasch­stu­fe schei­det auch bereits zuver­läs­sig einen Groß­teil der Fest­stof­fe ab. Wir arbei­ten ste­tig dar­an, die­se inte­grier­te Tech­no­lo­gie wei­ter zu entwickeln.

Zusätz­lich bie­ten wir zwei Bau­rei­hen von Abgas­be­hand­lungs-Anla­gen an, wel­che eigens für die Par­ti­kel­ent­fer­nung kon­zi­piert wur­den. Bei­de eig­nen sich her­vor­ra­gend dazu, als Sekun­där­sys­te­me hin­ter ther­mi­schen Pro­zes­sen für sau­be­re Abluft zu sor­gen. Auch die­se bewähr­ten Tech­no­lo­gien wer­den immer wei­ter­ent­wi­ckelt – wir neh­men jede Her­aus­for­de­rung unse­rer Kun­den an.

Lösun­gen für ver­schie­de­ne Feinstaubbelastungen

Ein Nach­teil der gän­gi­gen fil­tern­den Abschei­der ist der Druck­ver­lust über den Fil­ter. Die DAS Envi­ron­men­tal Expert GmbH hat daher für die Anwen­dung bei der Abgas­ent­sor­gung spe­zi­ell in der Halb­lei­ter­indus­trie vor­ran­gig elek­tro­sta­ti­sche Fil­ter und einen spe­zi­ell für Fein­staub opti­mier­ten Nassa­b­schei­der entwickelt.

Elek­tro­sta­ti­sche Feinstaub-Abscheider 

Die Anla­gen EDC bzw. EDC PLUS sind elek­tro­sta­ti­sche Staub­ab­schei­der zur Point-of-Use-Behand­lung von par­ti­kel- bzw. aero­sol­be­las­te­ten Pro­zess­ab­ga­sen. Eine Anla­ge kann Abgas­men­gen von bis zu 270 Kubik­me­tern pro Stun­de rei­ni­gen. Fein­staub­par­ti­kel, wie Sili­zi­um­oxid, wer­den durch die­se Anla­gen zu 99,9% entfernt.

Die vor­ge­r­ei­nig­ten Pro­zess­ab­ga­se wer­den dabei zunächst mit Was­ser gesät­tigt und anschlie­ßend durch Abschei­der-Säu­len geführt, wo Mikro- und Nano­par­ti­kel sowie Aero­so­le in einem elek­tro­sta­ti­schen Feld ioni­siert und dann an einer bespül­ten Wand auf einem geer­de­ten Film aus Wasch­flüs­sig­keit abge­schie­den wer­den. Der abge­trenn­te Staub wird in der Wasch­flüs­sig­keit sus­pen­diert; damit wird aus­ge­schlos­sen, dass aus dem Sys­tem Staub­par­ti­kel in den Rein­raum und ande­re sen­si­ble Berei­che der Pro­duk­ti­on gelangen.

DAS Produkte EDC und EDC Plus

Rotie­ren­de Feinstaub-Abscheider 

Die Anla­gen der RDC-Bau­rei­he nut­zen die Zen­tri­fu­gal­kraft zur Abtren­nung der Fein­staub­par­ti­kel. Sie beru­hen auf dem rein mecha­ni­schen Rotor-Sta­tor-Prin­zip: Durch eine hoch­tou­rig rotie­ren­de Schei­be wird ein Was­ser­strahl zer­stäubt. Das Ergeb­nis ist ein Nebel aus feins­ten Was­ser­tröpf­chen, in den zugleich die Staub­par­ti­kel geschleu­dert wer­den. Der Rotor bewirkt, dass auch die Abga­se ange­saugt und damit druck­ver­lust­frei geför­dert wer­den. Die Tur­bu­lenz im Scher­spalt zwi­schen Rotor und Sta­tor sorgt für die wirk­sa­me Durch­mi­schung von Was­ser­ne­bel und par­ti­kel­be­las­te­tem Pro­zess­ab­gas. Die Fein­staub­par­ti­kel wer­den im Was­ser sus­pen­diert; das gerei­nig­te Abgas kann anschlie­ßend pro­blem­los in die Umwelt frei­ge­setzt werden.

DAS Produkte DALEA und RDC

Die RDC-Bau­rei­he wur­de durch die DAS Envi­ron­men­tal Expert GmbH als Reak­ti­on auf Kun­den­wün­sche ent­wi­ckelt. Die Anla­gen sind klein – sie kön­nen daher in die klas­si­schen Bren­ner-Wäscher-Sys­te­me inte­griert oder auf­ge­setzt wer­den. Das neue Modell die­ser Rei­he, DALEA kann auch sepa­rat betrie­ben wer­den. RDC-Anla­gen sind zudem für wesent­lich höhe­re Staub­be­la­dun­gen ein­setz­bar als EDC-Anla­gen und auch für höhe­re Abluft­strö­me. Der Rotor wirkt zudem wie ein Geblä­se und för­dert das Abgas; es ent­steht also kein Druck­ver­lust, son­dern die übli­cher­wei­se ange­schlos­se­ne Absau­gung wird sogar unter­stützt. RDC-Anla­gen errei­chen jedoch nicht die Abscheide­ef­fi­zi­enz der EDC-Baureihe.

Die RDC-Bau­rei­he bie­tet Lösun­gen auch für Pro­duk­ti­ons­an­la­gen, in denen sehr hohe Fein­staub­be­las­tun­gen ent­ste­hen. Sie ist eine leis­tungs­fä­hi­ge Ergän­zung zur EDC-Bau­rei­he; die DAS Envi­ron­men­tal Expert GmbH bie­tet damit per­fekt abge­stimm­te Lösun­gen für unter­schied­li­che Bran­chen und Prozesse.

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