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“.
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.
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.
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.
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.
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.
Ihr Ansprechpartner zum Thema Feinstaub
Innovationsmanagement