DE10359721B3 - Process for removing micro- and nano-particles from surfaces to be cleaned comprises preparing a cleaning material in a volume comprising a compressed gas and a cleaning agent dissolved in it, and further processing - Google Patents

Process for removing micro- and nano-particles from surfaces to be cleaned comprises preparing a cleaning material in a volume comprising a compressed gas and a cleaning agent dissolved in it, and further processing Download PDF

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Abstract

Process for removing micro- and nano-particles from surfaces to be cleaned comprises preparing a cleaning material with surfaces to be cleaned in a volume comprising a compressed gas and a cleaning agent dissolved in it, releasing the pressure of the compressed gas so that the surface to be cleaned is wetted with the cleaning agent, raising the pressure of the compressed gas so that the micro- and nano-particles are removed from the surface, and removing the cleaning material. Preferred Features: The cleaning material is impinged with the compressed gas before being removed in the final step.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ablösung von Mikro- und Nanopartikeln, die sich auf äußeren und/oder inneren Oberflächen von zu reinigenden Gütern befinden. Unter Mikro- und Nanopartikeln werden in diesem Zusammenhang Partikel mit einem Durchmesser von 100 μm und darunter verstanden.The Invention relates to a method for detaching micro- and nanoparticles, referring to outer and / or inner surfaces of goods to be cleaned are located. Among micro and nanoparticles are used in this context Particles with a diameter of 100 μm and below understood.

Teilchenschmutz kann üblicherweise von einer zu reinigenden Oberfläche mit Hilfe eines Luft- und/oder Wasserstrahls abgelöst werden, zum Beispiel durch Staubsaugen. Für Mikro- und Nanoteilchen funktionieren diese bekannten Verfahren jedoch nicht. Ein direkter Kontakt mit der zu reinigenden Oberfläche führt zu einer starken Haftung der Teilchen auf dieser Oberfläche durch Kräfte, die an den so genannten Kontaktstellen wirken. Da feste Körper auf Grund ihrer Beschaffenheit nur an wenigen Stellen miteinander einen engen Kontakt eingehen können, wird das Verhältnis der so genannten Schattenfläche des Partikels zu seiner Kontaktfläche mit Abnahme der Partikelgröße immer geringer. Dies führt dazu, dass auch das Verhältnis der aero- bzw. hydrodynamischen Kraft, die während der Reinigung auf die Schattenfläche wirkt, zu der Kraft, die das Partikel an der Oberfläche fest hält, ebenfalls mit Abnahme der Partikelgröße immer geringer wird. Daher wird es mit abnehmender Partikelgröße immer schwieriger, die Partikel von der zu reinigenden Oberfläche nur durch aero- bzw. hydrodynamische Kräfte der Reinigungsmittel Luft, Wasser usw. zu entfernen.particulate soil can usually from a surface to be cleaned be replaced with the help of an air and / or water jet, for example by vacuuming. Work for micro and nanoparticles however, these known methods are not. A direct contact with the surface to be cleaned leads to a strong adhesion of the particles on this surface forces which act on the so-called contact points. Because solid body up Due to their nature only in a few places with each other can get in close contact will the ratio the so-called shadow area of the particle to its contact surface with decrease in particle size always lower. this leads to to that too the relationship the aerodynamic or hydrodynamic force, which during cleaning on the shadow area affects the force that holds the particle to the surface stops, too with decrease in particle size always becomes smaller. Therefore, with decreasing particle size, it becomes more difficult the particles of the surface to be cleaned only by aerodynamic or hydrodynamic forces of Cleaner to remove air, water, etc.

Für die Ablösung von Partikeln von der zu reinigenden Oberfläche werden üblicherweise Reinigungsmittel hinzu gegeben, die die Partikel und/oder die zu reinigende Oberfläche gut benetzen können. Ist die Anziehungskraft zwischen den Molekülen des Reinigungsmittels und den Molekülen der zu reinigenden Oberfläche annähernd gleich oder größer als die Anziehungskraft zwischen den Molekülen der zu reinigenden Oberfläche und den Molekülen des von der Oberfläche zu entfernenden Partikels, kann es zu einer spontanen Ablösung des Partikels von der Oberfläche kommen. Da dies in der Praxis nicht immer der Fall ist, muss beim Reinigen außer Reinigungsmitteln beispielsweise auch Mechanik eingesetzt werden.For the replacement of Particles from the surface to be cleaned are usually detergents added, the particles and / or the surface to be cleaned well can wet. is the attraction between the molecules of the detergent and the molecules the surface to be cleaned nearly equal to or greater than the Attraction between the molecules of the surface to be cleaned and the molecules of the surface To be removed particles, it may lead to a spontaneous replacement of the Particles from the surface come. Since this is not always the case in practice, the Clean except Cleaning agents, for example, mechanics are used.

Die genannten Kräfteverhältnisse ändern sich jedoch mit der Änderung des Drucks im Reinigungsvolumen. Dies zeigt sich nach A. Wesch, N. Dahmen, K. Ebert und J. Schön, Grenzflächenspannungen, Tropfengrößen und Kontaktwinkel im Zweiphasensystem H20/CO2 bei Temperaturen von 298 bis 333 K und Drücken bis 30 MPa, Chemie Ingenieur Technik, Band 69 (1997), S. 942–946, insbesondere in der Änderung des so genannten Kontaktwinkels in Abhängigkeit vom Druck. Dieser Effekt kann dazu führen, dass selbst Reinigungsflüssigkeiten, die bei Normaldruck gute Benetzungseigenschaften zeigen, unter Druck nur eine Teilbenetzung, die für die Ablösung von Teilchen nicht ausreicht, aufweisen.The These balance of power changes however, with the change the pressure in the cleaning volume. This is shown by A. Wesch, N. Dahmen, K. Ebert and J. Schön, Interfacial tensions, Drop sizes and Contact angle in two-phase system H20 / CO2 at temperatures from 298 to 333 K and pressing to 30 MPa, Chemie Ingenieur Technik, Vol. 69 (1997), pp. 942-946, in particular in US Pat the change the so-called contact angle as a function of the pressure. This Effect can cause that even cleaning fluids, which show good wetting properties under normal pressure, under pressure only a partial wetting for the replacement of particles is insufficient.

In der US 5,456,759 A wird die Verwendung von flüssigem Kohlendioxid in einem Ultraschallbad zur Entfernung von partikelförmigen Verunreinigungen von der Oberfläche eines Reinigungsguts offenbart. Der Nachteil dieses Verfahrens liegt darin, dass in flüssigen Gasen wegen ihrer hohen Kompressibilität die Voraussetzungen für einen effizienten Kavitationsprozess nicht erfüllt sind. Auf Grund eines hohen Sättigungsdampfdrucks bei den zumutbaren Arbeitstemperaturen schadet die intensive Dampfbildung in den Kavitationsbläschen dem Implosionsprozess und vermindert den Kavitationseffekt stark bzw. verhindert ihn völlig. Daher lassen sich Mikro- und Nanopartikel in flüssigem Kohlendioxid auch unter Einsatz von Ultraschall schlecht abtragen.In the US 5,456,759 A discloses the use of liquid carbon dioxide in an ultrasonic bath to remove particulate contaminants from the surface of a cleaning product. The disadvantage of this method is that in liquid gases because of their high compressibility, the requirements for an efficient cavitation process are not met. Due to a high saturation vapor pressure at the reasonable working temperatures, the intense formation of steam in the cavitation bubbles damages the implosion process and greatly reduces or completely prevents the cavitation effect. Therefore, it is difficult to remove micro- and nanoparticles in liquid carbon dioxide, even when using ultrasound.

In der WO 196/027704 A1 werden die zu reinigenden Objekte mit flüssigen Kohlendioxid, in dem oberflächenaktive Substanzen gelöst sind, in Kontakt gebracht. Nachteilig an diesem Verfahren ist, dass die oberflächenaktiven Substanzen unter Druck eine geringere Benetzung bewirken und sich dadurch die Partikel von der zu reinigenden Oberfläche nur schlecht ablösen.In WO 196/027704 A1, the objects to be cleaned with liquid carbon dioxide, in the surface-active Solved substances are in contact. The disadvantage of this method is that the surfactants Substances under pressure cause less wetting and become as a result, the particles from the surface to be cleaned only bad peel off.

Aus der DE 100 55 127 A1 ist ein Reinigungsverfahren bekannt, bei dem auf das Reinigungsgut ein Reinigungsmittel aufgebracht wird und anschließend das Reinigungsgut in einem Druckbehälter durch mehrmaliges Komprimieren und Dekomprimieren des gasförmigen Reinigungsfluids wie z. B. Kohlendioxid gereinigt wird. Hierbei vermischt sich das Gas mit dem Reinigungsmittel und reißt dann bei der spontanen Entspannung das Reinigungsmittel sowie die Verunreinigungen mit.From the DE 100 55 127 A1 a cleaning method is known in which a cleaning agent is applied to the cleaning material and then the cleaning material in a pressure vessel by compressing and decompressing the gaseous cleaning fluid such. B. carbon dioxide is purified. In this case, the gas mixes with the detergent and then tears the spontaneous relaxation of the detergent and the impurities.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Ablösung von Mikro- und Nanopartikeln von zu reinigenden Oberflächen anzugeben, das die genannten Nachteile und Einschränkungen nicht aufweist. Insbesondere soll ein Verfahren angegeben werden, mit dem Mikro- und Nanopartikeln bei sparsamer Verwendung von Reinigungsmitteln effektiv von Oberflächen abgelöst werden können.Of the Invention is based on the object, a method for the replacement of To specify micro- and nanoparticles of surfaces to be cleaned, the does not have the disadvantages and limitations mentioned. Especially a method is to be specified, with the micro and nano particles be effectively removed from surfaces with economical use of detergents can.

Die Aufgabe wird durch das Verfahren zur Ablösung von Mikro- und Nanopartikeln von zu reinigenden Oberflächen gemäß Anspruch 1 gelöst. Die Unteransprüche beschreiben vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.The The task is solved by the process of detachment of micro- and nanoparticles of surfaces to be cleaned according to claim 1 solved. The dependent claims describe advantageous embodiments of the invention.

Die Erfindung geht von der Tatsache aus, dass der Reinigungsvorgang im komprimierten bzw. flüssigen Gas stets unter Druck vor sich geht. Weiterhin sind Reinigungssubstanzen, die in das komprimierte Kohlendioxid eingebracht werden, in diesem in einer für ein Reinigungsverfahren erforderlichen Menge nur unter Druck lösbar.The Invention is based on the fact that the cleaning process in the compressed or liquid Gas is always under pressure. Furthermore, cleaning substances, which are introduced into the compressed carbon dioxide, in this in one for a cleaning process required only under pressure solvable.

Um die Partikel von der zu reinigenden Oberfläche effektiv ablösen zu können, wird das im ersten Verfahrensschritt mit Reinigungssubstanzen gesättigte Gas im zweiten Verfahrensschritt entspannt. Hierfür kann zum Beispiel ein beweglicher Kolben eingesetzt werden. Während der Entspannung benetzt sich die zu reinigende Oberfläche mit der im Kohlendioxid gelösten Reinigungssubstanz, und zwar von allen für das Kohlendioxid zugänglichen Seiten. Der Benetzungsschritt muss auf an sich bekannte Weise so oft wiederholt werden, bis sich jeweils rund um die Kontaktstellen der Partikeln auf der zu reinigenden Oberfläche Flüssigkeitsringe bilden.Around to effectively detach the particles from the surface to be cleaned is the gas saturated with cleaning substances in the first process step relaxed in the second step. For this example, a movable Pistons are used. While the relaxation wets the surface to be cleaned the dissolved in carbon dioxide Cleaning substance, of all accessible for the carbon dioxide sides. The wetting step must be repeated so often in a known manner be until each around the contact points of the particles on the surface to be cleaned liquid rings form.

Im dritten Verfahrensschritt wird der Druck auf das komprimierte Gas erhöht. Hierdurch verändert sich der Kontaktwinkel des Flüssigkeitsringes um das jeweilige Partikel derart, dass die Grenzflächenspannung der Flüssigkeit zum Abreißen des Partikels von der zu reinigenden Oberfläche führt.in the third step is the pressure on the compressed gas elevated. This changes the contact angle of the liquid ring around the particular particle such that the interfacial tension of the liquid to tear off of the particle leads from the surface to be cleaned.

Die zweiten und dritten Verfahrensschritte werden jeweils solange wiederholt, bis sich von der zu reinigenden Oberfläche keine Partikel mehr ablösen lassen. Das Reinigungsmittel kann nach jedem einzelnen Druckzyklus oder auch erst nach einer Anzahl von Druckzyklen erneuert werden.The second and third process steps are repeated as long as until no particles can be removed from the surface to be cleaned. The cleaning agent can after every single printing cycle or also be renewed only after a number of printing cycles.

Die wiederholte Entspannung des mit dem Reinigungsmittel gesättigten Kohlendioxids ermöglicht zum einen die wiederholte Benetzung des Reinigungsgutes mit dem Reinigungsmittel und die effektive Nutzung der Grenzflächenspannungskräften für die Entfernung der Partikel von der zu reinigenden Oberfläche. Zum anderen ermöglichen die während der raschen Entspannung des Kohlendioxids entstehenden hydrodynamischen Strömungen sowie die Schaumbildung im mit Kohlendioxid gesättigten Reinigungsmittel die von der zu reinigenden Oberfläche gelösten Partikel vom Reinigungsgut effektiv wegzutransportieren. Besonders wichtig ist dies beim Reinigen von porösen, gewebeartigen Gegenständen oder von Gegenständen, die schmale Spalten oder feine Bohrungen Aufweisen.The repeated relaxation of the saturated with the detergent Carbon dioxide allows on the one hand the repeated wetting of the cleaning material with the Cleaning agents and the effective use of interfacial tension forces for removal the particle from the surface to be cleaned. To enable others during the rapid relaxation of the carbon dioxide resulting hydrodynamic currents and the foaming in the carbon dioxide-saturated detergent the from the surface to be cleaned dissolved particles effectively transported away from the items to be cleaned. Particularly important this is when cleaning porous, fabric-like objects or of objects, which have narrow gaps or fine holes.

Als Reinigungsmittel werden flüssige Substanzen bevorzugt, die sich im flüssigen Kohlendioxid in einer Menge von nicht weniger als 1 Volumenprozent, bevorzugt 3 Volumenprozent lösen und deren Kontaktwinkel sich durch Anlegen eines äußeren Drucks von einem Wert unterhalb von 90° bei Normaldruck auf einen Wert oberhalb von 90° ändert.When Detergents become liquid Substances which are found in the liquid carbon dioxide in a Amount of not less than 1% by volume, preferably 3% by volume solve and their contact angle is determined by applying an external pressure of one value below 90 ° at Normal pressure changes to a value above 90 °.

Da im zweiten Verfahrensschritt (Entspannungsschritt) auf die zu reinigende Oberfläche nur die im komprimierten Kohlendioxid gelösten Menge des Reinigungsmittels aufgetragen wird, ermöglicht das vorgeschlagene Verfahren eine vorteilhafte sparsame Auftragung von Reinigungsmitteln auf das Reinigungsgut. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass in diesem Verfahrensschritt das Reinigungsmittel auch an sonst nur schwer zugänglichen Stellen aufgetragen werden kann. Insgesamt ermöglicht die Nutzung der Grenzflächenspannungskräfte der Reinigungsmittel für die Ablösung der Partikel von der zu reinigenden Oberfläche unter Druck eine effizientere Reinigung mit komprimierten Gasen.There in the second process step (relaxation step) to be cleaned surface only the amount of detergent dissolved in the compressed carbon dioxide applied, this allows proposed method of advantageous economical application of Cleaning agents on the items to be cleaned. Another advantage exists in that in this process step, the cleaning agent also on otherwise difficult to access Jobs can be applied. Overall, the use of interfacial tension forces enables Cleaning agent for the replacement the particle from the surface to be cleaned under pressure a more efficient Cleaning with compressed gases.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels erläutert.The Invention will be explained below with reference to an embodiment.

1 zeigt eine Vorrichtung, mit der das erfindungsgemäße Reinigungsverfahren durchgeführt werden kann. In einen mit einem Reinigungsgut, z.B. ein Gegenstand aus Polyvinylchlorid (PVC), auf dessen Oberfläche sich Mikro- und Nanopartikel befinden, beladenen Druckbehälter 1 wird komprimiertes Kohlendioxid aus dem Vorratsbehälter 12 mit Hilfe der Hochdruckpampe 2 durch den Sättigungsbehälter 4 geführt, in welchem dem komprimierten bzw. flüssigen Kohlendioxid ein Reinigungsmittel wie z. B. Wasser oder ein Tensid zugegeben wird. 1 shows a device with which the cleaning method according to the invention can be carried out. In one with a cleaning material, such as an object made of polyvinyl chloride (PVC), on the surface of which are micro- and nanoparticles, loaded pressure vessel 1 is compressed carbon dioxide from the reservoir 12 with the help of the high-pressure lamp 2 through the saturation tank 4 in which the compressed or liquid carbon dioxide, a cleaning agent such. For example, water or a surfactant is added.

Alternativ kann das Reinigungsmittel im Reinigungsbehälter 1 vor der Beladung mit dem Reinigungsgut vorgelegt werden. Das Kohlendioxid wird in diesem Fall im Druckbehälter 1 mit dem Reinigungsmittel, zum Beispiel durch Pumpen im Kreis, gesättigt (in 1 nicht dargestellt).Alternatively, the cleaning agent in the cleaning tank 1 be submitted before loading with the items to be cleaned. The carbon dioxide is in this case in the pressure vessel 1 with the cleaning agent, for example by pumping in a circle, saturated (in 1 not shown).

Entscheidend ist, dass das Reinigungsgut im ersten Schritt unabhängig von den Verfahrensdetails mit dem mit einem Reini gungsmittel ausreichend gesättigten Gas wie komprimiertes Kohlendioxid in Kontakt gebracht wird.critical is that the items to be cleaned in the first step regardless of the procedure details with the with a cleaning agent sufficient saturated Gas as compressed carbon dioxide is brought into contact.

Im zweiten Schritt wird das mit Reinigungsmittel gesättigte Gas im Reinigungsbehälter 1 mit Hilfe eines beweglichen Kolbens 5 entspannt. Während der Entspannung benetzt sich die zu reinigende Oberfläche des Reinigungsgutes mit dem im Kohlendioxid gelösten Reinigungsmittel von allen für das Kohlendioxid zugänglichen Seiten. Dieser Benetzungsschritt wird vorteilhaft so oft wiederholt, bis sich rund um die Kontaktstellen der Partikel auf der Oberfläche des Reinigungsgutes jeweils Flüssigkeitsringe bilden. Dafür muss der Kolben 5 vor jeder neuen Füllung des Druckbehälters 1 zum Ausgangspunkt zurückgeführt werden, damit jede neue Füllung aus gesättigtem Kohlendioxid im Druckbehälter 1 entspannt werden kann. Der Kolben 5 lässt sich auf bekannte Weise mechanisch (Kurbelwelle, Pleuel) oder pneumatisch (Luft, komprimiertes Kohlendioxid) bewegen.In the second step, the detergent-saturated gas in the cleaning tank 1 with the help of a movable piston 5 relaxed. During the relaxation, the surface to be cleaned of the cleaning material wets with the cleaning agent dissolved in the carbon dioxide from all sides accessible for the carbon dioxide. This wetting step is advantageously repeated until fluid rings are formed around the contact points of the particles on the surface of the items to be cleaned. For that the piston has to be 5 before each new filling of the pressure vessel 1 be returned to the starting point, so that each new filling of saturated carbon dioxide in the pressure vessel 1 can be relaxed. The piston 5 can be moved in a known manner mechanically (crankshaft, connecting rod) or pneumatically (air, compressed carbon dioxide).

Im dritten Schritt wird durch Erhöhung des Druckes im Reinigungsbehälter 1 mit Hilfe des beweglichen Kolbens 5 der Kontaktwinkel des Flüssigkeitsringes um das jeweilige Partikel so verändert, dass die Grenzflächenspannung der Flüssigkeit zum Abreißen des Partikels von der zu reinigenden Oberfläche des Reinigungsgutes führt. Das Reinigungsmittel kann entweder nach jedem oder erst nach einigen Druckzyklen aus einem Vorratsbehälter erneuert werden. Der zweite und dritte Schritt werden vorzugsweise nacheinander so oft wiederholt, bis sich von der zu reinigenden Oberfläche keine Partikel mehr ablösen lassen.In the third step is by increasing the pressure in the cleaning tank 1 with the help of the movable piston 5 the contact angle of the liquid ring around the respective particles changed so that the interfacial tension of the liquid leads to the tearing of the particle from the surface to be cleaned of the cleaning material. The cleaning agent can be renewed either after each or only after a few printing cycles from a reservoir. The second and third steps are preferably repeated one after the other until particles can no longer be detached from the surface to be cleaned.

Im letzten Schritt wird das Reinigungsgut im Reinigungsbehälter 1 mit komprimiertem bzw. flüssigem Kohlendioxid aus dem Vorratsbehälter 13 mit Hilfe der Hochdruckpumpe 3 in Kontakt gebracht. Damit werden die Reste von Reinigungsmitteln von der Oberfläche der Reinigungsgutes entfernt. Die abgelösten Partikel und die Reste des Reinigungsmittels werden im Abscheider 6 vom Kohlendioxid getrennt.In the last step, the items to be cleaned are in the cleaning container 1 with compressed or liquid carbon dioxide from the reservoir 13 with the help of the high-pressure pump 3 brought into contact. Thus, the residues of cleaning agents are removed from the surface of the cleaning material. The detached particles and the residues of the cleaning agent are in the separator 6 separated from carbon dioxide.

Claims (6)

Verfahren zur Ablösung von Mikro- und Nanopartikeln von zu reinigenden Oberflächen, umfassend die Schritte: a) Bereitstellen eines Reinigungsgutes mit zu reinigenden Oberflächen in einem Volumen, das komprimiertes Gas und ein darin gelöstes Reinigungsmittel umfasst, b) Entspannen des komprimierten Gases, wodurch sich die zu reinigende Oberfläche mit dem Reinigungsmittel benetzt, c) Erhöhen des Drucks auf das komprimierte Gas, wodurch sich Mikro- und Nanopartikel von der zu reinigenden Oberfläche ablösen, d) Entnehmen des Reinigungsgutes.Method for detachment of microparticles and nanoparticles of surfaces to be cleaned, comprising the steps: a) providing a cleaning material with surfaces to be cleaned in a volume comprising compressed gas and a detergent dissolved therein, b) Relax the compressed gas, which causes the to be cleaned surface wetted with the cleaning agent, c) increase the pressure on the compressed Gas, whereby micro- and nanoparticles from the to be cleaned surface replace, d) Remove the cleaning material. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Verfahrensschritte b) und c) in dieser Reihenfolge mehrfach wiederholt werden.Method according to claim 1, characterized in that that process steps b) and c) in this order several times be repeated. Verfahren nach 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Reinigungsmittel nach Verfahrensschritt c) erneuert wird.Method according to 2, characterized in that the Cleaning agent is renewed after step c). Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Reinigungsgut vor Verfahrensschritt d) mit dem komprimierten Gas beaufschlagt wird, wodurch Reste von Reinigungsmittel von der Oberfläche der Reinigungsgutes entfernt werden.Method according to one of claims 1 to 3, characterized that the cleaning material before process step d) with the compressed Gas is applied, thereby removing residues of detergent from the surface be removed from the cleaning. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Menge an Reinigungsmittel höchstens der im komprimierten Gas lösbaren Menge entspricht.Method according to one of claims 1 to 4, characterized that the amount of detergent at most in the compressed Gas detachable Quantity corresponds. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass als Gas Kohlendioxid verwendet wird.Method according to one of claims 1 to 5, characterized that the gas used is carbon dioxide.
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