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Contact electrification in aerosolized micron-sized solid particles: dependence upon size, chemical composition and gas properties
Alois, Stefano
Contact electrification is ubiquitously present in our everyday life and acquires significant importance for micron scale particles, where it may be of considerable use in order to prevent/promote charging in a variety of practical applications. Despite being widely studied, a complete understanding of the charge transfer mechanisms is still lacking.
In this work, contact electrification of aerosolized micron scale particles is experimentally investigated using novel sensor techniques. A new laser-based technique has been developed, allowing the simultaneous determination of size and electrical charge of individual particles settling under controlled conditions into a unique environmental chamber. Particles interacting with the injector tube have been seen to become electrified with a relatively narrow range of surface charge concentration s around +/- 100 e/µm2 (˜ +/- 0.02 mC/m2) for all particle sizes in the range 1 - 8 µm. Explanations for this effect are discussed, including the possibility of field emission at the contact site limiting the surface charge concentration. In a second measurement technique the voltage on the injector system (i.e. a Faraday tube) was measured during aerosolization in order to investigate the size and composition dependence of the charged particles leaving the injector tube. Again the net charge was seen to increase linearly with the total particle surface area, in agreement with s values determined using the laser-based technique. Studying the composition dependence of contact electrification a simple new physically meaningful model has been put forward based on electron transfer: in the case of insulating oxides a linear correlation was found between s and the absolute generalized relative electronegativity (?AGR), obtained by knowing the composition of the contacting surfaces; s = a ?AGR - b, where a = 4.7 e/µm2/V, b = -27 e/µm2. This predictive model may be used for estimating the magnitude of contact charging, and was seen to give reasonable agreement with observed contact electrification of volcanic ash samples, when treated as silica.
For metals the charge was observed to correlate with electron work function as well as electronegativity, though with limited accuracy. The contact electrification process was not seen to be greatly affected by gas composition. Also the effects of relative humidity, particle aggregation (cohesion), adhesion to the injector tube wall and gas breakdown were investigated. This work is hoped to advance our understanding of contact electrification and put forward new challenges for future research.
Die Kontaktelektrifizierung ist in unserem Alltag allgegenwärtig und ihr kommt eine enorme Bedeutung für Partikel im Mikrometerbereich zu. Hier könnte sie in einer Vielzahl von praktischen Anwedungen von erheblichem Nutzen dabei sein, die Ladung der Partikel zu fördern beziehungsweise zu verhindern. Trotz umfangreicher Untersuchungen, ein vollständiges Verständnis der Ladungstransfermechanismen fehlt noch.
In dieser Arbeit wird die Kontaktelektrifizierung aerosolierter Partikel im Mikrometerbereich experimentell mit neuartigen Sensortechnologien untersucht. Eine neue laserbasierte Technik wurde entwickelt, die die gleichzeitige Bestimmung von Größe und elektrischer Ladung einzelner Partikel erlaubt, welche sich in einer speziellen Kammer unter kontrollierten Umweltbedingungen absetzen.Es konnte beobachtet werden, dass Partikel in einem Größenbereich von 1 - 8 µm die mit der Einlassrohre interargieren elektrifiziert werden, wobei die Oberflächenladungskonzentration (s) dabei in einem relativ engen Bereich um +/- 100 e/µm2 (˜ +/- 0.02 mC/m2) liegt. Erklärungen für diesen Effekt werden in den folgenden Abschnitten diskutiert, wie zum Beispiel die Möglichkeit der Feldemission an der Kontaktstelle die die Oberflächenladungsdichte beschränkt.In einer zweiten Messtechnik wurde die elektrische Spannung am Injektorsystem (z.B. Faraday-Röhre) während der Aerosolisierung gemessen, um die Größen- und Zusammensetzungsabhängigkeit der geladene Partikel die das Einlassrohr verlassen zu untersuchen. In Übereinstimmung mit den Werten von s die mithilfe der lasergestützten Technik bestimmt wurden, zeigte sich auch hier, dass die Nettoladung linear mit der gesamten Partikeloberfläche zunimmt.
Aufbauend auf der Zusammensetzungsabhängigkeit der Kontaktelektrifizierung wird ein neues, einfaches und physikalisch sinnvolles Modell vorgeschlagen auf der Grundlage des Elektronentransfers: Bei isolierenden Oxiden wurde eine lineare Korrelation zwischen s und der absolute generalized relative electronegativity (?AGR) gefunden, welche man mithilfe der Kenntnis der Zusammensetzung der Kontaktflächen erhält; s = a ?AGR - b, mit a = 4.7 e/µm2/V, b = -27 e/µm2. Dieses prädiktive Modell kann zur Abschätzung des Ausmaßes der Kontaktladung verwendet werden und zeigt annehmbare Übereinstimmungen mit der Kontaktelektrifizierung die bei Proben von Vulkanasche beobachtet wurden, wenn diese als Siliziumoxide behandelt wurden.Für Metalle kann festgestellt werden, dass die Ladung mit der Elektronenarbeitsfunktion sowie der Elektronegativität korreliert, wenn auch nur mit eingeschränkter Genauigkeit. Der Prozess der Kontaktelektrifizierung scheint nicht stark von der Zusammensetzung des Gases beeinflusst zu sein. Auch die Effekte der relativen Luftfeuchtigkeit, Partikelaggregation (Kohäsion), Haftung an der Einlassrohrwand und elektrischer Gasdurchschlag wurden untersucht.Diese Arbeit soll unser Verständnis der Kontaktelektrifizierung fördern und neue Herausforderungen an zukünfitige Forschung vorantreiben.
