Ionisatoren


Ionisatoren
Dieser Artikel behandelt die Ionisatoren mit Wirkung auf (Raum-)luft; für die wissenschaftlich-technischen Geräte und Anlagen siehe Ionenquellen, Sputtern, Plasma, Plasmatron und Plasmaschneiden.

Als Ionisatoren (auch Ionisierer) werden Geräte sehr geringer Leistung bezeichnet, die Ionen erzeugen. Die Ionen sind damit nicht natürlichen Ursprungs. (Vergl. Ionisation.)

Inhaltsverzeichnis

Typen und Bauweisen

Ionisatoren sind üblicherweise Geräte zur teilweisen Ionisierung von Luft. Wird diese ionisierte Luft auf Oberflächen geblasen, kann man Materialien auf- bzw. entladen. Die entstehenden freien Radikale fördern chemische Abbauprozesse (Geruchsbeseitigung, Desinfektion).

Ionisatoren arbeiten entweder mit Hochspannung von einigen tausend Volt und einer Koronaentladung an Spitzen oder sie enthalten Quellen ionisierender Strahlung (Ultraviolettstrahler, radioaktive Isotope). Die erreichbaren Ströme betragen meist etwa 1 µA, das entspricht einigen Milliarden Ionen pro Sekunde.

Ionisatoren mit Koronaentladung

Ionisierer mit Koronaentladung

Solche Ionisatoren besitzen mit Hochspannung versorgte leitfähige Spitzen, die durch Koronaentladung und Feldemission in der unmittelbaren Umgebung Ionen erzeugen. Es gibt Ausführungen, die ungeregelt ständig Ionen erzeugen und andere, bei denen das elektrische Feld durch Messung und gezielte Nachstellung der Hochspannung geregelt wird (geregelter Ionisator).

Geregelte und ungeregelte Ionisatoren werden sowohl zum Aufbau definierter Ladungen als auch zur Ableitung unerwünschter Ladungen (Verhinderung von elektrostatischen Aufladungen und ESD) eingesetzt.

Um zu erreichen, dass die Ionisatoren in größerem Abstand zum zu entladenden Material aufgestellt werden können (bis zu ca. 2 m), werden Ionisatoren auch mit Blasluftdüsen angeboten oder an vorhandene Düsen angebaut. Hierdurch werden die Ionen zusammen mit der Luft zur Wirkstelle hingeblasen (z. B in Druckmaschinen). [1]

Korona-Ionisatoren sind oft als kammartige Leisten ausgebildet. Sie werden mit Wechselspannung oder Gleichspannung gespeist. Bei Wechselspannung werden alle Kammspitzen gemeinsam an die Spannungsquelle angeschlossen. Bei Gleichspannung sind die dicht nebeneinander angeordneten Metallspitzen abwechselnd positiv und negativ geladen.

U. a. in Xerox-Kopierern und Laserdruckern wird auch mit wechselspannungsüberlagerter Gleichspannung gearbeitet. Hier dienen die Ionisatoren der berührungslosen elektrostatischen Aufladung der Bildtrommel vor der Belichtung.

Ionenerzeugung durch Strahlung

Ultraviolettstrahlung und andere ionisierende Strahlung (Alpha-, Beta-, Röntgen- und Gammastrahlung) erzeugt ebenfalls Ionen. Ultraviolettstrahler wurden früher im Dauerbetrieb in Krankenhäusern zur Desinfektion eingesetzt. Heute findet man sie in der Trinkwasser-Aufbereitung sowie zur Aushärtung von Lacken, Harzen und Kunststoffen. Die Hauptwirkung entsteht dabei nicht durch Ionen. Vielmehr zerstören die energiereichen Photonen Moleküle und wirken keimtötend.

Radioaktive Isotope (Radionuklide) werden u. a. in Ionisationsrauchmeldern zur Detektierung Ionen absorbierender Substanzen (Rauchgase, Aerosole) eingesetzt. Dabei wird die durch Ionisierung hervorgerufene Leitfähigkeit der Luft gemessen. Diese Leitfähigkeit sinkt bei Anwesenheit von organischen Gasen oder Aerosolen.

Anwendungsprobleme

Probleme beim ESD-Schutz

Da die zu beseitigenden elektrischen Felder von vielen Faktoren wie z. B. natürlichen Ionenwolken, offenem bewegtem Wasser, offenem Feuer, Luftfeuchtigkeit usw. beeinflusst werden, treten sie in der Praxis vollkommen unvorhersehbar auf. So kann beispielsweise vollkommen gleich behandeltes Verarbeitungsgut ein und derselben Charge unterschiedlich aufgeladen sein. Selbst das gleiche Verarbeitungsgut kann bei wiederholter Verarbeitung unterschiedlich geladen sein.

Gleichspannungs-überlagerte Ionisatoren zur elektrostatischen Entladung können funktionell umkippen und dann elektrostatisch aufladen statt zu entladen. Der Abstand der Spitzen und die anliegende Spannung, gegebenenfalls Luftströmung und Pulszeiten, müssen deshalb aufeinander abgestimmt sein. [2]

Umwelt- und Gesundheitsprobleme

Weiterhin entstehen durch die Ionen freie Radikale, die zu chemischen Reaktionen und u.a. zur Bildung von Ozon, Stickoxiden und anderen Schadstoffen führen. Das erzeugte Ozon kann die menschlichen Atmungsorgane beeinträchtigen und fördert Korrosion.

Die Betriebsspannungen der Korona-Ionisatoren bilden bei fachgerechter Isolation oder einer Fehlerstromschutzschaltung keine Gefahr. Die Ströme bei Laserdruckern und Kopierern sind auch meist zu klein, um Gesundheitsschäden bei Berührung hervorzurufen.

Anwendungen

Beseitigung von elektrostatischer Aufladung

Eine Anwendung von Ionisatoren ist die Beseitigung von elektrostatischer Aufladungen (Gefahr elektrostatischer Entladungen, Brandgefahr, Personenschutz). Sie wird eingesetzt, wenn die aufgeladenen Teile durch Erdung allein nur unzureichend entladen werden können.[3]

Elektrostatische Entladungen sind eine Gefahr an Anlagen, bei denen elektrisch isolierende Produkte bewegt werden (Folieherstellung, Folieverpackung, Papierherstellung, Druckmaschinen, Textilienherstellung, Getreidemühlen, Abfüllanlagen). Hier besteht Brand- und ggf Explosionsgefahr. Mit Ladungsableitung bzw. mittels Ionisatoren schwach leitfähig gemachter Luft wird auch verhindert, dass das Verarbeitungsgut aufgrund elektrostatischer Aufladung aneinander oder an den Transportbahnen haftet, was den Transport behindern würde. Weiterhin kann so das Anziehen von unerwünschten Partikeln verhindert werden. In Papierbögen verarbeitenden Maschinen wird elektrostatisches Verkleben bei der Trennung der Bögen vom Stapel, beim Transport des Bogens innerhalb von Maschinen, sowie auch beim Abstapeln am Ende der Maschine mit Ionisatoren verhindert. In Bogenoffsetdruckmaschinen wird durch Ionisation verhindert, dass Farbtropfen vorzeitig vom Druckzylinder auf den Bogen des Gegendruckzylinders überspringen.

An Arbeitsplätzen zur Herstellung und Verarbeitung elektronischer Bauelemente (Wafer, Schaltkreise, Leuchtdioden, Laserdioden, Leiterplatten-Bestückung) werden Ionisatoren verwendet, um einerseits den ESD-Schutz der Komponenten zu gewährleisten und andererseits Verschmutzung durch elektrostatisch angezogene Staubpartikel zu vermeiden.

Zur Kontrolle der Wirkung der zum ESD-Schutz eingesetzten Ionisatoren gibt es den sog. Charged Plate Monitor (CPM), ein Messgerät, mit dem das Ladungsfeld, als Abbild der Ladung, zwischen zwei definierten Platten bestimmt werden kann.

Koronabehandlung von Kunststoffflächen

Koronabehandlung ist das oberflächliche Aufrauen und Aktivieren nichtleitender Oberflächen mittels Koronaentladungen, meist um die Verklebbarkeit oder Haftung zu verbessern. Nach einer solchen Behandlung können Kunststoffflächen besser oder (bei manchen Kunststoffen) überhaupt erst laminiert oder beschichtet werden.


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Ionisierung zur Initiierung chemischer Reaktionen

„Luftreiniger“

Geräte zur Ionisierung der Raumluft arbeiten mit Koronaentladungen. Sie reinigen die Umgebungsluft in geringem Maß, da sich die Ionen an Staubteilchen binden und diese dann an die Wand gezogen werden, wo der Staub hängen bleibt. Nach einigen Monaten sind die Wände in der Nähe der Ionisationsquelle deutlich verschmutzt. Großtechnisch wird dieses Verfahren mit deutlich stärkeren Sprühquellen in Elektrofiltern bei Kohlekraftwerken verwendet.

Die Hersteller werben auch damit, dass die Geräte elektrostatische Ladungen auf nichtleitenden Oberflächen abbauen, Gerüche neutralisieren und Staubpartikel sowie Bakterien aus der Atemluft entfernen würden. Angeblich fühlen sich vor allem ältere Leute in ionisierter Luft besser.

Die Geräte erzeugen negative geladene Ionen (Anionen), während abgestandene Raumluft vor allem positiv geladene Ionen (Kationen) enthält. Die Hersteller argumentieren, dass die Luft umso reiner sei, je mehr Anionen darin enthalten seien. In der Natur sei dies vor allem im Gebirge, in Wäldern und in unmittelbarer Nähe von Wasserfällen der Fall. Weil Schadstoffe, Bakterien und Allergene positiv geladen sind, zögen die durch Ionisation erzeugten Anionen diese an. Dadurch entstünden schwerere Moleküle oder Cluster, die zu Boden sänken und nicht mehr eingeatmet werden könnten.

Die besondere Wirksamkeit von Anionen ist bisher wissenschaftlich nicht nachgewiesen und wird kontrovers diskutiert.

Die Ionisierung mit einem Raumluft-Ionisator kann jedoch elektrostatische Ladungen abbauen und auch chemische Reaktionen (Abbau) geruchsbildender Gase und Aerosole auslösen. Auch eine desinfizierende Wirkung ist nahe liegend, da entstehende freie Radikale und die innerhalb des Gerätes auftretende Ultraviolettstrahlung antibakteriell wirkt.

Inwieweit der mögliche Nutzen einer Raumluft-Ionisation den Schaden durch das entstehende Ozon, die chemischen Abbauprodukte und freien Radikale aufwiegt, ist fraglich.

Ionisatoren in elektrischen Haushaltgeräten

Im Handel sind auch Haartrockner und Staubsauger und sogar schon Notebooks mit Ionisatoren erhältlich, die eine antistatische Wirkung versprechen.

Plasmareaktoren

Reaktoren, die mittels eines Magnetrons ein Plasma in gasförmigen, schadstoffhaltigen Abgasen erzeugen, seien hier erwähnt; sie werden jedoch nicht als Ionisator bezeichnet, obwohl sie das durchgeleitete Gas vollständig ionisieren. Sie werden unter anderem in der Mikroelektronik zur Schadstoffbeseitigung eingesetzt. Hierbei werden die Schadstoffe zu unschädlichen bzw. abscheidbaren Stoffen abgebaut. Diese Geräte sind sehr energieintensiv, Alternative ist das Durchleiten der Abgase durch eine heiße Gasflamme.

Desinfektion von Luft und Wasser

Ultraviolett-Strahler (Mitteldruck-Quecksilberdampflampen hoher Leistung) werden bei der Wasseraufbereitung in Wasserwerken eingesetzt, um organische Fremdstoffe und Bakterien zu beseitigen. Dieser Effekt hat nichts mit der Ionisation von Luft zu tun.

Die Anwendung von offenen Ultraviolett-Strahlern (Niederdruck-Quecksilberdampflampen aus Quarzglas) zur Desinfektion der Luft und der Räume in Krankenhäusern war früher üblich, wird heute jedoch nicht mehr angewendet, da die Ultraviolettstrahlung auch Schäden an Augen und Haut hervorruft.

Sogenannte Wasser-Ionisatoren für den Haushalt sollen angeblich die Qualität des Trinkwassers verbessern. Schadstoffe und Bakterien sind jedoch im Trinkwasser ohnehin kaum vorhanden.

Quellen

  1. Rudi Riedl, Dieter Neumann, Jürgen Teubner: Technologie des Offsetdrucks. Seite 283. 1.Auflage. VEB Fachbuchverlag Leipzig. Leipzig 1989, ISBN 3-343-00527-4
  2. Dipl.-Ing. M. Walter: Elektrostatische Aufadung. VEB Verlag der Technik. Berlin 1961, Bestellnummer 1/4/2538
  3. [DIN EN 100015-1:1993-06 - Schutz von elektrostatisch gefährdeten Bauelementen - Teil 1: Allgemeine Anforderungen]

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