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Warum es Zeit für eine neue Art von Pyknometer ist

Welche Probleme gibt es bei herkömmlichen Gaspyknometern und welche Hauptmerkmale sollte ein Pyknometer der nächsten Generation haben?

A group of students, 3 men, 2 women sit and stand in front of a computer screen to evaluate their laboratory analyses

Das bewusste Erkennen und Beobachten von Missständen, Problemen und oder Unzulänglichkeiten waren schon immer Motor und Motivation für Innovationen. Dies war auch hier der Fall.

Wie ich auf die Idee für das automatische Pyknometer kam

geschrieben von Prof. Dr. Ing. Dieter Claus Schwechten

Meine Lehrtätigkeit im Rahmen der Professur Partikeltechnologie und Sortiertechnik umfasste Vorlesungen und praktische Laborübungen mit Studierenden der Verfahrens- und Umwelttechnik zu beiden Themen. Mein Labor ist apparativ eines der aufwändigsten an der ganzen Hochschule, weil mechanische Verfahrenstechnik und Aufbereitung jedes für sich sehr breite Fachgebiete sind.

Wir haben daher ständig in moderne Apparate und Analysengeräte investiert um den angehenden Ingenieuren und Ingenieurinnen eine attraktive Ausbildung auf dem Stand der Technik zu bieten. Industrienahe Aufgabenstellungen, wie z.B. das Erarbeiten eines Verfahrensschemas für das Recycling von Kabelschrott im Rahmen ihres Sortiertechnik-Labors gehören zu den anspruchsvollen Aufgabenstellungen für Studierende. Auf diese Weise lernen sie eine Vielzahl von Geräten in ihrer Funktion und ihrer praktischen Handhabung kennen.

A pile of cable scrap (copper cable with insulation) for recycling

Entwicklung eines Verfahrensschemas für das Recycling von Kabelschrott in der Sortiertechnik

Bei oben genannten Laborversuch wird der Kabelschrott erst mit einer Schneidmühle zum Aufschluss zerkleinert, damit Kabel und Umhüllungen frei gelegt werden, danach wird klassiert (Zerlegung in Korngrößenklassen) mittels Siebung. Diese Fraktionen werden dann einzeln in verschiedenartigen Sortiermaschinen behandelt um am Ende ein Kupferkonzentrat und eine kunststoffreiche thermoplastische Endfraktion zu erhalten, beide so sauber und rein wie möglich. Ich habe die Studierenden bei der Verfahrensentwicklung und Auswahl der Maschinen im Wettbewerb gegeneinander arbeiten lassen – zum Ansporn, welche Gruppe das beste Wertstoffausbringen bei gleichzeitig hoher Reinheit der Konzentrate erzielt.

Die reinen Rohstoffe (Kupfer, Kunststoff), die Mischungen entlang der Prozessstufen und am Ende die beiden Konzentrate müssen charakterisiert und in ihrer Zusammensetzung und Qualität beurteilt werden. Dazu wird die Feststoffdichte herangezogen als zentrale physikalische Eigenschaft. Aus der Mischdichte einer unsauberen Fraktion können bei nur zwei Hauptkomponenten die Gehalte der Komponenten bestimmt werden, ohne dass eine aufwändige chemische Analyse des Gemenges notwendig wäre. Auf Basis der Gehalte können dann Stoffströme auf Basis von Stoffbilanzen berechnet werden – eine der Aufgaben für die Studierenden. Für die Messung von Feststoffdichten stand im Labor immer ein Gaspyknometer zur Verfügung. Jede Laborgruppe von Studierenden hatte mindestens 8 Dichtemessungen am Pyknometer zu absolvieren.

Die Dichtebestimmung nimmt zu viel Zeit in Anspruch

Wir stellten schnell fest, dass diese Dichtemessungen nicht mehr im Rahmen eines Labornachmittags zu leisten waren, wo die Verfahrensentwicklung für das Recycling im Vordergrund stehen sollte. Infolgedessen bekamen die Studierenden nur eine Geräteeinweisung am Pyknometer, damit sie an Folgetagen ihre Messungen eigenständig und selber durchführen konnten. Natürlich waren sie ungeübt, und es passierten oft Fehler. Daher mussten häufiger Mehrfachmessungen an einer Probe durchgeführt werden. Der Zeitaufwand für die 8 Analysen betrug mindestens 2,5 Stunden. Viel zu lange für eine Nebensächlichkeit, die sich automatisieren ließe, dachte ich mir! Dies war der Ausgangspunkt für die Idee und die anschließende Entwicklung des BULK INSPECTORS mit SIEBTECHNIK TEMA.

Warum braucht selbst eine geübte Laborkraft etwa 10 bis 15 Minuten für eine Messung der Feststoffdichte? Die Dichte gilt zwar als physikalische Stoffeigenschaft, doch sie wird tatsächlich aus zwei einzelnen Messungen – nämlich des Probengewichts und des Probenvolumens – errechnet. Die Probe muss also zwischen einer Waage und einem Volumenmessgerät (bezeichnet als Pyknometer) bewegt werden. Alle Gaspyknometer auf dem Markt sind im Messablauf des Volumens zwar teil-automatisiert, erfordern aber sorgsamen Transport der Probe zwischen beiden Geräten von Hand. Das ist in heutiger Zeit bei hohen Löhnen und Personalkosten nicht mehr zeitgemäß, wie ich fand. In der Qualitätssicherung für Produktionsprozesse könnte eine Laborkraft über 7,5 Stunden bestenfalls nur 30 bis 45 Feststoffdichtemessungen am Tag durchführen!

Schnelle, zuverlässige und fehlerfreie Messmethoden sind erforderlich

Es gibt noch einen weiteren Aspekt, der eine vollautomatische Messung der Feststoffdichte sinnvoll erscheinen lässt. Heute werden moderne Industrieprozesse mittels online-Sensorik überwacht, gesteuert und sogar geregelt. Dazu braucht es schnelle, verlässliche, fehlerfreie Messmethoden. Mit den vorhandenen Labor-Gaspyknometern wäre zwar eine Roboter-Automatisierung grundsätzlich möglich, jedoch insgesamt sicher viel zu teuer und zu empfindlich gegenüber Fremdeinflüssen (Staub, Temperatur, Manipulation). Daher macht ein vollautomatisches Gaspyknometer mit eingebauter Präzisionswägetechnik, das thermostatiert auf konstante Temperatur in einem weitgehend hermetisch geschlossenen Gehäuse arbeitet, vollkommen Sinn. Die Qualität der Messergebnisse ist gleichbleibend konstant. Selbst im Labor würde sich die Messqualtität verbessern und die Messfrequenz deutlich erhöhen, und auf keinen Fall mehr von einer geübten Laborfachkraft oder einer ungelernten Kraft abhängen. So gesehen, habe ich mir genau so ein Gerät für mein Sortiertechnik-Labor mit Studierenden immer sehnlichst gewünscht.

Hohe Gerätegenauigkeit und automatische Probenahme

Was sich bei meinen Labors mit Studierenden auch immer gezeigt hat, waren große Fehler in den Berechnungen der Stoffströme und bei den Massenbilanzen infolge falscher Probennahme von Hand. Daher ist die Durchführung einer repräsentativen Probennahme auch immer ein wichtiges Lernziel für Studierende. Es geht nicht nur um die Qualität der Durchführung und die Genauigkeit eines Messgerätes allein! In Hinblick auf eine online-Prozessautomatisierung wäre also die Kombination eines hochgenauen, vollautomatischen Pyknometers mit einer intelligenten, automatisierten, kontinuierlichen Probenahme aus Stoffströmen das höchste Ziel. Das eine ohne das andere funktioniert nicht.

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