Zielsetzung und Anlass des Vorhabens<\/p>\n
Ziel des zur F\u00f6rderung vorgeschlagenen Projektes ist die Entwicklung eines industriell einsetzbaren On-line-Lasermassenspektrometer-Prototyps (REMPI-TOFMS) f\u00fcr den produktionsintegrierten Umweltschutz und schnellanalytische Fragestellungen.
\nDie REMPI-TOFMS-Technik erlaubt beispielsweise eine kontinuierliche Analyse von Prozessindikatoren (z. B. prozessabh\u00e4ngige Schadstoffe) in komplexen Prozessgasen. Die Entwicklung soll in einem Verbund von Forschungsinstitutionen mit kleinen\/mittelst\u00e4ndischen Firmen aus dem Hochtechnologie-Sektor durchgef\u00fchrt werden. Von den Projektteilnehmern ist Entwicklungsarbeit in den Bereichen Probennahmetechnik, Einlasstechnik, Lasertechnik, Massenspektrometrie, Systemintegration und Anwendungsanpassung zu erbringen. Weiterhin sollen mit der entwickelten REMPI-TOFMS-Messtechnik sowie mit konventionellen analytischen Methoden Messkampagnen zum Themenschwerpunkt Altholzverwertung durchgef\u00fchrt werden. Mit dem Ende der F\u00f6rderung soll eine Kommerzialisierung des entwickelten REMPI-TOFMS-Prozessgasanalysators erreicht werden.<\/p>\n
Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenEin extrem schnelles Analyseinstrument zur laufenden Beobachtung von Schadstoffen in der Umwelt oder zur Prozessanalyse auf Basis der Lasermassenspektrometrie wurde entwickelt. Dabei ionisiert ein Ultraviolett-Laser \u00fcber die resonanzverst\u00e4rkte Mehrphotonenionisation (REMPI) selektiv nur ausgesuch-te Zielverbindungen. Anschlie\u00dfend wird mit einem Flugzeitmassenspektrometer (Time-Of-Flight Mass Spectrometer, TOFMS) die Masse dieser selektiv ionisierten Teilchen bestimmt. Die Konzentrationen der Zielsubstanzen k\u00f6nnen im TOFMS sehr schnell gemessen werden (bis zu f\u00fcnfzig mal in einer Se-kunde). Aufgrund der hohen Selektivit\u00e4t der Laserionisation k\u00f6nnen auch aus einem sehr komplexen Prozessgas viele Verbindungen, die bisher nur in aufwendigen Laborverfahren analysierbar waren, direkt und ohne Probenvorbereitung, nachgewiesen werden. Das REMPI-TOFMS Verfahren ist dabei trotz der hohen Messgeschwindigkeit und Selektivit\u00e4t so empfindlich, dass damit bestimmte organische Mole-k\u00fcle unter 10 Milliarden anderen Teilchen entdeckt werden k\u00f6nnen (pptv- Empfindlichkeitsbereich). Das neue Analyseverfahren hat sich bereits in ersten Feldtests bew\u00e4hrt. An einer technischen Verbren-nungsanlage wurden kontinuierlich Schadstoffe im Rauchgas analysiert. Die dabei gefundenen komplexen Emissi-onsmuster verschiedener organischer Verbindungen zeigten deutliche Konzentrations-Zeit-Verl\u00e4ufe. Dies legt einen Einsatz der Technik im Bereich des produktionsintegrierten Umweltschutzes zur \u00dcber-wachung und zur R\u00fccksteuerung industrieller Produktionsanlagen nahe.
\nAufbauend auf dem bisher erreichten, soll in dem nun gef\u00f6rderten Projekt die REMPI-TOFMS Technik von den Antragstellern zur Praxisreife weiterentwickelt werden. Der Aufbau des neuen Instruments wird eine hohe Modularit\u00e4t aufweisen. Bei der Entwicklung wird jeder Partner unter enger Absprache mit der Projektleitung f\u00fcr sein Modul eine Teilverantwortung \u00fcbernehmen. Die n\u00f6tigen Interfaces zwischen den Modulen werden im Rahmen des Vorhabens von den Partnern gemeinsam konzipiert und realisiert. Die systemintegrativen Ma\u00dfnahmen (d.h. Kombination und Anpassung der Module) werden an der GSF durchgef\u00fchrt. Nach der Fertigstellung des Ger\u00e4tes erfolgen, unter Einbezug aller Partner, umfangreiche Labor- und Feldtests des Prototyps. Anschie\u00dfend wird entsprechend der Testergebnisse eine \u00dcberar-beitung\/Optimierung der Module bzw. des Gesamtger\u00e4ts vorgenommen. Das optimierte Ger\u00e4t wird f\u00fcr Messkampagnen im Bereich Altholzverwertung eingesetzt werden und verbleibt als Demonstrationsger\u00e4t\/-prototyp f\u00fcr die geplante Kommerzialisierung und Forschungsinstrument nach Projektende im wis-senschaftlichen Einsatz. Ziel ist es, zum Ende der Projektlaufzeit eine kommerzielle Version des Ger\u00e4ts anbieten zu k\u00f6nnen.<\/p>\n
Ergebnisse und Diskussion<\/p>\n
Ergebnisse
\nEin sehr kompakter Vorprototyp eines REMPI-TOFMS Spektrometers wurde aufgebaut (Nd:YAG Ionen-quelle, 266 nm) und erfolgreich getestet. Die n\u00f6tige Empfindlichkeit f\u00fcr viele prozessanalytische Anwendungen der REMPI-TOFMS Technik wurde erreicht. Eine erste Messkampagne (Oktober 1999) an einer technischen Verbrennungsanlage hat bereits f\u00fcr den massenspektrometrischen Aufbau des Vorprototyps eine (noch eingeschr\u00e4nkte) Praxistauglichkeit erwiesen.
\nAls problematisch hat sich dabei die zu geringe Pumpenkapazit\u00e4t erwiesen (270 l\/s und 90l\/s Turbomolekularpumpen). Weiterhin waren elektronischen St\u00f6rungen in der Datenaufnahme noch zu stark.
\nAufbauend auf den Erfahrungen wurden f\u00fcr den Endprototyp ein Reihe konzeptioneller \u00c4nderungen im Bereich TOFMS und Elektronik festgelegt. Beispielsweise wird anstatt eines linearen Reflektron-TOFMS Aufbaus auf eine gewinkelte Ionenflugbahn zur\u00fcckgegriffen.
\nDer Aufbau des Probenahmesystems (online Sonde) hat begonnen, wobei die Erfahrungen aus der oben erw\u00e4hnten Messkampagne einflie\u00dfen. Erste Messungen an einem Testaufbau des zu entwickelnden OPO Typ II Lasers haben ergeben, dass die projektierten Entwicklungsziele in den Bereichen Leistung und Linienbreite bereits erreicht werden. Zur Zeit konzentrieren sich die Arbeiten auf die n\u00f6tige Genauigkeit der Wellenl\u00e4ngenkalibration und die kompakte Integration der Komponenten (mit YAG-Kopf) sowie die Computeranbindung.
\nDiskussion
\nDie durchgef\u00fchrten Tests an Versuchsaufbauten und Vorprototypen haben zu Erkenntnissen gef\u00fchrt die bei der Realisierung des Systemaufbaus ber\u00fccksichtigt werden. Die durchgef\u00fchrte Messkampagne an einer Hausm\u00fcllverbrennungsanlage mit Industriebeteiligung (Anlagenbetreiber und Anlagenhersteller) hat dar\u00fcber hinaus gezeigt, dass an diesem Anlagentyp prozessrelevante Informationen gewonnen werden k\u00f6nnen und somit das oben beschrieben Konzept untermauert<\/p>\n
\u00d6ffentlichkeitsarbeit und Pr\u00e4sentation<\/p>\n
Durch ausgew\u00e4hlte Messkampagnen an Industrieanlagen und Pr\u00e4sentation der Ergebnisse auf Messen und Fachveranstaltungen soll weiterhin der Nutzen der Online-REMPI-TOFMS Technik f\u00fcr den produktionsintegrierten Umweltschutz und die Prozesskontrolle demonstriert und bekannt gemacht werden, um Interessenten, Anwender und Abnehmer f\u00fcr die Technik zu gewinnen.
\nZur Zeit werden die ersten Ver\u00f6ffentlichungen sowie eine Diplomarbeit erstellt, die \u00fcber Ergebnisse mit dem entwickelten kompakten REMPI-Testprototyp berichten.<\/p>\n
Fazit<\/p>\n
Fortschritt der Arbeiten unter Ber\u00fccksichtigung des leicht versp\u00e4teten Projektbeginns f\u00fcr die Projektpartner mindestens plangem\u00e4\u00df.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"
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