dkologische Bewertung von Produkten und Prozessen - Herausforderung und Chance

Dr. J. Zurn, Daimler-Benz AG, Postfach 2360, 89013 Ulm.

Industrielle Produkte und Prozesse werden heute und noch vie1 mehr in Zukunft an den Kriterien der Umweltvertraglichkeit gemessen. Speziell in der Entwicklungsphase ist dies eine besondere Herausforderung, da hier weitgehend die wesentlichen Parameter auch beziiglich der Umweltver- traglichkeit festgelegt werden. Zur Unterstiitzung dieser Aufgabenstel- lung wurden bislang Konzepte wie Okobilanz, Life cycle analysis, u.a. entwickelt. Allen diesen gemeinsam ist, daR eine Analyse der am Gesamtlebenszyklus von technischen Produkten beteiligten Stoffe und Energien erstellt wird. Der Gesamtlebenszyklus umschlieBt dabei alle Fertigungsstufen von der Rohstoffgewinnung, iiber die Produktherstel- lung und Nutzung bis zum Recycling bzw. der Entsorgung. Dies stellt die Entwicklung vor eine vollig neue Herausforderung, da nun auch Ferti- gungsprozesse zu analysieren sind, die iiblicherweise nicht im Rahmen des eigenen Verantwortungsbereiches ablaufen. Die fur eine derartige Sach- bilanz (Stoff- und Energiebilanz) notige Datenrecherche kann daher nur in Kooperation mit im Idealfall allen an der ProzeBkette beteiligten Firmen bearbeitet werden.

Die meisten derzeit bekannten sog. Okobilanzen enden mit dieser Stufe der Sachbilanz. Mit einer solchen Sachbilanz allein ist jedoch bei weitem noch keine Beurteilung der okologischen Auswirkungen moglich. Kon- zepte hierzu sind jedoch notwendig, um die in Sachbilanzen genannten Angaben wie Materialart und -menge in ihrer Relevanz beziiglich moglicher Umweltbeeintrachtigungen kritisch bewerten zu konnen. Die wesentlichen Grundziige dieser Konzepte werden vorgestellt. Allein dann konnen derartige Analysen als Entscheidungshilfe fur Entwicklungspro- zesse dienen und liefern damit die Chance, die weitere Entwicklung umweltfreundlicher Produkte und Prozesse zu stiitzen.

Zielsetzung einer okologischen Bewertung ist, die Vielzahl der in Stoff- und Energiebilanzen aufgezeigten Angaben so zu verdichten, daR derar- tige Analysen tatsachlich zur Entscheidungsfindung herangezogen werden konnen. Dabei ist ganz wesentlich, daB die einzelnen Schritte offengelegt und transparent sind, um das Ergebnis jederzeit nachvollziehen zu konnen. Die Abb. zeigt die einzelnen Stufen einer okologischen Bewer- tung von Stoffbilanzdaten.

Bis zur Stufe der Standardisierung kann die Bewertung auf Basis wissenschaftlicher Erkenntnisse erstellt werden. Die Relativierung und Gewichtung muB jedoch auch den politischen und gesellschaftlichen Konsens beriicksichtigen. Dabei mu0 der Wunsch, am Ende einen rechenbaren Vergleichswert zu erhalten, sehr kritisch betrachtet werden.

Anhand von praktischen Beispielen aus dem Hause Daimler-Benz wird die Bedeutung dieses Bewertungsschrittes verdeutlicht: AEG-Staubsau- gerrohre werden heute in 2 unterschiedlichen Varianten gefertigt. Eine

Rohrversion besteht aus PVC, die andere aus verchromtem Stahlblech. Beide Varianten besitzen mit PVC und einer Verchromung unter okolo- gischen Gesichtspunkten kritisch diskutierte Komponenten.

Ein zweiter Beispielbereich, in dem die Thematik der okologischen Gesamtbewertung zunehmend wichtiger wird, ist das Thema Leichtbau von z.B. Fahrzeugen. Energetisch betrachtet iiberwiegt die Fahrzeugnut- zungsphase die Produktionsphase bei weitem, so daB der Einsatz leichte- rer Werkstoffe und Komponenten grundsatzlich zu befiirworten ware. Betrachtet man jedoch die Problembereiche Abfall und Abwasser, nimmt die Produktionsphase den entscheidenden Raum ein. Daher ist fur eine okologische Beurteilung von Fragestellungen wie Einsatz von Aluminium, Magnesium, Kunststoffen u. a. eine Einbeziehung und systematische Bewertung aller dieser Gesichtspunkte notwendig.

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Selektive Trocknung von hygroskopischen Gutern, die mit binaren Flussigkeitsgemischen beladen sind

Dipl.-Ing. H. Wolf(V0rtragender) und Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c./INPL E. -U. Schliinder, Institut fur Thermische Verfahrenstechnik der Universitat Karlsruhe (TH), Kaiserstr. 12, 76128 Karlsruhe.

In der Produktion fallen sowohl wasser- als auch losungsmittelfeuchte Giiter an. Nicht selten besteht die Gutsfeuchte aus einem Gemisch. Als Beispiele hierfiir sind Lebensmittel, Pharmaka, Feinchemikalien und Kunststoffgranulate zu nennen. Die Trocknungsgeschwindigkeit und die Selektivitat bei der Trocknung gemischfeuchter Giiter wurden in den letzten Jahren fast ausschlieBlich fur nichthygroskopische Trocknungsgii- ter erforscht. Nun sind die Untersuchungen auf hygroskopische Trock- nungsgiiter, wie sie meist in der Praxis vorliegen, ausgedehnt worden. Als Gutsfeuchte wurden Alkohol/Wasser-Gemische verwendet.

Bei der konvektiven Trocknung hygroskopischer Einzelkorper zeigte sich, daD der Zusammensetzungsverlauf der Gutsfeuchte am starksten von der Art des Feststoffes abhangt. Wie bei der Trocknung nichthygroskopi- scher Giiter dominiert bei maDig hygroskopischen Materialien und einer Gutsabmessung von wenigen Millimetern der fliissigkeitsseitige Stoff- iibergangswiderstand die Trocknung so sehr, daB diese weitgehend unselektiv verlauft. Am Ende des Trocknungsvorganges wird die Selekti- vitlt durch die sorptiven Bindungskrafte zwischen Feststoff und Losungs- mittel bestimmt. Nur bei sehr stark hygroskopischen Giitern ist eine selektive Trocknung iiber die gesamte Dauer zu erwarten. Will man die Gutsfeuchtezusammensetzung gezielt steuern, so erlaubt weniger die Wahl der Lufttemperatur und Luftgeschwindigkeit eine Einfluanahme; vielmehr sind die Zerkleinerung des Gutes und einevorbeladung der Luft mit einer Liisungsmittelkomponente zu empfehlen. Letzteres beeinflu& neben der Kinetik der Verdunstung vorwiegend das Sorptionsgleichge- wicht.

Da Guter aus Produktionsprozessen oft sehr naD anfallen, ist auch bei sorptiven Giitern neben der gebundenen Gutsfeuchte ein Anteil an freier Oberflachenfeuchte vorzufinden. Erst die Kenntnis der Adsorptions- gleichgewichte des Llisungsmittelgemisches an dem Feststoff erlaubt eine Aussage, ob und ab welchem Gutsfeuchtegehalt die sorptiven Wechsel- wirkungskrafte die Selektivitat der Trocknung beeinflussen. Die Adsorp- tionsgleichgewichte der polaren AlkohollWasser-Gemische lassen sich a priori nicht oder nur unbefriedigend aus den Reinstoffisothermen voraus- berechnen. Aus diesem Grund wurden sowohl die Reinstoff- als auch die Gemischisothermen der Versuchsstoffe experimentell bestimmt. Durch Bindung der Feuchtekomponenten an den Feststoff andert sich das Selektivitatsverhalten gegeniiber dem reinen Fliissigkeitsgemisch z.T. vollstandig. Z.B. reichert sich im Falle silicagelbeschichteter Keramik der Alkohol im niederen Konzentrationsbereich bevorzugt in der gebundenen Feuchte an, wohingegen dieser im Fliissigkeitsgemisch im gleichen Kon- zentrationsbereich die leichterfliichtige Komponente ist.

Unter Beriicksichtigung des thermodynarnischen Gleichgewichtes und des gasseitigen Stoffubergangswiderstandes laat sich die Selektivitat der Verdunstung in Abhangigkeit der Gutsfeuchtezusammensetzung und -beladung vorausberechnen. Fliissigkeitsseitige Stoffiibergangswiderstan- de mindern den Betrag der Selektivitat.Weiterhin spielen die Luftfiihrung

Chem.-1ng.-Tech. 66 (1994) Nr. 9, S . 1165-1276 1210

im Trockner und die Feuchteverteilung im Gut eine wichtige Rolle. So konnen Guter je nach Trocknungsart, z. B. Umstromungs- oder Durch- stromungstrocknung, eine vollig unterschiedliche Restfeuchte-Zusam- mensetzung aufweisen.

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Feuchtemessung an trocknenden Polymerfilmen mit FT-IR-Spektroskopie, Untersuchung des Trocknungsverhaltens und einfache Bestimmung des Diff usionskoeff izienten

rat venvendet. Es wurde dazu so modifiziert, daB es Transmissionsmes- sungen an methanolfeuchten Filmen aus Polyvinylacetat (PVAc) erlaubt, welche frei mit Luft uberstromt werden. Die Spektren (s. Abb.) werden mit der Partial-Least-Squares-Methode ausgewertet, welche nicht nur einzelne Peakhohen oder -flachen berucksichtigt, sondern den vollen Informationsgehalt der Spektren ausnutzt und dabei auch die prinzipielle Moglichkeit zur Mehrkomponentenmessung und zur Analyse bei uber- lappenden Banden eroffnet.

Mit der numerischen Losung der Fickschen Differentialgleichung laBt sich der Trocknungsverlauf eines losungsmittelfeuchten Polymerfilms gut beschreiben, wobei die Schrumpfung des Films mit einem trockenmassen- bezogenen mitschrumpfenden Koordinatensystem beriicksichtigt wird. Bei der Variation der Parameter zeigt sich, daR ab einem gewissen

I Extinktion E = - logTn

Dipl.-lng. R. Saure(V0rtragender) undProf. Dr.-Ing. Dr. h.c./INPLE.-U. Schliinder, lnstitut fur Thermische Verfahrenstechnik, Universitat Karls- ruhe, KaiserstraBe 12, 76128 Karlsruhe.

Bei der Herstellung von Magnetbandern, fotografischen Filmen, Klebe- streifen und allgemein bei Beschichtungen wird ein losungsmittelfeuchter Film auf ein Substrat aufgebracht und anschlieaend getrocknet. Der Trocknungsvorgang hat erhebliche Bedeutung fur Wirtschaftlichkeit und Qualitat der Produktion. Er ist gekennzeichnet von einer hohen Dyna- mik: Wahrend der ersteTrocknungsabschnitt eine Frage von Sekunden ist, kann bis zum Erreichen relevanter Restfeuchten von weniger als 1 % die Trocknungsgeschwindigkeit um einen Faktor lo00 und mehr abfallen, was fur die wissenschaftliche Untersuchung des Trocknungsprozesses und fur die Dirnensionierung industrieller Trockner gleichermaBen unvorteilhaft ist.

Zur experimentellen Untersuchung der Filmtrocknung wurde ein Fouriertransformations-Infrarotspektrometer als KonzentrationsmeBge-

OH CH3

' c = o ,

4000 3000 2000 1000 Wellenzahl I cm-'

Abb. 1. Spektra eines trocknenden Films aus 50 g/m2PVAc (-[CHrCH(O-CO-CH3)-]n-) und 54 bis 0 g/m2 Methanol (CH3-OH).