Chemie | Chemische Analytik | Analyse und Qualitätsbestimmung von Salzlösungen bei der Düngemittelproduktion

Pflanzen brauchen neben Sonnenlicht und Wasser auch Mineralstoffe, sogenannte anorganische Nährstoffe zum Wachsen. Zu den wichtigsten Mineralstoffen gehören Magnesium, Natrium, Chlorid, Phosphor, Calcium und Kalium. Mineraldünger enthalten diese Zusatzstoffe meist in Form von Salzen, die aus dem Bergbau stammen, synthetisch hergestellt, oder durch chemische Verfahren angepasst werden. Dabei können sowohl einfache als auch komplexe Düngemittel mit den Grundstoffen Ammoniak und Kaliumnitrat oder spezifische Formeln von Nitrat, Phosphor und Kalium zusammen mit anderen mineralischen Nährstoffen hergestellt werden. Das Haber Bosch Verfahren ist eines der etabliertesten Verfahren zur Herstellung von Ammoniak, welches den höchsten Stickstoffgehalt aller Düngemittel hat.

Da nicht jeder Boden einen optimalen Nährstoffgehalt aufweist und sich der Bedarf der Pflanzen zudem stark unterscheidet, sind hochwertige Dünger in der modernen Landwirtschaft ausschlaggebend für einen guten Ertrag. Darüber hinaus leisten Düngemittel einen großen Beitrag die stetig wachsende Weltbevölkerung mit Nahrungsmitteln zu versorgen, die bis 2050 voraussichtlich auf über neun Milliarden Menschen anwachsen wird. Laut der „Food and Agriculture Organization of the United Nations“ (FAO) müssen dafür zusätzlich 60 Prozent Nahrungsmittel bereitgestellt werden. Da ca. 70 Prozent der Erde unterhalb des Meeresspiegels liegen, stehen dafür aber nur ca.30 Prozent, also rund 1/3 der Fläche für eine landwirtschaftliche Nutzung zur Verfügung. Das hat zur Folge, dass die bestehenden Agrarlandschaften intensiver, aber auch nachhaltig und ressourcenschonend genutzt werden müssen.

Nachhaltige Landwirtschaft erfordert ein hohes Maß an Engagement, Innovationskraft, Know-how und Kreativität. Der Anbau in Gewächshäusern und Glasschränken liegt im Trend und ebnet mit fortschrittlichen Technologien wie „Precision Farming“ und.“Vertical-Farming“ den Weg für effiziente und platzsparende Landwirtschaft, welche nicht nur in Großstädten ihre Nachfrage finden wird. Heute, sowie in der Landwirtschaft der Zukunft, ist der Einsatz von Düngemitteln für einen fruchtbaren Boden, ob auf dem Feld, im Gewächshaus oder auch in High-Tech-Vitrinen, unerlässlich.

Weltweit werden heute über 33 Millionen Tonnen Kaliumdünger produziert. Dabei stellt der Markt sehr hohe Anforderungen an die Produkte, so dass jederzeit höchste Qualität gewährleistet sein muss. Um im Düngemittelmarkt dauerhaft erfolgreich zu agieren, ist  höchste Prozesssicherheit gefragt. Zeitgleich muss für einen wirtschaftlichen Betrieb der Düngemittelanlage ihr Potenzial voll ausgeschöpft und kontinuierlich optimiert werden. Effizienz und Kostensenkungen sind daher für produzierende Unternehmen wichtige Faktoren. Bessere Produkte zu wettbewerbsfähigen Preisen können nur durch eine verbesserte Performance der Produktion erzielt werden. Für diesen Wettbewerbsvorteil sind Intelligente Systeme und individuelle Lösungen zur Qualitätssicherung und Produktionsprozesssteuerung bei den Herstellern sehr gefragt. 

Zuverlässige Messergebnisse trotz schwieriger Prozessparameter

In dem Produktionsprozess herrschen Temperaturen von bis zu 120°C und Drücke bis zu 10 bar. Das salzhaltige Medium wirkt unter diesen Bedingungen in kürzester Zeit sehr korrosiv. Der eingesetzte Messaufbau muss dem standhalten und gleichzeitig leicht in die Prozessumgebung integriert werden können. Die Überwachung des Prozesses ist aufgrund dieser Parameter nicht einfach aber entscheidend für die Qualität des jeweiligen Düngers. Eine besondere Herausforderung in diesem Zusammenhang ist die Methodenerstellung als Grundlage für die Analytik. Unkontrollierte Abläufe und ungenaue Zusammensetzungen der Inhaltsstoffe können zu ungenügender Qualität oder sogar Ausschuss führen. Daher wünschen sich Produktionsmanager, Qualitätsverantwortliche und Verfahrenstechniker eine Möglichkeit den Prozess sicherer und transparenter zu machen.

Viele der Rohstoffe für die Düngemittelherstellung werden durch mechanische Gewinnung oder den Abbau gelöster Stoffe gewonnen, wobei heißes Wasser unterirdisch in Spalten gepumpt wird, die das zum Auflösen erforderliche Element enthalten. Wenn diese Lösung an die Oberfläche zurückgeführt wird, verdampft das Wasser und es entstehen Kristalle. Anschließend müssen noch schädliche Verunreinigungen durch weitere Verarbeitung entfernt werden. Schließlich kann durch Mischen der verschiedenen gereinigten Chemikalien ein ausgewogener Dünger auf Basis einer spezifischen Formel hergestellt werden. Zur Reinigung der Rohstoffe werden immer heiße Salzlösungen verarbeitet, die Verunreinigungen und verschiedene Feststoffe enthalten. Mit Hilfe von NIR-Online Messtechnik kann die Elementbestimmung in diesen stark salzhaltigen Lösungen vorgenommen und die Prozesssteuerung und Qualitätsüberwachung verbessert werden.

Herstellbetriebe, die eine NIR-Online Messstelle direkt im Fabrikbetrieb vor Ort installieren statt die erforderliche Analytik im Labor durchzuführen, können Probenlösungen direkt an eine Prozessmesszelle überführen. Diese ist mit Hilfe von Lichtleitern an ein Spektrometer angeschlossen. Die dort erfassten Messsignale  können aufgrund der sehr kurzen Messzeiten der NIR-Spektroskopie direkt ausgewertet und so der Prozess optimal gesteuert werden.

Der Spektralbereich des „Nahen Infrarots“ befindet sich im elektromagnetischen Spektrum zwischen den Spektralbereichen des „Sichtbaren“ (VIS) und des „Mittleren Infrarots“ (MIR). In diesem Bereich liegen die Ober- und Kombinationsschwingungen der Valenz- und Deformationsschwingungen von Molekülen. Das NIR-Spektrum enthält eine Vielzahl von analytisch relevanten Informationen, die zur Untersuchung herangezogen werden können. Darüber hinaus zeichnet sich diese Technik als optisches Verfahren generell durch ein hohes Maß an Präzision und Zuverlässigkeit aus.

NIR-Spektroskopie ermöglicht eine genaue Untersuchung von Salzen und wässrigen Salzlösungen. In dem Spektralbereich des „Nahen Infrarots“ (780-2500 nm) ergibt die Ionenverbindung von Salzen keine Resonanz, wasserhaltige Salze dagegen erzeugen in diesem Bereich ein NIR-Spektrum. Aufgrund dieser unterschiedlich starken Wechselwirkungen zwischen Ionen und Wassermolekülen ergeben sich unterschiedlich starke Verschiebungen. Obwohl die optische Messung mittels NIR-Spektroskopie üblicherweise für organische Moleküle eingesetzt wird, ist eine indirekte Mineralphasenbestimmung möglich. Wichtig dabei ist es, den zeitlichen Verlauf zu kennen und diesen idealerweise aufzuzeichnen, sodass eine Trenderkennung möglich ist. Diese ermöglicht es den Prozessverantwortlichen in extrem kurzer Zeit steuernd einzugreifen.

Weitere Informationen zur Produktlösung:

Excalibur HD FCP Messzelle