Bertram Zwisele Entwicklung einer neuen Probenahmemethode für heterogene Abfälle geringer Schüttdichte 356 Seiten. 2004. DIN A5. 21 Farbabbildungen. Preis: 42 Euro ISBN 3-937231-42-0 Heterogene Stoffe und Stoffgemische geringer Schüttdichte aus dem Abfallbereich sind den stückigen und festdispersen Stoffsystemen zuzuordnen, unterscheiden sich aber von mineralischen und bergbaulichen Schüttgütern erheblich. Gesetzmäßigkeiten, die beispielsweise aus der Genese mineralischer Stoffe abzuleiten sind, existieren für Abfälle nicht. Im Stoffkreislauf stehen Abfälle und Abfallgemische am Ende des Lebenszyklus von Produkten und Gebrauchsgegenständen. Sie sind daher im Allgemeinen durch eine große Streubreite an verschiedenen Stoffbestandteilen, Teilchengrößen, Teilchenformen, Teilchendichten usw. gekennzeichnet. Für die Probenahme im Abfallbereich bedeutet dies, dass die Methoden aus der Probenahme mineralischer Schüttgüter nicht übertragbar sind und dass die Anforderungen an ein geeignetes Probenahmeverfahren im Abfallbereich höher einzuschätzen sind. Gleichzeitig ist zumindest die am Geldwert gemessene Wertschöpfung bei Abfallgemischen im Stoffkreislauf am geringsten. Die repräsentative Probenahme heterogener Abfälle und Abfallgemische zur Beurteilung der physikalischen, chemischen und technologischen Eigenschaften wurde bisher nicht befriedigend gelöst. Wie in der Anlagentechnik zeigt sich auch bei der Probenahme, dass bestehende Methoden und Verfahren aus dem Bergbau, der Aufbereitung oder dem Tiefbau übernommen wurden. Auf eigene grundlegende Forschungs- und stoffangepasste Entwicklungsarbeiten wurde meist aus ökonomischen Abwägungen verzichtet. Die Probenahme heterogener Abfälle und Abfallgemische erfolgt bislang überwiegend mit „Hausrezepten“ oder Strategien, die nur unter bestimmten Voraussetzungen angewandt werden können. Mit dieser Arbeit wird die Lücke in der Erforschung und Entwicklung einer geeigneten Probenahmemethode für heterogene Abfälle geringer Schüttdichte geschlossen. Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung 1 2 Aufgabenstellung 4 2.1 Untersuchungsgesamtheit 4 2.2 Untersuchungsziel 6 2.3 Aufgaben 7 3 Methodische Grundlagen 8 3.1 Statistische Grundlagen 8 3.1.1 Der Wahrscheinlichkeitsbegriff 8 3.1.2 Zufallsereignis 11 3.1.3 Zufallsvariable 11 3.1.3.1 Diskrete Zufallsvariable 12 3.1.3.2 Stetige Zufallsvariable 16 3.1.3.3 Zweidimensionale stetige Zufallsvariable 19 3.1.4 Die Grenzwertsätze 23 3.1.4.1 Das schwache Gesetz der großen Zahlen 23 3.1.4.2 Das starke Gesetz der großen Zahlen 23 3.1.4.3 Der Zentrale Grenzwertsatz 25 3.1.5 Schätztheorie 25 3.1.5.1 Statistischer Schluss 25 3.1.5.2 Schätzfunktion 26 3.1.5.3 Eigenschaften von Schätzfunktionen 27 3.1.5.4 Konstruktion von Schätzfunktionen. 29 3.1.5.5 Punkt- und Intervallschätzung 29 3.1.5.6 Schätzen in endlichen und unendlichen Grundgesamtheiten 32 3.1.6 Modellbildung 38 3.2 Grundlagen der Probenahme 38 3.2.1 Einführung 38 3.2.1.1 Abgrenzung des Probenahmebegriffes 40 3.2.1.2 Probenahmeplan und Probenahmekriterien. 41 3.2.1.3 Fehler einer Stichprobenuntersuchung 43 3.2.2 Stichprobenverfahren 48 3.2.2.1 Nichtzufällige Auswahlverfahren. 48 3.2.2.2 Zufällige Auswahlverfahren 48 3.2.2.3 Die grundlegenden einstufigen zufälligen Auswahlverfahren 51 3.2.2.4 Vergleich der grundlegenden einstufigen zufälligen Auswahlverfahren 54 3.2.2.5 Mehrstufige Auswahlverfahren 55 3.2.2.6 Auswahlverfahren bei abhängigen Merkmalen. 60 3.2.3 Hochrechnungs- oder Schätzverfahren. 62 3.2.3.1 Einfache oder reine Zufallsstichprobe 62 3.2.3.2 Systematische Zufallsstichprobe 65 3.2.3.3 Geschichtete Zufallsstichprobe 68 3.2.3.4 Mehrstufige Zufallsstichprobe 71 3.3 Probenahme von Stoffsystemen 80 3.3.1 Auswahlvorgang 81 3.3.1.1 Flächenbeprobung 81 3.3.1.2 Gutstrombeprobung 81 3.3.2 Heterogenität 82 3.3.2.1 Allgemein 82 3.3.2.2 Modell für unabhängige Elementareinheiten 84 3.3.2.3 Modell für abhängige Elementareinheiten 90 4 Probenahmemodelle für heterogene Stoffsysteme – Stand des Wissens 93 4.1 Allgemeines Probenahmemodell für disperse Stoffsysteme.93 4.1.1 Stoffmodell 93 4.1.2 Auswahlmodell 96 4.1.2.1 Schätzwert 97 4.1.2.2 Genauigkeit des Schätzwertes 98 4.1.3 Fehlerbetrachtung der Stichprobenahme 99 4.1.3.1 Fehler, die in den mathematischen Beziehungen des Modells begründet sind 99 4.1.3.2 Fehler, die auf die praktische Ausführung der Probenahme und Aufbereitung zurückzuführen sind.100 4.1.3.3 Gesamtfehler 103 4.1.4 Ansatz für ein Stoffmodell mit unabhängigen Stoffteilchen 105 4.2 Praxisorientierte Probenahmemodelle für disperse Stoffsysteme 110 4.2.1 Physikalischer Ansatz für ein Probenahmemodell 110 4.2.2 Statistischer Ansatz für ein Probenahmemodell.119 4.2.2.1 Pareto-Verteilung 119 4.2.2.2 RRSB-Verteilung 121 5 Entwicklung einer angepassten Probenahmemethode für heterogene Stoffsysteme geringer Schüttdichte 124 5.1 Ausgangssituation 124 5.2 Die neue Probenahmemethode 126 5.3 Ein modifiziertes Probenahmemodell 129 6 Vorversuche zur Entwicklung der Versuchsgeräte, zur Ermittlung relevanter Stoffeigenschaften und zur Bestimmung der Probenahmeparameter 133 6.1 Vorversuche zur Entwicklung der Versuchsgeräte.134 6.2 Vorversuche zur Ermittlung relevanter Stoffeigenschaften 138 6.2.1 Charakterisierung der Versuchsmaterialien139 6.2.1.1 Zeitungspapier 139 6.2.1.2 Kunststoffe 139 6.2.1.3 Getränkedosen aus Weißblech 140 6.2.2 Ermittlung der Brennwerte für die Versuchsmaterialien und Aufnahme einer Kalibriergeraden 141 6.2.2.1 Zielstellung 141 6.2.2.2 Versuchsdurchführung 142 6.2.2.3 Ergebnisse 142 6.2.3 Ermittlung der Stoffdichten für einzelne Stoffkomponenten und Stoffgemische 143 6.2.3.1 Zielstellung 144 Inhaltsverzeichnis iii 6.2.3.2 Versuchsdurchführung 144 6.2.3.3 Ergebnisse 145 6.2.4 Bestimmung der Teilchengrößenverteilung und der Teilchenmassenverteilung für die synthetischen Stoffgemische und realen Abfälle 146 6.2.4.1 Zielstellung 146 6.2.4.2 Versuchsmaterial 146 6.2.4.3 Versuchsdurchführung 147 6.2.4.4 Ergebnisse 148 6.2.4.5 Schlussfolgerungen 157 6.3 Vorversuch zur Bestimmung der Probenahmeparameter 158 6.3.1 Zielsetzung 158 6.3.2 Versuchsdurchführung 159 6.3.2.1 Herstellung der Zufallsmischung 159 6.3.2.2 Probenahme 159 6.3.2.3 Probenaufbereitung 162 6.3.2.4 Analyse 162 6.3.3 Auswertung und Darstellung der Ergebnisse 163 6.3.3.1 Explorative Datenanalyse 164 6.3.3.2 Schätzung der Mittelwerte und Varianzen. 166 6.3.3.3 Analyse der Fehlereinflüsse der Teilungs- und Auswahlschritte 167 6.3.3.4 Zusatzauswertungen 168 6.3.3.5 Bewertung der Ergebnisse und Schlussfolgerungen für die Durchführung der Hauptversuche 171 6.4 Technische Umsetzung des neuen Probenahmeverfahrens und Versuchsaufbau 172 7 Durchführung der Versuche 175 7.1 Das Versuchsprogramm 175 7.1.1 Untersuchung der empirischen Heterogenität für Zwei- und Dreikomponentengemische sowie für reale Abfälle 177 7.1.2 Vergleich des neu entwickelten Probenahmeverfahrens nach der Würfelteilungsmethode mit einem herkömmlichen Probenahmeverfahren nach der Methode mit Teilungskreuz 179 7.1.3 Untersuchung von Einflussgrößen auf die Heterogenität des Stoffsystems - Abhängigkeit von Stoffdichte und Teilchengröße. 180 7.1.3.1 Stoffdichte 180 7.1.3.2 Teilchengröße 180 7.1.4 Untersuchung der Ortsabhängigkeit der Heterogenität 181 7.2 Durchführung der Versuche mit synthetischen Stoffgemischen bekannter Zusammensetzung –Würfelteilungsmethode und mehrstufiges Modell 181 7.2.1 Herstellung der Zufallsmischungen 182 7.2.2 Probenahme 182 7.3 Durchführung der Versuche mit synthetischen Stoffgemischen bekannter Zusammensetzung - Würfelteilungsmethode und geschichtetes Modell. 184 7.3.1 Probenahme 184 7.4 Durchführung der Versuche mit synthetischen Stoffgemischen bekannter Zusammensetzung - Teilungskreuzmethode und mehrstufiges Modell 185 7.4.1 Probenahme 185 7.4.2 Probenaufbereitung und Analyse 187 7.5 Durchführung der Versuche mit realen Abfallgemischen unbekannter Zusammensetzung - Würfelteilungsmethode.187 7.5.1 Herstellung der Zufallsmischungen 187 7.5.2 Probenahme 188 7.6 Durchführung der Versuche mit synthetischen Stoffgemischen unterschiedlicher Teilchengrößen 188 7.6.1 Herstellung der Zufallsmischungen 188 7.6.2 Probenahme 189 8 Auswertung der Ergebnisse 190 8.1 Einzelauswertung 191 8.2 Gesamtauswertung 192 8.2.1 Explorative Datenanalyse 192 8.2.2 Schätzung der Mittelwerte und Varianzen.193 8.2.3 Fehlerbetrachtung der einzelnen Teilungs- und Auswahlschritte197 8.2.4 Methodenvergleich: Teilungskreuz - Würfelteilung.200 8.2.5 Untersuchung der Einflussgrößen Dichte und Teilchengröße auf die Heterogenität 201 8.2.6 Untersuchung der Ortsabhängigkeit der Messwerte.206 8.2.7 Optimierung der Probenahmeparameter Stichprobengröße und Stichprobenanzahl 212 8.3 Zusammenfassung der Auswertungsergebnisse 215 9 Zusammenfassung 219 Anhang A 223 Tabellenverzeichnis A 217 Abbildungsverzeichnis A 320 Verzeichnis der Formelzeichen und Symbole A 324 Literaturverzeichnis A 339weiterlesen