A new perspective on teaching of gas chromatography

Abstract

In dieser Diplomarbeit werden eingehend neue Ideen evaluiert und Projekte ausgeführt, um den Lernerfolg im Themenbereich Gas-Chromatographie in höheren Schulen und von Studienanfängern an Universitäten zu verbessern.Ein wichtiger Aspekt ist die Einbindung von modernen Lerntechniken wie z.B. die Verwendung von Computersoftware. Der in dieser Diplomarbeit von Grund auf entwickelte "Van-Deemter Simulator" ermöglicht es Lernenden, den Einfluss von äußeren Parametern auf die Trennleistung eines Gaschromatographen kennenlernen zu können, ohne auch nur einen Euro für Material oder Betriebskosten ausgeben zu müssen. Die Software berechnet die charakteristischen Van-Deemter-Kurven für eine Vielzahl von Trägergasen unter Berücksichtigung von Säuleneigenschaften, Temperatur und Druck. Ein graphisches User-Interface ermöglicht eine besonders einfache Bedienung.Eine umfangreiche Literaturrecherche über publizierte "Do-it-Yourself"-Gaschromatographen wurde erstellt, um die vielversprechendsten Ideen zu sammeln welche die Grundlage für zwei eigene Versuchsaufbauten bilden, die sowohl die Anforderungen für Unterrichtszwecke erfüllen als auch eine qualitativ gute Trennung ermöglichen. Über die bereits publizierten Versuche hinausgehend wurde die Datenverarbeitung erheblich modernisiert und mit der Arduino-Plattform realisiert. Dies ermöglicht die einfache Integration einer computergestützten Datenverarbeitung und einer automatischen Evaluierung der Ergebnisse mit der GCControl Software.Für den didaktischen Einsatz als besonders geeignet herausgestellt hat sich die Trennung von Feuerzeuggas. Die Detektion erfolgt durch einen kommerziellen elektrochemischen Sensor oder einem selbstgebauten Wärmeleitfähigkeitsdetektor. Für den Fall, dass praktische Experimente nicht durchgeführt werden können, steht eine Simulatorfunktion bereit, mit der sich der Gaschromatograph als Simulator in einer sicheren und zuverlässigen Umgebung betreiben lässt.

Within this diploma thesis, new ideas were evaluated and projects developed to support education of gas chromatography for high school and college students.Of major importance was the inclusion of modern learning tools like the usage of computer software. In this thesis, a "Van-Deemter-Simulator" was built from scratch to enable students the understanding of important parameters which influence the performance of separation without having to invest a single Euro for materials or running expenses. The software allows to calculate characteristic Van-Deemter-Curves for different carrier gases while taking into account the effect of column-properties, temperature and pressure. A graphical user interface allows for easy control.A comprehensive literature search about published ''Do-it-Yourself'' gas chromatographs was done to collect the most promising ideas from literature and to propose two new experimental set-ups which both allow usage for teaching purposes and deliver qualitatively good separation. In addition to the already existing designs, the data acquisition was modernized. The Arduino platform used for this purpose allows easy integration of computer supported data processing. For the use in school teaching, the separation of lighter gas has been found to work very well. As detector, both a commercial electrochemical sensor as well as a self built thermal conductivity detector can be recommended. In case that it is not possible to conduct practical experiments, a simulator back end is available to use the chromatograph as a simulator in a safe and reliable environment.