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In Vorbereitung einer Restaurierung erfolgten naturwissenschaftliche Untersuchungen zu Schadensphänomenen und Glaszusammensetzungen an mittelalterlichen Gläsern aus der Dorfkirche in Koszewko (Polen)im Environmental Scanning Electron Microscope (ESEM) mit EDX. Die Ergebnisse zeigen, dass die Glasverwitterung schon sehr stark vorangeschritten ist und ein zukünftiger Schutz der mittelalterlichen Glasmalereifelder vor Umwelteinflüssen unbedingt notwendig ist. Es wurde ein Schutzverglasungsystem entwickelt, das speziell auf den langfristigen Erhalt der einzelnen mittelalterlichen Glasmalereifelder ausgelegt ist.
Auslaugung von Stoffen aus Bauteilen kann zu einer Belastung von Boden und Gewässern führen. Das Simulationsmodell COMLEAM (COnstruction Material LEAching Model) wurde eingesetzt, um die Stoffauswaschung besser zu verstehen und das damit verbundene Umweltrisiko besser einschätzen zu können. Emissionsfunktionen sind Bestandteil dieses Modells. Hier werden fünf verschiedenen Funktionen beschrieben, getestet und hinsichtlich ihrer Eignung für Prognosemodelle bewertet.
Ammoniakemissionen in die Umwelt erfolgen insbesondere durch die Landwirtschaft (93,6 %), aber auch durch Verbrennungsprozesse in der die Abfallwirtschaft (2,3 %) und den Straßenverkehr (1,8 %). Dieser Stoff ist selbst in geringen Konzentrationen nicht nur eine Geruchsbelästigung, sondern auch eine Substanz mit ökologischer und klimatischer Relevanz.
Die Bestimmung von Ammoniak in relevanten Konzentrationen von kleiner 25 μg m-3 erfolgt im Allgemeinen über NH4+ als Analyten, spektralfotometrisch oder mit der Ionenchromatographie nach Überführung in die flüssige Phase. Wegen der niedrigen Konzentrationen an Ammoniak in der Außenluft wird meist eine gesammelte Probe verwendet oder die Bestimmung erfolgt nach einer aktiven, anreichernden Probenahme.
Die eigenen Arbeiten sollen dazu beitragen, die Ammoniak-Bestimmung in der Außenluft präziser, sowie schneller und kostengünstiger zu machen.
Die BAM prüfte daher kommerzielle elektrochemische und Metalloxid-basierte Sensoren, die für diesen Konzentrationsbereich aber nur bedingt geeignet sind. Deshalb wurden alternativ eigene Entwicklungen zum Nachweis von Ammoniak im Spurenbereich aufgenommen, wobei der Analyt über die Änderung der Fluoreszenz eines BODIPY-Farbstoffs bei 550 nm mittels eines portablen Fluoreszenz-Sensors direkt aus der Gasphase gemessen wird.
Zur Kalibrierung von Ammoniak-Sensoren und -Messgeräten steht ein stationäres System basierend auf der Mischung von zertifizierten Prüfgasen aus Druckflaschen mit kalibrierten Massendurchfluss-regler (MFC) zur Verfügung. Darüber hinaus erfolgt eine chemische Analyse der verwendeten Gasgemische mittels eines Massenspektrometers.
Für die Kalibrierung und Prüfung von Sensoren und Messgeräten vor Ort wurde ein mobiles Prüfsystem entwickelt. Die Generierung von Ammoniak-haltigen Gasen im Spurenbereich von 0,5 nmol/mol bis 500 nmol/mol erfolgt durch das Permeationsverfahren nach ISO 6145-10.
Für die Realisierung der Rückführbarkeit der Ammoniakbestimmung werden von den Nationalen Metrologischen Instituten sowie designierten Instituten Standards bereitgestellt und auch weiterentwickelt. Die primären metrologischen Standards beruhen auf SI-Einheiten und sind die Basis für eine Rückführbarkeit der Sensoren bzw. Analysengeräte.
Tantalum and niobium are essential for the development of electronics towards a more and more compact design, but without reducing their performance today. Especially in smart phones and tablets, tantalum and niobium capacitors with high charge densities have already become almost indispensable. However, tantalum as a critical raw material is still a problem for the sustainable production of electronics. Due to this fact, the existence of efficient recycling processes especially in Europe is becoming even more important nowadays.
The Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) is currently working on the optimisation of an existing pyrometallurgical tantalum recycling process. Optimisation of this industrial process is carried out in a small-scale electric arc furnace (480 kVA, capacity approx. 150 kg/h) at BAM using a new and innovative equipment for on-line analysis of high temperature processes.
The aim of this project is to identify the best timing for an optimum slag tapping, when the slag is lower than minimum targeted tantalum concentration. Hence, LIBS (Laser induced breakdown spectroscopy) is used to identify the chemical composition of the slag layer and during slag tapping. The on-line-LIBS prototype of BAM enables an in-situ measurement of the element distribution in the melt after calibration on the slag system.
First results of this joint research project will be presented including LIBS-measurements and thermodynamic and kinetic aspects of the process.
Optimierung eines pyrometallurgischen Tantal- und Niob- Recyclingprozesses mithilfe von On-Line LIBS
(2018)
Die Entwicklung von Hochleistungselektronik zu immer kleineren Bauformen ohne Leistungseinbußen ist ohne den Einsatz von Technologiemetallen wie Niob und Tantal heute praktisch nicht mehr realisierbar. Besonders in technischen Geräten wie Smartphones und Tablets sind Tantal- und Niobkondensatoren aufgrund ihrer hohen Leistungsdichten bereits unverzichtbar geworden. Für die nachhaltige Produktion von Elektronik stellt jedoch vor allem das Tantalerz Coltan als sogenanntes „conflict mineral” ein großes Problem dar.
Um den Wirtschaftsstandort Europa unabhängiger von Primärrohstoffimporten aus Krisenregionen zu machen, ist die Entwicklung von effizienten Recyclingverfahren heute wichtiger denn je. An der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) findet daher zurzeit die Optimierung eines pyrometallurgischen Industrieprozesses zur Niob- und Tantalrückgewinnung statt, welchem hauptsächlich niedrigkonzentrierte metallurgische Rückstände aus der Tantal- und Niob- bzw. der Zinngewinnung als Einsatzstoffe dienen.
Zu diesem Zweck werden im kleintechnischen Lichtbogenofen der BAM (480 kVA, max. Materialdurchsatz ca. 150 kg/h) Versuche mit einem neuen innovativen Messgerät durchgeführt, welches eine On-Line Analyse von Hochtemperaturprozessen ermöglicht. Der eingesetzte Prototyp nutzt das Verfahren der laserinduzierten Plasmaspektroskopie (LIBS), um die chemische Zusammensetzung der Schlackephase noch im Schmelzbad und während eines Schlackeabgusses zu bestimmen. Nach einer Kalibrierung auf das vorliegende Stoffsystem ermöglicht dieser On-Line-LIBS Prototyp der BAM daher eine in-situ Bestimmung der Elementverteilung in der Schmelze. Die hier gewonnenen Daten sollen helfen, die aktuelle Prozessführung zu verbessern und die Tantal- und Niobausbeute noch weiter zu erhöhen.
Tantalum and niobium are essential for the development of electronics towards a more and more compact design, but without reducing their performance today. Especially in smart phones and tablets, tantalum and niobium capacitors with high charge densities have already become almost indispensable. However, tantalum as a critical raw material is still a problem for the sustainable production of electronics. Due to this fact, the existence of efficient recycling processes especially in Europe is becoming even more important nowadays.
The Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) is currently working on the optimisation of an existing pyrometallurgical tantalum recycling process. Optimisation of this industrial process is carried out in a small-scale electric arc furnace (480 kVA, capacity approx. 150 kg/h) at BAM using a new and innovative equipment for on-line analysis of high temperature processes.
The aim of this project is to identify the best timing for an optimum slag tapping, when the slag is lower than minimum targeted tantalum concentration. Hence, LIBS (Laser induced breakdown spectroscopy) is used to identify the chemical composition of the slag layer and during slag tapping. The on-line-LIBS prototype of BAM enables an in-situ measurement of the element distribution in the melt after calibration on the slag system.
First results of this joint research project will be presented including on-line-LIBS-measurements and thermodynamic and kinetic aspects of the process.
Graphene and its derivatives have recently attracted much attention for sensing and deactivating pathogens. However, the mechanism of multivalent interactions at the graphene–pathogen interface is not fully understood. Since different physicochemical parameters of graphene play a role at this interface, control over graphene’s structure is necessary to study the mechanism of these interactions. In this work, different graphene derivatives and also zwitterionic graphene nanomaterials (ZGNMs) were synthesized with defined exposure, in terms of polymer coverage and functionality, and isoelectric points. Then, the switchable interactions of these nanomaterials with E. coli and Bacillus cereus were investigated to study the validity of the generally proposed “trapping” and “nano-knives” mechanisms for inactivating bacteria by graphene derivatives. It was found that the antibacterial activity of graphene derivatives strongly depends on the accessible area, i.e. edges and basal plane of sheets and tightness of their agglomerations. Our data clearly confirm the authenticity of “trapping” and “nano-knives” mechanisms for the antibacterial activity of graphene sheets.
Waste-to-energy (WtE) is one of the leading technologies for municipal solid waste (MSW) treatment in Europe. According to Eurostat data, in 2015, 27 % of MSW was utilized in WtE plants, which represents more than 80 million tons per year. Therefore, the European annual production of incineration bottom ash (IBA) is about 20 million tons, as it is about 25 wt% of input MSW. In the European List of Waste, IBA is listed as mirror entry (i.e. waste materials which should be classified as either non-hazardous or hazardous, depending on its hazardous properties and/or content of hazardous substances) under codes 19 01 11 and 19 01 12.
Recent trends indicate that WtE allows, apart from utilization of the energy content of waste, also the recovery of various valuable components. Hence, WtE can be included in the key technologies that can put the circular economy concept into practice. Secondary raw materials in the case of WtE are solid residues, especially IBA, as it is a secondary source, particularly of ferrous metals (Fe) and non-ferrous metals (NF) and glass. Moreover, the residual mineral fraction can be used for various applications in the construction industry, i.e. as aggregates substitute for bound or unbound applications, in cement manufacturing or, as indicated by recent research, also in more sophisticated applications, e.g. for ceramics production. Recovery of these metals can also cause huge greenhouse gas savings. Alone in Europe, metal recovery from IBA reduces greenhouse gas emissions by approximately 3.2 million tonnes of CO2 equivalent.
We demonstrate a 2D platform based on high contrast wetting patterns suitable for miniaturized microbiological assays.
In principal, superhydrophilic spots are surrounded by a superhydrophobic surface area. The special structure of the superhydrophilic functional surface ensures that liquids, e.g. bacterial suspensions or biocide solutions, spread immediately and evenly on this surface without passing the wetting boundary. This feature allows a homogenous distribution of bacteria or chemical substances on well defined lateral dimensions. The superhydrophilic spots may also serve as substrate for bacterial biofilms. Due to the high wetting contrast and the fabrication process, it is possible to minimize the test areas as well as their distance to each other.
We demonstrate the fabrication process of the high wetting contrast platform and also present a microbiological assay as an application example. Advantages of this platform are the use of low volumes and its potential of automated analysis.
Microbial activity and functioning in soils are strongly limited by carbon (C) availability, of which a great proportion is released by living roots. Rhizodeposition and especially root exudates stimulate microbial activity and growth, and may shift the stoichiometric balance between C, N, and P. Thereby, exudates heighten microbial nutrient demand and acquisition of N and P from organic matter, leading to an increase in enzyme production. Aim of this study was to determine environmental controls of extracellular enzyme production, and hence on potential enzyme activities (Vmax) and substrate affinities (Km). To determine the controlling factors, we worked on four spatial scales from the microscale (i.e. rhizosphere) through the mesoscale (i.e. soil depth) and landscape scale (relief positions), and finally to the continental scale (1200 km transect within the Coastal Cordillera of Chile). Kinetics of seven hydrolyzing enzymes of the C, N, and P cycles (cellobiohydrolase, β‑glucosidase, β‑xylosidase, β‑N‑acetylglucosaminidase, leucine‑aminopeptidase, tyrosine‑aminopeptidase, and acid phosphatase) were related to soil texture, C and N contents, pH, and soil moisture via redundancy analysis (RDA). Potential activities of C, N, and P acquiring enzymes increased up to 7-times on the continental scale with rising humidity of sites and C and N contents, while substrate affinities simultaneously declined. On the landscape scale, neither Vmax nor Km of any enzyme differed between north and south slopes. From top- to subsoil (down to 120 cm depth) potential activities decreased (strongest of aminopeptidases under humid temperate conditions with up to 90%). Substrate affinities, however, increased with soil depth only for N and P acquiring enzymes. Affinities of cellobiohydrolase and β‑xylosidase, on the contrary, were 1.5- to 3-times higher in top- than in subsoil. Potential activities of N and P acquiring enzymes and β‑glucosidase increased form bulk to roots. Simultaneously, substrate affinities of N and P acquiring enzymes declined, whereas affinities of β‑glucosidase increased. These trends of activities and affinities in the rhizosphere were significant only for acid phosphatase. The RDA displayed a strong relation of potential activities of C and P acquiring enzymes and β‑N‑acetylglucosaminidase to C and N contents in soil as well as to the silt and clay contents. Aminopeptidase activity was mainly dependent on soil moisture and pH. We conclude that substrate availability for microorganisms mainly determined enzyme activity patterns on the continental scale by the humidity gradient. Patterns on the meso- and microscale are primarily controlled by nutrient limitation, which is induced by a shift of the stoichiometric balance due to input of easily available C by roots in the rhizosphere.