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Organisationseinheit der BAM
The role of matrix reference materials in the process of demonstrating the degree of equivalence of measurement results obtained from intercomparisons is outlined, reviewing exemplary selected experience gained at BAM regarding the determination of organic contaminants in environmental matrices.
The specific characteristics of reference materials employed in the process of demonstrating equivalence between laboratories in the course of proficiency testing as well as the development, comparison and validation of methods are elaborated. The demand is for series of appropriately characterised samples which are fit for the purpose and it is seen from representative examples that the utilisation of such tailor-made RM designed to tackle the specific need of an analytical problem dominates over certified matrix reference materials in this context. Concluding, the role of certified matrix reference materials in quality assurance is briefly looked at both from the users and providers points of view.
Bilanzierung der Schwefelbelastung im Grundwasser an einem ausgewählten Industriestandort, Berlin
(2004)
Die Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) ist vom Senat für Stadtentwicklung, Berlin, und von der Bundesanstalt für vereinigungsbedingte Sonderaufgaben (BvS) beauftragt worden, die Bilanzierung der Schwefelkomponenten für ein bis drei ausgewählte Grundwasserproben an einem Berliner Industriestandort vorzunehmen. Es handelt sich bei den Boden- und Grundwasserkontaminationen ausnahmslos um industrielle Altlasten. Da der Gehalt an organisch gebundenen Schwefelverbindungen, kolloidalem Schwefel und gelösten Sulfiden für die Dimensionierung von Grundwasseraufbereitungsanlagen (Aktivkohle, Katalysator) von großer Bedeutung ist und am Standort teilweise sehr hohe Schwefelkontaminationen auftreten, sollen vor einem erneuten Ausschreibungsverfahren zur Grundwassersanierung an drei sehr unterschiedlichen, aber für den Standort typischen Grundwassermessstellen entsprechende Bilanzen für die Schwefelbelastung erstellt werden. Dabei sind sowohl die summarischen Kenngrößen wie Summe Gesamtschwefel, ausblasbare (POS) und extrahierbare leicht- und schwerflüchtige organische Schwefelverbindungen und an Aktivkohle adsorbierbare Schwefelverbindungen (AOS) von Interesse, als auch eine Zuordnung der Hauptkontaminationen über ein halbquantitatives GC-MS-Screening. Im Artikel werden die angewendeten Verfahren vorgestellt. Die Ergebnisse werden diskutiert, gegenübergestellt und ihre Belastbarkeit eingeschätzt.
A practical method for the quantification of
total purgeable organic sulfur (POS) in highly contaminated
groundwater is described. Volatile organic sulfur
compounds (VOSC) are purged from the water samples by
a stream of oxygen and combusted. The emerging sulfur
dioxide is absorbed in H2O2 and converted to sulfate which
is quantified by ion chromatography and reported as mass
sulfur equivalent. The overall limit of quantification is
0.03 mg l1. The content of POS is balanced with the total
VOSC determined by GC-AED after liquidliquid extraction.
Separate determination of the non-volatile organic
sulfur compounds by direct combustion of the water sample
and adsorption to charcoal yielded a mass balance of
the total sulfur content. Semi-quantitative GC-MS after
purge & trap accumulation revealed that the VOSC mixture
is composed of C1C4 alkyl sulfides. The implementation
of the developed methodology for the quantification of
VOSC as potential catalyst poison in a cleaning plant
for groundwater contaminated with volatile haloorganics
(VOX) is presented.
Der Einsatz aktiver (Pumpprobennahme,
Schöpfprobennahme) und passiver (Diffusionsprobennahme)
Probennahmetechniken zur Gehaltsbestimmung von
LHKW sowie Ethen und Methan in Grundwasser wird aus
ordnungsbehördlicher Sicht hinsichtlich der Vergleichbarkeit
von Analysendaten untersucht. Am Beispiel einer Kontamination
mit Trichlorethen sowie 1,2-Dichlorethen und
Vinylchlorid kann deutlich gemacht werden, dass die Einsatzmöglichkeit
der passiven Probennahme durch unzureichende
Strömungsverhältnisse im Aquifer sowie biologische
Aktivität im Pegelrohr begrenzt ist. Der aktiven Probennahme
ist bei ungeklärten oder unzureichenden Strömungsverhältnissen
im Grundwasserleiter daher der Vorzug
zu geben. Das gaschromatographische Verfahren für Vinylchlorid
mittels Dampfraumtechnik wird um die Quantifizierung
von Methan und Ethen erweitert. Dabei werden für
die Bewertung von Altlasten relevante Bestimmungsgrenzen
von 0,1 µg/l (Vinylchlorid, Ethen) sowie 5 µg/l (Methan)
erreicht.
Aus der Validierung der Analysenmethode und den
Ergebnissen verschiedener Probennahmen werden Toleranzbereiche
für die Ergebnisse eines Grundwassermonitorings
abgeschätzt. Diese Streubreiten von Monitoring-
Ergebnissen sollten von Ingenieurbüros und zuständigen
Ordnungsbehörden bei der Bewertung der komplexen Abbauprozesse
eines LHKW-Grundwasserschadens beachtet
werden.
A number of currently recommended sampling techniques for the determination of hydrogen in contaminated groundwater were compared regarding the practical proficiency in field campaigns. Key characteristics of appropriate sampling procedures are reproducibility of results, robustness against varying field conditions such as hydrostatic pressure, aquifer flow, and biological activity. Laboratory set-ups were used to investigate the most promising techniques. Bubble stripping with gas sampling bulbs yielded reproducible recovery of hydrogen and methane which could be verified for groundwater sampled in two field campaigns. The methane content of the groundwater was confirmed by analysis of directly pumped samples thus supporting the trueness of the stripping results. Laboratory set-ups and field campaigns revealed that bubble stripping of hydrogen may be restricted to the type of used pump. Concentrations of dissolved hydrogen after bubble stripping with an electrically driven submersible pump were about one order of magnitude higher than those obtained from diffusion sampling. The gas chromatographic determination for hydrogen and methane requires manual injection of gas samples and detection by a pulsed discharge detector (PDD) and allows limits of quantification of 3 nM dissolved hydrogen and 1 µg L-1 dissolved methane in groundwater. The combined standard uncertainty of the bubble stripping and GC/PDD quantification of hydrogen in field samples was 7% at 7.8 nM and 18% for 78 nM.
The reliability in measurement results obtained during environmental monitoring is crucial for the assessment and further planning of remediation efforts on the respective contaminated sites by the responsible authorities. A case study concerned with groundwater contaminated with perchloroethylene, trichloroethylene and 1,1,2-trichlorotrifluoroethane including their degradation products which involves private contract laboratories and an independent provider of quality assurance (QA) is presented. The experience gained with biannual monitoring campaigns over 14 years indicates that the selection of contractors on basis of accreditation status and successful performance in interlaboratory comparisons are not sufficient. Rather the auditing of the contractors by the QA provider prior to each campaign and the crosschecking of selected monitoring samples by the QA provider led to a lasting improvement of reliability in the contractors' measurement results. A mean deviation of 20% from the reference value determined by the QA provider for the crosschecked samples was reached.
The nature and concentrations of volatile organic compounds (VOCs) in chars generated by hydrothermal carbonization (HTC) is of concern considering their application as soil amendment. Therefore, the presence of VOCs in solid HTC products obtained from wheat straw, biogas digestate and four woody materials was investigated using headspace gas chromatography. A variety of potentially harmful benzenic, phenolic and furanic volatiles along with various aldehydes and ketones were identified in feedstock- and temperature-specific patterns. The total amount of VOCs observed after equilibration between headspace and char samples produced at 270 °C ranged between 2000 and 16,000 µg/g (0.2–1.6 wt.%). Depending on feedstock 50–9000 µg/g of benzenes and 300–1800 µg/g of phenols were observed. Substances potentially harmful to soil ecology such as benzofurans (200–800 µg/g) and p-cymene (up to 6000 µg/g in pine wood char) exhibited concentrations that suggest restrained application of fresh hydrochar as soil amendment or for water purification.
The concentration of contaminants in groundwater samples can be decreased by degradation in the time course between field sampling and quantification in the laboratory, especially in samples from sites where degradation activity is enhanced by remediation measures. The sampling sites covered a variety of priority organic pollutants such as volatile aromatic and chlorinated compounds, phenols and petroleum hydrocarbons and different remediation strategies such as anaerobic and aerobic microbial in situ degradation, in situ chemical oxidation, and on-site purification with biological treatment. The stability of the contaminants' concentration was investigated over a time range of several hours without cooling in the autosampler of the analytical equipment (short term) and over several days of storage until analysis (long term). A number of stabilisation techniques suggested in international standards ISO 5667-3:2013 and ASTM D6517:2000 were compared both with regard to short term and long term stabilisation of the contaminants and their practicability for field sampling campaigns. Long term storage turned out to be problematic for most compound groups even under cooling. Short term stability was problematic also for volatiles such as benzenic aromates, naphthalene and volatile organic halogenated compounds to be analysed by headspace gas chromatography. Acidification (pH <2) was sufficient to prevent degradation of benzenic aromates, naphthalene, phenols and petrol hydrocarbons for up to seven days. The use of acids was not applicable to stabilise volatiles in waters rich in carbonates and sulphides due to stripping of the volatiles with the liberated gases. The addition of sodium azide was successfully used for stabilisation of volatile organic halogenated compounds.
Als Folge der industriellen Produktion und der vielfältigen industriellen Nutzung von organischen Lösungsmitteln sind eine Vielzahl von Edukten, Zwischen- und Endprodukten in die Umwelt eingetragen worden und führen zu massiven Verunreinigungen des Bodens und des Grundwassers. Die Untersuchung und Sanierung des Grundwassers stellt einen aktuellen Schwerpunkt in der Altlastenbearbeitung dar. Vielfach werden klassische pump & treat-Verfahren zur Grundwassersanierung verwendet. Diese aktiven Sicherungs- und Sanierungsmaßnahmen werden jedoch unter dem Gesichtspunkt der Verhältnismäßigkeit häufig als ineffizient eingeschätzt. Als Alternative sollen die natürlichen Abbauprozesse im Grundwasserleiter genutzt oder gezielt verstärkt werden, um auf diesem Weg eine in-situ-Sanierung des Grundwasserleiters zu erreichen. In den letzten Jahren haben sich verschiedene Sanierungsverfahren etabliert, bei denen durch die Zugabe von Hilfsstoffen die mikrobiologische Aktivität des Aquifers erhöht wird bzw. Stoffe zugeführt werden, die mit den Schadstoffen reagieren (in-situ chemische Oxidation bzw. Reduktion, ISCO). An ausgewählten Standorten ist auch die aktive Sanierung (pump & treat, on-site- Sanierung) mit biologischem Schadstoffabbau (Bio-Filter) kombiniert worden. Um den Sanierungsverlauf zu verfolgen und zu optimieren, ist die Beprobung von Grundwasser aus dem Grundwasserleiter oder aus laufenden Anlagen erforderlich. In Fällen der gesteigerten mikrobiologischen Aktivität des Grundwassers treten gehäuft Probleme bei der Stabilisierung der Wasserproben auf. Die forcierten Abbauprozesse der Schadstoffe gehen nach der Probenahme in der Probenflasche weiter, bis die Energiebasis der Mikrobiologie aufgebraucht ist. Durch eine geringe Temperaturerhöhung beschleunigen sich diese Prozesse zusätzlich. In der Folge können die Schadstoffgehalte teilweise innerhalb weniger Stunden stark reduziert werden. Im Analysenlabor wird dann ein Schadstoffgehalt nachgewiesen, der nicht mehr die Verhältnisse im Aquifer bzw. im Ablauf der Reinigungsstufen widerspiegelt. Eine Einschätzung des Sanierungsfortschritts oder der Reinigungsleistung ist unter diesen Bedingungen stark fehlerbehaftet und kann zu groben Fehlinterpretationen führen. Grundwasserproben, die einem Aquifer mit hoher natürlicher oder initiierter mikrobiologischer Abbauaktivität entstammen, müssen daher zusätzlich stabilisiert werden, um den Ist-Zustand zum Zeitpunkt der Probenahme zu erfassen. Die Konservierung von Wasserproben bei der Probenahme von Grundwasser ist in der Normung umfangreich beschrieben: Die EN ISO 5667-3 von 2004 ist im Normausschuss (NA 119-01-03-01-01) überarbeitet und 2012 als Norm verabschiedet worden (EN ISO 5667-3, 03.12, deutsche Fassung DIN EN ISO 5667-3, 03-2013) [1], In Einzelfällen hat sie sich nicht als ausreichend erwiesen, um die Stabilität der organischen Schadstoffe in den oben beschriebenen Wasserproben zu gewährleisten.
Process waters obtained from hydrothermal carbonization (HTC) of wheat straw, a biogas digestate derived thereof, and four woody biomass feedstocks were quantified regarding the total organic carbon (TOC) and selected organic compounds. HTC runs revealed that TOC loads were largely unaffected by process severity or type of feedstock whereas the C2–C6 fatty acids, determined by GC, displayed clear effects of temperature and feedstock. HPLC demonstrated simultaneously the initial increase and subsequent consumption of cellulose-derived furfural and 5-hydroxymethylfurfural as well as the increase of the lignin-derived 2-methoxyphenol. 2-Methylbenzofuran, an example for a substance potentially harmful to aquatic biota, was observed in high concentration in the HTC liquor from wheat straw-based feedstocks.
Fuel contamination of soils display complex and variable hydrocarbon mixtures with different volatility and toxicity characteristics. A recently suggested headspace procedure for the structure-based quantification of volatile hydrocarbons is evaluated regarding repeatability, reproducibility, and practical robustness. Three aliphatic and three aromatic fractions covering the boiling range between 69 and 216°C were defined as summation parameters by their respective equivalent carbon number ranges. A standard mixture of 35 aliphatic and aromatic hydrocarbons was used for calibration on basis of selected mass fragments specific for the aliphatics and aromatics, respectively. Two standard soils were fortified with the standard mixture or different fuels, respectively, and submitted to the analytical procedure. Limit of detection (LOD) and limit of quantification (LOQ) were for all fractions lower than 0.1 and 0.3 mg/kg, respectively. Analyte recovery was linear up to between 20 and 110 mg hydrocarbons/kg soil depending on the fraction. Hydrocarbon recovery ranged between 80% and 110% depending on the fraction and the repeatability was typically better than 10%. Finally, the impact of extraction solvent variation, column solid-phase polarity, and alternative summation of fractions were investigated. The procedure was applied to liner samples taken from a site contaminated with aviation fuel and its practicability is discussed.