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Organisationseinheit der BAM
- 1 Analytische Chemie; Referenzmaterialien (12)
- 1.4 Prozessanalytik (12)
- 4 Material und Umwelt (5)
- 4.4 Thermochemische Reststoffbehandlung und Wertstoffrückgewinnung (4)
- 1.1 Anorganische Spurenanalytik (2)
- 4.2 Material-Mikrobiom Wechselwirkungen (2)
- 1.0 Abteilungsleitung und andere (1)
- 1.7 Organische Spuren- und Lebensmittelanalytik (1)
- 1.8 Umweltanalytik (1)
- 4.0 Abteilungsleitung und andere (1)
Eingeladener Vortrag
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In this study the microscopic homogeneity of the newly developed plastic reference materials BAM H001-BAM H010 was investigated. The materials consist of an acrylonitryle-butadien-styrene terpolymer, doped with different amounts of the elements Br, Cd, Cr, Hg and Pb. For the quantitative determination of the degree of homogeneity, a procedure proposed by Kempenaers et al. (Fresenius J. Anal. Chem., 2001, 369, 733-737) was used. On every sample an extensive number of different points were analyzed and standard deviation for every element mentioned above was used to calculate a minimal sampling mass that is necessary to reach a certain level of uncertainty caused by inhomogeneity (mmin,5%). The experiments were taken out with synchrotron µ-XRF (SR µ-XRF) at BESSYII in Berlin and by laser ablation inductively coupled plasma mass spectroscopy (LA-ICP-MS). The calculated values for mmin,5% of both techniques showed comparable results for all elements. It could be shown that the materials are suitable for calibration of micro analytic techniques if at least 64 µg are used.
Vier neue Referenzmaterialien zum chemischen Nachweis von Acrylamid in Knäckebrot, Schwefel in Benzin, von polyzyklischen aromatischen Kohlenwasserstoffen und von Legierungen in Akkus stellt die BAM vor. Diese Referenzmaterialien sind durch die BAM zertifiziert und durch das Europäische Referenzmaterialien Programm ERM auf den Markt gebracht.
C, N, O, F and P can be analyzed by instrumental photon activation analysis (IPAA) including decay curve analysis. The interference of 30P (T1/2 = 149.9 s) by 15O (T1/2 = 122.2 s) can be ruled out by direct positron measurement making use of the largely different maximum β+-energies of both nuclides (3.24 MeV and 1.73 MeV, respectively). Interference by carbon (11C) can be avoided by sub-threshold activation with 17 MeV bremsstrahlung. The short half-life of 30P allows a high productivity of the method. Reliability was demonstrated in the range of 0.2%2% P (detection limit = 40 µg/g). Analysis of a certified reference material (BCR-CRM 063) yielded excellent agreement with the certified data.
Twelve different samples were analyzed for their water content by the classical oven-drying method and a commercial moisture analyzer. Nominal values have been set by Karl Fischer titration and gravimetry. The decomposition during the drying process of samples containing organic compounds was checked by thermogravimetry coupled with Fourier transform infrared spectrometric and mass spectrometric detection. Summarizing all measurement results, the commercial moisture analyzer demonstrated an average bias for the determination of water contents, which is much smaller than the stated uncertainty and thus is negligible. Compared to the classical oven-drying method, the commercial moisture analyzer shows a smaller bias, more ease in handling and less time consumption per analysis. When validated by a reference procedure like Karl Fischer titration the commercial moisture analyzer is the method of choice for routine analysis.
A new method has been developed for the measurement of sulfur in gas oils using a high pressure asher (HPA) for sample digestion. This, combined with a calibrated enriched isotopic reference material, and high precision mass spectrometry, makes it a powerful tool for an accurate and precise determination of the sulfur content in fossil fuels. The method described here was one of the methods used in the certification of the candidate reference materials BCR-104R, BCR-671 and BCR-672. Approximately 0.2 g of the gas oil samples were spiked with the spike isotopic reference material IRMM-646, which is enriched in 34S, and combusted in an HPA using nitric acid. The isotopes of sulfur were measured as arsenic monosulfides (AsS+) using a thermal ionization mass spectrometer equipped with a Faraday detector. The total uncertainty of the sulfur content (k = 2) is about 1%. The certified reference materials NIST SRM-2724b and NIST SRM-1619b and BCR-105 were used as part of the method validation work. The mass content of sulfur in BCR-104R was measured to be 1014 µg g-1, BCR-671 has 450 µg g-1 sulfur and BCR-672 shows a sulfur mass content of 201 µg g-1. The sulfur content of the candidate reference materials is homogeneous for the sample size used.
Messunsicherheiten
(2002)
Methodenvalidierung
(2002)
Das neue ABS Referenzmaterial BAM-H010 für die Untersuchung von Kunststoffen mit Röntgenfluoreszenz
(2010)
Per Online-RFA und -LIBS Elementgehalte in Böden bestimmen.
Die ortsspezifische Steuerung der Bodenfruchtbarkeit durch angepasste Düngung und andere Maßnahmen hilft die Bodenfunktionen zu verbessern und Umweltbelastungen zu vermindern. Dabei zeigt das Beispiel die hohe Relevanz schneller, robuster Vor-Ort-Analysen für viele umweltrelevante Fragestellungen.
Aufgrund der natürlichen und vom Menschen verursachten Heterogenität von Böden erfordert der Erhalt und die Verbesserung ihrer Fruchtbarkeit durch landwirtschaftliche Bewirtschaftungsmaßnahmen sorgfältig geplante Ent-scheidungen, die auf einer detaillierten Erfassung der Bodeneigenschaften und einem vertieften Verständnis der Bodenprozesse beruhen. Es ist bekannt, dass die konventionelle, flächen-einheitliche Bewirtschaftung Ertragsver-luste durch zu geringe Bewirtschaftungsintensität (z. B. Düngung) auf einen Teil der Fläche verursacht, während andere Teile des Feldes zu hohe Dosen erhalten und es dadurch zu Verschwendung von Ressourcen und zu Um-weltbelastungen kommt. Trotz der Verfügbarkeit von Technologien für ortsspezifische Düngung ist die Akzeptanz ortsspezifischer Bewirtschaftung (Precision Agriculture) in der Praxis noch gering. Ein wesentlicher Grund dafür ist das Fehlen von kostengünstigen Methoden zur Erfassung der bewirtschaftungsrelevanten Bodenmerkmale. So-wohl für die elementanalytische Untersuchung von Böden als auch für die Untersuchung von Ausgangsmaterialien (z.B. Klärschlammaschen) für ihre Verwendung als Dünger ist eine zuverlässige Analytik und Prozessüberwachung erforderlich.
Currently, there is almost no comprehensive mapping of agricultural cropland because of the lack of fast and affordable mapping methods for important soil properties. Arable land of some hectares in size show a broad range of different nutrient compositions. Because of this heterogeneity wrong fertilization can occur and can cause environmental pollution or lead to smaller harvests and this is simply a waste of resources. The goal of I4S (intelligence for soil) is to develop an integrated system for site-specific soil fertility management. The I4S consortium consists of 10 different institutions, which are testing various sensors for their suitability for the requested applications. Besides the preparation of reference materials, the main task of the Federal Institute for Materials Research and Testing (BAM) in this project is the method development for online-XRF (x-ray fluorescence spectroscopy) and for online-LIBS (laser-induced breakdown spectroscopy) sensor systems. Both methods have the advantage that there is no or only little sample preparation necessary. Each method provides a fast and simultaneous multi-element analysis. Both measurement setups can be utilized for a mobile application which is fundamental for reaching the goals of I4S. Having finally a set of some reference materials, further work will focus on the online-XRF and online-LIBS methods in order to obtain useable calibration models. The calibration models will then be tested using stationary and moving samples.
This paper reports the first successful synthesis and the structural characterization of nanocrystalline and stacking-disordered β-cristobalite AlPO4 that is chemically stabilized down to room temperature and free of crystalline impurity phases. Several batches of the title compound were synthesized and thoroughly characterized by X-ray powder diffraction (XRD), scanning electron microscopy (SEM), transmission electron microscopy, selected area electron diffraction, energy dispersive X-ray spectroscopy mapping in SEM, solid-state 31P nuclear magnetic resonance (31P-NMR) spectroscopy including the TRAPDOR method, differential thermal analysis (DTA), gas-sorption methods, optical Emission spectroscopy, X-ray fluorescence spectroscopy, and ion chromatography. Parameters that are critical for the synthesis were identified and optimized. The synthesis procedure yields reproducible results and is well documented. A high-quality XRD pattern of the title compound is presented, which was collected with monochromatic copper radiation at room temperature in a wide 2θ range of 5°–100°.
Der Erhalt und die Verbesserung der Fruchtbarkeit von Böden durch landwirtschaftliche Bewirtschaftungsmaßnahmen, erfordert sorgfältig geplante Entscheidungen, die auf einer detaillierten Erfassung der Bodeneigenschaften und einem vertieften Verständnis der Bodenprozesse beruhen. Hier fehlen kostengünstigen Methoden zur Erfassung der bewirtschaftungsrelevanten Bodenmerkmale.
Die Röntgenfluoreszenzanalyse (RFA) ist eine mögliche Technologie, die eine vor-Ort Analyse der chemischen Zusammensetzung und damit eine gezielte Steuerung erlaubt. Durch eine neue Online-Regelung mit RFA könnte der Düngemittelverbrauch optimiert und die Qualität der Böden in Bezug auf ihre Elementgehalte sichergestellt werden.
Eine weiter anwendbare analytische Messtechnik ist die laserinduzierte Plasmaspektroskopie (LIPS, engl. LIBS - Laser-induced Breakdown Spectroscopy). Entscheidende Vorteile der LIBS sind minimale oder keine Probenvorbereitung sowie die in-situ Echtzeitmessung. Desweiteren kann auch über größere Distanzen, bis zu mehreren Metern, gemessen werden.
Das eröffnet die Möglichkeit einer vor-Ort bzw. Onlineanalyse aus sicherer Entfernung auch unter widrigen Umgebungsbedingungen, ohne dabei direkten Probenkontakt haben zu müssen.
Bei der vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderten Förderinitiative „BonaRes“ steht die nachhaltige Nutzung der knappen Ressource Boden im Fokus. Das durch BonaRes geförderte Verbundprojekt „Intelligence for Soil“ (I4S) hat sich die Entwicklung eines integrierten Systems zur ortsspezifischen Steuerung der Bodenfruchtbarkeit zur Aufgabe gemacht, welches Empfehlungen zur Anpassung der Düngung und anderer Maßnahmen gibt, um die Bodenfunktionen zu verbessern und Umweltbelastungen zu vermindern. Das System soll aus drei Hauptkomponenten bestehen:
- Mobile Sensorplattform zur hochauflösenden Kartierung der Bodeneigenschaften (BonaRes Mapper). Die Sensorplattform enthält Bodensensoren zur komplexen Erfassung bewirtschaftungsrelevanter Bodeneigenschaften in situ.
- Dynamische Bodenmodelle (Nährstoff-, Wasser-, C-Haushalt) zur Verarbeitung der Sensordaten und Erzeugung entscheidungsrelevanter Informationen,
- Entscheidungsunterstützungssystem (EUS), welches in die Bodenmodelle agronomische und sozioökonomische Randbedingungen integriert, Düngungsempfehlungen ausspricht und Bodenfunktionen bewertet. Der Output des EUS sind insbesondere Düngungskarten für die ortsspezifische Düngung im Rahmen von Precision Agriculture.
Der Erhalt und die Verbesserung der Fruchtbarkeit von Böden durch landwirtschaftliche Bewirtschaftungsmaßnahmen erfordert sorgfältig geplante Entscheidungen, die auf einer detaillierten Erfassung der Bodeneigenschaften und einem vertieften Verständnis der Bodenprozesse beruhen. Durch konventionelle, flächeneinheitliche Bewirtschaftungen (z.B. Düngung) können zum einen Ertragsverluste durch zu geringe Bewirtschaftungsintensität auf dem einen Teil der Fläche verursacht werden, während andere Teile des Feldes zu hohe Dosen erhalten und es dadurch zu Umweltbelastungen oder zu Verschwendung von Ressourcen kommt. Trotz der Verfügbarkeit von Technologien für ortsspezifische Düngung ist die Akzeptanz ortsspezifischer Bewirtschaftung (Precision Agriculture) in der Praxis noch gering. Ein wesentlicher Grund dafür ist das Fehlen von kostengünstigen Methoden zur Erfassung der bewirtschaftungsrelevanten Bodenmerkmale. Für die elementanalytische Untersuchung von Böden vor-Ort ist eine zuverlässige Analytik und Prozessüberwachung wie z.B. durch RFA oder LIBS erforderlich.
The quantification of the elemental content in soils with laser-induced breakdown spectroscopy (LIBS) is challenging because of matrix effects strongly influencing the plasma formation and LIBS signal. Furthermore, soil heterogeneity at the micrometre scale can affect the accuracy of analytical results. In this paper, the impact of univariate and multivariate data evaluation approaches on the quantification of nutrients in soil is discussed. Exemplarily, results for calcium are shown, which reflect trends also observed for other elements like magnesium, silicon and iron. For the calibration models, 16 certified reference soils were used. With univariate and multivariate approaches, the calcium mass fractions in 60 soils from different testing grounds in Germany were calculated. The latter approach consisted of a principal component analysis (PCA) of adequately pre-treated data for classification and identification of outliers, followed by partial least squares regression (PLSR) for quantification. For validation, the soils were also characterised with inductively coupled plasma optical emission spectroscopy (ICP OES) and X-ray fluorescence (XRF) analysis. Deviations between the LIBS quantification results and the reference analytical results are discussed.
The preservation and the improvement of the fertility of soils by agricultural management measures requires carefully planned decisions which are based on a detailed capture of the soil qualities and a detailed understanding of soil processes. Profit losses can be caused on the one hand by conventional, surface-uniform managements (e.g., fertilization) by too low management intensity on one part of the surface, while other parts of the field receive too high doses and it thereby comes to environmental impacts or to waste of resources.
X-ray fluorescence analysis (XRF) and the Laser-induced Breakdown Spectroscopy (LIBS) are possible technologies which permit online analyses of the chemical composition.
Entwicklung von online-Analysetechniken für die Nährstoffgehaltsbestimmung in Böden mit RFA und LIBS
(2017)
Der Erhalt und die Verbesserung der Fruchtbarkeit von Böden durch landwirtschaftliche Bewirtschaftungsmaßnahmen erfordert sorgfältig geplante Entscheidungen, die auf einer detaillierten Erfassung der Bodeneigenschaften und einem vertieften Verständnis der Bodenprozesse beruhen. Durch konventionelle, flächen-einheitliche Bewirtschaftungen (z.B. Düngung) können zum einen Ertragsverluste durch zu geringe Bewirtschaftungsintensität auf dem einen Teil der Fläche verursacht werden, während andere Teile des Feldes zu hohe Dosen erhalten und es dadurch zu Umweltbelastungen oder zu Verschwendung von Ressourcen kommt.
Trotz der Verfügbarkeit von Technologien für ortsspezifische Düngung ist die Akzeptanz ortsspezifischer Bewirtschaftung (Precision Agriculture) in der Praxis noch gering. Ein wesentlicher Grund dafür ist das Fehlen von kostengünstigen Methoden zur Erfassung der bewirtschaftungsrelevanten Bodenmerkmale. Für die elementanalytische Untersuchung von Böden vor-Ort ist eine zuverlässige Analytik und Prozessüberwachung erforderlich.
Die Röntgenfluoreszenzanalyse (RFA) ist eine mögliche Technologie, die eine vor-Ort Analyse der chemischen Zusammensetzung und damit eine gezielte Steuerung erlaubt. Für die Bestimmung der chemischen Zusammensetzung verschiedenster Stoffe ist die RFA eine der einfachsten, genauesten und wirtschaftlichsten Analysenmethoden. Die RFA arbeitet zerstörungsfrei und zuverlässig, benötigt keine oder nur eine geringe Probenvorbereitung, eignet sich sowohl für feste als auch für flüssige und pulverförmige Proben und kann den weiten Elementbereich von Natrium bis Uran abdecken. Durch eine neue Online-Regelung mit RFA könnte der Düngemittelverbrauch optimiert und die Qualität der Böden in Bezug auf ihre Elementgehalte sichergestellt werden.
Eine zweite sehr gut anwendbare analytische Messtechnik zur Kontrolle der elementaren Zusammensetzung von verschiedensten Materialien ist die laserinduzierte Plasmaspektroskopie (LIPS, engl. LIBS - Laser-induced Breakdown Spectroscopy). Bei der LIBS wird ein kurz gepulster Laser auf eine Probe fokussiert, um ein Leuchtplasma mit einer Anfangstemperatur von 104 bis 105 K zu erzeugen. Das dabei erzeugte probenspezifische Atomemissionsspektrum ermöglicht eine qualitative und quantitative Analyse der Zusammensetzung der Probe bezüglich praktisch aller Elemente des Periodensystems. Entscheidende Vorteile der LIBS sind minimale oder keine Probenvorbereitung sowie die in-situ Echtzeitmessung. Desweiteren kann auch über größere Distanzen, bis zu mehreren Metern, gemessen werden. Das eröffnet die Möglichkeit einer vor-Ort bzw. Onlineanalyse aus sicherer Entfernung auch unter widrigen Umgebungsbedingungen, ohne dabei direkten Probenkontakt haben zu müssen.
New developments in spectroscopic techniques for process control are, in general, driven by shortcomings of existing technology, for example, when sensitivity, selectivity, robustness, and so forth do not meet the demands. The perfect process analytical method would be based on a robust and easy to handle customized technique operating in real time, come without any need for calibration, that is, be an absolute method, have a professional support, and be compliant to increasing regulatory requirements. However, there are at least trends toward such an all-in-one device suitable for every purpose.
Small, low-field NMR systems equipped with permanent magnet technology have been developed and allow for quantitative analysis as on-line instruments in a production environment. Quantitative high-resolution on-line NMR spectroscopy contributes to process understanding in pilot plant and research environments.
Laser spectroscopy is a promising field in process analysis owing to its sensitivity and selectivity. Laser-induced breakdown spectroscopy LIBS is a promising field for direct in situ analysis and remote sensing. Applications of quantum-cascade lasers for process analytical applications are a promising technique. Techniques such as cavity ring-down spectroscopy (CRDS), tunable diode laser absorption spectroscopy (TDLAS), and photothermal techniques are briefly introduced.
Recent developments of new detectors have improved X-ray fluorescence analysis (XRF) for qualitative and quantitative on-line evaluation of the elementary composition of liquid or solid samples, regardless of whether compact or bulk material.
The chapter also introduces miscellaneous techniques such as ion mobility spectroscopy (IMS), microwave and dielectric spectroscopy, terahertz spectroscopy, ultrasonic acoustic spectroscopy, and other methods.
Es wurde ein Online-Analysenverfahren zur Bestimmung von Elementgehalten in Klär-schlammaschen und deren Produkten aus einem thermochemischen Verfahren entwickelt. Durch das thermochemische Verfahren können Wertstoffe aus den Aschen wieder für die Kreislaufwirtschaft nutzbar gemacht und Schadstoffe sicher entfernt werden. Das Analysensystem ist eine Methodenkombination von Online-Laser induzierter Plasma Spektroskopie (LIBS) und Online-Röntgenfluoreszenzanalyse (RFA). Robustheit und modulare Bauweise des Verfahrens sind wichtige Anforderungen um auch für andere Anwendungen nutzbar zu sein.
Dieser Bericht beschreibt die Zertifizierung einer synthetischen Isotopenmischung aus natürlicher und angereicherter Borsäure. Dieses Isotopen-ZRM liegt als konzentrierte, wässerige Borsäure-Lösung vor und ist bezüglich ihrer Isotopenzusammensetzung zertifiziert. Der Bor-Gesamtgehalt ist als Richtwert angegeben. Die Unsicherheiten sind erweiterte Messunsicherheiten mit k=2. Sie sind in Klammern angegeben und beziehen sich auf die letzten beiden Stellen. Das vorliegende Isotopen-ZRM ist bezüglich der Isotopenzusammensetzung mit erweiterten relativen Messunsicherheiten kleiner 0,08% zertifiziert. Die absolute, kombinierte Standardmessunsicherheit des prozentualen Stoffmengenanteils der Isotope (Isotopenhäufigkeit) liegt bei 0,014. In diesem Zertifizierungsbericht wird nur auf die Kapitel eingegangen, die abweichend vom bestehenden Zertifizierungsreport für die Referenzmaterialien BAM I001 bis BAM I003 sind und Einfluss auf die Endergebnisse haben. Dabei handelt es sich um die Kapitel 3.3, 3.4, 4, 6, 7 und 8, Die Kapitel 1, 2, 3, 3.1, 3.2, 5, 9 und 10 des alten Zertifizierungsberichts für die Referenzmaterialien BAM I001 bis BAM I003 behalten unverändert ihre Gültigkeit und sind nicht noch einmal aufgeführt worden.
Elementanalyse mit Röntgenfluoreszenzspektrometrie direkt am Materialstrom in Produktionsprozessen gewinnt zunehmend an Bedeutung. Die Röntgenfluoreszenzspektrometrie kann aufgrund der technischen Entwicklung mittlerweile ohne aufwändige Probenvorbereitung als aussagekräftige Informationsquelle für Stoffparameter im industriellen Prozess eingesetzt werden. Der Einsatz von online Röntgenfluoreszenzanalyse zahlt sich sowohl finanziell als auch zeitlich schnell aus, da sie sowohl für den ökonomischen Einsatz von Rohmaterialien, als auch z. B. im Materialrecycling zu gebrauchen ist. In diesem Beitrag werden vier unterschiedliche Einsatzmöglichkeiten beschrieben.
The Federal Institute for materials research and testing (BAM)in cooperation with the Fachhochschule Münster has developed a new certified polymeric reference material, BAM-H010. The reference material consists of acrylonitrile–butadiene–styrene terpolymer (ABS) and has been doped with different contents of the elements Br, Cd, Cr, Hg and Pb. The monitoring of these elements is demanded in the EU directive 2002/95/EG, commonly referred to as RoHS. We have shown that the uncertainty contribution of the thermal long-term stability (ustability) is negligible compared to the contribution to the uncertainty caused by the method used for the characterization of the elemental content and the batch inhomogeneity (uhomogeneity). The stability of theABS material during exposure of the samples with hard X-radiation leads to a degradation of the ABS matrix with either long- or short-chain products.
A new setup for fast spatially resolved measurements of elemental trace amounts under total reflection conditions using a new colour X-ray camera is described. Samples prepared on conventional total reflection X-ray fluorescence (TXRF) reflectors were measured at BESSY II synchrotron. A spatial resolution of 50 × 50 µm² was obtained, while the required time for the investigation of a 10 × 10 mm² sample is 30 seconds. The set-up is up to 350 times faster than conventional X-ray fluorescence systems for elemental traces. The major components of the X-ray camera are polycapillary optics and a pn-CCD chip with an active area of 13 × 13 mm². This area is divided into 264 × 264 pixels of 48 × 48 µm². A full X-ray spectrum with a resolution of 152 eV @ 5.9 keV and a chip temperature of 246 K is recorded for each pixel. The chip has a read-out rate of 400 Hz.
For ten years µ-XRF (micro-focus X-ray fluorescence) analysis has been performed with SEM/EDS (scanning electron microscope with an energy dispersive X-ray detector) so that non-destructive analysis of elements at trace level concentrations below 100 µg g-1 becomes possible. This can be considered as a valuable completion of the classical electron probe microanalysis by EDS, an analytical method 'suffering' from rather poor limits of detection in the range of one to two orders of magnitude higher than those of µ-XRF. Based on a representative actual application, namely analysis of RoHS relevant elements at trace concentration levels, the performance of the rather new analytical method with respect to its limits of detection is systematically evaluated. CRMs (certified reference materials) specially prepared to support the quantitative XRF analysis of RoHS relevant elements were employed. On the other side, based on calculations of µ-XRF spectra according to a recently developed physical model the optimization of the analytical performance is also successfully undertaken.
One of the typical wastes produced in blast-furnace (BF) ironmaking is BF sludge, which mostly consists of carbon and iron oxides, but also contains toxic trace metals such as Zn, Pb, Cd, As, and Hg that render the material hazardous. Due to the lack of an established recycling process, BF sludges are landfilled, which is ecologically questionable and costly. Here, we investigate selective removal of Zn, Pb, and Cd from BF sludge by chlorination–evaporation reactions using thermodynamic modelling and laboratory-scale experiments. Specifically, BF sludge was thermochemically treated at 650–1000 °C with a spent iron(II) chloride solution from steel pickling and the effects of process temperature and retention time on removal of Zn, Pb, and Cd were investigated. Zinc and Pb were quantitatively removed from BF sludge thermochemically treated at 900–1000 °C, whereas Fe and C as well as other major elements were mostly retained. The Zn, Pb, and Cd contents in the thermochemically treated BF sludge could be lowered from ∼56 g/kg, ∼4 g/kg, and ∼0.02 g/kg to ≤0.7 g/kg, ≤0.02 g/kg, and ≤0.008 g/kg, respectively, thus rendering the processed mineral residue a non-hazardous raw material that may be re-utilized in the blast furnace or on the sinter band.
Gegenstand dieser Arbeit ist die Untersuchung eines bestehenden pyrometallurgischen Prozesses zur Rückgewinnung von Tantal und Niob aus metallurgischen Reststoffen mit vorwiegend niedriger Wertstoffkonzentration.
Zur näheren Erforschung der im vorliegenden Stoffsystem ablaufenden Reduktionsprozesse wurden in einem Elektrolichtbogenofen Schmelzversuche im Pilotmaßstab durchgeführt. Als Reduktionsmittel diente Koks, welcher mithilfe einer Argon-gespülten Eisenlanze in die flüssige mineralische Schmelze eingebracht wurde. Während der Reduktionsbehandlung werden Refraktärmetalle wie Tantal und Niob in ihre Carbide überführt und anschließend in der erschmolzenen eisenbasierten Metallphase am Boden des Reaktors angereichert. Neben Tantal und Niob gelangt auch ein Teil des im Einsatzmaterial enthaltenen Titans als unerwünschtes Begleitelement in die Metallphase.
Sein Großteil verbleibt jedoch als Oxid in der Schlacke und wird dort hauptsächlich im Mineral Perowskit (CaTiO3) gebunden. Die erstarrten Schlackeproben wurden mit verschiedenen Methoden wie Röntgenfluoreszensanalyse, Röntgenbeugung und Rasterelektronenmikroskopie mit gekoppelter energiedispersiver Röntgenanalyse untersucht, um die Bildung tantalhaltiger Mineralphasen zu verschiedenen Stadien des Reduktionsprozesses zu verfolgen.
Die hier gewonnenen Erkenntnisse zeigen, dass weniger die durch das Einblasen von Koks verursachte Reduktionsreaktion, sondern das Absinken der tantalreichen Eisentröpfchen in der flüssigen mineralischen Schmelze, gefolgt von ihrer Anreicherung in die Metallphase, für die Kinetik ausschlaggebend ist.
Knowing the exact nutrient composition of organic fertilizers is a prerequisite for their appropriate application to improve yield and to avoid environmental pollution by over-fertilization.
Traditional standard chemical analysis is cost and time-consuming and thus it is unsuitable for a rapid analysis before manure application. As a possible alternative, a handheld X-ray fluorescence (XRF) spectrometer was tested to enable a fast, simultaneous, and on-site analysis of several elements.
A set of 62 liquid pig and cattle manures as well as biogas digestates were collected, intensively homogenized and analysed for the macro plant nutrients phosphorus, potassium, magnesium, calcium, and sulphur as well as the micro nutrients manganese, iron, copper, and zinc using the standard lab procedure. The effect of four different sample preparation steps (original, dried, filtered, and dried filter residues) on XRF measurement accuracy was examined. Therefore, XRF results were correlated with values of the reference analysis. The best R2 s for each element ranged from 0.64 to 0.92. Comparing the four preparation steps, XRF results for dried samples showed good correlations (0.64 and 0.86) for all elements. XRF measurements using dried filter residues showed also good correlations with R2 s between 0.65 and 0.91 except for P, Mg, and Ca. In contrast, correlation Analysis for liquid samples (original and filtered) resulted in lower R2 s from 0.02 to 0.68, except for K (0.83 and 0.87, respectively). Based on these results, it can be concluded that handheld XRF is a promising measuring system for element analysis in manures and digestates.
Für die Rückführung von aus Rückbauprojekten anfallender künstlicher Mineralwolle in ihren Herstellungsprozess ist es notwendig, Stein- und Glaswolle zu unterscheiden und voneinander getrennt zu halten. Zu diesem Zweck wurde das Potential von NIR-Spektroskopie (NIRS) für einen werks- oder baustellenseitigen Einsatz getestet. NIRS wird aufgrund kurzer Messzeiten, minimaler Probenvorbereitung und hoher Robustheit der Spektrometer häufig in der Prozessanalytik eingesetzt. Untersucht wurden 70 verschiedene Mineralwollen, wobei sich der Probenumfang sowohl aus werksneuen Proben mit Herstellerangaben als auch unbekannten Proben ohne Spezifikation zusammensetzen, die auf verschiedenen Baustellen in den Jahren 2016–2017 entnommen oder von Deponien zur Verfügung gestellt worden waren. Als Referenzmethode wurde die Röntgenfluoreszenzanalyse verwendet, um den Mineralwolle-Typ über den Elementgehalt nach VDI 3492 zu identifizieren. Mit Hilfe eines multivariaten Datenanalyseverfahrens konnte schließlich eine Methode etabliert werden, die eine zuverlässige Identifikation von unbekannten Mineralwollen anhand deren NIR-Spektren als Stein- bzw. Glaswolle ermöglicht.
Within the framework of precision agriculture, the determination of various soil properties is moving into focus, especially the demand for sensors suitable for in-situ measurements. Energy-dispersive X-ray fluorescence (EDXRF) can be a powerful tool for this purpose. In this study a huge diverse soil set (n = 598) from 12 different study sites in Germany was analysed with EDXRF. First, a principal component analysis (PCA) was performed to identify possible similarities among the sample set.
Clustering was observed within the four texture classes clay, loam, silt and sand, as clay samples contain high and sandy soils low iron mass fractions. Furthermore, the potential of uni- and multivariate data evaluation with partial least squares regression (PLSR) was assessed for accurate Determination of nutrients in German agricultural samples using two calibration sample sets. Potassium and iron were chosen for testing the performance of both models. Prediction of these nutrients in 598 German soil samples with EDXRF was more accurate using PLSR which is confirmed by a better overall averaged deviation and PLSR should therefore be preferred.
Gegenstand der vorzustellenden Arbeiten ist die Prüfung der Umwelt-beständigkeit und -verträglichkeit von Materialien und Produkten hinsichtlich der Emission von potenziellen Schadstoffen in die Umwelt. Hierzu werden chemisch-physikalische Einflüsse (Bewitterung) und mikrobielle Beanspruchungen an Modellmaterialien evaluiert. So werden die Freisetzungsraten von Schadstoffen in Abhängigkeit der Beanspruchung beschrieben. Als Modellmaterialien kommen die Polymere Polystyrol (PS) und Polypropylen (PP) zum Einsatz. Synergistische Effekte der Bewitterungsparameter und der mikrobiologischen Beanspruchung sollen dabei ebenso betrachtet werden, wie die gezielte Alterung. Auch findet eine Beschreibung des Verhaltens der ausgetragenen Schadstoffe in den Umweltkompartimenten Boden oder Wasser statt. Hier sind mit Hilfe der zu entwickelnden Screening- und non-Target-Analyseverfahren die Transformation und der Metabolismus durch Mikroorganismen zu beschreiben. Aus den Ergebnissen sollen Korrelationen zwischen den künstlichen Alterungsverfahren und realen Szenarien abgeleitet werden.
Phosphorus recycling from sewage sludge will be obligatory in Germany from 2029. Phosphorus content determination in sewage sludge is crucial to assess the prescribed recycling rates. Currently, German law regards sample preparation using aqua regia digestion in a microwave or under reflux conditions as well as instrumental phosphorus determination by ICP-OES, ICP-MS, or photometric determination with ammonium molybdate as equivalent. However, it is questionable whether these methods are indeed equivalent regarding phosphorus quantification in sludges near the limit of 20 g/kg for mandatory recycling. To answer this question, 15 sewage sludges of 11 different wastewater treatment plants were investigated with all permitted method (digestion and measurement) combinations. Moreover, one sewage sludge was also examined in an interlaboratory comparison (ILC) with 28 participants. This study shows that the above-mentioned methods differ in some cases significantly but across all method combinations and sludges, phosphorus recovery was between 80 and 121% after normalization to the grand mean (average of 15 sludges between 85 and 111%). The ILC and the examination of 15 sludges produced largely similar results. There is a tendency to higher phosphorus recovery after microwave digestion compared to reflux digestion and ICP-OES measurements determine higher phosphorus contents than ICP-MS and photometric phosphorus determination. As a result, the authors recommend ICP-OES determination of phosphorus in sewage sludge after microwave digestion.
Around 2.5 million tons of municipal sewage sludge (dry matter) are produced in Ger-many every year. The disposal or recycling of this mass often confronts plant operators with considerable problems. In addition to organic substances, sewage sludges also contain important inorganic nutrients that can be recycled. Due to the finite nature of phosphorus as a resource and in favor of natural material cycles, it makes sense to utilize the phosphorus bound in sewage sludge. Therefore, Phosphorus recycling from sewage sludge will be obligatory in Germany from 2029. However, the pollutants pre-sent in sewage sludge, such as heavy metals and organic trace pollutants, are prob-lematic. In many cases, the sewage sludge is incinerated, removing organic compo-nents, and leaving a mineral residue. Various processes exist for the reprocessing of sewage sludge ashes. Reliable analytics and process monitoring are required for all of them.
In this context, the first and most important task of BAM regarding new materials or processes is safety in technology and chemistry through validated and correct analyt-ics. Since there are no reference materials for sewage sludge ashes so far, it is not possible to make any statements about the extent to which the measured values of the comparative measuring methods are correct at all. Therefore, suitable, and representa-tive reference materials are indispensable for the validation of the measurement results and the quality assurance during the entire recycling process. Great care is required to select and prepare these reference materials. The reference materials must corre-spond in matrix to the samples that are to be investigated in the industrial process. An iron-rich and an aluminum-rich sewage sludge ash from mono-incineration plants were selected for this purpose. 10 kg of each sewage sludge ash were homogenized, char-acterized, and prepared. The main, minor and trace element compositions of the sew-age sludge ashes are determined by different measuring methods. The candidate ref-erence materials will be available as BAM-U200 und BAM-U201.