1.4 Prozessanalytik
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The interaction of microcroplastics (MP) with dissolved organic matter, especially humic substances, is of great importance in understanding the behavior of microplastics in aquatic ecosystems. Surface modification by humic substances plays an essential role in transport and interaction of MP with abiotic and biotic components. Previous studies on the interaction between MP and humic substances were largely based on a model compound, humic acid (Sigma-Aldrich). In our work, we therefore investigated the interaction of natural organic matter (NOM) sampled from a German surface water with low-density polyethylene particles (LDPE). Highpressure size exclusion chromatography (HPSEC) and UV/vis absorption and fluorescence spectroscopy were used to characterize the incubation solutions after modifications due to the presence of LDPE, and Raman spectroscopy was used to characterize the incubated microplastics. While the studies of the solutions generally showed only very small effects, Raman spectroscopic studies allowed clear evidence of the binding of humic fractions to MP. The comparison of the incubation of NOM and a lignite fulvic acid which also was tested further showed that specific signatures of the humic substances used could be detected by Raman spectroscopy. This provides an elegant opportunity to conduct broader studies on this issue in the future.
In Deutschland werden jährlich rund 20 Millionen Tonnen künstliche Mineralwolle für die Dämmung von Dächern und Fassaden sowie für Brandschutzprodukte verwendet. Um künstliche Mineralwolle aus Rückbaumaßnahmen in den Produktionsprozess zurückführen zu können, ist eine Trennung in Glas- und Steinwolle erforderlich, um eine Vermischung der beiden Produkte, die unterschiedliche Schmelztemperaturen aufweisen, zu vermeiden. Anstatt die Mineralwolle in spezielle Labors zu schicken, was zeitaufwendig und teuer ist, wurde das Potenzial eines tragbaren Nahinfrarot-Spektrometers (NIR) für den Einsatz vor Ort getestet. 140 verschiedene Mineralwolleproben wurden untersucht, um eine NIR-basierte Methode für die Vor-Ort-Unterscheidung zwischen Glas- und Steinwolle zu etablieren. Die Validierung der Methode mit Testproben und die Anwendung auf Materialien, die aus BigBags für Deponien entnommen wurden, haben gezeigt, dass die Methode präzise und robust ist. Als Referenzmethode wurde die Röntgenfluoreszenzspektroskopie (RFA) mit einer Kalibrierung auf der Grundlage der VDI 3492 verwendet.
Near-infrared (NIR) spectroscopy is a promising candidate for low-cost, nondestructive, and highthroughput mass quantification of microplastics in environmental samples. Widespread application of the technique is currently hampered mainly by the low sensitivity of NIR spectroscopy compared to thermoanalytical approaches commonly used for this type of analysis. This study shows how the application of NIR spectroscopy for mass quantification of microplastics can be extended to smaller analyte levels by combining it with a simple and rapid microplastic enrichment protocol. For this purpose, the widely used flotation of microplastics in a NaCl solution, accelerated by centrifugation, was chosen which allowed to remove up to 99 % of the matrix at recovery rates of 83–104 %. The spectroscopic measurements took place directly on the stainless-steel filters used to collect the extracted particles to reduce sample handling to a minimum. Partial least squares regression (PLSR) models were used to identify and quantify the extracted microplastics in the mass range of 1–10 mg.
The simple and fast extraction procedure was systematically optimized to meet the requirements for the quantification of microplastics from common PE-, PP-, and PS-based packaging materials with a particle size < 1 mm found in compost or soils with high natural organic matter content (> 10 % determined by loss on ignition). Microplastics could be detected in model samples at a mass fraction of 1 mg g-1. The detectable microplastic mass fraction is about an order of magnitude lower compared to previous studies using NIR spectroscopy without additional enrichment. To emphasize the cost-effectiveness of the method, it was implemented using some of the cheapest and most
compact NIR spectrometers available.
Raman spectroscopy for online monitoring of a homogeneous hydroformylation process in microemulsion
(2021)
An important industrial reaction is hydro¬formylation for the production of aldehydes from alkenes and syngas on the basis of homogeneous catalysis. The main cost factors of the processes currently used are product selectivity and the loss of the catalysts used. Therefore, various concepts for the hydroformylation of long-chain olefins have been developed, including hydroformylation in microemulsions, which is being investigated on a mini-plant scale at the Technical University of Berlin [1]. In this study, online Raman spectroscopy of the reaction of 1-dodecene to 1-tri¬decanal in a microemulsion was performed [2]. First, an experimental design was used to obtain a good representation of the operating range in the mini plant with respect to the concentrations of five reactants in a laboratory setup [3]. Based on the Raman spectra, Partial Least Squares (PLS) models for the prediction of 1-dodecene and 1-tride-decanal were calibrated and with these the reactions were predicted on a laboratory scale. In the next step, the PLS models were applied to online spectra from a mini-plant. This resulted in promising estimates of 1-tridecanal and acceptable predictions of 1-dodecene mass fractions. The predictive power of PLS models in this particular case was limited by unexpected by-product formation which, however, can easily be compensated by an extended calibration. Hence, Raman spectroscopy is a promising technique for process analysis in microemulsions.
Künstliche Mineralfasern (KMF) werden weltweit in vielfältiger Weise als Dämmstoffe verwendet. Jährlich fallen in Deutschland ungefähr 20 Millionen Tonnen KMF an, die nach dem Abriss auf Deponien entsorgt werden müssen. Grundsätzlich besteht jedoch die Möglichkeit der Rückführung dieser Materialien in den Produktionsprozess. Dafür ist es notwendig, anfallende KMF sowohl nach Material (Glaswolle, Steinwolle) als auch nach Alter zu sortieren.
Auf der Suche nach einer Methode, die es grundsätzlich gestattet eine schnelle Untersuchung vor Ort auf einer Baustelle durchzuführen, wurde die Nah-Infrarot (NIR) Spektroskopie unter Verwendung eines Prozessspektrometers mit Reflexionssonde getestet. Anhand von Laboruntersuchungen an 70 KMF Proben, die entweder betriebsneu waren oder bundesweit auf Baustellen gesammelt wurden, konnte eine NIR-basierte Methode zur Unterscheidung in Glas- und Steinwolle entwickelt werden. Mittels Partial Least Square Diskriminanzanalyse (PLS-DA) der NIR Spektren wurde basierend auf 40 zufällig ausgewählten Proben ein chemometrisches Modell kalibriert, das erfolgreich zur Klassifizierung der verbleibenden 30 Proben eingesetzt werden konnte. Unabhängig von Farbe, Dichte oder Alter der untersuchten KMF Proben war es möglich, eine 100% korrekte Zuordnung des Materials zu erzielen. Die nötigen Referenzwerte wurden unter Nutzung eines Röntgenfluoreszenzspektroskopischen Verfahrens über den Elementgehalt nach VDI 3492 ermittelt.
Insgesamt ist der experimentelle Aufwand für die Durchführung und Auswertung der NIR Messungen gering und manifestiert sich vor allem in der Kalibrierphase, die in diesem Fall die Untersuchung von 8-fach aliquotierten Probestücken der 70 KMF umfasste. Nur bei deutlich feuchtem Material muss ein zusätzlicher Trocknungs-schritt berücksichtigt werden. Das vorgestellte Verfahren wurde nachfolgend zu einem Patent angemeldet. Untersuchungen zu einer weiteren Unterscheidung der KMF nach Alter sind geplant.
The increasing enrichment of water bodies and soils with plastic waste leads to the accumulation of microscopic plastic particles, so-called microplastics (MP). There is an urgent need for analytical methods that help to identify and quantify MP. At present, mainly thermo-analytical and microscopic methods such as micro-infrared spectroscopy or micro-Raman are used for this purpose. The latter are usually tied to time-consuming sample enrichment and preparation, only small sample quantities (micrograms) can be examined and the evaluation of the obtained spectra can be demanding. In the context of this presentation, two approaches are presented which, via the multi-variate analysis of spectroscopic data, allow i) a new methodological approach to screening MP in contaminated soils and ii) an alternative evaluation of large (micro)-spectroscopic data sets.
First, a NIR spectroscopic method is presented which allows MP consisting of polyethylene, polyethylene terephthalate, polypropylene and polystyrene to be detected in the range of up to 0.5 mass percent. Due to short measurement times and robust technology, this approach has the potential, in contrast to thermo-analytical and micro-spectroscopic methods, to examine larger sample quantities with minimal pre-treatment.
The second approach deals with the evaluation of large data sets, as typically obtained as a result of micro-FTIR using modern FPA detectors. The micro-FTIR technique is based on the spectral recording, imaging and subsequent identification of vibration bands typical of synthetic polymers. The image data sets are large and contain spectra of numerous particles of natural and synthetic origin. Exploratory multivariate data analysis has been tested to complement existing approaches based on e.g. spectrum library searches. The core concept used was dimensionality reduction. The results not only represent an orthogonal method for checking the results obtained by an automated library search, but also revealed a group of spectra that were not recorded in the existing spectrum libraries.
In case study one of the CONSENS project, two aromatic substances were coupled by a lithiation reaction, which is a prominent example in pharmaceutical industry. The two aromatic reactants (Aniline and o-FNB) were mixed with Lithium-base (LiHMDS) in a continuous modular plant to produce the desired product (Li-NDPA) and a salt (LiF). The salt precipitates which leads to the formation of particles. The feed streams were subject to variation to drive the plant to its optimum.
The uploaded data comprises the results from four days during continuous plant operation time. Each day is denoted from day 1-4 and represents the dates 2017-09-26, 2017-09-28, 2017-10-10, 2017-10-17.
In the following the contents of the files are explained.
Die Untersuchungen sind durch das das DFG Schwerpunktprogramm 1374 für Biodiversitätsforschung motiviert. Anhand des überwachten Abbaus von Totholz soll untersucht werden, welche Auswirkung unterschiedliche Formen und Intensitäten der Landnutzung auf die Biodiversität innerhalb von drei Exploratorien zeigen. Bei den vorangegangenen Studien wurden Nahrungs¬netzte auf organismischer Ebene sowie Klima- und Umgebungsdaten untersucht und die Veränderung des ausgebrachten Totholzes als Masseverlust erfasst. Es wird jedoch erwartet, dass in Anhängigkeit der beteiligten Organismen und Umgebungsparameter verschiedene Mechanismen des Holzabbaus vorliegen, die in unterschiedlichen Abbauraten der Holzkomponenten Lignin, Cellulose und Hemicellulose resultieren. Aus diesem Grund ist die quantitative Untersuchung des Ligningehalts an Hölzern ein wesentlicher Schritt für ein verbessertes Verständnis der Biodiversität in den untersuchten Exploratorien. Um der hohen Probenanzahl, die sich aus der Kontrolle von jeweils 100 Proben (Plots) in den drei Exploratorien für Hölzer aus 13 Baumarten ergibt, gerecht zu werden, wird eine schnelle und effiziente Untersuchungsmethode benötigt. Diese wird derzeit in Form einer NIR-spektroskopischen Bestimmung des Ligningehalts entwickelt. Um basierend auf den NIR Spektren vermahlener Holzproben Lignin und weitere Holzkomponenten korrekt vorherzusagen, muss zunächst basierend auf nasschemischen Analysen ein chemometrisches Modell kalibriert werden. Dazu ist die Charakterisierung von mindestens 20 – 30 Proben, die eine hohe Varianz des Ligningehalts aufweisen, notwendig. Im Vortrag werden erste Untersuchungs¬ergebnisse für die Vorhersage des Ligningehalts von Kiefernhölzern, die für ein Jahr in dem Exploratorium Schorfheide exponiert wurden, vorgestellt. Die anschließende explorative Datenanalyse (PCA) unter Verwendung von insgesamt 28 Variablen zur Beschreibung klimatischer und Umgebungsparameter weist eine Reihe interessanter Korrelationen auf. Demnach ist der Ligningehalt auf der ersten Hauptkomponente (29% erklärte Varianz) positiv mit dem C/N-Verhältnis und negativ mit Landnutzungsindex korreliert. Masseverlust und Temperatur hingegen dominieren die zweite Hauptkomponente (12% erklärte Varianz).
Modular plants using intensified continuous processes represent an appealing concept to produce pharmaceuticals. It can improve quality, safety, sustainability, and profitability compared to batch processes, and it enables plug-and-produce reconfiguration for fast product changes. To facilitate this flexibility by real-time quality control, we developed a solution that can be adapted quickly to new processes and includes a compact Nuclear Magnetic Resonance (NMR) spectrometer for online quality monitoring as well as a new model-based control approach. The NMR sensor is a benchtop device enhanced to the requirements of automated chemical production including ro-bust evaluation of sensor data.
Here, we present alternatives for the quantitative determination of the analytes using modular, physically motivated models. These models can be adapted to new substances solely by the use of their corresponding pure component spectra, which can either be derived from experimental spectra as well as from quantum mechanical models or NMR predictors. Modular means that spec-tral models can simply be exchanged together with alternate reagents and products. Beyond that, we comprehensively calibrated an NIR spectrometer based on online NMR process data for the first time within an industrial plant. The integrated solution was developed for a metal organic reac-tion running on a commercial-scale modular pilot plant and it was tested under industrial conditions.