4 Material und Umwelt
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UFP-Emission beim 3D-Druck
(2024)
Desktop-3D-Drucker haben in der letzten Dekade große Popularität in Bildungseinrichtungen, kleinen Unternehmen und Privathaushalten erlangt. Weit verbreitet ist mittlerweile die „Fused Filament Fabrication (FFF)“ Technologie. Hier wird ein thermoplastisches Filament geschmolzen, durch eine Metalldüse extrudiert und anschließend schichtweise so auf ein Druckbett aufgetragen, dass ein 3D-Objekt entsteht. Das Filamentmaterial wird dabei thermisch stark belastet, was zur Emission von Aerosolen sowie flüchtigen organischen Verbindungen (VOC) führt. Dabei werden hauptsächlich ultrafeine Partikel (UFP, dP < 100 nm) freigesetzt werden, die sogar in manchen Fällen im sub-4nm Größenbereich einen signifikanten Anteil ausmachen können (Tang und Seeger 2024).
Die gesundheitliche Relevanz eingeatmeter UFP ist durch sehr viele Studien gut belegt. Während eines i.d.R. mehrstündigen FFF-Druckvorgangs wird ein Anwender mit diesen Luftschadstoffen im Innenraum exponiert, häufig ohne eine Einschätzung des damit verbundenen Risikos zu haben. Die Exposition kann durch technische Faktoren (z.B. Druckerausstattung und -einstellung, Innenraumventilation), aber auch erheblich durch die Filamentauswahl beeinflusst werden. Unser Vorschlag zur Risikominderung besteht in der Auszeichnung emissionsarmer Filamentprodukte mit dem Umweltzeichen „Blauer Engel“, um so den Verbrauchern eine fundierte Auswahl zu ermöglichen. In unserem Projekt entwickeln wir dafür ein kammerbasiertes, standardisierbares und robustes Prüfverfahren zur vergleichenden Messung der Emission aus Filamenten. Mit dem Strangdruck-Verfahren (engl. Strand Printing Method, SPM) wird eine festgelegte Filamentlänge mit konstanter Rate extrudiert und auf dem Druckbett abgelegt, ohne dabei ein 3D-Objekt aufzubauen. Diese Vorgehensweise reduziert den Einfluss experimentell schlecht zu kontrollierender Faktoren sowie die Ausfallquote. Eine detaillierte Beschreibung und die Vorteile von SPM werden in Tang und Seeger (2022) erläutert. SPM wurde bereits für 44 Filamentprodukte aus unterschiedlichen Polymeren und Additiven als Vergleichstest angewendet. Alle Messungen wurden in einer klimatisierten 1 m³-Emissionsprüfkammer durchgeführt. Die Gesamtanzahl der emittierten Partikel (TP) dient als Beurteilungsmaß, in Anlehnung an die Vergabegrundlage DE-UZ-219 des Umweltzeichens Blauer Engel für Laserdrucker. Unter den getesteten Filamentprodukten variiert TP um ca. vier Größenordnungen (1E+9 ≤ TP ≤ 1E+13). Auch innerhalb jeder der untersuchten Polymergruppen variierte TP signifikant. Die Partikelemission kann daher nicht allein nach dem Basispolymer kategorisiert werden. Unsere Resultate belegen, dass die Stärke der Partikelemission eher eine charakteristische und individuelle Eigenschaft eines Filamentproduktes ist. Die Herkunft der Polymere, die herstellerspezifischen Additive sowie die nicht deklarierte Verunreinigungen können einen starken Einfluss auf die Emission haben. Die Auszeichnung von emissionsarmen Filament-produkten verspricht somit eine einfache, aber effektive Maßnahme zu sein, um Verbrauchern eine Minderung des Expositionsrisikos beim FFF-3D-Druck zu ermöglichen.
In September 2023, the European Commission introduced a new regulation to
reduce microplastic (MP) emissions into the environment, including the sale and
use of intentionally added (large) MP < 5 mm (ISO/TR 21960: 2020). This explicitly
applies to the use of synthetic rubber granulate infill in artificial turf installations,
which are complex multi-component systems consisting of multiple synthetic
polymers (Fig. 1). In addition, abrasions of synthetic grass fibres and other turf
components are also considered as MP sources. Although this has a major impact
on public recreational sports, there is so far no sufficient data to estimate the MP
emissions from artificial turf sports pitches into the environment and thus their
relevance as a source of MP pollution.
To close this gap, this study compared environmental contaminant emissions of
three artificial turf scenarios at different ageing states (unaged, artificially and
real-time aged): the past (old turf: fossil based, synthetic infill), present (most
commonly installed in Germany: fossil based, EPDM infill) and future (turf with
recycled grass fibres, no synthetic infill). Accelerated ageing by UV weathering and
mechanical stress was carried out to simulate the outdoor weathering during the
lifespan of approx. 15 years. MP emissions and released environmentally relevant
contaminants posing a risk to the groundwater were simultaneously sampled using
the newly developed Microplastic Eluate Lysimeter manufactured at BAM (Fig. 2).
MP contents were analysed using smart microfilter crucibles (mesh size: 5 μm)
with subsequent MP detection by TED-GC/MS. Additionally, concentrations of
polycyclic aromatic hydrocarbons were determined using GC/MS and heavy metals
using ICP-AES.
Clay is increasingly coming back into people's consciousness with the demand for ecological, healthy and sustainable building materials.
Earthen building materials, including clay from the historical building stock, offer a high potential for their reusability and thus for saving natural resources. Unfired clay can be reused at any time and indefinitely. Dry clay only needs to be crushed and moistened with water and it can be processed again. However, there exist only a few studies on the contamination with pollutants and on the accumulation of salts in existing historic buildings regarding the evaluation of reuse potential. Within the framework of a project, preliminary tests are being carried out taking into account the previous usage of the buildings. In order to evaluate the suitability for indoor use, the potential transfer of volatile organic compounds into the air is investigated.
Fine fractions of C&D waste (particle size less than 2 mm) are currently mostly landfilled. However, such materials can be suitable for substituting primary resources of earthen building materials provided they are adequately processed. Therefore, in another research project it is investigated whether and to what extent fine and ultra-fine fractions of construction and demolition waste processed by washing can be employed for that purpose. The recycled fines are investigated considering organic and inorganic contaminants in solid matter and leaching tests are carried out to assess the potential to mobilize harmful substances. Additionally, the recycled fines are investigated in emission test chambers regarding indoor air requirements to construction products. The results will be transferred to standardization work as in Germany in standards for earthen building materials only aggregates and binders from natural sources are permitted currently.
Advanced light weight applications like aircrafts and wind turbine blades are made of fibre reinforced plastics (FRP) with continuous fibre reinforcement and must withstand a high thermo-mechanical cyclic loading. The quality of the fibre matrix interface has a high impact on the fatigue life and was continuously improved over the years since the 50th. The fatigue life of glass fibre reinforced plastics (GFRP) used in aircraft industry is 10 to 100 times higher compared to glass fibre non crimp fabrics used for wind turbine blades.
To assure a constant and reliable high quality and strength of reinforcement fibres, synthetic fibre production is state of the art (CF, GF). There is a need for recycling GFRP and CFRP waste due to the upcoming use. Pyrolysis and solvolysis are more expensive than the mechanical route however enable a more sustainable recycling. Natural fibres and recycled synthetic fibres have a high scatter in quality and strength. Hence it is a challenge to optimize the production / recycling processes to get a reliable quality for any demanding (second life) application.
Chemical routes for using renewables resources and recycling, is going to be a good approach especially for polymer-matrix systems to get 100% quality (back) compared to the state of the art.
Finally, a proper design, life-time extension and repair is preferable to recycling to keep the carbon footprint as low as possible.
Obwohl der Leichtbau mit carbonfaserverstärkten Kunststoffen (CFK) einen wichtigen Beitrag zum Klimaschutz und zur Ressourceneffizienz liefert, stellt der wachsende Abfallstrom von aktuell 62 kt/a eine große Herausforderung dar. Weil die Produktion von Carbonfasern (CF) überwiegend auf fossilen Rohstoffen basiert und sehr energieintensiv ist, werden nachhaltige Recyclinglösungen dringend benötigt. Hier wird ein Überblick über aktuelle Recyclingprozesse gegeben und deren Limitierungen diskutiert. Darüber hinaus wird eine Möglichkeit zur sicheren chemischen Nutzung von CF-haltigen Reststoffen aufgezeigt, die nicht zur Wiederverwertung geeignet sind. Das Projekt CF Pyro untersucht deren Einsatz als Sekundärrohstoff in der Pyrometallurgie und setzt besondere Schwerpunkte bei der Reaktivität von CF, der Prozessstabilität und der Vermeidung von Emissionen gesundheitsschädlicher WHO-Fasern. Abschließend wird eine, auf den experimentellen Ergebnissen und im Dialog mit Expertinnen und Experten aus Wirtschaft, Wissenschaft und Politik entwickelten, Technologiebewertung vorgestellt.
Obwohl der Leichtbau mit carbonfaserverstärkten Kunststoffen (CFK) einen wichtigen Beitrag zum Klimaschutz und zur Ressourceneffizienz liefert, stellt der wachsende Abfallstrom von aktuell 62 kt/a eine große Herausforderung dar. Weil die Produktion von Carbonfasern (CF) überwiegend auf fossilen Rohstoffen basiert und sehr energieintensiv ist, werden nachhaltige Recyclinglösungen dringend benötigt. Hier geben wir einen Überblick über aktuelle Recyclingprozesse und diskutieren deren Limitierungen. Darüber hinaus zeigen wir eine Möglichkeit zur sicheren chemischen Nutzung von CF-haltigen Reststoffen auf, die nicht zur Wiederverwertung geeignet sind. Das Projekt CF Pyro untersucht deren Einsatz als Sekundärrohstoff in der Pyrometallurgie und setzt besondere Schwerpunkte bei der Reaktivität von CF, der Prozessstabilität und der Vermeidung von Emissionen gesundheitsschädlicher WHO-Fasern. Nach der Präsentation der Projektergebnisse erfolgte in der Diskussion mit Expertinnen und Experten aus Wirtschaft, Wissenschaft und Politik eine Technologiebewertung für die Nutzung von CF in pyrometallurgischen Prozessen.
Detektion, Quantifizierung und Entfernung von insbesondere ultrakurzkettigen PFAS in Grundwasser
(2024)
Da PFAS in großem Umfang in einer Vielzahl von Produkten verwendet wurde, sind sie im Grundwasser in der Nähe vieler industrieller und militärischer Anlagen weltweit zu finden. Darüber hinaus führten neue Vorschriften und Beschränkungen für die Verwendung von langkettigen PFAS zu einer vermehrten Produktion kurzkettiger Alternativen. Ultrakurzkettige PFAS (≥C3) können natürliche und anthropogene Barrieren durchdringen und schließlich in Trinkwasserquellen gelangen. Zudem entfernen die meisten gängigen Trinkwasser-aufbereitungsverfahren die ultrakurzkettigen PFAS nicht ausreichend. Im Kooperationsprojekt DEFEAT-PFAS wird daher das Ziel verfolgt, Wissenslücken über Nachweis, Quantifizierung und Entfernung von kurz- (C4-C7) und ultrakurzkettige (C1-C3) PFAS, in kontaminiertem Grundwasser zu schließen. Die israelischen und deutschen Projektpartner entwickeln dafür analytische Methoden and selektive Passivsammler, um das zeitliche Profil von PFAS-Spezies im Grundwasser zu erfassen und überwachen. Darüber hinaus ein zweistufiges Verfahren entwickelt, welches darauf ausgelegt ist, die relativ niedrigen PFAS-Konzentrationen im Grundwasser durch neuartige Membranverfahren, Umkehrosmose im Batchbetrieb mit geschlossenem Kreislauf sowie Verbund-Nanofiltrationsmembranen, zu konzentrieren. Anschließend werden die PFAS angereicherten Konzentrate mittels Koagulation behandelt und das verbleibende PFAS an kohlenstoffhaltigen Nanomaterialien adsorbiert.
Detection, Quantification and Treatment of Per and Polyfluoroalkyl substances (PFAS) in Groundwater
(2024)
The research project focuses on tackling the detection, measurement, and elimination of per- and polyfluoroalkyl substances (PFAS) from polluted groundwater, with a particular emphasis on addressing short (C4-C7) and ultrashort (C1-C3) chain PFAS. Given the widespread use of PFAS in various products, they are commonly found in groundwater near industrial and military sites in Germany and Israel. Moreover, recent regulations limiting the use of long chain PFAS have led industries to shift towards shorter chain alternatives. Hence, our efforts are geared towards refining detection, quantification, and removal methods for short and ultrashort chain PFAS. In terms of detection, ww are developing passive sampling devices capable of collecting and tracking the temporal distribution of PFAS species in groundwater. This will enable us to analyze contaminations in German and Israeli groundwater using cutting-edge analytical techniques. Additionally, contaminated groundwater will undergo a two-stage treatment process aimed at concentrating the relatively low PFAS concentrations using innovative membrane technologies such as closed-circuit reverse osmosis and mixed matrix composite nanofiltration membrane adsorbers. Subsequently, the streams containing higher PFAS concentrations will be treated through coagulation, with the remaining PFAS being adsorbed onto carbonaceous nanomaterials. The outcome of this research will include the creation of advanced tools for detecting, measuring, and eliminating PFAS from polluted groundwater, while also enhancing our understanding of the scope of these contaminations.
In order to protect natural gypsum deposits and to compensate for the decreasing amount of Flue Gas Desulfurization (FGD) gypsum it is necessary to develop and explore new sources of gypsum. For this purpose, the potentials of different gypsum wastes are investigated in the study “GipsRec 2.0”, funded by the Federal Ministry of Education and Research (Germany).
On the one hand, the project worked on a new processing technology for gypsum fiberboards (GFB). While the recycling of gypsum plasterboards has already been carried out on an industrial scale for several years, the recycling of gypsum fiberboards (GFB) has proven to be challenging. Gypsum fiberboards from demolition sites and offcuts from GFB production were used for these investigations. The tests were conducted on a technical scale. Furthermore, various synthetic gypsums are being investigated with regard to their suitability for gypsum production. The analyses are carried out on production residues.
In this project, a promising process for gypsum fiberboard recycling could be developed, as well as other waste gypsums are investigated and evaluated with regard to their potential as secondary raw material. In addition, selected process routes are assessed for their environmental impact using a life cycle assessment (LCA) approach.
Gips gehört zu den nachgefragtesten Baustoffen und entsprechend steigt der Gipsverbrauch weltweit schon seit Jahrzehnten an. In Deutschland wird der Gipsbedarf seit vielen Jahren zu einem guten Teil durch REA-Gips, einem Nebenprodukt aus der Abgasreinigung von Kohlekraftwerken, gedeckt. Die weitere Gipsversorgung erfolgt größtenteils durch die Nutzung natürlicher Gipsvorkommen. Ein geringer, aber steigender Anteil an RC-Gips aus dem Baustoffrecycling und die Nutzung synthetischer Gipse aus Nebenprodukten anderer Industriezweige sind ebenfalls zu verzeichnen. Aufgrund der nationalen Klimaschutzziele und der damit verbundenen Abschaltung von Kohlekraftwerken wird das REA-Gipsangebot in den nächsten Jahren jedoch weiter deutlich zurückgehen, so dass andere Gipsquellen erschlossen werden müssen.
Abhängig von der Lebensdauer der verwendeten Gipsprodukte im Bausektor ist infolge des in den vergangenen Jahren erfolgten Anstiegs des Gipsverbrauchs auch mit einer Zunahme von Gipsresten in Bau- und Abbruchabfällen zu rechnen. Im Hinblick auf eine bevorstehende Verknappung von Gips wird die Rückgewinnung dieser Gipse aus Bau- und Abbruchabfällen immer wichtiger. Das Recycling von Gipskartonplatten ist mittlerweile eine etablierte Technik und wird bereits seit einigen Jahren in industriellem Maßstab durchgeführt. Außerdem werden neue Verfahren zur Wiederverwertung weiterer Gipsprodukte aus Rück- und Umbaumaßnahmen untersucht. Von besonderem Interesse sind verschiedene Arten von Gipsplatten, da sie gut für selektiven Rückbau geeignet sind. Daher können sie vergleichsweise frei von Verunreinigungen oder Störstoffen zurückgewonnen werden, was für das Gipsrecycling besonders wichtig ist.
In dem vom Bundesministerium für Bildung und Forschung geförderten Forschungsprojekt "GipsRec 2.0" werden technische, wirtschaftliche und ökologische Aspekte des Recyclings von Gipsfaserplatten sowie von verschiedenen Synthesegipsen untersucht und bewertet. Die Aufbereitung von Gipsfaserplatten erfolgte im halbtechnischen Maßstab, an verschiedenen potentiellen Ausgangsstoffen für synthetische Gipse wurden Laborversuche durchgeführt. Erfolgversprechende Verfahrenswege werden ökobilanziell bewertet. Ziel dieser Arbeiten ist die Erschließung der Sekundärrohstoffpotenziale von weiteren Quellen für die RC-Gipsproduktion um mit einer Steigerung des Gipsrecyclings die in naher Zukunft durch die Reduktion der REA-Gips-Bereitstellung entstehende Lücke in der Rohstoffversorgung zu verringern.