4 Material und Umwelt
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- 4.1 Biologische Materialschädigung und Referenzorganismen (18)
- 4.3 Schadstofftransfer und Umwelttechnologien (14)
- 4.4 Thermochemische Reststoffbehandlung und Wertstoffrückgewinnung (14)
- 4.2 Material-Mikrobiom Wechselwirkungen (8)
- 4.0 Abteilungsleitung und andere (7)
- 6 Materialchemie (2)
- 6.2 Material- und Oberflächentechnologien (2)
- 1 Analytische Chemie; Referenzmaterialien (1)
- 1.1 Anorganische Spurenanalytik (1)
Eingeladener Vortrag
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Analyseverfahren und Messhäufigkeit zur Bestimmung des Phosphorgehalts im Klärschlamm nach AbfKlärV
(2022)
Auf dem Betreiberforum der DWA-Plattform P-Rück wurden die Empfehlungen für den Vollzug der Phosphorrückgewinnungspflicht aus Klärschlamm vorgestellt. Diese Empfehlungen behandeln die Häufigkeit der Phosphoruntersuchungen im Klärschlamm, wo ein Jahresgang empfohlen wird und eine Empfehlung der Phosphorbestimmung über Aufschluss der Probe in der Mikrowelle und Messung mit ICP-OES. Untermauert wurden die Empfehlungen mit den Ergebnissen von Klärschlamm-Monitoring, Ringversuch und Analytikvergleich aus dem Vorhaben extraWERT.
For the European sewage sludge ash monitoring ash samples from sewage sludge incineration plants were requested from all over Europe. First results of the received samples regarding main and trace element contents were presented at ESPC4. Moreover, a list of all known European facilities for sewage sludge monoincineration was presented.
Klärschlammaschen können eine hohe Phosphatkonzentration aufweisen und stellen damit einen geeigneten Sekundärrohstoff für die Produktion von Phosphatdüngemitteln dar. Bisher wird dieses Potential der Klärschlammaschen für die Phosphor-Rückgewinnung jedoch kaum genutzt, da die in den Aschen enthaltenen Phosphate für Pflanzen kaum verfügbar und die Aschen teilweise mit toxischen Schwermetallen belastet sind.
Im AshDec®-Verfahren wird die Klärschlammaschen im Drehrohrofen im Temperaturbereich 800-1000°C unter Zugabe von Alkali-Additiven (bsp. Na2CO3) thermochemisch behandelt, um ein wirksames und schadstoffarmes Phosphatdüngemittel herzustellen. Aktuell bereitet die Firma Emter GmbH den Bau der ersten großtechnischen AshDec®-Anlage mit einer Kapazität von 30.000 Jahrestonnen Klärschlammasche am Standort ihrer Klärschlammverbrennungsanlage (Altenstadt / Oberbayern) vor. Die erste Ausbaustufe dieser Anlage wird durch das BMBF-Projekt R-Rhenania im Rahmen der Förderinitiative RePhoR begleitet.
Using nanofiber-like cell appendages, secreted proteins and sugars, bacteria can establish initial surface contact followed by irreversible adhesion and the formation of multicellular biofilms. Here, the stabilizing extracellular biofilm matrix together with physiological changes on the single cell level leads to an increased resilience towards harsh environmental conditions, antimicrobials, the host immune response and established cleaning procedures. Persistent microbial adhesion on e.g., medical implants, in water supply networks or food-processing industry is often associated with chronic inflammation, nosocomial and foodborne infections, enhanced biofouling and product contamination. To prevent persistent microbial colonization, antibacterial surface strategies often target the initial steps of biofilm formation and impede adhesion of single cells before a mature biofilm is being formed. While chemical coatings have been widely used, their restricted biocompatibility for eukaryotic cells and attenuated antibacterial-effects due to compound release limit their areas of application and alternative strategies focus on modified surfaces topographies to impede bacterial adhesion. In this work, we used ns-UV laser treatment (wavelength 248 nm and a pulse duration of 20 ns) to generate laser-induced periodic surface structures (LIPSS) with different submicrometric periods ranging from ~210 to ~610 nm on commercial poly(ethylene terephthalate) (PET) foils. Following structurally and chemically analyses, PET samples were subjected to bacterial colonization studies with Escherichia coli TG1, a bacterial test strain with a strong biofilm formation capacity due to the formation of nanofiber-like cell-appendages (pili). Bacterial adhesion tests revealed that E. coli repellence decisively depends on the spatial periods of the LIPSS with the strongest reduction (~91%) in cell adhesion observed for LIPSS periods of 214 nm. Scanning electron microscopy and additional biofilm studies using a pili-deficient E. coli TG1 strain revealed the importance of extracellular appendages in the bacterial repellence observed here, thus, pointing out new antibiotics-free strategies for antibacterial surfaces by impeding nanofiber-mediated bacterial adhesion.
The processing of laser-induced periodic surface structures (LIPSS) represents a simple and robust way for the nanostructuring of solids that allows creating a wide range of surface functionalities featuring applications in optics, tribology, medicine, energy technologies, etc. While the currently available laser and scanner technology already allows surface processing rates at the m2/min level, industrial applications of LIPSS are sometimes hampered by the complex interplay between the nanoscale surface topography and the specific surface chemistry. This typically manifests in difficulties to control the processing of LIPSS and in limitations to ensure the long-term stability of the created surface functions. This presentation aims to identify some unsolved scientific problems related to LIPSS, discusses the pending technological limitations, and sketches the current state of theoretical modelling. Hereby, it is intended to stimulate further research and developments in the field of LIPSS for overcoming these limitations and for supporting the transfer of the LIPSS technology into industry.
Per- and polyfluoroalkyl substances (PFAS) have emerged over the course of the last twenty years as a global pollution issue. Altogether, there are currently more than 4700 known but only partly characterized fluorinated compounds identified by the Organization for Economic Cooperation and Development (OECD), as shown by a recently published classification proposal.
The ongoing production of new, yet unrestricted PFAS alternatives has become a major challenge for environmental routine analytics, since the state-of-the-art method LC-MS/MS relies on structural information and availability of isotope standards of the targeted compound. First reported by Miyake et al., fluorine sum parameters like adsorbable organic fluorine (AOF), extractable organic fluorine (EOF) and total fluorine (TF) can be applied to survey and detect the presence of large amounts of unidentified organofluorine compounds in environmental matrices. Today fluorine sum parameters have been established as a useful supplement to classic target-analytical approaches of PFAS and were implemented for the first time as a sum value “PFAS-total” in the recently revised Drinking Water Directive (2020/2184) by the European Commission.
In contrast, X-ray absorption near-edge structure (XANES) spectroscopy has been widely applied to identify low concentration of element-specific contamination without pre-treatment in environmental samples in the past. The XANES approach enables a penetration depth of approx. 1 µm (at fluorine K-edge energy; depending on the matrix) which is significantly deeper than for X-ray photoelectron spectroscopy (XPS; penetration depth approx. 10 nm). Furthermore, the method is fast, non-destructive and only simple preparation of the samples is required.
In our work, we combined both F-XANES spectroscopy and combustion ion chromatography (CIC) in order to present a new analytical perspective on the investigation of PFAS in environmental media and material samples.
In Deutschland ist ab 2029 eine Phosphorrückgewinnung aus Klärschlamm verpflichtend. Ausgenommen sind Klärschlämme mit weniger als 20 g P/kg TM. Für die Phosphorbestimmung sind verschiedene Methoden nach Klärschlammverordnung als gleichwertig zugelassen: Der Königswasseraufschluss in der Mikrowelle und am Rückfluss sowie die Messung an ICP-OES, ICP-MS und die photometrische Bestimmung mittels Ammoniummolybdaten. An der BAM wurden die unterschiedlichen Methodenkombinationen aus Aufschluss- und Messmethode an 15 Klärschlämmen überprüft und in einem Ringversuch mit einem Klärschlamm getestet. Die Ergebnisse werden in diesem Vortrag zusammengefasst. Als Folge der Untersuchungen wird für die Phosphorbestimmung in Klärschlamm die ICP-OES-Messung nach Königswasseraufschluss in der Mikrowelle empfohlen.
The exposure to antimicrobial substances drives the evolution of antimicrobial resistance. Biocides are antimicrobials used as disinfectants, antiseptics and preservatives. They find application on a large scale in the industrial and medical sector, but also in private households. In terms of mass, the worldwide use of biocides exceeds that of antibiotics. Thus, despite their important role in preventing the spread of pathogens, due to their ubiquity, biocides are suspected to be drivers of the antimicrobial resistance crisis. In our work at BAM we try to understand how biocides contribute to the emergence of AMR, what the underlying adaptation principles and mechanisms are and how they compare to those found for antibiotics. Within our group, I mainly focus on the following two questions: How does phenotypic heterogeneity in bacteria affect the ability to survive treatment with biocides? And what are the consequences of phenotypic heterogeneity for the evolution of resistance to biocides and antibiotics?
I will share published and unpublished results which demonstrate that phenotypic heterogeneity can enable the survival of biocide treatment and, through this, facilitate the evolution of AMR. On the other hand, we find that adaptation to a biocide can unexpectedly impair the ability to evolve resistance against an antibiotic.
Der Vortrag liefert eine Zusammenfassung der wichtigsten Ergebnisse des extraWERT-Vorhabens mit Schwerpunkt auf den Umsetzungsfragen zur Klärschlammverordnung. Bei diesen Punkten handelt es sich um die Untersuchung von monatlichen Phosphorschwankungen in kommunalem Klärschlamm und die Gleichwertigkeit verschiedener Verfahren zur Phosphorbestimmung in Klärschlamm.
Die Zementindustrie und weitere energieintensive Industrien wie etwa die Stahlindustrie stehen vor dem Hintergrund der Transformation unserer Gesellschaft zur Klimaneutralität vor erheblichen Herausforderungen. Ziel dieser Branchen ist perspektivisch die vollständige Vermeidung klimaschädlicher Emissionen – mit besonderem Fokus auf Kohlendioxid. Neben der Umstellung auf regenerative Energieträger, sind im Speziellen für die Zementindustrie die erheblichen Anteile an CO2-Emissionen durch die Entsäuerung von Kalkstein zukünftig zu vermeiden. Da die hervorragenden Bindemitteleigenschaften des bisher hauptsächlich in Zementen eingesetzten Portlandklinkers jedoch auf Calciumverbindungen wie Tri- und Di-calciumsilikaten basieren, stellt die Substitution des Kalks derzeit für die Zementindustrie die größte Herausforderung dar. Neben vollständig neuen Bindemittelsystemen ohne Verwendung von Kalk und CCS/CCU-Technologien zur Vermeidung der CO2-Emissionen bei Verwendung von Kalk, können Abfälle und Nebenprodukte wie etwa Betonbrechsand, verschiedene Schlacken und weitere Massenreststoffe sinnvoll zur Einsparung von Rohstoffen und zur Vermeidung von CO2-Emissionen eingesetzt werden. Es gilt diese Potentiale von Sekundärrohstoffen branchenübergreifend zu identifizieren und Synergien zwischen den Branchen nutzbar zu machen. Hierbei werden neben der chemischen Zusammensetzung der Abfälle und Nebenprodukte auch die Verfügbarkeit und der Massenstrom relevante Kriterien sein. Die potenziellen Sekundärrohstoffe und deren Gemische mit chemisch ähnlicher Zusammensetzung wie die bisher verwendeten Bindemittel, können durch verschiedene technische Ansätze wieder in reaktive Bindemittel umgewandelt und damit nutzbar gemacht werden. Eine gezielte Umwandlung der nicht reaktiven mineralischen Phasen in neue mineralische Phasen mit guten Bindemitteleigenschaften, kann u. a. durch Schmelzprozesse erzielt werden. In Schmelzen können bei hohen Temperaturen die bestehenden, nicht reaktiven mineralischen Phasen zerstört und neue mineralische Phasen mit guten Bindemitteleigenschaften erzeugt werden. Hohe Freiheitsgrade durch gezielte Einstellung der stofflichen Zusammensetzung der Schmelze, durch Stoffseparationen und durch geregelte Abkühlregimes können eine maßgeschneiderte Erzeugung neuer Bindemitteltypen ermöglichen. Aufgrund der hohen erforderlichen Temperaturen von Schmelzprozessen ist die Umsetzung dieser neuen Verfahren nach Möglichkeit in bestehenden pyrometallurgischen Produktionsrouten wie etwa der Stahlproduktion vorzunehmen. So kann etwa der Einsatz von Betonbrechsand als Schlackebildner in der Stahlproduktion zielführend sein, wenn die Schlacke wieder zu einem Bindemittel prozessiert wird und in Zementen Verwendung findet. Eine stoffliche Kreislaufführung wäre hiermit gegeben, wobei der Einsatz von Kalkstein als Schlackebildner oder Rohstoff für die Zementproduktion, und damit die entsprechenden CO2-Emissionen, vermieden werden. Die Entwicklung neuartiger Bindemittelsysteme auf Basis von Sekundärrohstoffen sollte von erforderlichen Anpassungen und neuen Entwicklungen in der Regelsetzung und Normung begleitet werden. Vor allem muss gewährleistet sein, dass die mit neuen Bindemitteln hergestellten Betone den hohen Anforderungen an Dauerhaftigkeit und Umweltverträglichkeit genügen. Des Weiteren sollte mit den etablierten Methoden, wie etwa der Lebenszyklusanalyse, untersucht werden, inwiefern und in welchem Umfang die neuen technischen Entwicklungen zu Nachhaltigkeit und Klimaschutz beitragen.