4 Material und Umwelt
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Organisationseinheit der BAM
- 4 Material und Umwelt (808)
- 4.1 Biologische Materialschädigung und Referenzorganismen (189)
- 4.3 Schadstofftransfer und Umwelttechnologien (163)
- 4.5 Kunst- und Kulturgutanalyse (139)
- 4.4 Thermochemische Reststoffbehandlung und Wertstoffrückgewinnung (137)
- 4.2 Material-Mikrobiom Wechselwirkungen (135)
- 4.0 Abteilungsleitung und andere (73)
- 6 Materialchemie (61)
- 1 Analytische Chemie; Referenzmaterialien (43)
- 6.2 Material- und Oberflächentechnologien (26)
The church of Koszewko (Poland) is a brick building edified in the 15th century built on cobblestone foundations. There are five windows in the sanctuary. Three of them enclose heraldic panels from the Küssow’s family from the 15th century which are surrounded with Goethe glass from the 18th century to complete the windows. The colored heraldic panels are strongly damaged and corroded with massive paint layer losses, glass- and leadbreakages. Those medieval glass fragments have been shortly discovered and are of particular interest for Poland since only few medieval glazing have been conserved.
The damages as well as the glass compositions have been investigated with ESEM/EDX. Two categories of medieval glass compositions have been identified. The blue glass is particularly sensible to corrosion because of his high content in K2O. The colorless and the red glass samples belong to a stable glass type. Due to the thickness of the gel layer, it is easy to see that the degradation is strongly proceeded. The protection of those medieval stained-glass panels is absolute necessary.
The medieval panels have been restored and surrounded from a copper frame. Then they have been fixed on the wood frame in the church. The exterior glazing has been closed with a panel of Goethe glass. The gap between the Goethe- and the medieval glass is about 3 cm. The Goethe glass panel has been stabilized with a film based on polyester to protect the medieval glasses against any damages. In this way, a low cost protective glazing has been installed for a long-term conservation of each medieval stained-glass panels. The climate measurements over the period of one year on the restored windows are in process. The temperature and the relative humidity are recorded in the church interior, in the gap between the original and the Goethe glass and outdoors.
In Vorbereitung einer Restaurierung erfolgten naturwissenschaftliche Untersuchungen zu Schadensphänomenen und Glaszusammensetzungen an mittelalterlichen Gläsern aus der Dorfkirche in Koszewko (Polen)im Environmental Scanning Electron Microscope (ESEM) mit EDX. Die Ergebnisse zeigen, dass die Glasverwitterung schon sehr stark vorangeschritten ist und ein zukünftiger Schutz der mittelalterlichen Glasmalereifelder vor Umwelteinflüssen unbedingt notwendig ist. Es wurde ein Schutzverglasungsystem entwickelt, das speziell auf den langfristigen Erhalt der einzelnen mittelalterlichen Glasmalereifelder ausgelegt ist.
Auslaugung von Stoffen aus Bauteilen kann zu einer Belastung von Boden und Gewässern führen. Das Simulationsmodell COMLEAM (COnstruction Material LEAching Model) wurde eingesetzt, um die Stoffauswaschung besser zu verstehen und das damit verbundene Umweltrisiko besser einschätzen zu können. Emissionsfunktionen sind Bestandteil dieses Modells. Hier werden fünf verschiedenen Funktionen beschrieben, getestet und hinsichtlich ihrer Eignung für Prognosemodelle bewertet.
Ammoniakemissionen in die Umwelt erfolgen insbesondere durch die Landwirtschaft (93,6 %), aber auch durch Verbrennungsprozesse in der die Abfallwirtschaft (2,3 %) und den Straßenverkehr (1,8 %). Dieser Stoff ist selbst in geringen Konzentrationen nicht nur eine Geruchsbelästigung, sondern auch eine Substanz mit ökologischer und klimatischer Relevanz.
Die Bestimmung von Ammoniak in relevanten Konzentrationen von kleiner 25 μg m-3 erfolgt im Allgemeinen über NH4+ als Analyten, spektralfotometrisch oder mit der Ionenchromatographie nach Überführung in die flüssige Phase. Wegen der niedrigen Konzentrationen an Ammoniak in der Außenluft wird meist eine gesammelte Probe verwendet oder die Bestimmung erfolgt nach einer aktiven, anreichernden Probenahme.
Die eigenen Arbeiten sollen dazu beitragen, die Ammoniak-Bestimmung in der Außenluft präziser, sowie schneller und kostengünstiger zu machen.
Die BAM prüfte daher kommerzielle elektrochemische und Metalloxid-basierte Sensoren, die für diesen Konzentrationsbereich aber nur bedingt geeignet sind. Deshalb wurden alternativ eigene Entwicklungen zum Nachweis von Ammoniak im Spurenbereich aufgenommen, wobei der Analyt über die Änderung der Fluoreszenz eines BODIPY-Farbstoffs bei 550 nm mittels eines portablen Fluoreszenz-Sensors direkt aus der Gasphase gemessen wird.
Zur Kalibrierung von Ammoniak-Sensoren und -Messgeräten steht ein stationäres System basierend auf der Mischung von zertifizierten Prüfgasen aus Druckflaschen mit kalibrierten Massendurchfluss-regler (MFC) zur Verfügung. Darüber hinaus erfolgt eine chemische Analyse der verwendeten Gasgemische mittels eines Massenspektrometers.
Für die Kalibrierung und Prüfung von Sensoren und Messgeräten vor Ort wurde ein mobiles Prüfsystem entwickelt. Die Generierung von Ammoniak-haltigen Gasen im Spurenbereich von 0,5 nmol/mol bis 500 nmol/mol erfolgt durch das Permeationsverfahren nach ISO 6145-10.
Für die Realisierung der Rückführbarkeit der Ammoniakbestimmung werden von den Nationalen Metrologischen Instituten sowie designierten Instituten Standards bereitgestellt und auch weiterentwickelt. Die primären metrologischen Standards beruhen auf SI-Einheiten und sind die Basis für eine Rückführbarkeit der Sensoren bzw. Analysengeräte.
Kunststoff- und Kunststoffrasenflächen kommt bei intensiv genutzten Flächen als Allwetterbeläge eine große Bedeutung zu. Sie leisten einen wichtigen Beitrag zur Absicherung eines ganzjähriger Sportangebote.
Gerade Kunststoffrasen ist aber in den letzten Jahren häufig in die Kritik geraten, insbesondere durch gefährliche Inhaltsstoffe und andere negative Einflüsse auf die Umwelt. Dies hat bei Bauherren zu einer Verunsicherung geführt und Fragen aufgeworfen, die erst teilweise beantwortet sind. Die Diskussionen rund um diesen Allwetterbelag haben bereits dazu geführt, dass von Seiten der Industrie viel verändert wurde und neue innovative Lösungen gefunden werden.
Der Fachbericht stellt eine Handreichung für Fachleute und interessierte Laien dar, um mehr Klarheit besonders hinsichtlich der Umweltanforderungen zu erzielen.
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.
Tantalum and niobium are essential for the development of electronics towards a more and more compact design, but without reducing their performance today. Especially in smart phones and tablets, tantalum and niobium capacitors with high charge densities have already become almost indispensable. However, tantalum as a critical raw material is still a problem for the sustainable production of electronics. Due to this fact, the existence of efficient recycling processes especially in Europe is becoming even more important nowadays.
The Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) is currently working on the optimisation of an existing pyrometallurgical tantalum recycling process. Optimisation of this industrial process is carried out in a small-scale electric arc furnace (480 kVA, capacity approx. 150 kg/h) at BAM using a new and innovative equipment for on-line analysis of high temperature processes.
The aim of this project is to identify the best timing for an optimum slag tapping, when the slag is lower than minimum targeted tantalum concentration. Hence, LIBS (Laser induced breakdown spectroscopy) is used to identify the chemical composition of the slag layer and during slag tapping. The on-line-LIBS prototype of BAM enables an in-situ measurement of the element distribution in the melt after calibration on the slag system.
First results of this joint research project will be presented including LIBS-measurements and thermodynamic and kinetic aspects of the process.
Da das Recycling von tantalhaltigen Post-Consumer-Abfällen praktisch nicht existiert, stellen metallurgische Reststoffe eine äußerst wichtige Rohstoffquelle für das Tantalrecycling dar. Die meisten Zinnerze enthalten von Natur aus erhebliche Mengen an Refraktärmetallen. Diese Elemente werden in den Schlacken der pyrometallurgischen Primärzinngewinnung angereichert. Aufgrund ihrer vergleichsweise hohen Wertstoffkonzentration und ihrer Funktion als zusätzlicher Schlackenbildner stellen diese Schlacken einen wertvollen Rohstoff für die Verhüttung tantalhaltiger Reststoffe dar. In der vorliegenden Arbeit wird ein existierendes Verfahren zur Tantalrückgewinnung diskutiert, dem hauptsächlich pyrometallurgische Rückstände geringer Wertstoffkonzentration als Einsatzstoff dienen. Mit Hilfe des Verfahrens sollte dasoxidisch vorliegende Tantal vollständig reduziert und in der Metallphase angereichert werden. Weiterhin sollte vermieden werden, dass unerwünschte Elemente wie Titan in die Metallphase überführt werden. Ziel der Untersuchung war es, die ablaufenden Reduktionsprozesse besser zu verstehen, um so Ansätze für die Prozessoptimierung identifizieren zu können.
An existing pyrometallurgical process for tantalum and niobium recovery, mainly from low grade pyrometallurgical residues, was investigated. Series of melting experiments were carried out in a pilot-scale electric arc furnace to study how the amount, the grain size and the way of feeding affect the activity of carbon as a reducing agent. During the pyrometallurgical treatment refractory metals such as tantalum and niobium are reduced to their carbide form and enriched in the molten iron-based metal phase. The cooled down slag and metal phase were analysed to investigate thermodynamic and kinetic conditions of the carbide formation. FACT Sage simulations were also used to investigate the material system in state of thermodynamic equilibrium. Results show that mass transfer and kinetics may play an important role if compared to equilibrium analyses using FACT Sage.
Since the recycling of tantalum bearing post-consumer waste is practically not existent, metallurgical residues are the most important feed for the tantalum recycling. Most tin ores naturally contain significant quantities of refractory metals. During the smelting process in primary tin production these elements are enriched in the slag phase. This slag is a highly valuable raw material for tantalum production due to its considerable concentration of tantalum and its functioning as an additional slag former in further pyrometallurgical treatment.
In this paper the first process stage of an existing pyrometallurgical process for tantalum recovery, mainly from low grade pyrometallurgical residues, is discussed. Smelting trials were carried out in a pilot-scale electric arc furnace to analyse the effect of feeding on the activity of carbon as a reducing agent. Therefore, blowing petroleum coke through an iron lance and the manual adding of coke into the melting bath were tested. During the pyrometallurgical treatment elements with a high affinity to carbon were reduced to their carbide form and enriched in the molten iron-based metal phase. The objective of the process was to reduce the oxidic tantalum completely and to enrich it into the metal phase. Furthermore, the transfer of unwanted elements such as titanium into the metal phase was aimed to be avoided.
Spoon test specimens were taken from the liquid mineral melt to follow the evolution of the reduction process. The cooled down solidified melting bath was investigated by using the XRD and EDX method to characterise the slag system and to identify relevant mineral phases.
Optimierung eines pyrometallurgischen Tantal- und Niob- Recyclingprozesses mithilfe von On-Line LIBS
(2018)
Die Entwicklung von Hochleistungselektronik zu immer kleineren Bauformen ohne Leistungseinbußen ist ohne den Einsatz von Technologiemetallen wie Niob und Tantal heute praktisch nicht mehr realisierbar. Besonders in technischen Geräten wie Smartphones und Tablets sind Tantal- und Niobkondensatoren aufgrund ihrer hohen Leistungsdichten bereits unverzichtbar geworden. Für die nachhaltige Produktion von Elektronik stellt jedoch vor allem das Tantalerz Coltan als sogenanntes „conflict mineral” ein großes Problem dar.
Um den Wirtschaftsstandort Europa unabhängiger von Primärrohstoffimporten aus Krisenregionen zu machen, ist die Entwicklung von effizienten Recyclingverfahren heute wichtiger denn je. An der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) findet daher zurzeit die Optimierung eines pyrometallurgischen Industrieprozesses zur Niob- und Tantalrückgewinnung statt, welchem hauptsächlich niedrigkonzentrierte metallurgische Rückstände aus der Tantal- und Niob- bzw. der Zinngewinnung als Einsatzstoffe dienen.
Zu diesem Zweck werden im kleintechnischen Lichtbogenofen der BAM (480 kVA, max. Materialdurchsatz ca. 150 kg/h) Versuche mit einem neuen innovativen Messgerät durchgeführt, welches eine On-Line Analyse von Hochtemperaturprozessen ermöglicht. Der eingesetzte Prototyp nutzt das Verfahren der laserinduzierten Plasmaspektroskopie (LIBS), um die chemische Zusammensetzung der Schlackephase noch im Schmelzbad und während eines Schlackeabgusses zu bestimmen. Nach einer Kalibrierung auf das vorliegende Stoffsystem ermöglicht dieser On-Line-LIBS Prototyp der BAM daher eine in-situ Bestimmung der Elementverteilung in der Schmelze. Die hier gewonnenen Daten sollen helfen, die aktuelle Prozessführung zu verbessern und die Tantal- und Niobausbeute noch weiter zu erhöhen.
Tantalum and niobium are essential for the development of electronics towards a more and more compact design, but without reducing their performance today. Especially in smart phones and tablets, tantalum and niobium capacitors with high charge densities have already become almost indispensable. However, tantalum as a critical raw material is still a problem for the sustainable production of electronics. Due to this fact, the existence of efficient recycling processes especially in Europe is becoming even more important nowadays.
The Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) is currently working on the optimisation of an existing pyrometallurgical tantalum recycling process. Optimisation of this industrial process is carried out in a small-scale electric arc furnace (480 kVA, capacity approx. 150 kg/h) at BAM using a new and innovative equipment for on-line analysis of high temperature processes.
The aim of this project is to identify the best timing for an optimum slag tapping, when the slag is lower than minimum targeted tantalum concentration. Hence, LIBS (Laser induced breakdown spectroscopy) is used to identify the chemical composition of the slag layer and during slag tapping. The on-line-LIBS prototype of BAM enables an in-situ measurement of the element distribution in the melt after calibration on the slag system.
First results of this joint research project will be presented including on-line-LIBS-measurements and thermodynamic and kinetic aspects of the process.
An existing pyrometallurgical process for tantalum and niobium recovery, mainly from low grade pyrometallurgical residues, was investigated. Series of melting experiments were carried out in a pilot-scale electric arc furnace to study how the amount, the grain size and the way of feeding affect the activity of carbon as a reducing agent. During the pyrometallurgical treatment refractory metals such as tantalum and niobium are reduced to their carbide form and enriched in the molten iron-based metal phase. The cooled down slag and metal phase were analysed to investigate thermodynamic and kinetic conditions of the carbide formation. FACT Sage simulations were also used to investigate the material system in state of thermodynamic equilibrium. Results show that mass transfer and kinetics may play an important role if compared to equilibrium analyses using FACT Sage.
Since the recycling of tantalum bearing post-consumer waste is practically not existent, metallurgical residues are the most important feed for the tantalum recycling. Most tin ores naturally contain significant quantities of refractory metals. During the smelting process in primary tin production these elements are enriched in the slag phase. This slag is a highly valuable raw material for tantalum production due to its considerable concentration of tantalum and its functioning as an additional slag former in further pyrometallurgical treatment.
In this paper the first process stage of an existing pyrometallurgical process for tantalum recovery, mainly from low grade pyrometallurgical residues, is discussed. Smelting trials were carried out in a pilot-scale electric arc furnace to analyse the effect of feeding on the activity of carbon as a reducing agent. Therefore, blowing petroleum coke through an iron lance and the manual adding of coke into the melting bath were tested. During the pyrometallurgical treatment elements with a high affinity to carbon were reduced to their carbide form and enriched in the molten iron-based metal phase. The objective of the process was to reduce the oxidic tantalum completely and to enrich it into the metal phase. Furthermore, the transfer of unwanted elements such as titanium into the metal phase was aimed to be avoided.
Spoon test specimens were taken from the liquid mineral melt to follow the evolution of the reduction process. The cooled down solidified melting bath was investigated by using the XRD and EDX method to characterise the slag system and to identify relevant mineral phases.
Previous studies have shown that desktop 3D printers (Fused Filament Fabrication) emit high numbers of particulate matter, mainly as ultrafine particles (UFP, particle diameter less than 100 nm). However, the chemical composition of emitted particles has been less extensively investigated. In this study, we therefore focused on the chemical composition of particles emitted from 3D printing. The measurements were conducted in a 1 m³ emission test chamber. Emitted particles were sampled by a 13-stage low-pressure cascade impactor onto aluminum foils and then analyzed by TD-GC/MS to identify their organic compounds. Nine commercial filaments made from basic polymers such as Acrylonitrile Butadiene Styrene (ABS), Acrylonitrile Styrene Acrylate (ASA), Polycarbonate (PC), Poly(methyl methacrylate) (PMMA), Nylon, High Performance Polystyrene (HIPS) and a copper-filled Polylactide (PLA) were investigated. The results show that the organic components of the particles are primarily plastic additives such as plasticizer, antioxidant agents, lubricants, UV-absorbers and UV-stabilizers from the filaments.
Previous studies have shown that desktop 3D printers (Fused Filament Fabrication) emit high numbers of particulate matter, mainly as ultrafine particles (UFP, particle diameter less than 100 nm). However, the chemical composition of emitted particles has been less extensively investigated. In this study, we therefore focused on the chemical composition of particles emitted from 3D printing. The measurements were conducted in a 1 m³ emission test chamber. Emitted particles were sampled by a 13-stage low-pressure cascade impactor onto aluminum foils and then analyzed by TD-GC/MS to identify their organic compounds. Nine commercial filaments made from basic polymers such as Acrylonitrile Butadiene Styrene (ABS), Acrylonitrile Styrene Acrylate (ASA), Polycarbonate (PC), Poly(methyl methacrylate) (PMMA), Nylon, High Performance Polystyrene (HIPS) and a copper-filled Polylactide (PLA) were investigated. The results show that the organic components of the particles are primarily plastic additives such as plasticizer, antioxidant agents, lubricants, UV-absorbers and UV-stabilizers from the filaments.
Fused filament fabrication (FFF) on desktop 3D printers is a material extrusion-based technique often used by educational institutions, small enterprises and private households. Polymeric filaments are melted and extruded through a heated nozzle to form a 3D object in layers. The extrusion temperature is therefore a key parameter for a successful print job, but also one of the main driving factors for the emission of harmful air pollutants, namely ultrafine particles and volatile organic gases, which are formed by thermal stress on the polymeric feedstock. The awareness of potential health risks has increased the number of emission studies in the past years. However, the multiplicity of study designs makes an objective comparison of emission data challenging because printer hardware factors such as the actual extruder temperature (TE) and also feedstockspecific emissions are not considered. We assume that across the market of commercial low- and mid-price FFF printers substantial deviations between actual and set extruder temperatures exist, which have a strong effect on the emissions and hence may bias the findings of exposure studies. In our last publication, we presented a standardized feedstock-specific emission test method and showed that for each investigated feedstock an increase in actual extruder temperature was accompanied by an increase in particle emissions (Tang and Seeger, 2022). Therefore, any systematic discrepancy between set and actual extruder temperature matters. In this study, we used a thermocouple and an infrared camera to measure the actual extruder temperatures at different heights. We found significant under- and overestimation of the actual extruder temperatures by the respective set temperatures in three commercial printers. This caused a broad variation of the measured total numbers of emitted particles (TP), even when the same feedstock was operated. For the determination of TP, we followed the DE-UZ 219 test guideline. In a second round we repeated the tests with all printers adjusted to exactly the same extruder temperatures, i.e., to TE=230°C for ABS and TE=210°C for PLA. All measurements were conducted in a 1 m³ emission test chamber. Particle emissions in the size range between 4 nm and 20 μm were detected. Printing on three different printer models without temperature adjustment resulted for each of the investigated feedstocks in a variation in TP of around two orders of magnitude. After temperature adjustment, this was substantially reduced to approx. one order of magnitude and hence minimizes the bias of printer hardware on the emissions. Our findings suggest that adjustment of the extruder temperature should be mandatory in emission testing standards. It also poses a more accurate benchmark and provides more reliable emission data for evaluation of indoor air quality or for health risk assessments. In addition, a proper temperature setting is in the interest of the user. Some commercial FFF printers may have a higher actual extruder temperature than displayed and unintended overheating may not only impair the print quality but may cause unnecessarily increased exposure to particle emissions.
The diversity of fused filament fabrication (FFF) filaments continues to grow rapidly as the popularity of FFF-3D desktop printers for the use as home fabrication devices has been greatly increased in the past decade. Potential harmful emissions and associated health risks when operating indoors have induced many emission studies. However, the lack of standardization of measurements impeded an objectifiable comparison of research findings. Therefore, we designed a chamber-based standard method, i.e., the strand printing method (SPM), which provides a standardized printing procedure and quantifies systematically the particle emission released from individual FFF-3D filaments under controlled conditions. Forty-four marketable filament products were tested. The total number of emitted particles (TP) varied by approximately four orders of magnitude (1E9 ≤ TP ≤ 1E13), indicating that origin of polymers, manufacturer-specific additives, and undeclared impurities have a strong influence. Our results suggest that TP characterizes an individual filament product and particle emissions cannot be categorized by the polymer type (e.g., PLA or ABS) alone. The user's choice of a filament product is therefore decisive for the exposure to released particles during operation. Thus, choosing a filament product awarded for low emissions seems to be an easily achievable preemptive measure to prevent health hazards.
An understanding of the interactions of 2D nanomaterials with pathogens is of vital importance to developing and controlling their antimicrobial properties. In this work, the interaction of functionalized graphene with tunable hydrophobicity and bacteria is investigated. Poly-(ethylene glycol)-block-(poly-N-isopropylacrylamide) copolymer (PEG-b-PNIPAM) with the triazine joint point was attached to the graphene Surface by a nitrene [2 + 1] cycloaddition reaction. By thermally switching between hydrophobic and hydrophilic states, functionalized graphene sheets were able to bind to bacteria. Bacteria were eventually disrupted when the functionality was switched to the hydrophobic state. On the basis of measuring the different microscopy methods and a live/dead viability assay, it was found that Escherichia coli (E. coli) bacteria are more susceptible to hydrophobic interactions than B. cereus bacteria, under the same conditions. Our investigations confirm that hydrophobic interaction is one of the main driving forces at the presented graphene/bacteria interfaces and promotes the antibacterial activity of graphene derivatives significantly.
Waste-to-energy (WtE) is one of the leading technologies for municipal solid waste (MSW) treatment in Europe. According to Eurostat data, in 2015, 27 % of MSW was utilized in WtE plants, which represents more than 80 million tons per year. Therefore, the European annual production of incineration bottom ash (IBA) is about 20 million tons, as it is about 25 wt% of input MSW. In the European List of Waste, IBA is listed as mirror entry (i.e. waste materials which should be classified as either non-hazardous or hazardous, depending on its hazardous properties and/or content of hazardous substances) under codes 19 01 11 and 19 01 12.
Recent trends indicate that WtE allows, apart from utilization of the energy content of waste, also the recovery of various valuable components. Hence, WtE can be included in the key technologies that can put the circular economy concept into practice. Secondary raw materials in the case of WtE are solid residues, especially IBA, as it is a secondary source, particularly of ferrous metals (Fe) and non-ferrous metals (NF) and glass. Moreover, the residual mineral fraction can be used for various applications in the construction industry, i.e. as aggregates substitute for bound or unbound applications, in cement manufacturing or, as indicated by recent research, also in more sophisticated applications, e.g. for ceramics production. Recovery of these metals can also cause huge greenhouse gas savings. Alone in Europe, metal recovery from IBA reduces greenhouse gas emissions by approximately 3.2 million tonnes of CO2 equivalent.
Nowadays, people spend most of their time indoors. Thus, a good indoor air quality is important. Emissions of volatile organic compounds (VOCs) from furniture and building materials can cause health complaints1. Quantitative VOC-emission testing is carried out under standardized conditions in emission test chambers. In the presented project an emission reference material (ERM) is developed that emits a defined mixture of VOCs which is required for quality assurance and -control (QA/QC) measures. Porous materials (e.g zeolites, activated carbons, MOFs or aerogels) are used as reservoir materials and impregnated with VOC. The porous materials are selected, among others, by their pore size, pore size distribution, polarity and availability. Due to their regular pore structure zeolites are tested at first. For a prediction of the emission profile, the ERM is supposed to exhibit a constant emission rate over time. The aim is a stability of ≤ 10 % change in the emission rate over a minimum of 14 days.
Method
For impregnation, the material is placed into an autoclave inside a rotatable basket. The VOC is added and the autoclave is closed. Afterwards, CO2 is inserted. The closed system is then heated to the supercritical point of CO2 (31 °C, 73.75 bar). In this state, the CO2 acts as solvent for the VOC. By rotating the basket, the distribution of the VOC is ensured. After a few minutes, the pressure is decreased slowly and the CO2 is released. For the determination of the emission profile, the impregnated sample is placed into an emission test chamber. These chambers can be operated either with dry or humid air (50 ± 5 % rel. humidity). Every second to third day, air samples are taken and analyzed by gas chromatography. For an ideal impregnation, several different pressures and temperatures as well as impregnation times are tested.
Results
Two zeolite materials tested in dry air conditions reach emission profiles with a decrease of less than 10 % over 14 days (heptane and toluene, respectively). Further it was discovered that smaller pellets of the same zeolite show better results than bigger particles. When the pore size of a zeolite is too small, e.g. 0.3 nm, the VOC cannot be absorbed sufficiently. The main disadvantage of zeolites is their hygroscopicity because it has a large impact on the release of VOC when they are used in emission test chambers under standardized test conditions (23 °C, 50 % rel. humidity). Activated carbons have emission profiles with a larger change over 14 days. However, the high hydrophobicity allows measurements in humid air conditions which was not possible with the before mentioned hygroscopic zeolites. It is possible to impregnate powdered materials as well, and thus powdered non-hygroscopic (n.h.) zeolites were impregnated. Their emission profiles are comparable to those of the activated carbons. The use of methylated hygroscopic zeolites with a decrease in hygroscopicity did not yield successful emission measurements. The change over 14 days is calculated only for the stable phase (~250–300 h).
The desired stability of ≤ 10 % change of the emission rate over 14 days could already be reached under dry testing conditions. Further investigations under humid conditions show that zeolites with high Si/Al-ratios are non-hygroscopic and comparable to activated carbons (20–30 % change). The next step is to reduce the change in the emission rate of these materials to the aimed ≤ 10 % over 14 days.
Since nowadays people spend most of their time indoors, a healthy environment is essential. Volatile organic compounds (VOCs) emitted from furniture and building materials are reported to cause health complaints. Therefore, the usage of low emitting materials will improve the indoor air quality. Quantitative VOC emission testing is usually conducted in emission test chambers under specified controlled conditions as described in DIN 16000-9 and DIN EN 16516.
For reasons of quality control/quality assurance (QC/QA) and for a better comparability of test results from different laboratories, suitable emission reference materials (ERM) are needed. Here, it is important to have a homogenous material with known emission rates over a specific time. Different approaches can be found in literature, inter alia polymer films loaded with the target compound to be released again, or a lacquer material to which a VOC mixture is added. After curing of the lacquer, the material can be loaded into a test chamber. Drawback of those approaches are their relatively fast decreasing emission profiles. For QC/QA purposes according to the test standards, VOC sources with constant emission profiles are desirable.
The EU-funded research project MetrIAQ “Metrology for the determination of emissions of dangerous substances from building materials into indoor air” is working on a multi-component ERM with an envisaged instability of ≤ 10 % in the emission rate over at least 14 days.
Within a doctoral thesis porous materials are impregnated with VOCs. Supercritical CO2 is used as solvent. Thus, the impregnated material does not contain any solvent that may show a measurable amount of emission in the emission test chamber. Furthermore, CO2 has the benefits to have a good availability and low costs. For the selection of porous materials several properties like the pore size, the surface, and the interaction with the components in the atmosphere need to be considered. The impregnation method is optimised while the different porous materials are tested. For the selection of porous materials the pores need to be large enough for the VOC molecules, further influence of the pore size is tested.
We demonstrate a 2D platform based on high contrast wetting patterns suitable for miniaturized microbiological assays.
In principal, superhydrophilic spots are surrounded by a superhydrophobic surface area. The special structure of the superhydrophilic functional surface ensures that liquids, e.g. bacterial suspensions or biocide solutions, spread immediately and evenly on this surface without passing the wetting boundary. This feature allows a homogenous distribution of bacteria or chemical substances on well defined lateral dimensions. The superhydrophilic spots may also serve as substrate for bacterial biofilms. Due to the high wetting contrast and the fabrication process, it is possible to minimize the test areas as well as their distance to each other.
We demonstrate the fabrication process of the high wetting contrast platform and also present a microbiological assay as an application example. Advantages of this platform are the use of low volumes and its potential of automated analysis.
Im Rahmen des Forschungsvorhabens wurde die biologische Prüfmethode der Checkliste zur stoffli-chen Bewertung im Rahmen des Aufnahmeverfahrens für weitere Topfkonservierungsmittel in den Anhang 1 zur Vergabegrundlage RAL-UZ102 „Emissionsarme Innenwandfarben“ überarbeitet. Der Test für den Einsatz von Konservierungsmitteln in seiner jetzigen Fassung besteht seit nahezu 20 Jah-ren und erfolgt ausschließlich an weißer Dispersionsfarbe für den Innenraum. Die hierbei ermittelten Höchstmengen für den Einsatz von Topfkonservierern werden z.Zt. auch auf andere Innenraumbau-produkte übertragen. Ziel war es zu klären, ob die Anforderungen an die Topfkonservierung bei Far-ben tatsächlich für andere Innenraumbauprodukte übernommen werden können. Die im Vorhaben durchgeführten Versuche deuten darauf hin, dass dies nicht ohne weiteres möglich ist. Nach Rückspra-che mit Vertretern aus der Industrie wurde das Keimspektrum für die Prüfung zudem um Hefe- und Schimmelpilze erweitert. Des Weiteren wurde eine künstliche Alterung eingeführt und überprüft, ob dies einen Einfluss auf den Gehalt an Isothiazolinonen hat. Die Konzentration von Isothialzolinonen wurde mittels Ultra-Hochleistungsflüssigkeitschromatographie kontrolliert und hinsichtlich einer Kor-relation mit dem Wachstum von Mikroorganismen ausgewertet. Da die in den Innenraumbauproduk-ten zugesetzten Isothiazolinone als Kontaktallergene bekannt sind, ist es ein Ziel des „Blauen Engel“-Umweltzeichens, die geringste erforderliche Menge an Konservierungsmittel in den Produkten zu ver-wenden, ohne die positive Auswirkung der Topfkonservierung zu gefährden. Daher sind die Optimie-rung der Leistungsstärke von Konservierungsmitteln und die Kontrolle der Hygiene im Herstellungs-prozess von zunehmender Bedeutung. Um Einblicke in den Herstellungsprozess von Farben zu gewin-nen, wurden im Rahmen des Vorhabens vier Farbwerke besichtigt, in denen weiße Innenraumfarben produziert werden, die mit dem Umweltzeichen „Blauer Engel“ ausgezeichnet sind. Gemeinsam mit den Fachleuten vor Ort wurde diskutiert, welche Maßnahmen zur Verbesserung der Werkshygiene er-griffen werden können, um den Einsatz von Topfkonservierern möglichst gering zu halten. Des Weite-ren wurde in dem Forschungsvorhaben untersucht, ob eine schnellere Bestimmung der Keimzahl in den Rohstoffen mittels quantitativer Polymerasekettenreaktion bereits im Farbwerk realisierbar ist.
Mikroskopische Pilze, die sich schnell auf verfügbaren Oberflächen ausbreiten können und die wir (wenn sie sich ansammeln), auch mit bloßem Auge erkennen können, werden Schimmelpilze genannt. Da diese Organismen verschiedene organische Kohlenstoffverbindungen als Nahrung benutzen, werden sie sich bei wachstumfördernden Feuchtigkeitsbedingungen in Bibliothekbeständen schnell ausbreiten können. Im Vortrag werden Haupteigenschaften aller Pilze, sowie auch aktuelle Methoden der Identifizierung dieser Organismen erörtert.
Benutzung geeigneter Lebendkulturen als Referenzorganismen geben der Materialprüfung und -forschung eine Möglichkeit des reproduzierbaren Experimentierens mit verschiedenen Materialien und Simulation von Bedingungen im Gebrauch. Vorteile unserer Testverfahren sind: (i) Zeitraffung und Kontrollierbarkeit der Umweltparameter; (ii) Benutzung einer naturnahen Vergesellschaftung; iii) gezielte Variationen der Prüfbedingungen im Labor.
Ziel dieser Untersuchungen ist einerseits biogene Schäden an neuen Materialien zu verfolgen und zu modellieren, und damit eine bessere Planungsgrundlage für die Materialentwicklung anzubieten. Andererseits werden mit den Referenzorganismen mikrobiologisch moderne und zeitraffende Techniken angeboten, die neue Behandlungsmethoden oder Pflegeverfahren für die Bestandserhaltung erwarten lassen.
Development of a methodical approach for in-situ analysis of modern reverse paintings on glass
(2018)
The technique of painting on the reverse side of glass was rediscovered by artists in the early 20th century and gained great popularity, especially in Germany. In contrast to other paint techniques (e.g. panel and mural painting), the paint layers are applied in reverse succession starting with the foremost paint layer and ending with the primer (backmost layer). The paintings are viewed in reflected light, thus revealing an impressive gloss, luminosity and depth of colour.
Scientific investigation of the material provides important information for appropriate conservation concepts. Transport of the precious and fragile objects to the lab is often not feasible. Therefore, in-situ, non-invasive analysis is necessary to analyse colorants and binders. However, some analytical problems need to be considered: due to the reverse paint stratigraphy in reverse paintings on glass, the measured layer is always the backmost one. The analytical possibilities are extremely reduced, when the back is covered by a metal foil (or by paper, carton etc.). However, measurements through the glass (using Raman and VIS) can still yield information on the colourants of the front layer.
When the paint layer is accessible, we start our procedure using X-ray fluorescence (Tracer III-SD, Bruker AXS Microanalysis GmbH, 40 kV, 15 μA) and VIS reflectance spectroscopy (SPM 100, Gretag-Imaging AG). Both techniques provide first information on the inorganic colourants. Raman measurements (i-Raman®Plus, Bwtek inc., 785 nm, 50× objective, resolution 4 cm-1) are then carried out to clarify uncertain XRF measurements and to identify synthetic organic pigments (SOP). Diffuse Reflection-Infrared-Fourier-Transform Spectroscopy (DRIFTS; ExoScan, Agilent GmbH, 4000–650 cm-1, 500 scans, spectral resolution 4 cm-1) is used for the classification of the binders. Moreover, it may help to identify SOP, when fluorescence dominates the Raman signal. This analytical sequence yields the best results, when time is the limiting factor.
We present two in-situ studies of the paintings “Kreuzabnahme” (1914-15) by Carlo Mense and “Stadt am Morgen” (1921) by Walter Dexel. The painting “Kreuzabnahme” is an outstanding piece in Mense’s ɶuvre, because the glass plate was painted on both sides (Fig. 1). The results of the back-side show mainly inorganic pigments: basic lead white, talc, red and brown ochre, cinnabar, chrome yellow, viridian, ultramarine blue, Prussian blue and bone black. The classification of binding media using DRIFTS yields positive results for drying oil. Acrylic resin could be identified in two areas, resulting from a previous restauration treatment. For the front side painting, Mense used basic lead white, cinnabar, chrome yellow and umbra as pigments and oil as binder.
Measurements of the abstract painting “Stadt am Morgen” by Walter Dexel show zinc white, basic lead white, chalk, cinnabar, red lead, strontium yellow, cadmium yellow, cobalt blue, Prussian blue, ultramarine blue, brown ochre and bone black as pigments. Moreover, synthetic alizarin (PR83) was identified as dark red colorant. The results of DRIFTS classify oil as binding media.
We conclude that, the use of complementary spectroscopic methods yields the best results for in-situ analysis of reverse paintings on glass.
The technique of painting on the reverse side of glass was rediscovered by artists in the early 20th century. The artist group “Der Blaue Reiter” around Wassily Kandinsky and Franz Marc got in touch with this technique in 1908 and 1909. In the following years it gained great popularity, especially in Germany. Nevertheless, the technique has not received its due appreciation in art history. It was considered as stained glass. However, the paint layers are applied cold, hence this artistic technique doesn’t involve a firing step.
Our multidisciplinary project investigates the art historic backgrounds, the painting techniques and materials of modern reverse paintings on glass. More than 1000 paintings from ~100 artists were discovered in the framework of our project. A selection of 60 paintings could be analyzed using non-invasive, in-situ methods such as Raman and VIS spectroscopy, Diffuse Reflectance Fourier Transform Infrared Spectroscopy (DRIFTS) and X-ray fluorescence (XRF). In this paper we want to point out the key role of Raman spectroscopy for our research. It offers the unique opportunity to measure paint layers from both sides. (front = through the glass; reverse = directly on the paint layer).
This thesis addresses the development of a methodological approach for the non-invasive identification of colourants and for the classification of binding media in reverse glass paintings from the early 20th century. For this purpose, mobile and miniaturized devices were used to measure the paintings in situ. The methodology includes X-ray fluorescence (XRF), VIS spectroscopy (VIS), Raman spectroscopy and diffuse reflectance infrared Fourier transform spectroscopy (DRIFTS). In a first step the capabilities of DRIFTS for binding media classification and pigment identification were tested.
DRIFTS enables, besides Raman spectroscopy, the collection of molecular information of a substance that can be used as characteristic fingerprint spectrum. However, the simultaneous collection of both specular (surface) and diffuse (volume) reflection leads to complicated mixed DRIFT spectra, that can vary strongly for one substance depending on the dominant fraction of reflected light. Specular reflection causes several spectral distortions like inverted bands, band shifts and derivative-like features whereas pure diffuse reflections leads to an intensity enhancement of combination bands and overtones. Both specular and diffuse reflection cannot be optically separated, and their proportion depends on material properties like the absorption coefficient and the refractive index as well as on Parameters like surface roughness, porosity, grain size and angle of incidence and detection. A direct comparison of DRIFT spectra with IR spectra of other methods (e.g. transmission, ATR) is not possible, hence the creation of DRIFTS databases was needed. The next step was the complimentary utilization of Raman spectroscopy and DRIFTS for the dentification of synthetic organic colourants. Such colourants are in the further chapters called synthetic organic pigments (SOP) even when it’s not always entirely clear if they are soluble dyes or pigments that are practically insoluble in the medium in which they are incorporated. Raman spectroscopy is generally the method of choice when dealing with SOP, but fluorescence can hamper the Raman spectrum severely, inhibiting the proper identification of the pigment.
DRIFTS was successfully applied and several SOP like synthetic alizarin (PR83), the yellow azo pigments (e.g. PY1) or the red and orange β-naphthol pigments (e.g. PR3) could be identified in the paintings solely by means of DRIFTS. The holistic methodological sequence was defined after the successful establishment of DRIFTS as serious analytical alternative. As the time is always the most limiting factor for in situ measurement campaigns in museums, the 9
sequence needs to be time saving but also efficient. The methodology starts with quick measurements by XRF and VIS to get a first idea of the pigment composition, followed by the validation of the results with the vibrational spectroscopies for selected points.
Measurements of reverse glass paintings by Carlo Mense and Wassily Kandinsky were conducted to test the entire procedure. A high number of pigments could be identified, including several rare ones like strontium white (SrSO4), PR60 and PB52. The binding media were classified using the previously recorded references. The results were set in the art historian context and were discussed in a multidisciplinary way. The influence of Asian art, especially of Chinese reverse glass paintings as source of inspiration for artists of the “Blauer Reiter” collective (e.g. Wassily Kandinsky, Gabriele Münter, Franz Marc und Heinrich Campendonk) is shown. Non-invasive measurements of two Chinese reverse glass paintings from the late 19th and early 20th century were conducted, enabling a comparison of the palettes of Chinese and European painters. The Chinese palette includes heavy use of red lead and orpiment, pigments that were hardly sed in Europe anymore. More modern pigments like zinc white, cadmium yellow, viridian, chromates, cobalt blues or SOP were not found at all in the Chinese paintings.
Im Rahmen des Projektes „Hinterglasmalerei als Technik der Klassischen Moderne von 1905 – 1955“, welches vom Museum Penzberg – Sammlung Campendonk, Penzberg (Gisela Geiger und Diana Oesterle) geleitet wurde und in Zusammenarbeit mit der freischaffenden Restauratorin Simone Bretz, der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) und dem Doerner Institut erfolgte, konnte im Rahmen einer Promotion erstmals ein Konvolut von mehr als 60 Hinterglasbildern mit nicht-invasiven Analysemethoden untersucht werden. Die eingesetzten Verfahren ermöglichten die Identifizierung der Pigmente und eine Klassifizierung der verwendeten Bindemittel.
Die materialwissenschaftliche Beschäftigung mit der Hinterglaskunst in ihrer Vielfalt ist ein relativ junges Forschungsfeld. Lange wurde ihr mit Unkenntnis, Missverständnis und sogar Geringschätzung begegnet. Im kunsthistorischen Kontext wurde diese Art der Kaltmalerei zumeist mit dem Begriff der Glasmalerei belegt und nicht als eigenständige Kunstform anerkannt, da in beiden Fällen Glas als Bildträger seinen Einsatz findet. In der Hinterglasmalerei wird die Tafelrückseite mit organisch gebundenen Malfarben verziert und das Werk ausschließlich bei auffallendem Licht betrachtet. Die künstlerische Herausforderung liegt immer in der technischen Notwendigkeit eines umgekehrten Malvorganges: die oberste, durch das Glas sichtbare Schicht muss zuerst auf den Bildträger Glas aufgetragen werden, der optische Hintergrund wird zuletzt aufgebracht. Im Vergleich zum Tafelbild, bei dem die Malerei erst durch den Firnisauftrag Tiefenlicht erhält, entfalten die Farben in der Hinterglasmalerei bereits beim Malen ihre Intensität und erhalten gleichzeitig Schutz durch den gläsernen Bildträger (Bretz et al. 2016).
Neben der kunstgeschichtlichen und kunsttechnologischen Bearbeitung der Hinterglasbilder spielten materialwissenschaftliche Untersuchungen an einer Auswahl von 66 Bildern im Rahmen des von der VolkswagenStiftung finanzierten Forschungsprojektes eine zentrale Rolle. Grundsätzlich wurde ein nicht-invasiver Ansatz gewählt, um die fragilen Kunstwerke in-situ zu messen und somit einen Transport zu vermeiden. Die Methodik umfasst neben VIS-Spektrometrie in Reflexion und energiedispersiver Röntgenfluoreszenzanalyse (RFA) auch Infrarotspektroskopie in diffuser Reflexion (DRIFTS) und Raman-Spektroskopie. Mit Hilfe des gewählten methodischen Ansatzes lassen sich sowohl anorganische als auch organische Pigmente identifizieren und die Zusammensetzung von Metallfarben und Folien sowie die Glaszusammensetzung qualitativ bestimmen. Ferner ermöglicht die DRIFT-Spektroskopie eine Klassifizierung der Bindemittel.
Die im Rahmen des Forschungsprojektes analysierten Hinterglasbilder können folgendermaßen chronologisch gruppiert werden: 1910-1919 (17 Bilder), 1920-1929 (18 Bilder), 1930-1939 (6 Bilder), 1940-1949 (7 Bilder), 1950-1955 (13 Bilder) und >1955 (5 Bilder). Die Auswertung der Ergebnisse ermöglicht grundsätzliche Aussagen über die verwendeten Malmaterialien in Hinterglasbildern in der ersten Hälfte des 20. Jahrhunderts und zeigt Änderungen der verwendeten Pigmente im zeitlichen Kontext auf.
Während der ersten Hälfte des 20. Jahrhunderts kamen viele neue Pigmente und Malmaterialien auf den Markt, wobei speziell die synthetischen organischen Pigmente (SOP) zu nennen sind. Eine Vielzahl an SOP konnte in Hinterglasbildern aus allen Zeitgruppen identifiziert werden, wobei hier vor allem Farblacke aus synthetischem Alizarin (PR83), Vertreter der roten und orangen β-Naphthol Pigmente [(z.B. PR3, PR4, PO5 (in Nächtliche Fahrt, 1921 von L. Hildebrandt nachgewiesen)], die blauen und grünen Kupferphthalocyanine [z.B. PG7, PB15 (taucht ab 1949 in Hinterglasbildern auf)] und einige gelbe Azopigmente [z.B. PY1, PY3, PY12 (in Geneigter Mädchenkopf, 1941 von Oskar Schlemmer gefunden)] aufzuführen sind (Steger et al. 2018; Steger et al. 2019a). Einige seltene SOP der Triarylcarboniumgruppe konnten ebenso nachgewiesen werden. Darunter fallen neben der Identifizierung von PR81 (Ohne Titel, 1954, M. Uhlenhuth) auch die erstmaligen Nachweise von PV2 (Hahn, um 1945, L.-G. Buchheim) und PG1 (Exzellente und einmalige Dressuren, 1945/46, L.-G. Buchheim) in Kunstwerken überhaupt (Steger et al. 2018; Steger et al. 2019a). Ferner konnten mit PB52 aus der Gruppe der Anthrachinone und PR60 aus der Gruppe der verlackten Naphthalin-Sulfonsäure-Pigmente weitere seltene SOP in den Bildern Rudern (um 1912) beziehungsweise Apokalyptischer Reiter II (1914) von Wassily Kandinsky nachgewiesen werden (Steger et al. 2019b).
Neben den Entwicklungen der SOP können auch eindeutige Trends in den anorganischen Pigmenten veranschaulicht werden. Seltene anorganische Pigmente wie zum Beispiel Strontiumweiß (SrSO4) in der Kreuzabnahme (1914/15) von Carlo Mense (Steger et al. 2019c) wurden identifiziert. Neu entwickelte anorganische Pigmente wie zum Beispiel Cadmiumrot (Cd(S,Se); ab 1928 in 11 Hinterglasbildern nachgewiesen) oder Titanweiß (TiO2; Anatas kommt ab 1922 vor, Rutil konnte nur in Kissen der Träume, 1976 von Werner Schriefers identifiziert werden) tauchen in einigen Hinterglasbildern auf. Schweinfurter Grün (3Cu(AsO2)2·Cu(CH3COO)2) oder Strontiumgelb (SrCrO4) wurden in einigen Bildern bis etwa um 1925 gefunden; diese Pigmente konnten dagegen in späteren Bildern nicht mehr nachgewiesen werden. Als Beispiel sind hier vier frühe Hinterglasbilder (1909–1914) von Wassily Kandinsky zu nennen, wobei Strontiumgelb in vielen Bildpartien zu finden war (Steger et al. 2019b). Publizierte materialwissenschaftliche Ergebnisse von Kandinskys Leinwandgemälden aus späteren Werksperioden zeigen, dass Strontiumgelb zu dieser Zeit vollkommen aus seiner Palette verschwunden ist und vor allem durch ein anderes Gelbpigment, nämlich Cadmiumgelb, ersetzt wurde (McMillan et al. 2013).
Eine materialtechnische Besonderheit in der Hinterglaskunst ist die Verwendung von Metallfolien und Metalleffektpigmenten. Metallfolien aus Silber, Zinn, Aluminium oder Messing wurden vielfach als künstlerisches Element in die Komposition integriert, wobei sie als finale Schicht auf, die bereits gestaltete, leicht transparente Malerei geklebt wurden. Durch die Betrachtung im auffallenden Licht erzeugten die Folien bemerkenswerte Glitzereffekte. Zinn- und Aluminiumfolien wurden zum Beispiel in Rudern (um 1912, W. Kandinsky) nachgewiesen, während Messingfolien häufig in Bildern von L.-G. Buchheim gefunden wurden. Die Zinnfolien wurden im 19. und frühen 20. Jahrhundert für Verpackungszwecke (z.B. Zigaretten, Schokolade) verwendet. Aluminiumfolie wurde erst ab 1910 industriell in der Schweiz hergestellt und zu Beginn vor allem für Schokoladenverpackungen eingesetzt (Skrabec 2016). Die frühe Verwendung solche Folien in Hinterglasbildern (z.B. Rudern, um 1912) zeigen eine rasche Verbreitung dieses Materials bei den Künstlern an. Unter Metalleffektpigmenten versteht man feingemahlene Pulver aus Metall (z.B. Zinn, Nickel, Kupfer) und Legierungen (z.B. Messing, Neusilber) mit unterschiedlichen Tönungen, welche bei seitlichem Lichteinfall auf Hinterglasbildern ein merkbares Funkeln erzeugen. Solche Metalleffektpigmente wurden vielfach bei Werken von Heinrich Campendonk nachgewiesen (Geiger und Bretz 2017) und konnten in allen chronologischen Gruppen gefunden werden.
Grundsätzlich ermöglichen die Ergebnisse ein besseres Verständnis für die Technik der Hinterglasmalerei und helfen insbesondere, diese eigenständige Kunst im Hinblick auf die „klassische“ Tafel- bzw. Leinwandmalerei abzugrenzen. So zeigen Vergleiche mit Gemälden auf Leinwand von Wassily Kandinsky deutliche Unterschiede in den verwendeten Farbmitteln für beide Techniken. Die Anzahl von 66 gemessenen Hinterglasbildern von 39 Künstlern erscheint im Kontext von über 1200 Arbeiten, welche im Rahmen des Projektes lokalisiert werden konnten, gering. Allerdings können die durchgeführten Untersuchungen als Startpunkt für zukünftige Projekte in diesem Forschungsfeld, beispielsweise für einzelne Werkkomplexe verstanden werden.
Die Forschungsergebnisse werden auf die Webseite www.hinterglas-klassischemoderne.de eingestellt. Im Sommer 2020 präsentiert das Museum Penzberg – Sammlung Campendonk Hinterglasbilder von 1910 bis 1960 als Abschlussausstellung des Forschungsprojektes. Die Ausstellung wird von einem ausführlichen Katalog über die fächerübergreifende Forschung begleitet. Für Herbst 2020 ist ein Hinterglas-Symposium an der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) Berlin im Rahmen eines N.i.Ke. Workshops geplant.
Scientific analysis based on spectroscopic methods provide essential information on the composition of colourants and binders in paintings. These results can be set in a historical context and help to confirm art historical interpretations. Proofs of certain pigments can be used for dating purposes and may reveal if the artist used not only local but also imported materials. A pilot study of two Chinese reverse glass paintings from the late 19th (Yingying and Hongniang) and early 20th centuries (The Archer) was performed using a multi-analytical approach including X-ray fluorescence (XRF), diffuse reflectance infrared Fourier transform spectroscopy (DRIFTS) and Raman spectroscopy. This approach allowed the identification of the pigments and the classification of the binding media. The results reveal a combined use of traditional Chinese and imported European materials. Several pigments like cinnabar, lead white, orpiment, carbon black and copper-arsenic green (probably emerald green) were found in both paintings; red lead, artificial ultramarine blue, Prussian blue and ochre appear in at least one of the paintings. The proof of limewash (calcite and small amounts of portlandite) as a backing layer in “Yingying and Hongniang” indicates that clamshell white was also used for reverse glass paintings. Drying oil was classified as a binding media in most areas of both paintings. However, the orange background of The Archer yielded prominent bands of both proteinaceous and fatty binder.
This work addresses the identification of synthetic organic pigments (SOP) in ten modern reverse paintings on glass (1912-1946) by means of an in-situ multi-analytical approach. The combination of the complimentary properties of mobile Raman spectroscopy and diffuse reflectance infrared Fourier transform spectroscopy (DRIFTS) enabled the detection of sixteen SOP even in complex mixtures with inorganic compounds and binders. For the β-naphthol pigments, both Raman and DRIFTS yield appropriate results. DRIFTS was the preferred method for the detection of synthetic alizarin (PR83). Its diagnostic band pattern even allows its detection in complex mixtures with mineral pigments, binders and fillers. Raman spectroscopy yielded distinctive spectra for the triaryl carbonium pigments (PG1, PV2, PR81) and the two-yellow azo SOP (PY3, PY12), whereas DRIFT spectra were affected by extensive band overlapping. This may also occur in Raman spectra, but in less problematic amounts. Fluorescence is the major problem with Raman and it significantly hampers the SOP spectra even with the 785 nm laser. On the one hand the big spot size of DRIFTS (10 mm) limits the technique to rather large sampling areas, whereas the use of a 50× objective for in-situ Raman measurements permits a focus on small spots and aggregated SOP flakes. Moreover, “environmental” factors like temperature changes, artificial light, limited space and vibrations when people pass by need to be considered for in-situ measurements in museums.
Finally, the results show the experimental use of SOP in modern reverse glass paintings. Among several rare SOP (e.g. PB52, PR81), two of them (PG1, PV2) have never been reported before in any artwork.
First insights into Chinese reverse glass paintings gained by non invasive spectroscopic analysis
(2019)
A non-invasive methodological approach (X-ray fluorescence (XRF), diffuse reflectance infrared Fourier transform spectroscopy (DRIFTS), Raman spectroscopy) has been carried out to identify the pigments and classify the binding media in two Chinese reverse glass paintings (The Archer, Yingying and Hongniang) from the late 19th and early 20th centuries. The results reveal a combined use of traditional Chinese and imported European materials. Several pigments like cinnabar, lead white, orpiment, carbon black and copper-arsenic green (probably emerald green) were found in both paintings; red lead, artificial ultramarine blue, Prussian blue and ochre appear in at least one of the paintings.
The presence of portlandite (Ca(OH)2) along calcite (CaCO3) in the fine-grained, white backing layer of Yingying and Hongniang indicates the presence of limewash. In Chinese tradition, limewash was produced from clamshells, and was then sold as clamshell white. In contrast to the Japanese pigment, Chinese clamshell white was made of finely grounded shells, which were heated over a low fire. The residue (CaO) forms portlandite (Ca(OH)2) when water is continuously added. This water-rich mixture is applied on the painting. Portlandite reacts with atmospheric CO2 during drying and forms fine-grained calcite (CaCO3) [1,2].
The identification of emerald green (The Archer) suggests an earliest manufacturing date in the 1830s [3] and promotes the sinological dating of the painting. Drying oil was classified as a binding media in most areas of both paintings. However, the orange background of The Archer yielded prominent bands of both proteinaceous and fatty binder.
The technique of painting on the reverse side of a glass panel was rediscovered by German artists at the beginning of the 20th century. They appreciated the impressive gloss, luminosity, and depth of colours in this genre. Compared to stained glass, the distinctive properties of this technique are: (1) the paint is applied “cold”, hence, it doesn’t involve a firing step, (2) reverse paintings on glass are framed and always viewed in reflected light and (3) the reverse paint stratigraphy is different from canvas paintings, starting with the front most layer and ending with the backing layer. In 1908 several artists, including Gabriele Münter, Wassily Kandinsky, Heinrich Campendonk, August Macke and Franz Marc of the “Der Blaue Reiter” (the Blue Rider) collective took an interest in this technique and started to share their interest with other colleagues in Europe. Our pioneering project is tracing this transfer of knowledge by a multidisciplinary approach in terms of art history, paint technology and material science. More than 100 artists and >1000 reverse paintings on glass were identified during the project. This high number of objects clearly points out that this technique was by far more important for modern art than previously assumed. In-situ, non-invasive measurements (XRF, Raman, VIS, DRIFTS) on a well-considered selection of 67 paintings reveal the broad palette of colorants ranging from traditional to experimental. Special attention is paid to the impact of synthetic organic pigments (SOP) in artists palette. Demonstrative examples by W. Kandinsky, L. G. Buchheim and F. Jespers are used to discuss analytical challenges and highlights.
The technique of painting on the reverse side of a glass panel was rediscovered by German artists at the beginning of the 20th century. In contrast to other paint techniques (e.g. panel and mural painting), the paint layers are applied in reverse succession starting with the foremost paint layer and ending with the primer (backmost layer). The paintings are viewed in reflected light, thus revealing an impressive gloss, luminosity and depth of colour. The artist group “Der Blaue Reiter” (the Blue Rider) around W. Kandinsky and F. Marc got in touch with this technique in the summers of 1908 and 1909 and spread their knowledge in different regions. Our pioneering project is tracing this transfer of knowledge by a multidisciplinary approach in terms of art history, painting technology and material science. More than 100 artists and >1000 reverse paintings on glass (1905-1955) were identified during the project. This numbers clearly point out that this technique was by far more important for modern art than previously assumed. In-situ, non-invasive measurements (XRF, Raman, VIS, DRIFTS) on a well-considered selection of 67 paintings reveal the broad palette of colorants ranging from traditional to experimental materials. Special attention is paid on artists who are strongly connected to Berlin. Demonstrative examples by W. Dexel, G. Muche and L. Hildebrandt are used to discuss analytical challenges and highlights.
Calcium sulfate hemihydrate (CaSO4ᐧ0.5H2O), also known as bassanite, has been used as a precursor to produce gypsum (dihydrate, CaSO4ᐧ2H2O) for various construction and decorative purposes since prehistoric times. The main route to obtain hemihydrate is a thermal treatment of gypsum at temperatures typically between 150 °C and 200 °C to remove some of the structural water.
In this contribution, we introduce (Fig. 1) a more efficient and sustainable method (T < 100 °C) that enables the direct, rapid, and reversibly conversion of gypsum to bassanite using reusable high salinity aqueous solutions (brines with c[NaCl] > 4 M). The optimum conditions for the efficientproduction of bassanite in a short time (< 5 min) involve the use of brines with c(NaCl) > 4 M and maintaining a temperature, T > 80 °C. When the solution containing bassanite crystals is cooled down to around room temperature, eventually gypsum is formed. When the temperature is raised again to T > 80 °C, bassanite is rapidly re-precipitated. This contrasts with the typical behaviour of the bassanite phase in low salt environments.
Traditionally, hemihydrate is obtained through a solid state thermal treatment because bassanite is considered to be metastable with respect to gypsum and anhydrite in aqueous solutions, and therefore gypsum-to-bassanite conversion should not occur in water. Its very occurrence actually contradicts numerical thermodynamic predictions regarding solubility of calcium sulfate phases. By following the evolution of crystalline phases with in situ and time-resolved X-ray diffraction/scattering and Raman spectroscopy, we demonstrated that the phase stability in brines at elevated temperatures is inaccurately represented in the thermodynamic databases. Most notably for c(NaCl) > 4 M, and T > 80 °C gypsum becomes readily more soluble than bassanite, which induces the direct precipitation of the latter from gypsum. The fact that these transformations are controlled by the solution provides extensive opportunities for precise manipulation of crystal formation. Our experiments confirmed that bassanite remained the sole crystalline structure for many hours before reverting into gypsum. This property is extremely advantageous for practical processing and efficient crystal extraction in industrial scenarios.
Jährlich entstehen in Brasilien ca. 2 bis 10 Millionen Tonnen Aschen aus der Verbrennung von Zuckerrohrbagasse. Die Aschen enthalten schwankende Zusammensetzungen an mineralischen Nährelementen und könnten daher zu Düngezwecken verwendet werden.
Allerdings ist (i) die Nährstoffverfügbarkeit gering, (ii), die entsprechende Nährstoffzusammensetzung nicht optimal für die Nutzung der Aschen als Düngemittel für die Hauptanbaukulturen in Brasilien und (iii) weisen die Aschen aufgrund häufig schlechter Verbrennungsqualitäten hohe organische Kohlenstoffgehalte auf. Im Rahmen des Forschungsprojekts ASHES („Rückführung von Nährstoffen aus Aschen von thermochemischen Prozessen mit Bagasse bzw. Zuckerrohrstroh“), arbeiten 7 deutsche und 4 brasilianische Partner an der Optimierung der thermochemischen Verwertung von Rückständen aus der Zuckerproduktion in Brasilien, inklusive der Formulierung von optimierten Düngemischungen auf Basis der generierten Aschen. In dieser Veröffentlichung wird die Verarbeitung dieser optimierten Mischungen zu Pellets und Granulaten unter Verwendung verfügbarer regionaler Reststoffe wie Filterkuchen (Vinasse-Presskuchen) sowie Hühnertrockenkot beschrieben. Zur Untersuchung der Handlingeigenschaften wurden die produzierten Pellets und Granulate hinsichtlich ihrer mechanischen Stabilität und des Wasseraufnahmevermögens untersucht. Dafür wurden geeignete Prüfverfahren angepasst und entsprechende Versuche durchgeführt.
The challenge of the project ASHES is focused on the recycling of nutrients from residues of thermochemical processing of by-products of sugar cane industry (bagasse/straw) in Brazil to increase the energy efficiency of thermal conversion and to enable the recycling of process ashes as fertilisers. Dry lignocellulosic biomass (straw, bagasse) are combusted, gasified and subsequently combined with post-thermochemical treatment in the AshDec process to increase the plant availability of phosphorus. Different fertilizer formulations are granulated/pelletized and tested regarding their storage/handling characteristics.
Hydrogen plasma treatment of iron ores or iron oxide containing wastes can be an efficient option to produce green iron e.g. for steel production. This way iron oxide is reduced to metallic iron in the liquid form by the highly reactive species that are formed in a hydrogen plasma. Hydrogen plasma can be used at the same time to remove undesired gangue elements. The presentation shows the experimental setup, shows first results of iron ore reduction by hydrogen plasma and gives an outlook for industrial application of the technology.
SRB are environmentally and industrially important microorganisms. The disadvantage of their metabolic activity (e.g. sulfate reduction) results in the formation of toxic sulfide that leads to microbial influenced corrosion. SRB have been responsible for biocorrosion of ferrous metal. One of mitigation strategy is the use of biocides. However, it has been shown that various bacteria develop antimicrobial resistance due to excessive use of biocides. Thus, a deeper understanding of the evolution of biocide resistance of SRB is necessary. Three commonly used biocides, THPS, BAC, and GLUT were applied to investigate the susceptibility of Desulfovibrio alaskensis G20.The minimum inhibitory and bactericidal concentration and the killing kinetics of the three biocides was determined. These results will be used to conduct evolution experiments to determine the evolution of resistance towards biocides of SRBs. The outcome of this work can be helpful to improve the management of MIC treatments.
Background. Disinfection is an important mitigation strategy to control and prevent the spread of infections. Incomplete or incorrect usage of disinfection may promote evolution of resistance against disinfectants and antibiotics. Ideally, disinfection reduces the number of surviving bacteria and the chance for resistance evolution. Resistance describes the ability to grow in previously inhibitory concentrations of an antimicrobial, whereas tolerance is associated with enhanced survival of lethal doses. Individual bacteria from the same population can display considerable heterogeneity in their ability to survive treatment (i.e. tolerance) with antimicrobials, which can result in unexpected treatment failure.
Objective. In this study, we investigated six active substances of disinfectants, preservatives, and antiseptics against a population of E. coli to identify the presence of a tolerant subpopulation.
Methods. We performed time-kill experiments and analyzed the data with a mathematical model to statistically infer whether the data is best explained by the presence of a tolerant subpopulation.
Results. The analysis identified bimodal kill kinetics for benzalkonium chloride, didecyldimethylammonium chloride, and isopropanol. In contrast, kill kinetics by chlorhexidine, glutaraldehyde, and hydrogen peroxide were best explained by unimodal kill kinetics. These findings have implications for the risk of disinfection failure. In addition, we are currently performing adaptive laboratory evolution (ALE) experiments with the different disinfectants to investigate the potential consequences of tolerant sub-populations for the evolution of antimicrobial resistance and tolerance.
Background. Disinfection is an important mitigation strategy to control and prevent the spread of infections. Incomplete or incorrect usage of disinfection may promote evolution of resistance against disinfectants and antibiotics. Ideally, disinfection reduces the number of surviving bacteria and the chance for resistance evolution. Resistance describes the ability to grow in previously inhibitory concentrations of an antimicrobial, whereas tolerance is associated with enhanced survival of lethal doses. Individual bacteria from the same population can display considerable heterogeneity in their ability to survive treatment (i.e. tolerance) with antimicrobials, which can result in unexpected treatment failure.
Objective. In this study, we investigated six active substances of disinfectants, preservatives, and antiseptics against a population of E. coli to identify the presence of a tolerant subpopulation.
Methods. We performed time-kill experiments and analyzed the data with a mathematical model to statistically infer whether the data is best explained by the presence of a tolerant subpopulation.
Results. The analysis identified bimodal kill kinetics for benzalkonium chloride, didecyldimethylammonium chloride, and isopropanol. In contrast, kill kinetics by chlorhexidine, glutaraldehyde, and hydrogen peroxide were best explained by unimodal kill kinetics. These findings have implications for the risk of disinfection failure. In addition, we are currently performing adaptive laboratory evolution (ALE) experiments with the different disinfectants to investigate the potential consequences of tolerant sub-populations for the evolution of antimicrobial resistance and tolerance.
One of the key elements in the transformation towards a circular economy (CE) is providing more sustainable practices for resources and waste management. Improvement actions focused on transformation towards a CE should be targeted at all groups of materials and waste. As water is essential for human survival and well-being and plays a significant role in sustainable development (SD), the actions related to the reuse of water and the recovery of raw materials from wastewater and other water-based waste should be taken. The paper presents a proposition for a new CE model framework in the water and wastewater sector, which includes the six following actions: reduction—prevent wastewater generation in the first place by the reduction of water usage and pollution reduction at source; reclamation (removal)—an application of effective Technologies for the removal of pollutants from water and wastewater; reuse—reuse of wastewater as an alternative source of water supply (non-potable usage), recycling—recovery of water from wastewater for potable usage; recovery—recovery of resources such as nutrients and energy from water-based waste, and rethink—rethinking how to use resources to create a sustainable economy, which is `free` of waste and emissions. The novelty of the proposed CE model framework is that it presents possible ways of implementing CE principles in the water and wastewater sector, with a strong emphasis not only technological but also organisational and societal changes. Application of the proposed model may help to further transform the European economy to the CE model. Moreover, the indicated model can be significant tool supporting an assessment of local or regional progress towards CE in the water and wastewater sector and further environmental management and planning.
In the transition to the Circular Economy (CE) model, where the added value of products is kept as long as possible and waste is eliminated, the sustainable management of raw materials plays a key role. In above CE model, especial attention is paid to CRMs which are economically and strategically important for the European economy, but have a high-risk associated with their supply.
One of the most important element which can not be replaced and is an essential element for human nutrition, yet limited resource is phosphorus (P). An importance of issues related to sustainable P management results from EU legislation, which indicated P as a Critical Raw Material (CRM).
The sustainable management of P-resources is especially important for the Baltic region. A consequence of waterborne loads passing into the sea, mainly as wastewater with a high P content is the eutrophication of the Baltic Sea environment. Due to the largest inputs of P (37%) into the Baltic Sea originate from Poland, the development of sustainable solutions aimed at more rational P management for this country is externally important.
Due to the vital importance of phosphorus (P) and its increasing scarcity as a natural resource, phosphorus recovery has recently gained significant scientific and technical interest. An interesting sources of phosphorus are sewage sludge (SS) and sewage sludge ash (SSA) due to the major part of the phosphate from P rich wastewater is transferred to the sludge (approx. 90%). Despite the fact that the raw materials base is large (PURE report indicates that in 2020 the amount of sewage sludge generated in Poland will reach 180% of the dry matter of sewage sludge produced in 2010), at present recycling of phosphorus is not a commonly used practice in Poland.
Der Aufbau der Werkstoffe wird durch Merkmale wie Bindungsart, atomare Strukturen, Kristallstrukturen einschließlich ihrer Gitterbaufehler, Körner und Phasen bestimmt. Die Mikrostruktur (Gefüge) stellt den Verbund der Kristalle, Phasen und Gitterbaufehler auf mikroskopischer und nanoskopischer Skala dar. Die Grundlagen der Phasenumwandlungen werden behandelt und die Bedeutung von Diffusionsprozessen erläutert. Werkstoffe sind bedeutend für Kultur, Wirtschaft, Technik und Umwelt. Ihre Herstellung benötigt Ressourcen und Energie. Recycling ist eine Möglichkeit zur Erhöhung der Ressourcenproduktivität.
Due to its large mineral fraction, incineration bottom ash (IBA) from municipal solid waste incineration is an interesting raw material that can be used for road construction or to produce secondary building materials. However, leaching chloride, sulfate, and potentially harmful heavy metals may cause problems in using IBA in civil engineering. Investigating leaching behavior is crucial for the assessment of the environmental compatibility of IBA applications. Various test procedures are available for that purpose. In the present study, a long-term leaching test of a wet-mechanically treated IBA was performed in a lysimeter for almost six years.
While concentrations of chloride, sulfate and the majority of the heavy metals started to decrease rapidly with progressive liquid-to-solid ratio (L/S), antimony (Sb) and vanadium (V) behaved differently. At the beginning of the lysimeter test, the Sb and V concentrations were low, but after approximately one year of operation at an L/S ratio of around 0.8 L/kg, a steady increase was observed. It was shown that this increase is the result of low Ca concentrations due to the formation of CaCO3.
With the data, the solubility products from Ca-antimonate and Ca-vanadate were calculated. The unusual leaching behavior of Sb and V should be kept in mind when considering field scenarios and evaluating the impact on the environment.
Einstufung von Aschen und Schlacken aus der Abfallverbrennung im Hinblick auf die weitere Verwertung
(2024)
There are two mirror entries in the European Waste Catalogue for bottom ash and slag from waste incineration: 19 01 11* and 19 01 12. Entry 19 01 11* describes a waste material containing hazardous substances. It was shown that only the hazardous property HP14 (ecotoxic) is of relevance for the classification. If substances with the hazard statement code (HSC) H400, H410, H411, H412 and H413 are present in incineration bottom ash (IBA) above certain level the waste is classified as hazardous, otherwise it is non-hazardous (in this case 19 01 12). It was further shown that only Cu, Zn and Pb compounds have an impact on the classification using a summation rule: 100xΣ c(H410) + 10xΣ c(H411) + Σ c(H412). Limit value is 25 percent. It is obvious that H410 substances have the highest impact. Therefore, the knowledge of the elemental composition of IBA is not sufficient because the content of distinct chemical compounds (with the respective molecular weight) is needed. When the exact speciation is not known a worst-case approach has to be applied. A practical guideline for the estimation of HP14 was developed based on the definition of 4 substance groups: 1. Metals and alloys, 2. Water-soluble substances, 3. Oxides and carbonates and 4. Substances not soluble in weak acids. In substance group 1 only fine Zn powder has the HSC H410. Water-soluble substances are assumed to be H410 substances. Their concentrations are, however, regularly below the cut-off value of 0.1 %. The amount of substance group 3 is estimated by a selective extraction with maleic acid. According to the worst-case approach it is assumed that CuCO3xCu(OH)2 and ZnO represent the respective Cu and Zn species in IBA because these substances have the highest stochiometric factor. Even with this worst-case approach results from operators of IBA treatment plant showed that the limit value of 25 % is not exceeded.
The requirements for utilization of IBA in Germany are defined in the Secondary
Building Materials Decree (Ersatzbaustoffverordnung EBV) which was set into force in August 2023. Leaching methods (batch test or column test) with a liquid-to-solid ratio of 2 l/kg are applied. IBA fulfills the requirements for class HMVA-2. Actually, even a classification of IBA as hazardous (i.e 19 01 11*) would not affect utilization but handling and transport.
Im Rahmen des Projekts konnte gezeigt werden, dass Geokunststoffe bei ausreichender Stabilisierung Einsatzdauern von über 100 Jahren besitzen. Es werden keine Stoffe freigesetzt, die für Wasserorganismen schädlich sind. An den Ostseestränden im Gebiet Kaliningrad werden nennenswerte Mengen von Kunststoffresten gefunden, die zum Teil aus Küstenschutzbauwerken stammen. Ursache ist hier jedoch eine verfehlte Materialauswahl. Hauptsächlich stammen die Kunststoffreste am Strand jedoch aus unsachgemäße Abfallbehandlung.
Waste, Evaluation Methods
(2019)
It is difficult to decide which waste management system fulfills best predefined sustainability goals such as maximum materials and energy recovery, least environmental impact, and lowest societal cost. Such decisions are based on many parameters. However, several evaluation methods exist with different scope and output, and the application of one or more evaluation methods provides an objective comparison of alternatives.
Since it was realized that sites contaminated with metals and radionuclides needed treatment, various remediation methods have been and are being developed. Depending on the size of the contaminated site and urgency of intervention, conventional or recently introduced techniques have been used. Conventional techniques include excavation and removal for treatment of soil and contaminants, or the so-called “pump-and-treat” method, in which contaminated groundwater is removed from the ground by pumping and treated in a treatment plant on the surface. It has the advantage of using proven techniques and is easy to control, and the treated groundwater can be reinjected into the ground or discharged in rivers or lakes. Novel methods include permeable reactive barriers, biomineralization, and electrokinetic remediation.
Sustainability has become the conscientious and future-oriented principle of modern resource management and environmental protection because caring for the future is tantamount to providing manageable and healthy surroundings for ourselves. For the foreseeable future, geotechnical and environmental engineers must therefore be concerned with ensuring a healthy balance between extraction, processing, manufacturing, utilization, recycling, and disposal of materials and products.
Wie Länder mit ihren Abfällen umgehen, hängt nicht nur von der Wirtschaftskraft eines Landes ab. Selbst in einem reichen Land wie Australien werden unbehandelte Abfälle einfach deponiert. Im Rahmen der Travelling Conference, einer vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderten Vortragsreihe, besuchten Fachleute die Länder Südkorea, Vietnam und Australien, um mit Experten vor Ort Fragestellungen aus der Abfallwirtschaft zu diskutieren. Zu den Schwerpunktthemen zählte die Steigerung der Ressourceneffizienz im Spannungsfeld von ökonomischen und umweltpolitischen Interessen. Eine Frage war beispielsweise die Bewertung der Umweltverträglichkeit von mineralischen Abfällen, wenn diese als Ersatzbaustoffe eingesetzt werden. In diesem Beitrag werden Ähnlichkeiten und Unterschiede bei der Entsorgung von Siedlungsabfällen, beim Recycling und bei der Bewertung der Umweltverträglichkeit der Wiederverwertung von Abfällen in den drei besuchten Ländern im Vergleich zu Deutschland aufgezeigt. Dabei ist man sich in Deutschland und den drei besuchten Ländern einig, dass die Abfallbeseitigung auf Deponien ohne Rückgewinnung von Ressourcen oder Energie die schlechteste Abfallentsorgungsoption ist. Einigkeit besteht auch darin, dass die Ziele einer nachhaltigen Abfallwirtschaft der Schutz der menschlichen Gesundheit und der Umwelt sowie die Schonung von Ressourcen sind. In allen drei Ländern werden große Mengen an mineralischen Abfällen erzeugt, die bei Nachweis der Umweltverträglichkeit einen Teil von natürlichem Sand und Kies für die Bauindustrie ersetzen könnten. Ähnlich wie in Deutschland werden recycelte Abfälle im Tiefbau jedoch nur in geringem Maße eingesetzt. Gründe dafür sind fehlende Behandlungsanlagen für mineralische Abfälle und Bedenken im Hinblick auf die Umweltverträglichkeit.
Antimon (Sb) wird industriell vorwiegend als Flammschutzmittel in Kunststoffen verwendet. Am Ende des Lebenszyklus landet etwa die Hälfte des produzierten Sb, vorwiegend über entsprechend dotierte Kunststoffe, in Haus- und vor allem Industrieabfällen und in der Folge auch in relevanten Mengen in Rostaschen aus der Verbrennung dieser Abfälle.
Zwar werden in den Produkten Sb-Verbindungen in der Oxidationsstufe 3 eingesetzt, in den Aschen liegt Sb jedoch wegen der leichten Oxidierbarkeit überwiegend in der Oxidationsstufe 5 als Oxyanion vor (Sb(OH)6- oder Sb2O74-). Die Freisetzung beim Kontakt mit Wasser ist zunächst gering, weil die Antimonate schwerlösliche Verbindungen mit Ca2+ bilden. Durch die Carbonatisierung der Aschen während der vorgeschalteten Lagerung sinkt der pH-Wert im Eluat. Die Konzentration von Ca im Eluat nimmt mit fortschreitender Elutionsdauer ab, wodurch sich das Lösungsgleichgewicht verschiebt und Antimonate gelöst werden können. Dieses Verhalten wird durch einen Langzeitversuch mit Lysimetern bestätigt. Experimentelle Daten aus unterschiedlichen Elutionstests wurden mit dem Solver-Modul in MS Excel gefittet. Daraus ergibt sich Ca(Sb(OH)6)2xCa0.78(OH)1.56 als mögliche Verbindung für in Rostaschen enthaltenes Ca-Antimonat.
Laut Entwurf der MantelVO ist für Sb in Rostaschen eine Regulierung vorgesehen. Die darin vorgesehenen Grenzwerte könnten ein Problem für Rostaschen darstellen und gefährden die Verwertung der mineralischen Fraktion. In den meisten Bundesländern geschieht der Vollzug derzeit nach dem LAGA Merkblatt M20. Die darin festgelegten Parameter zur Bewertung berücksichtigen im Prinzip nur eine Richtung, bei der sich die Materialeigenschaften im Zuge der Alterung von Rostaschen verbessern. Dieser Zusammenhang ist bei Sb nicht gegeben, was bei der Beurteilung des Gefahrenpotentials aber Berücksichtigung finden sollte. Das entgegengesetzte Verhalten von Sb stellt Aufbereiter und Verwerter möglicherweise vor Probleme. Die Einführung einer Ersatzbaustoffverordnung im Rahmen der MantelVO soll bundeseinheitliche Rechtssicherheit bei der Verwertung von mineralischen Recyclingmaterialien schaffen. Damit würde dann auch eine Grundlage für Investitionen in verbesserte Aufbereitungsverfahren geschaffen werden. Da im Hinblick auf Sb aus dargestellten Zusammenhängen jedoch eher das Gegenteil zu befürchten ist, besteht Forschungsbedarf, um dieses Problem zu lösen.
Direct and indirect effects (DIERec) of the recovery of secondary resources are in the range of 500 million tons per year in Germany; energy savings are 1.4 million TJ. These savings are between 10 and 20% of the total. The effects of materials recovery exceed those of energy recovery by far except for secondary plastic material, where DIERec from energy recovery is higher by factor of 2.7. Untapped potential for the recovery of secondary resources exists in the fine fraction of bottom ash from municipal solid waste incineration, mainly Cu and precious metals, and in urban mining.
Wet-mechanical treatment: Processing of bituminous road construction waste in a jigging machine
(2023)
Jigging machines are used in processing technology in many areas. Examples are the processing of coal, ores, and primary and secondary raw and waste materials. Even small differences in density are offen sufficient for successful sorting. In the work presented here, milled material from road construction waste contaminated with bitumen is to be separated from uncontaminated material. In this way, scarce landfill space could be saved and mineral material be returned to the material cycle.
Warum eine Kreislaufwirtschaft ohne Abfallverbrennung nicht funktionieren wird, beschreibt die Dechema im Positionspapier „Abfallverbrennung in der Zukunft“. Experten der Fachgruppe „Abfallbehandlung und Wertstoffrückgewinnung“ von ProcessNet, einer gemeinsamen Initiative der Dechema und der VDI-Gesellschaft Verfahrenstechnik und Chemieingenieurwesen, haben es erstellt.
Aschen und Schlacken aus der thermischen Abfallbehandlung enthalten eine Vielzahl von Schwermetallverbindungen. Für Antimon, Chrom, Kupfer, Molybdän und Vanadium werden in der neuen Ersatzbaustoffverordnung (Bundesregierung, 2021) Eluatgrenzwerte für die Verwertung festgelegt. Aschen und Schlacken werden aus der Abfallverbrennungsanlage nass ausgetragen und vor einer Verwertung in der Regel mehrere Wochen gelagert. Dabei finden hydraulische Reaktionen statt und enthaltenes CaO wird zu einem Großteil in Calciumcarbonat umgewandelt. Während wässrige Eluate von frischen Aschen pH-Werte von 12 und höher aufweisen, sind die Eluate nach einigen Wochen weniger stark alkalisch. Die gemessenen Schwermetallkonzentrationen sind daher dann auch deutlich niedriger, mit Ausnahme von Antimon (Sb) und Vanadium (V). Hier steigen die Konzentration mit der Lagerungsdauer. Grund sind sinkende Konzentrationen von Ca-Ionen, die sonst zu einer Ausfällung von Antimonaten und Vanadaten führen. Zu hohe Eluatwerte von Sb und V können jedoch durch Sorption an Eisenoxidverbindungen gemindert werden. Dazu wurden Sorptionsexperimente mit verschiedenen Eisenoxidverbindungen durchgeführt.
EI‐GEO is a multinational research project (Germany, Latvia, Russia) funded under the ERA.Net RUS Plus Call 2017. Aim of the project is the investigation whether geosynthetics in hydraulic engineering applications could be a source of microplastics (MPs) and other contaminants to the aquatic environment causing negative effects to aquatic organisms.
Whereas the behavior of geosynthetics in landfill engineering is well studied and documented since decades, little is known on application in applications such as coastal protection or ballast layers for wind energy plants. However, due to the rapid expansion of offshore wind energy, rising water levels and more extreme weather conditions as a result of climate change more and more hydraulic engineering projects will be realized in the future.
Applied methods are artificial ageing of geosynthetics in environmental simulation chambers, storage of samples under environmental condition for comparison with laboratory simulation, sample characterization by microscopic methods and ecotoxicological testing of water in contact with geosynthetics.
In parallel a case study at the Baltic Sea shore at Kaliningrad Oblast (Russia) will be performed. The aim of study is to estimate the level of pollution of the beaches by geosynthetic debris and identify the possible sources.
Aschen und Schlacken und aus der Abfallverbrennung, chemische und mineralogische Zusammensetzung
(2022)
Aschen und Schlacken sind mengenmäßig der wichtigste Reststoffstrom in der thermischen Abfallbehandlung. Die enthaltenen elementaren Metalle werden mit gängigen Verfahren abgetrennt und einer Verwertung als Sekundärrohstoff zugeführt. Durch die chemische und mineralogische Zusammensetzung der mineralischen Fraktion wird das Umweltverhalten sowie die abfallrechtliche Einstufung bestimmt. Methoden zur Ermittlung der Einstufung werden vorgestellt. Das Löslichkeitsverhalten von Schwermetallen in gealterten Aschen hängt meist vom pH-Wert in den standardisierten Auslaugtests ab. Das davon abweichende Verhalten von Antimon wird detailliert beschrieben.
Im Rahmen des Projekts wurde 1.) eine vollständige Bewertung des Stands der Technik in der EU bei der Behandlung von Rostasche vorgenommen und 2.) eine Optimierung der Nutzung der Feinfraktion in Labor- und Feldmaßstab untersucht.
Das Konsortium bestand aus zwei Universitäten aus Deutschland und Italien, der BAM als Forschungseinrichtung des Bundes und zwei Industriepartnern aus Deutschland und Schweden mit unterschiedlichen und spezifischen Fachkompetenzen.
Im Vortrag werden die Ergebnisse des weitgehend abgeschlossenen Projekts BASH-TREAT vorgestellt.
2021 marks the 10th anniversary of the first ERA.Net RUS joint call for European-Russian STI cooperation projects. Pooling the resources of more than 20 European and Russian funding agencies, more than 150 projects were funded with an estimated budget of about € 60 million.
Being even larger than many thematic ERA.NETs, the ERA.Net RUS Plus has been the biggest and most successful regional ERA.NET so far. Indicating a strong demand for scientific cooperation, the smaller-scale projects funded within the ERA.Net RUS (Plus) calls perfectly complement Russian participation in the EU Framework Programmes.
Not least of all, the ERA-Net RUS calls are examples of successful collaboration at a time when cooperation in other fields is complicated by the politically challenging situation. These calls contributed to keeping the communication channels open.
Against this background a dedicated event in late 2021 highlighted what has been achieved within the first decade of the initiative. The project EI-GEO coordinated by BAM was selected as best practice project. The presentation displays the main results of the project and discusses the key success factors.
Geosynthetic materials are applied in measures for coastal protection. Weathering or any damage of constructions, as shown by a field study in Kaliningrad Oblast (Russia), could lead to the littering of the beach or the sea (marine littering) and the discharge of possibly harmful additives into the marine environment. The ageing behavior of a widely used geotextile made of polypropylene was studied by artificial accelerated ageing in water-filled autoclaves at temperatures of 30 to 80° C
and pressures of 10 to 50 bar. Tensile strength tests were used to evaluate the progress of ageing, concluding that temperature rather than pressure was the main factor influencing the ageing of geotextiles. Using a modified Arrhenius equation, it was possible to calculate the half-life for the loss of 50% of the strain, which corresponds to approximately 330 years.
Whereas the behavior of geosynthetics in landfill engineering is well studied and documented since decades, little is known on application in applications such as coastal protection or ballast layers for wind energy plants.
However, due to the rapid expansion of offshore wind energy, rising water levels and more extreme weather conditions as a result of climate change more and more hydraulic engineering projects will be realized in the future.
Construction with geosynthetics has various advantages, but it has to be ensured that there is no negative environmental impact from the application of geosynthetics in hydraulic engineering.
It is expected that any effect will be visible only on the long-term. Therefore, accelerated testing is needed to derive requirements for geosynthetics in hydraulic engineering.
The production of secondary materials from waste materials requires, in most cases, significantly lower energy amounts than the primary material production of raw materials. Along with lower energy demand, the greenhouse gas emissions produced are also lower. The duty of a modern waste management system should therefore be to collect and sort the waste materials in a way that the highest amounts of single material fractions with the highest qualities can be generated. In this contribution, the greenhouse gas balances of the theoretical treatment of the household waste, if collected as mixed waste in sanitary landfills, in waste incineration plants, or in mechanical-biological treatment plants, are compared to the existing separate waste collection and treatment in Germany in 2014.
Direct and indirect effects (DIERec) of the recovery of secondary resources are in the range of 500 million tonnes per year in Germany; energy savings are 1.4 million TJ. These savings are between 10 and 20% of the total. The effects of materials recovery exceed those of energy recovery by far with the exception of secondary plastic material where DIERec from energy recovery is higher by factor of 2.7. Untapped potential for the recovery of secondary resources exist in the fine fraction of bottom ash from municipal solid waste incineration, mainly Cu and precious metals and in urban mining.
Aktuell werden in Deutschland in rund 100 thermischen Abfallbehandlungsanlagen (davon 66 Hausmüllverbrennungsanlagen) rund 20 Millionen Tonnen brennbare Abfälle verbrannt. Mit rund 5 Millionen Tonnen pro Jahr bildet die Rostasche die mengenmäßig größte Rückstandsfraktion. Nach einer Lagerung von einigen Wochen erfüllt die Rostasche im Regelfall die Anforderungen für die Deponieklasse 1.
Allerdings wird der Großteil der Rostasche nicht deponiert, sondern aufbereitet und verwertet. Zur Aufbereitung kommen verschieden Verfahren zum Einsatz. Für die Abtrennung der Eisen- und NE-Metalle werden magnetische Verfahren und die Wirbelstromtechnik eingesetzt. Für die mineralischen Fraktion gibt es eine Vielzahl von Sortier- und Klassierungsverfahren, Waschverfahren und weitergehende thermische Verfahren.
Geokunststoffe werden im Wasserbau häufig eingesetzt, beispielsweise bei Maßnahmen für den Küstenschutz oder in Ballastschichten für Windenergieanlagen. Eine zunehmende Anwendung von Geokunststoffen wird aufgrund der Ausweitung der Offshore-Windenergieerzeugung und des Schutzes auf steigende Wasserspiegel und extremere Wetterbedingungen infolge des Klimawandels beobachtet. Die Anwendung von Geokunststoffen in Wasserbauprojekten bietet zwar verschiedene wirtschaftliche und technische Vorteile, wurde jedoch kürzlich in Frage gestellt, da sich diese Materialien während ihrer Lebensdauer verschlechtern und langfristig gefährliche Auswirkungen auf die aquatische Umwelt haben können, insbesondere als Ursprung von Kunststoffabfällen oder als Quelle / Senke für Chemikalien wie Weichmacher und Stabilisatoren, die bei der Herstellung von Geokunststoffen verwendet werden, um deren Leistung zu verbessern. Der Vortrag geht auf diese Bedenken ein.
Antimon (Sb) wird in Industrieprodukten hauptsächlich als Flammschutzmittel in Kunststoff verwendet. Aufgrund solcher Zusätze in Kunststoffen landet etwa die Hälfte von Sb am Ende der Lebensdauer in der Verbrennung fester Siedlungsabfälle und folglich in relevanten Mengen in der erzeugten Bodenasche. Bei Kontakt mit Wasser ist die anfängliche Auslaugbarkeit gering, da Antimonat mit Ca2+ schwerlösliche Verbindungen bilden. Nach der Carnonatisierung der Verbrennungsasche (IBA) während der fortschreitenden Alterung nimmt der pH-Wert in den Sickerwasser ab. Mit abnehmender Ca-Konzentration im Eluat ändert sich das Lösungsgleichgewicht und Antimonate lösen sich auf.
In Deutschland ist beabsichtigt, Sb in IBA mit der geplanten Umsetzung der sogenannten Mantelverordnung (MantelVO, die Bestimmungen zur Verwertung von Mineralabfällen enthält) in naher Zukunft zu regulieren. Die im Entwurf festgelegten Grenzwerte können für IBA kritisch sein und stellen daher ein Risiko für die Verwendung der Mineralfraktion von IBA in den gut etablierten Recyclingwegen dar.
Aschen und Schlacken aus der thermischen Abfallbehandlung enthalten eine Vielzahl von Schwermetallverbindungen. Für Antimon, Chrom, Kupfer, Molybdän und Vanadium werden in der neuen Ersatzbaustoffverordnung Eluatgrenzwerte für die Verwertung festgelegt. Aschen und Schlacken werden aus der Abfallverbrennungsanlage nass ausgetragen und vor einer Verwertung in der Regel mehrere Wochen gelagert. Dabei finden hydraulische Reaktionen statt und enthaltenes CaO wird zu einem Großteil in Calciumcarbonat umgewandelt. Während wässrige Eluate von frischen Aschen pH-Werte von 12 und höher aufweisen, sind die Eluate nach einigen Wochen weniger stark alkalisch. Die gemessenen Schwermetallkonzentrationen sind daher dann auch deutlich niedriger, mit Ausnahme von Antimon (Sb) und Vanadium (V). Hier steigen die Konzentration mit der Lagerungsdauer. Grund sind sinkende Konzentrationen von Ca-Ionen, die sonst zu einer Ausfällung von Antimonaten und Vanadaten führen. Zu hohe Eluatwerte von Sb und V können durch Sorption an Eisenoxidverbindungen gemindert werden. Als besonders wirkungsvoll hat sich Schwertmannit (Eisen-Oxyhydroxysulfat) erwiesen. Es entsteht durch Oxidation von pyrithaltigem Material durch Mikroorganismen und wird deshalb in Gebieten gefunden, in denen Braunkohle abgebaut wurde, z.B. in der Lausitz. Weitere untersuchte Eisenoxidverbindungen waren Hämatit und Schlämme aus der Abtrennung von Eisen und Mangan in Wasserwerken.
In Deutschland fallen aktuell pro Jahr über 5 Mio. Tonnen Hausmüllverbrennungs-aschen (HMVA) an. Eine Verwertung dieser Aschen und Schlacken ist in Deutschland möglich und findet überwiegend im Deponiebau statt. Für die Verwertung sind in der Ersatzbaustoffverordnung Eluatgrenzwerte für Schwermetalle und einige andere Parameter vorgesehen.
Der Umgang mit HMVA könnte durch eine Einstufung als gefährlicher Abfall erschwert werden. Maßgeblich für die Einstufung eines Abfalls als gefährlich oder ungefährlich sind die gefahrenrelevanten Eigenschaften HP 1 bis HP 15 nach Anhang III der Richtlinie 2008/98/EG über Abfälle mit dort festgelegten Konzentrationsgrenzen. Für HMVA ist im Wesentlichen nur der Parameter HP 14 (Ökotoxizität) von Bedeutung. Dafür sind entscheidend die Gehalte an chemischen Verbindungen mit den Gefahrenhinweiscodes (hazard statement code, HSC) H400, H410, H411, H412 und H413. Eine detaillierte Diskussion zu den übrigen Gefahreneigenschaften bei HMVA findet sich in der Literatur. Die Einstufung als gefährlicher Abfall erfolgt nach festgelegten Rechenregeln.
Die BAM bearbeitet ein durch das UBA gefördertes Forschungsprojekt zur Erfassung und Bewertung von Analysedaten zu Aschen und Schlacken aus Abfallverbrennungsanlagen. Die Ergebnisse des Vorhabens sollen bei der Weiterentwicklung des vorhandenen Konzeptes für eine bundeseinheitlichen Untersuchung und abfallrechtlichen Einordnung von Aschen und Schlacken aus deutschen Abfallverbrennungsanlagen unterstützend herangezogen werden. Im Vortrag werden Verfahren zur quantitativen Bestimmung der einstufungsrelevanten Verbindungen vorgestellt: 1.) der Praxisleitfaden von ITAD und IGAM, 2.) Methode basierend auf der Bioverfügbarkeit und 3.) Methode basierend auf Speziierungsanalyse.
Half of the global material consumption is mineral material. The circularity is still low so that enhanced use of secondary building material is required to close loops. Three different secondary building materials are discussed based on exemplary research results: construction and demolition waste (C&D waste), soil-like material and incineration bottom ash (IBA). Focus was laid on the environmental compatibility of the materials examined mainly by standardized leaching tests. C&D waste was investigated after a wet treatment using a jigging machine, soil-like material and IBA were characterized with respect to their material composition. The environmental compatibility in particular was studied using standard leaching tests (batch tests and column tests). It was concluded that soil-like material can mostly be utilized even when the precautionary limit values set are exceeded by a factor of less than 2. For C&D waste the fine fraction below 2 mm and the content of brick material is problematic. IBA fulfills quality level HMVA-2 following German regulation. Higher quality levels of utilization might be achievable with better treatment technologies.
Here, we describe a fast and simple extraction method for the determination of per- and polyfluorinated alkyl substances (PFASs) utilizing extractable organic fluorine (EOF) sum parameter analysis and high resolution-continuum source-graphite furnace molecular absorption spectrometry (HR-CS-GFMAS) in soil samples. After extraction and separation of inorganic and organic fluorinated compounds, organically bound fluorinated compounds were indirectly determined via the molecular absorption of gallium mono-fluoride at 211.248 nm. The implementation of the decisions of the “Stockholm Convention on persistent organic pollutants” as well as the “Protocol on Persistent Organic Pollutants of the Convention on Long-Range Transboundary Air Pollution” of the UNECE include the reduction respectively the elimination of PFASs in the environment. Currently, regulations aim to target single compounds (mostly C8-PFAS). But the PFAS group includes over 4700 substances, which are potentially persistent and toxic, thus target analytical approaches are not suitable for a holistic approach investigating the PFAS pollutant situation. Furthermore, forbidden PFASs are substituted by short-chain PFASs, thus the number of unknow substances is steadily increasing. For this reason, sum parameter approaches are more suitable to investigate and assess the pollution situation as well as derive exposure limits. Our developed analytical method was successfully applied to determine PFASs in soil samples from a polluted site. In view of steadily increasing numbers of PFAS substances, our method will make an important contribution in assessing the pollution situation as well as support policy makers in deriving exposure limits for PFAS in the future.
Recent studies have shown that host-microbiota interactions can lead to dramatic changes in host phenotype especially behaviour. We investigate the causal drivers of microbe-associated shifts in host phenotype by examining how feeding behaviour is modulated by a bacterial infection in an omnivorous cockroach: Blatta orientalis. We conducted food-choice experiments after challenging hosts with the common entomopathogenic soil bacterium Pseudomonas entomophila to understand the impact of bacterial pathogens on host macronutrient preference. We find that immune challenge by this bacterium drives a sharp decline in carbohydrate intake and results in a relative increase in the ratio of protein to carbohydrate consumed. Additionally, infected cockroaches reduce their overall nutrient intake. We show for the first time that cockroach feeding behaviour is dynamically modulated by a pathogen. In contrast to studies on Spodoptera moths, this modulation does not impact any of the immune parameters we measured: it does not affect the abundance of immune related proteins in the hemolymph, hemolymph antimicrobial activity, or survival. This leads to the possibility that as long-lived omnivorous species B. orientalis may be better adapted to unpredictable variation in food availability and quality. An illness-induced anorexia-like response which is thought to assist hosts in limiting nutritional resources available to pathogens is therefore the most likely cause of the observed phenotype. Reduction of carbohydrate intake by sick individuals would be consistent with such an explanation.
In another cockroach species Blatella germanica we also investigate whether in addition to pathogens, host microbiota especially gut commensals are causally responsible for shifts in host behavioural phenotype and immune competence. To address this, we conduct food-choice and immunechallenge experiments in germ-free cockroaches and naïve cockroaches.
Ab 2029 gilt für alle Kläranlagen in Deutschland eine Pflicht zur Rückgewinnung von Phosphor (P) aus Klärschlamm. Ausgenommen sind nur Anlagen mit Schlämmen mit weniger als 20 g P/kg bezogen auf die Trockenmasse (TM). Für eine Überprüfung der Phosphorschwankungen im Klärschlamm wurden neun verschiedene Kläranlagen ausgewählt mit Phosphorgehalten nahe der "Rückgewinnungsgrenze" von 20 g/kg TM. Der entwässerte Klärschlamm dieser Anlagen wurde monatlich beprobt und auf seinen Phosphorgehalt geprüft. Die Phosphorschwankungen betrugen je nach Anlage zwischen 4 % und 13 % (relative Standardabweichung), im Mittel rund 7 %.
Die landwirtschaftliche Klärschlammverwertung ist in der Bundesrepublik Deutschland seit Jahren rückläufig, hatte im Jahr 2017 jedoch noch einen Anteil von rund 18 % [20]. Diese Art der Verwertung wird kontrovers diskutiert, da der Klärschlamm im Rahmen der Abwasserreinigung eine Schadstoffsenke darstellt. In vergangenen Jahrzehnten wurden insbesondere die hohen Gehalte an Schwermetallen im Klärschlamm als kritisch für eine landwirtschaftliche Verwertung eingestuft. Diese Belastung konnte allerdings durch Absenkung der Einträge von Schmermetallen in das Abwasser signifikant gesenkt werden. Neben Schwermetallen kamen jedoch auch organische Schadstoffe wie Pharmazeutika, Kosmetika und Haushaltschemikalien in den Fokus der Diskussion über den Einsatz von Klärschlamm auf Agrarflächen. Heute geraten zunehmend weitere Inhaltsstoffe in den Fokus, deren Auswirkungen noch nicht abschließend geklärt sind, weshalb eine einheitliche Bewertung über Grenzwerte nicht darstellbar ist. Beispiele für diese neuen Stoffgruppen sind Mikroplastik, Nanopartikel, Antibiotikaresistenzen und persistente organische Spurenstoffe. Neben den angesprochenen Risiken gibt es in Deutschland Regionen mit einem stark erhöhten Nährstoffüberschuss. In der Kritik steht vor allem eine nicht ordnungsgemäße Düngung mit Stickstoff, welche mit Nitratauswaschungen in das Grundwasser einhergeht. Um diese Grundwasserbelastung zu verhindern wurde u.a. das Düngerecht erneut verschärft, was die Flächenkonkurrenz zwischen Klärschlamm und Wirtschaftsdünger weiter vergrößern wird. Auf Druck der EU-Kommission stehen zudem weitere Anpassungen im Düngerecht bevor, da die beschlossenen Änderungen aus Kommissionssicht nicht ausreichen, um die Nitratrichtlinie einzuhalten. Vor dem Hintergrund der angeführten Probleme wurde im Koalitionsvertrag der 18. Legislaturperiode (2013) festgeschrieben, „die Klärschlammausbringung zu Düngezwecken [zu] beenden und Phosphor und andere Nährstoffe zurück[zu]gewinnen“ [5]. Die novellierte AbfKlärV beinhaltet allerdings kein grundsätzliches Aufbringungsverbot und eine Rückgewinnungspflicht besteht lediglich für den Nährstoff Phosphor. Es ist davon auszugehen, dass sich die neuen Regelungen im Düngerecht und der Klärschlammverordnung massiv auf die landwirtschaftliche Verwertung von Klärschlamm und damit auf die Kreislaufwirtschaft verschiedener Nährstoffe auswirken werden. Zur Ermittlung dieser Auswirkungen wird seit Oktober 2018 im Auftrag des Umweltbundesamtes das REFOPLAN-Projekt „extraWERT“ (FKZ 3718 26 330 0) von der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) in Kooperation mit dem Institut für Siedlungswasserwirtschaft (ISA) der RWTH Aachen durchgeführt. In diesem Beitrag werden erste Ergebnisse dieses Projekts vorgestellt.
Agricultural sewage sludge utilization becomes less important in Germany. In 2017, new fertilizer and waste laws caused the agricultural sewage sludge utilization to collapse by more than a quarter. From 2029, in German wastewater treatment plants (WWTPs) phosphorus (P) must be recovered from sewage sludge ifit contains more than 2 wt % P. Agricultural utilization will be prohibited for large WWTPs > 100,000 population equivalents (pe) from 2029 and > 50,000 pe from 2032. In Germany, each federal state must annually report amounts and quality of agriculturally utilized sewage sludge which was 17 % of the total disposal in 2019. The reports of 10 States were evaluated for 2016 and 2017 representing approx. 60 % ofthe total agriculturally used sludge volume. Whereas phosphorus recovery is mandatory this does not apply to other nutrients. However, many P recovery processes recover other nutrients, too.
Considering three differentscenariosfor future German sewage sludge disposal Shows that 70 - 77 % ofthe P load in sewage sludge will probably be recovered in the future.
At the same time, this applies for about 0 - 16 % of nitrogen, 36 - 52 % of calcium, 31-53 % of potassium, and 40 - 52 % of magnesium. However, these recovered nutrient loads can substitute only 1 % or less ofthe commercial fertilizer demand except from phosphorus which is about 45 % ofthe demand.
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.
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.
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.
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.
Agricultural sewage sludge utilization becomes less important in Germany. In 2017, new fertilizer and waste laws caused the agricultural sewage sludge utilization to collapse by more than a quarter. From 2029, in German wastewater treatment plants (WWTPs) phosphorus (P) must be recovered from sewage sludge ifit contains more than 2 wt % P. Agricultural utilization will be prohibited for large WWTPs > 100,000 population equivalents (pe) from 2029 and > 50,000 pe from 2032. In Germany, each federal state must annually report amounts and quality of agriculturally utilized sewage sludge which was 17 % of the total disposal in 2019. The reports of 10 States were evaluated for 2016 and 2017 representing approx. 60 % ofthe total agriculturallyused sludge volume. Whereas phosphorus recovery is mandatory this does not apply to other nutrients. However, many P recovery processes recover other nutrients, too. Considering three differentscenariosfor future German sewage sludge disposal shows that 70 - 77 % ofthe P load in sewage sludge will probably be recovered in the future. At the same time, this applies for about 0 - 16 % of nitrogen, 36 - 52 % of calcium, 31-53 % of potassium, and 40 - 52 % of magnesium. However, these recovered nut rient loads can substitute only 1 % or less ofthe commercial fertilizer demand except from phosphorus which is about 45 % ofthe demand.
Die Ergebnisse des extraWERT-Vorhabens wurden Vertreter*innen des Umweltministeriums von Bund und Ländern vorgestellt und im Zusammenhang mit dem Vollzug der AbfKlärV diskutiert. Es ging um die Phosphorschwankungen in kommunalem Klärschlamm und eine Empfehlung der Untersuchungshäufigkeit, um den Phosphorgehalt rechtssicher festzustellen. Des weiteren wurde die Performance verschiedener nach Verordnung gleichwertiger Analyseverfahren für Phosphor in Klärschlamm diskutiert anhand von Ringversuchsergebnissen und Eigenuntersuchungen an 15 Klärschlammproben.
Gleichwertigkeit der nach AbfKlärV zulässigen Verfahren zur Phosphorbestimmung in Klärschlamm
(2021)
In dem Meeting wurde den Notifizierern und Ausrichtern des jährlichen länderübergreifenden Ringversuchs Klärschlamm die Ergebnisse zu Untersuchungen hinsichtlich der Gleichwertigkeit verschiedener nach AbfKlärV zulässiger Verfahren zur Phosphorbestimmung in Klärschlamm vorgestellt. Die Untersuchungen an 15 Klärschlammproben ergaben die höchsten Ergebnisse für das Messverfahren ICP-OES und das Aufschlussverfahren in der Mikrowelle. Diese Ergebnisse wurden im Ringversuch bestätigt.
Die landwirtschaftliche Klärschlammverwertung ist in der Bundesrepublik Deutschland seit Jahren rückläufig. Neben den Risiken durch Schadstoffeinträge gibt es in Deutschland Regionen mit einem stark erhöhten Nährstoffüberschuss. Um die Grundwasserbelastung zu verhindern wurde u.a. das Düngerecht verschärft, was die Flächenkonkurrenz zwischen Klärschlamm und Wirtschaftsdünger vergrößern wird.
Es ist davon auszugehen, dass sich die neuen Regelungen im Düngerecht und der Klärschlammverordnung massiv auf die landwirtschaftliche Verwertung von Klärschlamm und damit auf die Kreislaufwirtschaft verschiedener Nährstoffe auswirken werden. In diesem Beitrag werden erste Ergebnisse des Projekts extraWERT vorgestellt.
Es wurden erste Ergebnisse des Projekts extraWERT vorgestellt. Im Projekt werden monatlich Klärschlammproben von 10 kommunalen Kläranlagen untersucht, deren P-Gehalt im Grenzbereich der AbfKlärV liegt zwischen 1,7 und 2,3%. Die ersten Ergebnisse lagen zu fünf Kläranlagen vor, es wurden Daten zum TS-Gehalt, zur oTS und zu den Nährstoffgehalten präsentiert.
New developments in legislation and technology development for P-recovery were presented with focus on the situation in Germany.
Im Projekt extraWERT geht es um die Ermittlung von Nährstoffpotenzialen in Abwasser und Klärschlamm. Neben kommunalen Kläranlagen soll auch die Industrie als Quelle für nährstoffreiche Abfallströme betrachtet werden. Mit dem Vortrag sollten Mitglieder des MIV zu einer Projektbeteiligung bewegt werden. Es sollen rohes und gereinigtes Abwasser von direkt einleitenden Betrieben auf Makronährstoffe untersucht werden, neue Erkenntnisse werden insbesondere für die Nährstoffe Calcium und Magnesium erwartet.
Vorstellung des REFOPLAN-Projekts extraWERT Erhebung zusätzlicher Wertstoffpotenziale in Klärschlamm
(2019)
Auf dem Regionalgruppentreffen wurden erste Projektergebnisse vorgestellt und die Probenahmestrategie diskutiert. Vorgestellt wurde eine Rückberechnung der mittleren Wertstoffgehalte aus dem Klärschlamm-Monitoring 2014 (Krüger und Adam) und erste Auswertungen der Klärschlammbericht-Rohdaten aus NRW und Hessen.
Ziel des Projektes war es, schwermetallfreie Schmelzfarben für den Einsatz auf einem Digitaldrucker zu entwickeln. Dafür sollten die Glasfarben, bei Temperaturen unter 630°C verarbeitbar und deren Eigenschaften kompatibel mit denen von Floatgläsern sein. Zudem sollte die aufgeschmolzene Farbe transparent und im Außenbereich eingesetzt beständig sein. Weiterhin mussten die Farben eine Partikelkorngröße kleiner als 20µm besitzen, um die Druckköpfe des Digitaldruckers nicht zu verstopfen. Gute Dispergierbarkeit, thixotropes Verhalten und eine schnelle Trocknung waren weitere Voraussetzungen. Die Ersetzung von PbO durch ZnO und Bi2O3 wurde getestet und zeigte positive Ergebnisse. Ein geeigneter Mahl-und Dispergierprozess wurde entwickelt. Bei der Firma „glas&räume“ wurden die Musterfarben getestet und zeigten ein gutes Druckverhalten. Bedingt durch das Tintenstrahlverfahren erreicht der Farbauftrag keine 100%ige Transparenz. Trotzdem erscheint die transparente keramische Schmelzfarbe im Vergleich zur Verwendung von opaker Schmelzfarbe tatsächlich völlig transparent. Der Unterschied ist signifikant und öffnet so ein neues Kapitel im keramischen Digitaldruck.
For centuries, churches, secular buildings and museums have been furnished with valuable works of art. Many works of art are UV- and light-sensitive. It is well known that especially UV radiation causes damage and discoloration in paintings, textiles, plastics, wood and other materials. In particular, the wavelengths between 280 and 410 nm cause color changes, embrittlement or destruction of e.g. plastics over time. Therefore, strongly UV-absorbing glasses are advantageous for architecture and are necessary for the protection of cultural assets. As restorers in all disciplines become more and more aware, the demands placed on buildings and their furnishings in terms of climate are becoming increasingly detailed and precise. The aim in each case is to preserve the valuable artwork.
For some years now, the industry has been offering the protection of cultural objects by installing special UV-protective glasses. Currently, UV protection for church buildings is realized by laminated safety glass equipped with appropriate UV-protective plastic films. Technically, this always means a second pane of glass in front of the windows, which is installed outside the building. This creates climatic gaps that are difficult to control and deterioration due to ageing effects can be expected. At the same time, this protective glazing is not invisible and has a considerable aesthetic influence on the interior and exterior appearance of the building. Meanwhile, the preservation of historical monuments accepts such aesthetic cuts on buildings in order to protect the artwork in the interior from UV light. To this day, however, the long-term durability of UV protection provided by inserted plastic films is still controversial.
To date the only available alternative on the market is a mouth-blown UV protection glass which uses a so-called overlay to provide UV protection. This shows that UV protection can also be achieved by glasses without plastic films thus realizing an exclusive inorganic protection which normally is more stable than a polymeric one. So far there are not enough studies to prove long-term durability.
The aim of this project is to provide existing glazing or new glazing to be created with a highly transparent layer that ensures this UV-protective filter function below 400 nm. The glass coating is to be applied to the glass over a large area and fired into the surface like a classic ceramic enamel paint with the same technics. In addition, it should be long-term durable in its function. It means, that the glass has to be fused at temperatures below 630 °C during the firing process, its chemical durability has to be high, its coefficient of thermal expansion has to be as close as the one of the substrate (usually float glass) and the glass has to absorb the UV-radiation within a thin thickness (thinner as 100 µm).
In this project, the long-term durability of commercial UV-protective glasses is examined. New low melting glasses containing UV-absorbing ions are being developed. Their UV-absorption as a thin layer is analyzed as well as their chemical durability and their thermal properties.
We are grateful to BMWI for the financial support in the frame of the Central Innovation Programme for SMEs (ZIM).
Today glass is broadly used in modern architecture. For applications indoor it is possible to produce decor glass by using enamel colors and glass painting techniques without any problems. However, this is more limited for applications outdoor. Humidity and environmental pollution attack the surface of the coating and damage it strongly. There are only few colors on the market which are resistant towards acids and bases until now. Additionally, most of those colors are opaque. In order to extend the color palette, chemically resistant colored glasses are being developed which are transparent, relatively low melting and intensively toned even in thin coat thickness. To achieve such ambitious aim, many parameters have to match which act in complex manner. Metal oxides were used to color the glasses. A lead-free glass composition was developed to avoid an exposition of heavy metals to the environment. The glasses were characterized, in particular in terms of their thermal properties, their crystallization and corrosion behavior as well as their chemical and environmental durability. Different practical applications will be shown.
Berichtet wird über ein abgeschlossenes Folgeprojekt zu vorangegangenen Forschungsprojekte zum gleichen Thema. In diesem Projekt wurde das Messverfahren und der Prüfwert für die Partikelemission aus Bürogeräten (siehe Vergabegrundlage DE-UZ 205, Anhang S-M) validiert und weiterentwickelt. Dies geschah erstens durch Auswertung der Qualität der im Zuge der Antragsbearbeitung für das Umweltzeichen beim RAL vorgelegten Prüfberichte der zugelassenen Prüfinstitute und - basierend darauf - durch Erarbeitung von technisch-methodischen Veränderungsvorschlägen für die Prüfung der chemischen Emissionen, inklusive der Partikelemissionen. Zweitens wurde zur Beurteilung der Veränderung der Emissionen aktueller gegenüber älteren Geräte-generationen ein nicht repräsentativer Pool von table-top-Laserdruckern aufgebaut und die chemischen Emissionen wurden gemäß DE-UZ-205, Anhang S-M gemessen. Ergänzend wurde eine quantitative chemische Analyse der anorganischen Feststoffe - insbesondere der Metalle - in den emittierten Aerosolen vorgenommen die Feststoffgehalte um 2 Massen-% ergaben. Diese Ergebnisse wurden gemeinsam mit neueren wissenschaftlichen Untersuchungen zur gesundheitlichen Bewertung der Emissionen aus Laserdruckern ausgewertet, es besteht kein Handlungsbedarf hinsichtlich einer Veränderung von Prüfkriterien und Prüfwerten. Drittens wurde untersucht und bestätigt, dass mit dem Ziel eines zukünftigen Umweltzeichens das Emissionsverhalten Kunststoff verarbeitender 3D-FDM-Drucker und/oder die darin verarbeiteten Verbrauchsmaterialien (Filamente) mit dem für Laserdrucker entwickelten Mess- und Prüfschema charakterisiert und quantifiziert werden können. Untersuchungen an Stereo-lithografie (SLA)-Druckern und Vorrichtungen zur Nach-Aushärtung (Curing Units) ergaben keine nachweisbaren Partikelemissionen.
Quantitative chemical analysis of airborne particulate matter (PM) is vital for the understanding of health effects in indoor and outdoor environments, as well as for enforcing air quality regulations. Typically, airborne particles are sampled over long time periods on filters, followed by lab-based analysis, e.g., with inductively coupled plasma mass spectrometry (ICP-MS). Within the EURAMET EMPIR AEROMET project, cascade impactor aerosol sampling was combined for the first time with on-site total reflection X-ray fluorescence (TXRF) spectroscopy to develop a tool for quantifying particle element compositions within short time intervals and even on-site. This makes variations of aerosol chemistry observable with time resolution of only a few hours and with good size resolution in the PM10 range. A proof of principles of this methodological approach and the comparison to standard methods within the scope of a field campaign will be presented. Secondly, aerosol sampling and TXRF analysis seems suitable for the quantification of elements in indoor aerosols as well and may provide an important enhancement of existing methods for the analysis of organic species in aerosols (such as sampling and TD-GC/MS). As an example, the TXRF analysis of particles emitted from laser printers under controlled conditions in an environmental test chamber will be presented.
Measurements of aerosol particles are vital for enforcing EU air quality regulations to protect human health, and for research on climate change effects. Although metrics such as PM10 and PM2.5 are currently in use, the level of uncertainty of aerosol metrics is too high and the traceability is insufficient. The project AEROMET, which has been started in June 2017 aims at implementing improvements in a) the uncertainty of particle mass, size and number concentration measurements and b) in the characterization of regulated components in airborne particles. Both are demanded by existing networks within the EU as well as by global atmospheric research.
On-site measurement campaigns
One of the objects is the application of mobile x-ray spectroscopy techniques combined with aerosol sampling techniques for quantifying particle compositions in the field for real time analysis. During two in-field measurement campaigns in Budapest, Hungary in May 2018 and Cassino, Italy in September 2018 the size dependent mass concentrations of specific elements in ambient aerosols were monitored under dynamic conditions.
Typically, airborne particles are sampled on filter substrates. During this project new sampling methods with specially designed substrate holders for an in-situ TXRF analysis were developed and applied for the first time. This approach allows a direct time and size resolved analysis without laborious digestion steps and a reduced risk of contamination.
Aerosol particles were sampled in a 13-stage DLPI impactor - size range from 0,03 µm to 10 µm - which was equipped with special adapters for acrylic discs of 30 mm diameter, serving as substrates. TXRF analysis was performed on site with the transportable spectrometer S2 PICOFOX (Bruker Nano GmbH) equipped with a Mo X-ray tube and a 30 mm² Silicon Drift Detector (SDD). Excitation conditions were 50 kV, 600 µA, measurement time 1000 s. Quantification was based on internal standardization using 50 ng of Y in solution, which was pipetted into the centre of the discs prior to sampling.
At moderate air pollution levels, i.e. PM10 ~ 20 µg/m³, sampling times of less than 2 hours were enough for the detection of elements in different particle size bins. The in-situ approach and the high sensitivity of TXRF enables the observation of rather quick changes in the quantity and distribution of elements in an ambient aerosol on the day of sampling, as the below example from the Cassino field campaign on 11 Sept. 2018 shows: The analysis of the morning and afternoon sampling shifts reveals the occurrence of the elements Fe, Ca and Si in different size bins as well as their significant temporal change in respective mass concentrations over the day while the distributions of several other elements in the aerosol remain unchanged.
The validation of these results by backup measurements is planned.
A mobile Bruker S2 Picofox TXRF spectrometer has been used in two field campaigns within the EMPIR env07 AEROMET project for the on-site analysis of cascade impactor aerosol samples.The results show that even at moderate air pollution levels – i.e.PM10 fairly below 20 μg/m³ - element mass concentrations in air in the range of 100 pg/m³could be measured in up to 13 size bins after sampling times of less than only 0.5 days.