4 Material und Umwelt
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Organisationseinheit der BAM
- 4 Material und Umwelt (77)
- 4.3 Schadstofftransfer und Umwelttechnologien (20)
- 4.5 Kunst- und Kulturgutanalyse (20)
- 4.4 Thermochemische Reststoffbehandlung und Wertstoffrückgewinnung (17)
- 4.1 Biologische Materialschädigung und Referenzorganismen (11)
- 4.2 Material-Mikrobiom Wechselwirkungen (9)
- 1 Analytische Chemie; Referenzmaterialien (4)
- 4.0 Abteilungsleitung und andere (4)
- 6 Materialchemie (4)
- 1.1 Anorganische Spurenanalytik (2)
Eingeladener Vortrag
- nein (27)
Recent research has suggested that some of the inks used in Herculaneum papyri do not consist of pure carbon. Starting from this finding, in June 2018 a preliminary campaign of analysis by means of X-Ray fluorescence (XRF) of external portions removed mechanically from their original rolls in the eighteenth century (the so-called scorze) took place at the Biblioteca Nazionale at Naples. Also in this case, the aim of the survey was to investigate the ink composition in order to detect possible traces of metal. This article sums up the results of this survey.
The manuscripts – which have been inventoried as Manuscripta Americana in the State Library of Berlin and the Biblioteka Jagellońska in Krakow with the signatures Ms. Americ. 1-15 – are codices mainly from the colonial times of the 16th to 18th centuries. They uniquely reflect the relationships between indigenous culture and Spanish colonial masters. This study focusses on the scientific investigation of three manuscripts (Manuscripta Americana 3, 8, and 10) that are kept today in Krakow. It is assumed that these three parts belong together in a certain way, so various material analyses were carried out to prove this assumption. The scientific investigation focusses on the different black and brown writing inks.
While studying the socio-geographic history of inks, division 4.5 (Analysis of cultural artefacts and assets) of the BAM (Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung) in Berlin together with the Centre for the Study of Manuscript Cultures in Hamburg has developed a protocol for ink analysis. It consists of a primary screening to determine the type of the ink, and a subsequent in-depth analysis using several spectroscopic techniques.
Using this protocol, scientists can assist scholars in addressing a rather broad range of historical questions that cannot be answered unequivocally through scholarly research alone. Among these are investigations on collaboration between scribes and scriptoria, on the usage and annotation of manuscripts and on their path through time and space in general. This research can thus help to reconstruct the circumstances of the production of written heritage as well as their history and transmission.
To facilitate the dialogue between the scholars and the scientists a simple optical tool was developed to allow the scholars to perform preliminary ink analysis required for formulation of the question that in turn can be answered by scientific in-depth investigations. In this paper, ink types and their identification method is accompanied by examples of the recent work conducted on parchment manuscripts in the Austrian National Library.
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.
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.
Wasserzeichen und Papierstrukturen können einen wesentlichen Beitrag bei der Analyse von Kunstobjekten auf Papier darstellen. Ausgangspunkt hierfür bildet die korrekte Dokumentation mit entsprechender Bildaufnahme und der richtigen Erfassung und Interpretation der Phänomene. An Fallbeispielen aus Forschungsprojekten zu niederländischen Zeichnungen am Kupferstich-Kabinett Dresden und der Grafischen Sammlung Weimar sollen die Möglichkeiten der Papier- und Wasserzeichenforschung als historische Hilfswissenschaft demonstriert werden. Dieser Abendvortrag dient zugleich als Einführung in die Technologie der (Hand-)Papierherstellung, Wasserzeichenerfassung und –recherche.
VIS-Spectroscopy of Aztec colors. Possible application of a non-destructive analytical method
(2020)
VIS-spectrometry is a rapid, non- invasive, mobile method that offers a first overview of possible colorants used for painting. This is worked out in detail for European paintings and applied for artefacts and illuminated manuscripts. Manuscripts from Asia for example show colorful decoration identified to be mostly prepared with mineral pigments such as cinnabar, azurite, malachite or orpiment, which can be well confirmed by elemental analyses due to their color-giving metal ions. This is not the case for the colorants used in pictorial manuscripts from pre-Hispanic America, painted mainly with organic dyes from plants. The palette of colors used by the Aztecs is very rich due to their extensive empire and long- distance communication with vassal states liable to tributes including dyes of high quality. These include for example red cochineal, yellow zacatlaxcalli, tagetes, safflower, and achiotl, as well as blue indigo, or matlalli.
Uninvited and welcomed guests in museums – biological management of clothes moths and woodworms
(2020)
In museums and historic houses clothes, moths (Tineola bisselliella, Tinea pellionella) and the furniture beetle (Anobium punctatum) are the most economically important pests on textiles or wooden artifacts, respectively. Their management is essential to protect cultural ethnological heritage and natural history collections for future generations.
Pest management strategies have changed over time. Today, intensive knowledge on pest biology and overall material science are key cornerstones in IPM concepts - also for the Museum environment. The important first steps for sustainable pest management are risk assessment, early pest detection and identification of pathways of infestation. These steps are followed by physical and biological means of control, which have lately gained more importance than applying biocides. Several potentially effective biological enemies of clothes moths and woodworm have been known for a long time, but their promotion for pest control in Museums and historic houses is just beginning.
This short review summarizes current concepts of pest life cycle interruption by applying good quarantine and very specific biological measures. The lessons learned from recent faunistic surveys, life-history studies as well as behavioral observations of parasitoids and predators of clothes moths and woodworm may supplement the pest management tool box. The need for further research in this field is addressed.
This poster summarizes the points that need to be addressed towards the standardization of an efficient procedure for the analysis of VVOC emissions: Standard mixture generation and investigations on mutual reactivity, selection of an appropriate sorbent combination, water management and choice of a suited GC column.
Designing the performance of geogrids in reinforce soil constructions usually does not consider long-term behavior and possible failure modes of junctions between longitudinal and transverse ribs. How could behavior of junctions be included? To which extend is it necessary? On the conference Geo-Chicago 2016, Swan and Yuan presented an ultimate limit state equation for the short-term material resistance of junctions. We discuss limitations and suggest improvements to include long-term behavior of junctions. Nevertheless, the approach applies only to a specific mode of shear-tensile failure of junctions and only to strictly rigid geogrids. A new design concept presented in the same year by Jacobs on the conference GeoAmerica for the special case of the anchorage of geogrids, which reinforce capping system on long and steep slopes of landfills, tried to overcome these drawbacks. We discuss the aspects of this concept related to the long-term behavior
of junctions and the interplay between the load applied to junctions and the flexibility of longitudinal ribs. This interplay and the long-term junction strength determine the long-term behavior of geogrids.
Designing the performance of geogrids in reinforce soil constructions usually does not consider long-term behavior and possible failure modes of junctions between longitudinal and transverse ribs. How could behavior of junctions be included? To which extend is it necessary? On the conference Geo-Chicago 2016, Swan and Yuan presented an ultimate limit state equation for the short-term material resistance of junctions. We discuss limitations and suggest improvements to include long-term behavior of junctions. Nevertheless, the approach applies only to a specific mode of shear-tensile failure of junctions and only to strictly rigid geogrids. A new design concept presented in the same year by Jacobs on the conference GeoAmerica for the special case of the anchorage of geogrids, which reinforce capping system on long and steep slopes of landfills, tried to overcome these drawbacks. We discuss the aspects of this concept related to the long-term behavior of junctions and the interplay between the load applied to junctions and the flexibility of longitudinal ribs. This interplay and the long-term junction strength determine the long-term behavior of geogrids.
The compatible solute ectoine: protection mechanisms, strain development, and industrial production
(2020)
Bacteria, Archaea, and Eukarya can adapt to saline environments by accumulating compatible solutes in order to maintain an osmotic equilibrium. Compatible solutes are of diverse chemical structure (sugars, polyols, amino acid derivatives) and are beneficial for bacterial cells not only as osmoregulatory solutes but also as
protectants of proteins by mitigating detrimental effects of freezing, drying, and high temperatures. The aspartate derivative ectoine is a widespread compatible solute in Bacteria and possesses additional protective properties compared with other compatible solutes and stabilizes even whole cells against stresses such as ultraviolet radiation or cytotoxins. Here, it is our intention to go beyond a simple description of effects, but to depict the molecular interaction of ectoine with biomolecules, such as proteins, membranes, and DNA and explain the underlying principles. The stabilizing properties of ectoine attracted industry, which saw the potential to market ectoine
as a novel active component in health care products and cosmetics. In joint efforts of industry and research, a large-scale fermentation procedure has been developed with the halophilic bacterium Halomonas elongata used as a producer strain. The development and application of ectoine-excreting mutants from H. elongata (“leaky” mutants) allow for the annual production of ectoine on a scale of tons. The details of
the strain development and fermentation processes will be introduced.
Museums worldwide are equipped with different display cases. Exhibit display cases should protect cultural objects from dust as well as from mechanical and physical damage. To ensure a stable climate inside the display cases, a low air exchange rate is maintained. Typically, air exchange rates are often smaller than 0.1 d-1, which can result in rising concentrations of potential harmful VOC inside of the display cases due to emissions from materials. Especially organic acids, e. g. formic or acetic acid which can emit from e.g. sealing materials or wood-based materials, can produce damage of cultural objects.
In 2012 BAM introduced a procedure which is called: BEMMA-Scheme (Bewertung von Emissionen aus Materialien für Museums¬ausstattungen) which stands for: “Assessment of Emissions from Materials for Museum Equipment”. Regarding the testing procedure only construction materials were evaluated, not the display cases their self. Micro chambers are used for VOC emission tests of display case construction materials, e.g. plastics, sealing materials, coatings, textiles and others. Each sampling procedure is carried out in duplicate. Emissions like formic acid, acetic acid, formaldehyde, piperidine-derivates and oximes are excluded and the sum of emissions of VVOCs, VOCs and SVOCs is limited. For a positive assessment all listed criteria must be fulfilled; otherwise the display construction material fails the BEMMA scheme.
Fluorides are well-known as wood preservatives. One of the limitations of fluoride-based wood preservatives is their high leachability. Alternative to current fluoride salts such as NaF used in wood protection are low water-soluble fluorides. However, impregnation of low water-soluble fluorides into wood poses a challenge. To address this challenge, low water-soluble fluorides like calcium fluoride (CaF2) and magnesium fluoride (MgF2) were synthesized as nanoparticles via the fluorolytic sol−gel synthesis and then impregnated into wood specimens. In this study, the toxicity of nano metal fluorides was assessed by termite mortality, mass loss and visual analysis of treated specimens after eight weeks of exposure to termites, Coptotermes formosanus. Nano metal fluorides with sol concentrations of 0.5 M and higher were found to be effective against termites resulting in 100% termite mortality and significantly inhibited termite feeding. Among the formulations tested, the least damage was found for specimens treated with combinations of CaF2 and MgF2 with an average mass loss less than 1% and visual rating of “1”. These results demonstrate the efficacy of low water-soluble nano metal fluorides to protect wood from termite attack.
Bei der Stahlproduktion fallen verfahrensbedingt große Mengen an Nebenprodukten und Abfällen wie Stahlwerksschlacken, Filterstäube und Gichtgasschlämme an. Hohe Anteile dieser Stoffströme werden aufgrund ihrer Zusammensetzung immer noch deponiert, obwohl sie ein hohes Wertstoffpotential aufweisen. An der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) werden Verfahren untersucht
und entwickelt, welche eine Verwertung und Kreislaufführung dieser Materialströme ermöglichen. Aus sogenannten Linz-Donawitz-(LD)-Schlacken können durch carbothermische Nachbehandlung Roheisen und ein dem Portlandzementklinker (PZK) ähnliches Bindemittel erzeugt werden. Aus Elektroofenstäuben und Gichtgasschlämmen kann Zink gewonnen und die Anteile an Eisen und Kohlenstoff in den Stahlproduktionsprozess zurückgeführt werden. Durch diese technischen Maßnahmen kann es gelingen die Deponierung von Abfällen der Stahlproduktion zukünftig deutlich zu reduzieren.
Bei der Stahlproduktion fallen verfahrensbedingt große Mengen an Nebenprodukten und Abfällen wie Stahlwerksschlacken, Filterstäube und Gichtgasschlämme an. Hohe Anteile dieser Stoffströme werden aufgrund ihrer Zusammensetzung immer noch deponiert, obwohl sie ein hohes Wertstoffpotential aufweisen. An der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) werden Verfahren untersucht und entwickelt, welche eine Verwertung und Kreislaufführung dieser Materialströme ermöglichen. Aus sogenannten Linz-Donawitz-(LD)-Schlacken können durch carbothermische Nachbehandlung Roheisen und ein dem Portlandzementklinker (PZK) ähnliches Bindemittel erzeugt werden. Aus Elektroofenstäuben und Gichtgasschlämmen kann Zink gewonnen und die Anteile an Eisen und Kohlenstoff in den Stahlproduktionsprozess zurückgeführt werden. Durch diese technischen Maßnahmen kann es gelingen die Deponierung von Abfällen der Stahlproduktion zukünftig deutlich zu reduzieren.
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.
Microbiologically influenced corrosion (MIC) is a highly unpredictable process involving a complex group of microorganisms, including sulfate-reducing bacteria and methanogens. Standard laboratory MIC testing using static serum bottle enrichments is an easy but limited method, offering poor resolution on the biomineralization process of corrosion products. An example of this is the presumed corrosion product siderite by corrosive methanogens (Mi-MIC). Previous publications reported siderite was the sole corrosion product of M. maripaludis using metal coupons incubated under stationary conditions.
However, the formation of siderite is closely related to the surrounding environmental conditions, i.e. pH, CO2 concentration, flow and temperature. Thus, siderite as the sole corrosion product of Mi-MIC remain inconclusive and questionable. To study Mi-MIC effectively, a novel versatile multiport flow-column corrosion monitoring system (MFC) was developed. MFC allows sectional corrosion rate determination under flow conditions using different types of material, inoculum and packing material. MFC offers great flexibility, ease of operation and accurate corrosion measurements that can be combined with many other techniques. Using MFC, we studied multiple strains of methanogens and compared it with sulfate-reducing bacteria under neutral and low pH conditions. It was revealed by MFC that corrosive methanogens have equally high corrosion potential as sulfate-reducing bacteria. Additionally, siderite is not the dominant nor sole corrosion product of Mi-MIC. Thus, effective corrosion monitoring and establishing standard laboratory practices, i.e. incorporating MFC as part of regular testing process, will provide deeper understanding of MIC. This will allow further microbial electrophysiology understandings, contributing to effective mitigation strategy development.
The intention of the presentation is to inspire a discussion on the needs and challenges for the digitalisation of SOPs. SOPs are available for the disciplines of physical-chemical characterisation, for toxicology, for environmental applications and for exposure applications. Furthermore the SOPs need to be integrated in the regulatory framework and need to be detailed enough for the digital processing. This is highlighted in this presentation.