4 Material und Umwelt
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In industrialised countries more than 80% of the time is spent indoors. Products, such as building materials and furniture, emit volatile organic compounds (VOCs), which are therefore ubiquitous in indoor air. VOC in combination may, under certain environmental and occupational conditions, result in reported sensory irritation and health complaints. Emission concentrations can become further elevated in new or refurbished buildings where the rate of air exchange with fresh ambient air may be limited due to improved energy saving aspects. A healthy indoor environment can be achieved by controlling the sources and by eliminating or limiting the release of harmful substances into the air. One way is to use (building) materials proved to be low emitting. Meanwhile, a worldwide network of professional commercial and non-commercial laboratories performing emission tests for the evaluation of products for interior use has been established. Therefore, comparability of test results must be ensured. A laboratory’s proficiency can be proven by internal and external validation measures that both include the application of suitable emission reference materials (ERM). For the emission test chamber procedure according to EN 16516, no artificial ERM is commercially available. The EU-funded EMPIR project MetrIAQ aims to fill this gap by developing new and improved ERMs. The goal is to obtain a material with a reproducible and temporally constant compound release (less than 10 % variability over 14 days). Two approaches were tested: the impregnation of porous materials with VOC, and the encapsulation of VOC in polymer microcapsules. Impregnation is performed with help of an autoclave and supercritical CO2. The encapsulation is done by interfacial polymerisation on VOC droplets. For both approaches, synthesis and/or material parameters were varied to obtain an optimal ERM. Findings about the optimisation of ERM generation, as well as performance of the best emission reference materials, will be presented.
Here, we report a comparative study of different sum parameter analysis methods for the extraction of per- and polyfluoroalkyl substances (PFAS) from manufactured consumer products, which can be measured by combustion ion chromatography (CIC). Therefore, a hydrolysis-based extraction method was further developed, which accounts for the addition of hydrolyzable covalently bound polyfluoroalkylated side-chain polymers (SFPs) to the extractable organic fluorine portion of the mass balance proposed as "hydrolyzable organically bound fluorine" (HOF). To test this hypothesis, the method was applied to 39 different consumer products containing fluoropolymers or monomeric PFAS taken from four different categories: outdoor textiles, paper packaging, carpeting, and permanent baking sheets. We also evaluated the method's efficiency by extracting four synthesized fluorotelomer polyacrylate reference compounds. The total fluorine (TF) and extractable organically bound fluorine (EOF) values were measured through CIC using established protocols. The TF values ranged from sub-ppb to %-levels, depending on the compound class. All samples showed results for hydrolyzed organofluorine (HOF) between 0.03 and 76.3 μg/g, while most EOF values were lower (<LOD to 58.1 μg/g). Moreover, the methods were contrasted with the "total hydrolyzable precursor" (THP) assay analyzed using gas-chromatography coupled mass spectrometry (GC-MS), which yielded concentrations of 6:2–10:2 fluorotelomer alcohols (<LOD-568 μg/g) for textile and paper samples. Furthermore, targeted analytical investigation of 25 compounds via liquid chromatography coupled tandem mass spectrometry (LC-MS/MS) was conducted and accounted for significantly lower sum amounts (<LOD-0.98 μg PFAS/g). To estimate the fluorine mass balance of all methods, the fluorine levels of target analytical data were calculated and compared to the sum parameter values and evaluated. Finally, the efficiency of the extraction method was approximated by the recovery analysis of four selected SFP model compounds compared to their TF values, yielding 36.7–74.0% after extraction and 3.8–36.3% after processing the extract for the HOF sum parameter.
Detection, Quantification and Treatment of Per and Polyfluoroalkyl substances (PFAS) in Groundwater
(2024)
The research project focuses on tackling the detection, measurement, and elimination of per- and polyfluoroalkyl substances (PFAS) from polluted groundwater, with a particular emphasis on addressing short (C4-C7) and ultrashort (C1-C3) chain PFAS. Given the widespread use of PFAS in various products, they are commonly found in groundwater near industrial and military sites in Germany and Israel. Moreover, recent regulations limiting the use of long chain PFAS have led industries to shift towards shorter chain alternatives. Hence, our efforts are geared towards refining detection, quantification, and removal methods for short and ultrashort chain PFAS. In terms of detection, ww are developing passive sampling devices capable of collecting and tracking the temporal distribution of PFAS species in groundwater. This will enable us to analyze contaminations in German and Israeli groundwater using cutting-edge analytical techniques. Additionally, contaminated groundwater will undergo a two-stage treatment process aimed at concentrating the relatively low PFAS concentrations using innovative membrane technologies such as closed-circuit reverse osmosis and mixed matrix composite nanofiltration membrane adsorbers. Subsequently, the streams containing higher PFAS concentrations will be treated through coagulation, with the remaining PFAS being adsorbed onto carbonaceous nanomaterials. The outcome of this research will include the creation of advanced tools for detecting, measuring, and eliminating PFAS from polluted groundwater, while also enhancing our understanding of the scope of these contaminations.
The research project focuses on tackling the detection, measurement, and elimination of per- and polyfluoroalkyl substances (PFAS) from polluted groundwater, with a particular emphasis on addressing short (C4-C7) and ultrashort (C1-C3) chain PFAS. Given the widespread use of PFAS in various products, they are commonly found in groundwater near industrial and military sites in Germany and Israel. Moreover, recent regulations limiting the use of long chain PFAS have led industries to shift towards shorter chain alternatives. Hence, our efforts are geared towards refining detection, quantification, and removal methods for short and ultrashort chain PFAS. In terms of detection, ww are developing passive sampling devices capable of collecting and tracking the temporal distribution of PFAS species in groundwater. This will enable us to analyze contaminations in German and Israeli groundwater using cutting-edge analytical techniques. Additionally, contaminated groundwater will undergo a two-stage treatment process aimed at concentrating the relatively low PFAS concentrations using innovative membrane technologies such as closed-circuit reverse osmosis and mixed matrix composite nanofiltration membrane adsorbers. Subsequently, the streams containing higher PFAS concentrations will be treated through coagulation, with the remaining PFAS being adsorbed onto carbonaceous nanomaterials. The outcome of this research will include the creation of advanced tools for detecting, measuring, and eliminating PFAS from polluted groundwater, while also enhancing our understanding of the scope of these contaminations.
Investigation on the Durability of a Polypropylene Geotextile under Artificial Aging Scenarios
(2024)
Geosynthetics are widely used in various civil engineering applications, such as geotextiles in coastal protection, and display a sustainable alternative to natural mineral materials. However, the full benefits of using geosynthetics can only be gained with a long service lifetime of the products. With the use of added stabilizers to the polymers, service lifetimes can be achieved in the range of 100 years. Therefore, accelerated aging methods are needed for the assessment of the long-term performance of geotextiles. In the present study, the behavior of geosynthetic materials made of polypropylene was investigated under artificial aging conditions involving elevated temperatures ranging from 30 to 80 °C, increased oxygen pressures ranging from 10 to 50 bar in water-filled autoclaves, and UV irradiation under atmospheric conditions. ATR-IR spectroscopy was employed to detect the increase in the carbonyl index over various aging durations, indicating the oxidative degradation of the geotextile. The most pronounced increase was observed in the case of aging through UV irradiation, followed by thermal aging. Elevated pressure, on the other hand, had a lower impact on oxidation. High-temperature size exclusion chromatography was utilized to follow the reduction in molar mass under different degradation conditions, and the results were consistent with those obtained from ATR-IR spectroscopy. In polyolefins such as polypropylene, Hindered Amine Stabilizers (HAS) are used to suppress oxidation caused by UV radiation. The quantitative analysis of HAS was carried out using a UV/Vis method and HPLC. The degradation of UV stabilizers during the aging of geotextiles is responsible for the oxidation and the reduction in the molar mass of polypropylene. From the results, it can be concluded that applications of PP geotextile without soil or sand cover might cause the risk of the formation of microplastic particles. Material selection, design, and maintenance of the construction must follow best practices, including the system’s removal or replacement at end-of-life. Otherwise, a sustainable use of geotextiles in civil engineering is not possible.
Fused cement clinker can be produced from molten basic oxygen furnace slag (BOFS) by way of a reductive thermochemical treatment. During the thermochemical treatment, oxidic iron is reduced to metallic iron and separated. The resulting low-iron slag has a chemical and mineralogical composition similar to ordinary Portland cement (OPC) clinker. In this study, the hydraulic reactivity of the fused clinker from BOFS with and without gypsum was investigated using isothermal calorimetry, differential scanning calorimetry, in situ X-ray diffraction and powder X-ray diffraction. Furthermore, a synthetic fused clinker without foreign ions and fused clinker produced by a mixture of both materials was studied. The hydraulic reaction of the fused clinker from BOFS was considerably slower than that of OPC. However, the reaction can be accelerated by adding gypsum as a sulfate carrier. Furthermore, the results showed an increased reaction rate with decreasing content of foreign ions such as Fe, P or Mn.
Sunlight is an almost unavoidable environmental cue and plays a fundamental role in the biology of pro- and eukaryotic organisms. To cope with sunlight-associated stresses e.g., high temperatures, UV radiation with associated DNA damage, accumulation of reactive oxygen species (ROS), desiccation and osmotic stresses, it is important for organisms to accurately sense and respond to changes in light. The benefits of light are obvious for green organisms such as cyanobacteria, algae and plants which use light as an energy source (photosynthesis). Less apparent are other light-dependent processes such as light-driven DNA repair by photolyases (photoreactivation) or ion pumping by microbial opsins. Fungi that can share light-flooded habitats with phototrophs may profit from their excess photosynthetic products. Rock-inhabiting Dothideomycetes and Eurotiomycetes including Knufia petricola possess many proteins for absorbing UV/blue, green, red and far-red light, produce the black 1,8 dihydroxynaphthalene (DHN) melanin and orange-red carotenoids, and may live in multispecies biofilms. Here, we are addressing the question to which extent constitutive pigment formation (melanin and carotenoids) and responses mediated by the stress-activated mitogen-activated protein (MAP) kinase contribute to the observed light (UV-B) tolerance of K. petricola.
Sunlight is an almost unavoidable environmental cue and plays a fundamental role in the biology of pro- and eukaryotic organisms. To cope with sunlight-associated stresses e.g., high temperatures, UV radiation, accumulation of reactive oxygen species, desiccation, and osmotic stress, it is important for organisms to accurately sense and respond to changes in light. The benefits of light are obvious for green organisms such as cyanobacteria, algae and plants which use light as an energy source (photosynthesis). Fungi that can share light-flooded habitats with phototrophs may profit from their excess photosynthetic products. Examples are the plant pathogen Botrytis cinerea, the gray mold fungus, and the rock inhabitant Knufia petricola, a microcolonial black fungus which forms multispecies biofilms with bacteria and algae.
Im Rahmen eines vom Umweltbundesamt geförderten Forschungsprojekts wurde untersucht, ob die Abtrennung der Feinfraktion (0-2 mm) eine Verbesserung der umweltrelevanten Eigenschaften bewirkt und somit HMVA-1 erreicht werden kann. In Deutschland wird die Rostasche durch Nassentschlackungssysteme aus dem Feuerraum ausgetragen. Durch den Kontakt mit Wasser setzen direkt hydraulische Reaktionen ein, die eine vollständige Abtrennung der Feinfraktion unmöglich machen. Das wurde bereits in den 1990er Jahren erkannt und führte zur Entwicklung des ABB InRec Verfahrens mit Trockenentaschung als ersten Verfahrensschritt. Auch damals war das Ziel eine möglichst inerte Rostasche für die Verwertung zu erzeugen. In den letzten Jahren wurden in der Schweiz Trockenentaschungssystem installiert, hier vor allem um die Rückgewinnung von elementaren Metallen auch in der Feinfraktion zu verbessern. Welche Potenziale sich dabei erschließen lassen, wurde in einem anderen UBA-Projekt untersucht. Im Rahmen unserer Arbeiten wurde versuchsweise trockene Rostasche an einer Anlage in Süddeutschland genommen und im Labor untersucht. Im Vortrag werden die Ergebnisse zum Auslaugverhalten und zur Gefahreneigenschaft HP14 (Ökotoxizität) vorgestellt.
Die Einstufung von Hausmüllverbrennungsasche (HMVA) als gefährlich oder nicht gefährlich nach der Gefahreneigenschaft HP14 (ökotoxisch) ist nach wie vor umstritten, da es noch keine allgemein anerkannten Methoden zur Bewertung gibt. Wenn die Berechnungsregeln angewendet werden sollen angewendet werden sollen, sind Kenntnisse über die chemische Zusammensetzung von HMVA erforderlich. Informationen über die chemische Zusammensetzung von HMVA können mit einem Ansatz gewonnen werden, der auf der Gruppierung von Substanzen. Für HMVA können vier Stoffgruppen definiert werden: 1. elementare und legierte Metalle, 2. leicht wasserlösliche Stoffe, 3. schwer lösliche Stoffe und 4. Stoffe mit starken chemischen Bindungen. Elementares und legiertes Cu und Zn sind in der HMVA vorhanden und werden in der Regel als Nichteisenmetallfraktion zurückgewonnen, zumindest die größeren Partikel. Zn-Partikel, die kleiner als 1 mm sind, werden als H410 eingestuft, feine Partikel von Cu nur als H411. Die wasserlösliche Fraktion kann mit Standardauslaugungsmethoden quantifiziert werden Auslaugungsmethoden quantifiziert werden, z. B. bei einem Flüssigkeits-Feststoff-Verhältnis (L/S) von 2 oder 10 l/kg. Sowohl die Sulfate von Zn als auch von Cu gehören zu dieser Gruppe. In einer neueren Veröffentlichung wurde gezeigt, dass bei den oben genannten Metalle die ausgelaugte Menge weit unter dem Grenzwert von 1.000 mg/kg liegt, selbst wenn stöchiometrische Faktoren angewendet werden. Stoffgruppe 3 sind potenzielle H410-Stoffe. Dabei handelt es sich um Carbonate, Hydroxide und Oxide der betreffenden Elemente, die löslich sind in schwachen organischen Säuren wie Essigsäure löslich sind. Die Worst-Case-Stoffe der Gruppe 3, d. h. die Verbindungen mit den höchsten stöchiometrischen Faktoren, sind CuCO3xCu(OH)2 und ZnO. Stoffe mit starken chemischen Bindungen wie Silikate oder Sulfide sind nur löslich in starken Säuren (z.B. Königswasser) löslich und haben keinen Ökotoxizitäts-Gefahrencode. Das Mobilisierungsverhalten der relevanten Schwermetalle und damit der Gruppe der schwer schwerlöslichen Verbindungen kann mit der 4-stufigen sequenziellen Extraktion untersucht werden. Für die HP14 Einstufung könnte auch eine einstufige Extraktion ausreichend sein. Nur die Elemente Zn und Cu sind für die HP14-Einstufung der HMVA von Bedeutung, da die Feststoffgehalte aller anderen Schwermetalle unterhalb des Feststoffgehalte aller anderen Schwermetalle unter der Cut-Off-Grenze von 0,1 % liegen, selbst wenn man sie in chemischen Verbindungen mit stöchiometrischen Faktoren. Im Ergebnis wurde gezeigt, dass HMVA in der Regel als nicht gefährlich einzustufen ist.
Detektion, Quantifizierung und Entfernung von insbesondere ultrakurzkettigen PFAS in Grundwasser
(2024)
Da PFAS in großem Umfang in einer Vielzahl von Produkten verwendet wurde, sind sie im Grundwasser in der Nähe vieler industrieller und militärischer Anlagen weltweit zu finden. Darüber hinaus führten neue Vorschriften und Beschränkungen für die Verwendung von langkettigen PFAS zu einer vermehrten Produktion kurzkettiger Alternativen. Ultrakurzkettige PFAS (≥C3) können natürliche und anthropogene Barrieren durchdringen und schließlich in Trinkwasserquellen gelangen. Zudem entfernen die meisten gängigen Trinkwasser-aufbereitungsverfahren die ultrakurzkettigen PFAS nicht ausreichend. Im Kooperationsprojekt DEFEAT-PFAS wird daher das Ziel verfolgt, Wissenslücken über Nachweis, Quantifizierung und Entfernung von kurz- (C4-C7) und ultrakurzkettige (C1-C3) PFAS, in kontaminiertem Grundwasser zu schließen. Die israelischen und deutschen Projektpartner entwickeln dafür analytische Methoden and selektive Passivsammler, um das zeitliche Profil von PFAS-Spezies im Grundwasser zu erfassen und überwachen. Darüber hinaus ein zweistufiges Verfahren entwickelt, welches darauf ausgelegt ist, die relativ niedrigen PFAS-Konzentrationen im Grundwasser durch neuartige Membranverfahren, Umkehrosmose im Batchbetrieb mit geschlossenem Kreislauf sowie Verbund-Nanofiltrationsmembranen, zu konzentrieren. Anschließend werden die PFAS angereicherten Konzentrate mittels Koagulation behandelt und das verbleibende PFAS an kohlenstoffhaltigen Nanomaterialien adsorbiert.
Zusammenfassend wurde in dieser Arbeit gezeigt, dass die Setzmaschinentechnik eine geeignete Methode ist, um Brechsande aus gemischten Bauabfällen aufzubereiten. Die Trennung des Materials in zwei Stoffströme unterschiedlicher Dichte hat sich mit einer Absenkung um 56% besonders effizient in der Reduzierung von PAK Belastungen im Feststoff erwiesen. Auch die Sulfatlast im Produktstrom wurde durch den Prozess im Vergleich zum Aufgabegut um 29% gesenkt. Neben der Erhöhung des Median Partikeldurchmessers durch Klassierungseffekte, ist die Herabsetzung verschiedener Eluatparameter ebenfalls positiv zu bewerten. Dies bezieht sich zum einen auf die elektrische Leitfähigkeit, die nach EBV von RC-3 auf RC-1 aufgewertet wurde und zum anderen auf die Chromkonzentration, die von RC-2 auf die Stufe RC-1 angehoben wurde. Die vorliegenden Aufbereitungsergebnisse erlaubten jedoch nicht eine Gesamteinordnung des Materials als Ersatzbaustoff oberhalb der Klasse RC-3. Hierzu ist eine weitere Absenkung der Eluatwerte für Sulfat um 25% von RC-3 (1325 mg L-1) auf RC-2 (< 1000 mg L-1) und des PAK-15 Wertes um 4% von RC-3 (8.3 µg L-1) auf RC-2 (< 8.0 µg L-1) erforderlich. Eine detaillierte Optimierung der Prozessparameter der Setzmaschinentechnik könnten diesen Spielraum ermöglichen.
Die Einstufung von Hausmüllverbrennungsasche (IBA) als gefährlich oder nicht gefährlich nach der Gefahreneigenschaft HP14 (ökotoxisch) ist nach wie vor umstritten, da es noch keine keine allgemein anerkannten Methoden zur Bewertung gibt. Wenn die Berechnungsregeln angewendet werden sollen angewendet werden sollen, sind Kenntnisse über die chemische Zusammensetzung von IBA erforderlich. Informationen über über die chemische Zusammensetzung von IBA können mit einem Ansatz gewonnen werden, der auf der Gruppierung von Substanzen. Für IBA können vier Stoffgruppen definiert werden: 1. elementare und legierte Metalle, 2. leicht wasserlösliche Stoffe, 3. schwer lösliche Stoffe und 4. Stoffe mit starken chemischen Bindungen. Elementares und legiertes Cu und Zn sind in der IBA vorhanden und werden in der Regel als Nichteisenmetallfraktion zurückgewonnen, zumindest die größeren Partikel. Zn-Partikel, die kleiner als 1 mm sind, werden als H410 eingestuft, feine Partikel von Cu nur als H411. Die wasserlösliche Fraktion kann mit Standardauslaugungsmethoden quantifiziert werden Auslaugungsmethoden quantifiziert werden, z. B. bei einem Flüssigkeits-Feststoff-Verhältnis (L/S) von 2 oder 10 l/kg. Sowohl die Sulfate von Zn als auch von Cu gehören zu dieser Gruppe. In einer neueren Veröffentlichung wurde gezeigt, dass bei den oben genannten Metalle die ausgelaugte Menge weit unter dem Grenzwert von 1.000 mg/kg liegt, selbst wenn stöchiometrische Faktoren angewendet werden. Stoffgruppe 3 sind potenzielle H410-Stoffe. Dabei handelt es sich um Carbonate, Hydroxide und Oxide der betreffenden Elemente, die löslich sind in schwachen organischen Säuren wie Essigsäure löslich sind. Die Worst-Case-Stoffe der Gruppe 3, d. h. die Verbindungen mit den höchsten stöchiometrischen Faktoren, sind CuCO3xCu(OH)2 und ZnO. Stoffe mit starken chemischen Bindungen wie Silikate oder Sulfide sind nur löslich in starken Säuren (z.B. Königswasser) löslich und haben keinen Ökotoxizitäts-Gefahrencode. Das Mobilisierungsverhalten der relevanten Schwermetalle und damit der Gruppe der schwer schwerlöslichen Verbindungen kann mit der 4-stufigen sequentiellen Extraktion untersucht werden. Für die HP14 Einstufung könnte auch eine einstufige Extraktion ausreichend sein. Nur die Elemente Zn und Cu sind für die HP14-Einstufung der IBA von Bedeutung, da die Feststoffgehalte aller anderen Schwermetalle unterhalb des Feststoffgehalte aller anderen Schwermetalle unter der Cut-Off-Grenze von 0,1 % liegen, selbst wenn man sie in chemischen Verbindungen mit stöchiometrischen Faktoren. Im Ergebnis wurde gezeigt, dass IBA in der Regel als nicht gefährlich einzustufen ist.
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.