4 Material und Umwelt
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In September 2023, the European Commission introduced a new regulation to
reduce microplastic (MP) emissions into the environment, including the sale and
use of intentionally added (large) MP < 5 mm (ISO/TR 21960: 2020). This explicitly
applies to the use of synthetic rubber granulate infill in artificial turf installations,
which are complex multi-component systems consisting of multiple synthetic
polymers (Fig. 1). In addition, abrasions of synthetic grass fibres and other turf
components are also considered as MP sources. Although this has a major impact
on public recreational sports, there is so far no sufficient data to estimate the MP
emissions from artificial turf sports pitches into the environment and thus their
relevance as a source of MP pollution.
To close this gap, this study compared environmental contaminant emissions of
three artificial turf scenarios at different ageing states (unaged, artificially and
real-time aged): the past (old turf: fossil based, synthetic infill), present (most
commonly installed in Germany: fossil based, EPDM infill) and future (turf with
recycled grass fibres, no synthetic infill). Accelerated ageing by UV weathering and
mechanical stress was carried out to simulate the outdoor weathering during the
lifespan of approx. 15 years. MP emissions and released environmentally relevant
contaminants posing a risk to the groundwater were simultaneously sampled using
the newly developed Microplastic Eluate Lysimeter manufactured at BAM (Fig. 2).
MP contents were analysed using smart microfilter crucibles (mesh size: 5 μm)
with subsequent MP detection by TED-GC/MS. Additionally, concentrations of
polycyclic aromatic hydrocarbons were determined using GC/MS and heavy metals
using ICP-AES.
Clay is increasingly coming back into people's consciousness with the demand for ecological, healthy and sustainable building materials.
Earthen building materials, including clay from the historical building stock, offer a high potential for their reusability and thus for saving natural resources. Unfired clay can be reused at any time and indefinitely. Dry clay only needs to be crushed and moistened with water and it can be processed again. However, there exist only a few studies on the contamination with pollutants and on the accumulation of salts in existing historic buildings regarding the evaluation of reuse potential. Within the framework of a project, preliminary tests are being carried out taking into account the previous usage of the buildings. In order to evaluate the suitability for indoor use, the potential transfer of volatile organic compounds into the air is investigated.
Fine fractions of C&D waste (particle size less than 2 mm) are currently mostly landfilled. However, such materials can be suitable for substituting primary resources of earthen building materials provided they are adequately processed. Therefore, in another research project it is investigated whether and to what extent fine and ultra-fine fractions of construction and demolition waste processed by washing can be employed for that purpose. The recycled fines are investigated considering organic and inorganic contaminants in solid matter and leaching tests are carried out to assess the potential to mobilize harmful substances. Additionally, the recycled fines are investigated in emission test chambers regarding indoor air requirements to construction products. The results will be transferred to standardization work as in Germany in standards for earthen building materials only aggregates and binders from natural sources are permitted currently.
The analysis of the presence and content of substances that are toxic to aquatic life in waste is essential for classification of waste with regard to hazard property (HP) 14 ‘ecotoxic’. For the determination of HP14 classified copper (Cu) and zinc (Zn) compounds in various municipal solid waste incineration bottom ashes (IBA) and one fly ash (FA) from Germany we applied X-ray absorption near-edge structure (XANES) spectroscopy in combination with linear combination fitting. The analysis showed that approx. 50–70% of Cu in the IBA are Cu(I) compounds and elemental Cu(0), but these compounds were not equally distributed in the different IBA. In contrast, the majority (approx. 50–70%) of Zn in all IBA is elemental zinc, which originates from brass or other alloys and galvanized metals with a large content of zinc in the waste. The FA contain higher mass fraction on Zn and other toxic elements, but similar Cu and Zn species. Additional performed selective extraction at a pH of 4 with an organic acid of some IBA showed that the ecotoxic Zn fraction is mainly elemental zinc and zinc oxide. In contrast, for the ecotoxic Cu fraction within the IBA no specific compound could be identified. Furthermore, the XANES analysis showed that the HP14 properties of especially Cu in IBA is overestimated with current best-practice guidelines for sample processing for the current substance-related approach with the 0.1% cut-off rule for each substance. However, it should be considered whether it would not be better from an environmental point of view to take the ecotoxicologically leachable copper and zinc as a reference value.
Atmospheric deposition of particulate matter is an important indicator of air pollution and a significant factor in material surface fouling. The elemental composition of this nutrient-containing dust depends largely on the exposure region and time as well as on climate. Therefore, in this paper we report an analysis of atmospheric pollutions with a self-made low-cost bulk deposition sampler directed at sampling deposition via air transport and rainfall. We used the device in diverse environments - thus comparing an urban region, an area surrounded by forest and an area mainly dominated by agriculture. The total organic carbon (TOC) and total nitrogen (TN) amounts were selected as indicator parameters and analyzed in a biweekly rhythm for three and a half and two years, respectively. The TOC value responded to particulate matter in the urban area, especially significant were the influences of the New Year's firework in urban and pollen in the rural forest area. In contrast, the TN value was more under the influence of the nitrogen emissions in the agriculture-dominated area. However, the TN value did not correlate with the NOx values in the urban area because the atmospheric nitrogen emissions in the city might originate from various emission sources. Summarizing, the TOC and TN values of the self-made low-cost bulk deposition sampler were in good agreement with environmental events of their immediate surrounding. Moreover, the selected containers and sampling procedures are universally applicable to monitor and analyze organic as well as inorganic parameters (e.g. metal ions) of atmospheric deposition.
Aschen und Schlacken aus der thermischen Abfallbehandlung stellen mit rund 25% Massenanteil die größte Reststofffraktion dar. In Deutschland fallen pro Jahr rund 6 Millionen Tonnen an. Während sich die Verwertung der metallischen Anteile problemlos gestaltet, werden an die mineralische Fraktion Anforderungen bezüglich der möglichen Freisetzung von Schwermetallen sowie Chlorid und Sulfat gestellt. In der Ersatzbaustoffverordnung sind für Aschen und Schlacken aus der Abfallverbrennung zwei Materialklassen mit unterschiedlich hohen Anforderungen an die Umweltverträglichkeit definiert. Im Rahmen eines Forschungsprojekts wurde untersucht, ob mit Abtrennung der Feinfraktion von 0–2mm die höhere Materialklasse HMVA-1 erreicht werden kann. Im Ergebnis wurde eine Verbesserung des Auslaugverhaltens erzielt, doch nicht in dem Maß, dass eine Qualität nach HMVA-1 erreicht wird. Rostaschen halten aber die Anforderungen zur Deponierung auf einer DK I-Deponie sowie die Anforderungen zur Verwertung gemäß HMVA-2 sicher ein.
The classification of incineration bottom ash (IBA) as hazardous or non-hazardous according to ecotoxic hazard property HP14 is still under debate. In this context, only the compounds of Zn and Cu with the hazard statement code H410 are of relevance. With an approach based on the grouping of substances, it was shown that such substances are either readily water-soluble or slightly and sparingly soluble. The concentrations of readily soluble Cu and Zn compounds in IBA are far below the cut-off value of 0.1%. Slightly and sparingly soluble Zn and Cu compounds could be quantified in the first fraction of a four-step sequential extraction procedure. With the results from the complete sequence, the dimensionless synthesis toxicity index (STI) was calculated and was in the range of 494 to 1218 for the four investigated IBA samples. It was concluded that IBA can usually be classified as non-hazardous.
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.
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.
Ultrashort PFAS (≤ 3 carbon atoms) were overlooked for a long time in analytical monitoring. Beside through the use of these substances, they contribute to the PFAS background in the environment through (environmental/ bio-) degradation and incomplete destruction3 of PFAS with longer carbon chains or other fluorinated compounds. As part of the German-Israeli Cooperation in Water Technology Research project „Detection, quantification, and treatment of per- and polyfluoroalkyl substances in groundwater“ (DEFEAT-PFAS), we are developing an as simple as possible direct headspace (HS-)GC-MS method to detect trifluoroacetic acid (TFA) and perfluoropropanioc acid (PFPrA), as well as trifluoroethanol (TFEtOH), pentafluoropropanol(PFPrOH) and hexafluoroiospropanol (HFIP) in water samples. Here we present the results of the PFAS mentioned in spiked ultrapure water solutions.
Per- and polyfluoroalkyl substances (PFAS) have been extensively utilized in various industrial processes, resulting in elevated concentrations in landfills and drinking water reservoirs. Despite recognizing that shortchained
PFAS are harmful, they are often overlooked. Short-chain PFAS are more challenging to remove via adsorption and membrane separation processes, and their detection is complex, thus creating a critical gap in understanding their environmental impact. To improve their environmental monitoring, we aim to improve short-chain PFAS adsorption and electro-sorption on novel carbon-based adsorbers such as pristine and functionalized multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs) and assess their adsorption mechanisms. Based on the obtained result, we aim to develop a PFAS passive sampling device.
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.
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.
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.