4 Material und Umwelt
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Nach 1850 wurde zur weiteren Herabsetzung der Einbrenntemperatur von Glasmalfarben Borax (Na2B4O7 · 10 H2O) zugesetzt. Das Verhältnis war nun 1 Teil SiO2, 3 Teile PbO und 0,5 Teile Borax. Der analytische Nachweis von Bor in eingebrannten Malschichten war bisher jedoch nicht möglich.Daher wurden in Laborversuchen Glasmalfarben mit unterschiedlichem Gehalt an Borax auf Modellgläser aufgetragen, eingebrannt und anschließend unter simulierten Umweltbedingungen zeitraffend im Klimaschrank bewittert.
Mit Hilfe von elektronenmikroskopischen Untersuchungen können Malschichten charakterisiert werden und somit Hinweise auf mögliche Schadensursachen liefern. Erste Versuche zum Nachweis von Bor erfolgten mit Hilfe von LIBS-Messungen (Laser Induced Breakdown Spectroscopy) an im Labor hergestellten Glasmalfarben mit unterschiedlichem Boraxgehalt.
Die BAM wurde 2009 u. a. mit der Zulassung von Bewehrungsgittern für den Deponiebau beauftragt. Der Stand von Wissenschaft und Technik bot jedoch keine ausreichende Grundlage, die tatsächlich relevanten Widerstände und die mit diesen Widerständen verbundene Wechselwirkung zwischen Gitter und Boden im Hinblick auf eine mindestens 100-jährige Funktionsdauer realistisch beurteilen zu können. Es wurde daher nur eine vorläufige Zulassungsrichtlinie für diese Produkte erarbeitet. In der Zwischenzeit hat sich ein neuer Kenntnisstand ergeben. Vor diesem Hintergrund hat die AG (Arbeitsgruppe) Geogitter des Fachbeirats der BAM am 26.09.2017 getagt. Es sollen die aktuellen Erkenntnisse und Schlussfolgerungen für die Zulassung in Kürze vorgestellt werden. Die entsprechenden Kapitel beruhen dabei auf einem Arbeitspapier von W.W. Müller und dem Autoren, das der Arbeitsgruppe zur Diskussion vorgelegt wurde.
Weiterhin soll über Entwicklungen in Zusammenhang mit Kunststoffdichtungsbahnen (KDB) berichtet werden. Die Anforderungen an die Schweißzusätze für das Extrusionsschweißen wurden angepasst. Zudem soll über die aktuelle Diskussion der Schweißbarkeit unterschiedlicher HDPE Materialien informiert werden. Die maßgebliche DVS (Deutscher Verband für Schweißen und verwandte Verfahren) Richtlinie 2225-4 wird derzeit offenbar so ausgelegt, dass Materialien mit völlig unterschiedlichen Schmelze-Massefließrate miteinander verbunden werden können. Dies steht allerdings im grundlegenden Widerspruch zum Stand der Technik.
LD-Schlacken weisen eine große chemische Ähnlichkeit zu Protlandzementklinker auf. Sie enthalten jedoch noch bis zu 30% Eisen, das mineralisch in oxidischer Form gebunden vorliegt. Dadurch kann sich bei der Erstarrung die wichtigste Klinkerphase "Alit" nicht ausbilden.
Durch eine reduzierende Schmelzbehandlung der Schlacke kann des mineralisch gebundene Eisen als Metall separiert werden. Dadurch wird auch die Mineralogie der Schlacke so verändert, dass auch sie nun praktisch einem Portlandzementklinker entspricht.
Entsprechende Versuche wurden am kleintechnischen Lichtbogenofen der BAM durchgeführt. Es werden Ergebnisse vorgestellt und auf Grenzen und Möglichkeiten eines derartigen Prozesses im Hinblick auf eine industrielle Umsetzung eingegangen.
Advantages of recycling gypsum plaster boards
During the last decades the material composition of buildings has become increasingly diverse. However, largely sorted material flows are needed for generating high quality secondary building materials. The use of secondary building materials can meet the requirements of sustainability in several ways: the extended time availability of primary raw materials and, thereby, the preservation of natural resources as well as the conservation of landfill sites.
Recycling of gypsum (calcium sulfate) can be a good example for the environmental benefits of closed-loop recycling. The content of sulfates in other secondary building materials, in particular in recycled concrete aggregates, should be minimized for quality reasons. In contrast, separated gypsum can also be used in gypsum production if the high quality requirements for the recycled gypsum are met. Since almost all processing steps in the recycling process are associated with environmental impacts, an environmental evaluation of the use of recycled gypsum as a substitute in gypsum production has to be carefully conducted.
This paper focusses on the techniques for generating recycled gypsum from gypsum plasterboards, the related quality requirements and a comprehensive environmental evaluation of the complete process.
Gegenstand der vorzustellenden Arbeiten ist die Prüfung der Umwelt-beständigkeit und -verträglichkeit von Materialien und Produkten hinsichtlich der Emission von potenziellen Schadstoffen in die Umwelt. Hierzu werden chemisch-physikalische Einflüsse (Bewitterung) und mikrobielle Beanspruchungen an Modellmaterialien evaluiert. So werden die Freisetzungsraten von Schadstoffen in Abhängigkeit der Beanspruchung beschrieben. Als Modellmaterialien kommen die Polymere Polystyrol (PS) und Polypropylen (PP) zum Einsatz. Synergistische Effekte der Bewitterungsparameter und der mikrobiologischen Beanspruchung sollen dabei ebenso betrachtet werden, wie die gezielte Alterung. Auch findet eine Beschreibung des Verhaltens der ausgetragenen Schadstoffe in den Umweltkompartimenten Boden oder Wasser statt. Hier sind mit Hilfe der zu entwickelnden Screening- und non-Target-Analyseverfahren die Transformation und der Metabolismus durch Mikroorganismen zu beschreiben. Aus den Ergebnissen sollen Korrelationen zwischen den künstlichen Alterungsverfahren und realen Szenarien abgeleitet werden.
There is a need for an assessment of the emission properties of volatile organic compounds (VOCs) from consumer products. A method comparison was carried out to evaluate adapted and cost-effective procedures for such items. Smaller and automated emission chambers depicted similar kinetics compared to a 203 L standard chamber. Toy samples made of PVC (Polyvinyl chloride) emitted more VOCs compared to other tested polymeric products. The emissions from 2 selected samples were studied to allow an evaluation of the resulting room concentration and external exposure of a child. Obtained concentrations were not of concern.
Seit dem Erscheinen der Deponieverordnung (DepV) bedürfen Geokunststoffe, Polymere und Dichtungskontrollsysteme einer Zulassung durch die BAM, wenn diese in deutschen Deponieabdichtungssystemen eingesetzt werden sollen. Die DepV ermöglicht den Einsatz verschiedener Komponenten. Sie stellt dabei allgemeine Anforderungen an die Geokunststoffprodukte auf. Dadurch beschreibt sie den Stand der Technik für Geokunststoffe, die in deutschen Abdichtungen eingesetzt werden. Diese Anforderungen werden durch die Zulassungsrichtlinien der BAM in konkrete technische Spezifikationen überführt. In dem Beitrag wird eine Übersicht über die Produkte und die entsprechenden Anforderungen gegeben. Zudem soll erläutert werden, durch welche Qualitätsmanagementmaßnahmen eine gleichbleibende Qualität und Funktionserfüllung der Produkte gewährleistet wird.
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.
An approach to achieve “zero leakage” is discussed with respect to the experience in Germany, where strict regulations for landfill lining and capping systems have been developed and issued because of large environmental problems related to landfills that accumulated in the 1970’s and 1980’s. These regulations for landfills and geosynthetics which are used in landfill liner and capping systems are shortly described. The main certification requirements for the products as well as conclusions for their use are presented. Using a thick, high quality HDPE geomembrane (GMB), which is installed free of residual waves and wrinkles in intimate contact with a compacted clay liner (CCL) or geosynthetic clay liner (GCL) of very low permeability, by a qualified, experienced, well equipped and properly third‐party controlled installer and which are protected by heavy protection layers designed with respect to long‐term performance of the GMB, may result in a liner or capping system of practically no leakage. This is demonstrated by analyzing results of measurements obtained from permanently installed leak detection systems in combination with HDPE GMBs.
Die Klinkerphasenbildung durch Sinterung in Drehrohröfen bei der Herstellung von Portlandzementklinker (PZK) ist gründlich erforscht und optimiert. Im Hinblick auf mögliche ökonomische und ökologische Vorteile befassen sich aktuelle Forschungsvorhaben darüber hinaus mit der Herstellung von Klinkermineralen aus Stahlwerksschlacken, die eine vergleichbare chemische Zusammensetzung aufweisen.
Neuste Untersuchungen zeigen, dass nach der reduzierenden Behandlung schmelzflüssiger Linz-Donawitz-(LD)-Schlacken und Abscheidung des gebildeten metallischen Eisens eine mineralische Schlacke entsteht, die unabhängig von ihren Abkühlbedingungen ca. 50–60 Gew.% des wichtigsten Klinkerminerals Alit (C3S) enthält und eine hohe hydraulische Reaktivität aufweist.
Die Stabilität des Alits auch nach langsamer Abkühlung deutet auf eine Stabilisierung des Minerals durch Nebenelemente aus den LD-Schlacken hin. Ein sinkender Anteil an LD-Schlacke durch Zusatz synthetischer Schlackemischung, die sich hinsichtlich ihrer Hauptkomponenten wie eine ausreduzierte LD-Schlacke zusammensetzt, führt zu einem Rückgang des Alitgehaltes und dem Zerfall der Schlacke beim Erstarren.
Geosynthetics are widely used in hydraulic engineering and within coastal protection constructions at the Baltic Sea shore, such as walls, promenades, and gabions walls. Storms influence leads to deformation of some of the protection structures and cause the release of geotextiles onto the beach. Fragments of geotextile migrate along the shore, experiencing additional degradation and destruction down to macro-, meso-, and micro-particles. During October 2017 - March 2018, the Baltic Sea shore along the Sambia Peninsula (Kaliningrad Oblast of the Russian Federation) was monitored to establish the contamination of sandy beaches by geotextiles that had degraded. Several local sources of pollution of beaches by geosynthetic materials were established.
Two new approaches towards an emission reference material for use in quality assurance measures for materials emissions testing were developed and intensively tested. The overall goal was to obtain solid materials with homogenous and reproducible (S)VOC release. Since the application in inter-laboratory comparisons is aimed at, it should furthermore be long-term stable to ensure safe shipment to the customer without sustaining compound losses. In the first approach, thermoplastic polyurethane (TPU) was impregnated with the VOC texanol under high-pressure with liquid CO2 as solvent. In the second, styrene (VOC) and the SVOC 2,6-diisopropylnaphthalene (DIPN) were spiked into vacuum grease (VG) and a mixture of paraf-fin/squalane (P/S). For the prediction of the emission rates a finite element model (FEM) was developed for the VG and P/S type materials. All requirements for reference materials were fulfilled, whereas the TPU samples need to be aged for about 10 days until repeatable and re-producible emission rates were obtained.
Comparison of Formaldehyde Concentrations in Emission Test Chambers Using EN 717-1 and EN 16516
(2018)
For more than 25 years EN 717-1 (Wood-based panels - Determination of formaldehyde re-lease - Part 1: Formaldehyde emission by the chamber method) is the standard for formalde-hyde emission testing of wooden boards. In 2017 EN 16516 (Construction products - Assess-ment of release of dangerous substances - Determination of emissions into indoor air) was published as a new harmonised standard for the emission testing of construction products. Because test chamber conditions are different, both standards give different concentrations for formaldehyde. To determine a conversion factor four test series were set up with different wooden boards. For a loading of 1 m²/m³ the conversion factor is 1.6. This means that the formaldehyde concentration measured under the conditions of EN 16516 is a factor of 1.6 higher compared to EN 717-1.
The initial focus of this research was on the development of a general workflow for the documentation and monitoring of historical stained glass windows using structured light scanning. Therefore windows from different churches, time periods and with different corrosion and damage phenomena were scanned before and after conservation measures. To evaluate the execution of the restoration measures the data was compared using 3D inspection software to examine the differences in geometry between the two scans. Various problems had to be solved, for example, how to deal with heavily reflective surfaces and the extreme contrast between light and dark surfaces, as seen in the borders between ‘Schwarzlot’ painting and plain glass. The application of materials for matting the surfaces, such as Cyclododecane spray, was impossible due to the high accuracy of the surface measurement required for 3D inspection. Regarding the contrast differences of the surfaces, the creation of exposure fusions and the use of polarization filters to reduce reflections were tested. In addition to the general problems encountered when recording translucent surfaces, the historical glasses caused additional problems in calculating surface comparisons. For example, the windows have to be moved and turned around several times, both during the conservation process and while scanning, causing deformations of the geometry due to the flexible lead rods allowing a certain degree of movement.
Tricalcium-silicate (C3S) or Alite is the most important mineral in Portland cement. Since pure tricalcium-silicate is only stable above temperatures of 1250 °C, its decomposition has to be prevented technically by fast cooling after the sintering process. At room temperature, the decomposition velocity is very slow so that metastable tricalcium-silicate is obtained.
Although the mechanisms of clinker phase formation during burning process of Portland cement in a rotary kiln were solved and improved over the years, in view of possible economic and ecological benefits current projects aim to produce clinker phases from metallurgical slags. Recent studies discovered that the mineral phase which remained after a reducing treatment and separation of formed metallic iron from molten Linz-Donawitz (LD-) slags contained about 60 wt.% Alite despite it was cooled slowly. Because the results could be verified using slags from different origins and varying cooling velocities a chemical stabilisation of the Alite can be assumed. First tests in mortars indicate that workability, hardening and solid state properties are comparable with an ordinary Portland cement. An application of the observed phenomenon in cement production requires enhanced knowledge about formation and stabilisation conditions of Alite during crystallisation from melts in contrast to the sintering reactions in conventional Portland cement production. Therefore, this study focuses on the stabilisation mechanisms of Alite in consolidating melts. Samples from different melting experiments are analysed to determine stabilising factors.
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.
In this poster we will present some results of a research projects dealing with Arabic recipes of black inks. To improve conservation practices of Arabic manuscripts we have assessed the feasibility of the recipes collected from many Arabic sources on bookmaking and reproduced the most common inks. Ink samples were then artificially aged and analysed using an array of analytical techniques, mostly non-invasive, in order to build a database of Arabic inks and their ingredients and also to verify the detection limits of the portable equipment employed.
We will show procedures and problems concerning the identification of ink types and ingredients using reflectography (in Vis, IR and UV), X-Ray Fluorescence, Infrared and Raman spectroscopy. The focus will be in particular on squid ink and mixed inks – both in the form of carbon inks with the addition of tannins and of a mixture of carbon and iron gall inks – which are particularly difficult to detect. We will also examine the results of iron gall inks made with iron filings or nails instead of vitriol, the various precursor used to extract gallic acid that are mentioned in the sources as surrogates of gall nuts.
Vor nun 30 Jahren, im Jahre 1989, wurde die erste Zulassung für eine Kunststoffdichtungsbahn (KDB) von der BAM auf der Grundlage des Niedersächsischen Dichtungserlasses“ erteilt. Vor ungefähr 10 Jahren wurde die BAM mit dem Erscheinen der Deponieverordnung (DepV) mit der Zulassung von Geokunststoffen, Polymeren und Dichtungskontrollsystemen beauftragt. Wir möchten dies zum Anlass nehmen, an dieser Stelle den viele ehrenamtlichen Experten des Fachbeirats und seiner Arbeitsgruppen für ihren Einsatz und die Unterstützung zu danken.
Darüber hinaus soll über aktuelle Arbeitsthemen und Entwicklungen im Fachbeirat berichtet werden. So wurde in einer Sondersitzung des Fachbeirats über die Entlassung aus der Nachsorgephase beim Einsatz von Geokunststoffprodukten in Böschungen diskutiert. Die Unterarbeitsgruppe Fremdüberwachung in der Produktion hat getagt. Darüber hinaus werden Änderungen in den Zulassungsrichtlinien für Kunststoffdichtungsbahnen, Kunststoff-Dränelemente und Geogitter kurz vorgestellt.
The properties of nanomaterials are influenced not only by their chemical composition but also by physical properties (such as size, geometry and crystal structure). For the reliable determination and assessment of behaviour and effects of nanomaterials as well as for the determination of the exposure of humans and environment a comprehensive physical-chemical characterization of nanomaterials is essential. This is an important prerequisite to identify them as nanomaterials and to interpret and compare test results and - in future – to forecast interaction and effects of nanomaterials.
In 2006, the OECD launched a sponsorship program for the testing of nanomaterials in which 11 nanomaterials were thoroughly investigated using a variety of methods. The aim of the project was, among other things, to find out where problems occur and where there are gaps in the measurement and test procedures and where are changes required. An important outcome of the sponsorship program was the finding that the OECD Test Guidelines should in several cases be extended to the specific needs in testing of nanomaterials. The existing standardized test methods of the OECD for physical-chemical characterization have not been developed for nanomaterials in particular. A high demand for an extension of the test guidelines was identified. Germany complied with the OECD's request in 2017 and has agreed to extend the “Test Guideline on Particle Size Distribution / Fiber Length and Diameter Distributions Test Guideline” for Manufactured Nanomaterials (MN). UBA commissioned BAM and BAuA with the preparation of the Test Guideline. The aim of the project is the development of a harmonized test protocol for a valid and reproducible determination of particle size and size distribution which is one of the most relevant physical-chemical properties for MNs.
Different measuring methods provide different results for the size distribution of the particles. This is caused by the different measuring principles of the methods. Each method measures a specific parameter that ultimately determines particle size. First, the measured quantity differs for each method (Scattered light intensity, 2D image / projection, electric mobility, etc.). Second, the calculated diameters of the MN may differ (Feret Diameter, Area Projection, Mobility Diameter, Aerodynamic Diameter, Hydrodynamic Diameter). Third, a measuring method provides a size distribution which is measured either mass-based, surface-based or number-based. A conversion between the results requires additional parameters and thus possibly increases the measurement error.
In addition to the technical differences, the individual parameters are strongly influenced by the structure and material of the nanoparticles. For example, a surface functionalization can lead to very different results in the size distribution. The suitability of measurement methods differs with the material of the MN. As a result, two very different results can be measured for the particle size distribution using two different methods, which are nevertheless both correct. Several large projects in recent years therefore concluded that nanomaterials should be characterized by at least two complementary method. Imaging techniques are regarded as one of these methods for the characterization, the complementary methods are supposed to be statistical methods.
The different results for the size distribution of nanomaterials become problematic for the registration of new MN. A comparable and reproducible size distribution is a prerequisite for a standardized registration. In the future, the particle size distribution in the EU will also decide on the classification of a substance as a nanomaterial or as a non-nanomaterial. Especially in borderline cases, a standardized and comparable measurement methodology is therefore essential.