4 Material und Umwelt
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Wasserzeichen und Papierstrukturen können einen wesentlichen Beitrag bei der Analyse von Kunstobjekten auf Papier darstellen. An Fallbeispielen aus der gutachterlichen Praxis und Forschungsprojekten der Vergangenheit sollen die Möglichkeiten der Papier- und Wasserzeichenforschung bei Datierungen und Authentizitätsprüfungen demonstriert werden.
In arid sun-exposed environments, rock-inhabiting fungi dominate microbial communities on rock surfaces. Fungi are known to enhance rock weathering, although the exact mechanisms are not completely understood. These natural processes can be simulated by reproducible experimental systems. Particularly attractive are genetically amenable rock-weathering fungi, where certain traits can be knocked-out to identify weathering-relevant functions. Here, we studied the effect of the rock-inhabiting fungus Knufia petricola A95 and its melanin-deficient mutant (ΔKppks) on the weathering of a Fe-bearing olivine. We examined the olivine dissolution kinetics and looked at the olivine-fungus interface. For the former we inoculated olivine powder with the fungus in batch and mixed flow reactors and analysed the medium solution by ICP-OES, for the latter biofilm-covered olivine sections from flow-through reactors were analysed by FIB-TEM.
In general olivine dissolution was lower when olivine was incubated without fungi: the abiotic olivine dissolution rates were lowest and the surface of the abiotically reacted olivine sections showed no etching. Various chemical analyses show Fe (oxyhydr)oxide precipitation on top of the abiotically reacted olivine, indicating its role in inhibiting olivine dissolution. Both the wild type (WT) and ΔKppks solubilised and bound significant amounts of Fe released by olivine dissolution. Fe (oxyhydr)oxide precipitation was thus reduced, explaining the enhanced olivine dissolution in their presence. Particularly efficient at preventing Fe precipitation were attached WT cells: the inhibition of olivine dissolution almost completely disappeared. The attachment capacity of the WT is most likely caused by the production of WT-specific extracellular polymeric substances. Our presented experimental systems allowed the precipitation of Fe (oxyhydr)oxides and included a rock-inhabiting fungus and thus simulated weathering processes relevant to natural ecosystems.
In the modern world there is an increased understanding that design and performance monitoring of materials have to be tested in connection to chemical, physical and (micro)biological challenges. A systematic study on how biofilms interact with materials and what could be done to engineer biofilms and/or materials in order to maximize the resistance of the material (surface) or the resistance the biofilm-modified material (bulk) is in strong need. In the Department “Materials and the Environment” of the BAM new experimental platform is being developed. With the help of different type of device for high throughput and microbiologically-controlled environment simulation we establish a new approach to clarify the mechanisms of biofilm/material interactions. Despite the focus on fundamental research, the main results of this project proposal will be transferable into material technology and construction chemistry and will influence the development of standardization in this topic. As the interactions of biofilms and materials have implications for most constructions as well as climate change, the results of the research generates additional value.
Interface between the atmosphere and mineral substrates is the oldest terrestrial habitat. Morphologically simple microbial biofilms were the first settlers on these inhospitable surfaces at times when the Earth was inhabited only by microorganisms and the solid substrates represented only by natural rock surfaces i.e. lithosphere. Miniature, self-sufficient microbial ecosystems continue to develop on subaerial (i.e. air-exposed) solid surfaces at all altitudes and latitudes where direct contact with the atmosphere and solar radiation occurs – on rocks, mountains, buildings, monuments, solar panels. All these sub-aerial biofilms develop under fluctuating and hostile conditions – and thus frequently harbour stress-tolerant black fungi inherently able to cope with the stresses of bright sunlight and constantly changing atmospheric conditions. Black fungi – a polyphyletic group of Ascomycetes– accumulate the dark pigment DHN melanin, diverse carotenoids and mycosporines in their cells and thus successfully colonise sunlight-flooded habitats from phyllosphere to rock surfaces. Various chemical and physical extremes and fluctuating environments belong to the challenges effectively mastered by black fungi. In our laboratory we isolate novel black fungi from man-made habitats like building materials and solar panels. Using Knufia petricola A95 as a model we conduct experiments to clarify interactions of black fungi with inorganic substrates. We use available mutants to determine the functional consequences of changes in the outer cell wall envelopes – from excreted EPS to layers of protective pigments. A genetic toolbox to manipulate this Chaetothyriales representative is in further development. Our long-term goal is to understand the fundamental mechanisms how black fungi are able (i) to adhere to dry atmosphere-exposed surfaces, (ii) to survive multiple stresses and (iii) to change the underlying substrates including rocks.
The story of how black fungi survive harsh conditions on sun-exposed desert rocks and material surfaces is fascinating. In the presentation examples of how knowledge of these organisms can be of practical value (e.g., in biodeterioration studies, such as on stone markers in cemeteries) would be given. Among other stories, the example of how roof tiles amended with a titanium oxide layers as a biocide actually selected for the black fungi will be told. A hypothesis about how these organisms would likely be found on solar panels and some early BAM work in that area will be presented. This then brings the connection to a study ripe for investigation in North Carolina. The talk presents the development of a study aiming at deciphering the influence of microbial biofilm formation on the energy conversion efficiency of solar photovoltaic panels or modules at two facilities (one facility under the impact of high intensity of animal agriculture and high deposition of ammonia from atmosphere and the other with low animal agriculture and lower atmospheric ammonia deposition) in North Carolina. The main hypothesis of the study is that microbial biofilm formation on solar photovoltaic panels will lead to significant decreases in energy conversion efficiency of solar photovoltaic modules and biofilm formation will also be accelerated by high ammonia concentration in the ambient atmosphere and high nitrogen deposition.
The lecture traces the origins of paper, the manufacture and the spread from China to the Middle East and Europe.
Though technological progress considerably affected each step of the manufacture of paper, the essence of the invention remains unchanged until today. The process of manufacturing handmade paper can be divided into a number of steps:
- choosing the raw material (e.g. cellulose from wood, cotton, rags)
- beating and grinding the fibres into small pieces
- producing a liquid pulp of the desired texture
- treating the pulp with various additives
- filling the pulp suspension into a paper mould
- draining the water
- pressing and drying to get the actual sheet
- various post-production treatments
We will see how the manufacturing process is reflected in the properties of the paper and its degradation. A special attention will be paid to the instrumental analysis for identification of the paper types. Also watermark play an important role in the studies of the manuscripts. A short overview will be offered at the ends of the lecture.
Untersuchungen von Zeichnungen und Manuskripten mit zerstörungsfreien Methoden haben in den letzten Jahren enorm zugenommen. Die nicht-invasiven Analysen ermöglichen Informationen zur Herkunft, zum Herstellungsprozess und möglicherweise zum Alter (direkte Dating nicht möglich, Ausnahme: Papierstruktur, Wasserzeichen). Die zerstörungsfreien Analysen können Rückschlüsse auf mögliche Fälschungen geben, sind neben den offensichtlichen Vorteilen jedoch auch mit einzelnen Limitierungen behaftet. Der Vortrag soll anhand einiger Fallbeispiele die Möglichkeiten aber auch Grenzen bei der zerstörungsfreien (mobilen) Auffindung von Fälschungen aufzeigen.
Eine Vielzahl unterschiedlicher Materialien findet für die Gestaltung von Zeichnungen Verwendung. So sind es insbesondere „braune Tinten“, welche die Zeichnungen dominieren. Der Vortrag möchte zunächst einen kurzen Überblick über die Terminologie und die Kunsttechnologie farbiger Tinten geben, um den Kosmos dieser Vielfältigkeit und auch deren Vergänglichkeit zu illustrieren.
Der zweite Teil des Vortrags ist dann den sogenannten Bistertinten und deren analytischen Nachweisen gewidmet. Es handelt sich um Zeichentinten, die aus den wasserlöslichen Bestandteilen von Kaminruß gewonnen werden. Die farbliche Bandbreite reicht von gelb-orange bis braun. Zuweilen wurden diese Tinten mit weiteren Pigmenten versetzt, um eine bestimmte Farbtiefe zu erzielen.
Dieser Vortrag beschreibt die Entwicklung eines neuen chemischen Verfahrens, das in einem Kooperationsprojekt zwischen der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) und der Ferro Duo GmbH entwickelt wird. Mit dem entwickelten Verfahren soll es ermöglicht werden, schwermetallhaltige Filterstäube und -schlämme, die als Abfälle während der Produktion von Roheisen und Rohstahl anfallen und die derzeit größtenteils deponiert werden, zu recyceln und die darin enthaltenen Wertstoffe (v.a. Eisen, Kohlenstoff und Zink) wieder in den Rohstoffkreislauf zurückzugeben. Dies wird durch eine Chlorierung der in den Filterstäuben und -schlämmen enthaltenen Schwermetalloxiden erreicht, die bei Temperaturen zwischen 650 und 1100 °C in Form von Schwermetallchloriden verdampft und so selektiv separiert werden. Erste experimentelle Ergebnisse zeigen, dass die Gehalte an Schwermetallen wie Zink, Blei und Cadmium um bis zu 99,7% reduziert werden können und die thermochemisch behandelten Filterstäube und -schlämme durch das Verfahren in sekundäre Rohstoffe für die Roheisenproduktion umgewandelt werden können.
Das Prozessmonitoring stellt einen wichtigen Baustein für eine Qualitätssicherung additiv gefertigter Bauteile dar, insbesondere bei kleinen Losgrößen. Der Vortrag zeigt einen Überblick aktueller Entwicklungen der BAM im Bereich des Prozessmonitorings für das Laserstrahlschmelzen (laser powder bed fusion) metallischer Werkstoffe. Durch Vergleich mit der Referenzmethode Computertomografie wird am Beispiel der thermografischen Verfahren gezeigt, wie relevante Defekte in Bauteilen detektiert werden können und Einsatzpotenziale sowie Limitierungen aufgezeigt.
In a rapidly evolving world, the demand on raw materials is increasing steadily and many technologies are dependent on a secure supply of hi-tech metals. Recently, scandium (Sc) has attracted attention since its use in high strength Al-alloys and solid-oxide-fuel-cells strongly improves the performance of those materials.
The element Sc is not exceptionally rare but quite resistant to geochemical enrichment processes, it is scarcely found enriched to high concentrations and is recovered as a by-product. Since Sc enrichment in Greek bauxite residues was shown by Ochsenkühn-Petropoulou et. al (1994), intensive research on this material and development of efficient Sc-recovery methods is ongoing.
This study investigates Sc-bearing species in bauxite residues from alumina production. It aims to provide direct evidence about the Sc-speciation’s in those secondary resources and tries to find the link to speciation’s in primary resources, e.g. bauxites and laterites.
Therefore, Sc K edge XANES (X-ray absorption near edge structure) spectroscopy is performed using synchrotron radiation to determine the presence of certain Sc-components and distinguish between adsorbed and chemically bonded Sc as was shown for lateritic deposits in Australia by Chassé et al. 2016. For comparison, reference standards of Sc-bearing and Sc-adsorbed species are synthesized. Indirect inferences from leaching behavior of bauxites, in cases supported by analyses with LA-ICP-MS, suggest Sc to be associated with either iron- or aluminum phases (Vind et al. 2017); (Suss et al.). It remains unclear how different primary materials influence Sc-speciation in the bauxite residue. Therefore, a comparison between different European bauxite residues is made in this study. The investigations should help to understand Sc chemistry and
behavior in different primary and secondary materials and provide fundamentals for metallurgical processing. The research is incorporated in the SCALE project (GA No. 730105) funded by EU Horizon 2020 research and innovation program.
Ein Ringversuch ist eine Methode der externen Qualitätssicherung für sowohl Messverfahren als auch die Eignung von Mess- und Prüflaboratorien. Dabei werden möglichst identische Proben mit identischen Verfahren oder mit unterschiedlichen Verfahren untersucht. Die Teilnahme an Ringversuchen ist für alle akkreditierten Laboratorien ein wesentlicher Baustein der institutsinternen und -externen Qualitätssicherung. Je mehr Faktoren Einfluss auf das Endergebnis haben können, desto wichtiger ist es diese Faktoren zu kennen und deren Einflüsse durch weitestgehende Vergleichbarkeit der Messverfahren zu minimieren.
Für die Bewertung von Emissionen aus Bauprodukten haben sich Emissionsmess-kammer-Untersuchungen als Messverfahren etabliert. Um den Geruch auch für Innenraumanwendungen bewertbar zu machen sind in den letzten Jahren erste Normen entstanden (z. B. DIN ISO 16000-28 und VDI 4302-1). Um die Eignung dieser Normen und deren Anwendung zu untersuchen sind seit 2012 nunmehr 3 Ringversuche der BAM auch zum Thema Geruch durchgeführt worden.
Die bislang durchgeführten Ringversuche mit dem Ziel der Geruchsbewertung wiesen Standardabweichungen von ca. 24 bis 30 % um den jeweiligen Mittelwert auf und wiesen somit ähnliche Werte auf, die auch bei den VOC-Vergleichen ermittelt wurden. Diese Entwicklungen werden hier aufgezeigt.
Moderne Vitrinen sollen gleichzeitig eine hohe Dichtigkeit und die Abwesenheit jeglicher Fremdstoffe in den Vitrinen gewährleisten. Diese Anforderungen sind zeitgleich kaum erfüllbar, da es emissionsfreie Materialien (vor allem Kleb- und Beschichtungsstoffe) nicht gibt. Um die potentiellen Emissionen zu minimieren wurde ein Messverfahren entwickelt, welches inzwischen als BEMMA-Schema (Bewertung von Emissionen aus Materialien für Museumsausstattungen) in die Museumswelt Einzug genommen hat.
Die erfolgreiche Bewertung der für den Bau verwendeten Materialien gemäß BEMMA-Schema resultiert nicht in einer emissionsfreien Vitrine, sondern soll bei der Auswahl geeigneter Materialien zur Herstellung möglichst emissionsarmer Vitrinen helfen. Konkrete handwerkliche Durchführungen beim Bau, Dichtheits-anforderungen, wie auch die Aufstellbedingungen (Umgebung der Vitrine) beeinflussen die Emissionscharakteristik der fertigen Vitrine in der Praxis. Eine saubere Vitrine hilft nichts in einer belasteten Umgebung oder auch bei emittierenden Exponaten. Inzwischen liegen Erfahrungen mit dem Schema seit 2012 vor.
Der Messablauf sieht vor, dass von den Materialien kleine Muster mit der Mikrokammer (Markes) innerhalb von 2 Tagen untersucht werden. Dabei wird mit Silikagelkartuschen auf Ameisen- und Essigsäure, mit DNPH auf Aldehyde und Ketone und mit Tenax® sowohl auf VOC als auch für die spezifische Oxim-Analytik die Abluft der Mikrokammern untersucht. Die Bewertungskriterien basieren auf den Ergebnissen einer Vorstudie mit ca. 150 verschiedenen Produkten im Zeitraum 2010 bis 2012.
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 immissions inside of the display cases due to emissions from materials. Especially high concentrations of organic acids, which can emit from e.g. sealing materials, can produce damage of cultural objects. In 2012 BAM introduced a procedure witch is called: BEMMA-Scheme (Bewertung von Emissionen aus Materialien für Museumsausstattungen) which stands for: “Assessment of Emissions from Materials for Museum Equipment”. Micro chambers are used for VOC emission tests of display case construction materials, e.g. textiles, plastics, sealing material, coatings and others. Each sampling procedure is carried out in duplicate. Emissions like formic acid, acetic acid, formaldehyde 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. The BEMMA scheme is not a guarantee for an emission free display case, but a necessary requirement for the choice of suitable materials for emission and immission reduced display cases.
Der mitteleuropäische Mensch hält sich 80 – 90 % der Zeit in Innenräumen auf. Je nach Aktivität atmet er 10 – 20 m³ bzw. 12 - 24 kg Luft täglich, das ist weit mehr als das Doppelte der Summe an Essen und Trinken. Die technischen Voraussetzungen für die Bestimmung von Emissionen aus Bauprodukten in die Luft liegen vor – harmonisierte horizontale Prüfnorm EN 16516. Es dürften mittlerweile zig-tausende Emissionsdatensätze vorliegen. Defizite gibt es bei der Kennzeichnung zur Unterscheidung emissionsarmer und emissionsreicher Produkte, die bestehende CE-Kennzeichnung ist unvollständig, ersatzweise gibt es nationale Regelungen.
Gerade bei modernen, dichten Bauten mit geringem natürlichen Luftwechsel sind hohe Schadstoffkonzentrationen zu erwarten, wenn nicht emissionsarme Materialien und Produkte zum Einsatz kommen.