4 Material und Umwelt
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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.
Scientific material analysis of the elemental composition of inks from different strata of a manuscript has the potential to complement scholarly observations using palaeography and philology in reconstructing the history of the manuscript’s production, correction and repair.
There are three typologically different classes of black writing inks: soot inks consist of carbon particles.
Sehr geehrte Damen und Herren,
liebe Leserinnen und Leser,
bereits im ersten Band der N.i.Ke. Schriftenreihe des Netzwerks zur interdisziplinären Kulturerhaltung hatte ich angeführt, dass bei der Untersuchung von kulturellen Artefakten naturwissenschaftliche Untersuchungsmethoden zunehmend an Bedeutung gewinnen, sie eigentlich unverzichtbar geworden sind.
Ein besonders einprägsames Beispiel dieser fächerübergreifenden Zusammenarbeit zwischen Geisteswissenschaften, Naturwissenschaften und Restaurierungswissenschaften war die Ausstellung Johannes Vermeer. Vom Innehalten, die in diesem Jahr in der Gemäldegalerie Alter Meister in den staatlichen Kunstsammlungen Dresden gezeigt wurde. Eigens für diese Ausstellung wurde das Gemälde Brieflesendes Mädchen am offenen Fenster einer grundlegenden Restaurierung unterzogen. Diese Restaurierung diente jedoch nicht nur der Reparatur des Bildes. Um sich dem ursprünglichen Zustand des Gemäldes zwischen 1657 und 1659 anzunähern, wurden später hinzugefügte Malschichten großflächig abgenommen. Möglich wurde dies durch unterschiedliche, bildgebende materialwissenschaftliche Untersuchungen im Vorfeld, welche die wissenschaftlichen Grundlagen für die Diskussion über den weiteren Umgang mit der Lesenden schufen.
Materialanalytische Verfahren wurden und werden ständig weiterentwickelt und optimiert. Sei es, um aus einer Vielzahl von Einzelmessungen ein Gesamtbild zu erstellen, oder die Größe einer Probenentnahme so zu reduzieren, dass von einer „minimal-invasiven“ oder „quasi nicht-invasiven“ Untersuchung ausgegangen werden kann. Nun feiert die Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung, zusammen mit ihren Vorgängerinstitutionen, den königlichen Versuchsanstalten, in diesem Jahr ihren einhundertfünfzigsten Geburtstag. Sie blickt damit auf eine lange Tradition materialwissenschaftlicher Analysen zurück, an deren Beginn beispielsweise die metallographischen Untersuchungen von Adolf Martens stehen. Derartige Untersuchungen bilden auch heute noch einen wesentlichen Bestandteil archäometallurgischer Forschung. Die Historie bzw. die Weiterentwicklung der Methodik lässt sich hier besonders gut nachzeichnen. Jedoch blicken auch Verfahren zur Charakterisierung weiterer Werkstoffe, wie Glas, Keramik, oder organischer Materialien auf eine lange Geschichte zurück.
Die in diesem Band der N.i.Ke.-Schriftenreihe präsentierten Beiträge dokumentieren einerseits aktuelle Forschungsarbeiten, die erst in diesem Jahr in entsprechenden Fachjournalen publiziert wurden, andererseits liegen einige der Arbeiten bereits 50 Jahre zurück. Sie bekunden damit nicht nur die materialtechnologische und historische Bandbreite der Projekte, sondern offenbaren die Vielfältigkeit kulturhistorischer oder restauratorischer Fragestellungen, zu deren Beantwortung natur- und materialwissenschaftliche Forschung wesentliche Beiträge liefern können.
Ich bedanke mich bei allen Kolleginnen und Kollegen, die zur Erstellung dieser dritten Ausgabe der N.i.Ke. Schriftenreihe des Netzwerks zur interdisziplinären Kulturerhaltung beigetragen haben. Ihre Aufsätze ermöglichen den Blick in die Vielfältigkeit materialwissenschaftlicher Untersuchungen im Bereich Kunst- und Kulturgut. Ich wünsche Ihnen viel Spaß auf dieser kleinen Zeitreise.
In this study, nanoscopic particles of magnesium Fluoride (MgF2) and calcium fluoride (CaF2) also known as nano metal fluorides (NMFs), were evaluated for their potential to improve wood durability. Even though these fluorides are sparingly soluble, their synthesis in the form of nano-sized particles turns them into promising candidates for wood preservation. Their distinct property of low-water solubility is proposed to maintain long-lasting protection of treated wood by reducing the leaching of fluoride. Analytical methods were used to characterize the synthesized NMFs and their distribution in treated wood specimens. Transmission electron microscopy images showed that these fluoride particles are smaller than 10 nm. In nano metal fluoride (NMF) treated specimens, aggregates of these particles are uniformly distributed in the wood matrix as confirmed with scanning electron microscopy images and their corresponding energy-dispersive X-ray spectroscopy maps. The fluoride aggregates form a protective layer around the tracheid walls and block the bordered pits, thus reducing the possible flow path for water absorption into wood. This is reflected in the reduced swelling and increased hydrophobicity of wood treated with NMFs. The biocidal efficacy of NMFs was tested against brown-rot fungi (Coniophora puteanaand Rhodonia placenta), white-rot fungus (Trametes versicolor), and termites (Coptotermes formosanus). The fungal and termite tests were performed in accordance with the EN 113 (1996) and EN 117 (2012) standards, respectively. Prior to fungal tests, the NMF treated wood specimens were leached according to the EN 84 (1997)standard. Compared to untreated specimens, the NMF treated wood specimens have a higher resistance to decay caused by brown-rot fungi, white-rot fungus, and termites. Although all NMF treatments in wood reduce the mass loss caused by fungal decay, only the combined treatment of MgF2 and CaF2 has efficacy against both brown-rot fungi and white-rot fungus. Similarly, wood treated with the combined NMF formulation is the least susceptible to attack by C. formosanus.It is proposed that combining MgF2 and CaF2changes their overall solubility to promote the release of fluoride ions at the optimal concentration needed for biocidal efficacy against fungi and termites. In this thesis, it was proven that even after leaching, sufficient fluoride was present to protect NMF treated wood from fungal decay. This shows that NMFs are robust enough for above ground contact outdoor applications of wood, where permanent wetness cannot be avoided according to Use Class 3.2, as per the EN 335 (2013) standard. Also, they pose a low risk to human health and the environment because they are sparingly soluble. Since NMFs significantly reduce the decay of wood, the CO2 fixed in it will be retained for longer than in unpreserved wood. Overall, the novel results of this study show the potential of NMFs to increase the service life of building materials made from non-durable wood.
Antimon (Sb) wird in Industrieprodukten hauptsächlich als Flammschutzmittel in Kunststoff verwendet. Aufgrund solcher Zusätze in Kunststoffen landet etwa die Hälfte von Sb am Ende der Lebensdauer in der Verbrennung fester Siedlungsabfälle und folglich in relevanten Mengen in der erzeugten Bodenasche. Bei Kontakt mit Wasser ist die anfängliche Auslaugbarkeit gering, da Antimonat mit Ca2+ schwerlösliche Verbindungen bilden. Nach der Carnonatisierung der Verbrennungsasche (IBA) während der fortschreitenden Alterung nimmt der pH-Wert in den Sickerwasser ab. Mit abnehmender Ca-Konzentration im Eluat ändert sich das Lösungsgleichgewicht und Antimonate lösen sich auf.
In Deutschland ist beabsichtigt, Sb in IBA mit der geplanten Umsetzung der sogenannten Mantelverordnung (MantelVO, die Bestimmungen zur Verwertung von Mineralabfällen enthält) in naher Zukunft zu regulieren. Die im Entwurf festgelegten Grenzwerte können für IBA kritisch sein und stellen daher ein Risiko für die Verwendung der Mineralfraktion von IBA in den gut etablierten Recyclingwegen dar.
Die Untersuchung altlastverdächtiger Flächen umfasst viele einzelne Schritte von der Probenahme über die Probenvorbehandlung bis hin zur eigentlichen Analyse, die zur Ergebnisunsicherheit beitragen. Beim Vergleich der Ergebnisse mit Bewertungsmaßstäben, um Entscheidungen zur Bewertung von Altlasten zu treffen, sind diese Faktoren zu berücksichtigen. Die Rolle von verschiedenen Unsicherheitskomponenten wird mit Blick auf Elutionsverfahren diskutiert.
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.
Many organizations in Europe collect data and perform research on municipal solid waste and the secondary raw materials that can be produced from them through recycling, urban mining, or landfill mining.However, the information generated and presented thereby is often highly aggregated, while research activities are many a time isolated. Both reduce the usability of the data and information generated. In order to better structure the knowledge generation on secondary raw materials production from municipal solid waste, we suggest to learn from the traditional raw materials mining Industry how to perform an integrated assessment and reporting of anthropogenic resources. This is exemplarily shown for the case of the anthropogenic resource municipal solid waste incineration bottom ash and airpollution control residues. A network of expert institutions from countries throughout Europe was build up to compile the information on legal and technological aspects for the recovery of different secondary raw materials from these residues, including construction minerals, metals, and salts. We highlight in our article the strength of the combined knowledge of an expert network not only on legal and technological, but also local and site-specific aspects of the recovery of secondary raw materials. By doing so, we hope to kick-off a discussion for how to organize and implement a structure for a better management of knowledge on anthropogenic resources, in order to provide a sustainable supply of secondary raw materials for a greener and more circular economy.
The earliest known recipes for iron gall inks include four basic ingredients: oak galls – pathological growths of oak leaves; metal salts – usually referred to as vitriol; a binder such as gum Arabic; and water. The final product differs in the elemental composition due to the multitude of recipes as well as differences within the composition of the ink’s ingredients. Nowadays, based on the qualitative and semi-quantitative evaluation of X-ray fluorescence data, it is possible to distinguish inks on the basis of the so-called fingerprint model. The first goal of our study was to determine to what extent the type of XRF spectrometer affects the quality of the ink evaluation. We tested two types of spectrometers, semi-stationary machines equipped with polycapillary focusing optics and a handheld spectrometer with a diaphragm collimator and a relatively big interaction spot.
The second goal was to address the issue of whether the ink composition might be affected by storage in a metal container. The presentation will discuss the role of the spectrometer type in the evaluation of a thin layer material such as ink.
We have also learned that the iron-gall ink composition might depend on the type of vessel in which ink was being stored.
Conventional fertilisers have their disadvantages as nutrient release is not synchronised with the demand of plants. Several approaches of "next generation fertilisers" are aiming at controlled nutrient release. Recycling fertilisers are often not soluble in water but fully plant available. They are suitable raw materials for the production of new types of controlled release fertilisers.
What Does Ectoine Do to DNA? A Molecular-Scale Picture of Compatible Solute−Biopolymer Interactions
(2020)
Compatible solutes are accumulated in the cytoplasm of halophilic microorganisms. These molecules enable their survival in a high salinity environment. Ectoine is such a compatible solute. It is a zwitterionic molecule which strongly interacts with surrounding water molecules and changes the dynamics of the local hydration shell. Ectoine interacts with biomolecules such as lipids, proteins and DNA. The molecular interaction between ectoine and biomolecules in particular the interaction between ectoine and DNA is far from being understood.
In this paper we describe molecular aspects of the interaction between ectoine and double stranded DNA(dsDNA). Two 20 base pairs long dsDNA fragments were immobilized on a Gold surface via a thiol-tether. The interaction between the dsDNA monolayers with diluted and concentrated ectoine solutions was examined by means of X-ray photoelectron and polarization modulation infrared reflection absorption spectroscopies (PM IRRAS). Experimental results indicate that the ability of ectoine to bind water reduces the strength of hydrogen bonds formed to the ribose-phosphate backbone in the dsDNA. In diluted (0.1 M) ectoine solution, DNA interacts predominantly with water molecules. The sugar-phosphate backbone is involved in the formation of strong hydrogen bonds to water, which with elapsing time leads to a reorientation of the planes of nucleic acid bases. This reorientation destabilizes the hydrogen bonds strength between the bases and leads to a partial dehybridizaiton of the dsDNA. In concentrated ectoine solution (2.5 M), almost all water molecules interact with ectoine. Under this condition ectoine is able to interact directly with DNA. Density functional theory (DFT) calculations demonstrate that the direct interaction involves the nitrogen atoms in ectoine and phosphate groups in the DNA molecule. The results of the quantum chemical calculations Show that rearrangements in the ribose-phosphate backbone, caused by a direct interaction with ectoine, facilitates contacts between O atom in the phosphate group and H atoms in a nucleic acid base. In the PM IRRA spectra, an increase in the number of the IR absorption modes in the base pair frequency region proves that the hydrogen bonds between bases become weaker.
Thus, a sequence of reorientations caused by interaction with ectoine leads to a breakdown of hydrogen bonds between bases in the double helix.
Wet-mechanical treatment: Processing of bituminous road construction waste in a jigging machine
(2023)
Jigging machines are used in processing technology in many areas. Examples are the processing of coal, ores, and primary and secondary raw and waste materials. Even small differences in density are offen sufficient for successful sorting. In the work presented here, milled material from road construction waste contaminated with bitumen is to be separated from uncontaminated material. In this way, scarce landfill space could be saved and mineral material be returned to the material cycle.
In Europe, nearly 19 Mt/y of bottom ash (BA) are produced. Of this quota, only 46 %wt. was treated, often in poorly performing plants, leaving behind 10 Mt of untreated and unrecovered BA, destined to landfill. The resulting 2.14 Mt loss of valuable materials included 1 Mt mineral fraction and 0.97 Mt ferrous metals, mostly from untreated BA, and 0.18 Mt non-ferrous metals, mostly from unrecovered BA. For the coarser fractions, the main obstacle to BA being used as recycling aggregate is the content of salts and potential toxic elements (PTEs), concentrated in a layer that coats BA particles. For the fine BA fractions, usually underexploited and landfilled, it is estimated that up to 0.95 Mt/y of ferrous and non-ferrous metals are not recovered in Europe.
During the workshop, the key results of BASH Treat project will be presented: the results of 2 industrial tests performed in BA treatment plants in Germany and Sweden; a novel dry treatment for the removal of salts and PTEs from BA coarse particles; a wet process for the recovery of heavy metal compounds from the fine fraction; a technical-economic assessment of the EU potential for the optimization of BA management.
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.
Mehrere Aspekte wurden im Hinblick auf die Standardisierung eines geeigneten Verfahrens für die Analyse sehr flüchtiger organischer Verbindungen (VVOCs) untersucht. Die Verwendung gasförmiger Standards ist notwendig und es wurde ein stabiles Standardgasgemisch aus 60 Substanzen erfolgreich erzeugt und auf Stabilität und Reaktivität überprüft. Die Eignungsuntersuchung verschiedener Chromatographiesäulen ergab, dass PLOT-Säulen (Porous Layer Open Tubular) für die VVOC-Analytik gut geeignet sind. Für die 60 Analyten wurden Wiederfindungsraten auf mehreren Adsorbenzien und deren Kombinationen bestimmt. Dabei zeigte eine Kombination aus einem graphitierten Ruß und einem Kohlenstoff-Molekularsieb hervorragende Ergebnisse für alle Zielkomponenten. Nachteilig an Kohlenstoff-Molekularsieben ist, dass sie Wasser adsorbieren, was die Analyse beeinträchtigen kann. Zur Wasserentfernung wurden verschiedene Optionen wie das Trockenspülen oder der Einsatz eines Trocknungssystems untersucht.
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.
Zur Weiterentwicklung der Probenpräsentation wurde ein Adapter entwickelt, der Emissionsprüfkammer und Bewertungstrichter miteinander verbindet und dadurch eine der direkten Messung vergleichbare Geruchsbewertung ermöglicht. Die analytischen Messungen zeigen, dass es kaum Unterschiede in der Zusammensetzung der Probenluft in der Kammer im Vergleich zum Probenbehälter gibt. Bei den olfaktorischen Messungen kam es jedoch bei der Bewertung der Probenluft mit Hilfe des Adapters zu Minderbefunden. Anschließende Untersuchungen zeigten, dass beim Ausschalten des Geräts Umgebungsluft über den Trichter in den Adapter strömt und zu einer Verdünnung der Probenluft führt. Um dies zu vermeiden, werden derzeit weitere Messungen durchgeführt.
Eine weitere Versuchsreihe wurde durchgeführt, um den Messaufwand bei der Bewertung der empfundenen Intensität zu reduzieren. Die entwickelte „größer-oder-kleiner/gleich“ Abfrage kann hier hilfreich sein. Die Untersuchungen im Luftqualitätslabor und im Rahmen eines Ringversuches mit verschiedenen Laboren, zeigen, dass die Abfrage in fast allen Fällen zu den gleichen Ergebnissen führt, wie die normgerechte aber aufwendigere Ermittlung der empfundenen Intensität mithilfe des Vergleichsmaßstabes.
Bauprodukte und Einrichtungsgegenstände für Innenräume, wie Bodenbeläge und Wandpaneele, sollen das Wohlbefinden und die Gesundheit der Raumnutzerinnen und -nutzer nicht durch das Ausdünsten von Geruchsstoffen stören. Mit der Geruchsprüfung nach ISO 16000-28 „Innenraumluft - Bestimmung der Geruchsstoffemissionen aus Bauprodukten mit einer Emissionsprüfkammer“ wird der Produktgeruch zu einer messbaren Größe. So kann z. B. die empfundene Intensität, also die Stärke eines Geruchseindruckes, mit Hilfe eines Vergleichsmaßstabes von Probandinnen und Probanden ermittelt werden. Im hier vorgestellten Projekt werden Vorschläge zur Weiterentwicklung der Methode vorgestellt, um im Ergebnis die Reproduzierbarkeit der Messergebnisse weiter zu verbessern. Dabei werden vor allem das Probenpräsentationssystem und die Bewertungsmethodik für die empfundene Intensität bei der Bewertung von Bauprodukten gemäß AgBB-Schema betrachtet, da diese einen wesentlichen Einfluss haben.