4 Material und Umwelt
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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.
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.
Neuartige Materialien, die bekannte (Werk-)Stoffe mit neuen Funktionalitäten ausstatten, spielen eine zunehmend wichtige Rolle im Bereich der Materialforschung und -prüfung. Das Spektrum neuartiger Materialien reicht von der gezielten Oberflächenfunktionalisierung und -strukturierung makroskopischer Materialien, dünnen Beschichtungen bis hin zu mikro- und nanoskaligen Kompositmaterialien und funktionalen Materialien an der Schnittstelle zur Biologie, Biotechnologie, nachhaltige Energiespeicherung und Sensorik. Dabei bieten neuartige Materialien die Chance, Werkstoffe und Produkte mit erweiterter oder verbesserter Funktionalität zu erhalten und Sicherheit bereits im Designprozess zu berücksichtigen. Durch dieses breite Anwendungsspektrum und die Herausforderungen, die solche Materialien für die Sicherheit in Chemie und Technik mit sich bringen, sind diese in allen Themenfeldern der BAM repräsentiert (Material, Analytical Sciences, Energie, Infrastruktur und Umwelt).
Die Aufgaben der BAM erstrecken sich dabei von der Herstellung von Referenzmaterialien für Industrie, Forschung und Regulation, über die Erstellung von standardisierten Referenzverfahren für nachhaltige Messungen im Umwelt- und Lebenswissenschaftsbereich bis hin zur Bereitstellung von belastbaren und zitierbaren Referenzdaten. Durch die genaue Charakterisierung neuartiger Materialien können potentiell problematische Substanzen identifiziert und deren Risiken besser abgeschätzt werden. In diesem Beitrag werden einige aktuelle Beispiele aus diesen Bereichen vorgestellt.
OECD test guideline on particle size and size distribution: Comparability of measurement results
(2019)
OECD-Prüfrichtlinien werden weltweit für regulatorische Zwecke angewandt, da sie eine harmonisierte und über internationale Ringversuche validierte Vorschrift zur Analyse vorgeben. Die bestehende Prüfrichtlinie TG 110 zur Größencharakterisierung von Partikeln und Fasern ist für viele Methoden und Materialklassen nicht geeignet, weswegen es Bedarf an einer Neuentwicklung gibt. Im Fokus der neuen TG steht die reproduzierbare und vergleichbare Anwendung von Methoden zur Bestimmung von Partikelgröße sowie Größenverteilung annährend sphärischer und faserförmiger Nanomaterialien im Bereich 1-1000 nm. Berücksichtigt werden die häufig angewandten Methoden zur Größencharakterisierung mit ihren unterschiedlichen physikalisch-technischen Limitierungen und die Bestimmung unterschiedlicher Durchmesser (hydrodynamischer, Feret…). Weiterhin sind materialspezifische Einflüsse durch die Partikel sowie das Messmedium zu berücksichtigen. Jede der Methoden soll unter Berücksichtigung von ISO-Standards und den materialspezifischen Limitierungen in der neuen Prüfrichtlinie beschrieben und über einen Ringversuch validiert werden.
Es lässt sich feststellen, dass eine Vielzahl unterschiedlicher flüchtiger organischer Verbindungen aus Bauprodukten freigesetzt werden kann. Hierbei gibt es in den meisten Bauproduktgruppen sowohl emissionsarme als auch emissionsreiche Produkte.
Manche Verbindungen sind produktgruppenspezifisch; so werden beispielsweise Siloxane aus Silikondichtmassen freigesetzt, andere Verbindungen sind eher unspezifisch wie Formaldehyd und Essigsäure, die aber in unterschiedlichen Konzentrationen aus einer Vielzahl von Produkten abgegeben werden und zu den am häufigsten emittierten Verbindungen zählen.
Es ist darauf hinzuweisen, dass VOC-Analytik und Gerüche im Allgemeinen keinen Zusammenhang zeigen.
Gerade bei modernen, dichten Bauten mit geringem natürlichem Luftwechsel sind hohe Schadstoffkonzentrationen zu erwarten, wenn nicht emissionsarme Materialien und Produkte zum Einsatz kommen.
The chemical emissions from products are tested by means of emission test chambers under defined conditions (climate, loading, air change rate). The standard method for the determination of volatile organic compounds (VOC) is the sampling onto Tenax-tubes followed by thermal desorption (TDS) and gas chromatography-mass spectrometry (GC-MS) analysis. The EU-LCI list includes some very volatile organic compounds (VVOC) and some VOC for which there are limitations when using the standard method. For VVOC additional sampling is required using stronger absorbers like Carbotrap or multi-bed adsorption tubes. The analysis of VVOC also requires a different GC oven program and a different column for the separation. For the determination of formaldehyde and other low boiling aldehydes (e.g. acetaldehyde, acetone, propanal, propenal) DNPH-cartridges are used which are extracted with acetonitrile followed by liquid chromatography (HPLC-UV) analysis. The derivatisation of propenal and other unsaturated aldehydes (e.g. 2-butenal) with DNPH might lead to lower findings due to incomplete derivatization and forming of by-products. For a better quantification of acetic acid the use of ion chromatography (IC) is recommended because the analysis of acetic acid with the standard method (TDS) leads to lower findings due to break through during sampling. The use of ion chromatography for the analysis of organic acids requires a third sampling technique. The acids are adsorbed onto silica-gel and extracted with water.
EN 16516 sets the test method and requirements for the determination of emissions of Volatile Organic Compounds (VOCs) from building materials into indoor air. To address the quality control requirements for the class of semi-VOCs (SVOCs), VSL developed gaseous reference materials. A novel home-made dynamic gas mixture preparation system, operating according to ISO 6145-4 (continuous injection method), has recently been developed and validated. Thanks to the stable temperature control up to 100 oC, the system can prevent condensation of the SVOCs in air at indoor air concentration levels. The in-situ obtained SVOC gas standards can be sampled in sorbent tubes to obtain SVOC transfer standards. A study was performed to determine the optimal sorbent material and storage conditions. This study will be presented together with the results of the 2018 Round Robin test for emission test chamber measurements organised by BAM. Using the novel system, VSL prepared transfer standards with known amounts of VOCs and SVOCs for participants to evaluate their analytical performance.
A reliable analysis of aerosol particle is curial for enforcing EU air quality regulations to protect human health, and for research on climate change effects [1]. Although metrics such as PM10 and PM2.5 are currently in use, the level of uncertainty of aerosol metrics is too high and the traceability is insufficient. Within the AEROMET project [2] procedures are developed aiming at reducing the uncertainties of particle mass, size, and number concentration measurements including the characterization of regulated components in airborne particles. Here, we present an approach how to improve the uncertainties of the particle mass by mobile total reflection x-ray fluorescence (TXRF) analysis. The combination of TXRF and aerosols sampling techniques supported by reference-free synchrotron radiation-based XRF enables a quantitative real-time analysis of particle mass. During in-field campaigns, the procedure was tested, monitoring the size dependent mass concentrations of specific elements in ambient aerosols under dynamic conditions. This approach allows a direct time and size-resolved analysis without laborious digestion steps and a reduced risk of contamination.
Aerosol particles were sampled in a 13-stage DLPI impactor on acrylic discs. TXRF analysis was performed on-site with the transportable spectrometer S2 PICOFOX (Bruker Nano GmbH). The TXRF quantification was based on internal standardization. At moderate air pollution levels (PM10 20 µg/m³) sampling times of less than 2 hours were enough to detect elements in different particle size bins. The on-site approach and the high sensitivity of TXRF enables the observation of rather quick changes in the quantity and distribution of elements in an ambient aerosol on the day of sampling. The analysis of the morning and afternoon sampling shifts reveals the occurrence of the elements Fe, Ca and Si in different size bins as well as their temporal change in respective mass concentrations over the day while the distributions of several other elements remain unchanged.
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.
Die von der BAM eingekauften Holzwerkstoffplatten (Verlegespanplatten, OSB, Multiplexplatten) verschiedener Hersteller zeigten teilweise hohe Formaldehyd-emissionen unter den Prüfbedingungen nach EN 16516, eine Spanplatte hielt den Grenzwert von 0,1 ppm selbst bei Prüfung nach DIN EN 717-1 nicht ein, dürfte also in Deutschland gar nicht in den Verkauf gelangen.
Holzwerkstoffe, die unter den Prüfbedingungen der DIN EN 717-1 die Formaldehydklasse E1 einhalten, können insbesondere bei großflächigem Einsatz im Innenraum zu Überschreitungen des Richtwertes für die Innenraumluft führen. Zusätzlich zur Anpassung des Luftwechsels ist auch der Parameter Beladung bei einer Überarbeitung der Norm anzupassen. In der DIN EN 16516 werden produktspezifische (am Einsatz der Produkte orientierte) Beladungsfaktoren vorgegeben. Für den Einsatz von Holzwerkstoffplatten ergäben sich Beladungen von 0,4 (Boden oder Decke), 1,0 (Wände), 1,4 (Wände plus Boden oder Decke) und 1,8 m²/m³ (Wände, Boden und Decke). Um die realen Bedingungen in modernen Gebäuden abzubilden, ist deshalb eine Beladung von 1,8 m²/m³ für die Prüfkammermessung erforderlich. Hierbei ist darauf hinzuweisen, dass für die Beladung im Referenzraum Möbel nicht berücksichtigt wurden.
Damit soll sichergestellt werden, dass die Einhaltung des Schutzniveaus bei realen Innenraumbedingungen auch unter den Randbedingungen eines niedrigen Luftwechsels sowie bei sommerlichen Bedingungen und heutigem Lüftungsverhalten der Menschen soweit wie möglich gewährleistet ist.
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 (polybromierte Flammschutzmittel) 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.
Environmental sustainability and –stability of materials concerning the migration of pollutants
(2019)
In addition to previously reported results on the accelerated weathering of polystyrene samples (PS) containing 1 wt. % hexabromocyclododecane (HBCD), we present the first results of our investigations of polypropylene samples (PP) containing 0.1 wt. % BDE-209. All studied polymer samples were exposed to a defined weathering schedule in a climate chamber in accordance to regulation EN ISO 4892-3:2006. For the determination of BDE-209 in the collected raining water the samples were prepared in accordance to a validated protocol. Before the analyses each sample was spiked with isotopically labeled BDE-209. Subsequently the samples were extracted with isooctane. The obtained extracts were concentrated, and the resulting solutions were analyzed by GC/MS. Additionally, the total bromine content was monitored for the weathered and untreated samples using laser ablation inductively coupled plasma mass spectrometry (LA-ICP-MS) and X-ray fluorescence analysis (XRF) as a non-destructive and rapid method. In general, the resulting data from the accelerated weathering will be compared to those from the natural weathering experiments. Here, the surfaces of the test pieces were analyzed by LA-ICP-MS and XRF as well. Moreover, soil bed tests were conducted in a well characterized model soil. This soil (boulder-clay, sand with 12 % loam, particle size in total 0.2-4 mm) is filled in a free-draining basin inside of an air-conditioned cellar. In this manner, TOC, water capacity and humidity are recorded parameters. To induce a leaching process from the samples by the raining water, the target water content is calculated to 8%. The actual humidity is measured by a tensiometer, assuring the duration of the raining period. A defined humidity is a fundamental parameter for a biological activity in the soil. The test polymers were placed up to the half in the soil. Microbial activity of the soil is monitored by a reference polymer (polyurethane) and should induce the release of HBCD and BDE-209 out of the test materials. These released analytes will be captured by passive samplers (silicone tubes) placed in a distinct distance to the polymer samples in the soil. The soil bed experiments are complementary to the weathering experiments due to the biological activity in the soil.
Die gemeinsame Forschungsstrategie der Bundesoberbehörden zur Nanotechnologie wurde 2016 veröffentlicht. Die darin enthaltenen Aufgaben wurden von den Bundesoberbehörden vielfältig bearbeitet. Diese Präsentation gibt einen Überblick über die Projekte, die von der BAM bis 2019 bearbeitet wurden/werden und sich in den Rahmen der Forschungsstrategie einordnen.
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.
Measurements of aerosol particles are vital for enforcing EU air quality regulations to protect human health, and for research on climate change effects. Although metrics such as PM10 and PM2.5 are currently in use, the level of uncertainty of aerosol metrics is too high and the traceability is insufficient. The project AEROMET, which has been started in June 2017 aims at implementing improvements in a) the uncertainty of particle mass, size and number concentration measurements and b) in the characterization of regulated components in airborne particles. Both are demanded by existing networks within the EU as well as by global atmospheric research.
On-site measurement campaigns
One of the objects is the application of mobile x-ray spectroscopy techniques combined with aerosol sampling techniques for quantifying particle compositions in the field for real time analysis. During two in-field measurement campaigns in Budapest, Hungary in May 2018 and Cassino, Italy in September 2018 the size dependent mass concentrations of specific elements in ambient aerosols were monitored under dynamic conditions.
Typically, airborne particles are sampled on filter substrates. During this project new sampling methods with specially designed substrate holders for an in-situ TXRF analysis were developed and applied for the first time. This approach allows a direct time and size resolved analysis without laborious digestion steps and a reduced risk of contamination.
Aerosol particles were sampled in a 13-stage DLPI impactor - size range from 0,03 µm to 10 µm - which was equipped with special adapters for acrylic discs of 30 mm diameter, serving as substrates. TXRF analysis was performed on site with the transportable spectrometer S2 PICOFOX (Bruker Nano GmbH) equipped with a Mo X-ray tube and a 30 mm² Silicon Drift Detector (SDD). Excitation conditions were 50 kV, 600 µA, measurement time 1000 s. Quantification was based on internal standardization using 50 ng of Y in solution, which was pipetted into the centre of the discs prior to sampling.
At moderate air pollution levels, i.e. PM10 ~ 20 µg/m³, sampling times of less than 2 hours were enough for the detection of elements in different particle size bins. The in-situ approach and the high sensitivity of TXRF enables the observation of rather quick changes in the quantity and distribution of elements in an ambient aerosol on the day of sampling, as the below example from the Cassino field campaign on 11 Sept. 2018 shows: The analysis of the morning and afternoon sampling shifts reveals the occurrence of the elements Fe, Ca and Si in different size bins as well as their significant temporal change in respective mass concentrations over the day while the distributions of several other elements in the aerosol remain unchanged.
The validation of these results by backup measurements is planned.
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.
Laser Powder Bed Fusion (L-PBF) is a promising additive manufacturing (AM) technology for metal part production especially for complex and lightweight structures or functional designs. In L PBF processes several by-products including welding plume and its condensates, spatter and ejected powder are generated during laser exposure. Investigations of micro- and nano-sized by-products have received little attention in literature. This study focuses on the analysis of particle emissions in L PBF of 316L stainless steel using a scattered light aerosol spectrometer and a fast mobility particle sizer spectrometer during the process which allows for in-situ analysis of particle sizes in the range of 6 nm to 100 µm. A distinct correlation of emission signals to part position can be revealed. In addition, a significant influence of laser scanning vector directions on emission signals is presented. Furthermore, differing powder layer thicknesses can be recognised by deviations in emission signals.
The project ProMoAM is presented. The goal of the project is to evaluate which NDT techniques or combination of techniques is suited for in-situ quality assurance in additive manufacturing of metals. To this end, also 3d-data fusion and visualization techniques are applied. Additional ex-situ NDT-techniques are used as references for defect detection and quantification. Feasability studies for NDT-techniques that are presently not applicable for in-situ use are performed as well.
The presentation gives a brief overview of the whole project and the different involved NDT-techniques.