4 Material und Umwelt
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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.
Quality Improvement of VOC chamber emission tests observed for 10 years with round robin tests
(2018)
In Europe, the Construction Products Regulation (CPR, 2011/305/EU) sets basic requirements (BR) on how construction works must be designed and built. BR 3 “hygiene, health and the environment” states low emissions of toxic gases, Volatile Organic Compounds (VOCVOCs), particles, etc. from building materials. Meanwhile, a worldwide network of professional Commercial and non-commercial laboratories performing emission tests for the evaluation of products for interior use has been established.
Therefore, comparability of test results must be ensured. The participation in Round Robin Tests (RRTRRTs) is a means to prove a laboratory’s proficiency. Since 2006 BAM offers such proficiency test for emission chamber test every two years.
Any commercially available product on the market can be used as reference material, provided it is thoroughly characterised. However, these materials often emit only a few and material specific VOCs and appropriate homogeneity is not given. Therefore, alternative materials should be found. BAM used different materials over the years. Currently, the best suited reference material is a cured lacquer surface which contained several VOCs added to the liquid lacquer system. The round robin tests 2014, 2016 and 2018 were conducted with such a system.
Compounds like Styrene or n-Alkanes like Decane or Tridecane were tested in many of the proficiency test operated by BAM. Up to now the relative standard deviation of these compounds decrease continuously. Starting with values about 30 % in 2008 we reached values for the mentioned compounds 15 to 20 % now. But even for more polar compounds improved results were received.
Over the years the results of a large group of laboratories detected many compounds with much higher accuracy than at the beginning. So, the comparability between results of different laboratories becomes much better.
Gegenstand der vorzustellenden Arbeiten ist die Prüfung der Umweltbeständigkeit 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, die jeweils mit polybromierten Flammschutzmitteln (PBFSM) versehen sind. 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. Auch soll mit Hilfe der RFA und der LA-ICP-MS die Abreicherung der PBFSM in den Modellmaterialien beschrieben werden. Aus den Ergebnissen sollen Korrelationen zwischen den künstlichen Alterungsverfahren und realen Szenarien abgeleitet werden.
In addition to previously reported results on the simulated aging of polystyrene samples (PS) containing 1 wt. % hexabromocyclododecane (HBCD), we present the first results of our investigations of polypropylene (PP)-samples 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 rain water samples derived from the used climate chamber, the samples were prepared in accordance with a validated protocol. Before the analyses, each sample was spiked with 2 µL of isotopically labeled BDE-209 (13C10-BDE-209) to serve as internal standard (ISTD) in the performed stable isotope dilution analysis. Subsequently the samples were extracted with isooctane, the obtained aliquots of the extracts were concentrated to 200 µL and 2 µL of the resulting solution were injected to the GC/MS for quantification.
Additionally, the total bromine contents are monitored for the aged and untreated samples using laser ablation inductively coupled plasma mass spectrometry (LA-ICP-MS) as well as X-ray fluorescence analysis (XRF) as non-destructive and rapid method. Furthermore, results from surface analysis using environmental scanning electron microscopy (ESEM) for morphological characterization of the aged and untreated samples were presented and discussed. In general, the resulting data from the accelerated aging will be compared to those from the natural weathering experiments (“atmospheric exposure”, in soil).
The atmospheric exposure was performed by placing the samples on a weathering rack, which is aligned in SW direction (in a 45° angle to the horizon). The weathering data were regularly recorded by Deutscher Wetterdienst at this site. The surfaces of the test specimens (aged and stored references) were analyzed by ESEM as well as by LA-ICP-MS and by XRF. The surface of PS and PP specimens aged outdoors present the aging under real conditions and allow the comparison to the accelerated aged specimens by means of the weathering chamber. This way, we explore the efficiency of the accelerated aging procedure, which provides the advantage of well-defined and reproducible conditions compared to natural weathering, as a tool for testing different plastic materials.
Additionally “in soil” experiments were conducted in-door in a well characterized testing soil. The soil (boulder-clay, sand with 12 % loam, particle size in total 0.2-4 mm) is filled in a free-draining concrete basin inside of an air-conditioned room. In this manner, TOC, water capacity and humidity are recorded parameters. To assure a washing out 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. The water content is additionally monitored by weight of the basin, capturing water from raining periods. The correct humidity is a fundamental parameter for biological activity. Samples of PS resp. PP were of dimension 10x1cm and 5 specimens were placed up to the half in the soil per basin. Microbial activity of the soil, monitored by the reference polyurethane, sets HBCD resp. BDE-209 of the samples free and will be leached from the samples by raining water. Thereafter these will be captured by passive samplers placed in a distinct distance to the samples in the soil. The “in soil” experiments are complementary to the weathering experiments due to the biological activity in the soil. These experiments simulate the fate of the brominated flame retardants in the biosphere.
Environmental sustainability and –stability of Materials concerning the Migration of pollutants
(2018)
MaUS is an acronym for ”Material und Umweltsimulationen“. Plastics are in the focus of environmental politics due to their long-term behaviour and therefore to their persistence. Not only that they appear as visible contaminants in the sea and on the beach, but their unknown behaviour concerning their additives as well as the related transformation products are anxious. Therefore, we wish to establish a certified reference method to provide a method for testing plastics.
Aim of this project is the development of fast motion standard reference methods for testing plastics regarding to their environmental compatibility. To establish these testing methods, we use polystyrene (PS) and polypropylene (PP) with environmental relevant brominated flame retardants, known for their persistent bioaccumulative and toxic (PBT) properties. In case of PS the material contains 1 wt% of 1,2,5,6,9,10-hexabromocyclododecan (HBCD) and in case of PP 0.1 wt% bromodiphenylether (BDE-209), which is known as a substance of very high concern (SVHC). Furthermore, we use polycarbonate (PC), which is still used as material in baby flasks and releases Bisphenol A (BPA), an estrogenic active substance.
As an additional material PTFE is used for its importance as a source for two ubiquitous environmental substances (PFOS and PFOA), whose toxicological effects are still incompletely known.
The focus in this current work is set on the transfer of potential pollutants out of applied materials mentioned above into environmental compartments like water or soil. Here an accelerated aging concept should be developed to shortened time consuming natural processes. For these resulting simulations we use a programmable weathering chamber with dry and wet periods and with high and low temperatures. These programmes run for several weeks and according to a defined sampling schedule we take water samples, run a clean-up procedure by SPE (Molecular imprinted polymers (MiPs) resp. polymer-based cartridges (Waters Oasis HLB)) and analyse them by HPLC-UV resp. LC-MS/MS. Of most interest in case of flame retardants are photocatalytic transformation products. Therefore, we conduct a non-target-screening resp. a suspected target-screening by LC-MS/MS and HRMS.
Gegenstand des Projekts ist die Prüfung der Umweltbeständigkeit 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 Polycarbonat, Polytetrafluorethylen, Polystyrol und Polypropylen 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, die es gestatten, Schnellprüfverfahren zu etablieren, die die Simulation der realen Beanspruchungen im Zeitraffermodell anwendbar machen. Somit sollen standardisierbare Schnellbeanspruchungs-verfahren erarbeitet werden, die als Prüfeinrichtungen etabliert werden und von externen Auftraggebern zur Prüfung der Umweltbeständigkeit und -verträglichkeit von neuen Materialien genutzt werden können. Die Umweltwirkungen (chemisch-physikalisch und mikrobiologisch) sollen so definiert eingesetzt werden, dass eine reproduzierbare Prüfung möglich wird. Aus diesen Verfahren und Methoden sollen Normen abgeleitet werden, die eine standardisierte Materialprüfung ermöglichen.
Ammoniakemissionen in die Umwelt erfolgen insbesondere durch die Landwirtschaft (93,6 %), aber auch durch Verbrennungsprozesse in der die Abfallwirtschaft (2,3 %) und den Straßenverkehr (1,8 %). Dieser Stoff ist selbst in geringen Konzentrationen nicht nur eine Geruchsbelästigung, sondern auch eine Substanz mit ökologischer und klimatischer Relevanz.
Die Bestimmung von Ammoniak in relevanten Konzentrationen von kleiner 25 μg m-3 erfolgt im Allgemeinen über NH4+ als Analyten, spektralfotometrisch oder mit der Ionenchromatographie nach Überführung in die flüssige Phase. Wegen der niedrigen Konzentrationen an Ammoniak in der Außenluft wird meist eine gesammelte Probe verwendet oder die Bestimmung erfolgt nach einer aktiven, anreichernden Probenahme.
Die eigenen Arbeiten sollen dazu beitragen, die Ammoniak-Bestimmung in der Außenluft präziser, sowie schneller und kostengünstiger zu machen.
Die BAM prüfte daher kommerzielle elektrochemische und Metalloxid-basierte Sensoren, die für diesen Konzentrationsbereich aber nur bedingt geeignet sind. Deshalb wurden alternativ eigene Entwicklungen zum Nachweis von Ammoniak im Spurenbereich aufgenommen, wobei der Analyt über die Änderung der Fluoreszenz eines BODIPY-Farbstoffs bei 550 nm mittels eines portablen Fluoreszenz-Sensors direkt aus der Gasphase gemessen wird.
Zur Kalibrierung von Ammoniak-Sensoren und -Messgeräten steht ein stationäres System basierend auf der Mischung von zertifizierten Prüfgasen aus Druckflaschen mit kalibrierten Massendurchfluss-regler (MFC) zur Verfügung. Darüber hinaus erfolgt eine chemische Analyse der verwendeten Gasgemische mittels eines Massenspektrometers.
Für die Kalibrierung und Prüfung von Sensoren und Messgeräten vor Ort wurde ein mobiles Prüfsystem entwickelt. Die Generierung von Ammoniak-haltigen Gasen im Spurenbereich von 0,5 nmol/mol bis 500 nmol/mol erfolgt durch das Permeationsverfahren nach ISO 6145-10.
Für die Realisierung der Rückführbarkeit der Ammoniakbestimmung werden von den Nationalen Metrologischen Instituten sowie designierten Instituten Standards bereitgestellt und auch weiterentwickelt. Die primären metrologischen Standards beruhen auf SI-Einheiten und sind die Basis für eine Rückführbarkeit der Sensoren bzw. Analysengeräte.
Der Mensch verbringt die überwiegende Zeit des Tages in Innenräumen von Gebäuden. Der Aufenthalt in Innenräumen umfasst das Wohnen, Bürotätigkeiten oder auch Nutzung öffentlicher Gebäude wie Kindertagesstätten, Schulen, Sporthallen und Bibliotheken. Um Innenräume von Gebäuden ohne Gefährdung für die menschliche Gesundheit nutzen zu können, müssen diese bei ihrer Errichtung und Verwendung dauerhaft die an sie gestellten hohen Anforderungen zu Gesundheit und Hygiene erfüllen. Die Innenraumluftqualität und ihre Wahrnehmung durch die Raumnutzer spielt für das individuelle Wohlbefinden und die Gesundheit eine entscheidende Rolle.
Dieses Buch richtet sich bevorzugt an Bauplaner, Architekten, Bauingenieure und Bauherren aber auch an Bauproduktehersteller. Ihnen allen fällt die wichtige Aufgabe zu, Aufenthaltsräume von Gebäuden durch eine gezielte Bauproduktverwendung zu gestalten und dauerhaft nutzbar zu machen. Die Frage, ob der Aufenthalt in Gebäuden den Menschen gesundheitlich beeinträchtigen oder sogar krank machen kann, hängt wesentlich von der qualitativen und quantitativen Zusammensetzung der Raumluft ab.
„Innenraumluftqualität und Bauprodukte“ enthält Angaben über wichtige Inhaltsstoffe der Raumluft und damit verbundene Einflussfaktoren, und geht im Besonderen auf Emissionen aus Bauprodukten ein. So vermögen Bauprodukte oftmals als großflächige Emissionsquellen die Innenraumluft mit verschiedenartigen Stoffen und Stoffgemischen anzureichern, mit der Folge, dass Raumnutzer diesen dauerhaft und teilweise intensiv ausgesetzt sind.
Das Buch vermittelt wichtige Erkenntnisse über flüchtige organische Verbindungen (VOC) aus Bauprodukten sowie deren Verhalten in der Raumluft etwa in Bezug auf Emissionsdauer, Hausstaubdeposition und Sekundärquellenbildung. Auf spezifische VOC-Einzelstoffemissionen – sehr flüchtige (VVOC) bis hin zu schwerflüchtigen (SVOC) – und einzelne chemische Stoffgruppen in Zusammenhang mit ihrem Vorkommen in Bauprodukten wird eingegangen.
Die wesentlichen Voraussetzungen und die Bedeutung einzelner VOC und VOC-Stoffgemische für die Expositionssituation und die Gesundheit von Raumnutzern werden in einem eigenen Kapitel beschrieben. Wichtige Kenntnisse über gesundheitliche Stoffwirkungen werden transparent erläutert. Angesprochen werden der inhalative Aufnahmepfad, Effekte durch Reizstoffe an den Atemwegen, andere toxische Wirkungen und die Auswirkungen von geruchsintensiven und -belästigenden Stoffen.Das Kapitel „Bewertung der Innenraumluftqualität“ vermittelt die allgemein anerkannte Vorgehensweise zur Beurteilung der Luftqualität und erstreckt sich auf chemische Stoffe, Geruchseinwirkungen sowie auf das Edelgas Radon. Bauplaner, Architekten, Bauingenieure und Bauherren werden in die Lage versetzt, die Bedeutung und Anwendung verschiedener Beurteilungsparameter und ihre Beurteilungswerte anschaulich nachzuvollziehen und deren Verwendung in Beurteilungen und Prüfberichten gezielt einzuordnen. Im Detail wird die notwendige Abgrenzung der Verwendung der Begrifflichkeiten „Grenzwerte“ und „toxikologisch begründete Innenraumluftrichtwerte des Ausschusses für Innenraumrichtwerte (AIR)“ mit den dazugehörigen aktuellen Richtwerten (RW II bzw. RW I) erklärt. Auch die Bedeutung und der Anwendungsbereich internationaler Beurteilungen der WHO und der europäischen Chemikalienbewertung (REACH) werden erläutert. Das Buch liefert Informationen über die Ermittlung und Verwendung statistisch abgeleiteter Beurteilungswerte, die als Referenzwerte definiert sind.
Die Ergebnisse aktueller Referenzwertstudien zum Vorkommen einzelner VOC und von VOC-Stoffgemischen als Summe aller nachgewiesenen VOC (TVOC-Wert) in Wohnräumen, Büros und auch öffentlichen Gebäuden wie Schulen – einschließlich ihrer Methodik und Analytik – werden erläutert und diskutiert. Der Verwendungszweck eines Bauproduktes in Gebäuden zwingt dazu, bereits vor dessen Einbau mittels konkretisierten Produktanforderungen eine Beurteilung des Gesundheitsschutzniveaus für die späteren Raumnutzer zu gewährleisten. Daher sind alle am Bau beteiligten Personen wie Bauplaner, Architekten, Bauingenieure und Bauproduktehersteller gefordert. Zwar treten in den Bauproduktemissionen viele VOC in eher geringeren Konzentrationen auf, jedoch zeigen einige nachweisbare Einzelstoffe sowohl Reizeffekte oder andere toxische Wirkungen als auch erhebliche Geruchsintensitäten auf.
„Innenraumluftqualität und Bauprodukte“ geht aus diesem Grund zwei bedeutsamen Fragen nach: Wie lässt sich das Gefährdungspotenzial der emittierten VOC aus Bauprodukten bevorzugt bewerten und wie lassen sich die Anforderungen an den Aufenthaltsraum zum Gesundheitsschutzniveau in Bezug auf Bauproduktemissionen prüfen, beurteilen und letztlich gewährleisten?
Hierzu gibt das Buch aktuelle Informationen zum anerkannten Prüf- und Bewertungsverfahren vom Ausschuss zur gesundheitlichen Bewertung von Bauprodukten (AgBB). Über das breit etablierte AgBB-Schema zur gesundheitlichen Beurteilung von Emissionen flüchtiger organischer Verbindungen (VVOC, VOC, SVOC) aus innenraumrelevanten Bauprodukten wird im Detail nachvollziehbar berichtet. Im Fokus steht die Anwendung des AgBB-Schemas in der Praxis. In einem umfangreichen Kapitel wird auf die Durchführung von Materialemissionsmessungen sowie Bewertungen der Geruchsemissionen und die dafür notwendigen Voraussetzungen eingegangen. Abbildungen und Messberichte geben einen weitreichenden Einblick zum Verständnis einer Prüfkammeruntersuchung auf flüchtige organische Verbindungen (VVOC, VOC, SVOC). Zur Verdeutlichung werden beispielhaft Messdaten angeführt zu unterschiedlichen Bauprodukten, wie Bodenbelägen, Bodenbelagsklebstoffen, Holz und Holzwerkstoffen, Lacken und Farben,
Kunstharzfertigputzen und Dichtstoffen. Das Buch bietet tabellarische Übersichten über das Vorkommen und die Konzentration ermittelter VOC-Emissionen aus Bauprodukten verschiedener Produktgruppen und zeigt Möglichkeiten auf, wie in der Praxis bestimmte SVOC-Emissionen, etwa Flammschutzmittel und Biozide, sowie Sekundäremissionen aus Bauprodukten analysiert und quantifiziert werden können. Darüber hinaus gibt es einen Überblick über die geltenden baurechtlichen Anforderungen in Bezug auf Hygiene und Gesundheit. Öffentlich-rechtliche Mindestforderungen zur Sicherstellung des Gesundheitsschutzniveaus für in Innenräume von Gebäuden eingebrachte Bauprodukte werden mit den zugrunde zu legenden Bestimmungen der Musterbauordnung (MBO) und ihrer neuen Muster-Verwaltungsvorschrift Technische Baubestimmungen (MVV TB) beschrieben.
Eigens wird ein Einblick in rechtliche Regelungen – in Bezug auf die gesundheitsbezogenen Anforderungen an bauliche Anlagen, die über die „Anforderungen an bauliche Anlagen bezüglich des Gesundheitsschutzes (ABG)“ konkretisiert sind – gegeben. Es wird ersichtlich, dass die Anforderungen für Emissionen flüchtiger organischer Verbindungen (VVOC, VOC, SVOC) aus Bauprodukten mindestens denen des AgBB entsprechen. Die in Europa noch lückenhafte und unvollständige Harmonisierung der Normen zum Gesundheitsschutz wird dargelegt. Das Buch leistet so Hilfestellung, um trotzdem gemäß den MBO- bzw. MVV TB-Anforderungen gesundheitsbezogene Angaben zu Produktleistungen zu ermöglichen.
The particle size distribution is considered the most relevant information for nanoscale property identification and material characterization. The current OECD test guideline on particle size and size distribution (TG 110) is not applicable to ‘nano-sized’ objects. In this project we thus develop a new OECD test guideline for the measurement of the size and size distribution of particles and fibers with at least one dimension in the range of 1 - 1000 nm. A fiber is defined as an object having an aspect ratio of length/diameter l/d >3. The width and length of each fiber should be measured concurrently.
In order to measure the particle size distributions, many techniques are available. 9 methods for particles and 2 methods for fibres have been tested in a prevalidation study and appropriate methods will be compared in an interlaboratory round robin test starting in February 2019.
The particle size distribution is considered the most relevant information for nanoscale property identification and material characterization. The current OECD test guideline on particle size and size distribution (TG 110) is not applicable to ‘nano-sized’ objects. In this project we thus develop a new OECD test guideline for the measurement of the size and size distribution of particles and fibers with at least one dimension in the range of 1 - 1000 nm. A fiber is defined as an object having an aspect ratio of length/diameter l/d >3. The width and length of each fiber should be measured concurrently.
In order to measure the particle size distributions, many techniques are available. 9 methods for particles and 2 methods for fibres have been tested in a prevalidation study and appropriate methods will be compared in an interlaboratory round robin test starting in February 2019.