4 Material und Umwelt
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Organisationseinheit der BAM
- 4 Material und Umwelt (61)
- 4.1 Biologische Materialschädigung und Referenzorganismen (16)
- 4.2 Material-Mikrobiom Wechselwirkungen (16)
- 4.4 Thermochemische Reststoffbehandlung und Wertstoffrückgewinnung (15)
- 4.3 Schadstofftransfer und Umwelttechnologien (14)
- 6 Materialchemie (6)
- 1 Analytische Chemie; Referenzmaterialien (5)
- 7 Bauwerkssicherheit (4)
- 1.1 Anorganische Spurenanalytik (3)
- 5 Werkstofftechnik (3)
Eingeladener Vortrag
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Steelmaking slags are a by-product of steel production, that are currently used primarily in road construction, earthwork, and hydraulic engineering. In this use, the iron bound in the steelmaking slags (< 30 wt.%) is lost.
Recovery of iron from steelmaking slags is possible by thermochemical reductive treatment. The reductive treatment of liquid steelmaking slags causes iron oxides to be reduced to metallic iron, which separates from the mineral phase due to its higher density. The chemical composition of the mineral phase is thus adapted to that of the Portland cement clinker and the mineral alite, the most important component of Portland cement, is formed. This way, crude iron can be recovered, and at the same time a hydraulic binder can be produced.
This process, however, is uneconomical due to the high temperatures required (~1800 °C). In the current project, the process is to be adapted so that the reduction of liquid steelmaking slag can be carried out at ~1600 °C. The chemical composition is to be modified in such a way that the melting temperature of the slags as well as their viscosity are in a technically suitable range and still a product with good cementitious properties is obtained.
In 1981 the OECD published the Test Guideline on Particle size and size distribution. This TG is still a valid document for the measurement of particles all over the world.
When nanomaterials gained importance, ISO set up a technical commitee for Nanotechnologies in 2005 and the OECD followed this step in 2006 with the Working Party on Manufactured Nanomaterials.
In the following years ISO and OECD published several documents about nanomaterials and the systematisation developed.
In 2017 it was finally clear that nanomaterials need to be adressed in another way than chemicals and in 2020 ECHA revised the REACH-Annexes accordingly and included nanomaterials.
Unfortunately there is a little problem with this: Only a few applicable test guidelines exit for the measurement of the nanomaterials. Several test guidelines date from 1981 and do not address nanomaterials.
The logical next step for the OECD would be to publish a series of test guidelines which are indeed currently prepared and will be shown in this talk.
Finally there is an additional need for the future of NM standardisation: Digitalisation.
Thermochemische Behandlung von Klärschlammaschen - Phosphorrückgewinnung mit dem AshDec Prozess
(2021)
Klärschlammaschen können eine hohe Phosphatkonzentration aufweisen und stellen damit einen geeigneten Sekundärrohstoff für die Produktion von Phosphatdüngemitteln dar. Bisher wird dieses Potential der Klärschlammaschen für die Phosphor-Rückgewinnung jedoch kaum genutzt, da die in den Aschen enthaltenen Phosphate für Pflanzen kaum verfügbar und die Aschen teilweise mit toxischen Schwermetallen belastet sind.
Im AshDec®-Verfahren wird die Klärschlammaschen im Drehrohrofen im Temperaturbereich 800-1000°C unter Zugabe von Alkali-Additiven (bsp. Na2CO3) thermochemisch behandelt, um ein wirksames und schadstoffarmes Phosphatdüngemittel herzustellen. Aktuell bereitet die Firma Emter GmbH den Bau der ersten großtechnischen AshDec®-Anlage mit einer Kapazität von 30.000 Jahrestonnen Klärschlammasche am Standort ihrer Klärschlammverbrennungsanlage (Altenstadt / Oberbayern) vor. Die erste Ausbaustufe dieser Anlage wird durch das BMBF-Projekt R-Rhenania im Rahmen der Förderinitiative RePhoR begleitet.
Agricultural sewage sludge utilization becomes less important in Germany. In 2017, new fertilizer and waste laws caused the agricultural sewage sludge utilization to collapse by more than a quarter. From 2029, in German wastewater treatment plants (WWTPs) phosphorus (P) must be recovered from sewage sludge ifit contains more than 2 wt % P. Agricultural utilization will be prohibited for large WWTPs > 100,000 population equivalents (pe) from 2029 and > 50,000 pe from 2032. In Germany, each federal state must annually report amounts and quality of agriculturally utilized sewage sludge which was 17 % of the total disposal in 2019. The reports of 10 States were evaluated for 2016 and 2017 representing approx. 60 % ofthe total agriculturallyused sludge volume. Whereas phosphorus recovery is mandatory this does not apply to other nutrients. However, many P recovery processes recover other nutrients, too. Considering three differentscenariosfor future German sewage sludge disposal shows that 70 - 77 % ofthe P load in sewage sludge will probably be recovered in the future. At the same time, this applies for about 0 - 16 % of nitrogen, 36 - 52 % of calcium, 31-53 % of potassium, and 40 - 52 % of magnesium. However, these recovered nut rient loads can substitute only 1 % or less ofthe commercial fertilizer demand except from phosphorus which is about 45 % ofthe demand.
Die Ergebnisse des extraWERT-Vorhabens wurden Vertreter*innen des Umweltministeriums von Bund und Ländern vorgestellt und im Zusammenhang mit dem Vollzug der AbfKlärV diskutiert. Es ging um die Phosphorschwankungen in kommunalem Klärschlamm und eine Empfehlung der Untersuchungshäufigkeit, um den Phosphorgehalt rechtssicher festzustellen. Des weiteren wurde die Performance verschiedener nach Verordnung gleichwertiger Analyseverfahren für Phosphor in Klärschlamm diskutiert anhand von Ringversuchsergebnissen und Eigenuntersuchungen an 15 Klärschlammproben.
Gleichwertigkeit der nach AbfKlärV zulässigen Verfahren zur Phosphorbestimmung in Klärschlamm
(2021)
In dem Meeting wurde den Notifizierern und Ausrichtern des jährlichen länderübergreifenden Ringversuchs Klärschlamm die Ergebnisse zu Untersuchungen hinsichtlich der Gleichwertigkeit verschiedener nach AbfKlärV zulässiger Verfahren zur Phosphorbestimmung in Klärschlamm vorgestellt. Die Untersuchungen an 15 Klärschlammproben ergaben die höchsten Ergebnisse für das Messverfahren ICP-OES und das Aufschlussverfahren in der Mikrowelle. Diese Ergebnisse wurden im Ringversuch bestätigt.
Der Fachbereich 7.6 untersucht seit einiger Zeit an Auslagerungsständen auf dem Testgelände in Horstwalde Korrosion im maritimen Bereich. Im Moment läuft das System mit künstlichem Meerwasser und simuliert die Bewitterung von Metallproben unter angenäherten klimatischen Bedingungen ähnlich zum natürlichem Habitat. Im Laufe der Zeit konnte nicht intendierter mikrobieller bewuchs beobachtet werden. Es stellte sich die Frage, welche Mikroorganismen vorlagen und ob diese einen Einfluss auf die Korrosionsuntersuchungen haben könnte. Aus diesem Grund wurden 16S-rRNA Untersuchungen durchgeführt welche alle drei Domänen des Lebens widerspiegeln Bakterien, Archaea und Eukaryoten. Es konnte gezeigt werden, dass über 95% der vorliegenden Biomasse Grünalgen waren, die durch Licht Eintrag in den Container Photosynthese betrieben und dadurch an Biomasse zunahmen. Des weiteren konnten Bakterien detektiert werden, welche in der Regel halophilen und aeroben Habitaten zu finden sind. Allerdings wurden auch Sulfat reduzierende Bakterien (MIC) detektiert, wenn auch in einem geringen prozentualen Anteil. Es muss allerdings Berücksichtigt werden, dass die mikrobielle Zusammensetzung sich im Laufe der Zeit weiter ändern kann. Als Ursprung der Biomasse wird, das künstliche Sediment vermutet. Außerdem wäre es für zukünftige Experiment denkbar, das System mit echtem Sediment aus dem marinen Habitat anzuimpfen.
Corrosion is a very expensive and serious problem in the different industry sectors, eg. Petroleum-, On- and off-shore, infrastructure. It is estimated that 20% of all corrosion damage is caused by microorganisms or microbiologically influenced corrosion (MIC). Several microorganisms are known to cause corrosion, including sulfate-reducing bacteria, nitrate-reducing bacteria, methanogens etc. For several years, methanogens were regarded as a mild corroder (~0.065 mm/yr), largely due to a lack of detailed investigation on the corrosion mechanism under real-environment simulated conditions. Resulting in the common belief that siderite, a non-conductive compound, is the sole corrosion product (CP) of methanogen-induced MIC (Mi-MIC).
To simulate natural environmental conditions, we developed and introduced the multiport flow column system (MFC), a multi-sectional corrosion flow-cell. Using the MFC, we obtained ten times higher corrosion rates than previously reported. With a combination of several analytical techniques, such as ToF-SIMS, SEM-EDS and FIB-SEM, we found strong indication that siderite is not the sole corrosion product of Mi-MIC. The corrosion layers contained phosphorus, oxygen, magnesium, calcium and iron. The differences in the CP between static and dynamic environments demonstrated the impact of testing procedures on the corrosive potential of methanogens. To further verify and deepen our understanding of Mi-MIC, we are currently studying the influence of additional environmental parameters (e.g. pH, salinity, flow rate) on Mi-MIC.
Overall, results of this study will expand the current understanding of MIC from both analytical and mechanistic points of view, thus aiding the development of different mitigation strategies for various industry sectors.
The role of methanogens in microbiologically influenced corrosion (Mi-MIC) is often neglected, due to 1) low reported corrosion rates and 2) the suspected corrosion product siderite, which is electrically non-conductive. Typically, MIC corrosion studies are carried out using batch cultures, which did not represent the dynamic conditions, i.e. pipeline and provide insufficient information on the overall corrosion potential.
We established a unique approach, a multiport flow column (MFC), to simulate pipeline conditions and obtained 10-times higher corrosion rates than previously published. Our result showed that testing procedures have a large impact on the corrosive potential of methanogens. We found strong indications with a combination of ToF-SIMS, SEM-EDS and FIB-SEM analyses that siderite is not the sole corrosion product. The corrosion layers contain phosphorus, oxygen, magnesium, calcium and iron. To verify and deepen our understanding of Mi-MIC, we are currently studying the influence of other environmental parameters (e.g. pH) on Mi-MIC.
Microbiologically influenced corrosion (MIC) is a now well-known challenge and affects industry, society and infrastructure. For a long time, the impact of methanogen-induced MIC (Mi-MIC) was underestimated. This was mainly due to the rather low published corrosion rates and the presumed corrosion product siderite, which is not electrically conductive. In our laboratory, we were able to show that this trivialization or underestimation of Mi-MIC was due to the nature of the testing. The static systems used so far do not provide environmentally relevant information about the corrosion rate and the corrosion product, especially for methanogens
To further illustrate the importance of the environment on the MIC process, we established a multiport flow column (MFC), to simulate the natural environment. With this method, and in contrast to published results using the static conditions, we obtained ten times higher corrosion rates. We analyzed the corrosion products with a combination of techniques, like ToF-SIMS, SEM-EDS and FIB-SEM, and found strong evidence that siderite is not the sole corrosion product of Mi-MIC. The corrosion layers contain phosphorus, oxygen, magnesium, calcium and iron and lacked on carbon-related species. It is hypothesized that methanogens may have influenced the nucleation process of siderite, converting bicarbonate into carbon dioxide for methanogenesis. This results in increased localized corrosion and reduced siderite formation. To verify and deepen our understanding of Mi-MIC, we are currently studying the influence of additional environmental parameters (e.g. pH, salinity, flow rate etc.) on Mi-MIC and the subsequent impacts on corrosion rates and the corrosion products.
Overall, results of this study will expand the current understanding of MIC from both analytical and mechanistic points of view, thus aiding the development of different mitigation strategies for various industry sectors.
Vorstellung der Ergebnisse bei der Entwicklung einer neuen OECD Prüfrichtlinie zur Bestimmung der Partikelgröße und Anzahlgrößenverteilung von Nanomaterialien.
Ergebnisse:
Ideal sphärische Partikel sind gut und verlässlich mit vielen Methoden charakterisierbar.
Reale (Nicht ideale) Materialien sind gut charakterisierbar, wenn eine gewisse Homogenität und Stabilität vorliegt.
Stark inhomogene und stark agglomerierende Partikel liefern deutlich unterschiedliche Ergebnisse für verschiedene Methoden.
Partikel mit geringen Größenunterschieden lassen sich mit allen Methoden gut charakterisieren.
Partikel mit sehr deutlichen Größenunterschieden führen häufig zu einer Unterbewertung der kleineren Partikel.
Vollautomatische Partikeldetektion bei elektronenmikroskopischen Aufnahmen ist z.Zt. noch stark fehleranfällig und kann daher nicht empfohlen werden.
Es hat sich gezeigt, dass alle Methoden zur Bestimmung der Partikelgrößenverteilung Vor- und Nachteile haben. Es ist dringend zu empfehlen Größenverteilungen immer mit mindestens zwei unterschiedlichen Methoden zu bestimmen: Bildgebend und mit gute Anzahlstatistik.
Verschiedene Durchmesser wurden in der TG-PSD mit einem Indexsystem versehen, welches zukünftig Verwechslungen zwischen unterschiedlichen Durchmessern vermeiden soll.
Wird ein bestimmter Durchmesser benötigt (z.B. hydrodynamisch, aerodynamisch), muss die Methode passend gewählt werden. Eine Umrechnung von einem Durchmesser in einen anderen ist in der Regel fehlerbehaftet.
Es wurde ein einheitliches Reporting-System in der TG-PSD eingeführt.
Vorstellung der Ergebnisse bei der Entwicklung einer neuen OECD Prüfrichtlinie zur Bestimmung der Partikelgröße und Anzahlgrößenverteilung von Nanomaterialien. (Projektteil Fasern.)
Ergebnisse:
Abweichungen zwischen SEM and TEM insbesondere bei langen Fasern
Die Anwendung von TEM auf kurze Fasern < 5 µm beschränkt
Für SEM wurde keine signifikante Abhängigkeit der Bestimmung der Faserdurchmesser von der Pixelgröße der Aufnahmen festgestellt
Für TEM wurde eine Abhängigkeit der Bestimmung der Faserdurchmesser von der Pixelgröße festgestellt
Der Einfluss der Bildauswertenden auf die Varianz der Ergebnisse ist klein im Vergleich zu der gesamten Varianz.
Nanofasern können mit TEM und SEM bestimmt werden!
OECD Prüfrichtlinie zur Bestimmung der Partikelgröße und Anzahlgrößenverteilung von Nanomaterialien
(2021)
Abschlusspräsentation des Projektes "OECD Prüfrichtlinie zur Bestimmung der Partikelgröße und Anzahlgrößenverteilung von Nanomaterialien" - Projektteil Nanopartikel.
Es hat sich gezeigt, dass alle Methoden zur Bestimmung der Partikelgrößenverteilung Vor- und Nachteile haben. Es wird dringend empfohlen Größenverteilungen immer mit mindestens zwei unterschiedlichen Methoden zu bestimmen: Bildgebend und mit gute Anzahlstatistik.
Verschiedene Durchmesser wurden in der TG-PSD mit einem Indexsystem versehen, welches zukünftig Verwechslungen zwischen unterschiedlichen Durchmessern vermeiden soll.
Wird ein bestimmter Durchmesser benötigt (z.B. hydrodynamisch, aerodynamisch), muss die Methode passend gewählt werden. Eine Umrechnung von einem Durchmesser in einen anderen ist in der Regel fehlerbehaftet.
Es wurde ein einheitliches Reporting-System in der TG-PSD eingeführt.
Tour de table - BAM
(2021)
A wide range of analytical methods are used to estimate the plant-availability of soil phosphorus (P). Previous investigations showed that analytical methods based on the Diffusive Gradients in Thin films (DGT) technique provide a very good correlations to the amount of bioavailable nutrients and pollutants in environmental samples (Davison 2016, Vogel et al. 2017). However, the DGT results do not identify which P compound of the soil has the high bioavailability. But there are various spectroscopic techniques (infrared, Raman, P K-edge and L-edge XANES and P NMR spectroscopy) available to characterize P species in soils. Therefore, spectroscopic investigation of DGT binding layers after deployment allow us to determine the specific compounds. Nutrients such as phosphorus and nitrogen are often, together with other elements, present as molecules in the environment. These ions are detectable and distinguishable by infrared, P K- and L-edge X-ray absorption near-edge structure (XANES) and NMR spectroscopy, respectively. Additionally, microspectroscopic techniques make it also possible to analyze P compounds on the DGT binding layer with a lateral resolution down to 1 μm2. Therefore, species of elements and compounds of e.g. a spatial soil segment (e.g. rhizosphere) can be mapped and analyzed, providing valuable insight to understand the dynamics of nutrients in the environment.
Antimicrobial surfaces have broad use in multiple settings including touch surfaces in hospitals, implanted devices, or consumer products. Their aim is to support existing hygiene procedures, and to help combat the increasing threat of antimicrobial resistance. However, concerns have been raised over the potential selection pressure exerted by such surfaces, which might drive the evolution and spread of antimicrobial resistance. In my presentation, I will highlight the risks and knowledge gaps associated with resistance on antimicrobial surfaces by different processes including evolution by de novo mutations and horizontal gene transfer, and species sorting of inherently resistant bacteria dispersed onto antimicrobial surfaces. The latter process has the potential to select for antibiotic resistance via cross-resistance between traits that confer resistance to both the antimicrobial surface coating and antibiotics. Conditions in which antibiotics and antimicrobial coatings are present simultaneously (e.g. implants) will lead to more complex interactions that can either result in the selection for or against antibiotic resistance. We mapped these interactions between several antimicrobials and antibiotics on growth and selection of Pseudomonas aeruginosa. We find prevalent physiological (i.e. synergy and antagonism) and evolutionary (i.e. cross-resistance and collateral sensitivity) combination effects. Understanding these interactions opens the door to tailor therapeutic interventions to select against resistance. In additions, we need new methods and translational studies that investigate resistance development to antimicrobial surfaces under realistic conditions. Therefore, I will present recent developments in our lab on the development of such a method based on existing efficacy standards.
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.
Gypsum is widely used in the construction sector, and its worldwide consumption has been increasing now for several decades. Currently, the gypsum demand is met up to 60% by FGD gypsum (a by-product from coal-fired power plants) in Germany. The natural gypsum deposits cover the remaining gypsum demand. Due to national climate protection goals and the related shutdown of coal-fired power plants, the FGD gypsum supply will decrease significantly in the coming years and, therefore, other gypsum sources must be found.
Depending on the lifetime of the used gypsum products in the construction sector, an increase of gypsum in construction and demolition waste is to be expected. With regard to an upcoming shortage of gypsum, several approaches are being tested to recover gypsum from construction and demolition waste. Gypsum plasterboard recycling is already implemented on an industrial scale. Furthermore, new processes to recycle different types of gypsum products from construction and demolition waste are being examined. Of particular interest are different types of gypsum boards because they are well suited for selective dismantling. Therefore, they can be recovered comparatively free of impurities which is most important for the gypsum recycling.
In the research project “GipsRec 2.0”, funded by the Federal Ministry of Education and Research, recycling methods for gypsum fiberboards are being investigated. Additionally, the suitability of different types of synthetic gypsum as substitutes for FGD gypsum is being considered. Currently, the quantities of recycled gypsum are not sufficient with regard to the reduction of FGD gypsum. An increase of gypsum recycling should be achieved to narrow the future gypsum gap that will occur in the near future.