4 Material und Umwelt
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The OECD Working Party on Manufactured Nanomaterials (WPMN) has actively worked towards understanding possible safety issues for manufactured nanomaterials and has contributed significantly to resolving these by developing Test Guidelines, Guidance Documents, Test Reports and other publications with the aim of a safe use of manufactured nanomaterials. To address the specific needs of manufactured nanomaterials, the OECD Test Guideline No. 110 “Particle Size Distribution/Fibre Length and Diameter Distributions” was identified as one of the test guidelines (TGs) to require an update. The current TG 110 (adopted in 1981) is only valid for particles and fibres with sizes above 250 nm. The WPMN prioritised to either update TG 110 to be applicable also to particles at the nanoscale or draft a new nanomaterial specific (TG).
Eventually, it was decided to develop a new TG that covers the size range from 1 nm to 1000 nm, intended for particle size and particle size distribution measurements of nanomaterials. Paragraph 11 provides further justification on the need for such measurements for nanomaterials. This TG overlaps with TG 110 in the size range from 250 nm to 1000 nm. When measuring particulate or fibrous materials, the appropriate TG should be selected depending on the size range of particles tested. In line with TG 110, the new TG for nanomaterials includes separate parts for particles and fibres.
For the part of this TG which addresses particles, several methods applicable to nanomaterials were reviewed and included to take into account developments since 1981 when the TG 110 was adopted. This TG includes the following methods: Atomic Force Microscopy (AFM), Centrifugal Liquid Sedimentation (CLS)/Analytical Ultracentrifugation (AUC), Dynamic Light Scattering (DLS), Differential Mobility Analysis System (DMAS), (Nano)Particle Tracking Analysis (PTA/NTA), Small Angle X-Ray Scattering (SAXS), Scanning Electron Microscopy (SEM), and Transmission Electron Microscopy (TEM). The method Single Particle Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry (sp-ICP-MS) could not be sufficiently validated within the interlaboratory comparison (ILC) carried out for the different methods in this TG (see also paragraph 6 for further details on the ILC). Applicability of sp-ICP-MS is strongly limited to nanomaterials with high mass values in combination with a sufficiently high particle size. However, the general method ICP-MS is widely used and the sp-mode for the size measurement of specific nanomaterials was successfully performed in ILCs elsewhere. The method is therefore included in the Appendix Part C of this TG, which further details the limitations of sp-ICP-MS.
For measuring the diameter and length of fibres, analysing images captured with electron microscopy is currently the only method available. This TG includes Scanning Electron Microscopy (SEM) and Transmission Electron Microscopy (TEM).
To test the validity of this TG, an ILC was performed. Test materials were chosen to reflect a broad range of nanomaterial classes, e.g. metals, metal oxides, polymers and carbon materials. Where possible, well-characterised test materials were used.
Additionally, the test materials were chosen to reflect a broad range of sizes representing the size range 1 nm to 1000 nm. Specifically for fibres, a broad range of aspect ratios was included (length/diameter of 3 to > 50). Some of the test materials used are commercially available and further references are given in the validation report of the ILC. Sample preparation for physical chemical characterisation is critical for all listed methods. Due to the differences between individual nanomaterials and due to the wide range of individual material properties it is impossible to have a generic protocol to obtain the best possible sample preparation for every nanomaterial. Therefore, a generic protocol on sample preparation is not part of this TG. Information on sample preparation is given in the paragraphs 25-29, 33, 34 and 39 for particles and in paragraphs 159) for fibres. Further information on sample preparation of nanomaterials for physical chemical characterisation can be found in the OECD Guidance on Sample Preparation and Dosimetry for the Safety Testing of Manufactured Nanomaterials and elsewhere.
Die Zementindustrie und weitere energieintensive Industrien wie etwa die Stahlindustrie stehen vor dem Hintergrund der Transformation unserer Gesellschaft zur Klimaneutralität vor erheblichen Herausforderungen. Ziel dieser Branchen ist perspektivisch die vollständige Vermeidung klimaschädlicher Emissionen – mit besonderem Fokus auf Kohlendioxid. Neben der Umstellung auf regenerative Energieträger, sind im Speziellen für die Zementindustrie die erheblichen Anteile an CO2-Emissionen durch die Entsäuerung von Kalkstein zukünftig zu vermeiden. Da die hervorragenden Bindemitteleigenschaften des bisher hauptsächlich in Zementen eingesetzten Portlandklinkers jedoch auf Calciumverbindungen wie Tri- und Di-calciumsilikaten basieren, stellt die Substitution des Kalks derzeit für die Zementindustrie die größte Herausforderung dar. Neben vollständig neuen Bindemittelsystemen ohne Verwendung von Kalk und CCS/CCU-Technologien zur Vermeidung der CO2-Emissionen bei Verwendung von Kalk, können Abfälle und Nebenprodukte wie etwa Betonbrechsand, verschiedene Schlacken und weitere Massenreststoffe sinnvoll zur Einsparung von Rohstoffen und zur Vermeidung von CO2-Emissionen eingesetzt werden. Es gilt diese Potentiale von Sekundärrohstoffen branchenübergreifend zu identifizieren und Synergien zwischen den Branchen nutzbar zu machen. Hierbei werden neben der chemischen Zusammensetzung der Abfälle und Nebenprodukte auch die Verfügbarkeit und der Massenstrom relevante Kriterien sein. Die potenziellen Sekundärrohstoffe und deren Gemische mit chemisch ähnlicher Zusammensetzung wie die bisher verwendeten Bindemittel, können durch verschiedene technische Ansätze wieder in reaktive Bindemittel umgewandelt und damit nutzbar gemacht werden. Eine gezielte Umwandlung der nicht reaktiven mineralischen Phasen in neue mineralische Phasen mit guten Bindemitteleigenschaften, kann u. a. durch Schmelzprozesse erzielt werden. In Schmelzen können bei hohen Temperaturen die bestehenden, nicht reaktiven mineralischen Phasen zerstört und neue mineralische Phasen mit guten Bindemitteleigenschaften erzeugt werden. Hohe Freiheitsgrade durch gezielte Einstellung der stofflichen Zusammensetzung der Schmelze, durch Stoffseparationen und durch geregelte Abkühlregimes können eine maßgeschneiderte Erzeugung neuer Bindemitteltypen ermöglichen. Aufgrund der hohen erforderlichen Temperaturen von Schmelzprozessen ist die Umsetzung dieser neuen Verfahren nach Möglichkeit in bestehenden pyrometallurgischen Produktionsrouten wie etwa der Stahlproduktion vorzunehmen. So kann etwa der Einsatz von Betonbrechsand als Schlackebildner in der Stahlproduktion zielführend sein, wenn die Schlacke wieder zu einem Bindemittel prozessiert wird und in Zementen Verwendung findet. Eine stoffliche Kreislaufführung wäre hiermit gegeben, wobei der Einsatz von Kalkstein als Schlackebildner oder Rohstoff für die Zementproduktion, und damit die entsprechenden CO2-Emissionen, vermieden werden. Die Entwicklung neuartiger Bindemittelsysteme auf Basis von Sekundärrohstoffen sollte von erforderlichen Anpassungen und neuen Entwicklungen in der Regelsetzung und Normung begleitet werden. Vor allem muss gewährleistet sein, dass die mit neuen Bindemitteln hergestellten Betone den hohen Anforderungen an Dauerhaftigkeit und Umweltverträglichkeit genügen. Des Weiteren sollte mit den etablierten Methoden, wie etwa der Lebenszyklusanalyse, untersucht werden, inwiefern und in welchem Umfang die neuen technischen Entwicklungen zu Nachhaltigkeit und Klimaschutz beitragen.
For the European sewage sludge ash monitoring ash samples from sewage sludge incineration plants were requested from all over Europe. First results of the received samples regarding main and trace element contents were presented at ESPC4. Moreover, a list of all known European facilities for sewage sludge monoincineration was presented.
Analyseverfahren und Messhäufigkeit zur Bestimmung des Phosphorgehalts im Klärschlamm nach AbfKlärV
(2022)
Auf dem Betreiberforum der DWA-Plattform P-Rück wurden die Empfehlungen für den Vollzug der Phosphorrückgewinnungspflicht aus Klärschlamm vorgestellt. Diese Empfehlungen behandeln die Häufigkeit der Phosphoruntersuchungen im Klärschlamm, wo ein Jahresgang empfohlen wird und eine Empfehlung der Phosphorbestimmung über Aufschluss der Probe in der Mikrowelle und Messung mit ICP-OES. Untermauert wurden die Empfehlungen mit den Ergebnissen von Klärschlamm-Monitoring, Ringversuch und Analytikvergleich aus dem Vorhaben extraWERT.
Microbiologically Influenced Corrosion of Cast Iron Containers for High-Level Nuclear Waste Disposal
(2022)
Ductile and corrosion resistant cast iron is investigated as a potential container material to store high-level nuclear waste (HLW) in deep geological repositories (DGR) in claystone bedrock. The dynamic corrosion process is dependent on the conditions present in the DGR which are influenced and/or controlled by geochemical parameters (e.g., redox potential, pH, presence of and ionic concentration in (pore-)water), physical parameters (e.g., pressure), and the influence of metabolically active microorganisms. Cast iron corrosion will occur at the intersection of container and its decontaminable coating with the bentonite backfill material which contains natural microbial populations.
The conditions in a DGR are simulated in microcosm experiments to investigate the impact of microbiologically influenced corrosion (MIC); the microcosms contain: B27 bentonite, synthetic pore water, N2 or N2-CO2 atmosphere, cast iron coupons, as well as the bacterium Desulfosporosinus burensis (isolated from repository depth in Buré, France). Three coupon configurations will be used: untreated, coated with decontaminable coating, and coated with decontaminable coating which has been damaged to simulate possible damages. The microcosms will be examined for bio- and geochemical parameters, such as pH, redox potential, mineral phases, sulphate concentration, Fe(II):Fe(III), changes in microbial populations, and the corrosion process for formation of corrosion products, and potential microbial influence, after a 270-day incubation period at 25°C under anaerobic conditions. In subsequent experiments, the sorption behavior of lanthanides and actinides onto the membranes of viable cells and spores of D. burensis, as well as the surface of corroded cast iron coupons will be investigated.
Larvae and adults of Korynetes caeruleus (de Geer 1775) (Coleoptera: Cleridae) were collected from old churches and reared in the laboratory on Anobium punctatum (de Geer 1774) (Coleoptera, Ptinidea, formerly Anobiidae). Breeding success of K. caeruleus was low, but basic parameters of this species’ developmental cycle were identified. At 21 °C and 75 % relative humidity and a four-month cold period at 4 °C, the development of K. caeruleus from egg to adult appearance lasted 2 years. The pupal stage may be reached and completed after one and a half years. Feeding on larvae of A. punctatum by larvae of K. caeruleus was observed and consisted of a combination of sucking haemolymph and consuming body parts. The sickle-like mandibles of larvae of K. caeruleus penetrate the cuticle of prey larvae followed by pumping and sucking body movements. Adult beetles of A. punctatum were not attacked by K. caeruleus larvae. Feeding behavior of adult K. caeruleus was not investigated.
Rechtliche Vorgaben der Klärschlammverordnung und deren Auswirkungen auf die Phosphor-Rückgewinnung
(2022)
Im Abfalltechnik-Ausschuss der Bund/Länder-Arbeitsgemeinschaft Abfall (LAGA) wurde eine Vollzugshilfe zur Klärschlammverordnung erarbeitet, die nach Verabschiedung durch die Umweltministerkonferenz Mitte Mai 2020 als LAGA-Merkblatt M-39 veröffentlicht wurde. Im vorliegenden vierten Arbeitsbericht der DWA-Arbeitsgruppe KEK-1.1 werden verschiedene Aspekte der ab dem Jahr 2029 geltenden Regelungen aufgegriffen und damit einige Punkte des LAGA M-39 hinsichtlich der technischen Auswirkungen für den Kläranlagenbetreiber konkret ausgeführt.
The processing of laser-induced periodic surface structures (LIPSS) represents a simple and robust way for the nanostructuring of solids that allows creating a wide range of surface functionalities featuring applications in optics, tribology, medicine, energy technologies, etc. While the currently available laser and scanner technology already allows surface processing rates at the m2/min level, industrial applications of LIPSS are sometimes hampered by the complex interplay between the nanoscale surface topography and the specific surface chemistry. This typically manifests in difficulties to control the processing of LIPSS and in limitations to ensure the long-term stability of the created surface functions. This presentation aims to identify some unsolved scientific problems related to LIPSS, discusses the pending technological limitations, and sketches the current state of theoretical modelling. Hereby, it is intended to stimulate further research and developments in the field of LIPSS for overcoming these limitations and for supporting the transfer of the LIPSS technology into industry.
Using nanofiber-like cell appendages, secreted proteins and sugars, bacteria can establish initial surface contact followed by irreversible adhesion and the formation of multicellular biofilms. Here, the stabilizing extracellular biofilm matrix together with physiological changes on the single cell level leads to an increased resilience towards harsh environmental conditions, antimicrobials, the host immune response and established cleaning procedures. Persistent microbial adhesion on e.g., medical implants, in water supply networks or food-processing industry is often associated with chronic inflammation, nosocomial and foodborne infections, enhanced biofouling and product contamination. To prevent persistent microbial colonization, antibacterial surface strategies often target the initial steps of biofilm formation and impede adhesion of single cells before a mature biofilm is being formed. While chemical coatings have been widely used, their restricted biocompatibility for eukaryotic cells and attenuated antibacterial-effects due to compound release limit their areas of application and alternative strategies focus on modified surfaces topographies to impede bacterial adhesion. In this work, we used ns-UV laser treatment (wavelength 248 nm and a pulse duration of 20 ns) to generate laser-induced periodic surface structures (LIPSS) with different submicrometric periods ranging from ~210 to ~610 nm on commercial poly(ethylene terephthalate) (PET) foils. Following structurally and chemically analyses, PET samples were subjected to bacterial colonization studies with Escherichia coli TG1, a bacterial test strain with a strong biofilm formation capacity due to the formation of nanofiber-like cell-appendages (pili). Bacterial adhesion tests revealed that E. coli repellence decisively depends on the spatial periods of the LIPSS with the strongest reduction (~91%) in cell adhesion observed for LIPSS periods of 214 nm. Scanning electron microscopy and additional biofilm studies using a pili-deficient E. coli TG1 strain revealed the importance of extracellular appendages in the bacterial repellence observed here, thus, pointing out new antibiotics-free strategies for antibacterial surfaces by impeding nanofiber-mediated bacterial adhesion.
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.