5 Werkstofftechnik
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We investigated the effect of water vapor in the initial stages of SO2 corrosion of an Fe-9Cr-0.5Mn model alloy at 650 °C. Two separate experiments were run, one with 99.5%-Ar + 0.5%-SO2 and one with 69.5%-Ar + 0.5%-SO2 with 30%-H2O atmosphere. During the experiment the scale growth was observed in-situ, using energy dispersive X-ray diffraction (EDXRD). Our results confirm an increased speed of oxygen transport into the material, with the addition of water, while the transport of sulfur appears to be less affected.
In this work, the focus was set on the corrosion process of condensate as drops on the surface of carbon steels (X52, X70), martensitic steel UNS S41500, and superaustenite UNS 08031 in CO2 atmosphere with impurities at 278 K (to simulate the transportation condition in a buried pipeline). Exposure tests were performed at both normal pressure and high pressure where CO2 is supercritical or in dense phase. The drop, 1 ‑ 10 µL in volume, was prepared by dropping CO2 saturated ultra-pure water onto the surface of steel coupons in a one-liter-autoclave. The CO2 gas stream, simulating the oxyfuel flue gas with varying concentration of impurities (SO2 and O2), was then pumped into the autoclave to observe the condensation and corrosion impacts of impurities. Comparable exposure tests were carried out with the same gas mixture and the same volume of water as vapor to observe the drop formation and the corrosion process that follows. The wettability and stability of drops on the surface of steel coupons in CO2 supercritical/dense phase environment was evaluated additionally by contact angle measurement.
The reduction of harmful emissions to the environment is one of the most urgent challenges of our time. To achieve this goal, it is inevitable to shift from using fossil fuels to renewable energy sources. Within this transition, hydrogen can play a key role serving as fuel in transportation and as means for energy storage.
The storage and transport of hydrogen using austenitic stainless steels as the infrastructure, as well as the use of these grades in hydrogen containing aggressive environments, remains problematic. The degradation of the mechanical properties and the possibility of phase transformation by ingress and accumulation of hydrogen are the main drawbacks. Advanced studies of the behaviour of hydrogen in austenite is necessary to fully understand the occurring damage processes. This knowledge is crucial for the safe use of components in industry and transportation facilities of hydrogen.
A powerful tool for depicting the distribution of hydrogen in steels, with high accuracy and resolution, is time-of-flight secondary ion mass spectrometry (ToF-SIMS). We here present a comprehensive research on the hydrogen degradation processes in AISI 304L based on electrochemical charging and subsequent ToF-SIMS experiments. To obtain furthermore information about the structural composition and cracking behaviour, electron-backscattered diffraction (EBSD) and scanning electron microscopy (SEM) were performed afterwards. All the gathered data was treated employing data fusion, thus creating a thorough portrait of hydrogen diffusion and its damaging effects in AISI 304L.
Specimens were charged with deuterium instead of hydrogen. This necessity stems from the difficulty to separate between artificially charged hydrogen and traces existing in the material or adsorbed from the rest gas in the analysis chamber. Similar diffusion and permeation behaviour, as well as solubility, allow nonetheless to draw onclusions from the experiments.
During the energy transformation from fossil fuels to renewable energy sources, the use of hydrogen as fuel and energy storage can play a key role. This presents new challenges to industry and the scientific community alike. The storage and transport of hydrogen, which is nowadays mainly realized by austenitic stainless steels, remains problematic, which is due to the degradation of mechanical properties and the possibility of phase transformation by hydrogen diffusion and accumulation. The development of materials and technologies requires a fundamental understanding of these degradation processes. Therefore, studying the behavior of hydrogen in austenitic steel contributes to an understanding of the damage processes, which is crucial for both life assessment and safe use of components in industry and transportation. As one of the few tools that is capable of depicting the distribution of hydrogen in steels, time-of-flight secondary ion mass spectrometry was conducted after electrochemical charging. To obtain further information about the structural composition and cracking behavior, electron-backscattered diffraction and scanning electron microscopy were performed. Gathered data of chemical composition and topography were treated employing data fusion, thus creating a comprehensive portrait of hydrogen-induced effects in the austenite grade AISI 304L. Specimens were electrochemically charged with deuterium instead of hydrogen. This arises from the difficulties to distinguish between artificially charged hydrogen and traces existing in the material or the rest gas in the analysis chamber. Similar diffusion and permeation behavior, as well as solubility, allow nonetheless to draw conclusions from the experiments.
The presence of large quantities of plastic waste and its fragmentation in various environmental compartments are an important subject of current research. In the environment, (photo ) oxidation processes and mechanical abrasion lead to the formation of microplastics. However, until now, there are no established quality assurance concepts for the analysis of microplastic (<5 mm) in environmental compartments, including sampling, processing and analysis.
The aim of the present work is the development of suitable examination methods and protocols (sampling, sample preparation and detection) to qualify and quantify microplastic in urbane water management systems. At first a fractional filtration system for sampling and the analytical tool, the so-called TED-GC-MS (thermal desorption gas chromatography mass spectrometry) were developed. The TED-GC-MS method is a two-step analytical procedure which consists of a thermal extraction where the sample is annealed and characteristic decomposition products of the polymers are collected on a solid phase. Afterwards these products are analysed using GC-MS. The developed fractional filtration for sampling and the TED-GC-MS for detection were used for quantitative analysis to screen the waste water influent and effluent of a Berlin waste water treatment plant for the most relevant polymers, polyethylene (PE), polypropylene (PP), polystyrene (PS), polyethylene terephthalate (PET) and polyamide (PA).
The results of the study revealed that the polymeres PE, PS and PP were detected in the effluent, and PE and PS were find in the raw waste water of the sewage treatment plant in Ruhleben, Berlin. Differences in polymer types and amounts were detected at different sampling dates and within different sieve fractions. Much higher amounts of polymers were observed in the raw waste water. The peak areas of the decomposition products, used for quantification of the polymers, were adjusted using so-called response factors since the TED-GC-MS method is more sensitive for PP and PS than for PE. It has been shown that PE is the most dominant polymer in the samples. Comparing the masses of polymers in the effluent and in the raw sewage, a removal of 99 % of the polymers in the water treatment plant can be assumed. These results are consistent with the literature where removal rates between 98-99 % were described.
In den Umweltmedien Wasser, Boden und Luft wird Mikroplastik (MP) gefunden. Mögliche Eintragspfade, besonders Einträge über den Klarlauf kommunaler Klärwerke, sind unklar. Dazu wurde das Klärwerk Ruhleben in Berlin an jeweils vier Tagen im Sommer- und Winterbetrieb beprobt. Es wurde jeweils 1 m3 Klarlauf fraktioniert filtriert (500, 100 und 50 µm Siebe). Weiterhin wurde Rohabwasser exemplarisch untersucht. Als Analyse-methoden wurden die TED-GC-MS und die FTIR Mikroskopie verwendet.
Bei der TED-GC-MS wird die Probe zunächst thermisch extrahiert, bevor die charakteristischen Zersetzungsgase mittels einer GC-Säule getrennt und im MS detektiert werden [1,2]. Es ist hier erstmals gelungen, nicht nur das MP zu identi-fizieren, sondern auch eine Massenbilanz zu erstellen und so eine quantitative Auswertung vorzunehmen. Es wurde PE, PS ganzjährig und PP im Sommer gefunden. Das Klärwerk Ruhleben hat einen Rückhalt an MP von 99%.
Hydrogen is an attractive energy carrier that requires high effort for safe storage. For ensuring safety, storage cylinders must undergo a challenging approval process. Relevant standards and regulations for composite cylinders used for the transport of hydrogen and for its onboard storage are currently based on deterministic (e.g. ISO 11119-3) or to some respect semi-probabilistic criteria (UN GTR No. 13; with respect to burst strength).
This paper provides a systematic analysis of the load cycle properties resulting from these regulations and standards. Their characteristics are compared with the probabilistic approach of the Federal Institute for Materials Research and Testing BAM. The most important aspect of comparing different concepts is the rate for accepting designs with potentially unsafe or critical safety properties. This acceptance rate is analysed by operating Monte-Carlo simulations over the available range of production properties.
Für die Erfassung der Verbreitung von Mikroplastik (MP) in der Umwelt ist die zeit- und kostenaufwendige Analysestrategie und der damit verbundene geringe Probendurchsatz eine limitierende Größe. Eine große Zahl verschiedener Studien dokumentriet das Auftreten von MP über den gesamten Globus. Meist sind die Studien aufgrund des großen analytischen Aufwands auf exemplarische, stichpunktartige Untersuchungen kleiner Umweltaliquoten und zahlenmäßig kleiner Probenumfänge begrenzt. Um die Verbreitung, die Eintragspfade und den Verbleib von MP in der Umwelt besser zu verstehen und effektive Vermeidungsstrategien abzuleiten, ist es jedoch notwendig, analytisch mehr Proben erfassen zu können.
Bildgebende mikro-spektroskopische Methoden wie das Raman- und FTIR-Imaging ermöglichen eine zeitaufwendige, umfassende Charakterisierung kleiner Umweltaliquoten. Neben der Partikelanzahl sind zusätzlich Informationen zu Partikelgröße, Größenverteilung und Oberflächenmorphologie zugänglich. Chemische und thermische Extraktionsverfahren sind bereits deutlich schneller und können diese Informationen durch eine Massenbilanz vervollständigen. Die analysierbare Probenmenge ist jedoch auf Milligramm Mengen beschränkt.
Wir schlagen daher vor, die Analyse von Proben auf MP durch ein vorangestelltes Screening mit der Nahinfrarot-Spektroskopie (NIRS) zur komplementieren. In diesem wird bereits eine erste Einschätzung über die Präsenz von MP in einer Probe gefällt und dadurch die wertvolle Messzeit anderer Methoden effizienter genutzt.
NIR zur Analyse von Polymeren wird seit langem eingesetzt, jedoch bisher lediglich im Rahmen einer Studie zur Mikroplastikuntersuchung mittels Hyperspektraler Bildgebung beschrieben. Der NIR Spektralbereich findet sich zwischen dem sichtbaren Licht und dem mittleren Infrarot (MIR). MIR Spektren sind durch klar definierte Banden charakterisiert, welche mehrheitlich von den Grundschwingungen der Moleküle stammen. Die höheren Energien im nahen Infrarot regen hingegen Kombinations- und Oberschwingungen der Streck und Biegeschwingungen an. Die resultierenden Absorptionsbanden sind oft breit und relativ unspezifisch. Erst mit Hilfe einer computergestützten Datenauswertung lassen sich aus diesen Spektren nützliche Informationen gewinnen. Dies erklärt die steigende Popularität der NIR-Spektroskopie in der jüngeren Vergangenheit mit einem Schwerpunkt als prozessanalytische Methode. NIR Spektrometer für das industrielle Prozessmonitoring zeichnen sich durch eine kompakte und robuste Konstruktionsweise aus. Die verfügbaren faseroptischen Reflexionssonden eignen sich gut um pulverförmige Proben zu untersuchen. Der räumlich erfassbare Messbereich kann durch die Sondengeometrie variiert werden. Sind die untersuchten Partikel im Verhältnis zur abgetasteten Fläche klein, wird als spektrale Information die Summe der Absorption aller Partikel im Sichtfeld erfasst. Die Methode ist deshalb nicht für Detailuntersuchungen von MP geeignet, erlaubt es jedoch innerhalb weniger Minuten eine Einschätzung über das Vorkommen von Mikroplastik in einer Probe zu treffen.
Exemplarisch wurden für diese Untersuchungen vier der am weitesten verbreiteten Kunststoffe Polyethylen (PE), Polyethylenterephthalat (PET), Polypropylen (PP) und Polystyrol (PS) gewählt. Aus den additivfreien Polymeren wurden nach einer Kryo-vermahlung und anschließender Siebung (< 125 µm) Modellproben generiert. Die Polymere wurden dafür zu einem Massenanteil von 1 % mit einem Standardboden (LUFA2.3, gesiebt < 125 µm) vermischt. Die Gesamtmenge von 1 g je Probe wurde in Aluminiumbehältern präpariert und 8 Messungen an unterschiedlichen, zufällig gewählten Positionen vorgenommen. Die erhaltenen Spektren wurden zur Kalibrierung chemometrischer Modelle genutzt.
In einem hierarchischen Ansatz wurde anhand der NIR-Spektren eine Klassifizierung vorgenommen:
1. Bestimmung ob eine Probe MP enthält (Ja/Nein).
2. Identifikation der Polymere in der Probe.
Eine aussagekräftige Klassifizierung beruht auf einer Vorbehandlung der Spektren. Hierdurch werden die Unterschiede zwischen den einzelnen Polymerbanden hervorgehoben. Die Eignung der so erstellten Modelle wurde anhand eines Referenzmaterials und am Beispiel von Realproben erfolgreich getestet. Dabei zeigte sich, dass nicht nur in den erstellten Polymer-Bodenmischungen, sondern auch in den Rückständen von fermentiertem Bioabfall und in Filterrückständen einer Waschmaschine, MP richtig erkannt wurde. Weiterhin zeigten Tests mit Mikroplastik-freien Bodenproben unterschiedlicher Herkunft, dass keine falsch-positive Resultate erzeugt wurden. Alle vier untersuchten Polymere, d.h. PE, PET, PS und PP mit einem Massenanteil von 1 % in einer Bodenmatrix werden auch bei einer gemischten Polymerzusammensetzung mit der NIR-Spektroskopie erkannt.
Der kombinierte Einsatz von NIRS und Chemometrie ermöglicht die Entscheidung über ein potenzielles Vorkommen sowie die Zuordnung des Materials der enthaltenen Polymerpartikel für eine Massefraktion ≥ 1 % in einer (trockenen) Probenmenge von 1 g innerhalb von 10–15 min. Der zeitaufwendige Schritt der Methode liegt hier in der Erstellung geeigneter chemometrischer Modelle sowie deren Validierung. Wesentliche Voraussetzung ist dabei, dass bei der Kalibrierung die Varianz der zu erwartenden Partikel und der Matrix realistisch abgebildet wird.
The increasing pollution of terrestrial and aquatic ecosystems with plastic debris leads to the accumulation of microscopic plastic particles of still unknown amount. To monitor the degree of contamination analytical methods are urgently needed, which help to quantify microplastics (MP). Currently, time-costly purified materials enriched on filters are investigated both by micro-infrared spectroscopy and/or micro-Raman. Although yielding precise results, these techniques are time consuming, and are restricted to the analysis of a small part of the sample in the order of few micrograms. To overcome these problems, here we tested a macroscopic dimensioned NIR process-spectroscopic method in combination with chemometrics. For calibration, artificial MP/soil mixtures containing defined ratios of polyethylene, polyethylene terephthalate, polypropylene, and polystyrene with diameters < 125 µm were prepared and measured by a process FT-NIR spectrometer equipped with a fiber optic reflection probe. The resulting spectra were processed by chemometric models including support vector machine regression (SVR), and partial least squares discriminant analysis (PLS-DA). Validation of models by MP mixtures, MP-free soils and real-world samples, e.g. and fermenter residue, suggest a reliable detection and a possible classification of MP at levels above 0.5 to 1.0 mass% depending on the polymer. The benefit of the combined NIRS chemometric approach lies in the rapid assessment whether soil contains MP, without any chemical pre-treatment. The method can be used with larger sample volumes and even allows for an online prediction and thus meets the demand of a high-throughput method.
Wood treated with nano metal fluorides is found to resist fungal decay. Sol−gel synthesis was used to synthesize MgF2 and CaF2 nanoparticles. Electron microscopy images confirmed the localization of MgF2 and CaF2 nanoparticles in wood. Efficacy of nano metal fluoride-treated wood was tested against brown-rot fungi Coniophora puteana and Rhodonia placenta. Untreated wood specimens had higher
mass losses (∼30%) compared to treated specimens, which had average mass loss of 2% against C. puteana and 14% against R. placenta, respectively. Nano metal fluorides provide a viable alternative to current wood preservatives.