5 Werkstofftechnik
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For years there have been more and more reports on the presence of drugs in the aquatic environment. Due to the demographic change, the consumption of pharmaceuticals has risen sharply. After taking the drugs, they are partly metabolized in the human body. However, the metabolism is not complete so that both the metabolites and non-metabolized amounts of the parent compounds are excreted. These compounds reach the waste water and afterwards the sewage treatment plants. In sewage treatment plants transformation products can be formed by the oxidative conditions during wastewater treatment processes. The transformation products may have a higher toxicity than the actual environmental pollutants and are often only partly removed during the waste water treatment. Since a lot of these compounds are still unknown, the transformation products are not detected by target analysis used in sewage treatment plants and are often released undetected in the aquatic ecosystems. The released substances may be subject to additional transformation processes in the environment. Pharmaceuticals produced in high amounts can be already detected in the μg/L range in water bodies worldwide.
Metformin and its major transformation product guanylurea are one of the main representatives. Metformin is the drug of choice for treating type 2 diabetes. The drug therapy for diabetes mellitus has increased significantly in recent years. In the year 2015 1500 tons of metformin were prescribed in Germany (for statutory insured persons). Metformin is not metabolized in the human body and is excreted unchanged therefore concentrations between 57 μg/L and 129 μg/L are found in German waste water treatment plants influents.
In this work the transformation of the antidiabetic drug metformin is investigated. The degradation of metformin is initialize by commercial water treatment techniques like UV-radiation or noncommercial techniques like heterogenous photocatalysis based on titanium dioxide. The degradation of metformin and resulting transformation products are analyzed by LC-MS/MS and LC-HRMS.
Motivation:
> Zunehmender Einsatz von Pulveraktivkohle (PAK) zur
Spurenstoffelimination in kommunalen Kläranlagen
> Bisher keine analytische Methode zur Quantifizierung von PAK in
Belebungsbecken, bzw. in Gegenwart von Belebtschlamm
> Anwendung der Thermogravimetrischen Analyse (TGA) zur
Feststoffcharakterisierung auf Umweltfragestellungen
Ergebnisse:
> Quantifizierung von PAK in Belebtschlamm ist möglich und kann
über unterschiedliche zweistufige TGA-Methoden erfolgen
> Zersetzungsgasanalyse zeigt veränderte und verzögerte
Freisetzung aliphatischer Produkte des Belebtschlamms
The presence of water in the surrounding atmosphere of a propagating crack has a major influence on the subcritical crack growth. While these external phenomena are well understood, there is still a lack of knowledge on the influence of structurally bound water on crack propagation. Thus, our recent study aims on the analysis of crack propagation in water bearing soda-lime silicate glasses with up to 8 wt.% water. The samples were synthesized in an internally heated pressure vessel at 0.5 GPa. Since this preparation route limits the sample sizes, standard test geometries allowing for the determination of stress intensity factors, such as double cantilever beam, are not feasible. Thus, radial cracks in the hydrous glasses were initiated by Vickers indentation and crack growth was simultaneously captured with a camera system. An automated image analysis algorithm was used for the analysis of the crack length of each single video frame. To minimize influences by atmospheric water, all experiments were conducted in a glovebox purged with dry N2. About 150 cracks per glass composition were analyzed to provide statistical significance of the Vickers-induced SCCG. The results show that structurally bound water has a major influence on SCCG by means of crack lengths, growth rates and time of crack initiation.
Premature failure of glass under load is caused by sub-critical crack growth (SCCG) originate from microscopic flaws at the surface. While SCCG is related to the humidity of the ambient atmosphere, leading to stress corrosion phenomena at the crack tip, the detailed mechanism and the effect of different network formers are still not fully understood. For more clarity, various soda silicate glasses with a second network former were investigated by double cantilever beam technique: Na2O*Al2O3*SiO2 (NAS), Na2O*B2O3*SiO2 (NBS), Na2O*PbO*SiO2 (NPbS).
Three effects on the crack growth velocity, v, versus stress intensity, KI, curves were found out. The slope in region I, which is limited by corrosion, increases in the order NAS < NBS ≲ NPbS. The velocity range of region II reflecting the transition between corrosion effected and inert crack growth (region III), varies within one order of magnitude between the glasses. The KI region of inert crack growth strongly scatters between 0.4 and 0.9 MPam1/2. For comparison, crack growth at different humidity in commercial soda lime silicate glass (NCS) was measured.
Statistical analysis of Vickers induced subcritical crack growth in soda-lime silicate glasses
(2018)
Studies on Vickers induced subcritical crack growth are controversially discussed since the stresses that drive the crack growth are distributed three dimensionally within the material and cannot be retraced by available methods. Hence, empirical approaches are used to calculate mechanical material parameters such as the stress intensity factor KI. However, the results of these approaches show large deviations from those measured by standardized techniques such as double cantilever beam (DCB) or double cleavage drilled compression (DCDC). Yet, small specimen sizes and low specimen quantities can prevent the execution of DCB and DCDC measurements. Here we present an approach that is based on a statistical analysis of Vickers induced radial cracks. For this purpose more than 150 single radial cracks were analyzed. The cracks were generated in a commercial soda-lime silicate glass. The experiments were performed in a glovebox purged with dry nitrogen gas to minimize the influence of atmospheric water on crack growth. The temporally resolved evolution of the radial cracks was monitored in-situ using an inverted microscope equipped with a camera system directly below the Vickers indenter. An automated image analysis software was used to determine the crack length over time. The data show that the crack propagation and thereby the crack velocities are not uniformly but statistically distributed. These findings allow, using the statistical mean value of the distributions in combination with DCB data, a precise formulation of KI for each measured crack length.
Among the very few techniques to localize hydrogen (H) at the microscale in steels, Time-of-flight secondary ion mass spectrometry (ToF-SIMS) was proven to be a reliable tool. The necessity to detect hydrogen stems from its deleterious effects in metals, that are often used as structural components and to obtain better understanding of the underlying metallurgical mechanisms of hydrogen embrittlement (HE) which are still unclear.
Austenitic stainless steels are nowadays commonly used in a wide variety of application, from hydrogen transport and storage facilities to petrochemical and offshore applications where they are exposed to aggressive environments and therefore prone to HE. One of the greater risks in the austenitic class is the embrittlement of the material due to the instability of the γ austenite and its transformation into a brittle α martensitic phase. This transformation takes place due to the local stresses that are induced by the uptake of hydrogen during service. Nonetheless, it was shown that this transformation can occur as an artefact during SIMS analysis itself where Cs-sputtering is necessary not only to remove surface contaminations but mainly to enhance H/D secondary ion yield.
In the following contribution we show the influence of different sputtering conditions on AISI 304L austenitic stainless steel in order to distinguish the artefact from the hydrogen induced transformation. The material was charged electrochemically in a deuterium based electrolyte. Deuterium (D) must be in these experiments as a replacement for hydrogen which cannot be used because adsorbed hydrogen superimposes hydrogen originating from charging the sample in the SIMS images. ToF-SIMS analyses were conducted by ToF SIMS IV (IONTOF GmbH, Münster, Germany). The experiments were carried out on deuterium charged and non-charged samples. The structural characterization was carried out by SEM and EBSD examinations before and after charging, both with a Leo Gemeni 1530VP field-emission scanning electron microscope and a Zeiss Supra 40 instrument (Carl Zeiss Microscopy GmbH, Oberkochen, Germany). The results showed that the use of 1keV Cs+ beam induces stacking faults while higher sputter beam energies results in γ→α transformation.
Sintered bioactive glass scaffolds of defined shape and porosity, e.g. made via additive manufacturing, must provide sufficient bioactivity and sinterability. As higher bioactivity is often linked to high corrosion and crystallization tendency, a certain compromise between sintering ability and bioactivity is therefore required. Groh et al. developed a fluoride-containing bioactive glass (F3), which allows fiber drawing and shows a bioactivity well comparable to that of Bioglass®45S5.
To study whether and to what extent the sinterability of F3 glass powder is controlled by particle size, coarse and fine F3 glass powders (300-310µm and 0-32µm) were prepared by crushing, sieving and milling. Sintering, degassing and phase transformation during heating were studied with heating microscopy, vacuum hot extraction (VHE), DTA, XRD, and SEM.
For the coarse glass powder, sintering proceeds slowly and is limited by surface crystallization of primary Na2CaSi2O6 crystals. Although the crystallization onset of Na2CaSi2O6 is shifted to lower temperature, full densification is attained for the fine powder. This finding indicate that certain porosity might be tuned via particle size variation. Above 900°C, intensive foaming is evident for the fine powder. VHE studies revealed that carbon species are the main foaming source.
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.