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Mikroplastik Detektion mit Thermoanalytischen Methoden: Analytik, Referenzmaterial, Ringversuche
(2024)
Ich dem Vortrag geht es um die Vorstellung von thermoanalytischen Methoden für die Mikroplastik-Detektion. Verschiedene Kopplungsmöglichkeiten werden gezeigt und die Funktionsweise der TED-GC/MS wird erklärt. Im zweiten Teil werden Referenzmaterialien für die Mikroplastik-Analytik diskutiert. PET -Tabletten des PlasticTrace Projektes werden vorgestellt. Am Ende wird der VAMAS Ringversuch zur Mikroplastik-Detektion gezeigt.
Following the recommendation of the European Chemicals Agency, on 25 September 2023 the European Commission passed a comprehensive new regulation to reduce emissions of microplastics (MP) into the environment, which includes the sale and use of intentionally added MP.1,2 This also applies to the application of synthetic rubber granulate infill in artificial turf systems and will ultimately have an impact on recreational sports. In Germany, rubber granulate made of ethylene-propylene-diene-monomer rubber (EPDM) is currently predominantly used. So far, there is no sufficient database for estimating MP emissions from artificial turf pitches into the environment and thus their relevance as a source of MP pollution.3 This topic is controversially discussed due to the complexity of sampling and analytics. To close this research gap, this project has the goal to determine mass balances for the emissions of MP from artificial turf pitches to allow an estimation of the amount of MP released per artificial turf pitch and year.
Within this study, MP emissions of three artificial turf scenarios at different time states (unaged, artificially aged and real-time aged) are compared: the past (old turf: fossil based, synthetic infill), present (most commonly installed in Europe: fossil based, EPDM infill), and the future (turf with recycled gras fibres, no synthetic infill). To simulate the outdoor weathering during the lifespan of an artificial turf of approx. 15 years, brand-new artificial turf and EPDM rubber granulate were accelerated aged by means of UV weathering and mechanical stress. Potential MP emissions into surface and groundwater are simulated by lysimeter and shake experiments. MP mass contents are subsequently determined by Thermal Extraction Desorption Gas Chromatography/Mass Spectrometry. Using special microfilter crucibles allows the estimation of the particle sizes of the emitted MP, which is a fundamental requirement for an assessment of potential health hazards for humans.
Im Verbundprojekt RUSEKU wurde die Probenahme von Wasserproben entscheidend weiterentwickelt. Wichtig ist hierbei zu gewährleisten, dass genügend Merkmalsträger in jeder Probe untersucht werden. Es muss daher eine für den Probenahmeort repräsentative Beprobung hinsichtlich des Wasservolumens in Abhängigkeit der Partikelanzahl gewährleistet sein.
Das Hauptaugenmerk lag im vorliegenden Projekt auf einer praxisnahen Beprobungsstrategie. Es wurden verschiedene Konzepte ausprobiert.
• Grundsätzlich hat sich gezeigt, dass eine Stichprobe eine Momentaufnahme des MP-Massengehaltes zeigt. Es wird eine hohe Statistik, also eine Vielzahl an Messungen am gleichen Probenahmeort, benötigt, um eine valide Aussage über den MP-Gehalt zu machen.
• Es zeigt sich, dass eine integrale Probenahme über mehrere Wochen mit dem SK routinemäßig möglich ist. Die erfassten MP-Massen sind reproduzierbar und robust.
• Die DFZ ist für Stichproben geeignet. Partikel < 50 µm werden eventuell unterschätzt
• Die fraktionierte Filtration kann für Stich- und Mischproben direkt im Feld genutzt werden. Fraktionen von 10 und 5 µm werden später im Labor Vakuum filtriert. Es erfolgt eine Fraktionierung der Probe mit Siebmaschenweiten von 1000, 500, 100, 50, 10 und 5 µm.
• Die fraktionierte Filtration kann auch anschließend an die Beprobung mit dem SK zur Anwendung kommen. Wird die mit dem SK gewonnene Wasserprobe fraktioniert filtriert, kann neben einem MP-Gesamtgehalt auch eine Einschätzung über die Partikelgrößen gewonnen werden.
• Für Wässer mit geringen Partikelzahlen wurde ein Messfiltertiegel entwickelt. Dieser hat eine Maschenweite von 6 µm. Seine Anwendung kann mögliche Verluste beim Transferieren vom Probenahmetool zum Messgefäß und mögliche Kontaminationen reduzieren.
Die Optimierung der Probenahmestrategie wurde durch Modellversuche und Simulationen unterstützt. Modellversuche zum Sinkverhalten und Simulationen von MP in realen Gewässern verdeutlichten das komplexe Verhalten der Partikel. Es konnte gezeigt werden, dass Partikel ab einer bestimmten Größe (und kleiner) bei genügend starker Turbulenz sich in der Wassersäule unabhängig von ihrer Dichte verhalten und so auch MP mit kleiner Dichte (z.B. PE) in der gesamten Wassersäule zu finden sind. Es konnte mit dem TEM die Existenz von NP gezeigt werden.
Ein wesentlicher Aspekt des RUSEKU Projektes war die Beprobung realer Kompartimente. Beprobt wurde neben Oberflächengewässern, das urbane Abwassersystem der Stadt Kaiserslautern, Waschmaschinenabwasser und Flaschenwasser.
• In Oberflächengewässern wurde hauptsächlich PE gefunden. Je nach Probe und Gewässer konnten auch PP, PS, PET, PA, SBR und Acrylate nachgewiesen werden.
• Im urbanen Abwassersystem der Stadt Kaiserslautern konnte an allen Probenahmestandorten MP nachgewiesen werden. Es wurde hauptsächlich PE, neben geringeren Mengen an PP, PS und SBR gefunden. Nach einem Regenereignis war der SBR Anteil deutlich erhöht.
• Die Beprobung eines realen Wäschepostens, bestehend aus T-Shirts und Hemden mit PA/CO oder PES/CO Mischgewebe, zeigte einen PA- und PES-Austrag im Waschwasser. Der überwiegende Teil der detektierten Fasern ist aber auf Baumwolle zurückzuführen. Reine gravimetrische Messungen zur Detektion von MP führen zu einer starken Überschätzung.
• In Flaschenwasser (PET-Flaschen) konnte MP detektiert werden. PET wurde nur im stillen Mineralwasser, nicht in Mineralwasser mit Kohlensäure gefunden werden. Teilweise wurde auch das MP-Material des Verschlusses im Wasser detektiert.
• Für Luftproben konnte ein Aufbau zur größenselektiven Beprobung getestet werden.
Neben der Probenahme hat das Projekt auch gezeigt, dass die TED-GC/MS geeignet für die MP-Detektion im Routinebetrieb ist. Die TED-GC/MS konnte weiter optimiert werden. Es wurden MP-Massen bestimmt.
Im Projekt wurden erste realitätsnahe Referenzmaterialien für die MP Detektion hergestellt. Die Herstellung von realitätsnahen Polymeren in ausreichender Homogenität und Menge hat sich als große Herausforderung herausgestellt.
Detektion von Mikroplastik
(2022)
Die Thermo Extraktion Desorption Gas Chromatograpie Massen Spektrometrie (TED-GC/MS) ist ein schnelles thermoanalytisches Verfahren zur Bestimmung von Gehalten an Mikroplastik (MP). Die Kombination aus teils schwerflüchtigen Analyten und Kältebrücken führt zu Memory-Effekten, denen u.a. durch häufige Blindwertmessungen begegnet werden muss. Reduzierte Probedurchsätze sind die Folge. Um Messergebnisse abzusichern und den Gerätestatus bei gleichzeitig hoher Messleistung überwachen zu können, wurde die sequentielle Standardmethode überarbeitet.
Mit dem stetigen weltweiten Anstieg der Nachfrage nach Polymerprodukten nimmt auch die potenzielle Menge an Kunststoffabfällen in der Umwelt zu. Problematisch ist, dass viele der wirtschaftlich relevantesten Kunststoffe sehr lange brauchen, um in der Umwelt abzubauen, sich dort akkumulieren und in kritisch betrachtetes Makro- und Mikroplastik zu zerfallen. Auf der Grundlage des Vorsorgeprinzips fordert die Europäische Kommission daher die Entwicklung neuer polymerer Materialien, die diesem Problem der Persistenz entgegenwirken und unter natürlichen Umweltbedingungen schneller abgebaut werden können. 1,2
Um dieses Problem anzusprechen, wurden mittels additiver Fertigung Polymerblends aus photooxidationsempfindlichem Polystyrol (PS) und hydrolyseempfindlicher Polymilchsäure (PLA) hergestellt. Die Hypothese war, dass sich die beiden Thermoplaste aufgrund ihrer unterschiedlichen Abbauprozesse gegenseitig in ihrem Abbau unterstützen, wenn sie unter moderaten, realitätsnahen Umweltalterungsbedingungen (45 °C) abwechselnd der Photooxidation und Hydrolyse ausgesetzt werden.
In der Praxis zeigten die Ergebnisse, dass die Degradation von PLA durch die Anwesenheit von PS deutlich beschleunigt worden ist – wohingegen die Degradation von PS gehemmt wurde. In diesem Vortrag werden die detaillierten Ergebnisse der Oberflächen- (ATR-FTIR, REM) und Bulk-Analysen (DSC, TGA, FTIR-Transmission, TED-GC/MS) der Blends sowie ergänzende Mikroplastik-Ergebnisse des umgebenden Wassermediums (TED-GC/MS) erörtert.
Die große Herausforderung in der Detektion von Mikroplastik (MP)‑Partikeln (1-1000 µm) besteht darin, sie neben Millionen von natürlichen Partikeln in Umweltproben nachzuweisen. Zum Aufspüren von Senken, Eintragspfaden und für Monitoring-Kampagnen ist ein schnelles, automatisiertes Verfahren unerlässlich. Ein solches Verfahren wurde an der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) mit der ThermoExtraktion/Desorption-Gaschromatographie-Massenspektrometrie (TED-GC/MS) in den letzten Jahren entwickelt.
Ein drastisch hoher Polyethylene Massenanteil wurde bei der Analytik der Umweltproben im Vergleich zu weiteren Polymeren festgestellt. Zu einem Überbefund des Polyethylene können strukturell verwandte Verbindungen wie z.B. Fette durch Signalüberlagerung führen. Mithilfe von beschleunigter Lösemittelextraktion soll die störende Komponente entfernt werden.
Mikroplastik findet sich in Ozeanen, Seen, Flüssen und Bächen. Es kann in unserem Boden, in der Luft und sogar in Organismen nachgewiesen werden. Jedes Jahr werden weltweit Millionen Tonnen freigesetzt. Doch wo und wie landet Mikroplastik in der Umwelt? Und wie können wir diese winzigen Partikel nachweisen?
Monitoring von Mikroplastik
(2021)
Deuteriertes Polystyrol (D-PS) verbessert die Mikroplastikdetektion mit der TED-GC/MS, u.a. durch höhere Reproduzierbarkeit. Es ist kostengünstig (0,1 ct/Analyse) und durch die gute Löslichkeit (z.B. in Toluol) schnell und reproduzierbar zu dosieren. Bestimmte Matrices führen jedoch zu einem Austausch des Deuteriums durchWasserstoff. Das Poster zeigt das Messprinzip, bei welchen Matrices H/D-Austausch erfolgt, Ergebnisse von Kinetikuntersuchungen sowie Möglichkeiten, den Austausch zu verhindern oder zu umgehen.
The scientific and practical challenge of detecting microplastics (MPs) in the environment in a targeted and rapid manner is solved by innovative coupling of thermogravimetric analysis with mass spectrometric methods.
Fast identification and quantitative determination of most thermoplastic polymers and elastomers is possible by using thermal extraction Desorption gas chromatography–mass spectrometry (TED-GC–MS).
Der Vortrag wurde im Rahmen der Abschlusskonferenz des Forschungsschwerpunktes "Plastik in der Umwelt" des BMBF gehalten. Er fasst die Ergebnisse des Verbundprojektes RUSEKU zusammen. Es wurde die Herstellung verschiedener Testmaterialien für die Mikroplastik (MP) Analytik beschrieben. Im weiteren geht es um verschiedene Ansätze MP kostengünstig und schnell zu detektieren, z.B. mit Nahinfrarotspektroskopie. Nanoplastik konnte mit der Transmissionselektronenmikroskopie sichtbar gemacht werden. Für die praxisnahe Beprobung von Gewässern wurde die Fraktionierte Filtration entwickelt. Integrale Beprobungen können mit dem Sedimentationskasten erfolgen. Als Beispiele für die Beprobung realer Gewässer wurde das urbane Abwassersystem Kaiserslautern, Getränkewasser und Waschmaschinenwasser gezeigt.
Zielsetzung des vom Bundesministerium für Bildung und Forschung geförderten Projektes RUSEKU war es, repräsentative Untersuchungsstrategien für die Detektion von Mikroplastik mittels TED GC/MS in wässerigen Medien zu ermitteln. Dabei wurden verschiedene Probenahmekonzepte und – verfahren für unterschiedliche Fallgestaltungen und Fragestellungen untersucht, sowie neue Filtersysteme entwickelt. Bei der Detektion der Partikel lag der Fokus auf der Anwendung und Weiterentwicklung der ThermoExtraktion/Desorption-Gaschromatographie-Massenspektrometrie (TED-GC/MS) zur Bestimmung von Mikroplastikgehalten. Anwendung fanden die Methoden bei der Beprobung von Flaschenwasser, Waschmaschinenabläufen, dem urbanen Abwassersystem der Stadt Kaiserslautern, sowie in Oberflächengewässer.
Im Vortrag wird ein Messfiltertiegel als Zusatztool für die TED-GC/MS vorgestellt, welcher für die Probenaufbereitung von kleinen Partikelfrachten oder kleinen Partikelgrößen genutzt werden kann. Er ist Filtereinheit und Messtiegel in einem, wodurch Verluste bei der Überführung der Probe in das Messgefäß sowie Kontaminationen vermindert werden. Das beispiel ist hier die Filtration von Flaschenwasser mit anschließender Detektion mit der TED-GC/MS.
Zur Validierung und Harmonisierung von verschiedenen Methoden in der Mikroplastik-Analytik werden polymere Referenzmaterialien benötigt. In diesem Vortrag wird dargestellt, was bisher an der BAM zu Referenzmaterialien für die Mikroplastik-Analytik entwickelt wurde, wo es hingehen soll und ein Überblick über bisher gelaufene Vergleichsuntersuchungen gebracht.
Die zunehmenden Nachweise von Kunststoffen in verschiedenen Umweltmedien erfahren in den letzten Jahren weltweit ein zunehmendes wissenschaftliches, gesellschaftliches und politisches Interesse. Besondere Aufmerksamkeit erfahren Kunststoffpartikel von 1-1.000 µm sogenanntes Mikroplastik. Es wurde mittlerweile in Wasser, Böden, Luft und Biota nachgewiesen. Obwohl die Wirkungen auf die natürlichen Umweltfunktionen noch unklar sind und kontrovers diskutiert werden, ist allein durch die ubiquitäre Präsenz eine systematische Erfassung von Eintragsquellen und Verbleib der Partikel über alle Umweltmedien notwendig, um Maßnahmen zur Reduktion der Einträge zu veranlassen.
Für eine zuverlässige Erfassung sind medienübergreifende Verfahren zu entwickeln, welche die drei analytischen Schritte, Probennahme, Probenaufbereitung und Detektion beinhalten. Die Verfahren adressieren unterschiedliche Zielgruppen, welche verschiedene analytische Informationen fordern. Für die akademische Bewertung werden Verfahren mit hohem analytischen Aufwand favorisiert, welche möglichst detaillierte Information über Partikelsorte, -größe, -zahl und -oberflächenbeschaffenheit geben. Im Gegensatz dazu, fordern Anwender aus der Praxis schnelle und einfache Monitoring Verfahren, welche die Bestimmung eines Massengehaltes, bzw. eines Grenzwertes zulassen. Allen ist gemeinsam, dass ein hoher interdisziplinärer Anspruch besteht, der sowohl technische Voraussetzungen zur repräsentativen Probennahme und die Limitationen von Detektionsverfahren berücksichtigt, als auch die Fachkompetenz von Biologen, Umweltwissenschaften, Analytiker und Polymerwissenschaftler einschließt.
Verfahren zum Mikroplastiknachweis müssen auch verschieden Proben mit sehr unterschiedlichen Gehalten an natürlicher Matrix gerecht werden. So müssen allein für Wasser Verfahren entwickelt werden, die Mikroplastik verschiedener Form (sphärische Partikel, komplexe Bruchstücke, Fasern) aus Medien mit sehr variablen Partikelanteil (u.a. Trinkwasser, Oberflächenwasser, Abwasser) repräsentativ erfassen sowie schnell und kostengünstig sind – einschließlich der notwendigen Probenaufbereitung. Die jeweiligen Detektionsverfahren müssen z.B. einzelne Partikel oder integrale Gehalte über drei Dekadenklassen für thermoplastische und insbesondere auch elastomere Partikelsorten erfassen können.
Seit einigen Jahren wird in den Medien viel über das Thema Mikroplastik (MP) diskutiert. Dabei wird häufig von einer großen Anzahl an MP-Partikeln in allen Bereichen der Umwelt, wie dem Wasser, dem Boden, der Luft und in Biota sowie über mögliche Gefahren ausgehend von MP, berichtet. Jedoch sind diese Studien häufig nicht untereinander vergleichbar, da verschiedene Konzepte der Probennahme, der Aufbereitung und unterschiedliche Detektionsverfahren verwendet werden. Um diesen Mangel an vergleichbaren und aussagekräftigen Daten zu beheben, wird aktuell versucht, eine Harmonisierung der Mikroplastikanalytik voranzutreiben. Neue, schnellere Methoden zur MP Quantifizierung wurden entwickelt. Gleichzeitig werden neue Strategien zur Probenahme und Probenvorbereitung konzipiert, da hier die Fehlerquellen besonders große Auswirkungen auf das Ergebnis haben.
In diesem Vortrag werden verschiedene Verfahren bezogen auf Probennahme, -vorbereitung und Analytik gezeigt und bezüglich ihres möglichen Ergebnisses diskutiert.
Der Vortrag beschreibt den Entwicklungsprozess des Analysenverfahrens TED-GC-MS zur Bestimmung von Mikroplastikgehalten in Umweltproben im Rahmen des BMBF-Projektes MiWa. Die Funktionsweise, die Automatisierung und die Optimierung einzelner Geräteparameter und Leistungsdaten werden gezeigt. Untersuchungen des Einflusses von Probenmatrices werden dargestellt und die Ergebnisse einiger Messkampagnen und Ringversuche vorgestellt, die die Routinefähigkeit des Verfahrens dokumentieren.
Die zunehmenden Nachweise von Kunststoffen in verschiedenen Umweltmedien erfahren in den letzten Jahren weltweit ein zunehmendes wissenschaftliches, gesellschaftliches und politisches Interesse. Besondere Aufmerksamkeit erfahren Kunststoffpartikel von 1-1.000 µm, sogenanntes Mikroplastik. Es wurde mittlerweile in Wasser, Böden, Luft und Biota nachgewiesen. Obwohl die Wirkungen auf die natürlichen Umweltfunktionen noch unklar sind und kontrovers diskutiert werden, ist allein durch die ubiquitäre Präsenz eine systematische Erfassung von Eintragsquellen und Verbleib der Partikel über alle Umweltmedien notwendig, um Maßnahmen zur Reduktion der Einträge zu veranlassen.
Für eine zuverlässige Erfassung sind medienübergreifende Verfahren zu entwickeln, welche die drei analytischen Schritte, Probennahme, Probenaufbereitung und Detektion beinhalten. Die Verfahren adressieren unterschiedliche Zielgruppen, welche verschiedene analytische Informationen fordern. Für die akademische Bewertung werden Verfahren mit hohem analytischen Aufwand favorisiert, welche möglichst detaillierte Information über Partikelsorte, -größe, -zahl und -oberflächenbeschaffenheit geben. Im Gegensatz dazu, fordern Anwender aus der Praxis schnelle und einfache Monitoring Verfahren, welche die Bestimmung eines Massengehaltes, bzw. eines Grenzwertes zulassen. Allen ist gemeinsam, dass ein hoher interdisziplinärer Anspruch besteht, der sowohl technische Voraussetzungen zur repräsentativen Probennahme und die Limitationen von Detektionsverfahren berücksichtigt, als auch die Fachkompetenz von Biologen, Umweltwissenschaften, Analytiker und Polymerwissenschaftler einschließt.
Verfahren zum Mikroplastiknachweis müssen auch verschieden Proben mit sehr unterschiedlichen Gehalten an natürlicher Matrix gerecht werden. So müssen allein für Wasser Verfahren entwickelt werden, die Mikroplastik verschiedener Form (sphärische Partikel, komplexe Bruchstücke, Fasern) aus Medien mit sehr variablen Partikelanteil (u.a. Trinkwasser, Oberflächenwasser, Abwasser) repräsentativ erfassen, sowie schnell und kostengünstig sind – einschließlich der notwendigen Probenaufbereitung. Die jeweiligen Detektionsverfahren müssen z.B. einzelne Partikel oder integrale Gehalte über drei Dekadenklassen für thermoplastische und insbesondere auch elastomere Partikelsorten erfassen können.
Die ThermoExtraktionDesorption-Gaschromatografie-Massenspektrometrie (TED-GC-MS) ist die wichtigste Methode der BAM zur Analyse von Mikroplastikpartikeln in Umweltproben. Mit wachsendem Erfahrungsschatz traten Komplikationen auf, bei deren Bewältigung das Analysensystem verbessert werden konnte. Das Poster präsentiert u. a. die Verbesserung der Nachweisgrenzen sowie die Eliminierung von Kontaminationsquellen aus gängigen Probennahmeverfahren.
Der Vortrag beschäftigt sich mit den gängisten Methoden zur Probennahme, -vorbereitung und Detektion von Mikroplastik. Das Zusammenspiel von Fragestellung und Methode wird betont. Es wird auf das Dikussionspapier Analytik des BMBF-Forschungsschwerpunktes Plastik in der Umwelt besonders hingewiesen sowie Bemühungen zur Normierung der Methoden auf deutscher und internationaler Ebene dargestellt.