Umwelt-Material-Interaktionen
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Interlaboratory studies are common tools for collecting comparable data to implement standards for new materials or testing technologies. In the case of construction materials, these studies form the basis for recommendations and design codes. Depending on the study, the amount of data collected can be enormous, making manual handling and evaluation difficult. On the other hand, the importance of the FAIR (findable, accessible, interoperable, and reusable) principles for scientific data management, published by Wilkinson et al. in 2016, is constantly growing and changing the view on data usage.
The benefits of using data management tools such as data stores/repositories or electronic laboratory notebooks are many. Data is stored in a structured and accessible way (at least within a group) and data loss due to staff turnover is reduced. Tools usually support data publishing and analysis interfaces. In this way, data can be reused years later to generate new knowledge with future insights. On the other hand, there are many challenges in setting up a data repository, such as selecting suitable software tools, defining the data structure, enabling data access, and understanding by others and
ensuring maintenance, among others.
This talk discusses the advantages and challenges of setting up and applying a data repository using the interlaboratory study on the mechanical properties of printed concrete structures carried out in RILEM TC 304-ADC as example. First, the definition of a suitable data structure including all information is discussed. The tool-dependent upload process is then described. Here, the data
management system openBIS (open source software developed by ETH Zurich) is used. Since in most cases an open compute platform allowing access from different organisations is not possible or available due to data protection and maintenance issues, tool-independent export options are discussed and compared. Finally, the different query and analysis possibilities are demonstrated.
Homochirality is an obvious feature of life on Earth. On the other hand, extraterrestrial samples contain largely racemic compounds. The same is true for any common organic synthesis. Therefore, it has been a perplexing puzzle for decades how these racemates could have formed enantiomerically enriched fractions as a basis for the origin of homochiral life forms. Numerous hypotheses have been put forward as to how preferentially homochiral molecules could have formed and accumulated on Earth. In this article, it is shown that homochirality of the abiotic organic pool at the time of formation of the first self-replicating molecules is not necessary and not even probable. It is proposed to abandon the notion of a molecular ensemble and to focus on the level of individual molecules. Although the formation of the first self-replicating, most likely homochiral molecule is a seemingly improbable event, on a closer look, it is almost inevitable that homochiral molecules have formed simply on a statistical basis. In this case, the non-selective leap to homochirality would be one of the first steps in chemical evolution directly out of a racemic “ocean”. Moreover, most studies focus on the chirality of the primordial monomers with respect to an asymmetric carbon atom. However, any polymer with a minimal size that allows folding to a secondary structure, would spontaneously lead to asymmetric higher structures (conformations). Most of the functions of these polymers would be influenced by this inherently asymmetric folding. To summarize, simple and universal mechanisms may have led to homochiral self-replicating systems in the context of chemical evolution. A homochiral monomer pool is deemed unnecessary and probably never existed on primordial Earth.
Organotin compounds (OTCs) have been widely used in anti-fouling paints, pesticide formulations, and as stabilizers in polyvinyl chloride over the past century. In marine ecosystems, OTCs can cause severe damage to biodiversity, leading up to the extinction of vulnerable species. Due to the extensive use of tributyltin (TBT) as a biocide on ship hulls, it has been considered one of the most hazardous substances intentionally introduced into the aquatic environment. This resulted in a global ban on TBT-containing products in the 2000s. However, recent studies indicate the emerging presence of organotin pollutants.
OTCs are known to persist and accumulate in marine sediments, posing a long-term threat to the environment. These harmful substances can be set free and dispersed even after several decades. Therefore, analyzing sediment probes is imperative for a thorough monitoring of pollution. However, species-specific analysis of OTCs at required concentration levels in complex environmental matrices remains challenging. Chromatographic systems are commonly used for their analysis, but the required sample preparation is time-consuming and prone to contamination and analyte loss. The coupling of electrothermal vaporization and inductively coupled plasma-mass spectrometry (ETV/ICP-MS) demonstrates high potential as a rapid, convenient, and chemical-saving scanning tool for environmental samples.
This method enables the direct on-line fractionation of organic compounds from an inorganic fraction and provides element-specific detection at ultra-trace levels without complex sample preparation. Since OTCs are generally more toxic than ionic or elemental tin, analyzing them as a sum parameter is advantageous. Additionally, the determination of both organic and inorganic tin, rather than just organic tin, reveals valuable information about the fate of OTCs. The main challenge in obtaining accurate quantitative data using direct solid sampling techniques like as ETV/ICP-MS is applying a suitable calibration strategy. Our isotope dilution approach overcomes matrix effects in ETV/ICP-MS analysis and is compatible with commercial systems.
Im Folgenden soll über aktuelle Diskussionen und Arbeitsschwerpunkte im Fachbeirat der BAM und von der Zulassungsstelle berichtet werden. Es werden Änderungen im Zusammenhang mit der Zulassungsrichtlinie für Kunststoffdichtungsbahnen vorgestellt. Es wird über die aktuelle Diskussion über die Anforderungen z. B. an metallische Sensoren für Dichtungskontrollsysteme berichtet. Änderungen der Fremdprüfung von sogenannten Sandschutzmatten, des Standards zur Qualitätsüberwachung (SQÜ) von Kunststoff Dränelementen (KDE) und der Anpassung der Formulierungen zum Überbau der in Abdichtungen verwendeten Produkte werden aufgezeigt.
PFAS (Per- and polyfluoroalkyl substances) are a widespread and emerging environmental problem due to their longevity and ubiquitous spread. The common structural motif of this compound class is the fluorine – carbon bond on an alkyl backbone, which are known for their chemical inertness and combination of hydrophobicity and oleophobicity. The downside of those properties is the general lack of usable molecular interactions for adsorption to extract them from the environment. The notable exception to that inertness are fluorine – fluorine interactions, which are stronger, the longer the perfluorinated chain length is. Therefore, in this project we investigated the effect of fluorination, length and presence of a charge on the alkyl chain on an adsorber. Towards that goal, in total 16 different adsorber materials were synthesized (fluorinated/non-fluorinated; C4/ C6/ C8/ C10 ; positive charge/no charge) and tested in regard to their potential to adsorb PFOA and perfluoralkylic acids of differing chain lengths. The PFAS concentration was tested via LC-MS/MS to determine the adsorption rate on the various materials. Further work includes the transition from a target analytics to sum parameter analysis for future evaluation of adsorber materials in PFAS environmental samples like river samples. Therefore a quarterly sampling and extraction of spree surface water samples was planned.
Per- and polyfluoroalkyl substances (PFAS) have received global public attention because of their wide distribution in aquatic environments and potential adverse effects to humans and wildlife. Due to the lack of analytical standards and the enormous numbers of these compounds, current target-based methods (e.g., LC-MS/MS) are not suitable for the analysis of new/unknown PFAS and transformation products. Therefore, PFAS sum parameter analysis is becoming increasingly important. For PFAS determination of surface waters, solid phase extraction (SPE) is commonly implemented for clean-up and pre-concentration of samples.
Thus, within this work, single-layer SPE methods (based on Strata™-X, Strata™-X-AW, Strata™-NH2 and Oasis-HLB) were investigated for maximum PFAS coverage utilizing extractable organically bound fluorine (EOF) analysis. Thereby, the optimization procedure relied on the analysis of 3 surface water samples in Berlin, Germany, which were affected by the effluent discharge of wastewater treatment plants. To analyse the SPE elution profiles for EOF and inorganic fluorine, high resolution-continuum source-graphite furnace molecular absorption spectroscopy (HR-CS-GFMAS) and ion chromatography (IC) were used, respectively.
Highest EOF concentrations were achieved by using Strata-X/Strata-XAW as SPE sorbents and methanol as eluent. Furthermore, combinations of the most promising SPE sorbents were selected (X/XAW, XAW/X, HLB/X and WAX/GCB) to extract a wider range of PFASs. By comparing multi-layer SPE methods, lower EOF concentrations were obtained for all investigated combination phases compared to the analysed single phases. For the commercially available combination phase Strata-PFAS (WAX/GCB) for all three river water samples, lower EOF concentrations (1.5 times lower) were determined compared to Strata-X.
The results have shown that single-layer SPE systems are currently superior compared to combination phases for PFAS sum parameter analysis. The multi-layer SPE methods need further optimization regarding appropriate sorbent combinations, loading volumes and elution conditions. The developed single-layer SPE methods can help to elucidate pollutions hotspots and discharge routes.
Im Folgenden soll über aktuelle Diskussionen und Arbeitsschwerpunkte im Fachbeirat der BAM und von der Zulassungsstelle berichtet werden. Es werden Änderungen im Zusammenhang mit der Zulassungsrichtlinie für Kunststoffdichtungsbahnen vorgestellt. Es wird über die aktuelle Diskussion über die Anforderungen z. B. an metallische Sensoren für Dichtungskontrollsysteme berichtet. Änderungen der Fremdprüfung von sogenannten Sandschutzmatten, des Standards zur Qualitätsüberwachung (SQÜ) von Kunststoff Dränelementen (KDE) und der Anpassung der Formulierungen zum Überbau der in Abdichtungen verwendeten Produkte werden aufgezeigt.
Die Umweltwirkungen auf ein Material werden als Überlapp der Funktionskurven von Materialempfindlichkeit und einwirkenden Umweltparametern betrachtet. Wenn entweder die Empfindlichkeit oder die Beanspruchungen Null sind, ergibt sich auch keine Umweltwirkung und bei beidseitig Werten größer Null das jeweilige Produkt der beiden. Die Akkumulation der nicht-reversiblen Effekte über die Zeit und allen Eigenschaftsänderungen entspricht der Alterung des Materials für den jeweiligen Expositionszeitraum.
Die digitale Umweltsimulation gliedert sich hier in drei Teilaspekte. Ein erster, rein materialwissenschaftlicher Teil hat die Aufgabe, alle relevanten Materialempfindlichkeiten experimentell zu quantifizieren. Ein zweiter – unter Umständen numerischer Teil – hat die Aufgabe, das Bauteil und seine Einbaulage zu digitalisieren und aus den makroskopischen Umgebungsbedingungen die relevanten mikroklimatischen Umweltparameter für alle Oberflächen- oder Volumenelemente zu bestimmen. In einem dritten Teil werden die Einwirkungen über den betrachteten Zeitraum berechnet und kumuliert. Dieses Konzept, das auf den so genannten Expositions-Reaktions-Funktionen (ERF) basiert, wird an Beispielen der Photoxidation erläutert. Dieses Vorgehen wurde schon beim ViPQuali-Projekt als Numerische Umweltsimulation umgesetzt.
Überprüft werden muss das Modell unbedingt an einer realitätsnahen Validierungsbeanspruchung. Hier werden die ermittelten ERFs mit über den kompletten Beanspruchungszeitraum geloggten Umweltparametern gekoppelt, um die berechnete mit der experimentell erfahrenen Alterungswirkung zu vergleichen. Nur so kann sichergestellt sein, dass alle für die Anwendungsumgebung relevanten Materialempfindlichkeiten einbezogen wurden.
Die Umweltwirkungen auf ein Material werden als Überlapp der Funktionskurven von Materialempfindlichkeit und einwirkenden Umweltparametern betrachtet. Wenn entweder die Empfindlichkeit oder die Beanspruchungen Null sind, ergibt sich auch keine Umweltwirkung und bei beidseitig Werten größer Null das jeweilige Produkt der beiden. Die Akkumulation der nicht-reversiblen Effekte über die Zeit und allen Eigenschaftsänderungen entspricht der Alterung des Materials für den jeweiligen Expositionszeitraum.
Die digitale Umweltsimulation gliedert sich hier in drei Teilaspekte. Ein erster, rein materialwissenschaftlicher Teil hat die Aufgabe, alle relevanten Materialempfindlichkeiten experimentell zu quantifizieren. Ein zweiter – unter Umständen numerischer Teil – hat die Aufgabe, das Bauteil und seine Einbaulage zu digitalisieren und aus den makroskopischen Umgebungsbedingungen die relevanten mikroklimatischen Umweltparameter für alle Oberflächen- oder Volumenelemente zu bestimmen. In einem dritten Teil werden die Einwirkungen über den betrachteten Zeitraum berechnet und kumuliert. Dieses Konzept, das auf den so genannten Expositions-Reaktions-Funktionen (ERF) basiert, wird an Beispielen der Photoxidation erläutert. Dieses Vorgehen wurde schon beim ViPQuali-Projekt als Numerische Umweltsimulation umgesetzt.
Überprüft werden muss das Modell unbedingt an einer realitätsnahen Validierungsbeanspruchung. Hier werden die ermittelten ERFs mit über den kompletten Beanspruchungszeitraum geloggten Umweltparametern gekoppelt, um die berechnete mit der experimentell erfahrenen Alterungswirkung zu vergleichen. Nur so kann sichergestellt sein, dass alle für die Anwendungsumgebung relevanten Materialempfindlichkeiten einbezogen wurden.