Circular Economy
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Rückgebaute Mineralwolledämmstoffe und Baustellenverschnitte werden in der Regel deponiert und damit als Rohstoffe dem Markt entzogen. Ziel dieses Projektes ist es darzulegen, dass das Recycling von Glas- und Steinwolle im großmaßstäblich volumenrelevanten Umfang für das Schmelzwannenverfahren technisch umsetzbar und ökonomisch und ökologisch vorteilhaft ist. Neben verfahrenstechnischen Herausforderungen, gilt es die wirtschaftliche in-situ-Identifikation unbekannter Mineralwolle zu ermöglichen. Dazu wird auf erste erfolgversprechende Tastversuche mit spektroskopischen Methoden weiter aufgebaut.
Im Rahmen der vom BMBF geförderten Forschungsinitiative BonaRes werden Strategien entwickelt, um Boden als nachhaltige Ressource in der Bioökonomie zu nutzen. Das interdisziplinäre Teilprojekt I4S - „Intelligenz für den Boden“ - ist verantwortlich für die Entwicklung eines integrierten Systems zur standortspezifischen Steuerung der Bodenfruchtbarkeit. Zu diesem Zweck wird eine Plattform gebaut, auf der verschiedene Sensoren installiert sind. Echtzeitdaten werden in Modellen zusammengefasst und Entscheidungsalgorithmen werden verwendet, um die Düngung zu steuern und die Bodenfunktionen entsprechend zu verbessern. Ziel der BAM im Rahmen von I4S ist die Charakterisierung eines energiedispersiven Röntgenfluoreszenzsensors (EDXRF) zur robusten online-Bestimmung von Makro- und Mikronährstoffen im Boden. Zunächst wurde eine Hauptkomponentenanalyse (PCA) durchgeführt, um Ausreißer zu identifizieren und die größte Varianz innerhalb der deutschen Bodenproben zu beobachten. Es konnte festgestellt werden, dass die Aufspaltung der Proben auf ihren Eisengehalt zurückzuführen ist. Da Tonproben hohe Mengen an Eisen und Sandproben geringe Mengen enthalten, war eine Klassifizierung der Proben nach ihrer Bodentextur nach VD LUFA möglich. In Anbetracht der komplexen Bodenzusammensetzung wurde eine matrixspezifische Kalibrierung durch univariate und multivariate Datenanalyse durchgeführt. Die analytischen Güteziffern zeigen, dass ein robusteres Kalibriermodell mit vernachlässigbaren Matrixeffekten durch einen multivariaten Ansatz unter Verwendung der partiellen Regression kleinster Quadrate (PLSR) erhalten werden kann. Verschiedene Faktoren können die erhaltenen Kalibriermodelle beeinflussen, wie z. B. Feuchtigkeit und Partikelgrößenverteilung, was aufgrund der späteren online-Analyse besonders wichtig ist. In ersten Studien wurde der Einfluss von Feuchtigkeit auf den Nährstoffnachweis untersucht. Mit zunehmendem Wassergehalt nehmen die charakteristischen Fluoreszenzpeaks ab und beginnen bei einem Wassergehalt von 15% wieder anzusteigen. Bei geringerem Feuchtigkeitsgehalt agglomeriert der Boden, was zu einer geringeren Packung der Probe führt, dementsprechend zu einer raueren Oberfläche, die die Signale negativ beeinflusst. Bei höherem Wassergehalt bilden sich keine Agglomerate. Dadurch kann die Probe enger gepackt werden, wodurch eine glattere Oberfläche und eine bessere Homogenität erhalten wird. Darüber hinaus führt die Partikelgrößenverteilung beim Vergleich von gemahlenen und nicht gemahlenen Proben zu signifikant höheren Unsicherheiten und niedrigeren Signalen. Beide Faktoren müssen in die chemometrische PLSR einbezogen werden, um zuverlässige Kalibrierungsmodelle für jeden Nährstoff zu erhalten.
Der Vortrag stellt einige aktuelle Herausforderungen für die Prozessanalytik und mögliche Antworten vor.
Gepulste Raman-Spektrometer akkumulieren das Raman-Signal mit Hilfe schneller optischer Schalter im Picosekunden-Bereich, bevor langlebigere Fluoreszenzanregung entsteht. Damit lassen sich stark fluoreszierende Materialien untersuchen, die bislang nicht zugänglich sind. Eine weitere interessante Entwicklung ist etwa die Shifted excitation Raman difference spectroscopy (SERDS) die besonders für biologische Anwendungen interessant ist.
Flexible, modulare Produktionsanlagen stellen einen vielversprechenden Ansatz für die kontinuierliche Produktion von Fein- und Spezialchemikalien dar. In einem EU-Projekt wurde die Feldintegration eines Online-NMR-Sensormoduls als smartes Modul für die Prozesskontrolle vorangebracht. Dieses Modul basiert auf einem kommerziell erhältlichen Niederfeld-NMR-Spektrometer, welche zurzeit für die Anwendung im Laborbereich erhältlich ist. Für die Feldintegration wurde ein ATEX-zertifiziertes, explosionsgeschütztes Gehäuse entwickelt sowie Automationsschemen für den unbeaufsichtigten Betrieb und für die kalibrierfreie spektrale Datenauswertung erstellt.
Eine sehr gut anwendbare analytische Messtechnik zur Kontrolle der elementaren Zusammensetzung von verschiedensten Materialien ist die laserinduzierte Plasmaspektroskopie (LIPS, engl. LIBS - Laser-induced Breakdown Spectroscopy). Bei der LIBS wird ein kurz gepulster Laser auf eine Probe fokussiert, um ein Leuchtplasma zu erzeugen. Das dabei erzeugte Atomemissionsspektrum ermöglicht eine qualitative und quantitative Analyse der Zusammensetzung der Probe bezüglich praktisch aller Elemente des Periodensystems. In einem aktuellen Projekt wird diese Methode neben anderen zur Online-Analyse von Ackerböden für die ortsspezifischer Bewirtschaftung (Precision Agriculture) weiterentwickelt und bewertet.
Around 2.5 million tons of municipal sewage sludge (dry matter) are produced in Ger-many every year. The disposal or recycling of this mass often confronts plant operators with considerable problems. In addition to organic substances, sewage sludges also contain important inorganic nutrients that can be recycled. Due to the finite nature of phosphorus as a resource and in favor of natural material cycles, it makes sense to utilize the phosphorus bound in sewage sludge. Therefore, Phosphorus recycling from sewage sludge will be obligatory in Germany from 2029. However, the pollutants pre-sent in sewage sludge, such as heavy metals and organic trace pollutants, are prob-lematic. In many cases, the sewage sludge is incinerated, removing organic compo-nents, and leaving a mineral residue. Various processes exist for the reprocessing of sewage sludge ashes. Reliable analytics and process monitoring are required for all of them.
In this context, the first and most important task of BAM regarding new materials or processes is safety in technology and chemistry through validated and correct analyt-ics. Since there are no reference materials for sewage sludge ashes so far, it is not possible to make any statements about the extent to which the measured values of the comparative measuring methods are correct at all. Therefore, suitable, and representa-tive reference materials are indispensable for the validation of the measurement results and the quality assurance during the entire recycling process. Great care is required to select and prepare these reference materials. The reference materials must corre-spond in matrix to the samples that are to be investigated in the industrial process. An iron-rich and an aluminum-rich sewage sludge ash from mono-incineration plants were selected for this purpose. 10 kg of each sewage sludge ash were homogenized, char-acterized, and prepared. The main, minor and trace element compositions of the sew-age sludge ashes are determined by different measuring methods. The candidate ref-erence materials will be available as BAM-U200 und BAM-U201.
In Deutschland werden jährlich rund 20 Millionen Tonnen künstliche Mineralwolle für die Dämmung von Dächern und Fassaden sowie für Brandschutzprodukte verwendet. Um künstliche Mineralwolle aus Rückbaumaßnahmen in den Produktionsprozess zurückführen zu können, ist eine Trennung in Glas- und Steinwolle erforderlich, um eine Vermischung der beiden Produkte, die unterschiedliche Schmelztemperaturen aufweisen, zu vermeiden. Anstatt die Mineralwolle in spezielle Labors zu schicken, was zeitaufwendig und teuer ist, wurde das Potenzial eines tragbaren Nahinfrarot-Spektrometers (NIR) für den Einsatz vor Ort getestet. 140 verschiedene Mineralwolleproben wurden untersucht, um eine NIR-basierte Methode für die Vor-Ort-Unterscheidung zwischen Glas- und Steinwolle zu etablieren. Die Validierung der Methode mit Testproben und die Anwendung auf Materialien, die aus BigBags für Deponien entnommen wurden, haben gezeigt, dass die Methode präzise und robust ist. Als Referenzmethode wurde die Röntgenfluoreszenzspektroskopie (RFA) mit einer Kalibrierung auf der Grundlage der VDI 3492 verwendet.
Photoluminescence applications in the life and material sciences require bright molecular and nanocrystalline emitters, stimuli-responsive optical probes, signal enhancement, multiplexing, and barcoding strategies and traceable methods to quantify the signal-relevant optical properties of luminescent materials at the ensemble and single molecule/particle level. In this context, current research at Division Biophotonics of BAM is presented ranging from dye and nanocrystal photophysics, absolute measurements of photoluminescence quantum yields in the UV/vis/NIR/SWIR, lifetime multiplexing, and the development of different types of fluorescence standards for validating optical-spectroscopic measurements.
Neuartige Materialien, die bekannte (Werk-)Stoffe mit neuen Funktionalitäten ausstatten, spielen eine zunehmend wichtige Rolle im Bereich der Materialforschung und -prüfung. Das Spektrum neuartiger Materialien reicht von der gezielten Oberflächenfunktionalisierung und -strukturierung makroskopischer Materialien, dünnen Beschichtungen bis hin zu mikro- und nanoskaligen Kompositmaterialien und funktionalen Materialien an der Schnittstelle zur Biologie, Biotechnologie, nachhaltige Energiespeicherung und Sensorik. Dabei bieten neuartige Materialien die Chance, Werkstoffe und Produkte mit erweiterter oder verbesserter Funktionalität zu erhalten und Sicherheit bereits im Designprozess zu berücksichtigen. Durch dieses breite Anwendungsspektrum und die Herausforderungen, die solche Materialien für die Sicherheit in Chemie und Technik mit sich bringen, sind diese in allen Themenfeldern der BAM repräsentiert (Material, Analytical Sciences, Energie, Infrastruktur und Umwelt).
Die Aufgaben der BAM erstrecken sich dabei von der Herstellung von Referenzmaterialien für Industrie, Forschung und Regulation, über die Erstellung von standardisierten Referenzverfahren für nachhaltige Messungen im Umwelt- und Lebenswissenschaftsbereich bis hin zur Bereitstellung von belastbaren und zitierbaren Referenzdaten. Durch die genaue Charakterisierung neuartiger Materialien können potentiell problematische Substanzen identifiziert und deren Risiken besser abgeschätzt werden. In diesem Beitrag werden einige aktuelle Beispiele aus diesen Bereichen vorgestellt.
Per- and polyfluoroalkyl substances (PFAS) are chemicals which were developed to improve humanity’s quality of life. Due to their high chemical stability and resistance to degradation by heat or acids, PFAS were used in a variety of consumer products. The continuous use of PFAS in household products and the discharge of PFAS from industrial plants into the sewer system resulted in the contamination of effluents and sewage sludge from wastewater treatment plants (WWTPs) (Roesch et al. 2022). Since sewage sludge is often used as fertilizer, its application on agricultural soils has been observed as a significant entry path for PFAS into the environment, specifically in our food chain. In Germany the sewage sludge/biosolid application on agricultural land was banned with the amendment of the German Sewage Sludge Ordinance and by 2029 sewage sludge application will be totally prohibited. However, phosphorus (P) from sewage sludge should still be recycled in WWTPs of cities with a population larger than 50,000 residents. To produce high-quality P-fertilizers for a circular economy, PFAS and other pollutants (e.g. pesticides and pharmaceuticals) must be separated from sewage sludge. Due to the strong diversity of industrial PFAS usage it is not clear if a safe application of novel recycled P-fertilizers from WWTPs can be guaranteed. Therefore, we analyzed various sewage sludges and wastewater-based fertilizers. Sewage sludge (SL) samples from various WWTPs in Germany and Switzerland, six sewage sludge ashes (SSA) from Germany, six thermally treated SL and SSA samples with different additives (temperatures: 700-1050 °C), two pyrolyzed SL samples (temperature: 400 °C) and two struvite samples from Germany and Canada were analyzed. The goal was to quantify PFAS in sewage sludges and wastewater-based P-fertilizers with the sum parameter extractable organic fluorine (EOF) by combustion ion chromatography (CIC). The results were compared with data from classical LC-MS/MS target analysis as well as selected samples by HR-MS suspect screening. The EOF values of the SLs mainly range between 154 and 538 µg/kg except for one SL which showed an elevated EOF value of 7209 µg/kg due to high organofluorine contamination. For the SSA samples the EOF values were lower and values between LOQ (approx. 60 µg/kg) and 121 µg/kg could be detected. For the pyrolyzed SLs no EOF values above the LOQ were detected. Moreover, the two wastewater-based struvite fertilizers contain 96 and 112 µg/kg EOF, respectively. In contrast to the EOF values, the sum of PFAS target values were relatively low for all SLs. Additional applied PFAS HR-MS suspect screening aimed to tentatively identify PFAS that could contribute to the hitherto unknown part of the EOF value. The majority of the detected fluorinated compounds are legacy PFAS such as short- and long-chain perfluorocarboxylic acids (PFCA), perfluorosulfonic acids (PFSA), polyfluoroalkyl phosphate esters (PAPs) and perfluorophosphonic acids (PFPA). Moreover, fluorinated pesticides, pharmaceutical as well as aromatic compounds were also identified, which are all included in the EOF parameter. Our research revealed that the current PFAS limit of 100 µg/kg for the sum of PFOS + PFOA in the German Fertilizer Ordinance is no longer up to date. Since the number of known PFAS already exceeds 10,000, the ordinance limit should be updated accordingly. Recent regulations and restrictions on using long-chain PFAS (≥C8) have resulted in a significant shift in the industry towards (ultra-)short-chain alternatives, and other, partly unknown, emerging PFAS. Ultimately, also fluorinated pesticides and pharmaceuticals, which end up as ultrashort PFAS in the WWTPs, have to be considered as possible pollutants in fertilizers from wastewater, too.
Technology critical elements (TCE) are key materials for high-tech products such as smartphones, notebooks and monitors. Their demand is expected to increase exponentially as a result of the shift towards greener economy through the deployment of renewable energy and electro mobility solutions (European Green Deal). This and the lack of natural resources in the EU, puts the market under pressure and leads to increasing prices. The need to secure TCE supply has become even more pressing under the current health crisis and it is a major objective of the Covid-19 Recovery Plan aimed at reinforcing Europe’s resilience and autonomy. A sustainable solution for solving this problem is first through recycling and finally through a circular economy. However, the analysis of waste streams is a complicating factor and requires suitable analytical solutions first, which need to be traceable to the SI to allow for comparability of measurement results throughout the recycling process or the circular economy. The required reference materials certified for TCE in the corresponding waste or secondary raw materials and specific documentary standards for TCE to comply with ISO/IEC 17025 requirements, however, are lacking. Furthermore, wastes from the urban mine are extremely heterogeneous, which makes the estimation of their TCE content difficult. Currently there is a lack of knowledge at the European level about the TCE stocks and flows in the urban mine. Given the high volume of waste generated and received, fast reliable analytical methods as well as sampling and sample preparation strategies are needed to determine the economic value of the waste and of the final product and to develop recycling procedures. Within this project we focus on a set of TCEs(Co, Ga, Ge, In, Ta, Nd, Pr, Dy, Gd, La, Au, Pt, Pd, Rh), which have been selected from the list of critical elements for Europe established by the EU in 2017. The overall objective of the project is to provide reliable and SI traceable determination of TCE in urban waste material at µg/g levels in order to increase the efficiency and accuracy of TCE recycling. This will be realized by developing validated SI-traceable reference methods, developing traceable and validated reference materials for the TCEs, validating the use of the routine methods and reference materials for real world applications and facilitating the take up of the technology and measurement infrastructure developed in the project by the measurement supply chain, standards developing organisations and end users.
Technologie-kritische Elemente (TCE) sind unentbehrliche Materialien für High-Tech Produkte wie Smartphones, Notebooks und Monitors. Ihr Bedarf wird voraussichtlich aufgrund des gesellschaftlichen Wandels hin zu einer grünen Ökonomie exponentiell ansteigen. Dieser Wandel wird vor allem auch durch erneuerbare Energien und Elektromobilität geprägt (European Green Deal). Diese Entwicklung in Verbindung mit einer nahezu fehlenden TCE Produktion in Europa setzt den Markt unter Druck und führt zu steigenden Preisen. Die Sicherung des TCE Nachschubs wurde in der gegenwärtigen Gesundheitskrise noch dringender und wurde daher auch zu einem der Hauptthemen des COVID-19 Recovery Plan, der eine Stärkung der europäischen Resilienz und Autonomie zum Ziel hat. Ein nachhaltige Lösung ist das Recycling der Abfall- bzw. Wertstoffe und letztendlich eine Circular Economy. Allerdings ist die Analyse von Abfallströmen schwierig und erfordert geeignete analytische Lösungen, die SI-rückführbare und somit vergleichbare Messergebnisse im gesamten Recyclingprozess ermöglichen. Die dafür erforderlichen, für TCE zertifizierte, Referenzmaterialien und nötige standardisierte Verfahren fehlen bisher nahezu vollständig. In diesem Beitrag werden die analytischen Herausforderungen, wie z.B. die extreme Heterogenität der Materialien, Schwierigkeiten beim Probenaufschluss und das Fehlen von Referenzmaterialien diskutiert. Und es wird das EMPIR-Projekt MetroCycleEU vorgestellt, dessen Ziel es ist Referenz- und Routineverfahren für ausgewählte TCE (Co, Ga, Ge, In, Ta, Nd, Pr, Dy, Gd, La, Au, Pt, Pd, Rh) zu entwickeln und Referenzmaterialien für Platinen, LEDs und Li-Batterien bereitzustellen.
Two nanosensors for simultaneous optical measurements of temperature (“T”), oxygen (“O”), and pH (“P”) have been designed. These “TOP” nanosensors are based on 100 nm-sized silica-coated polystyrene nanoparticles (PS-NPs) doped with the near infrared emissive oxygen- and temperature-sensitive chromium(III) complex ([Cr(ddpd)2][BPh4]3 CrBPh4)[1][2] and an inert reference fluorescence dye (Nile Red NR or 5,10,15,20-tetrakis-(pentafluorophenyl) porphyrin TFPP) and are covalently labeled with the pH-sensitive fluorophore fluorescein isothiocyanate (FITC). These emitters can be excited at the same wavelength and reveal distinguishable emission spectra suitable for ratiometric intensity-based and time-resolved studies in the visible and near infrared spectral region. The core-shell nanostructure of these sensors reveals high colloidal stability in various aqueous media. Studies in PBS buffer solutions and in a model body liquid demonstrate the applicability of the TOP nanosensors for optically detecting the three bioanalytically and biologically relevant analytes temperature, oxygen and pH simultaneously at the same position.