Chemische Charakterisierung und Spurenanalytik
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Inputs of plastic impurities into the environment via the application of fertilizers are regulated in Germany and the EU by means of ordinances. Robust and fast analytical methods are the basis of legal regulations. Currently, only macro- and large microplastic contents (>1 mm) are measured. Microplastics (1–1,000 µm), are not yet monitored. Thermal analytical methods are suitable for this purpose, which can determine the mass content and can also be operated fully automatically in routine mode. Thermal extraction desorption-gas chromatography/mass spectrometry (TED-GC/MS) allows the identification of polymers and the determination of mass contents in solid samples from natural environments. In accordance with the German or European Commission (EC) Fertiliser Ordinance, composting plants should be monitored for microplastic particles with this method in the future. In this context a compost plant was sampled. At the end of the rotting process, the compost was sieved and separated in a coarse (>1 mm) and a fine fraction (<1 mm). The fine fraction was processed using density separation comparing NaCl and NaI as possible salt alternative and screened for microplastic masses by TED-GC/MS with additional validation and quality assurance experiments. With TED-GC/MS total microplastics mass contents of 1.1–3.0 μg/mg in finished compost could be detected with polyethylene mainly. What differs much to the total mass of plastics in the coarse fraction with up to 60 μg/mg, which were visually searched, identified via ATR-FTIR and gravimetrically weighted.
In recent years, thermoextraction/desorption-gas chromatography/mass spectrometry (TED-GC/MS) has been developed as a rapid detection method for the determination of microplastics (MP) mass contents in numerous environmentally relevant matrices and, in particular, for the measurement of polymers in water samples without time-consuming sample preparation. The TED-GC/MS method was applied to investigate a typical European municipal wastewater system for possible MP masses. Such investigations are important in view of the recent revision of the Urban Wastewater Treatment Directive. Four different representative sampling sites were selected: greywater (domestic wastewater without toilet), combined sewer, and influent and effluent of a wastewater treatment plant (WWTP). All samples were collected by fractional filtration. Filtration was carried out over mesh sizes of 500, 100, 50, and in some cases, 5 µm. Polyethylene (PE), polypropylene (PP), and polystyrene (PS) were detected in all samples, with the PE fraction dominating in all cases. Styrene-butadiene rubber which serves as an indication of tire abrasion, was only found in the influent of the WWTP. The highest MP mass contents were found in the combined sewer, so MP can become a source of pollution during heavy rain events when the capacity limits of the effluent are reached, and the polluted effluent is released uncontrolled into the environment. Based on the studies, MP retention from the WWTP could be estimated to be approximately 96%. Few trends in polymer type or mass contents were detected within the different fractions of the samples or when comparing samples to each other.
Tire wear (TW) constitutes a significant source of microplastic in terrestrial ecosystems. It is known that particles emitted by roads can have an effect up to 100 m into adjacent areas. Here, we apply for the first-time thermal extraction desorption gas chromatography-mass spectrometry (TED-GC/MS) to determine TW in soil samples by detection of thermal decomposition products of styrene-butadiene rubber (SBR), without additional enrichment. Additionally, zinc contents were determined as an elemental marker for TW. Mixed soil samples were taken along three transects along a German motorway in 0.3, 2.0, and 5.0 m distance from the road. Sampling depths were 0–2, 2–5, 5–10, and 10–20 cm. Four fine fractions, 1 000–500, 500–100, 100–50, and <50 μm, were analyzed.
TW contents based on SBR ranged from 155 to 15 898 mg kg−1. TW contents based on zinc were between 413 and 44 812 mg kg−1. Comparison of individual values of SBR and zinc reveals SBR as a more specific marker. Results confirm that most TW ends up in the topsoil within a 2 m distance.
The sampling strategy resulted in representative data for a larger area. Standard deviations of quadruple TED-GC/MS determination of SBR were <10% for all grain size fractions. TED-GC/MS is a suitable analytical tool for determining TW in soil samples without the use of toxic chemicals, enrichment, or special sample preparation.
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.
Microplastic detection in water samples becomes important for tracing microplastic sources. Microplastic may harm desalination facilities by blocking filters and disturbing the marine food chain. Thermo analytical methods such as pyrolysis gas chromatography mass spectroscopy, and spectroscopic methods like (micro) Raman spectroscopy or (micro) Fouriertransform infrared spectroscopy in combination with appropriate filters and sample preparation are suitable for analyzing microplastics on a scale from 1 µm to 1000 µm fast and unambiguous. While the thermo analytical methods are suitable for larger sample volumes, Raman spectroscopy and Fouriertransform infrared spectroscopy are able to detect and analyze single microplastic particles for instance in bottled water. Machine learning algorithms ensure a reliable classification of different plastic materials.
Detektion von Mikroplastik
(2022)
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).
In this breakout session first, an introduction is given on the planning and organisation of an inter-laboratory comparison (ILC) under the pre-standardisation plattform VAMAS within the newly formed technical working area TWA 45 Micro and Nano Plastics in the Environment. An update with the ILCs on micro- and nanoplastic performed so far is also given. In the third part, the requirements for a reference materials are presented. The needs from the different H2020 micro- and nanoplastic projects are collected and compiled in an ILC matrix for joint activities as the next steps.
The occurrence of microplastic (MP) in food products, such as beverages in plastic bottles, is of high public concern. Existing analytical methods focus on the determination of particle numbers, requiring elaborate sampling tools, laboratory infrastructure and generally time-consuming imaging detection methods. A comprehensive routine analysis of MP in food products is still not possible. In the present work, we present the development of a smart filter crucible as sampling and detection tool. After filtration and drying of the filtered-off solids, a direct determination of the MP mass content from the crucible sample can be done by thermal extraction desorption gas chromatography mass spectroscopy (TED-GC/MS). The new filter crucible allows a filtration of MP down to particle sizes of 5 µm. We determined MP contents below 0.01 µg/L up to 2 µg/L, depending on beverages bottle type. This may be directly related to the bottle type, especially the quality of the plastic material of the screw cap. Dependent on the plastic material, particle formation increases due to opening and closing operations during the use phase. However, we have also found that some individual determinations of samples were subjected to high errors due to random events. A conclusive quantitative evaluation of the products is therefore not possible at present.
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.
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)
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.
A harmonization of sampling, sample preparation and detection is pivotal in order to obtain comparable data on microplastics (MP) in the environment. This paper develops and proposes a suitable sampling concept for waterbodies that considers different plastic specific properties and influencing factors in the environment.
Both artificial water including defined MP fractions and the discharge of a wastewater treatment plant were used to verify the derived sampling procedure, sample preparation and the subsequent analysis of MP using thermal extraction-desorption gas chromatography - mass spectrometry (TED-GC-MS).
A major finding of this paper is that an application of various particle size classes greatly improves the practical handling of the sampling equipment. Size classes also enable the TED-GC-MS to provide any data on the MP size distribution, a substantial sampling property affecting both the necessary sampling volume and the optimal sampling depth.
In the artificial water with defined MP fractions, the recovery rates ranged from 80 to 110%, depending on the different MP types and MP size classes. In the treated wastewater, we found both Polyethylene and polystyrene in different size classes and quantities.
The occurrence of small particles consisting of organic polymers, so-called microplastic (MP), in aquatic Environments attracts increasing interest in both public and science. Recent sampling campaigns in surface Waters revealed substantial numbers of particles in the size range from a few micrometers to a few millimeters. In order to validate sample preparation, identification and quantification and to investigate the behavior of MP particles and potential toxic effects on organisms, defined MP model particles are needed. Many studies use spherical compounds that probably behave differently compared to irregularly shaped MP found in environmental samples.
However, preparation and handling of MP particles are challenging tasks and have been systematically investigated in the present study. Polystyrene (PS) as a commonly found polymer with a density slightly above that of water was selected as polymer type for milling and fractionation studies. A cryogenic ball mill proved to be practical and effective to produce particles in the size range from 1 to 200 μm. The yield of small particles increased with increasing pre-cooling and milling durations. Depending on the concentration and the size, PS particles do not completely disperse in water and particles partly creep vertically up along glass walls. Stabilized MP suspensions without use of surfactants that might harm organisms are needed for toxicological studies. The stabilization of PS particle suspensions with ozone treatment reduced the wall effect and increased the number of dispersed PS particles but increased the dissolved organic carbon concentration and changed the size Distribution of the particles.