Chemische Charakterisierung und Spurenanalytik
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Mehrere Aspekte wurden im Hinblick auf die Standardisierung eines geeigneten Verfahrens für die Analyse sehr flüchtiger organischer Verbindungen (VVOCs) untersucht. Die Verwendung gasförmiger Standards ist notwendig und es wurde ein stabiles Standardgasgemisch aus 60 Substanzen erfolgreich erzeugt und auf Stabilität und Reaktivität überprüft. Die Eignungsuntersuchung verschiedener Chromatographiesäulen ergab, dass PLOT-Säulen (Porous Layer Open Tubular) für die VVOC-Analytik gut geeignet sind. Für die 60 Analyten wurden Wiederfindungsraten auf mehreren Adsorbenzien und deren Kombinationen bestimmt. Dabei zeigte eine Kombination aus einem graphitierten Ruß und einem Kohlenstoff-Molekularsieb hervorragende Ergebnisse für alle Zielkomponenten. Nachteilig an Kohlenstoff-Molekularsieben ist, dass sie Wasser adsorbieren, was die Analyse beeinträchtigen kann. Zur Wasserentfernung wurden verschiedene Optionen wie das Trockenspülen oder der Einsatz eines Trocknungssystems untersucht.
Wasserzeichen und Papierstrukturen können einen wesentlichen Beitrag bei der Analyse von Kunstobjekten auf Papier darstellen. Ausgangspunkt hierfür bildet die korrekte Dokumentation mit entsprechender Bildaufnahme und der richtigen Erfassung und Interpretation der Phänomene. An Fallbeispielen aus Forschungsprojekten zu niederländischen Zeichnungen am Kupferstich-Kabinett Dresden und der Grafischen Sammlung Weimar sollen die Möglichkeiten der Papier- und Wasserzeichenforschung als historische Hilfswissenschaft demonstriert werden. Dieser Abendvortrag dient zugleich als Einführung in die Technologie der (Hand-)Papierherstellung, Wasserzeichenerfassung und –recherche.
Summary: A screening test for potential emissions of volatile organic compounds (VOC) was run on different thermoplastic filaments used for 3D printing. The method of direct thermal desorption was used to simulate the high temperatures during the 3D printing process and to identify the main compounds emitted from the filaments. A large number of unexpected compounds were detected that might affect the user’s health and have an impact on indoor air chemistry.
Introduction: The use of desktop 3D printers is increasing. Compared to other devices with known emissions, e.g. laser printers, there is still a lack of information on possible emissions of VOC and ultrafine particles during operation and the effect on indoor air quality. Most of the commercially available desktop 3D printers operate with a molten polymer deposition. For this process a solid thermoplastic filament is heated in an extrusion nozzle. Most filaments for desktop 3D printers use either acrylonitrile butadiene styrene (ABS) or polylactic acid (PLA) as filament. Alternatives are polyvinyl alcohol (PVA) or polycarbonate (PC).
Method: Eight different thermoplastic filaments for 3D printers were analysed by direct thermal desorption followed by GC-MS identification of the emitted substances. Direct thermal desorption was done by desorbing 5 mg of the feedstock for 1 minute at a temperature of 210°C. This is an average temperature for 3D printing with thermoplastic filaments.
Results and conclusions: The comparison of the 4 different filament groups showed the highest overall emissions from ABS, followed by PLA, PC and PVA. Filament ABS 2 emitted mainly SVOCs and triphenyl phosphate, the latter has the highest emission for a single compound from all evaluated filaments.
Thermoplastic filaments are a new source of VOC emissions due to the high temperatures associated with 3D printing, which can reach up to 270°C. Some of the detected compounds like lactic acid, lactide and bisphenol A have never been described before in the indoor environment. Additionally some of the main substances could not be identified and some others might have the potential to affect the indoor air chemistry.
The appearance of some newly detected compounds raises concerns about potential health effects for the users of 3D printers at home.
In der Berliner Sammlung "Manuscripta Americana" befinden sich Fragmente von Bilderhandschriften, die Alexander von Humboldt 1804 in Mexiko erwarb und der Königlichen Bibliothek schenkte. Die in der frühen Kolonialzeit hergestellten verschiedenartigen Codices waren damals schon nicht mehr an den Orten ihrer ursprünglichen Verwendung. Entsprechend ihres Seltenheitswertes gelangten einzelne Schriftstücke seit der Conquista in die Bestände bedeutender Persönlichkeiten. Hierzu fertigte man auch Abschriften oder Kopien an, oder zerstückelte sogar einzelne Blätter, so dass die Darstellungen auf den abgetrennten Fragmenten oft nur zum Teil abgebildet vorliegen.
Um herauszufinden, ob einige Schriftstücke der "Humboldt Codices" in Bezug zu einander stehen, werden die Dokumente, ihre Symbole und Schriftzeichen und das zur Herstellung verwendete Material miteinander verglichen.
Mit den für die Analyse von Manuskripten bewährten Untersuchungsmethoden werden Papier und Farbmittel identifiziert. Hierzu zählen Raman-, FTIR-, Röntgenfluoreszenz- und VIS- Spektroskopie. Charakteristisch für die Herstellung von schriftlichen Dokumenten in der Kolonialzeit von Amerika ist die Verwendung von indigenem Material wie Papier aus Baumrinde und Pflanzenfarben zusammen mit den aus Europa bekannten Materialien. Geklärt wird, inwieweit neben den bekanntesten Farbstoffen wie Cochenille, Mayablau oder Mischungen mit Tonmineralen auch mineralische Pigmente zum Einsatz kamen.
Vorgestellt werden die auf Tafel 36 in den "Vues des Cordillères et Monuments des Peuples Indigènes de l`Amerique, Voyage de Humboldt et Bonpland" abgebildeten Fragmente. Die hier von Humboldt vorgenommene Zusammenstellung wird mit der Farbpalette der in Berlin archivierten originalen Schriftstücke verglichen. Die Interpretation der Ergebnisse gibt einen Hinweis auf die Zuordnung oder auch Zusammengehörigkeit dieser einzigartigen Dokumente amerikanischer Geschichte. Hierbei wird die Frage aufgeworfen, inwiefern davon auszugehen ist, dass diese mit weiteren Fragmenten in Verbindung gebracht werden können, was für die Beleuchtung der kulturhistorischen Zusammenhänge von großer Bedeutung ist.
Thermal Destruction of PFAS
(2023)
Thermal treatment processes are currently the only full-scale option for thedestruction of per- and polyfluoroalkyl substances (PFAS) in large waste streams. While all organic molecules including PFAS are susceptible to thermal destruction, their decomposition rates are controlled by process variables such as temperature, reaction atmosphere, and residence time. Concerns exist about the formation of products of incomplete destruction and their emission from hazardous waste incinerators. This talk will summarize the current stateof-the-art of thermal PFAS destruction, identify research needs, and showcase future research designed to address critical knowledge gaps.
Gegenstand des Projekts ist die Prüfung der Umweltbeständigkeit und -verträglichkeit von Materialien und Produkten hinsichtlich der Emission von potenziellen Schadstoffen in die Umwelt. Hierzu werden chemisch-physikalische Einflüsse (Bewitterung) und mikrobielle Beanspruchungen an Modellmaterialien evaluiert. So werden die Freisetzungsraten von Schadstoffen in Abhängigkeit der Beanspruchung beschrieben. Als Modellmaterialien kommen die Polymere Polycarbonat, Polytetrafluorethylen, Polystyrol und Polypropylen zum Einsatz. Synergistische Effekte der Bewitterungsparameter und der mikrobiologischen Beanspruchung sollen dabei ebenso betrachtet werden, wie die gezielte Alterung. Auch findet eine Beschreibung des Verhaltens der ausgetragenen Schadstoffe in den Umweltkompartimenten Boden oder Wasser statt. Hier sind mit Hilfe der zu entwickelnden Screening- und non-Target-Analyseverfahren die Transformation und der Metabolismus durch Mikroorganismen zu beschreiben. Aus den Ergebnissen sollen Korrelationen zwischen den künstlichen Alterungsverfahren und realen Szenarien abgeleitet werden, die es gestatten, Schnellprüfverfahren zu etablieren, die die Simulation der realen Beanspruchungen im Zeitraffermodell anwendbar machen. Somit sollen standardisierbare Schnellbeanspruchungs-verfahren erarbeitet werden, die als Prüfeinrichtungen etabliert werden und von externen Auftraggebern zur Prüfung der Umweltbeständigkeit und -verträglichkeit von neuen Materialien genutzt werden können. Die Umweltwirkungen (chemisch-physikalisch und mikrobiologisch) sollen so definiert eingesetzt werden, dass eine reproduzierbare Prüfung möglich wird. Aus diesen Verfahren und Methoden sollen Normen abgeleitet werden, die eine standardisierte Materialprüfung ermöglichen.
Volatile organic compounds (VOCs) emitted by furniture and
building materials can cause health issues. For an
improvement of indoor air quality low emitting materials
should be used. Quality assurance and –control (QA/QC)
measures require an emission reference material (ERM) with a
predictable emission rate of VOCs. The idea is to use porous
materials as ERM, which store the VOCs inside their pores and
emit them constantly.
Per- und polyfluorierte Alkylsubstanzen (PFAS) im Klärschlamm - Analytische Methoden und Grenzwerte
(2022)
Per- und Polyfluoralkylsubstanzen (PFAS) sind eine Gruppe von mehr als 4700 anionischen und kationischen anthrophonen Stoffen, die aufgrund ihrer inerten chemischen Stabilität und ihrer Widerstandsfähigkeit gegen den Abbau durch Hitze oder Säuren in einer Vielzahl von Produkten verwendet werden. Infolge der ständigen Verwendung, vor allem in Feuerlöschschäumen für die Luftfahrt, wurden in Tausenden von Industrie- und Militäranlagen kontaminierte Böden und Grundwasservorkommen gefunden. Aufgrund der ständigen Verwendung von fluorierten Konsumgütern haben sich jedoch auch Abwässer und Klärschlamm aus Kläranlagen als Quelle für die Kontamination der aquatischen Umwelt mit PFAS erwiesen. Infolge der strengeren Vorschriften und Beschränkungen, die in den letzten Jahren für die Verwendung langkettiger (≥C8) PFAS erlassen wurden, findet in der chemischen Industrie eine deutliche Verlagerung hin zur Herstellung kurz- (C4-C7) und ultrakurzkettiger (C1-C3) Alternativen statt. Mit der Novellierung der Klärschlammverordnung im Jahr 2017 hat der deutsche Gesetzgeber die Ausbringung von Klärschlamm auf landwirtschaftlichen Flächen verboten, und bis 2029/2032 wird die Ausbringung von Klärschlamm in der Landwirtschaft vollständig verboten sein. Während die Belastung der Umwelt mit organischen Schadstoffen wie PFAS, Pestiziden und Arzneimitteln nicht mehr erwünscht ist, muss Phosphor (P) aus Klärschlamm weiterhin zur Herstellung hochwertiger P-Dünger für eine Kreislaufwirtschaft genutzt werden. Derzeit können pflanzenverfügbare P-Düngemittel aus Klärschlamm/Abwasser mit verschiedenen Behandlungsmethoden hergestellt werden, darunter Fällung, Auslaugung und thermische Behandlung. Der Verbleib von PFAS bei der Auslaugung, Ausfällung und Behandlung von Klärschlamm und Abwasser ist jedoch noch weitgehend unbekannt.
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.
A brief perspective of BAM on nanocarriers is presented including examples with special emphasis on the characterization of such materials and underlying challenges. In this respect, also ongoing activities at BAM on different types of core/shell nanomaterials and related systems are briefly summarized.
Heute stimmen die meisten Gelehrten und Historiker darin überein, dass die Höhlen von Qumran eine Essener-Bibliothek beherberg-ten. Über ihren Ursprung, sowie die Herkunft der einzelnen Schriften, wird noch immer rege debattiert. Der aktuelle Beitrag präsentiert detaillierte Lösungsansätze zu Klärung der Provenienzfrage der Schriftrollen von Qumran.
Our study is dedicated to non-destructive characterization of the support and the inks of the DSS.
To that aim we use micro-XRF, 3D- SY-XRF, different IR methods including synchrotron radiation based reflectance spectroscopy, optical and electron microscopy.
The lecture discusses advantages and the shortcomings of the non-destructive testing approach.
Natural sciences play auxiliary role in the studies of manuscripts. The success of their contribution depends strongly on the formulation of the question and the choice of the methods to obtain the requested answer. Therefore, one should try to go beyond the understanding of the basic principles of the scientific analysis.
We will start with a glance at the basic principles of the techniques used in the material science for determination of the elemental composition (X-ray emission) and molecular composition (FTIR & Raman). We will move then to the bench and mobile equipment commonly used in the field of cultural heritage. At the end we will choose a question to be answered and design an ideal experiment that will be modified according to the limitations dictated by on-site conditions.
In the ateliers in the afternoon we will
a) compare two XRF devices that differ in their spatial resolution;
b) use a high resolution microscope (Keyence) to obtain a close look at writing surfaces and materials;
c) we will learn to determine the type of the inks with the help of another microscope (DinoLite AD413T-12V), a usb microscope with visible, UV and NIR illumination;
d) we will learn to use FTIR-ATR device for determination of the type of the writing surface;
e) We will use mobile Raman device for identification of pigments.
Gegenstand der vorzustellenden Arbeiten ist die Prüfung der Umwelt-beständigkeit und -verträglichkeit von Materialien und Produkten hinsichtlich der Emission von potenziellen Schadstoffen in die Umwelt. Hierzu werden chemisch-physikalische Einflüsse (Bewitterung) und mikrobielle Beanspruchungen an Modellmaterialien evaluiert. So werden die Freisetzungsraten von Schadstoffen in Abhängigkeit der Beanspruchung beschrieben. Als Modellmaterialien kommen die Polymere Polystyrol (PS) und Polypropylen (PP) zum Einsatz. Synergistische Effekte der Bewitterungsparameter und der mikrobiologischen Beanspruchung sollen dabei ebenso betrachtet werden, wie die gezielte Alterung. Auch findet eine Beschreibung des Verhaltens der ausgetragenen Schadstoffe (polybromierte Flammschutzmittel) in den Umweltkompartimenten Boden oder Wasser statt. Hier sind mit Hilfe der zu entwickelnden Screening- und non-Target-Analyseverfahren die Transformation und der Metabolismus durch Mikroorganismen zu beschreiben. Aus den Ergebnissen sollen Korrelationen zwischen den künstlichen Alterungsverfahren und realen Szenarien abgeleitet werden.
Formaldehyd gilt als krebserregend und wird von Spanplatten und Sperrholz emittiert, die bei der Spielzeugherstellung verwendet werden. Die Untersuchungsänter benötigen eine wirtschaftliche und zuverlässige Methode. Die Anwendung miniaturisierter Emissionsprüfkammern wurde getestet und mit größeren Emissionsprüfkammern und die Flaschenmethode verglichen. Eine Expositionsabschätzung wird auch vorgestellt.
Formaldehyde is considered as carcinogenic and is emitted from particleboards and plywood used in toy manufacturing. Currently, the flask method is frequently used in Europe for market surveillance purposes to assess formaldehyde release from toys, but its concordance to levels measured in emission test chambers is poor. Surveillance laboratories are unable to afford laborious and expensive emission chamber testing to comply with a new amendment of the European Toy Directive; they need an alternative method that can provide reliable results. Therefore, the application of miniaturised emission test chambers was tested. Comparisons between a 1 m3 emission test chamber and 44 mL microchambers with two particleboards over 28 days and between a 24 L desiccator chamber and the microchambers with three puzzle samples over 10 days resulted in a correlation coefficient r2 of 0.834 for formaldehyde at steady state. The correlation between the results obtained in microchambers vs. flask showed a high variability over 10 samples (r2: 0.145), thereby demonstrating the error-proneness of the flask method in comparison to methods carried out under ambient parameters. An exposure assessment was also performed for three toy puzzles: indoor formaldehyde concentrations caused by puzzles were not negligible (up to 8 μg/m3), especially when more conservative exposure scenarios were considered.
Environmental sustainability and –stability of Materials concerning the Migration of pollutants
(2018)
MaUS is an acronym for ”Material und Umweltsimulationen“. Plastics are in the focus of environmental politics due to their long-term behaviour and therefore to their persistence. Not only that they appear as visible contaminants in the sea and on the beach, but their unknown behaviour concerning their additives as well as the related transformation products are anxious. Therefore, we wish to establish a certified reference method to provide a method for testing plastics.
Aim of this project is the development of fast motion standard reference methods for testing plastics regarding to their environmental compatibility. To establish these testing methods, we use polystyrene (PS) and polypropylene (PP) with environmental relevant brominated flame retardants, known for their persistent bioaccumulative and toxic (PBT) properties. In case of PS the material contains 1 wt% of 1,2,5,6,9,10-hexabromocyclododecan (HBCD) and in case of PP 0.1 wt% bromodiphenylether (BDE-209), which is known as a substance of very high concern (SVHC). Furthermore, we use polycarbonate (PC), which is still used as material in baby flasks and releases Bisphenol A (BPA), an estrogenic active substance.
As an additional material PTFE is used for its importance as a source for two ubiquitous environmental substances (PFOS and PFOA), whose toxicological effects are still incompletely known.
The focus in this current work is set on the transfer of potential pollutants out of applied materials mentioned above into environmental compartments like water or soil. Here an accelerated aging concept should be developed to shortened time consuming natural processes. For these resulting simulations we use a programmable weathering chamber with dry and wet periods and with high and low temperatures. These programmes run for several weeks and according to a defined sampling schedule we take water samples, run a clean-up procedure by SPE (Molecular imprinted polymers (MiPs) resp. polymer-based cartridges (Waters Oasis HLB)) and analyse them by HPLC-UV resp. LC-MS/MS. Of most interest in case of flame retardants are photocatalytic transformation products. Therefore, we conduct a non-target-screening resp. a suspected target-screening by LC-MS/MS and HRMS.
Environmental sustainability and –stability of materials concerning the migration of pollutants
(2019)
In addition to previously reported results on the accelerated weathering of polystyrene samples (PS) containing 1 wt. % hexabromocyclododecane (HBCD), we present the first results of our investigations of polypropylene samples (PP) containing 0.1 wt. % BDE-209. All studied polymer samples were exposed to a defined weathering schedule in a climate chamber in accordance to regulation EN ISO 4892-3:2006. For the determination of BDE-209 in the collected raining water the samples were prepared in accordance to a validated protocol. Before the analyses each sample was spiked with isotopically labeled BDE-209. Subsequently the samples were extracted with isooctane. The obtained extracts were concentrated, and the resulting solutions were analyzed by GC/MS. Additionally, the total bromine content was monitored for the weathered and untreated samples using laser ablation inductively coupled plasma mass spectrometry (LA-ICP-MS) and X-ray fluorescence analysis (XRF) as a non-destructive and rapid method. In general, the resulting data from the accelerated weathering will be compared to those from the natural weathering experiments. Here, the surfaces of the test pieces were analyzed by LA-ICP-MS and XRF as well. Moreover, soil bed tests were conducted in a well characterized model soil. This soil (boulder-clay, sand with 12 % loam, particle size in total 0.2-4 mm) is filled in a free-draining basin inside of an air-conditioned cellar. In this manner, TOC, water capacity and humidity are recorded parameters. To induce a leaching process from the samples by the raining water, the target water content is calculated to 8%. The actual humidity is measured by a tensiometer, assuring the duration of the raining period. A defined humidity is a fundamental parameter for a biological activity in the soil. The test polymers were placed up to the half in the soil. Microbial activity of the soil is monitored by a reference polymer (polyurethane) and should induce the release of HBCD and BDE-209 out of the test materials. These released analytes will be captured by passive samplers (silicone tubes) placed in a distinct distance to the polymer samples in the soil. The soil bed experiments are complementary to the weathering experiments due to the biological activity in the soil.
The chemical emissions from products are tested by means of emission test chambers under defined conditions (climate, loading, air change rate). The standard method for the determination of volatile organic compounds (VOC) is the sampling onto Tenax-tubes followed by thermal desorption (TDS) and gas chromatography-mass spectrometry (GC-MS) analysis. The EU-LCI list includes some very volatile organic compounds (VVOC) and some VOC for which there are limitations when using the standard method. For VVOC additional sampling is required using stronger absorbers like Carbotrap or multi-bed adsorption tubes. The analysis of VVOC also requires a different GC oven program and a different column for the separation. For the determination of formaldehyde and other low boiling aldehydes (e.g. acetaldehyde, acetone, propanal, propenal) DNPH-cartridges are used which are extracted with acetonitrile followed by liquid chromatography (HPLC-UV) analysis. The derivatisation of propenal and other unsaturated aldehydes (e.g. 2-butenal) with DNPH might lead to lower findings due to incomplete derivatization and forming of by-products. For a better quantification of acetic acid the use of ion chromatography (IC) is recommended because the analysis of acetic acid with the standard method (TDS) leads to lower findings due to break through during sampling. The use of ion chromatography for the analysis of organic acids requires a third sampling technique. The acids are adsorbed onto silica-gel and extracted with water.