Analytische Chemie
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Quo Vadis – Kurzdarstellung
Im Fokus von Quo Vadis stehen die Qualitätssicherung von Verbundwerkstoffen und die Validierung der Zentrifugentechnologie zur quantitativen Bestimmung von Festigkeitswerten in der Beanspruchung auf Zug als Mehr-Proben-Prüfverfahren unter Verwendung einer analytischen Zentrifuge (nachfolgend als „Adhesion Analyser LUMiFrac®“ bezeichnet). Zu den Festigkeiten, die mit Hilfe des LUMiFrac® unter Verwendung aufgeklebter Prüfstempel bestimmt werden, gehören die Fügefestigkeit (FF) von Klebverbindungen, die Haftfestigkeit (HF) von Beschichtungen sowie die Verbundfestigkeit (VF) von Faserverbundwerkstoffen. Aufbauend auf zwei Funktionsmustern der analytischen Zentrifuge sollen für die genannten Anwendungsszenarien (FF, HF, VF) in Anlehnung an die geltenden Normen DIN EN 15870 „Klebstoffe – Zugprüfung zur Bestimmung der Zugfestigkeit von Stumpfklebungen“ und DIN EN ISO 4624 „Beschichtungsstoffe – Abreißversuch zur Beurteilung der Haftfestigkeit“ geeignete Prüfstrategien und -abläufe sowie zum Klebprozess kompatible Aufnahmen für den Prüfkörperverbund in der Zentrifuge entwickelt werden.
Im Ergebnis des Vorhabens soll ein automatisiertes und validiertes Mehr-Proben-Prüfverfahren zur Qualitätssicherung von Verbundfestigkeiten zur Verfügung stehen, welches neben der Hardware auch eine Software für die angepassten Prüfstrategien in Form von SOPs (standard operating procedures) bereitstellt.
Im Fokus steht die Qualitätssicherung mit Blick auf Herstellung, Modifizierung, Handling und Erprobung von PLASMA-kompatiblen Partikeln zur gepulsten in-situ Injektion von ex-situ hergestellten Partikeln für add-on Funktionen in und zur Identifikationsprüfung von BeschichTungen (PLASMA-FIT). Im Kern war zunächst zu prüfen, welche Klassen ex-situ hergestellter Partikel unterschiedlichster Materialien überhaupt bzw. unter welchen Bedingungen PLASMA-fit sind oder unter welchen Randbedingungen PLASMA-fit gemacht werden können. In den dazugehörenden Projektphasen Screening und Adaption stand dabei das komplexe Beanspruchungsszenario bestehend aus Vakuum-, Temperatur- und wenigstens kurzzeitiger Plasmabeständigkeit der ex-situ bereitgestellten Partikel im Fokus. In der Projektphase Applikation sollte dann unter Verwendung einer modifizierten Plasmaquelle (BAM-Patentanmeldung, beabsichtigte Lizenznahme durch Fa. CemeCon, Optionsvertrag) hinsichtlich der Realisierbarkeit, Prüfung und Qualitätssicherung von Plasmadispersionsschichten ein erster Praxistest zur in-situ Injektion von Partikeln in einen laufenden Beschichtungsprozess, zur Realisierung funktioneller Eigenschaften z.B. zur Identifikation oder Authentifizierung von Originalteilen, vorgenommen werden
Recommendations on a Revision of the EC Definition of Nanomaterial Based on Analytical Possibilities
(2015)
In October 2011 the European Commission (EC) published a "Recommendation on the definition of nanomaterial" (2011/696/EU), to promote consistency in the interpretation of the term "nanomaterial" for legislative and policy purposes in the EU. The EC NM Definition includes a commitment to its review in the light of experience and of scientific and technological developments. This review is ongoing in 2015 and as a contribution to the review the Joint Research Centre of the European Commission (JRC) has already developed a series of three scientific-technical reports with the title: “Towards a review of the EC Recommendation for a definition of the term nanomaterial” which provides to the EC policy services science-based options on how the definition could be revised or supported with additional guidance.
The overarching nature and wide scope of the EC NM Definition, as it does not exclude a priori any particulate material regardless the state, form and size, creates many analytical challenges in its imple-mentation for all stakeholders, including enterprises and regulators.
The NanoDefine project has as core objective to support the implementation of the EC NM Definition. In this report key aspects of the EC NM Definition are addressed, with the goal to improve the implement-ability of the EC NM Definition. These aspects are presented and discussed based on the results of two years of research performed within the framework of the project. As a result this report assesses how well the requirements of the EC NM Definition can be fulfilled with currently available analytical possi-bilities. It presents recommendations and options on a revision of the EC NM Definition to improve the implementability of the definition based on currently available analytical possibilities, according to the state of the art of mid-2015.
Of the technical issues considered in this report, the following seem to deserve the most attention in terms of clarification of the definition and/or provision of additional implementation guidance:
The term ‘external dimension’.
A clear definition of 'External dimension' should be included in the text of the EC NM definition and more precise guidance on what is considered as an external dimension and how to properly character-ise it should be provided.
The ‘number based particle size distribution‘.
The EC NM Definition uses a threshold related to the number based size distribution of particles. Yet most of the easily available techniques provide a mass-, volume- or scattered light intensity-based size distribution which needs to be converted into a number based distribution to be used for regulatory pur-poses. A specific guidance on the conditions under which these methods can be used to identify a na-nomaterial by employing appropriate quantity or metrics conversion should be provided.
The ‘polydispersity‘ and ‘upper size limit‘
Polydispersity is a challenge for the measurement of particle size distribution for the EC NM definition, specifically for materials with high polydispersity index and broad size distribution especially when the volume or mass of the fraction containing particles below 100 nm is very small. Therefore a dedicated guidance should be provided that allows applying an upper size limit in measurements and particle statistics.
Untergrundspeicher für Roh- und Abfallstoffe gewinnen zunehmend an Bedeutung. Verwendet werden sie vor allem für Stoffe wie Erdgas, Wasserstoff, Erdöl und neuerdings auch für Kohlen-stoffdioxid (CO2). Diese Stoffe werden meist unter Druck in Kavernen- oder Porenspeichern einge-lagert. Die Speicher dienen einerseits zum Ausgleich von Ungleichgewichten zwischen Ange-bot/Förderung und Nachfrage/Verbrauch und zur Erhöhung der Versorgungssicherheit. Anderer-seits bestehen Konzepte Abfallstoffe oder Gefahrstoffe für die Umwelt (aktuell CO2-Speicherung) dort für lange Zeiträume einzulagern. Mit den Einlagerungsstoffen verbunden ist ein signifikantes Gefahrenpotential für Mensch und Umwelt, falls es trotz aller Sicherheitsmaßnahmen zu einem unkontrollierten Austritt dieser Stoffe kommen sollte. Daher kommt dem Monitoring derartiger Untergrundspeicher und den darüber befindlichen Bodenstrukturen eine extrem hohe Bedeutung zu.
Ein hochaktuelles Beispiel, das die Überwachung entsprechender Bodenflächen fordert, ist die unterirdische CO2-Speicherung im Rahmen der CO2-Abscheidung und -Speicherung (Carbon Dioxide Capture and Storage, CCS). CCS gilt als wichtige Brückentechnologie der Energiewirtschaft und wird weltweit vorangetrieben, während die Sicherheit von Bevölkerung und Biosphäre noch kont-rovers diskutiert wird. Auch die EU setzt auf CCS und gibt in der EU-Richtlinie 2009/31 als Ziel-setzung bis 2015 vor, 15 Pilotanlagen zu bauen und in Betrieb zu nehmen. Als Bedingung für die Genehmigung der CO2-Speicherung ist explizit die Überwachung der Speicheranlagen durch Monito-ring vorgeschrieben, wobei die technisch besten Lösungen zum Einsatz kommen sollen.
Das zu entwickelnde Messsystem adressiert neben den o.g. Anwendungsfeldern weitere, bei denen insbesondere die Emission von Gasen ein Risiko für Mensch und Umwelt darstellt oder wirt-schaftlichen Schaden verursachen kann. Hierzu zählen die Überwachung von Abfalldeponien, Ge-fahrgutlagerstätten, kontaminierten Altlastengebieten, Moor-, Torf-, Kohleflözen (präventive Branderkennung) und geodynamisch aktiven Regionen. Auch moderne Fördertechnologien, wie das Hot-Dry-Rock-Verfahren (HDR) zur Energiegewinnung durch Einpressen von überkritischem CO2 in den Erdkörper, das die Beweglichkeit eines Gases mit der Dichte einer Flüssigkeit kombiniert und Wärmeaustausch im Erdinneren bewirkt, bergen das Risiko unkontrollierter Gasemissionen und bedürfen der umfassenden Überwachung.
Ziel des Projektes war, mit Hilfe von Computersimulationen die Brennfleckgröße, das Spektrum und die erreichbare Dosisleistung von Transmissionsröhren vorherzusagen sowie diese Kenngrößen zu optimieren. Hierbei sollten insbesondere die Materialien und Schichtdicken von Substrat und strahlungserzeugender Schicht untersucht werden. Eine Voraussetzung für die Überprüfung der Ergebnisse ist die reproduzierbare, korrekte messtechnische Erfassung von Brennfleckgrößen unterhalb 5 μm.
This report is the result of a comprehensive study on the available CMs which come potentially in question for the reliable analysis of the number based size distribution of a nanomaterial according to the EC recommendation for a definition of nanomaterial. Based on the performance criteria already established in NanoDefine the potential CMs are evaluated according to studies available in the literature as well as following the expertise of the NanoDefine consortium partners. The specific advantages and disadvantages of each method with respect to its applicability to the scope of NanoDefine are particularly highlighted. An CM evaluation table is produced so that the mostly suited CMs with respect to the EC definition can be grouped and recommended to the corresponding NanoDefine work packages for further specific development (improvement and adaption), or for direct validation and standardisation, respectively. The actual evaluation report including the recommended CMs will be revised and, if necessary, eventually updated at the mid time of the project. The update will be jointly discussed in the NanoDefine consortium on the basis of the results of testing the methods on the NanoDefine real world materials.
Die Online-medium-resolution-NMR-Spektroskopie wurde als neue Technik zur Überwachung verfahrenstechnischer Prozesse weiterentwickelt. Entlang der Prozesskette wurden an den verschiedenen Elementen der Online-Spektroskopie gearbeitet. Ein temperierbarer und druckfester Bypass erlaubt, die reagierende Mischung bei Reaktionsbedingungen über eine Pumpe in die NMR-Messzelle zu fördern, für die verschiedene Versionen von temperatur-isolierten NMR-Durchflusszellen berechnet, realisiert und mittels MRI hinsichtlich ihrer strömungsdynamischen und NMR-Eigenschaften charakterisiert wurden. Austauschbare Polymerleitungen für robuste, industrielle Anwendungen kamen ebenso zum Einsatz wie maßgeschneiderte Flusszellen zur Reduktion der Verweilzeitverteilung und des Stoffdurchsatzes. Bewertungsverfahren für MR-NMR-Spektrometer und Durchflusszellen auf Basis leicht verfügbarer Flüssigkeiten (wie z. B. Aceton, Ethanol, Wasser) wurden abgeleitet, Mindestspezifikationen für die Anwendbarkeit der MR-NMR im Prozessmonitoring wurden erarbeitet. Auf der Basis des Bypasssystems konnten einige verschiedene chemische Reaktionen im Bereich einiger 10 s zeitaufgelöst gemessen und ihre Kinetik auch im Fall von Nichtgleichgewichtsmagnetisierung und schneller Strömung analysiert werden. Voraussetzung ist eine stabile und automatisierte Datenbearbeitung, die sich nahtlos in den Workflow von der Datenakquisition bis zur Datenanalyse einbindet. Daher war ein weiteres Augenmerk auf die Datenvorbehandlung gelegt. Bekannte Algorithmen wie die automatisierte Phasenkorrektur entlang der „Minimum Entropy“ Methode und der Maximierung des Realteilspektrums wurden zusammen mit neuen Methoden wie dem Softewarelock implementiert und angewandt. Zur Bestimmung der Konzentrationen wurden verschiedene Verfahren wie die direkte Integration, die Spektrenmodellierung mit und ohne Vorkenntnisse sowie statistische Methoden der Chemometrie angewandt und verglichen. Ebenso ließen sich erstmalig quasiparallel akquirierte 1H- und 19F-MR-NMR-Spektren für die Prozesskontrolle mit gutem Ergebnis analysieren. Die erarbeiteten Konzepte und Verfahren sind unabhängig von der Hard- und -Software des MR-NMR Geräts und damit allgemein einsetzbar. Während des Projektverlaufs kamen Benchtop-Laborgeräte von einer wachsenden Zahl an Herstellern auf den Markt, die immer besser den Anforderungen der Spektroskopie gerecht werden. Online-MR-NMR-Spektroskopie erweitert die Prozessanalytik um eine bislang nur im Labor bekannte chemische Sensitivität gegenwärtig mit der Fähigkeit zur Unterscheidung von beispielsweise Aliphaten, Olefinen oder Aromaten (z. B. Hydrierung) oder Strukturänderungen (z. B. Isomerisierung), bei denen klassische Techniken an ihre Grenzen stoßen. Sie stellt nun eine Alternative für die Prozessanalyse dar, insbesondere wenn schnelle, zerstörungsfreie und integral arbeitende Methoden erforderlich sind.
Dieser Bericht beschreibt die Herstellung und Zertifizierung einer Cadmiumlösung mit natürlicher Isotopenzusammensetzung. Für das Isotopen-Referenzmaterial sind sowohl die Isotopenverhältnisse als auch Isotopenhäufigkeiten und die molare Masse von Cadmium zertifiziert. Die Unsicherheiten sind erweiterte Messunsicherheiten U = k.uc mit k = 2. Der Cadmium-Massenanteil in der Lösung wird als indikativer Wert angegeben mit einer erweiterten Messunsicherheit U = k.uc mit k = 4,5.
Isotope dilution mass spectrometry often is applied for the quantification of platinum group elements in environmental and geological samples. In most cases, however, certified spike solutions offering complete uncertainty statements and SI-traceability are missing. This report describes the production and certification of two isotope reference materials, ERM-AE140 and ERM-AE141, serving as calibrated spike solutions for IDMS based quantification of Pd and Pt, respectively. Both materials were produced by dissolving highly enriched isotopes 106Pd and 194Pt and determining the mass fraction of 106Pd and 194Pt in the final solution by reverse IDMS. Two independent back-spikes were produced for each material from high purity Pd and Pt. Characterization measurements were carried out by MC-ICPMS. For ERM-AE140 the certified mass fractions are w(106Pd) = 20.24(5) mg/kg and w(Pd) = 20.54(5) mg/kg. For ERM-AE141 the certified mass fractions are w(194Pt) = 18.18(11) mg/kg and w(Pt) = 19.90(12) mg/kg. These values are traceable to the International System of Units (SI) in the shortest possible way.