Sanitär- und Kommunaltechnik; Umwelttechnik
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The research presented here attempts to assess the potential for re-using carbon fibre (CF) fabrics recovered from recycling infusible acrylic thermoplastic carbon fibre reinforced polymer composites (CFRPs) in a universal manner, i.e. by combining with a wide variety of matrices to manufacture 2nd generation composite laminates by resin infusion. The 2nd generation composites have been compared in terms of bulk and interfacial properties against counteparts processed with virgin carbon fibre fabric infused with the same matrices. Generally, an increase in damping (tanδ) was observed in all 2nd generation composites, which can be attributed to a residual thin thermoplastic layer present on the recovered fibres. The interfacial adhesion of the 2nd generation Composites was investigated by shear tests and scanning electron micsoscopy, and also appears to be less influenced by the type of matrix.
In the present study, a simple approach was used to investigate the effect of UV-exposure on two high density Polyethylene materials (PE-HD), commonly used for storage tanks, on fuel sorption behavior and colonization by microorganisms. The aim was to investigate whether the sorption behavior of the fuels (diesel/biodiesel) and the colonization by microorganisms, frequently occurring in the fuel, is affected and may lead to undesirable or safety-relevant material changes. We showed that the UV-irradiation leads to significant changes of the sorption behavior due to chemi-crystallization and crosslinking. The fuel Sorption is affected by the UV-induced formation of polar carbonyl and hydroxyl groups predominantly occurring at the surface. With respect to microbial colonization behavior for Bacillus subtilis and Pseudomonas aeruginosa, isolated from a contaminated diesel sample, differences of the initial adhesion could be shown depending on the initial type of polyethylene as well as on the degree of UV-induced degradation.
The increasing pollution of terrestrial and aquatic ecosystems with plastic debris leads to the accumulation of microscopic plastic particles of still unknown amount. To monitor the degree of contamination analytical methods are urgently needed, which help to quantify microplastics (MP). Currently, time-costly purified materials enriched on filters are investigated both by micro-infrared spectroscopy and/or micro-Raman. Although yielding precise results, these techniques are time consuming, and are restricted to the analysis of a small part of the sample in the order of few micrograms. To overcome these problems, here we tested a macroscopic dimensioned NIR process-spectroscopic method in combination with chemometrics. For calibration, artificial MP/soil mixtures containing defined ratios of polyethylene, polyethylene terephthalate, polypropylene, and polystyrene with diameters < 125 µm were prepared and measured by a process FT-NIR spectrometer equipped with a fiber optic reflection probe. The resulting spectra were processed by chemometric models including support vector machine regression (SVR), and partial least squares discriminant analysis (PLS-DA). Validation of models by MP mixtures, MP-free soils and real-world samples, e.g. and fermenter residue, suggest a reliable detection and a possible classification of MP at levels above 0.5 to 1.0 mass% depending on the polymer. The benefit of the combined NIRS chemometric approach lies in the rapid assessment whether soil contains MP, without any chemical pre-treatment. The method can be used with larger sample volumes and even allows for an online prediction and thus meets the demand of a high-throughput method.
Microplastics are increasingly entering marine, limnic and terrestrial ecosystems worldwide, where they sorb hydrophobic organic contaminants. Here, the sorption behavior of the fuel-related water contaminants benzene, toluene, ethyl benzene and xylene (BTEX) and four tertiary butyl ethers to virgin and via UV radiation aged polypropylene (PP) and polystyrene (PS) pellets was investigated. Changes in material properties due to aging were recorded using appropriate polymer characterization methods, such as differential scanning calorimetry, Fourier transform infrared spectroscopy, gel permeation chromatography, X-ray photoelectron spectroscopy, and microscopy.
Pellets were exposed to water containing BTEX and the ethers at 130-190 mg/L for up to two weeks.
Aqueous sorbate concentrations were determined by headspace gas chromatography. Sorption to the polymers was correlated with the sorbate's Kow and was significant for BTEX and marginal for the ethers.
Due to substantially lower glass transition temperatures, PP showed higher sorption than PS. Aging had no effect on the sorption behavior of PP. PS sorbed less BTEX after aging due to an oxidized surface layer.
The presence, fate and effects of microplastics (MP) in terrestrial systems are largely unknown. The few existing studies investigated either agricultural or industrial sites. Several techniques were used for analysis, primarly spectroscopic methods such as FTIR or Raman. Sample pretreatments like density separations are common to reduce matrix. A lack of harmonised and standardised sampling instructions for microplastic investigations in the terrestrial area was identified as particular critical, because different studies are barely comparable.
The aim of the project is to develop a proposal for a harmonized procedure for sampling, sample preparation and the detection of microplastics in terrestrial matrices for total content determination. By detecting specific degradation products the thermal extraction desorption gas chromatography mass spectrometry (TED-GC-MS) allows a direct determination of mass content of MP in environmental samples.
Advanced wastewater treatment with powdered activated carbon (PAC) leads to a spread of PAC into different purification stages of wastewater treatment plants (WWTP) due to recirculation and filter back-wash. Currently, no methods for quantification of PAC in activated sludge are available. In this study, PAC containing activated sludge from four WWTP were examined by two-step thermogravimetric analysis (TGA) with heating up to 600°C in N2 and subsequently in synthetic air. Direct quantification of PAC according to temperature specific weight losses was possible for one WWTP. Quantification by combining specific mass losses was found to be an alternative direct method, with a detection limit of 1.2% PAC in dry sample mass.
Additionally, evolved gas analysis (EGA) by infrared-spectroscopy (FTIR) during TGA revealed interaction mechanisms between PAC and activated sludge. Aliphatic compounds from activated sludge were identified as major substances influenced by PAC. In derivative thermogravimetry (DTG), a typical double peak at approximately 300°C was found to be related to carbonylic species with increased evolution of acetic acid in aged activated sludge. TGA and EGA are promising tools to understand, control and optimise the application of PAC in advanced wastewater treatment.
Motivation:
> Zunehmender Einsatz von Pulveraktivkohle (PAK) zur
Spurenstoffelimination in kommunalen Kläranlagen
> Bisher keine analytische Methode zur Quantifizierung von PAK in
Belebungsbecken, bzw. in Gegenwart von Belebtschlamm
> Anwendung der Thermogravimetrischen Analyse (TGA) zur
Feststoffcharakterisierung auf Umweltfragestellungen
Ergebnisse:
> Quantifizierung von PAK in Belebtschlamm ist möglich und kann
über unterschiedliche zweistufige TGA-Methoden erfolgen
> Zersetzungsgasanalyse zeigt veränderte und verzögerte
Freisetzung aliphatischer Produkte des Belebtschlamms
The presence of large quantities of plastic waste and its fragmentation in various environmental compartments are an important subject of current research. In the environment, (photo ) oxidation processes and mechanical abrasion lead to the formation of microplastics. However, until now, there are no established quality assurance concepts for the analysis of microplastic (<5 mm) in environmental compartments, including sampling, processing and analysis.
The aim of the present work is the development of suitable examination methods and protocols (sampling, sample preparation and detection) to qualify and quantify microplastic in urbane water management systems. At first a fractional filtration system for sampling and the analytical tool, the so-called TED-GC-MS (thermal desorption gas chromatography mass spectrometry) were developed. The TED-GC-MS method is a two-step analytical procedure which consists of a thermal extraction where the sample is annealed and characteristic decomposition products of the polymers are collected on a solid phase. Afterwards these products are analysed using GC-MS. The developed fractional filtration for sampling and the TED-GC-MS for detection were used for quantitative analysis to screen the waste water influent and effluent of a Berlin waste water treatment plant for the most relevant polymers, polyethylene (PE), polypropylene (PP), polystyrene (PS), polyethylene terephthalate (PET) and polyamide (PA).
The results of the study revealed that the polymeres PE, PS and PP were detected in the effluent, and PE and PS were find in the raw waste water of the sewage treatment plant in Ruhleben, Berlin. Differences in polymer types and amounts were detected at different sampling dates and within different sieve fractions. Much higher amounts of polymers were observed in the raw waste water. The peak areas of the decomposition products, used for quantification of the polymers, were adjusted using so-called response factors since the TED-GC-MS method is more sensitive for PP and PS than for PE. It has been shown that PE is the most dominant polymer in the samples. Comparing the masses of polymers in the effluent and in the raw sewage, a removal of 99 % of the polymers in the water treatment plant can be assumed. These results are consistent with the literature where removal rates between 98-99 % were described.
In den Umweltmedien Wasser, Boden und Luft wird Mikroplastik (MP) gefunden. Mögliche Eintragspfade, besonders Einträge über den Klarlauf kommunaler Klärwerke, sind unklar. Dazu wurde das Klärwerk Ruhleben in Berlin an jeweils vier Tagen im Sommer- und Winterbetrieb beprobt. Es wurde jeweils 1 m3 Klarlauf fraktioniert filtriert (500, 100 und 50 µm Siebe). Weiterhin wurde Rohabwasser exemplarisch untersucht. Als Analyse-methoden wurden die TED-GC-MS und die FTIR Mikroskopie verwendet.
Bei der TED-GC-MS wird die Probe zunächst thermisch extrahiert, bevor die charakteristischen Zersetzungsgase mittels einer GC-Säule getrennt und im MS detektiert werden [1,2]. Es ist hier erstmals gelungen, nicht nur das MP zu identi-fizieren, sondern auch eine Massenbilanz zu erstellen und so eine quantitative Auswertung vorzunehmen. Es wurde PE, PS ganzjährig und PP im Sommer gefunden. Das Klärwerk Ruhleben hat einen Rückhalt an MP von 99%.
Für die Erfassung der Verbreitung von Mikroplastik (MP) in der Umwelt ist die zeit- und kostenaufwendige Analysestrategie und der damit verbundene geringe Probendurchsatz eine limitierende Größe. Eine große Zahl verschiedener Studien dokumentriet das Auftreten von MP über den gesamten Globus. Meist sind die Studien aufgrund des großen analytischen Aufwands auf exemplarische, stichpunktartige Untersuchungen kleiner Umweltaliquoten und zahlenmäßig kleiner Probenumfänge begrenzt. Um die Verbreitung, die Eintragspfade und den Verbleib von MP in der Umwelt besser zu verstehen und effektive Vermeidungsstrategien abzuleiten, ist es jedoch notwendig, analytisch mehr Proben erfassen zu können.
Bildgebende mikro-spektroskopische Methoden wie das Raman- und FTIR-Imaging ermöglichen eine zeitaufwendige, umfassende Charakterisierung kleiner Umweltaliquoten. Neben der Partikelanzahl sind zusätzlich Informationen zu Partikelgröße, Größenverteilung und Oberflächenmorphologie zugänglich. Chemische und thermische Extraktionsverfahren sind bereits deutlich schneller und können diese Informationen durch eine Massenbilanz vervollständigen. Die analysierbare Probenmenge ist jedoch auf Milligramm Mengen beschränkt.
Wir schlagen daher vor, die Analyse von Proben auf MP durch ein vorangestelltes Screening mit der Nahinfrarot-Spektroskopie (NIRS) zur komplementieren. In diesem wird bereits eine erste Einschätzung über die Präsenz von MP in einer Probe gefällt und dadurch die wertvolle Messzeit anderer Methoden effizienter genutzt.
NIR zur Analyse von Polymeren wird seit langem eingesetzt, jedoch bisher lediglich im Rahmen einer Studie zur Mikroplastikuntersuchung mittels Hyperspektraler Bildgebung beschrieben. Der NIR Spektralbereich findet sich zwischen dem sichtbaren Licht und dem mittleren Infrarot (MIR). MIR Spektren sind durch klar definierte Banden charakterisiert, welche mehrheitlich von den Grundschwingungen der Moleküle stammen. Die höheren Energien im nahen Infrarot regen hingegen Kombinations- und Oberschwingungen der Streck und Biegeschwingungen an. Die resultierenden Absorptionsbanden sind oft breit und relativ unspezifisch. Erst mit Hilfe einer computergestützten Datenauswertung lassen sich aus diesen Spektren nützliche Informationen gewinnen. Dies erklärt die steigende Popularität der NIR-Spektroskopie in der jüngeren Vergangenheit mit einem Schwerpunkt als prozessanalytische Methode. NIR Spektrometer für das industrielle Prozessmonitoring zeichnen sich durch eine kompakte und robuste Konstruktionsweise aus. Die verfügbaren faseroptischen Reflexionssonden eignen sich gut um pulverförmige Proben zu untersuchen. Der räumlich erfassbare Messbereich kann durch die Sondengeometrie variiert werden. Sind die untersuchten Partikel im Verhältnis zur abgetasteten Fläche klein, wird als spektrale Information die Summe der Absorption aller Partikel im Sichtfeld erfasst. Die Methode ist deshalb nicht für Detailuntersuchungen von MP geeignet, erlaubt es jedoch innerhalb weniger Minuten eine Einschätzung über das Vorkommen von Mikroplastik in einer Probe zu treffen.
Exemplarisch wurden für diese Untersuchungen vier der am weitesten verbreiteten Kunststoffe Polyethylen (PE), Polyethylenterephthalat (PET), Polypropylen (PP) und Polystyrol (PS) gewählt. Aus den additivfreien Polymeren wurden nach einer Kryo-vermahlung und anschließender Siebung (< 125 µm) Modellproben generiert. Die Polymere wurden dafür zu einem Massenanteil von 1 % mit einem Standardboden (LUFA2.3, gesiebt < 125 µm) vermischt. Die Gesamtmenge von 1 g je Probe wurde in Aluminiumbehältern präpariert und 8 Messungen an unterschiedlichen, zufällig gewählten Positionen vorgenommen. Die erhaltenen Spektren wurden zur Kalibrierung chemometrischer Modelle genutzt.
In einem hierarchischen Ansatz wurde anhand der NIR-Spektren eine Klassifizierung vorgenommen:
1. Bestimmung ob eine Probe MP enthält (Ja/Nein).
2. Identifikation der Polymere in der Probe.
Eine aussagekräftige Klassifizierung beruht auf einer Vorbehandlung der Spektren. Hierdurch werden die Unterschiede zwischen den einzelnen Polymerbanden hervorgehoben. Die Eignung der so erstellten Modelle wurde anhand eines Referenzmaterials und am Beispiel von Realproben erfolgreich getestet. Dabei zeigte sich, dass nicht nur in den erstellten Polymer-Bodenmischungen, sondern auch in den Rückständen von fermentiertem Bioabfall und in Filterrückständen einer Waschmaschine, MP richtig erkannt wurde. Weiterhin zeigten Tests mit Mikroplastik-freien Bodenproben unterschiedlicher Herkunft, dass keine falsch-positive Resultate erzeugt wurden. Alle vier untersuchten Polymere, d.h. PE, PET, PS und PP mit einem Massenanteil von 1 % in einer Bodenmatrix werden auch bei einer gemischten Polymerzusammensetzung mit der NIR-Spektroskopie erkannt.
Der kombinierte Einsatz von NIRS und Chemometrie ermöglicht die Entscheidung über ein potenzielles Vorkommen sowie die Zuordnung des Materials der enthaltenen Polymerpartikel für eine Massefraktion ≥ 1 % in einer (trockenen) Probenmenge von 1 g innerhalb von 10–15 min. Der zeitaufwendige Schritt der Methode liegt hier in der Erstellung geeigneter chemometrischer Modelle sowie deren Validierung. Wesentliche Voraussetzung ist dabei, dass bei der Kalibrierung die Varianz der zu erwartenden Partikel und der Matrix realistisch abgebildet wird.