Sanitär- und Kommunaltechnik; Umwelttechnik
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Organisationseinheit der BAM
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Following the recommendation of the European Chemicals Agency, on 25 September 2023 the European Commission passed a comprehensive new regulation to reduce emissions of microplastics (MP) into the environment, which includes the sale and use of intentionally added MP.1,2 This also applies to the application of synthetic rubber granulate infill in artificial turf systems and will ultimately have an impact on recreational sports. In Germany, rubber granulate made of ethylene-propylene-diene-monomer rubber (EPDM) is currently predominantly used. So far, there is no sufficient database for estimating MP emissions from artificial turf pitches into the environment and thus their relevance as a source of MP pollution.3 This topic is controversially discussed due to the complexity of sampling and analytics. To close this research gap, this project has the goal to determine mass balances for the emissions of MP from artificial turf pitches to allow an estimation of the amount of MP released per artificial turf pitch and year.
Within this study, MP emissions of three artificial turf scenarios at different time states (unaged, artificially aged and real-time aged) are compared: the past (old turf: fossil based, synthetic infill), present (most commonly installed in Europe: fossil based, EPDM infill), and the future (turf with recycled gras fibres, no synthetic infill). To simulate the outdoor weathering during the lifespan of an artificial turf of approx. 15 years, brand-new artificial turf and EPDM rubber granulate were accelerated aged by means of UV weathering and mechanical stress. Potential MP emissions into surface and groundwater are simulated by lysimeter and shake experiments. MP mass contents are subsequently determined by Thermal Extraction Desorption Gas Chromatography/Mass Spectrometry. Using special microfilter crucibles allows the estimation of the particle sizes of the emitted MP, which is a fundamental requirement for an assessment of potential health hazards for humans.
Ein drastisch hoher Polyethylene Massenanteil wurde bei der Analytik der Umweltproben im Vergleich zu weiteren Polymeren festgestellt. Zu einem Überbefund des Polyethylene können strukturell verwandte Verbindungen wie z.B. Fette durch Signalüberlagerung führen. Mithilfe von beschleunigter Lösemittelextraktion soll die störende Komponente entfernt werden.
Die ThermoExtraktionDesorption-Gaschromatografie-Massenspektrometrie (TED-GC-MS) ist die wichtigste Methode der BAM zur Analyse von Mikroplastikpartikeln in Umweltproben. Mit wachsendem Erfahrungsschatz traten Komplikationen auf, bei deren Bewältigung das Analysensystem verbessert werden konnte. Das Poster präsentiert u. a. die Verbesserung der Nachweisgrenzen sowie die Eliminierung von Kontaminationsquellen aus gängigen Probennahmeverfahren.
Das Ziel dieses Projektes ist die Entwicklung neuer Materialien, um den Rückhalt von Mikroplastik-Partikeln (MP) aus verschiedenen urbanen Eintragspfaden (Kläranlagenablauf, Mischwasserüberlauf und Straßenabfluss)zu optimieren.
Die im Rahmen des Projekts entwickelten Materialien sollten auf ihre Rückhaltefähigkeit von MP aus dem Kläranlagenklarlauf getestet werden. Für die Probenahme sowie für die Analytik wurden die entwickelten und optimierten Probenahme- sowie Analysetechniken angewendet.
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.
Annually vast amounts of plastics are produced world-wide. However, recycling and waste management is still insufficient resulting in large quantities of plastics being released into the environment. Degradation by sunlight, mechanical and biological factors lead to the breakdown of this waste into little fragments. By convention particles smaller than 5 mm are referred to as microplastics (MP). The occurrence of MP has been reported by researchers virtually all around the globe. Gaining knowledge on MP is currently a time-consuming process because analysis mainly relies on micro-infrared and micro-Raman methods. Prior to that the particles need to undergo purification and enrichment. Thus, only small numbers and volumes of samples can be investigated. Here we tested NIR spectroscopy combined with a multivariate data analysis as a means of speeding up the process of MP analysis.
Experiments were performed using the most abundant polymers polyethylene, polypropylene, polyethylene terephthalate and polystyrene. MP samples were obtained by adding the cryomilled and sieved (<125 µm) particles to approximately 1 g of standard soil at 0,5–10 mass%. Spectra were recorded with a fiber optic reflection probe connected to a FT-NIR spectrometer. 5–10 spectra recorded of each sample were used for the calibration of chemometric models (partial least squares regression, PLSR). “Unknown” test samples were then used to test the model’s capability to predict the type and amount of polymer.
In samples containing 1–5 % of the polymers the prediction yielded the highest degree of agreement with the gravimetric reference values. At low polymer loads some false positive results in the identification were observed. Large amounts of polymers limited the prediction capability by a nonlinear behaviour of the absorption. Further testing was done with real world samples such as compost and washing machine filters. Even though the calibration did not account for these highly complex sample compositions, satisfactory results could be achieved.
Die weltweite Produktion von synthetischen Kunststoffen steigt stetig und ein Teil gelangt in die Umwelt. Die Kunststofffragmente werden durch Umwelteinflüsse zerkleinert und bilden schließlich Mikroplastik, dessen Gefährdungspotential intensiv diskutiert wird. Zur Beobachtung und Bewertung der Situation ist eine leistungsstarke und schnelle Analytik erforderlich, jedoch existieren noch keine harmonisierten Verfahren. Die ThermoExtraktionDesorption-GasChromatograpie-MassenSpektrometrie (TED-GC-MS) nutzt polymer-spezifische Zersetzungsprodukte und bietet durch ihre Schnelligkeit und Robustheit Vorteile gegenüber anderen Verfahren.
Mikroplastik (MP) findet sich in aquatischen Ökosystemen weltweit und es konnte gezeigt werden, dass hydrophobe organische Schadstoffe an MP angereichert werden. Es ist bekannt, dass teilkristalline und amorphe Polymere unterschiedliche Sorptionsver-halten aufweisen. Der Einfluss des Alterungszustandes der MP-Partikel auf das Sorptionsverhalten ist nicht hinreichend geklärt. In dieser Studie wurden amorphes Polystyrol (PS) und teilkristallines Polypropylen (PP) in Form von Industriepellets gezielt gealtert und mikroskopisch sowie mittels XPS, FTIR und DSC charakterisiert. Anschließend wurde in Batchexperimenten die Sorption von potenziell wassergefährdenden Kraftstoffbestandteilen (Ether und BTEX) an den Pellets mittels Headspace-Gaschromatografie untersucht.
In den letzten Jahren sind vermehrt Publikationen zum Vorkommen von Kunststoffen – insbesondere Mikroplastik (MP) - in limnischen Gewässern,oder Kläranlagen,zu finden. Die bisherigen Untersuchungen und Befunde sind allerdings hinsichtlich der Anzahl-, Volumen- und Massenkonzentrationen und der Größenverteilung von MP nur eingeschränkt bewertbar. Der Grund hierfür ist das Fehlen einer einheitlichen Methodik zur Probennahme für Wässer, der Probenaufarbeitung und der dann folgenden Analytik der Plastiksorten und Partikelgrößen.
Das Ziel des OEMP-Projektes ist die Entwicklung neuer Materialien, um den Rückhalt von Mikroplastik-Partikeln (MP) aus verschiedenen urbanen Eintragspfaden (Kläranlagenablauf, Mischwasserüberlauf und Straßenabfluss) zu optimieren. Grundlage für die Bewertung ist die Entwicklung von geeigneten Untersuchungsverfahren (Probennahme, Probenaufbereitung, Detektion) zur Qualifizierung und Quantifizierung von MP in den relevanten Umweltmatrices. Diese Verfahren müssen zeiteffizient und zuverlässig sein.