Forschung und Entwicklung

„Operationelles Programm der grenzübergreifenden Zusammenarbeit Sachsen – Polen“

Informationen erhalten Sie unter sanaero.eu

„Entwicklung eines technischen Verfahrens zur biologischen Sicherung großflächiger Kerosinschäden mittels Pilz-Bakterien-Interaktionen im Kapillarsaum“

Die ERGO Umweltinstitut GmbH arbeitet im AiF-Verbundforschungsprojekt „PIKASA“ zusammen mit dem Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung GmbH (UFZ) an der Ent­wicklung eines innovativen Verfahrens zur großflächigen Sanierung von Kerosin- bzw. Flugtreibstoffschäden. Hierbei soll an Standorten, die bislang nur mit unverhältnismäßig großem Aufwand zu sanieren bzw. aufgrund ihrer Größe und Komplexität nicht zu be­ar­bei­ten waren (bspw. ehem. Militärflugplätze, Tanklager), mit Hilfe einer integrierten Sich­­er­ungs- und mikrobiellen Abbautechnologie die typischerweise auftretende Aus­brei­tung von Produkt­phase entlang der Grundwasserfließrichtung nachhaltig unterbunden und Grund­wasserqualität langfristig verbessert werden. Hauptmerkmal der zu ent­wick­el­n­den Tech­no­lo­gie soll dabei die vollständige, biologische Mineralisierung der Kerosin- bzw. Flug­treibstoffe über die In-situ-Stimulation von standorteigener Mikrobiologie und Pilznetzwerken sein.

„H2020-MSCA-ITN-2015 PART B: Innovative biotransformation processes by fungi“

Informationen zu diesem Forschungs- und Entwicklungsvorhaben werden in Kürze folgen.

Herausforderungen für die Spurenstoffanalytik an Grundwasser

In Deutschland werden mehr als 70 % des Trinkwassers aus Grundwasser gewonnen, dessen Qualität somit von entscheidender Bedeutung für unsere wichtigste Nahrungsressource ist (BMU 2012). Zur Sicherung der Grundwasserreinheit, aber auch zur Bewertung und Sanierung von Altlasten werden an Tausenden von Grundwasserbrunnen jährlich aufwändige chemische Analysen durchgeführt. Das Spektrum der Analyten umfasst Pestizide, Biozide (Desinfektions-, Konservierungs-, Antifouling­mittel), Medikamentenrückstände, Schwermetalle, Düngemittel und klassische Schadstoffe wie Kohlenwasserstoffe (BTEX, MTBE, Teeröl) oder chlorierte Ethene (LCKW, Chlorbenzole). Die gesetz­lichen oder gesundheitsrelevanten Konzentrationen dieser Inhaltsstoffe bewegen sich zumeist im Spuren- bis Ultraspurenbereich. So liegt der Grenzwert für Pestizide und Biozide beispielsweise bei 0,1 µg/L. In Teeröl- oder LCKW-Altlasten ist es häufig erforderlich auch Schadstoffkonzentrationen oder -isotopen < 1 µg/L bestimmen zu können. Für die nötigen toxikologischen oder sanierungs­relevanten Beurteilungen müssen damit meist Bestimmungsgrenzen erreicht werden, welche nicht mehr im Rahmen einfacher Routineanalysen realisiert werden können.

Dies gilt insbesondere für die Altlastensanierung, die in Deutschland und Europa von großer wirt­schaftlicher Bedeutung ist. Europaweit gibt es laut einer aktuellen Studie von Ernst & Young (2012) mindestens eine halbe Million sanierungsbedürftiger Standorte. Für diese müssen effiziente Sanierungskonzepte entwickelt werden, denn die Sanierungskosten erreichen auch bei kleineren Kontaminationen schnell einen Betrag von mehreren hunderttausend Euro. Im Fokus neuer tech­nischer Entwicklungen steht die Nutzung und Stimulierung der natürlich vorkommenden, mikrobio­logischen Schadstoffminderung (siehe BMBF-Förderschwerpunkt KORA 2002-2008). Diese Sanierungsstrategien berücksichtigen biologische Abbauprozesse (engl. monitored natural attenuation – MNA) oder stimulieren die Biodegradation durch Zugabe von Hilfssubstraten (engl. enhanced natural attenuation – ENA). Um MNA- oder ENA-Konzepte in eine Altlastensanierung zu integrieren, muss ein stringenter und möglichst quantitativer Nachweis des Schadstoffabbaus er­bracht werden (LABO 2009). Eine Schlüsselmethode für diesen Nachweis ist das Isotopenmonitoring der Konta­minanten, bei dem Konzentrations- und Isotopenwerte im Zentrum und am Rand einer Schad­stoff­fahne verglichen werden. Mit dem Verfahren können natürliche Selbstreinigungsprozesse mit ver­gleichsweise geringem Zeit- und Kostenaufwand nachgewiesen und quantifiziert werden, was die Sanierungskosten deutlich verringert (US EPA 2008, Eisenmann & Fischer 2010). Eine wichtige Grundlage für diesen Ansatz ist jedoch die Konzentrations- und Isotopenbestimmung der sehr niedrig konzentrierten Schadstoffe am Fahnenrand.

In Folge der hohen Anforderungen an die Spurenstoff-Analytik des Grundwassers wurden in jüngster Zeit verschiedene Probenahme- und Präparationstechniken verbessert. Im Vordergrund stehen hier­bei Verfahren, in denen adsorptive Materialien (Phasen) verwendet werden. Die Einbringung soge­nannter Passivsammler in Grundwasserbrunnen ermöglicht eine Aufkonzentrierung von Inhalts­stoffen über längere Zeit und kann damit die Nachweisgrenzen erheblich verringern. Inzwischen ist eine Reihe von Passivsammlern (z.B. Polyethylen-Diffusions-Beutel, Keramik Dosimeter, Dünnfilm-Diffusionsgradienten) erhältlich, die standardmäßig im Wassermonitoring eingesetzt werden. Ihre grundsätzlichen Vorteile gegenüber der direkten Grundwasserentnahme liegen darin, dass die Analy­ten direkt im Grundwasser erfasst und angereichert werden. Des Weiteren fallen keine größeren Mengen kontaminierten Wassers durch die Probenahme selbst an. Nachteile dieser Produkte sind ein hoher Beprobungsaufwand (zweimalige Anfahrt für Ausbringung und Entnahme), eine oft un­definiertes Adsorptions- und Desorptionsverhalten der Phasen über die Expositionszeit (Matrix- oder Temperatureffekte), unklare in situ Bedingungen in den Grundwasserbrunnen (z. B. Temperatur, Fließrichtung und ‑geschwindigkeit des Grundwassers, kleinräumige Heterogenitäten, biologischer Abbau der sorbierten Stoffe) und vor allem die aufwändige Weiterverarbeitung im Labor (Lagerung, Desorption, Injektionsaufbereitung für das Massenspektrometer). Zur Abschätzung der Schadstoff­konzentration im Grundwasser muss die Wassermenge, die den Passivsammler umströmt hat, be­kannt sein. Sie kann jedoch meist nicht direkt gemessen werden, sondern muss indirekt über kom­plizierte Berechnungen abgeleitet werden – in vielen Fällen ist deshalb nur eine semiquantitative Abschätzung möglich.

Auch im Labor werden Analyten auf einer kleinen Sorptionsoberfläche angereichert, um sie direkt zur Konzentrations- oder Isotopenbestimmung in ein Massenspektrometer zu injizieren. Das Basis­produkt für diese Anwendungen sind sehr dünne, sog. SPME-Fasern (solid phase micro extraction, Festphasenextraktion), die in einer Spritzenkanüle geschützt sind. Die Festphasenmikroextraktion der Inhaltsstoffe erfolgt durch Ausfahren einer phasenbelegten Faser in ein grundwassergefülltes Spezialgefäß mit einem Volumen von 10 – 100 mL. Nach der Adsorption werden die Analyten direkt (ggf. auch automatisiert) in das Analysegerät (GC-MS oder GC-IRMS) injiziert und durch Thermo­desorption mobilisiert. Limitationen dieses Verfahrens sind bisher die leichte Zerstörbarkeit der Fasern durch Bruch oder Materialermüdung, die deutliche Abschwächung der Sorption nach ca. 50 Extraktionen sowie die begrenzte Beladungskapazität aufgrund der geringen Oberfläche. Durch neueste Entwicklungen von CTC (sog. SPME-Arrows) wurden hier jedoch erhebliche Fortschritte erzielt, die im Vorhaben genutzt und weiterentwickelt werden sollen.

Bisher ist noch kein Produkt auf dem Markt, das die Prinzipien von Durchflusszellen und SPME-Systemen für die Grundwasserprobenahme in einer Trapbox vor Ort kombiniert. Damit wird es möglich sein, niedrige Schadstoffkonzentrationen rasch und kosteneffizient analy­sieren zu können. Das bisherige Standardpräparationsverfahren zur Aufkonzentrierung flüchtiger, GC-gängiger Schadstoffe (BTEX, LCKW) ist das sogenannte Purge-and-Trap-Verfahren von Flüssig­proben (25 – 100 mL), in dem online eine Ausblasung (purge), Adsorption (trap) und Kryo-Fokussierung der Analyten am GC-Injektor erfolgt. Damit können Isotopenbestimmungsgrenzen von 1 – 20 µg/L erreicht werden, die Apparatur ist jedoch relativ teuer und zudem fehleranfällig. Mit dem neuen Probenahmesystem entfallen sämtliche Labor-Präparationsschritte und es können potenziell niedrigere Bestimmungsgrenzen erreicht werden.

Im Rahmen des Projektes kooperiert ERGO mit zwei weiteren Projektpartnern. Die Isodetect GmbH beschäftigt sich mit Analytik und Spurenanalytik von Isotopen im Umweltbereich und ist einer der wenigen Anbieter für kompo­nentenspezifische Isotopenanalyse (engl. compound-specific stable isotope analysis – CSIA); die CTC AG ist ein renommierter Hersteller von SPME-Tools und auto­matisierten Laborystemen.

„Entwicklung eines Verfahrens zur Untersuchung feiner und
ultrafeiner Partikel (UFP) nach Silan-Prozessen sowie deren Abreinigung am Beispiel der Solarindustrie“

Zielstellung

Ziel des Projekts war die Entwicklung einer Messstrategie zum Messen von ultrafeinen Partikeln in strömenden Abgasen am Beispiel von Silanprozessen in der Solarindustrie. Unter Anwendung der entwickelten Messstrategie soll die Beschaffenheit der Abgasmatrix hinsichtlich Gaszusammensetzung, Partikelgrößenverteilung und Morphologie der Partikel aufgeklärt und eventuelle Schlussfolgerungen für Handlungspotentiale herausgearbeitet werden.

 Realisierte Ergebnisse und Anwendungsmöglichkeiten

• Hauptergebnis ist Entwicklung und Erprobung einer Messstrategie für die Emissionsmessung ultrafeiner Stäube. Dies umfasst die Identifizierung und den Einfluss wichtiger Messparameter, sowie grundlegende Erkenntnisse über die Verschiedenartigkeit von Partikelsystemen und die damit verbundenen Überlegungen für die Messplanung. Diese Messstrategie ist für weitere Prozesse bereit zur Anwendung, bzw. wird schon eingesetzt.
• Weiterhin wurde der Einsatz von verschiedenen Verdünnungssystemen für die Gasmessung als auch für die Partikelmessung erprobt. Während für die Gasmessung eine zufriedenstellende Lösung erarbeitet werden konnte, spielen bei der Verdünnung von hohen Partikelanzahlkonzentrationen zu viele Einflussfaktoren eine Rolle, als dass eine allgemeingültige Lösung festgelegt werden kann.
• Weitere Hauptresultate sind die Ergebnisse von Messungen die an verschiedenen PECVD-Anlagen in der Solarindustrie durchgeführt wurden. Wie im Vorfeld erwartet, sind die bemessenen Silan-Prozesse durch sehr hohe Konzentrationen von Partikeln im ultrafeinen Größenbereich vor und auch nach der Abreinigung der Schadgase charakterisiert. Die Kenntniss über die Verteilung der Partikelgrößen hilft den Zellherstellern bzw. Ausrüstungsfirmen bei der Entwicklung geeigneter Abscheidemöglichkeiten für die entstehenden Stäube.
• Bei der Auswertung der Messergebnisse konnten nur wenige Gemeinsamkeiten bei der Partikelverteilung der verschiedenen Prozesse festgestellt werden. Auch ein erwarteter charakteristischer „Fingerabdruck“ von gleichartigen Prozessen konnte aufgrund sehr unterschiedlicher Partikelverteilungsbildern nicht herausgearbeitet werden.
• Auf dem Gebiet der Gasanalyse mit FTIR-Spektroskopie konnten viele Erkenntnisse gewonnen werden. Dies umfasst die bereits erwähnte Erprobung von Verdünnungssystemen für sehr hohe Schadgaskonzentrationen, die Erweiterung der Spektrenbibliothek, die Erstellung einer Auswerteroutine und die Erkenntnis über Einflussparameter auf die Messergebnisse und deren Konsequenzen für den Messaufbau.
• Mit den erlangten Erkenntnissen konnten die Messung ultrafeiner Partikel sowie die FTIR-Spektroskopie als Emissionsmessinstrument im Leistungsspektrum von ERGO etabliert werden.

Das Projekt wurde mit Mitteln der Sächsischen Aufbaubank unterstützt.

Kontakt

André Kiesewalter
Abteilungsleiter Luftreinhaltung

Telefon: +49 351 33686-70
Fax: +49 351 33686-10

kiesewalter@ergo-dresden.de

„Entwicklung eines Verfahrens zur Überwachung der Aktivität von Oxidationskatalysatoren an BHKW-Motoren“

Motivation

Derzeit gibt es keine einfache Methode oder Technik, um die Katalysatorleistung und damit den Schadstoffausstoß an stationären Gasmotoren in BHKW-Anlagen kontinuierlich zu überwachen. Alle Methoden setzen einen Versuchsaufbau für manuelle Messungen oder den Betrieb teurer kontinuierlicher Emissionsmesstechnik voraus. Beides steht aus Gründen der Wirtschaftlichkeit und der Betriebssicherheit nicht im Verhältnis zum erzielbaren Nutzen der Emissionsminderung. So werden Abgasuntersuchungen nur im Zusammenhang mit einer Beantragung von Einspeisebonifikationen oder bei der gesetzlichen Überwachung durchgeführt.

Der Tausch von Katalysatoren erfolgt entweder „blind“ im Vorfeld dieser Kontrollen oder als Folge von Grenzwertüberschreitungen. Beide Varianten führen aber zu erhöhten Kosten gegenüber einem planbaren Katalysatorwechsel auf Basis betrieblicher Messwerte.

Wegen der hohen Kosten eines Katalysatorenwechsels (mehrere Tausend Euro) ist eine optimale Ausnutzung der Aktivität bei genehmigungskonformem Anlagenbetrieb von hohem Interesse für die Betreiber. Andererseits verursacht ein verpasster Wechsel eine erhöhte Umweltbelastung und führt zur Wiederholung der behördlichen Emissionsmessung, die ebenfalls Zusatzkosten für den Anlagenbetreiber verursachen.

Mit der Entwicklung eines einfachen Messverfahrens zur kontinuierlichen Katalysatorüberwachung wird ein Indikator geschaffen, der dem Betreiber den notwendigen Wechsel rechtzeitig anzeigt. Damit werden sowohl der Ausnutzungsgrad der Katalysatoren als auch die Emissionssituation verbessert. Der Innovationsgrad ist durch die Einfachheit des geplanten Messprinzips, welches aufwändige und teure Konzentrationsmessungen im Abgas erspart und zugleich eine Online-Überwachung des Abgaskatalysators ermöglicht besonders hoch.

Zielstellung

Ziel des Projektes war die Entwicklung und Erprobung eines sehr einfachen Messverfahrens zur Bestimmung des Wirkungsgrades von Oxidationskatalysatoren an stationären Gasmotoren

Neben der Entwicklung der Methodik waren der Bau eines Testmusters sowie die Durchführung von Felderprobungen Gegenstand des Projektes.

Realisierte Ergebnisse und Anwendungsmöglichkeiten

• Die geplante Messmethodik wurde entwickelt und in Form eines funktionsfähigen Prototyps an einem Referenzmotor installiert.
• Im Vorfeld der Felduntersuchungen und Langzeitstudien wurde ein reaktionskinetisches Rechenmodel entwickelt, welches ermöglicht die Oxidationsvorgänge am Katalysator zeitaufgelöst für alle bekannten Abgasinhaltsstoffe abzubilden.
• Das komplexe kinetische Modell konnte im weiteren Projektverlauf aufgrund ermittelter empirischer Daten vereinfacht und in eine für die Online-Verarbeitung im Prototypen geeignete Form überführt werden.
• Im Ergebnis der Feldstudie wurde der Prototyp in eine Evolutionsstufe überführt und die Software grundlegend überarbeitet.
• Derzeit befinden sich die modifizierten Prototypen in der Laborerprobungsphase auf welche ab Herbst 2015 ein weiterer Feldtest folgen wird
• Aus den gewonnen Felduntersuchungen ist es gelungen, erste Ansätze für die Darstellung des Alterungsverhaltens von Katalysatoren zu gewinnen. Künftig sollen die aus Online-Messdaten direkt ermittelten Wirkungsgrade mittels extrapolierten Datensätzen plausibilisiert werden, um eine weitere Qualitätsverbesserung zu erzielen.
• Durch die Katalysatorüberwachung erstmals eine effektives Wartungsmanagement mit Ressourcen- und Kostenkontrolle möglich
• Durch Einstufung von Formaldehyd als krebserzeugender Stoff der Klasse 1b und sich damit abzeichnender drastischer Verschärfung der Emissionsgrenzwerte kommt dem Thema auch künftig eine hohe Bedeutung zu.

Das Projekt wurde mit Mitteln der Sächsischen Aufbaubank unterstützt.

Kontakt

André Kiesewalter
Abteilungsleiter Luftreinhaltung

Telefon: +49 351 33686-70
Fax: +49 351 33686-10

kiesewalter@ergo-dresden.de