Umsetzung und Anwendungen
(Deutsch)
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Die Modellierung der Massenflüsse von künstlich hergestellten Nanomaterialien (ENM) von der Produktion bis zur Entsorgung hat gezeigt, dass ein grosser Teil der Nanomaterialien schlussendlich in Deponien landet. Wie in vielen anderen Europäischen Ländern wird in der Schweiz der Siedlungsabfall verbrannt und die übrigbleibende Schlacke in speziellen Deponien abgelagert, zusammen mit Rückständen aus der Rauchgasreinigung und den Aschen aus der Klärschlammverbrennung. Die Nanomaterialien in den Siedlungsabfällen werden über die Verbrennungsrückstände in Deponien transferiert und können von dort potenziell über das Sickerwasser in die Umwelt gelangen. Während die Freisetzung von Nanomaterialien und deren Verhalten während des Gebrauchs von Produkten schon recht gut untersucht ist, wurde bis jetzt das Verhalten von Nanomaterialien am Ende des Produktezyklus, wie z.B. in der Deponie, nur wenig untersucht. Zudem gibt es bis anhin auch keine Untersuchungen über die Herkunft der Nanomaterialien in den Deponien. Das heisst dass man nicht genau weiss, welche der Nanomaterialien künstlich hergestellt wurden (ENM), welche Nanomaterialien natürlichen Ursprungs sind und welche Nanomaterialien als Nebenprodukte bei der Verbrennung entstanden. Gerade Verbrennungsprozesse sind bekannt dafür, dass eine Vielzahl von nanoskaligen Materialien entstehen, weshalb wir Nanomaterialien in Deponien auch in Abwesenheit von künstlichen Nanomaterialflüssen erwarten. Die derzeitige Situation von künstlichen Nanomaterialien und natürlichen kolloidalen Partikeln im Deponiesickerwasser muss daher in einen grösseren Zusammenhang gestellt werden um zu verstehen,
1) ob derzeitig ein Fluss von künstlichen Nanomaterialien in Deponien und eventuell ins Sickerwasser vorhanden ist,
2) wie sich die Konzentration und die Charakteristika der künstlichen Nanomaterialien in Deponien von den natürlichen unterscheiden und
3) wie die Mobilität der Partikel sich zu möglichen Flüssen von künstlichen Nanopartikeln in die Umwelt verhält.
Um diese Fragen anzugehen, wurden drei Studien an der Empa durchgeführt. In der ersten Studie ging es darum, die kolloidalen metallischen Partikel zu untersuchen, welche derzeit von Deponien für KVA-Schlacken und Klärschlammaschen emittiert werden. Mit der Charakterisierung der partikulären Bestandteile, welche aus verschiedenen Schlacken und Aschen freigesetzt wurden und welche im Deponiesickerwasser unserer untersuchten Deponie in Flawil enthalten sind, konnten wir die chemischen und physikalischen Eigenschaften der kolloidalen und nanopartikulären Fraktion bestimmen. Weil wir Schlacken mit verschiedenem Alter verwendet haben, konnten wir geochemische Mechanismen identifizieren, welche für die Freisetzung von Partikeln während der Alterung verantwortlich sind.
Final report - Nanomaterials in Landfill: Module 2
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Um die Stabilität von Nanopartikeln im Sickerwasser besser zu verstehen, führten wir eine separate Studie durch, in welcher wir Nanoparticle Tracking Analysis (NTA) verwendeten, um die Agglomeration der Nanopartikel im Sickerwasser zu verfolgen. Durch Messung der Stabilität eines Referenzpartikels in verschiedenen synthetischen und natürlichen Sickerwässern konnten wir Partikelgrösse, -anzahl und –Masse miteinander in Verbindung bringen und so das Verhalten von Partikeln im Sickerwasser besser verstehen.
In der dritten Studie untersuchten wir die Stabilität von nano-TiO2 im Eluat von Flugasche und bestimmten so die grundlegenden Faktoren, welche Agglomeration und Sedimentation beeinflussen, mit einem speziellen Fokus auf pH und Ionenstärke.
An verschiedenen Daten wurde Sickerwasser in der Deponie Flawil gesammelt und Proben von verschieden alten Schlacken genommen. Von den Schlacken wurden im Labor Eluate gemäss Standardmethoden produziert. Messbare Konzentrationen von Partikeln wurden sowohl in den Schlackeneluaten als auch im Sickerwasser gefunden, sowohl im kolloidalen (bis 1 μm) als auch im Nanobereich (bis 100 nm). Obwohl viele dieser Partikel die gleiche Zusammensetzung wie die meistverwendeten künstlichen Nanopartikel hatten (z.B. Ti, Zn, Cu, Fe, Ag, Ce), können wir nicht bestimmen, ob diese Partikel tatsächlich als künstliche Nanomaterialien in die Deponie gelangten, von Pigmenten stammen (z.B. Pigment TiO2) oder als Nebenprodukt der Verbrennung entstanden sind. Unter dem Elektronenmikroskop wurde ersichtlich, dass viele der Partikel Agglomerate von verschiedenen, metallhaltigen Partikeln sind, was darauf hindeutet, dass sie während der Verbrennung entstanden sind. Viele der Partikel waren mit einer Silikatmatrix (d.h. Glas) verbunden, welche als „Klebstoff“ für die Metalle in den Partikeln wirkte. Die Partikelkonzentrationen, welche in dieser Studie bestimmt wurden, können erste Anhaltspunkte über die Grössenordnung von nanoskaligen Partikeln im Sickerwasser von Deponien für Schlacken liefern. Über mehrere Probenahmen hinweg zeigte das Sickerwasser eine ähnliche Wasserchemie und Partikelmenge. Dagegen zeigten Schlacken verschiedenen Alters ein unterschiedliches Freisetzungsverhalten für partikuläre Metalle, was darauf hindeutet, dass sich die Mobilität der unterschiedlichen Partikel in Laufe des Verwitterungsprozesses verändert. Der sinkende pH beeinflusst die Silikatmatrix, welche der dominierende Faktor für die Metallfreisetzung und die Partikelmobilität ist.
Die Experimente über die Stabilität der Nanopartikel im Sickerwasser erlauben uns, besser zu verstehen, unter welchen Bedingungen die Partikel stabil sind. Mit der Verwendung von Goldnanopartikeln als Testsubstanz (in höherer Konzentration als unter umweltrelevanten Bedingungen) konnten wir beobachten, dass sich über einen Zeitraum von wenigen Stunden Agglomerate bildeten, welche aber in der Lösung suspendiert blieben und nicht sedimentierten. Die Interaktion der zugegebenen Nanopartikel mit den natürlichen Partikeln, welche im Sickerwasser enthalten sind, war der bestimmende Faktor für das Verhalten der Nanopartikel. Die Experimente mit TiO2 Partikeln zeigten, dass unter den gewählten Bedingungen eine schnelle Agglomeration auftrat, welche die Suspension destabilisierte und zur Sedimentation der Partikel führte.
Final report - Nanomaterials in Landfill: Module 2
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Die Abschätzung, wie der Zufluss von Nanopartikel enthaltenden Materialien im Abfallstrom die Freisetzung von metallischen Partikeln aus der Deponie beeinflussen, wird ist eine komplexe Aufgabe. Es ist sicher, dass bereits natürlicherweise eine signifikante Menge an natürlich vorhandenen metallischen Nanopartikeln und Kolloiden im Sickerwasser enthalten sind, welche während des Verbrennungsprozesses gebildet wurden.
Da eine eindeutige Identifizierung von künstlichen Nanomaterialien nicht möglich war, ist es schwierig abzuschätzen, wie sich der Eintrag von künstlichen Nanomaterialien auf deren Präsenz im Sickerwasser auswirken wird. Dazu kommt noch, dass die Nanomaterialien während der Verbrennung und in der Deponie gealtert und transformiert werden, was sie den natürlicherweise vorhandenen Partikeln ähnlicher macht. Es gibt einen publizierten Fall, in dem die Gegenwart eines Nanomaterials in einem Abfallstrom direkt mit seiner Detektion im Sickerwasser korreliert war (TiO2 in Bauabfall), doch konnte in unserer Studie kein solcher Zusammenhang bestimmt werden.
Zusammenfassend können wir feststellen, dass für viele Metalle kolloidale und nanoskalige Partikel natürlicherweise im Sickerwasser vorliegen. Diese Fraktion ist durch die geochemischen Prozesse bedingt, welche die Glasmatrix der Schlacke über die Zeit verändert und dadurch Partikel freisetzt. Die mögliche Präsenz von künstlich hergestellten Nanomaterialien in Deponiesickerwasser muss immer in diesem Zusammenhang betrachtet werden.
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