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Charakterisierung und Dekontamination von i-Grafiten

Emission flüchtiger organischer Verbindungen ohne Methan (NMVOC)

<p>Der Ausstoß flüchtiger organischer Verbindungen ohne Methan konnte zwischen 1990 und 2023 um über 75 % gesenkt werden.</p><p>Entwicklung seit 1990</p><p>Von 1990 bis 2023 konnten die ⁠<a href="https://www.umweltbundesamt.de/service/glossar/n?tag=NMVOC#alphabar">NMVOC</a>⁠-Emissionen von 3,9 Millionen Tonnen (Mio. t) auf knapp unter 1 Mio. t gesenkt und somit um 75,3 % zurückgeführt werden (siehe Abb. „Emissionen flüchtiger organischer Verbindungen ohne Methan (NMVOC) nach Quellkategorien“). Der Rückgang lässt sich in erster Linie mit der Entwicklung der Emissionen aus dem Straßenverkehr sowie bei den Lösemittelanwendungen im industriellen und gewerblichen Bereich erklären.</p><p>Entwicklungen im Verkehrssektor</p><p>Die Emissionen aus Antrieb und ⁠<a href="https://www.umweltbundesamt.de/service/glossar/v?tag=Verdunstung#alphabar">Verdunstung</a>⁠ (nur Ottokraftstoff) im Straßenverkehr wurden von 1,5 Millionen Tonnen (Mio. t) (1990) auf knapp 83.500 Tonnen (Tsd. t) (2023) gemindert. Durch die Einführung und Weiterentwicklung geregelter Katalysatoren und die Verringerung der Zahl der Zweitakt-Fahrzeuge in den neuen Ländern ist der Anteil der Emissionen des Straßenverkehrs von 39 % im Jahr 1990 auf unter 9 % im Jahr 2023 gesunken.</p><p>Die Menge der durch Verdunstung aus den Fahrzeugtanks freigesetzten ⁠<a href="https://www.umweltbundesamt.de/service/glossar/n?tag=NMVOC#alphabar">NMVOC</a>⁠ nahm – parallel zur Menge der verbrauchsbedingten Emissionen – zwischen 1990 und 2023 um fast 90 % ab. Ihr Anteil an den Emissionen des Straßenverkehrs stieg dabei von 13,9 auf 30,7 %. Gegenüber den deutschen NMVOC-Gesamtemissionen schrumpfte der Anteil fahrzeugseitiger verdunstungsbedingter Emissionen von rund 5,4 auf 2,5 %.</p><p>Die Verteilungsverluste von Kraftstoffen sanken - insbesondere durch die fortschreitende Ausstattung der Tankstellen mit Gaspendel- und Gasrückführungssystemen - von 87,8 auf rund 15,8 Tsd. t. Der Anteil der Verteilungsverluste an den NMVOC-Gesamtemissionen sank damit von rund 2,3 % im Jahr 1990 auf knapp 1,6 % im Jahr 2023.</p><p>Entwicklung in Industrie und Gewerbe</p><p>Die unter den Industrieprozessen berichteten Lösemittelanwendungen dominieren die ⁠<a href="https://www.umweltbundesamt.de/service/glossar/n?tag=NMVOC#alphabar">NMVOC</a>⁠-Emissionen in Deutschland. Die NMVOC-Emissionen durch die Verwendung von Lacken und Reinigungsmitteln konnten zwar mit geringerem Lösemittelgehalt beziehungsweise durch die teilweise Umstellung auf wasserbasierende Systeme vor allem in Lackierereien, Druckereien und Metallbe- und verarbeitenden Betrieben seit 1990 mehr als halbiert werden. Auch Maßnahmen zur Abgasbehandlung in der industriellen Fertigung und Änderungen in der Produktzusammensetzung beispielsweise von Klebstoffen und Beschichtungen trugen zu einer großen Abnahme der NMVOC-Emissionen bei.</p><p>Die Emissionen der gesamten industriellen Produktionsprozesse und Produktanwendungen sank in den letzten Jahren auf 0,48 Mio. t, was einer Abnahme um mehr als 60 % im Vergleich zu 1990 entspricht. Der Anteil an den NMVOC-Gesamtemissionen stieg dagegen von 1990 (33 %) bis 2023 (50 %) erheblich (siehe Tab. „Emissionen ausgewählter Luftschadstoffe nach Quellkategorien“).</p><p>Entwicklung in der Landwirtschaft</p><p>Die ⁠<a href="https://www.umweltbundesamt.de/service/glossar/n?tag=NMVOC#alphabar">NMVOC</a>⁠-Emissionen aus der Landwirtschaft stammen zu fast 97 % aus dem Wirtschaftsdünger-management (vornehmlich aus der Rinderhaltung) und werden in ihrer Dynamik maßgeblich durch die Entwicklung der Tierzahlen beeinflusst. Der verbleibende Rest wird von Getreidepflanzen emittiert.</p><p>Die Emissionen sind zwischen 1990 und dem Jahr 2006 von ca. 0,42 Mio. t auf 0,33 Mio. t gesunken, stiegen anschließend bis 2014 wieder leicht an und sanken dann bis zum Jahr 2023 deutlich unter das Niveau von 2006. Im Jahr 2023 betrugen die NMVOC-Emissionen aus der Landwirtschaft wieder 0,30 Mio. t, eine Reduktion um fast 29&nbsp;% seit 1990. Da die anderen großen NMVOC-Quellen deutlich stärker zurückgegangen sind, stieg der Anteil der Landwirtschaft an den Gesamtemissionen dennoch von rund 11 % in 1990 auf 31 % im Jahr 2023.</p><p>Wirkung von flüchtigen organischen Substanzen</p><p>Flüchtige organische Substanzen (⁠<a href="https://www.umweltbundesamt.de/service/glossar/v?tag=VOC#alphabar">VOC</a>⁠) umfassen eine Vielzahl von Stoffen, deren Molekülstruktur auf einem Kohlenstoffgrundgerüst aufbaut. Sie können die unterschiedlichsten Einwirkungen auf die Umwelt haben, etwa großräumig über die Bildung von Photooxidantien, lokal als Geruchsbelästigung oder sogar als krebserregende Substanzen (zum Beispiel Benzol). Allein aus der Gesamtemission kann daher nicht auf das Wirkungspotenzial geschlossen werden. Die Gesamtmenge der Emissionen ist jedoch in Hinblick auf die Rolle der VOC als Vorläufer sekundärer Luftverunreinigungen von Bedeutung: zusammen mit Stickstoffoxiden führen sie zur Bildung von bodennahem Ozon, zum Beispiel „Sommersmog“ (siehe<a href="https://www.umweltbundesamt.de/daten/luft/ozon-belastung">„Ozon-Belastung“</a>).</p><p>Verursacher</p><p>Emissionen flüchtiger organischer Verbindungen ohne Methan (⁠<a href="https://www.umweltbundesamt.de/service/glossar/n?tag=NMVOC#alphabar">NMVOC</a>⁠) entstanden noch 1990 zu mehr als der Hälfte bei unvollständig ablaufenden Verbrennungsvorgängen, wovon wiederum gut zwei Drittel auf Kraftfahrzeuge entfielen. Neben dem Ausstoß von Abgasen stammen aus dem Verkehr auch Emissionen durch ⁠<a href="https://www.umweltbundesamt.de/service/glossar/v?tag=Verdunstung#alphabar">Verdunstung</a>⁠ am Fahrzeug bei der Tankbelüftung, durch Undichtigkeiten (vor allem am Vergaser) sowie bei der Verteilung des leichtflüchtigen Ottokraftstoffes (Lagerung, Umschlag und Betankung). Bis heute ist der Anteil der verbrennungsbedingten Emissionen am Gesamtausstoß auf gut 16 % zurückgegangen. Auch bei industriellen Produktionsprozessen, dem Einsatz von Dünger in der Landwirtschaft und von Schmierstoffen sowie durch Kleinfeuerungsanlagen kommt es zu nennenswerten Emissionen. Größere Kraftwerksanlagen und Industriefeuerungen setzen hingegen nur sehr wenig NMVOC frei.</p><p>Die mit Abstand wichtigste Quellkategorie ist heute jedoch, bedingt durch den starken Rückgang der verkehrsbedingten Emissionen, die Verwendung von Lösemitteln und lösemittelhaltigen Produkten.</p><p>Erfüllungsstand der Emissionsminderungsbeschlüsse</p><p>Im<a href="https://unece.org/environment/news/revision-gothenburg-protocol-under-unece-air-convention-will-strengthen-efforts">Göteborg-Protokoll</a>zur ⁠<a href="https://www.umweltbundesamt.de/service/glossar/u?tag=UNECE#alphabar">UNECE</a>⁠-Luftreinhaltekonvention und in der ⁠<a href="https://www.umweltbundesamt.de/service/glossar/n?tag=NEC-Richtlinie#alphabar">NEC-Richtlinie</a>⁠ (<a href="https://eur-lex.europa.eu/legal-content/DE/TXT/?uri=CELEX%3A32016L2284">EU 2016/2284</a>) der EU wird festgelegt, dass die jährlichen ⁠<a href="https://www.umweltbundesamt.de/service/glossar/n?tag=NMVOC#alphabar">NMVOC</a>⁠-Emissionen ab 2020 um 13 % niedriger sein müssen als 2005. Dieses Ziel wird für alle Jahre ab 2020 eingehalten.</p><p>Auf EU-Ebene legt die NEC-Richtlinie (<a href="https://eur-lex.europa.eu/legal-content/DE/TXT/?uri=CELEX%3A32016L2284">EU 2016/2284</a>) auch fest, dass die jährlichen Emissionen ab 2030 28 % niedriger als im Jahr 2005 sein sollen. Auch dieses Ziel ist bereits erreicht.</p>

Errichtung einer Anlage zur die großtechnische Anwendung einer neuen Fertigungstechnologie zur umweltfreundlichen Herstellung lösemittelarmer Lacke und Lasuren

Die J.W. Ostendorf GmbH & Co KG (JWO-Gruppe) errichtet eine neue Produktionsstätte am Standort Coesfeld zur großtechnischen Anwendung einer neuen Fertigungstechnologie zur umweltfreundlichen Herstellung lösemittelarmer Lacke und Lasuren. Zielsetzung der geplanten Fertigungstechnologie ist es, sowohl die innerbetrieblichen Emissionen bei der Herstellung der Anstrichmittel als auch die anwendungstechnischen Emissionen beim Gebrauch durch den Konsumenten erheblich zu reduzieren. Die Senkung der innerbetrieblichen Emissionen wird vor allem durch eine lagerlose Kleinmengenfertigung erreicht. Deren Kernstück ist die exakte Dosierung der benötigten Basiskomponenten direkt in das Verkaufsgebinde ('Tinting During Filling' - TDF -). bis zu einer Gebindegröße von 0,125 l-Dosen. Die Senkung der anwendungstechnischen Emissionen soll durch Substitution der bestehenden durch lösemittelfreie Rezepturen erreicht werden. Mit der Anwendung der neuen Fertigungstechnologie (das TDF-Verfahren) mit geschlossener Prozessführung werden die innerbetrieblichen Emissionen im Vergleich zu konventionellen Verfahren nochmals deutlich gesenkt: Der Ausstoß flüchtiger organischer Substanzen (VOC), die als Vorläufersubstanzen für den Sommersmog gelten, sinkt um rund 76 Prozent, die Staubbelastung um rund 85 Prozent. Da die Belieferung des Unternehmens künftig mit Tankfahrzeugen erfolgt, werden jährlich rund 200 000 Papiersäcke und 4000 Einweg-Container eingespart. Spüllösungen, die einer speziellen Abwasserbehandlung bedürfen, werden um 66 Prozent reduziert. Um 82 Prozent sinkt die Menge der aufwändig zu entsorgenden Farb- und Lackschlämme. Durch eine energiesparende Mischtechnologie werden über 70 Prozent weniger Energie verbraucht und damit ein deutlicher Beitrag zum Klimaschutz geleistet.

Mikrobiell katalysierte Elektrosynthese von Bernsteinsäure, Teilvorhaben 1: Technische Auslegung des Reaktorsystems

Ziel ist die stoffliche Nutzung elektrischer Energie zur mikrobiellen Produktion des Kunststoffmonomers Bernsteinsäure. Hierbei wird der innovative Ansatz der mikrobiellen Elektrosynthese verfolgt. Elektrische Energie wird in den Mikroorganismus Actinobacillus succinogenes transferiert, der zugleich nachwachsende Rohstoffe zur Synthese der Katalysatoren und des Produkts nutzt. Die zusätzlichen Redoxäquivalente (NADH) durch die Aufnahme von Elektronen bewirken eine Veränderung der Stoffwechselproduktzusammensetzung in Richtung zur Bernsteinsäure. Das Konzept erlaubt die Umwandlung elektrischer Energie in komplexe Produkte unter Einsatz des selbstreplizierenden Ganzzellkatalysators unter sehr milden Reaktionsbedingungen (T kleiner als 40 Grad C, pH 7, wässriges Lösungsmittel). Zusätzlich sind die Anforderungen an die Elektroden und die Reinheit der flüssigen Phase bei einer mikrobiellen Elektrosynthese gering und somit der Prozess kostengünstig. Die Technologie der mikrobiellen Elektrosynthese konnte durch die Antragssteller bereits für die Produktion von Butanol etabliert und mehrfach publiziert werden. Im angestrebten Projekt soll ein neues, wirtschaftlich relevantes Bioproduktionsverfahren etabliert und der technologische Reifegrad des Verfahrens erhöht werden. Der Transfer der Power2X-Technologie wird zunächst ein kleinen Reaktionsgefäßen durchgeführt und im Anschluss auf einen technischen Bioreaktor überführt. Hierbei werden Betrachtungen zur Skalierbarkeit durchgeführt. Zielsetzung des TV 1 ist die technische Etablierung des neuen Reaktorsystems. Dies insbesondere durch Überarbeitung eines Bioreaktors für den Einsatz mit Elektroden unter besonderer Berücksichtigung von Korrosion im Reaktorraum. Neben den konstruktiven Ansätzen umfasst dies die Erschaffung und Charakterisierung neuer Elektodenoberflächen aus elektrisch leitfähigen, biokompatiblen Hydrogelen. Zugrundeliegende Stoffstrombilanzen werden in ein Modell überführt, um Signifikanzanalysen durchzuführen.

Stoffliche Wiederverwertung von Elektrolyt-Leitsalzen und -Lösungsmitteln, Teilvorhaben: Qualitätsanalytik und Nachhaltigkeitsanalyse der Elektrolytaufbereitung

Das Projektvorhaben SWELL befasst sich mit der Entwicklung und Evaluierung effizienter Verfahren zur Steigerung der Recyclingeffizienz von Lithium-Ionen-Batterien. Im Fokus des Projektes stehen die Elektrolyte, bestehend aus Lithiumsalzen, Lösungsmitteln und Elektrolytadditiven. Bereits etablierte Recyclingprozesse fokussieren sich überwiegend auf die Rückgewinnung der in LIBs befindlichen Metalle, wohingegen die nichtmetallischen Komponenten zum großen Teil nicht wieder dem Verwertungskreislauf zugeführt werden. Die Elektrolyte gehen in bisherigen Prozessen größtenteils in Form von thermischer Verwertung oder Downcycling verloren. Die Elektrolytkomponenten weisen einen signifikanten Materialwert auf und enthalten zudem kritische, umweltrelevante Ressourcen, wie Lithium, Fluor und Phosphor. Ihre Rückgewinnung und effiziente Aufarbeitung mit dem Ziel einer (direkten) Wiederverwendung in LIBs, ist daher von großem Interesse und kann zur signifikanten Steigerung der Nachhaltigkeit der Batteriezellfertigung führen. Gesamtziel des Projektes ist es Verfahren zu entwickeln, in denen Elektrolytbestandteile selektiv extrahiert, getrennt und anschließend aufgearbeitet werden, um diese in den Stoffkreislauf zu reintegrieren. Hauptaugenmerk liegt hierbei auf den Elektrolytlösungsmitteln (Carbonate, wie DMC, EMC EC) und dem Lithiumsalz LiPF6 sowie dessen Zersetzungsprodukte.

Effizienter Betrieb von Extraktionskolonnen durch Online-Zustandsdiagnostik

Die Extraktion ist als produktschonendes, niedrig-energetisches Trennverfahren prädestiniert für biotechnologische Prozesse. Die Anwendung der Extraktion im biotechnologischen Downstream kann eine Schlüsselrolle einnehmen, um den Weg zu Produkten und Produktionsprozessen der nächsten Generation zu ebnen. Im industriellen Maßstab wird die Extraktion vor allem in Gegenstromkolonnen realisiert, die häufig nur mit minimaler Instrumentierung ausgestattet sind. Daher fehlen Informationen über den inneren Zustand der Kolonne. Zusätzlich kann die obere Betriebsgrenze modellbasiert nur mit großen Unsicherheiten vorhergesagt werden. Dem entsprechend erfordern mögliche Unsicherheiten in der bisherigen Auslegung für einen stationären Betrieb signifikante Sicherheitsaufschläge und führen damit zu Effizienzverlusten, vor allem bei der nachgeschalteten, energetisch aufwendigen Regeneration des Lösungsmittels mittels Rektifikation. Im Hinblick auf biotechnologische Prozesse werden Schwankungen im Produktstrom die notwendigen Sicherheitsaufschläge und damit die Effizienzverluste deutlich erhöhen. Um die Anwendung der Extraktion im biotechnologischen Downstream zu realisieren und Effizienzverluste zu vermeiden, bedarf es einer Flexibilisierung des Betriebs und einer zuverlässigen Zustandsdiagnostik für Extraktionskolonnen. Ziel ist die Einhaltung der Produkt- bzw. Prozessspezifikationen bei optimalem Betrieb. Innerhalb des Projekts soll daher anhand einer Extraktionskolonne im technischen Maßstab ein optimaler und flexibler Betrieb realisiert werden. Dazu wird eine Kombination aus Messtechnik und schnellem, prädiktivem Modell die Kolonne zu einem smarten, gläsernen Apparat machen, der einen effizienten und autonomen Betrieb am energetischen Optimum (min. Lösemittelstrom) ermöglicht. Die enge Zusammenarbeit von Apparate- und Messtechnikherstellern, sowie Partnern aus der Prozessindustrie sichert außerdem die Übertragbarkeit der entwickelten Systematik in den industriellen Maßstab.

Anti-Graffiti-Schutz von beschichteten und unbeschichteten Metalloberflächen im Außenbereich eine Untersuchung aus Sicht der Konservierung-Restaurierung

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens: Restaurator*innen beschäftigen sich mit dem Erhalt von Kunst und Kulturgut, das sich sowohl in Museen oder Archiven befinden kann wie auch als Kunstwerk oder Denkmal im öffentlichen Raum. Letztgenannte sind in besonderen Maße einem Schadensbild ausgesetzt, der Beschädigung durch Graffiti. Die Sprühfarben oder Stifte können dabei originale Oberflächen angreifen und verändern, wodurch die Objekte in ihrer Wirkung gestört werden. Deshalb ist man um die Entfernung solcher Zutaten bemüht und unterschiedliche, auf dem Markt erhältliche Schutzsysteme sollen die Reinigung hierbei ermöglichen. Bisher hat die Forschung vor allem den Schutz von porösen Systemen in der Baudenkmalpflege, bspw. von Steinoberflächen, in den Fokus genommen; Schutzanstriche auf Metalloberflächen im Außenbereich hingegen haben bisher wenig Aufmerksamkeit erhalten. Diese Lücke möchte das Forschungsprojekt schließen und ein Verfahren zum Schutz von beschichteten und unbeschichteten Metalloberflächen im Außenbereich ermitteln, das neben der Schutzwirkung der Anstriche und dem langfristigen Erhalt der Objekte, auch dem Anspruch des Erscheinungsbilds im Sinne der Denkmalpflege wie auch der Umweltverträglichkeit gerecht wird. Ziel des Projektes ist es, Empfehlungen aus Sicht der Konservierung-Restaurierung für die Anwendung von bestehenden Graffiti-Schutz-Systemen auf beschichteten und unbeschichteten Metalloberflächen geben zu können. Maßnahmen der Aufbringung von Schutzschichten werden niemals Schmierereien verhindern, doch sollten diese möglichst objektschonend im Sinne des Denkmalschutzes zu entfernen sein, um Objekte, Menschen und Umwelt zu schonen. Für Objekte aus unbeschichteten Metallen bedeutet dies, dass Eloxierungen, Patinierungen, passivierende Korrosionen etc. nach der Entfernung von Graffiti erhalten bleiben sollten. Abrasive Methoden sind deshalb kritisch zu prüfen, aggressive Lösemittel können Korrosionen verursachen und sind zu hinterfragen. Bei beschichteten Metallobjekten ist die Herausforderung, einen Schutzüberzug aufzubringen, der sich mit dem vorhandenen Farbschichtpaket langfristig verträgt und die den optischen Gesamteindruck nicht verfäkscht.

Abiotischer Abbau und Diffusion chlorierter Lösemittel in Fe2+-haltigen ungestörten Kalksteinen und Tonsteinen

Langsame Diffusionsprozesse von Schadstoffen in geringdurchlässigen wasser-gesättigten Gesteinen sind ein wesentlicher Grund für den beschränkten Erfolg vieler Untergrundsanierungen. Zu den immer noch wichtigsten Schadstoffen im Grundwasser zählen die chlorierten Lösemittel, die trotz jahrzehntelanger Sanierungsanstrengungen inzwischen lange Fahnen im urbanen Raum ausbilden. Eine langsame Diffusion bedingt aber auch lange Aufenthaltszeiten in der Gesteinsmatrix und damit können langsame abiotische Abbaumechanismen zum Tragen kommen, die auf Fe2+-haltige Mineralien wie z.B. Eisensulfide, Magnetit oder Phyllosilikate zurückgehen, und bei der Einschätzung des natürlichen Abbaupotentials berücksichtigt werden sollten. Ziel dieses Vorhabens ist es daher, die Transformation von Tri- und Perchlorethen während der Diffusion in Gesteinsproben geklüfteter Aquifere und Aquitarde zu quantifizieren. Weil die Reaktionsraten der Ausgangssubstanzen sehr wahrscheinlich zu klein sind, um im Labor gemessen werden zu können, liegt der Fokus auf der Bestimmung von Transformations- und Abbauprodukten (bspw. teil-chlorierte Ethene, Azetylen, Ethan). Die Experimente zur reaktiven Diffusion müssen mit intakten Gesteinsproben durchgeführt werden, da beim Zerkleinern reaktive Mineralober-flächen (z.B. bei Quarz und Pyrit) entstehen könnten, die zur Dehalogenierung der Ausgangssubstanzen führen könnten. Im Unterschied zu früheren Studien sollen hier die für die Reaktivität verantwortlichen spezifischen Minerale in der Gesteins-matrix identifiziert werden. Die Ergebnisse sind nicht nur für das Langzeitverhalten von chlorierten Lösemitteln im Grundwasser, sondern generell auch für die Endlagerung von radioaktiven Abfällen oder die chemische Verwitterung (Oxidation) von reduzierten Gesteinen relevant.

Umweltschutz am Arbeitsplatz; Gesundheitsgefaehrdung durch Arbeitsstoffe

Ueberpruefung und Festlegung der MAK-Werte und MIK-Werte durch chemische Untersuchungen am Arbeitsplatz und durch medizinische Untersuchungen am exponierten Menschen; Messmethoden.

Photoabbau von (heterocyclischen) Wirkstoffen - Uebertragung von Konzepten der Grundlagenforschung auf praxisorientierte Untersuchungen in waessrigen Systemen. Ein empirischer Beitrag zur Entwicklung neuer relevanter analytischer Verfahren

Im Rahmen dieses Projektes soll untersucht werden, inwieweit Photoabbaureaktionen in organischen Loesungsmitteln und in Standardphotoreaktoren auf waessrige, hochverduennte Loesungen (10 hoch -4 bis -5 Mol/l) uebertragbar sind, z.B. ob analoge oder andere Abbauprozesse ablaufen bzw. ob gleiche oder andere Abbauprodukte anfallen. Mit Hilfe von Hochleistungs-Analytik sollen direkte Nachweisverfahren von Photoabbauprodukten in waessriger Loesung als neues analytisches Verfahren entwickelt werden.

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