So far, there is little knowledge on the fate of nanoparticles and nanoparticle-associated pollutants in soils. From the state of the art we presume nanoparticle aging in soils to change their surface characteristics, their sorption capacity and mobility. However, the processes controlling nanoparticles aging in soils are hardly investigated. We hypothesize that engineered inorganic nanoparticles (EINP) in soil undergo pedogenic processes such as chemical weathering, accumulation of organic matter and aggregation and that these processes govern both, the mobility of EINP and their sorption capacity for contaminants. Thereby we will mainly address the two key hypothesis of INTERNANO that (i) nanoparticle aging involves reversible and irreversible changes and (ii) that nanoparticle mobility and their interactions with pollutants are determined by environmental conditions rather than by original surface characteristics. We will expose nanoparticle to soils and soil suspensions under various, defined conditions. At the end of the respective incubation time we will study the change in surface properties, aggregation state and contaminant sorption onto nanoparticles, using methods, which are suitable for nano-scale analyses (light scattering, HR TEM, XANES). Size effects on aging will be analysed exemplarily for TiO2 EINPs. The derived process knowledge will help to evaluate the environmental significance of nanoparticles in soils and serve as a basis to predict risks associated with nanoparticle leaching from soils.
Nanopartikel (NP) sind neuartige Schadstoffe, deren Umweltverhalten sich grundlegend von molekularen Schadstoffen unterscheidet. Die Sorption von natürlichen organischen Substanzen (NOM) an NP ist ein Schlüsselfaktor für das weitere Umweltverhalten der NP wie Aggregation oder Sorption auf Oberflächen. Verfügbaren Daten zum Verhalten von NP beschränken sich auf Laborstudien unter stark vereinfachte Bedingungen. Für die Modellierung des Verbleibs von NP in der Umwelt ist es daher unerlässlich, die Sorptionsmechanismen unter umweltrelevanten Bedingungen zu erforschen. Dafür haben wir eine neue Methode entwickelt und validiert, bei der die NP mittels eines Dialysebeutels im Kontakt mit den gelösten Komponenten des Gewässers gebracht werden. Diese Methode ermöglicht es erstmals Partikel mit einer realistischen NOM Oberflächenbeschichtung (Coating) zu erhalten. Moderne Methoden der Oberflächencharakterisierung erlauben es zudem, die Zusammensetzung und Eigenschaften von NP Coatings detailliert zu untersuchen. Ziel dieses Projekts ist es, die Sorptionsmechanismen unter Umweltbedingungen, ihren Einfluss auf die kolloidale Stabilität und ihren Zusammenhang mit dem initialen NP Coating zu erforschen und vorherzusagen. Dazu werden die Zusammensetzungen und die Eigenschaften der unter Feldbedingungen gebildeten NP Coatings für fünf TiO2-Nanopartikeltypen, einschließlich der aus kommerziellen Produkten extrahierten Partikel, untersucht. Diese Partikel werden in 60 ausgewählten Gewässern, welche einer großen Bandbreite an wasserchemischen Parametern entsprechen, mittels Dialysebeutelmethode exponiert. Nach der Entnahme werden die Partikel mit XPS, FT-IR, ToF-SIMS und AFM analysiert, um die Oberflächenzusammensetzung, den Sorptionsmodus und die Schichtdicke des Coatings zu bestimmen. Zur Untersuchung der Schichtdicke mittels AFM wird eine neu entwickelte Probenpräparationsmethode weiterentwickelt und validiert. Die molekulare Zusammensetzung und Stabilität der NP Coatings werden mittels direkter Messung von Molekülen auf der Partikeloberfläche mit einer neu entwickelten Laser-Desorptions-Ionisation ultrahochauflösender FT-ICR MS Methode sowie sequentieller Extraktion, gefolgt von Elektrospray-Ionisation FT-ICR MS untersucht. Zudem werden Experimente zur Aggregationskinetik der exponierten NP durchgeführt. Dazu werden Proben der 60 Gewässer mit und ohne natürliche Kolloide verwendet, um Hetero- und Homoaggregation zu berücksichtigen. Die gewonnenen Daten werden in ein multivariates Machine-Learning-Modell einfließen, um die Beziehung zwischen initialem Coating, Coating mit NOM nach Exposition, der Gewässerchemie und der Aggregation der Partikel zu bestimmen und um die Eigenschaften des Coatings und die Aggregationsrate aus den vorliegenden Wasserparametern vorherzusagen. Die Modellergebnisse werden wertvolle Beiträge für die Vorhersage des Umweltverhaltens von Nanopartikeln in natürlichen Gewässern liefern.
Die Abwasserreinigung steht mit der Entfernung von organischen Spurenschadstoffen und kleinsten Partikeln (Mikroplastik, Nanopartikel) sowie dem Paradigmenwechsel von der Abwasserentsorgung zur Ressourceneffizienz (Minimierung des Chemikalien- und Energieeinsatzes) und Ressourcenrückgewinnung (z.B. von Wasser, Kohlenstoff und Nährstoffen) vor enormen Herausforderungen. Dies bedarf der Erforschung des Stoffverhaltens und der Prozesse im Abwassersystem, der Entwicklung von Verfahrenstechniken und der Abstimmung der vielfältigen Verfahren (mit teilweise sehr unterschiedlichen Anforderungen an die Prozessbedingungen) aufeinander. Dies ist weder nur im Labor, wo die Randbedingungen weit von der Realität entfernt sind, noch in der Großtechnik leistbar, da bei Versuchen im laufenden Betrieb die Gefahr unvorhergesehener Gewässerverschmutzungen besteht und die Versuchsbedingungen nicht definiert werden können. Zur Lösung der angesprochenen Probleme bedarf es eines Zwischenschrittes: durch den Einsatz einer mobilen Versuchskläranlage können Prozessbedingungen im realitätsnahen System auf verschiedenen Kläranlagen gezielt gewählt, Verfahrensschritte entwickelt und bei gleichen Randbedingungen miteinander verglichen und optimiert werden. Weiterhin können Prozessketten aufeinander abgestimmt und Wechselwirkungen untersucht werden. Daraus können Kennwerte abgeleitet, Steuerungs- und Regelungsstrategien entwickelt und erprobt werden, um so Grundlagen für die Umsetzung im großtechnischen Betrieb zu schaffen.
Die rasante Urbanisierung und Industrialisierung in den vergangenen Jahrzehnten hat zu einer Vielzahl von Umweltkontaminationen mit halogenierten organischen Verbindungen (HOCs) sowohl in China als auch Europa geführt. Ziel des vorgeschlagenen Projektes ist es, neue Erkenntnisse und ein vertieftes Prozessverständnis für die Synthese von biobasierten nFe(0)/Pd/C-Kompositen und deren Reaktionen mit HOCs in der Grundwasserreinigung zu gewinnen. Dies beinhaltet die Identifizierung von Synthese-optionen für Partikel mit maßgeschneiderten und verbesserten Eigenschaften mithilfe der Hydrothermalen Karbonisierung (HTC). Ein tiefgreifendes mechanistisches Verständnis der beteiligten Prozesse, d.h. Sorption, Reaktion und Transport reaktiver Spezies so-wie Katalyse sowie deren Synergien dient einer zielgerichteten Optimierung der Partikel und der Erkundung ihrer Anwendungsgebiete. Die nFe(0)/Pd/C-Komposite sollen speziell für die in-situ Grundwasserreinigung geeignet sein und verbesserte Eigenschaften insbesondere für solche Anwendungsfälle besitzen, bei denen bekannte Konzepte der in-situ-Sanierung mit Nanopartikeln (Nanoremediation) nicht greifen. Die synergistische Kombination verschiedener Wirkprinzipien erlaubt Multikatalyse-Prozesse sowie die sequentielle Behandlung von verschiedenen Kontaminanten. Zunächst werden verschiedene Optionen für die Einbettung von Metallen in oder auf die Kohlepartikel untersucht, die erhaltenen Produkte detailliert durch physikalisch-chemische Methoden charakterisiert und auf ihre Reaktivität getestet. Danach werden Reaktionen in Batch-Ansätzen für die Aufklärung der zugrundeliegenden Mechanismen, wie das Zusammenspiel von Pd, Kohleoberfläche und Fe-Spezies, der beteiligten Reaktionswege und reaktiven Spezies, durchgeführt. Weiterhin werden Optionen für Multikatalyse und sequentielle Reduktions-/Oxidationsprozesse untersucht. Abschließend werden die entwickelten Materialien und Prozesse im Labor für die Behandlung von Wasser von kontaminierten Standorten in Deutschland und China erprobt. Dieses kooperative Forschungsvorhaben von chinesischen und deutschen Partnern wird zu einem signifikanten Fortschritt in der Sanierungsforschung für industriell kontaminierte Standorte, insbesondere auch in China, führen.
Die Zielsetzung von in situ-Messungen an wohldefinierten Einkristall-Modellkatalysatoren ist der Transfer des innerhalb des Ultrahochvakuum-Surface Science-Ansatzes etablierten, rigorosen und atomaren Verständnisses hin zu technologisch relevanten atmosphärischen Drücken. In entsprechenden Strömen und dabei typischerweise weit höheren Umsätzen werden Wärme- und Massentransportlimitierungen im Gas-Oberfläche-System immer wichtiger. Solche Flusseffekte in den komplexen in situ-Reaktorkammern gilt es sorgfältig zu analysieren, zu kontrollieren und idealerweise zu separieren, um das angestrebte molekulare Verständnis der aufgelösten Reaktionschemie an der Oberfläche zu ermöglichen. In diesem Projekt sollen diese Anstrengungen von theoretischer Seite durch Entwicklung eines ab initio-basierten Multiskalenmodellierungsansatzes ergänzt werden, der von den oberflächenkatalytischen Elementarprozessen bis zu den makroskopischen Flussprofilen reicht. Durch Integration von mikrokinetischen ab initio kinetische Monte Carlo (1pkMC) Formulierungen in das OpenFoam/CatalyticFoam Computational Fluid Dynamics Programmpaket wollen wir speziell frei verfügbare und allgemein einsetzbare Methodik aufbauen, die explizit die Reaktions-Transport-Kopplung in vollaufgelösten in situ-Reaktorkammern beschreibt. Auf der Seite der Materiallücke wird der Ansatz von Einkristalloberflächen zu Modellkatalysatoren erweitert, in denen Nanopartikel auf einem planaren Träger aufgebracht sind. Für beide Entwicklungsrichtungen erwarten wir noch stärkere und komplexere Transportlimitierungen als bereits von uns in vorherigen Arbeiten für idealisierte Flussgeometrien gezeigt. Die konzeptionelle Diskussion und Entwicklung wird hierbei bereits stark dazu beitragen, die Lücke zwischen physikochemischer und verfahrenstechnischer Forschung in der heterogenen Katalyse weiter zu schließen. Darüber hinaus wird die entwickelte 1pkMC-Fluss-Technologie eingesetzt, um quantitativ in situ Röntgen-Photoelektronenspektroskopie-Daten für die CO-Oxidation an Pd(100) zu modellieren.
Natürliche Nanopartikel (NNP) und bodenstämmige Kolloide werden zunehmend als hoch relevante Transportform von Elementen in wässrigen Phasen von Ökosystemen anerkannt. Zur elementaren Zusammensetzung dieser Partikel und deren Größenspanne liegen erste Erkenntnisse vor, jedoch fehlen weiterhin wichtige fundamentale Informationen über deren zeitliche Dynamiken und deren Herkunft. Die Ziele dieses Projektes sind (i) die zeitlichen Dynamiken von NNP und Kolloiden aufzudecken, (ii) den Einfluss von signifikant erhöhten Abflussereignissen auf den Export von NNP und Kolloid-bedingtem Transport aufzuklären und (iii) die potentielle Herkunft von Bachwasser-NNP und Kolloiden zu erklären. Um eine Vorstellung über die Validität der Ergebnisse (iv) auf europäischer Skala und durch verschiedene Ökosysteme zu bekommen, werden die Analysen an Bachwasserproben von verschiedenen Dauerbeobachtungsflächen durch Europa durchgeführt. Diese Standorte, mit denen ich bereits erste eigene wissenschaftliche Kooperationen etablieren konnte, bieten Daten über die Böden, die Gewässerchemie und Stoffflüsse innerhalb des Ökosystems. Die Analytik wird mit Hilfe von Kombinationsverfahren der Feld Fluss Fraktionierung (FFF) durchgeführt. Für ausgewählte Proben wird größen- und elementspezifische Analytik von NNP und Kolloiden mit der Analyse von Lignin Phenolen, der natürlichen Häufigkeitsermittlung von 13C, Radiokarbondatierung und zusätzlicher d56Fe Analytik kombiniert. Durch die Kombination der Daten sollte es möglich sein das Vorkommen und die Variabilität von NNP und Kolloiden als vorherrschende Elementtransportform, sowie deren Herkunft aus verschiedenen Bodenhorizonten und die generelle Validität meiner Ergebnisse auf unterschiedliche Standorte in Europa besser verstehen zu können.
Ultrafeine Partikel haben in den letzten Jahren zunehmend an Bedeutung gewonnen. Diese sogenannten Nanopartikel sind vielfaeltig anwendbar, wie z.B. als Ausgangsmaterialien fuer hochfeste Werkstoffe, in Gassensoren, als Katalysatoren, in Arzneimitteln und in Testaerosolen fuer die Heissgasentstaubung. Es wurde eine Anlage zur Nanopartikelerzeugung durch Laserverdampfung entwickelt. Zur Herstellung wird Aluminiumoxidkeramik, Graphit, Kupfer oder Aluminium mit einem C02-Laser verdampft. Aus der Kondensation entstehen kugelfoermige Primaerpartikel in einem Groessenbereich zwischen 10 und 500 Nanometern. Nach der Erstarrung koennen die Partikel durch Agglomeration unregelmassig geformte Ketten oder Flocken bilden. Deshalb wird das Aerosol so weit verduennt, dass Kollisionen der Partikel unwahrscheinlich werden und damit die Agglomerationswahrscheinlichkeit stark reduziert wird. Das zu verdampfende Material, in Form eines runden Targets, ist unter einen Drehteller montiert, der in Rotation versetzt und gleichzeitig horizontal verschoben wird. Der Laserstrahl wird von unten auf das Target fokussiert und hinterlasst durch die Targetbewegung eine spiralfoermige Bahn auf der Materialoberflaeche. Das Material verdampft lokal im Laserfokus. Der Dampf wird durch radial zustroemendes Argon in einen Sinterkegel unterhalb des Targets transportiert, wo in der heissen Zone die Kondensation und Koagulation stattfindet. In diesem Bereich bleiben die Partikel durch Absorption der Laserstrahlung fluessig, unterhalb der heissen Zone erstarren sie. Durch die Volumenaufweitung des Kegels nach unten und das seitliche Zustroemen von Argon nimmt die Partikelkonzentration von oben nach unten stark ab. Die Partikel werden auf einer Filtermembran abgeschieden und mit einem Rasterelektronenmikroskop auf Groesse, Form und Agglomerationsgrad untersucht. Neben dem Ziel der Nanopartikelerzeugung werden die zugrundeliegenden Prozesse Verdampfung, Kondensation und Koagulation sowohl experimentell als auch theoretisch detailliert untersucht.
| Organisation | Count |
|---|---|
| Bund | 777 |
| Land | 21 |
| Weitere | 6 |
| Wirtschaft | 1 |
| Wissenschaft | 282 |
| Zivilgesellschaft | 23 |
| Type | Count |
|---|---|
| Förderprogramm | 735 |
| Gesetzestext | 3 |
| Text | 49 |
| unbekannt | 3 |
| License | Count |
|---|---|
| Geschlossen | 53 |
| Offen | 737 |
| Language | Count |
|---|---|
| Deutsch | 644 |
| Englisch | 252 |
| Resource type | Count |
|---|---|
| Bild | 2 |
| Dokument | 32 |
| Keine | 318 |
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| Topic | Count |
|---|---|
| Boden | 484 |
| Lebewesen und Lebensräume | 539 |
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