Verbleib und Verhalten von Nanopartikeln bei der Abfallverbrennung

Originalarbeit

Zusammenfassung

In den letzten Jahren ist die Problematik der Freisetzung von Nanopartikeln bei der Abfallverbrennung in den (fach-)öffentlichen Fokus gerückt. Um die Risiken einer Exposition beurteilen zu können, waren die Mengen und Charakteristika der potenziell emittierten Nanopartikel zu bestimmen und anschließend die Auswirkungen auf Mensch und Umwelt zu untersuchen.

In dieser Arbeit werden zunächst die bestehenden Kenntnisse hinsichtlich grundsätzlicher Mechanismen und Vorgänge bei der thermischen Behandlung von Nanomaterialien zusammengefasst und die Ergebnisse ausgewählter Laboruntersuchungen und Studien im groß- und halbtechnischen Maßstab dargestellt.

Der Hauptteil des Beitrags ist den Untersuchungen zur Bestimmung des Emissionsverhalts von Nanopartikeln bei der Abfallverbrennung gewidmet, die im Rahmen Forschungsprojekts „NanoEmission“, sowohl in einer Technikums-Verbrennungsanlage als auch an einer industriellen Müllverbrennungsanlage, durchgeführt wurden.

Laboruntersuchungen beweisen, dass das Verhalten von Nanomaterialien in thermischen Prozessen durch ihre unterschiedlichen chemischen und physikalischen Eigenschaften beeinflusst wird und dass sich diese Eigenschaften stark von den Eigenschaften makroskaliger Bulk-Materialien des gleichen Stoffes unterscheiden. Bisher durchgeführte Untersuchungen mit verbreiteten, technisch hergestellten oxidischen Nanomaterialien (Metalloxide wie Cerdioxid und Titandioxid) im (halb-)technischen Maßstab ergaben vergleichbare Verhaltensweisen der unterschiedlichen Stoffe bei der thermischen Behandlung in Verbrennungsanlagen. Es zeigte sich, dass der Großteil von gezielt in Feuerungen dem Brennstoff zugesetzten Nanopartikeln in den festen Verbrennungsrückständen, vorwiegend in der Rostasche, wiedergefunden wird. Diese Ergebnisse konnten im Projekt „NanoEmission“ für nanoskaliges Bariumsulfat bestätigt werden.

Fate and behavior of nanoparticles in waste incineration

Abstract

In recent years the problem of nanoparticles being released as a result of waste incineration has increasingly gained the attention of the (scientific) public. To assess the risks of exposure, the amounts and characteristics of potentially emitted nanoparticles need to be determined and the effects on humans and the environment investigated.

This study summarizes our current understanding of the fundamental mechanisms and processes involved in the thermal treatment of nanomaterials and presents the results of selected large-scale and pilot-scale laboratory tests and investigations. The main part of the article focuses on investigations to determine the emissions behavior of nanoparticles conducted as part of the “NanoEmission” research project, in both a pilot-scale incineration plant and an industrial waste incinerator.

Laboratory tests have confirmed that the behavior of nanoparticles in thermal processes is affected by their various chemical and physical properties, and that these properties differ greatly from those of macro-scale bulk materials made from the same substance. Previous, (semi) industrial-scale studies on commonly used, engineered oxidic nanomaterials (metal oxides like cerium dioxide and titanium dioxide) have demonstrated similar behaviors during thermal treatment in incineration plants. The results showed that the majority of nanoparticles intentionally added to incineration processes can be found again in the solid combustion residue, mainly in the bottom ash. In the context of the “NanoEmission” project, these findings were confirmed for nano-scale barium sulfate.

Literatur

  1. Börner, R., Meiller, M., Oischinger, J. Daschner, R. (2016): Untersuchung möglicher Umweltauswirkungen bei der Entsorgung nanomaterialhaltiger Abfälle in Abfallbehandlungsanlagen. Umweltforschungsplan des Bundesministeriums für Umwelt, Naturschutz, Bau und Reaktorsicherheit, TEXTE 37/2016. ISSN 1862-4804. https://www.umweltbundesamt.de/sites/default/files/medien/378/publikationen/texte_ 37_2016_untersuchung_moeglicher_umweltauswirkungen_bei_der_entsorgung_nanomaterialhaltiger_abfaelle.pdf Gesehen 29 September 2016Google Scholar
  2. Buffat, Ph., Borel, J.-P. (1976): Size effect on the melting temperature of gold particles. Physical Review A, Volume 13, Number 6, S 2287-2298. doi:10.1103/PhysRevA.13.2287CrossRefGoogle Scholar
  3. Cahn, R. W. (1986): Materials science: Melting and the surface. Nature 323, S 668 – 669. doi:10.1038/323668a0CrossRefGoogle Scholar
  4. Kim, Y. (2014): Nanowastes Treatment in environmental Media. Environmental Health and Toxicology. Vol. 29, doi:10.5620/eht.e2014015Google Scholar
  5. Kumar, P., Pirjola, L., Ketzel, M., Harrison, R. M. (2013): Nanoparticle emissions from 11 non-vehicle exhaust sources – a review. Atmospheric Environment 67, S 252–277. http://dx.doi.org/10.1016/j.atmosenv.2012.11.011 CrossRefGoogle Scholar
  6. Lang, I. M., Hauser, M., Baumann, W, Mätzing, H., Paur, H. R., Seifert, H. (2015): Freisetzung von Nanopartikeln bei der Abfallverbrennung. In: Thome-Kozmiensky K.J., Beckmann M. Energie aus Abfall, Band 12, TK Verlag Karl Thome-Kozmensky, Neuruppin, S 347-370Google Scholar
  7. Lu, K., Jin, Z. H. (2001): Melting and superheating of low-dimensional materials. Current Opinion in Solid State and Materials Science, S 39-44. doi:10.1016/S1359-0286(00)00027-9Google Scholar
  8. Mueller, N. C.; Nowack, B., Wang, J., Ulrich, A., Buha, J. (2012): Nanomaterials in waste incineration and landfills. Internal Empa-report. http://www.empa.ch/plugin/template/empa/*/124595 Gesehen 29 September 2016Google Scholar
  9. Mueller, N. C., Buha, J., Wang, J., Ulrich, A., Nowack, B. (2013): Modeling the flows of engineered nanomaterials during waste handling. Environmental Science: Processes & Impacts 15, S 251-259. doi: 10.1039/c2em30761hCrossRefGoogle Scholar
  10. Nanda, K. K. (2009): Size-dependent melting of nanoparticles: Hundred years of thermodynamic model. Pramana – Journal of Physics, Vol. 72, No. 4, S 617-628. doi:10.1007/s12043-009-0055-2CrossRefGoogle Scholar
  11. Pawlow, P. (1909): Über die Abhängigkeit des Schmelzpunktes von der Oberflächenenergie eines festen Körpers. Zeitschrift für Physikalische Chemie, Vol. 65, S 545-548.Google Scholar
  12. Sheng, H. W., Ren, G., Peng, L. M., Hu, Z. Q., Lu, K. (1996): Superheating and melting-point depression of Pb nanoparticles embedded in Al matrices. Philosophical Magazine Letters, Volume 73, Issue 4, S 176-186. http://dx.doi.org/10.1080/095008396180812 CrossRefGoogle Scholar
  13. Vejerano, E. P., Holder, A. L., Marr, L. C. (2013): Emissions of Polycyclic Aromatic Hydrocarbons, Polychlorinated Dibenzo-p-Dioxins, and Dibenzofurans from Incineration of Nanomaterials. Environmental Science & Technology, 47(9), S 4866-4874. http://dx.doi.org/10.1021/es304895z CrossRefGoogle Scholar
  14. Vejerano, E. P., Leon, E. C., Holder, A. L., Marr, L. C. (2014): Characterization of particle emissions and fate of nanomaterials during incineration, Environmental Science: Nano, 1(2), 133-143. http://www.dx.doi.org/10.1039/C3EN00080J CrossRefGoogle Scholar
  15. Walser, T., Limbach, L. K., Brogioli, R., Erismann, E., Flamigni, L., Hattendorf, B., Juchli, M., Krumeich, F., Ludwig, C., Prikopsky, K., Rossier, M., Saner, D., Sigg, A., Hellweg, S., Gunther, D., Stark, W. J. (2012): Persistence of engineered nanoparticles in a municipal solid-waste incineration plant. Nature Nanotechnology,Vol 7, (8), S 520-524. doi: 10.1038/nnano.2012.64CrossRefGoogle Scholar
  16. Wronski, C. R. M. (1967): The size dependence of the melting point of small particles of tin. British Journal of Applied Physics, Volume 18, Number 12, S 1731-1737. doi: 10.1088/0508-3443/18/12/308CrossRefGoogle Scholar
  17. Yokoyama, T. (2007): Size effect and properties of nanoparticles. In: Nanoparticle Technology Handbook, Hosokawa, M., Nogi, K., Naito, M., Yokoyama, T., Editor. 2007, Elsevier B.V.: Amsterdam. S. 5‑10. eBook ISBN: 9780080558028Google Scholar

Copyright information

© Springer-Verlag Wien 2016

Authors and Affiliations

  1. 1.Lehr- und Forschungsgebiet Technologie der Energierohstoffe (TEER)RWTH Aachen UniversityAachenDeutschland

Personalised recommendations