Verbleib und Verhalten von Nanopartikeln bei der Abfallverbrennung

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.

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.