Manuskript

UNT. 216 LU aus Umwelttechnik

Nachhaltigkeitsaspekte neuer Technologien

Autor:

Sülwer-Patrick Jason

suelwer.jason@edu.uni-graz.at

Betreuung:

Ao.Univ.-Prof. Dr.phil. Anton Huber

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Abstract

Im Rahmen der Laborübung aus Umwelttechnik wurden einerseits Methoden zur Herstellung

alternativer Technologien, Rohstoffen und Energiequellen untersucht, sowie andererseits die

Auswirkungen und das Potential von verschiedenen Emissionen wie Schall, Licht,

Elektromagnetischer Strahlung und Nebenprodukten in der Zellstoffindustrie. Darüber hinaus

wurden Charakterisierungen von Carbon Nano Walls, einer Molmassenverteilung von Xanthan,

sowie der Oberfläche eines Katalysators vorgenommen.

Problemstellung

Der Umweltbezug hinsichtlich der Nachhaltigkeit fußt in einem 3-Säulen Modell, auf welchem

der Begriff näher beschrieben wird. Der Umweltaspekt ist in diesem Modell durch die

ökologische Nachhaltigkeit gegeben und hat im Hinblick auf zukünftige Generationen auch eine

ethische Dimension. Im Idealfall bringt eine technische Lösung auf auf allen 3

Handlungsebenen des Nachhaltigkeit eine Verbesserung: ökonomisch, ökologisch und sozial.

Meistens sind aber schon 2 dieser Aspekte ausreichend, um den Ansatz weiter zu verfolgen.

„Im allgemeinen Verständnis setzt sich der Begriff der Nachhaltigkeit aus drei Komponenten

zusammen, die auch als das "Drei-Säulen-Modell der Nachhaltigkeit1" bezeichnet werden.

• Die ökologische Nachhaltigkeit umschreibt die Zieldimension, Natur und Umwelt für

die nachfolgenden Generationen zu erhalten. Dies umfasst den Erhalt der Artenvielfalt,

den Klimaschutz, die Pflege von Kultur- und Landschaftsräumen in ihrer ursprünglichen

Gestalt sowie generell einen schonenden Umgang mit der natürlichen Umgebung.

• Die ökonomische Nachhaltigkeit stellt das Postulat auf, dass die Wirtschaftsweise so

angelegt ist, dass sie dauerhaft eine tragfähige Grundlage für Erwerb und Wohlstand

bietet. Von besonderer Bedeutung ist hier der Schutz wirtschaftlicher Ressourcen vor

Ausbeutung.

• Die soziale Nachhaltigkeit versteht die Entwicklung der Gesellschaft als einen Weg,

der Partizipation für alle Mitglieder einer Gemeinschaft ermöglicht. Dies umfasst einen

Ausgleich sozialer Kräfte mit dem Ziel, eine auf Dauer zukunftsfähige, lebenswerte

Gesellschaft zu erreichen.“

Schwerpunkt auf das 3-Säulenmdell bezogen ist die ökologische Nachhaltigkeit und damit die

Vereinbarkeit von Technologie (Ressourcenverbrauch, Schadstoffemissionen) und Umwelt.

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Schadstoffeinträge durch verschiedenste Emission, welche durch den industriellen Fortschritt

und den wachsenden Konsum unvermeidlich sind, können unsere Umgebung erheblich

schädigen. Die Umwelttechnik fungiert als Schnittstelle zwischen Technik und Umwelt. Dabei

werden Einflüsse durch die Verwendung von Technologie näher untersucht und Risiken

bewertet. Im Zuge der Laborübung wurden dahingehend verschiedene Bereiche der Technik,

mit dem Ziel der Quantifizierung von Einflüssen unter Einsatz von Laboruntersuchungen und

Berechnungsmethoden, analysiert.

Risiken für die Umwelt bedeuten auf Umwegen, bzw. über Rückkoppelungseffekte auch ein

gewisses Gefährdungspotential für den Menschen. Um das Gefährdungspotential zu

quantifizieren kommen je nach Bereich und Anwendung verschiedenste physikalische,

chemische und verfahrenstechnische Methoden zum Einsatz.

State of the Art

Für die Bearbeitung der Fragestellungen wurden durchwegs zeitgemäße Methoden angewandt:

• Oberfläche Katalysator: XPS

• Massenbestimmung Xanthan: Size Exclusion Chromatography

• Membranprozesstechnologie: Filtrationsanlage, Viscometer, Photometer

• EM-Strahlung: Spectrum Analyzer

• Carbon Nano Walls: Ramanspektroskopie

• Schall und Licht: Sonometer, Luxmeter

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Oberflächenanalyse eines Katalysators

In der Automobilindustrie werden Katalysatoren verbaut um schädliche Verbindungen wie CO

und Stickoxide (NOx) zu harmloseren umzuwandeln. So wird mit Hilfe eines Pd-Katalysators

aus Kohlenmonixid dass weniger schädliche CO2, bzw. aus Stickoxiden elementarer Stickstoff.

Im Rahmen der Laborübung wurde mittels einer XPS (Röntgen Photoelektronen Spektroskopie)

die Oberfläche eines Katalysators auf ihre atomare Beschaffenheit überprüft. Es wurden

mehrere Schichten durch die Bestrahlung abgetragen und jeweils ein Spektrum der

Oberflächenatome aufgenommen. Die signale wurden dann mit Referenzen in der Literatur

verglichen und entsprechend zugeordnet. Dabei wurden Barium, Kohlenstoff und Sauerstoff

eindeutig zugeordnet. Die Metalle aus denen der Katalysator bestand konnten nicht

nachgewiesen werden. Möglicherweise war er schon verbraucht oder es wurden zu wenige

Schichten abgetragen um Atome die Rückschlüsse auf das Material zulassen zu

charakterisieren.

Abbildung 1: XPS Katalysator

Im Kontext der Nachhaltigkeit muss auch der Katalysator kritisch hinterfragt werden – es ist

unbestritten, dass er zu einer besseren Luftqualität beiträgt. Jede technische Lösung braucht

am Ende Ressourcen. Katalysatoren verschleißen in der Regel nur sehr langsam und eine

lange Nutzungsdauer wirkt sich wiederum positiv auf die Nachhaltigkeit aus. Der ganzen

Automobilbranche dürfte ein Wandel bevorstehen – erst kürzlich hat Großbritannien das Ende

des Verbrennungsmotors mit 2040 gesetzlich verankert. Die Alternative sind zur Zeit

Elektroautos, die dann auch keine Katalysatoren für die Emissionen der Verbrennung

benötigen.

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Polysaccharide – Xanthan E 415

Xanthan ist ein Polysaccharid, welches in der Natur von Bakterien der Gattung Xanthomonas

Campestris als Stoffwechselprodukt gebildet wird. Es ist ein vielseitig einsetzbarer

Ausgangstoff, der in geringen Mengen von 0,01 – 1% nicht nur in der Lebensmittelbranche,

sondern quasi allen Bereichen der Industrie zu finden ist:

Tabelle 1: Anwendungen von Xanthan2

Im alltäglichen Leben stolpert man vor allem in Lebensmitteln über Xanthan. Nachdem es

ähnliche Eigenschaften wie Gluten oder Johannisbrotkernmehl als Bindemittel hat, ist es in

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Bezug auf das Bindevermögen und die Gewährleistung der gewünschten Viskosität von

Produkten ein sehr effizienter Zusatz, da E 415 schon in kleinen Mengen ausreicht, um die

Eigenschaften von Produkten entsprechend zu modifizieren.

Zöliakie ist eine genetisch bedingte Glutenunverträglichkeit. Für Konsumenten bedeutet dies

den zwangsläufigen Verzicht auf alle Lebensmittel die Proteine aus Gluten für die Stabilisierung

enthalten, da sie Darmprobleme verursachen können. Darunter fallen jegliche Arten von

Teigwaren (Brot, Kuchen, Nudeln etc.). Mit Hilfe von Xanthan kann Gluten quasi substituiert

werden.

Die Risiken durch den industriellen Einsatz von Xanthan sind nach momentanem Wissensstand

gering zu bewerten. Der Zusatzstoff wird mittels Bioreaktoren für die verarbeitende Industrie

hergestellt. In der Natur verursachen Xanthomonas campestris die Verfärbung von Blättern. Für

den Menschen ist E 415 als unbedenklich eingestuft und wird vom Körper als wasserlöslicher

Ballaststoff nicht verwertet.

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Membranprozesstechnologie

Diese Anwendung eignet sich optimal um mit wenig zusätzlicher Energie zB Abwasser mit

Nebenprodukten aus der Zellstoffindustrie aufzubereiten. Dabei werden quasi Mikrofilter

eingesetzt um die Bestandteile welche benötigt werden vom Rest zu trennen. Je nach Größe

der Moleküle kommen dabei unterschiedliche Membranen zum Einsatz:

Abbildung 2: Übersicht Membranen

Eine der Hauptanwendung ist die Entsalzung von Meerwasser. Um die Trennung zu erreichen,

wird unter Druck ein Strom (Feed) zur Membran geleitet. Dort teilt sich der Feed in Permeat und

Retentat. Treibende Kräfte sind hierbei der hydrostatische Druck, das elektrische Potential,

Druck und Konzentrationsunterschiede (Osmose). Es wird im Vergleich zu einer Destillation

oder anderen Trennmethoden keine zusätzliche thermische Energie benötigt.3

Im Rahmen der Laborübung wurde eine Probe von Lignosulfonaten (Nebenprodukt bei der

Papierherstellung) mit Hilfe der Filtration durch eine Membran umgesetzt. Lignosulfonate

können durch die Aufkonzentrierung als Ausgangsstoffe für Anwendungen in der Bauindustrie

(Bindemittel) aber auch für Aromen (Vanilin) eingesetzt werden.4

Die Membranprozesstechnologie ist ein gutes Beispiel für die nachhaltige Anwendung von

Technologie – dabei wird eine Methode eingesetzt die mit wenig Energie den Lebenszyklus von

Abfallprodukten zu wertvollen Rohstoffen sehr positiv und letztlich auch unter ökonomischen

Gesichtspunkten gewinnbringend transformiert.

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Elektromagnetische Strahlung

Das Spektrum der elektromagnetischen Strahlung umfasst den Frequenzbereich von einigen

Hertz bis hin zu 1021 Hertz. Die Frequenzen für die meisten alltägliche technischen

Anwendungen liegen zwischen 102 und 109 Hertz. Das schließt Radiowellen, Fernsehen,

Mobilfunk und W-LAN mit ein.

Abbildung 3: Elektromagnetische Strahlung5

Ohne die Erkenntnisse über das Lichtspektrum wären die technischen Errungenschaften der

letzten 100 Jahre kaum möglich gewesen – egal ob Röntgenstrahlung für etwa eine XPS-

Analyse oder das Radio. Eine der neueren Nutzungen von Frequenzen des Spektrums der

elektromagnetischen Strahlung ist die Anwendung von W-Lan. Insofern ist der

Nachhaltigkeitsbezug hier vor allem indirekt durch die vielfältigen Möglichkeiten gegeben.

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Abbildung 4: Spectrum EM-Strahlung (9KHz-3GHz)

Mit einem Spectrum Analyzer wurden die Frequenzen aufgenommen.

9 KHz - 3 GHz Waagerecht polarisiert

Signalstärke [dBm]

-75

-70

-65

-60

-55

-50

-45

-40

-35

Frequenz [MHz]0 500 1.000 1.500 2.000 2.500 3.000

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Carbon Nano Walls

Graphen und Graphit sind beispielsweise schon lange bekannte Modifikationen des

Kohlenstoffs. Ein neueres Forschungsfeld sind die sog. Carbon Nano Walls. Sie geben einen

tieferen Einblick in die Funktionsweise und Eigenschaften der Materie. Die neuen Erkenntnisse

über die Struktur der Carbon Nano Walls lassen sich auch für entsprechende technologische

Anwendungen einsetzen. Mit Hilfe der Ramanspektroskopie ist es gelungen diese Modifikation

zu klassifizieren.

Abbildung 5: Kohlenstoffmodifikationen6

Im Rahmen der Laborübung wurden zwei Proben (fokussiert und nicht fokussiert) miteinander

verglichen. Daraus lässt sich zuerst kein Nachhaltigkeitsbezug ableiten. Im Allgemeinen hat

diese Modifikation wie andere des Kohlenstoffs auch, halbleitende Eigenschaften, woraus sich

dann die technischen Anwendungen ergeben. 7

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Schall und Licht

In dieser Laborübung wurden Emissionen von Schall und Licht gemessen. Im Gegensatz zu

physischen Schadstoffeinträgen wie etwa Abwässer oder Feinstaub haben diese Einflüsse

ebenfalls messbare Auswirkungen auf die Umwelt. Es wurden unter anderem die Lautstärke an

öffentliche Orten gemessen und die Beleuchtungsstärke in einem Seminarraum überprüft.

Abbildung 6: Überprüfung der Beleuchtungsstärke

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Innerhalb eines Raumes schwankte die Beleutungsstärke zwischen 295 und 921 Lux. Es lag

jedoch alles im Rahmen der Vorgaben. Von der Effizienz her sind durch die LEDs und eine

Verspiegelung schon viele Maßnahmen bezüglich der Nachhaltig auf die Nutzung von Energie

umgesetzt.

Lärm ist mittlerweile ein ständiger Begleiter in unserer Umgebung. Immer mehr Menschen

ziehen in Ballungsräume, wo es dann ein dementsprechendes Verkehrsaufkommen mit den

damit verbundenen Lärmemissionen gibt. Mit Hilfe eines Sonometers wurde an verschiedenen

Plätzen in der Stadt der Schalldruckpegel bestimmt.

Lokalität Sonometer[db] Noris[db]

Petersgasse 78 80

Felix Dahn Park 68 67

Glacis_Oper 86 85

Glacis_Oper_Ruhe 72 71

Grammophon 72 71

Grammo_Bahn 85 85

Parkhaus 64 65

Bus 1m entf. 91 91

Wasserplätschern 76 75

Jakominiplatz 80 80

Keller Uni 51 51

Seminarraum 50 50

Die Spitzenwerte lieferte der Verkehr: es wurden Werte von über 90 dB gemessen.

Je nach Medium hat Schall sowohl im Wasser als auch in der Luft negative Auswirkungen auf

Tiere und Menschen. Im schlimmsten Fall führen Lärmbelästigungen zu übermäßigem Stress

mit entsprechenden Folgen – Schlaflosigkeit und generell einer kürzeren Lebensdauer.

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Ausblick

Durch die Laborübung aus Umwelttechnik konnten neue Perspektiven auf die technische

Herangehensweise in Bezug auf Problemstellungen gewonnen werden. Auswirkungen können

sehr unterschiedlich erfolgen.

Durch etwa elektromagnetische Strahlung können die Sensoren von Lebewesen gestört

werden, da etwa Vögel und Meeresbewohner diese Frequenzen nutzen um sich zu orientieren

und miteinander zu kommunizieren. Immer wieder hört man von gestrandeten Meeressäugern.

Hier dürfte auch di Lärmbelästigung durch den Schiffsverkehr eine große Rolle spielen.

Generell lässt sich Technologie durchaus mit dem Nachhaltigkeitsgedanken in Verbindung

bringen. Bei Membranprozessen und biotechnologischen Anwendungen zeigte sich, dass mit

wenig Energieeinsatz, Wasser gereinigt werden kann, aber auch wertvolle Rohstoffe für

vielfältige industrielle Anwendungen gewonnen werden können.

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Referenzen

1 https://www.bmlfuw.gv.at/umwelt/nachhaltigkeit/nachhaltigkeit.html (Stand:07/2017)

2 http://www.colltec.de/Xanthan_Gum/xanthan_gum.html (Stand: 07/2017)

3 Kienberger, M. Script „Membrane Unit Operations 2017“, Department of Chem. Engineering and Env. Technology.

4 Heinrich Strathmann, Ullmann’s enzyclopedia of industrial chemistry; Membranes and Membrane Separation Processes, 1. Principles, Wiley-VCH Verlag, 2012.

5 https://www.defendershield.com/safe-levels-electromagnetic-radiation/ Stand: 07/2017

6 Kohlestoffmodifikationen: Universität Erlangen http://androidmag.de/report/graphen-5-dinge-die-du-zum-

stoff-der-die-welt-verandern-wird-wissen-musst/)

7 Rottmair, C.: Einfluss der thermischen Prozessführung auf die Eigenschaften von Graphitformteilen,

hergestellt durch Pulverspritzguss von Mesophasen-Kohlenstoff. 2007, S.10–11