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Untersuchung des Emissionsverhaltens von Nanopartikeln bei der Abfallverbrennung
Julia Zach 1, Michael Jakuttis1, Pawel Baran2, Peter Quicker2, Sarah Thomas3, Felix Glahn3, Heidi Foth3, Henning Förster4, Wolfgang Peukert4, Anja Hirte5, Jürgen Junker5, Reiko Fischer5, Stefan Hajek6, Erwin Schmidbauer6, Andreas Fries7, Udo Martinett7, Peter Gäng8
1 Projektkoordination: Fraunhofer UMSICHT, Institutsteil Sulzbach-Rosenberg, Tel: +49 9661 908-418, Email: [email protected], 2 Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 3 Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg, 4 Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg, 5 Junker-Filter GmbH, 6 Herding GmbH Filtertechnik, 7 MVA Weisweiler GmbH & Co. KG, 8 FilTEq GmbH
Konzept Erkenntnisgewinn zum realitätsnahen Emiss ions - und Abscheideverhalten
von Nanopartikeln bei der thermischen Abfallbehandlung
Zwischenergebnisse
Laufzeit und Förderung
Projektpartner
BMBF-Forum MatRessource, Darmstadt
Das Forschungsprojekt hat eine Laufzeit vom 01.05.2013 bis 30.04.2016 und wird gefördert vom Bundesministerium für Bildung und Forschung
Abb. 6 und 7: Zytotoxizitätstests von nanopartikulärem Aluminiumoxid nach 72 Stunden Inkubation
aus Forschung… und Industrie
Charakterisierung des Emissionsverhaltens von Nanopartikeln
während der Verbrennung
Bewertung und Optimierung von Filtrationsmedien zur
Nanopartikelabscheidung im Abgas
Human- und ökotoxikologische Bewertung
der im Abgas verbliebenen Partikelfraktion
Aufbau einer Modellfilterapparatur und eines Filtertestprüfstandes (Untersuchung bzgl.
Abscheideleistung, Druckverlust etc. an mit Nanopartikeln versetzter Originalasche einer
MVA)
Verbrennungsversuche unter Zugabe definierter Nanopartikeln im Technikumsmaßstab
(Rost-, Wirbelfeuerung) und unter großtechnischen Bedingungen (MVA)
Identifizierung und Bilanzierung von Nanopartikeln in den Verbrennungsrückständen, im
Filtermaterial und im Abgas
Filteroptimierung und -bewertung in Modellversuchen durch systematische Variation der
relevanten Betriebsparameter (Filtermaterial, Filtrationsgeschwindigkeit, Staubkuchenart
und -struktur, Regeneration des Filtermediums) und in realen Verbrennungsversuchen
Abschätzung der biologischen Wirkmechanismen von Nanopartikeln vor und nach der
Verbrennung durch detaillierte Untersuchungen zur Aufnahme in Zellen, der Induktion von
oxidativem Stress, zu Effekten auf die Genexpression, zum gentoxischen Potenzial sowie der
Induktion von Entzündungen und Apoptose
Zielsetzung
Geplante Arbeiten
Untersuchungen zum Emiss ionsverhalten von Nanomaterialien
Untersuchungen zum Abscheideverhalten von Nanomaterialien
Aufbau Feuerungseinheiten, Filter- und Messtechnik
Aufbau und Anpassung einer 100 kW Wirbelfeuerung und einer 100 kW Rostfeuerung mit
nachgeschaltetem Heißgasfilter abgeschlossen
Untersuchungen zum toxikologischen Verhalten von Nanomaterialien
Charakterisierung der Nanomaterialien entlang der projektspezifischen Arbeiten
Vorversuche zum Emissions- und Abscheideverhalten der Modell-Nanomaterialien in
Holzpellets als Brennstoff
Toxikologie: Testung Kompatibilität von Medien und Zusätzen (Proteine, Tenside) mit
Primärzellen
Installation des Bypassfilters in der MVA Weisweiler
Herstellung und Verbrennungsverhalten nanomaterialhaltiger Musterbrennstoffe
Anlehnung an Ersatzbrennstoff (Wirbelfeuerung) und Hausmüll (Rostfeuerung)
Homogene Einbringung der Nanomaterialien mittels Pelletierung in Holzfraktion möglich
Brennstoffcharakterisierung zeigt eine realitätsnahe Anlehnung an typische Zusammensetzungen
Verbrennungsverhalten der Musterbrennstoffe unzureichend, keine stabile Verbrennung möglich
Aufbau VDI Filterprüfstand
Aufbau, Erweiterung und Inbetriebnahme der Filterprüfstände sind abgeschlossen
Filtrationsexperimente nach VDI 3926 mit Filtermedium späterer großtechnischer Versuche (MVA)
Gute Reproduzierbarkeit der Ergebnisse, großer Einfluss des Druckverlustes und der
Anströmgeschwindigkeit auf das Filtrationsergebnis
Aufbau der Filtertechnik zur Untersuchung des Langzeitverhaltens textiler Filter im
Praxisbetrieb einer MVA
Aufbau eines Bypassfilters mit textilen Filtermedien
Aufbau einer mobilen Filtersonde zur Untersuchung der Filtration von Nanopartikeln im Abgas
Projektspezifische Nanomaterialien
Titandioxid (Rutil-Modifikation)
Herstellerangabe Primärpartikel: ~ 20 nm
Bariumsulfat
Herstellerangabe Primärpartikel: ~ 60 nm
Ceroxid
Herstellerangabe Primärpartikel: ~ 1 nm
Aluminiumoxid ( Theta-Modifikation)
Herstellerangabe Primärpartikel: ~ 11 nm
Abb. 1: Rostfeuerung Abb. 2: Wirbelfeueurng Abb. 3: Filtereinheit
Abb. 5: Bypassfilter Abb. 6: Mobile Filtersonde Abb. 4: Einfluss Druckverlust auf Trennfunktion
500 nm
Abb. 8: Bariumsulfat in Pulverform Abb. 9: Bariumsulfat in Holzmatrix gebunden
100 nm
Zytotoxizitätstest von nanopartikulärem Aluminiumoxid an Lungentumorzelllinie H322
MTT-Test: Reduktion des MTT-Farbstoffes durch mitochondriale Dehydrogenasen vitaler Zellen
Resazurin-Test: Messung der metabolischen Aktivität vitaler Zellen
Dosis- & zeitabhängiger Vitalitätsverlust in beiden Tests nach Inkubation mit Al2O3 Nanopartikel
Herstellung und Charakteris ierung von Nanomaterialsuspensionen
Herstellung Nanopartikel-Suspensionen in verschiedenen Medien (DMEM, AECG, Daphnien-
und Algenmedium) mittels Ultraschalllanze und Charakterisierung mittels dynamischer
Lichtstreuung (DLS)
Teilweise starke Agglomerationseffekte der Nanopartikel (besonders Ceroxid)
