Nanopartikel: Keine Endstation in der Müllverbrennung

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Im Labor (Foto: Michael Bührke / http://www.pixelio.de)

Villigen, Schweiz — Abfallverbrennung ist noch lange ken Allheilmittel. Denn einige für die menschliche Gesundheit und die Umwelt schädliche Verbrennungsprodukte können nicht vollständig verbrannt werden. Dazu gehören Nanopartikel. Bereits vor einem  Jahr berichtete ein Forscherteam mit Beteiligung des Paul Scherrer Instituts PSI über das Schicksal von zunehmend in Konsumgütern eingebauten Nanopartikeln, die am Ende ihres Lebenszyklus in die Abfallverbrennung gelangen. Diese Nanopartikel werden bei der Verbrennung nicht in die Atmosphäre ausgestossen. Aber sie  bleiben in den festen oder flüssigen Rückständen der Verbrennungsanlagen unzerstört bestehen und landen schliesslich auf Deponien.

Deshalb sehen PSI-Forscher Handlungsbedarf, bevor die Verbreitung nanostrukturierter Produkte, die während oder als Überrest nach der Verbrennung in die Umwelt gelangen, ein unumkehrbares Ausmass annimmt. In Zusammenarbeit mit Kollegen der ETH Zürich und der Empa gehen sie zunächst der Frage nach, wie viele Nanopartikel welcher Grösse und chemischer Zusammensetzung tatsächlich eine Kehrichtverbrennungsanlage verlassen. Denn von diesen beiden Faktoren – Grösse und Chemie – hängt die Reaktionsfreudigkeit und somit die mögliche Biotoxizität von Nanopartikeln stark ab. Insbesondere das Wissen um die chemische Zusammensetzung wird es erstmals erlauben, die Herkunft der Nanopartikel festzumachen, also ob diese aus dem ursprünglichen Abfallgut stammen oder erst während des Verbrennungsprozesses entstehen.

Chemische Zusammensetzung untersuchen

Über den Nanopartikel-Ausstoss von Kehrichtverbrennungsanlagen sowie von anderen Anlagen zur thermischen Aufarbeitung von Abfall ist noch zu wenig bekannt. In diese Richtung unternehmen nun die Forscher erste Schritte. Sie bauen zurzeit ein Instrument, mit dem die Nanopartikel-Emissionen aus Verbrennungsprozessen auf ihre chemische Zusammensetzung und Grössenverteilung untersucht werden können. Messgeräte, die entweder die Grösse von Nanopartikeln (Partikelzähler) oder ihre elementaren Bestandteile (Plasma-Massespektrometer) durchleuchten, gibt es bereits lange. Nicht aber solche, die beides gleichzeitig und dazu noch in Echtzeit tun. „Für ein besseres Verständnis der Bedingungen, unter denen die Nanopartikel die Verbrennung überleben, sind solche zeitaufgelösten, dynamischen Messungen essentiell“, sagt Mohamed Tarik, Postdoktorand in der PSI-Forschungsgruppe für chemische Prozesse und Materialien im Labor für Bioenergie und Katalyse.

Zukünftig unmittelbar überwachen

Mit der heutigen Technik sind die Messungen nur zeitversetzt möglich. In Zukunft hingegen sollen zum Beispiel in Experimenten die Betriebsparameter einer Verbrennungsanlage angepasst und der unmittelbare Effekt auf die Nanopartikel-Emissionen überwacht werden. Das Ziel der PSI-Forscher ist deshalb, die beiden heute noch getrennten Funktionen (Bestimmung der Grössenverteilung mit einem Partikelzähler und der chemischen Zusammensetzung mit einem Plasma-Massespektrometer) in einem Gerät zu vereinen (für Details siehe Kasten ganz unten.

Argon statt Luft

Einige Anpassungen an bestehenden kommerziellen Instrumenten sind jedoch notwendig. So erfordert ein kommerzielles Plasma-Massespektrometer (zur Bestimmung des chemischen Spektrums) die Verwendung von Argon für die Plasmaerzeugung. Luft oder gar Sauerstoff würden das Plasma instabil machen. Für das neue Gerät bedeutet dies, dass auch das Filtern und Zählen der Partikel im Klassierer mit Argon statt Luft als Schleiergas geschehen müssen. Weil die Gasflüsse hier genau definiert sein müssen und Argon anders fliesst als Luft (unterschiedliche Viskosität), müssen ein paar Betriebsparameter angepasst werden. Zudem verlangt das Plasma-Massespektrometer eine präzise definierte Eingangsmenge an Gas, um richtig zu funktionieren.  Die Forscher schalten deshalb einen sogenannten Rotationsverdünner vor, der diese genaue Dosierung übernimmt.

Tricks zur Erfassung aller Partikelgrößen

Eine weitere Herausforderung stellt die Verwendung des teuren Argons. Um die Kosten in Grenzen zu halten, arbeiten die Wissenschaftler deshalb an einem Konzept zur Reduktion des Argonverbrauchs in ihrem Instrument. Argon bringt eine weitere Schwierigkeit ins Spiel: Die Spannung, die man anlegen kann, ohne dass es zum elektrischen Durschlag kommt, ist bei diesem Edelgas kleiner als bei Luft. Da man zum Filtern grösserer Partikel auch höhere Spannungen benötigt, ist mit Argon die maximale Grösse der Partikel, die man noch messen kann, ebenfalls kleiner als bei Luft. Die Forscher wollen aber Partikel aller möglichen Grössenklassen vermessen, denn nur so erhalten sie ein vollständiges Bild der potenziellen Gefährlichkeit der Verbrennungsprodukte. Sie feilen deshalb auch an Tricks, mit denen sie die Beschränkung der maximal messbaren Partikelgrösse umgehen können.

Christian Ludwig, Leiter der Gruppe für chemische Prozesse und Materialien, ist trotz dieser Herausforderungen zuversichtlich, dass der Bau eines sehr empfindlichen und genauen Messgerätes zur vollständigen Charakterisierung der Nanopartikel aus der Abfallverbrennung gelingen wird. Ein erster Prototyp sei bereits gebaut und die bisherigen Testmessungen damit machten ihm Hoffnungen. Langfristiges Ziel ist der Bau eines mobilen Instrumentes, mit dem Messungen an den Anlagen vor Ort durchgeführt werden können.

Autor: Leonid Leiva

Quelle: Paul Scherrer Institut