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Evaluierung von neuartigen Adsorbermaterialien für umweltrelevante perfluorierte Verbindungen
Projektleitung
	Dr. rer. nat. Björn Meermann BAM - 1.1 Anorganische Spurenanalytik E-Mail: Bjoern.Meermann@bam.de
Förderstruktur
	DFG - DFG - Sonderforschungsbereiche - SFB 1349: Fluorspezifische Wechselwirkungen: Grundlagen und Anwendungen
Projektbeginn
	01.01.2023
Projektende
	31.12.2026
Projektart
	Realisierte Antragsforschung
Themen-/Aktivitätsfeld
	THEMENFELD Analytical Sciences, * Spurenanalytik und chemische Zusammensetzung, ** Anorganische Spurenelement- Spezies und Isotopenanalytik
Abstract
	In diesem Teilprojekt sollen verschiedene Adsorbermaterialien synthetisiert werden, die mit umweltrelevanten Per- und Polyfluorierten Schadstoffen (PFASs) Fluor-Spezifisch wechselwirken. Die Adsorbermaterialien kommen dabei im Umweltmonitoring von PFASs zum Einsatz. Dabei werden die Adsorbermaterialien zur spezifischen Probenvorbereitung sowie Anreicherung der PFASs genutzt; in einem zweiten Schritt schließt sich dann die Analyse der PFASs-Summen und weiteren relevanten Zielsubstanzen (z.B. Trifluoressigsäure, TFA) an. Das Projektvorhaben gliedert sich somit in zwei wesentlich Teile: (i) Synthese neuartiger Adsorbermaterialien für das PFASs-Umweltmonitoring und (ii) Entwicklung neuartiger und leistungsstarker instrumenteller Verfahren zur Analytik von PFASs. Im Vorfeld wurden bereits erste Materialien auf ihr Adsorptionsvermögen hin untersucht. Hierbei wurden Lewatit-Polymerpartikel oberflächenmodifiziert. Es zeigte sich, dass fluorierte-alkylierte Lewatit-Polymerpartikel eine deutlich verbesserte Adsorption von ausgewählten PFASs aufweisen. Die vorwiegenden Interaktionen basieren dabei im Wesentlichen auf ionischen und Fluor-Spezifischen Wechselwirkungen. Mit Blick auf eine vergrößerte Oberfläche mit hoher Funktionalisierung und somit gesteigerten Adsorptionseigenschaften kommen im Rahmen dieses Projektes insbesondere bifunktionale Graphenplattformen zum Einsatz. Diese Bifunktionalisierung, bestehend aus einem quaternären Ammoniumion in direkter Nachbarschaft zu einer polyfluorierten Kette lässt sich vor allem auf Graphen kontrolliert und reproduzierbar durchführen. Neben der Synthese und Oberflächenmodifizierung von Graphen schließen sich zudem erste Tests eines möglichen Up-Scalings der neuen Materialien im Hinblick auf eine mögliche spätere technische Applikation an. Mit Blick auf ökonomische Aspekte wird zudem ein Übertrag der Funktionalisierung auf Aktivkohle untersucht. Zeitgleich werden instrumentelle Verfahren auf Basis der hochauflösenden-continuum source-Graphitrohr Molekülabsorptionsspektrometrie (HR-CS-GFMAS) entwickelt. Hierbei wird in situ bei >1500 °C in der Gasphase ein diatomares Molekül bestehend aus Fluor und einem Metall (MF) gebildet, das charakteristische Molekülabsorptionseigenschaften besitzt, die eine Quantifizierung der PFASs ermöglichen. Zunächst wird im Rahmen des Projektes eine analytische Methode entwickelt und diese im weiteren Verlauf sowohl zur iterativen Entwicklung der Adsorbermaterialien als auch zum anschließenden Umweltmonitoring genutzt. Im Rahmen der Synthese der Adsorber und analytischen Methodenentwicklung kommen zunächst ausgewählte PFASs zum Einsatz, die verschiedene physikalisch-chemische Eigenschaften aufweisen. Zudem wird die jeweilige Adsorptionseffizienz der synthetisierten Materialien ermittelt und das Material ggf. weiterentwickelt, bzw. entsprechend designt. Dabei sind auch gezielt Experimente zur Massenbilanzierung geplant, um das Regenerationsverhalten der Adsorbermaterialien zu charakterisieren; basierend darauf wird ein Regenerationsprotokoll der Adsorber entwickelt. Hierüber wird ein „Recycling“ der Materialien und eine hohe Wiederfindungsrate gewährleistet. Weiterhin wird das neue Material mit „kommerziellen“ SPE-Materialien verglichen, um Aussagen zur verbesserten Adsorptionseffizienz treffen zu können. Das entwickelte Adsorbermaterial sowie das analytische Verfahren kommen im Anschluss in einer ersten kleinen Monitoringstudie von Oberflächengewässern zum Einsatz. Hierbei werden in einer Probennahme¬kampagne an Gewässern in und um Berlin Wasserproben gesammelt und analysiert. Zukünftige mögliche Anwendungsfelder der Kombination aus neuen Adsorbermaterialien und analytischer Technik stellen sich im Bereich der Abwasserreinigung (vierte Reinigungsstufe) sowie der Trinkwasseraufbereitung dar – dies könnten vielversprechende Folgeprojekte darstellen.