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Towards Understanding the Fate of Nano-Objects in Thermal Waste Treatment Processes: Development of Analytical Methods for Element and Particle Size Analysis of Aerosols and Suspensions

English title Towards Understanding the Fate of Nano-Objects in Thermal Waste Treatment Processes: Development of Analytical Methods for Element and Particle Size Analysis of Aerosols and Suspensions
Applicant Ludwig Christian
Number 184817
Funding scheme Project funding (Div. I-III)
Research institution Paul Scherrer Institut
Institution of higher education Paul Scherrer Institute - PSI
Main discipline Chemical Engineering
Start/End 01.02.2020 - 31.01.2024
Approved amount 747'796.00
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All Disciplines (3)

Discipline
Chemical Engineering
Other disciplines of Environmental Sciences
Material Sciences

Keywords (8)

thermal treatment; scanning mobility particle sizer; single particle plasma spectrometry; particle size distribution ; analytical chemistry; nano-objects; waste; aerosol science

Lay Summary (German)

Lead
Kontext: In den letzten Jahrzehnten wurden viele Anstrengungen unternommen, um Luft- und Gewässerverschmutzungen durch die Abfallentsorgung zu verhindern. Unsere Abfallbehandlungssysteme sehen sich jedoch zusehends mit neuen Herausforderungen konfrontiert. Neue Materialien und Stoffe gelangen auf den Markt und landen schlussendlich im Abfall oder gelangen direkt in die Umwelt. Um deren Verhalten in Umwelt, industriellen Prozessen, im Alltag oder bei der Abfallentsorgung verstehen zu können, braucht es geeignete chemisch-physikalische Analysenmethoden.
Lay summary

Herausforderung: Die Anzahl verschiedener chemischer Elemente in industriellen Produkten und täglichen Gütern nimmt laufend zu. Gleichzeitig werden neue Nano-basierte Technologien eingesetzt. Liegt ein Stoff als Nano-Partikel (NP) vor, so hat er veränderte physikalisch-chemische Eigenschaften. Während die neuen Materialeien, am richtigen Ort eingesetzt unseren Alltag erleichtern, stellt sich die Frage, wie sicher sind sie im Alltag für Umwelt und Gesundheit und was passiert, wenn sie im Abfall landen?

Ein Beispiel: Was passiert, wenn wir mit einem Nano-Spray unseren Holzzaun im Garten besprühen, um das Holz vor Umwelteinflüssen zu schützen? Ist unsere Gesundheit durch die Exposition beim Sprayen gefährdet? Können die NP eingeatmet werden? Bleiben die NP auf dem Gartenzaun haften oder werden diese mit der Zeit vom Regen weggewaschen? Was passiert, wenn der Zaun nach Jahren ersetzt werden muss und zum Abfall wird? Werden die Nano-Materialien bei der Verbrennung in der Abfallverbrennung zerstört? Werden sogar neue NP in der Abfallverbrennung gebildet? Werden diese in die Gasphase freigesetzt oder verbleiben sie in der Verbrennungsasche? Wie können wir erkennen, welche Partikel zerstört, neu gebildet oder unbeschadet einen Verbrennungsprozess überstehen können?

Ziel: Damit wir solche Fragen beantworten können, braucht es geeignete analytische Messmethoden. In diesem Projekt werden neue Methoden zur Analyse von Nano-Materialien in Gasen und Flüssigkeiten entwickelt. Ziel ist es Grössenverteilung und Elementarzusammensetzung der NP simultan und on-line für unterschiedliche Anwendungen messen zu können. Das Projekt fokussiert sich dabei auf Fragestellungen der Abfallbehandlung.

Direct link to Lay Summary Last update: 16.05.2019

Responsible applicant and co-applicants

Employees

Project partner

Associated projects

Number Title Start Funding scheme
139136 „NanoAir - Online coupling of a scanning mobility particle sizer (SMPS) to an inductively coupled plasma mass spectrometer (ICP-MS) for size fractionated and chemical analysis of nanoparticles in aerosols“ 01.08.2012 R'EQUIP
144302 Advanced Nanopowders Synthesis 01.04.2013 Project funding (Div. I-III)
44586 Physikalisch-chemische Grundlagen der Schwermetallabtrennung bei der thermischen Abfall- und Rückstandsbehandlung 01.09.1996 Swiss Priority Programmes (SPPs)
136890 Hot gas cleaning of woodgas for electricity/biofuels production 01.10.2012 NRP 66 Resource Wood

Abstract

Over the past decades many efforts have been made to minimize air pollution from thermal waste treatment (TWT) and prevent ground water pollution from waste disposal. However, current waste treatment systems encounter new challenges, such as nano-wastes, i.e. wastes containing engineered nano-particles and nano-objects (NO). A general evaluation and assessment of the NO behavior during and after a TWT process, including the formation of different compounds, aging and fate, is mandatory. Due to their specific chemical and physical properties, such as the high surface-volume ratio, NO are of particular importance. One can differentiate between NO generated in TWT and those contained as engineered NO (ENO) in the waste feedstock. Their behavior and fate during TWT processes and after disposal of secondary residues is not fully understood. Moreover, analytical tools are missing for the investigation of NO in TWT processes. Developing and applying reliable analytical techniques for the characterization of NO in wastes down to nanometers size and concentration down to few thousands of particles per cm3 are needed. While analytical tools to measure online particle size distribution of such NO are well-established, the chemical composition is conventionally made offline.The “EPSA-NanoWaste” project aims, on one hand, to develop appropriate analytical methods for the determination of chemical composition, size and concentration of NO containing metallic compounds in TWT online and simultaneously. On the other hand the fate of specific thermal-generated nano-objects (TGNO) will be investigated. The project is systematical divided in two main topics:1. The development of online analytical methods for NO containing metallic compounds in TWT processes: Two online methods will be developed and applied for the online determination of the chemical composition, size and concentration of NO in suspensions and process gases. The first one is a system, combining an SMPS (Scanning Mobility Particle Sizer) and ICP-MS (Inductively Coupled Plasma Mass spectrometry). A RDD (Rotating Disk Diluter) will be used as introduction system. This coupled system is successfully tested and evaluated for thermal-emitted particles (dry aerosols). New calibration strategies will be applied to the SMPS-ICP-MS system, using a conventional nebulizer and/or aerosol generator. The second analytical technique is the single-particle ICP-MS (sp-ICP-MS), which is an innovative tool developed recently to characterize particles in suspensions with low and very low particle concentration. A new particle introduction concept is suggested in this project. An evaluation study will be performed to compare the performance of the two techniques for different types of NO suspensions. In-house synthesized nanomaterials and commercial references nanoparticle suspensions will be used for the method development and validation. The two methods will be applied on different morphologies of NO, such as ceria nanomaterials. 2. Study of the fate of nano-objects in TWT processes: Using the in-house developed SMPS-ICP-MS for dry aerosols open scientific questions related to TWT processes will be addressed, including the study of TGNO containing metal containing species under specific redox conditions, thermal-chemical behavior of ENO, and relationship between chemical composition and size distribution of NO. In these studies different waste- and environmental relevant model compounds, including Ag, CeO2, Co3O4, conventional and Micronized Copper Azole (MCA), RSiO1.5 (R is an organic functional group) in ENO and/or bulk form with different thermal stability, will be investigated. Furthermore, the two ICP-based developed methods for suspensions (SMPS-ICP-MS and sp-ICP-MS) will be applied on secondary TWT solid residues, effluents and liquid quenched (LQ) samples with metal containing species from a TWT plant. The two analytical methods will be applied also for the secondary solid residues from TWT experiments using model materials.
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