Projekt 08106/01

Förderschwerpunkt Holz: Analyse von Schadstoffen in Holz mittels Laserplasma-Emissions-Spektroskopie

ProjekttrÀger

Friedrich-Schiller-UniversitĂ€t JenaInstitut fĂŒr Optik und Quantenelektronik
Max-Wien-Platz 1
07743 JenaZielsetzung und Anlass des Vorhabens Ziel des Projektes ist die Entwicklung eines schnellen Analyseverfahrens zur quantitativen Bestimmung des Belastungspotentials von Altholz. Bei den als umweltgefĂ€hrdend einzustufenden Holzschutz- und ImprĂ€gniermitteln handelt es sich im wesentlichen um Verbindungen, die Chrom, Kupfer, Bor und/oder chlorierte Kohlenwasserstoffe enthalten. Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenFĂŒr den Nachweis der in den Verbindungen enthaltenen Metallatome soll anstelle des bisher ĂŒblichen DIN-Verfahrens der Atom-Absorptionsspektrometrie, welches sehr genau aber dafĂŒr aufwendig und langwierig ist, die laserinduzierte Atom-Emissionsspektrometrie eingesetzt werden. Ein auf die HolzoberflĂ€che fokussierter gepulster Laserstrahl erzeugt ein Plasma, dessen elementespezifisches Strahlungsspektrum zur Identifizierung der verschiedenen Spezies spektral und zeitlich analysiert wird. Erste Voruntersuchungen an unbehandeltem und lackiertem Holz haben gezeigt, daß die laserinduzierte Emissionsspektrometrie als eine genaue, automatisierbare und routinemĂ€ĂŸige Methode zur Analyse von Holz geeignet erscheint. Bis zur Realisierung eines einfach zu handhabenden computergesteuerten AnalysegerĂ€tes sind jedoch noch umfangreiche Vorarbeiten zu leisten. Insbesondere ist außer der Kalibrierung des Spektrometers bzgl. WellenlĂ€nge und IntensitĂ€t der Spektrallinien anhand von Standards der Einfluß der verschiedenen Holzmatrizen auf die Identifizierbarkeit und Trennbarkeit der Emissionslinien zu untersuchen sowie die Nachweisgrenzen zu bestimmen. Weiterhin soll geprĂŒft werden, inwieweit diese Methode auch zum Nachweis der organischen Holzschutzmittel geeignet ist. Ergebnisse und Diskussion Nach dem Aufbau des Spektrometers und dessen Kalibrierung bzgl. der WellenlĂ€ngen wurde zunĂ€chst die Matrix Holz eingehend untersucht. Unbehandeltes Holz verschiedenen Alters, unterschiedlicher OberflĂ€chenbeschaffenheit und von unterschiedlichen Baumarten, wurde unter ansonsten gleichen Bedingungen an verschiedenen Stellen der Maserung analysiert. Die auftretenden Emissionslinien liegen bei allen Spektren bei denselben WellenlĂ€ngen, jedoch kann aufgrund der unterschiedlichen Höhe des spektralen Untergrundes keine Aussage ĂŒber die IntensitĂ€t und damit die enthaltene Menge des Elementes gemacht werden. Die Problematik der Eliminierung des Untergrundes wurde vom Industriepartner NIS Ingenieur GmbH Hanau umfassend gelöst und wird uns fĂŒr weitere Arbeiten zur VerfĂŒgung gestellt werden, so daß weite-re Anstrengungen unsererseits nicht nötig sind. Eine zusĂ€tzliche Variante zur Eliminierung des Untergrundes ist die Gatung der CCD-Zeile. Indem das Spektrum nur in einem schmalen zeitlichen Fenster von einigen 100 ns aufgenommen wird, kann durch gĂŒnstige Lage dieses Zeitfensters (optimiert auf die nachzuweisenden im Schadstoff enthaltenen Ele-mente) der von der Holzmatrix und der umgebenden Luft her rĂŒhrende Untergrund drastisch reduziert werden. Diese Variante der zeitlichen Gatung erscheint uns auch im Hinblick auf die sinnvolle FortfĂŒhrung des Projektes als unbedingt notwendig. Derzeitig ist es mit unserer einfachen, nicht automatisierbaren Apparatur möglich, folgende Elemente im Holz mit Sicherheit nachzuweisen: Cu, Cr, Zn, K, Na, Ca, Mg, Al, Fe. Weitere Elemente wie Co, Ba, Ni sind momentan nur mit einigen Unsicherheiten nachweisbar. Die Elemente B und As sind mit der an der FSU aufgebauten Apparatur nicht nachweisbar. Das liegt möglicherweise an der zu geringen spektralen Empfindlicheit der CCD-Zeile im fĂŒr die Messungen gĂŒnstigsten Spektralbereich 200 - 400 nm. Da der Nachweis o. g. Elemente sowohl mit der im Laser-Laboratorium Adlershof existierenden industriemĂ€ĂŸigen Anlage als auch mit dem GerĂ€t von NIS völlig unproblematisch ist, wurden die Untersuchungen unsererseits zwecks Vermeidung der Verschwendung von ForschungskapazitĂ€ten in eine andere Richtung gelenkt. Neue Schwerpunkt der Forschung sind: - Untersuchungen zu den schwieriger nachzuweisenden Halogenen CI und F, - quantitative Schadstoffanalyse. Die Halogene sind, wie die eigenen Untersuchungen ebenfalls zeigen, nur ĂŒber zeitaufgelöste Messungen zu detektieren. Über die zeitaufgelösten Messungen besteht möglicherweise auch eine Chance zwischen anorganischen z. B. vom Kochsalz her rĂŒhrenden Chlor und organischem Chlor aus den Holzschutzmitteln zu unterscheiden. Es wurde deshalb abweichend vom ursprĂŒnglichen Arbeits- und Kostenplan mit dem Umbau des Spektrometers hinsichtlich zeitaufgelöster Messungen begonnen. Der Umbau wird voraussichtlich Mitte MĂ€rz beendet sein, so daß diese Untersuchungen Schwerpunkt der zweiten ProjekthĂ€lfte bzw. des Folgeprojektes sein werden. Die Untersuchungen an fluorhaltigen Holzproben haben gezeigt, daß es eventuell erforderlich ist, nicht nur die Atomspektren, sondern auch MolekĂŒlspektren in die Auswertung mit einzubeziehen. Die quantitative Schadstoffanalyse erfordert die Einbeziehung der Eichsubstanzen der einzelnen Schadstoffe. Da die Plasmaerzeugung in den FlĂŒssikeiten wegen der erforderlich hohen Laserenergiedichten sehr schwierig ist, werden derzeit andere Methoden zur Ermittlung der Spektren der Eichsubstanzen wie Gefriertrocknung getestet. Fazit Ausgehend von dem bisherigen Ergebnisstand und der begonnenen Umorientierung sehen wir fĂŒr die weiteren Arbeiten folgende Schwerpunkte: - Weiterentwicklung des Verfahrens hinsichtlich des Halogennachweises unter Einbeziehung zeitaufgelöster Messungen und der MolekĂŒlspektroskopie. - Weiterentwicklung und Kostenoptimierung der beim Industriepartner NIS Ingenieurgesellschaft mbH, Hanau, vorhandenen, bisher zur Analytik in der Metallurgie verwendeten, Apparatur hinsichtlich der Applikation zur Detektion von Holzschutzmitteln bei gleichzeitiger Praxiserprobung durch die CUP Recycling GmbH, Alzenau. Quantitative Schadstoffanalyse und Bestimmung der Nachweisgrenzen.

Übersicht

Telefon

03641/9-47200

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Bundesland

ThĂŒringen

Fördersumme

51.129,19 €

Förderzeitraum

31.05.1996 - 03.02.1998