DE102019106806A1 - Method for determining the microplastic content in environmental samples - Google Patents

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Bernhard Schartel
Patrick Klack
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    • G01MEASURING; TESTING
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    • G01N25/20Investigating or analyzing materials by the use of thermal means by investigating the development of heat, i.e. calorimetry, e.g. by measuring specific heat, by measuring thermal conductivity
    • G01N25/22Investigating or analyzing materials by the use of thermal means by investigating the development of heat, i.e. calorimetry, e.g. by measuring specific heat, by measuring thermal conductivity on combustion or catalytic oxidation, e.g. of components of gas mixtures

Abstract

Verfahren zur Bestimmung eines Mikroplastikgehalts einer Umweltprobe, umfassend: Bereitstellen einer Partikelfraktion der Umweltprobe; Bereitstellen eines Pyrolysegases durch Heizen der Partikelfraktion in einem definierten Temperaturintervall mit einer definierten Heizrate, wobei das Heizen der Partikelfraktion in einer Inertgasatmosphäre erfolgt; Verbrennen des Pyrolysegases in einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre und Bestimmen einer totalen Wärmeabgabe (THR) während des Verbrennens des bereitgestellten Pyrolysegases; und Zuordnen der bestimmten totalen Wärmeabgabe zu einem Mikroplastikgehalt der Umweltprobe.A method for determining a microplastic content of an environmental sample, comprising: providing a particle fraction of the environmental sample; Providing a pyrolysis gas by heating the particle fraction in a defined temperature interval at a defined heating rate, the particle fraction being heated in an inert gas atmosphere; Burning the pyrolysis gas in an oxygen-containing atmosphere and determining a total heat release (THR) during the burning of the provided pyrolysis gas; and assigning the determined total heat release to a microplastic content of the environmental sample.

Description

Technisches GebietTechnical area

Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der Umweltanalytik und betrifft Interessenvertreter im Bereich Mikroplastik, insbesondere Anwender von Routineverfahren zur Abschätzung und/oder Bestimmung des Mikroplastikgehalts in Umweltproben, beispielsweise für die Umweltmesstechnik im Wasser-, Abfall- und Umweltingenieurwesen.The invention is in the field of environmental analysis and relates to stakeholders in the field of microplastics, in particular users of routine methods for estimating and / or determining the microplastic content in environmental samples, for example for environmental measurement technology in water, waste and environmental engineering.

Vorbekannter Stand der TechnikPrior art

Die Präsenz von Mikroplastik, also Kunststoffpartikeln einer Größe kleiner 5 mm, wird zunehmend in der Umwelt beobachtet [1]. Mikroplastik- Partikel werden als Produktzusatz z. B. in Kosmetikartikeln direkt in die Umwelt eingebracht oder entstehen aus größeren Kunststofffragmenten oder -produkten während der chemischen, physikalischen, biologischen oder mechanischen Degradation. In diesem Zusammenhang wird unter einem Kunststoffpartikel sowohl ein flächiges Gebilde verstanden, etwa ein Bruchstück einer Folie oder eines dünnwandigen Formteils, eine synthetische oder halbsynthetische Faser oder das Bruchstück einer Faser, ebenso aber auch ein sphärisches und ein unregelmäßig geformtes, etwa polyedrisches Teilchen oder Bruchstück eines Formteils, umfassend ein überwiegend aus halbsynthetischen oder synthetischen thermoplastischen, duroplastischen oder elastomeren Polymerwerkstoffen bestehenden Material. Die Größenangabe „kleiner 5 mm“ bezieht sich auf die längste Ausdehnung des Partikels. Entsprechende Partikel werden typischerweise mit einem Sieb der Maschenweite 5 mm und kleiner aus einer entsprechenden Probe gewonnen. Ein mittlerer arithmetischer Durchmesser der Partikel der Partikelfraktion liegt damit typischerweise unterhalb 5 mm. Insbesondere ist eine maximale geometrische Ausdehnung der Partikel der untersuchten Partikelfraktion ≤ 5 mm. Die hier verwendete Bezeichnung Plastik umfasst nicht nur synthetische thermo- und duroplastische Polymermaterialien, sondern auch modifizierte natürliche Polymere (z.B. Naturkautschuk, Cellophan, Viskose), sowie Produkte, welche überwiegend auf Polymeren basieren (z.B. synthetische Textilien, Reifen, Farbanstriche). Aus diesen Materialien können Mikropartikel entstehen, welche als Polymere identifiziert und alle umgangssprachlich als Mikroplastik oder abgekürzt MP bezeichnet werden. Bisher sind durch MP verursachte Risiken für Mensch, Tiere und Umwelt noch unklar und werden kontrovers diskutiert [2].The presence of microplastics, i.e. plastic particles smaller than 5 mm, is increasingly being observed in the environment [1]. Microplastic particles are used as a product additive e.g. B. in cosmetic articles introduced directly into the environment or arise from larger plastic fragments or products during chemical, physical, biological or mechanical degradation. In this context, a plastic particle is understood to mean both a flat structure, for example a fragment of a film or a thin-walled molded part, a synthetic or semi-synthetic fiber or the fragment of a fiber, but also a spherical and an irregularly shaped, e.g. polyhedral particle or fragment of a Molded part, comprising a material consisting predominantly of semi-synthetic or synthetic thermoplastic, thermosetting or elastomeric polymer materials. The size specification “less than 5 mm” refers to the longest dimension of the particle. Corresponding particles are typically obtained from a corresponding sample using a sieve with a mesh size of 5 mm and smaller. A mean arithmetic diameter of the particles of the particle fraction is thus typically below 5 mm. In particular, a maximum geometrical expansion of the particles of the particle fraction examined is 5 mm. The term plastic used here includes not only synthetic thermoplastic and thermosetting polymer materials, but also modified natural polymers (e.g. natural rubber, cellophane, viscose), as well as products that are predominantly based on polymers (e.g. synthetic textiles, tires, paints). Microparticles can be created from these materials, which are identified as polymers and are all colloquially referred to as microplastics or MP for short. So far, the risks for humans, animals and the environment caused by MP are still unclear and are discussed controversially [2].

Bekannte Verfahren der Detektion von MP aus komplexen Umweltproben (Gewässer, Feststoffe, Luft, Biota) basieren auf der Analyse von Filtraten oder direkt gewonnenen Feststoffproben. Hauptsächlich werden spektroskopisch (-mikroskopische) Verfahren eingesetzt, bei denen spezifische, spektroskopische Strukturmerkmale der MP verschiedenen Polymersorten zugeordnet werden [3]. Es können MP Partikelanzahlen, -größen und -geometrien in Abhängigkeit von einem definierten Probenvolumen (z.B. Wasserfiltrat- oder Luftprobe) oder von einer definierten Feststoffmasse (z.B. Sediment-, Boden- oder Kompostprobe) bestimmt werden. Es können jedoch nicht Massengehalte von MP in einer Umweltprobe ermittelt werden. Nachteilig ist außerdem, dass diese Methoden in Abhängigkeit von der Umweltmatrix mehrere zeitaufwendige Probenaufbereitungsschritte erfordern, die sich pro Messung über Tage bis Wochen erstrecken, um organische und anorganische Anteile der Umweltmatrix im Interesse aussagekräftiger Ergebnisse zu reduzieren. Die Identifikation der Partikel kann zwar automatisiert werden, jedoch ist die analytische Erfassung repräsentativer Filterflächen oder Probenanteile immer noch sehr zeitintensiv. Sie erfordert typischerweise mehrere Stunden pro Messung und umfasst die Handhabung und Auswertung sehr großer Datenmengen.Known processes for the detection of MP from complex environmental samples (water, solids, air, biota) are based on the analysis of filtrates or directly obtained solid samples. Mainly spectroscopic (microscopic) methods are used, in which specific, spectroscopic structural features of the MP are assigned to different types of polymer [3]. MP particle numbers, sizes and geometries can be determined depending on a defined sample volume (e.g. water filtrate or air sample) or on a defined solid mass (e.g. sediment, soil or compost sample). However, it is not possible to determine the mass contents of MP in an environmental sample. It is also disadvantageous that these methods, depending on the environmental matrix, require several time-consuming sample preparation steps, which extend over days to weeks per measurement in order to reduce organic and inorganic components of the environmental matrix in the interests of meaningful results. The identification of the particles can be automated, but the analytical recording of representative filter surfaces or sample fractions is still very time-consuming. It typically requires several hours per measurement and includes the handling and evaluation of very large amounts of data.

Ebenso sind thermo-analytische Verfahren bekannt [4]. Hierbei werden spezifische Zersetzungsprodukte der MP, bzw. der synthetischen Polymeren erfasst und dem MP Gehalt in der Probe zugeordnet. MP Partikelanzahlen, -größen und -geometrien können mittels dieser Detektionsverfahren nicht bestimmt werden, es können jedoch Massengehalte von MP in einer Umweltprobe ermittelt werden. Diese sind in Abhängigkeit der Probenahme und Probenaufbereitung spezifischen Größenklassen zuordenbar und erlauben somit eine Einschätzung der vorkommenden Größenklassen. Die sichere Identifikation und Quantifizierung erfordert pro Messung einen Zeitaufwand von etwa 2-4 Stunden. Eingedenk der großen Zahl der beim Umweltmonitoring anfallenden Proben ist jedoch auch diese Zeitdauer deutlich zu lang.Thermal-analytical methods are also known [4]. Here, specific decomposition products of the MP or the synthetic polymers are recorded and assigned to the MP content in the sample. MP Particle numbers, sizes and geometries cannot be determined using this detection method, but the mass content of MP in an environmental sample can be determined. Depending on the sampling and sample preparation, these can be assigned to specific size classes and thus allow an assessment of the size classes that occur. Reliable identification and quantification requires around 2-4 hours per measurement. In view of the large number of samples produced during environmental monitoring, however, this period is also clearly too long.

Weiter gibt es erste Bestrebungen, MP mittels Bilanzierungsmethoden basierend auf einer Elementaranalyse hinsichtlich Kohlenstoff, Stickstoff, Sauerstoff und Schwefel abzuleiten, jedoch ist hierbei, beispielsweise für die Untersuchung von Wasserproben, eine vorausgehende Abtrennung der Organik unbedingt erforderlich. Wie ersichtlich, ist hierbei eine automatische Probenanalyse nur unter höchstem Aufwand realisierbar.There are also initial efforts to derive MP by means of balancing methods based on an elemental analysis with regard to carbon, nitrogen, oxygen and sulfur, but a prior separation of the organic matter is absolutely necessary, for example for the analysis of water samples. As can be seen, an automatic sample analysis can only be implemented with great effort.

Vor diesem Hintergrund ist die Verwendung der vorstehend beschriebenen Techniken in Routineverfahren zumindest fraglich oder völlig auszuschließen. Mithin existieren bisher keine standardisierten Untersuchungsverfahren in der Umweltanalytik, umfassend Probennahme, -aufbereitung, und MP-detektion, zum sicheren und schnellen Nachweis von MP in Umweltproben, die den genannten Anforderungen genügen. Jedoch verlangen die ubiquitär zu beobachteten Funde eine systematische und zuverlässige Erfassung von MP. Nur so können Eintrittspfade von MP in die Umwelt und ihr Verbleib nachvollzogen und notwendige Maßnahmen zur Eindämmung ihrer Verbreitung eingeleitet werden.Against this background, the use of the techniques described above in routine processes is at least questionable or completely ruled out. So there are no standardized test methods in environmental analysis, including sampling, preparation and MP detection, for the reliable and rapid detection of MP in environmental samples that meet the requirements mentioned. However, the ubiquitous findings to be observed require a systematic and reliable recording of MP. Only in this way can MPs' entry paths into the environment and its whereabouts be traced, and the necessary measures to curb its spread can be initiated.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren bereitzustellen, das eine quantitative Massengehaltbestimmung von MP in Umweltproben ermöglicht, den Zeitaufwand und Kosten hierfür gegenüber vorbekannten Verfahren verringert und das automatisierbar ist.It is therefore the object of the present invention to provide a method which enables a quantitative determination of the mass content of MP in environmental samples, reduces the time and costs for this compared to previously known methods, and which can be automated.

Kurzdarstellung der ErfindungSummary of the invention

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren nach Anspruch 1. Weitere Ausführungsformen, Modifikationen und Verbesserungen ergeben sich anhand der folgenden Beschreibung und der beigefügten Ansprüche.This object is achieved by a method according to claim 1. Further embodiments, modifications and improvements emerge from the following description and the appended claims.

Insbesondere wird ein Verfahren zur Bestimmung eines Mikroplastikgehalts einer Umweltprobe vorgeschlagen. Das Verfahren umfasst:

  • - Bereitstellen einer Partikelfraktion der Umweltprobe;
  • - Bereitstellen eines Pyrolysegases durch Heizen der Partikelfraktion in einem definierten Temperaturintervall mit einer definierten Heizrate, wobei das Heizen der Partikelfraktion in einer Inertgasatmosphäre erfolgt;
  • - Verbrennen des Pyrolysegases in einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre und Bestimmen einer totalen Wärmeabgabe (THR) während des Verbrennens des bereitgestellten Pyrolysegases; und
  • - Zuordnen der bestimmten totalen Wärmeabgabe zu einem Mikroplastikgehalt der Umweltprobe.
In particular, a method for determining a microplastic content of an environmental sample is proposed. The procedure includes:
  • - providing a particle fraction of the environmental sample;
  • - providing a pyrolysis gas by heating the particle fraction in a defined temperature interval at a defined heating rate, the particle fraction being heated in an inert gas atmosphere;
  • - Burning the pyrolysis gas in an oxygen-containing atmosphere and determining a total heat release (THR) during the burning of the pyrolysis gas provided; and
  • - Assignment of the determined total heat emission to a microplastic content of the environmental sample.

Weiter wird die Verwendung des oben beschriebenen Verfahrens für die Analyse von Umweltproben zur Ermittlung ihres MP-Gehaltes vorgeschlagen. Insbesondere wird vorgeschlagen, die Bestimmung von Verbrennungswärmen mittels Pyrolysis Combustion Flow Calorimeter (PCFC) oder eines dafür geeigneten Mikroverbrennungskalorimeters (MCC) zu nutzen, um den MP-Gehalt einer Umweltprobe, insbesondere an einem Filtrat einer Wasser- oder Luftprobe, oder an einer Feststoffprobe (z.B.: Boden, Kompost, Klärschlamm, Sediment, Biota, menschliche und tierische Ausscheidungen) zu bestimmen.The use of the method described above for the analysis of environmental samples to determine their MP content is also proposed. In particular, it is proposed to use the determination of the heat of combustion by means of a Pyrolysis Combustion Flow Calorimeter (PCFC) or a suitable micro-combustion calorimeter (MCC) in order to determine the MP content of an environmental sample, in particular a filtrate of a water or air sample, or a solid sample ( e.g. soil, compost, sewage sludge, sediment, biota, human and animal waste).

Weiter wird vorgeschlagen, bisher ausschließlich für die Brandstoffprüfung genutzte Pyrolysis Combustion Flow Calorimeter (PCFC), oder dafür geeignete Mikroverbrennungskalorimeter (MCC) zur Bestimmung des MP-Gehalts von Umweltproben, insbesondere am Filtrat einer Wasser- oder Luftprobe, oder an einer Feststoffprobe (Boden, Kompost, Klärschlamm, Sediment, Biota, menschliche und tierische Ausscheidungen) zu verwenden.It is also proposed that the Pyrolysis Combustion Flow Calorimeter (PCFC), or micro-combustion calorimeter (MCC) suitable for this purpose, for determining the MP content of environmental samples, in particular the filtrate of a water or air sample, or a solid sample (soil, Compost, sewage sludge, sediment, biota, human and animal waste).

PCFC ist ein Verfahren zur Messung der Wärmefreisetzungsrate von Proben im Milligramm-Maßstab, bzw. ein dafür speziell entwickeltes Mikroverbrennungskalorimeter (MCC). PCFC oder MCC bezeichnen Geräte, die nach einem identischen Messprinzip arbeiten. Beide Begrifflichkeiten können verwendet werden und bezeichnen den gleichen Gerätetyp, im weiteren Textverlauf wird die Bezeichnung PCFC verwendet. Das Verfahren erlaubt, die Festkörper- und Gasphasenprozesse der flammenden Verbrennung in einem nicht flammenden Test durch schnell gesteuerte Pyrolyse in einem Inertgasstrom, gefolgt von einer Hochtemperaturoxidation (Verbrennung) der flüchtigen Pyrolyseprodukte im Überschuss von Sauerstoff, getrennt abzubilden. Dabei erfolgt die Verbrennung (Hochtemperaturoxidation) der flüchtigen Pyrolyseprodukte in einer gesonderten Brennkammer (Combustor). Diese Geräte bzw. darauf basierende Messverfahren sind bisher ausschließlich zur Forschung an und Entwicklung von feuerfesten oder brandmindernden Materialien angewandt worden. [5] Dabei werden für die Ermittlung effektiver Verbrennungswärmen keine durch obere und untere Werte begrenzten Temperaturintervalle verwendet. Unter einem Intervall wird vorliegend, dem ursprünglichen Wortsinn nach, ein geschlossener, d.h. kontinuierlicher, Bereich zwischen zwei festen Werten verstanden.PCFC is a method for measuring the heat release rate of samples on a milligram scale, or a specially developed micro-combustion calorimeter (MCC). PCFC or MCC designate devices that work according to an identical measuring principle. Both terms can be used and denote the same device type, in the further course of the text the term PCFC is used. The method allows the solid-state and gas-phase processes of flaming combustion to be mapped separately in a non-flaming test by rapidly controlled pyrolysis in an inert gas stream, followed by high-temperature oxidation (combustion) of the volatile pyrolysis products in excess of oxygen. The volatile pyrolysis products are burned (high-temperature oxidation) in a separate combustion chamber (combustor). These devices and the measuring methods based on them have so far been used exclusively for research and development of refractory or fire-reducing materials. [5] No temperature intervals limited by upper and lower values are used to determine the effective heat of combustion. In the present case, in the original sense of the word, an interval is a closed, i.e. continuous, understood as the range between two fixed values.

Weiter wird die Bestimmung des MP-Gehaltes einer Umweltprobe durch Ermitteln einer effektiven Verbrennungswärme eines bei Erhitzung der Umweltprobe innerhalb eines Temperaturintervalls erfassten Pyrolysegases vorgeschlagen.Furthermore, the determination of the MP content of an environmental sample by determining the effective heat of combustion of a pyrolysis gas detected when the environmental sample is heated within a temperature interval is proposed.

Ausführliche BeschreibungDetailed description

Gemäß einer Ausführungsform wird ein bisher lediglich zur Untersuchung der Brennbarkeit und des Brennverhaltens von Materialien genutztes Verfahrens - die Pyrolyse-Verbrennung Durchflusskalorimetrie, bzw. die Verwendung eines entsprechenden Messgerätes - eines Pyrolysis Combustion Flow Calorimeters (PCFC), bzw. eines Mikroverbrennungskalorimeters (MCC) - für die Bestimmung des MP-Gehaltes von Umweltproben vorgeschlagen.According to one embodiment, a method previously only used to investigate the flammability and the burning behavior of materials - the pyrolysis combustion flow calorimetry, or the use of a corresponding measuring device - a pyrolysis combustion flow calorimeter (PCFC) or a micro-combustion calorimeter (MCC) - proposed for the determination of the MP content of environmental samples.

Insbesondere wird ein Verfahren zur Bestimmung eines Mikroplastikgehalts einer Umweltprobe vorgeschlagen. Das Verfahren umfasst:

  • - Bereitstellen einer Partikelfraktion der Umweltprobe;
  • - Bereitstellen eines Pyrolysegases durch Heizen der Partikelfraktion in einem definierten Temperaturintervall mit einer definierten Heizrate, wobei das Heizen der Partikelfraktion in einer Inertgasatmosphäre erfolgt;
  • - Verbrennen des Pyrolysegases in einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre und Bestimmen einer totalen Wärmeabgabe (THR) während des Verbrennens des bereitgestellten Pyrolysegases; und
  • - Zuordnen der bestimmten totalen Wärmeabgabe zu einem Mikroplastikgehalt der Umweltprobe.
In particular, a method for determining a microplastic content of an environmental sample is proposed. The procedure includes:
  • - providing a particle fraction of the environmental sample;
  • - providing a pyrolysis gas by heating the particle fraction in a defined temperature interval at a defined heating rate, the particle fraction being heated in an inert gas atmosphere;
  • - Burning the pyrolysis gas in an oxygen-containing atmosphere and determining a total heat release (THR) during the burning of the pyrolysis gas provided; and
  • - Assignment of the determined total heat emission to a microplastic content of the environmental sample.

Typischerweise erfolgt simultan zum Heizen ein kontinuierliches Überführen des aus der Partikelfraktion freigesetzten Pyrolysegases mit Hilfe eines Inertgases in einen gesonderten Verbrennungsraum, beispielsweise mit einem Inertgasstrom. Unmittelbar im Verbrennungsraum erfolgt unter definierter Zuführung von Sauerstoff oder synthetischer Luft das Verbrennen des Pyrolysegases, wobei die für das Verbrennen verwendete Sauerstoffmenge jeweils dem definierten Temperaturbereich, also dem Temperaturintervall zugeordnet wird, in dem das verbrannte Pyrolysegas durch das Heizen gewonnen wurde.A continuous transfer of the pyrolysis gas released from the particle fraction with the aid of an inert gas into a separate combustion chamber, for example with an inert gas stream, typically takes place simultaneously with the heating. The pyrolysis gas is burned directly in the combustion chamber with a defined supply of oxygen or synthetic air, the amount of oxygen used for combustion being assigned to the defined temperature range, i.e. the temperature interval in which the burned pyrolysis gas was obtained through heating.

Vorteilhaft erfolgen das Heizen und damit die Pyrolyse und das Bereitstellen des Pyrolysegases unter temperaturidentischen Bedingungen, insbesondere bei einer konstanten Heizrate. Vorteilhaft kann das Verfahren unter Verwendung eines kommerziell verfügbaren Gerätes, insbesondere eines PCFC oder eines MCC Gerätes erfolgen. Gemäß typischen Ausführungsformen erfolgt das Verbrennen bei einer konstanten Temperatur, indem die Temperatur des Verbrennungsraumes konstant gehalten wird. Beispielsweise kann die Temperatur des Verbrennungsraumes auf konstant 900 °C eingestellt sein. Die Partikelfraktion kommt während des Heizens nie in Kontakt mit Sauerstoff, lediglich das innerhalb des definierten Temperaturintervalls freigesetzte Pyrolysegas wird in einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre verbrannt. Das ermöglicht eine gesteigerte Präzision der MP-Bestimmung, beispielsweise auch weil Festphasenoxidationsprozesse gegebenenfalls in der Partikelfraktion enthaltener Huminstoffe, Zucker oder Aminosäuren das Ergebnis nicht verfälschen können.The heating and thus the pyrolysis and the provision of the pyrolysis gas advantageously take place under temperature-identical conditions, in particular at a constant heating rate. The method can advantageously be carried out using a commercially available device, in particular a PCFC or an MCC device. According to typical embodiments, the combustion takes place at a constant temperature in that the temperature of the combustion chamber is kept constant. For example, the temperature of the combustion chamber can be set to a constant 900 ° C. The particle fraction never comes into contact with oxygen during heating; only the pyrolysis gas released within the defined temperature range is burned in an oxygen-containing atmosphere. This enables an increased precision of the MP determination, for example also because solid phase oxidation processes possibly contained in the particle fraction, humic substances, sugars or amino acids cannot falsify the result.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst das Temperaturintervall eine Temperaturspanne die sich über 100 bis 300 K oder über 100 bis 200 K erstreckt, ein entsprechendes Temperaturfenster also 100, 150, 200, 250 oder bis 300 Grad weit ist. Beispielsweise kann das Temperaturfenster in dem die totale Wärmeabgaberate ermittelt wird auch nur 100, 125, 150, 175 oder 200 Grad breit sein.According to a further embodiment, the temperature interval comprises a temperature range that extends over 100 to 300 K or over 100 to 200 K, a corresponding temperature window is 100, 150, 200, 250 or up to 300 degrees wide. For example, the temperature window in which the total heat release rate is determined can also only be 100, 125, 150, 175 or 200 degrees wide.

Vorteilhaft erstreckt sich die Pyrolyse von einzelnen MP-Sorten über keine wesentlich breitere Spanne. Typischerweise kann das Temperaturfenster eng definiert werden, wenn die Art des erwarteten MP, beispielsweise PE, PS oder PP bekannt ist und lediglich eine Konzentration des betreffenden Polyolefins überwacht werden soll. Ein typisches Anwendungsszenario ist beispielsweise die Überwachung eines Industrieabwassers eines konkreten Verursachers oder die Überwachung von Wasseraufbereitungsanlagen die industriellen Prozessen nachgeschaltet sind.Advantageously, the pyrolysis of individual MP grades does not extend over a significantly broader range. The temperature window can typically be narrowly defined if the type of MP expected, for example PE, PS or PP, is known and only a concentration of the relevant polyolefin is to be monitored. A typical application scenario is, for example, the monitoring of industrial wastewater from a specific polluter or the monitoring of water treatment systems that are downstream of industrial processes.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst das gewählte Temperaturintervall den Temperaturbereich von 300 bis 600 °C, 350 bis 550 °C, oder 350 bis 500 °C.According to a further embodiment, the selected temperature interval comprises the temperature range from 300 to 600 ° C, 350 to 550 ° C, or 350 to 500 ° C.

Vorteilhaft erfolgt die Pyrolyse von typischerweise als Mikroplastik anzutreffenden Polymeren (Polyolefine wie PE, PS und PP und Elastomere) innerhalb dieses Temperaturbereiches. Hierbei ist jedoch anzumerken, dass - in Abhängigkeit von der verfahrensgemäß verwendeten Heizrate - die Pyrolyse von MP auch bereits bei niedrigeren Temperaturen einsetzen kann. Eine deutlich niedrigere Heizrate als 1 K/s, beispielsweise eine Heizrate von 30 K/min (0,5 K/s) oder 15 K/min (0,25 K/s), kann bereits bei Temperaturen um 200 °C die Pyrolyse von Olefinen induzieren. Vor diesem Hintergrund kann das Temperaturintervall auch niedrigere Temperaturen umfassen und, beispielsweise, ausgewählt sein unter dem Temperaturbereich von 200-450 °C, dem Bereich von 250-450 °C oder dem Bereich von 275-500°C.The pyrolysis of polymers typically found as microplastics (polyolefins such as PE, PS and PP and elastomers) advantageously takes place within this temperature range. It should be noted, however, that - depending on the heating rate used in accordance with the method - the pyrolysis of MP can also start at lower temperatures. A heating rate significantly lower than 1 K / s, for example a heating rate of 30 K / min (0.5 K / s) or 15 K / min (0.25 K / s), can trigger pyrolysis at temperatures as low as 200 ° C of olefins. Against this background, the temperature interval can also be lower Temperatures include and, for example, be selected from the temperature range of 200-450 ° C, the range of 250-450 ° C or the range of 275-500 ° C.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform beträgt eine Masse der bereitgestellten Partikelfraktion zwischen 1 µg und 1 kg, insbesondere einer Masse zwischen 1 mg und 10 g, oder sogar 1 mg und 30 mg.According to a further embodiment, the mass of the particle fraction provided is between 1 μg and 1 kg, in particular a mass between 1 mg and 10 g, or even 1 mg and 30 mg.

Vorteilhaft entsprechen die angegebenen Massen den bei der Umweltanalyse von festen und flüssigen Proben anzutreffenden Mikroplastikgehalten.The specified masses advantageously correspond to the microplastic contents found in the environmental analysis of solid and liquid samples.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform erfolgt das Verbrennen in einem Verbrennungsraum unter, bevorzugt kontinuierlicher, Zuführung von Sauerstoff oder eines Mischgases oder synthetischer Luft mit einer bekannten Sauerstoffkonzentration.According to a further embodiment, the combustion takes place in a combustion chamber with, preferably continuous, supply of oxygen or a mixed gas or synthetic air with a known oxygen concentration.

Die Wahl eines gesonderten Verbrennungsraumes mit definierter Gaszuführung ermöglicht das vorgeschlagene Verfahren. Typischerweise ist die räumliche Form des Verbrennungsraumes strömungstechnisch angepasst, sodass sich bei den genutzten Strömungsgeschwindigkeiten des Trägergases bzw. des Sauerstoffs keine Totvolumina ausbilden.The proposed method enables the selection of a separate combustion chamber with a defined gas supply. Typically, the spatial shape of the combustion chamber is fluidically adapted so that no dead volumes are formed at the flow speeds used for the carrier gas or oxygen.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst das Bestimmen der totalen Wärmeabgabe ein Ermitteln einer bei dem Verbrennen des Pyrolysegases verbrauchten Sauerstoffmenge.According to a further embodiment, the determination of the total heat emission comprises determining an amount of oxygen consumed in the combustion of the pyrolysis gas.

Beispielsweise kann eine Lambda-Sonde oder ein paramagnetischer Sensors zur Sauerstoffbestimmung verwendet werden. Vorteilhaft kann aus dem im Abgasstrom bestimmten Sauerstoffgehalt und der bekannten Sauerstoffzuleitung auf den Sauerstoffverbrauch und damit auf die Wärmefreisetzung geschlossen werden. Hierbei wird zu Grunde gelegt, dass 1 kg verbrauchter Sauerstoff einer Wärmemenge von 13,1 MJ entspricht.For example, a lambda probe or a paramagnetic sensor can be used to determine oxygen. Advantageously, conclusions can be drawn about the oxygen consumption and thus the heat release from the oxygen content determined in the exhaust gas flow and the known oxygen supply. This is based on the fact that 1 kg of oxygen consumed corresponds to a heat quantity of 13.1 MJ.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird das beim Bestimmen der totalen Wärmeabgabe verbrannte Pyrolysegas in einem Intervall der beim Heizen erreichten Temperaturen zwischen 350 bis 550°C oder zwischen 375 bis 525°C, beispielsweise jeweils bei einer konstanten Heizrate, bereitgestellt.According to a further embodiment, the pyrolysis gas burned when determining the total heat release is provided in an interval of the temperatures reached during heating between 350 to 550 ° C. or between 375 to 525 ° C., for example at a constant heating rate in each case.

Vorteilhaft gestattet das ein rasches Bestimmen des MP-Gehaltes von Umweltproben, da z.B. so typische MP-Sorten wir PE, PP, PS und diverse Elastomere gerade in diesem Temperaturbereich pyrolysiert werden können. Während sich diese Polymere durch Verbrennungswärmen von ca. 40 MJ/kg auszeichnen, ist die betreffende Umweltmatrix - also andere Probenbestandteile - in dem betreffenden Temperaturfenster durch eine spezifische Verbrennungswärme von lediglich ca. 1-2 MJ/kg gekennzeichnet. Damit sind erstere von letzteren unterscheidbar.This advantageously allows the MP content of environmental samples to be determined quickly, since e.g. Typical MP grades like PE, PP, PS and various elastomers can be pyrolyzed in this temperature range. While these polymers are characterized by heat of combustion of approx. 40 MJ / kg, the relevant environmental matrix - i.e. other sample components - is characterized in the relevant temperature window by a specific heat of combustion of only approx. 1-2 MJ / kg. The former can thus be distinguished from the latter.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform erfolgt das Zuordnen des ermittelten Sauerstoffverbrauchs und/oder der ermittelten totalen Wärmeabgabe an Hand einer MP Kalibrierkurve.According to a further embodiment, the determined oxygen consumption and / or the determined total heat emission is assigned using an MP calibration curve.

Vorteilhaft kann die Kalibrierkurve an erwartete bzw. jeweils relevante MP-Gehalte angepasst werden.The calibration curve can advantageously be adapted to expected or respectively relevant MP contents.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird vorgeschlagen, die Kalibrierkurve alternativ zu erstellen:

  • - mit definierten Probengemischen umfassend eine Umweltmatrix und einen der Umweltmatrix zugesetzten Masseanteil Mikroplastik;
  • - mit der Partikelfraktion der Umweltprobe zugesetzten Masseanteilen Mikroplastik oder eines synthetischen Polymers; oder
  • - an Hand eines Erwartungswertes einer spezifischen Verbrennungswärme definierter Massen des synthetischen Polymers.
According to a further embodiment it is proposed to create the calibration curve as an alternative:
  • - With defined sample mixtures comprising an environmental matrix and a mass fraction of microplastic added to the environmental matrix;
  • - The mass fractions of microplastics or a synthetic polymer added to the particle fraction of the environmental sample; or
  • - on the basis of an expected value of a specific heat of combustion of defined masses of the synthetic polymer.

Eine auf die erstgenannte Art erstellte Kalibrierkurve kann vorteilhaft für die Überwachung eines bestimmten Typs von Umweltproben, z.B. Gewässerproben, Abwässern oder Bodenproben auf MP angewandt werden. Die, beispielsweise spektroskopisch oder thermoanalytisch gestützte, Identifikation von MP aus einem bestimmten Typ Umweltprobe (u.a. Raman, FTIR, TED-GC-MS) und der darauf basierende abgestufte Zusatz dieser MP-Fraktion zu einer Umweltprobe gleichen Ursprungs, aber mit unbekannten MP-Gehalt gestattet eine hohe Präzision der Bestimmung der unbekannten MP-Gehalte für genau diesen Typ Umweltproben. Die auf letztgenannte Art erstellte Kalibrierkurve ist universell anwendbar und besonders für die Überwachung von Prozessabwässern geeignet.A calibration curve established in the former way can be advantageous for the monitoring of a certain type of environmental sample, e.g. Water samples, sewage or soil samples can be applied to MP. The identification of MP from a certain type of environmental sample (e.g. Raman, FTIR, TED-GC-MS), for example supported by spectroscopy or thermal analysis, and the graded addition of this MP fraction to an environmental sample of the same origin but with an unknown MP content allows a high level of precision to determine the unknown MP levels for precisely this type of environmental sample. The calibration curve created in the last-mentioned way can be used universally and is particularly suitable for monitoring process wastewater.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst das vorgeschlagene Verfahren weiterhin ein Erfassen eines Masseverlustes der eingewogenen Partikelfraktion während der Pyrolyse der Partikelfraktion, zumindest während der Pyrolyse eines Teils der Partikelfraktion.According to a further embodiment, the proposed method further comprises detecting a loss of mass of the weighed-in particle fraction during the pyrolysis of the particle fraction, at least during the pyrolysis of a part of the particle fraction.

Vorteilhaft bietet das die Möglichkeit zu kontrollieren, ob der an Hand der Verbrennungswärme von Pyrolysegasen ermittelten MP-Gehalt verlässlich ist oder ob eine Verfälschung, z.B. durch hohe Fettgehalte vorliegt. In diesem Falle könnte vor der Durchführung des Verfahrens eine chemische Extraktion der Fette durchgeführt werden, sodass das Verfahren dann zusätzlich einen Fett-Extraktionsschritt umfasst. Leichtflüchtige organische Lösungsmittel und Verfahren, mit denen eine solche Fett-Extraktion vorgenommen werden kann, sind dem Fachmann geläufig.This advantageously offers the possibility of checking whether the MP content determined on the basis of the heat of combustion of pyrolysis gases is reliable or whether a falsification, e.g. due to high fat content. In this case, a chemical extraction of the fats could be carried out before the implementation of the method, so that the method then additionally includes a fat extraction step. Highly volatile organic solvents and processes with which such a fat extraction can be carried out are familiar to the person skilled in the art.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Heizrate ausgewählt unter einem Wert zwischen 1 K/min und 100 K/min. Sie beträgt beispielsweise 1 K/min, 5 K/min, 10 K/min, 20 K/min, oder sogar 1 K/s oder mehr.According to a further embodiment, the heating rate is selected from a value between 1 K / min and 100 K / min. It is, for example, 1 K / min, 5 K / min, 10 K / min, 20 K / min, or even 1 K / s or more.

Vorteilhaft wird dadurch die Präzision der bestimmten Wärmeabgabe gesteigert.This advantageously increases the precision of the specific heat output.

Gemäß einer Ausführungsform wird die Verwendung des Verfahrens gemäß zumindest einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen für die Bestimmung eines MP-Gehaltes einer filtrierten Wasser- oder Luftprobe (Filtrat), oder an einer Feststoffprobe (Boden, Kompost, Klärschlamm, Sediment, Biota, menschliche und/oder tierische Ausscheidungen) vorgeschlagen.According to one embodiment, the use of the method according to at least one of the embodiments described above for the determination of an MP content of a filtered water or air sample (filtrate), or on a solid sample (soil, compost, sewage sludge, sediment, biota, human and / or animal excrement).

Vorteile erwachsen aus der erreichten Verkürzung des Zeitaufwandes je Analyse und der Automatisierbarkeit der Analysen.Advantages arise from the shortening of the time required for each analysis and the automation of the analyzes.

Gemäß einer Ausführungsform wird die Verwendung eines Pyrolysis Combustion Flow Calorimeters (PCFC) für ein charakteristisches Temperaturintervall zur Bestimmung eines MP-Gehaltes einer Umweltprobe vorgeschlagen. Die Umweltprobe kann ausgewählt sein unter einem Filtrat einer Wasser- oder Luftprobe, einer Feststoffprobe ausgewählt unter einer Boden-, Kompost-, Klärschlamm-, oder Sediment-Probe und unter diversen biologischen Proben. Biologische Proben sind beispielsweise Proben umfassend ein Tier oder eine Pflanze, deren Gewebe oder Organe, ein Körperteil, eine Körperflüssigkeit, eine Mageninhaltsprobe, eine Kotprobe, eine Blutprobe eines Tieres (sogenannte tierische Probe); eine pflanzliche Probe (z.B. ein Erntegut) oder ein zur weiteren Verarbeitung bestimmtes Produkt. Selbstredend kann das beschriebene Verfahren auch für Lebensmittel und Zwischenprodukte angewendet werden.According to one embodiment, the use of a Pyrolysis Combustion Flow Calorimeter (PCFC) for a characteristic temperature interval for determining an MP content of an environmental sample is proposed. The environmental sample can be selected from a filtrate from a water or air sample, a solid sample selected from a soil, compost, sewage sludge or sediment sample and from various biological samples. Biological samples are, for example, samples comprising an animal or a plant, its tissue or organs, a body part, a body fluid, a stomach content sample, a fecal sample, a blood sample from an animal (so-called animal sample); a plant sample (e.g. a crop) or a product intended for further processing. The process described can of course also be used for foodstuffs and intermediate products.

Vorteilhaft sind Pyrolysis Combustion Flow Calorimeter (PCFC) kommerziell verfügbar und können so in die Grundausstattung entsprechender Analyselabore für das Umweltmonitoring und/oder die lebensmittelhygienische Untersuchung aufgenommen werden.Pyrolysis Combustion Flow Calorimeters (PCFC) are advantageously commercially available and can thus be included in the basic equipment of corresponding analysis laboratories for environmental monitoring and / or food hygiene testing.

Gemäß einer Ausführungsform wird die Bestimmung eines MP-Gehaltes einer Umweltprobe durch Ermitteln einer effektiven Verbrennungswärme eines bei Erhitzung der Umweltprobe erfassten oder aufgefangenen Pyrolysegases und Umrechnung in MP-Gehalt mittels der spezifischen Verbrennungswärme von für MP typischen synthetischen Polymeren (z.B. PE, PS, oder PP und anderen Polyolefinen oder anderen anthropogenen Polymeren) vorgeschlagen.According to one embodiment, the MP content of an environmental sample is determined by determining the effective heat of combustion of a pyrolysis gas captured or captured when the environmental sample is heated and converting it into MP content using the specific heat of combustion of synthetic polymers typical for MP (e.g. PE, PS, or PP and other polyolefins or other anthropogenic polymers).

Vorteile dieser Ausführungsform wurden bereits benannt: das Verfahren ermöglicht eine MP-selektive Bestimmung von MP-Gehalten mit hoher Auflösung in Umweltproben, bietet erheblich bessere Qualität der Analyse gegenüber vorbekannten Verfahren. Das vorgeschlagene Verfahren und dessen Verwendung, sowie die Verwendung bekannter PCFC-Geräte und ermöglicht eine einfache und sichere Bestimmung von MP-Gehalten in Umweltproben, verringert den Zeitaufwand je Analyse gegenüber vorbekannten Verfahren erheblich und ist zudem automatisierbar.Advantages of this embodiment have already been mentioned: the method enables MP-selective determination of MP contents with high resolution in environmental samples, offers significantly better quality of the analysis compared to previously known methods. The proposed method and its use, as well as the use of known PCFC devices and enables simple and reliable determination of MP contents in environmental samples, considerably reduces the time required for each analysis compared to previously known methods and can also be automated.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst das gewählte Temperaturintervall eine Temperaturspanne, die 100 bis 200 K breit ist und/oder in einen Temperaturbereich von 300 bis 600 °C, 350 bis 550 °C, oder 350 bis 500 °C fällt.According to a further embodiment, the selected temperature interval comprises a temperature range that is 100 to 200 K wide and / or falls within a temperature range of 300 to 600 ° C, 350 to 550 ° C, or 350 to 500 ° C.

Vorteilhaft erfolgt die Pyrolyse von typischerweise als Mikroplastik anzutreffenden Polymeren (Polyolefine wie PE, PS und PP und Elastomere) innerhalb dieses Temperaturbereiches. Hierbei ist jedoch anzumerken, dass - in Abhängigkeit von der verfahrensgemäß verwendeten Heizrate - die Pyrolyse von MP auch bereits bei niedrigeren Temperaturen einsetzen kann. Eine deutlich niedrigere Heizrate als 1 K/s, beispielsweise eine Heizrate von 30 K/min (0,5 K/s) oder 15 K/min (0,25 K/s), kann bereits bei Temperaturen um 200 °C die Pyrolyse von Olefinen induzieren. Vor diesem Hintergrund kann das Temperaturintervall auch niedrigere Temperaturen umfassen und, beispielsweise, ausgewählt sein unter dem Temperaturbereich von 200-450 °C, dem Bereich von 250-450 °C oder dem Bereich von 275-500°C.The pyrolysis of polymers typically found as microplastics (polyolefins such as PE, PS and PP and elastomers) advantageously takes place within this temperature range. It should be noted here, however, that - depending on the heating rate used according to the method - the pyrolysis of MP can also start at lower temperatures. A significantly lower heating rate than 1 K / s, For example, a heating rate of 30 K / min (0.5 K / s) or 15 K / min (0.25 K / s) can induce the pyrolysis of olefins even at temperatures around 200 ° C. Against this background, the temperature interval can also include lower temperatures and, for example, be selected from the temperature range from 200-450 ° C., the range from 250-450 ° C. or the range from 275-500 ° C.

Die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen können beliebig miteinander kombiniert werden. Die Erfindung ist jedoch nicht auf die konkret beschriebenen Ausführungsformen beschränkt, sondern kann in geeigneter Weise modifiziert und abgewandelt werden. Es liegt im Rahmen der Erfindung, einzelne Merkmale und Merkmalskombinationen einer Ausführungsform mit Merkmalen und Merkmalskombinationen einer anderen Ausführungsform geeignet zu kombinieren, um zu weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsformen zu gelangen.The embodiments described above can be combined with one another as desired. However, the invention is not limited to the specifically described embodiments, but can be modified and modified in a suitable manner. It is within the scope of the invention to suitably combine individual features and feature combinations of one embodiment with features and feature combinations of another embodiment in order to arrive at further embodiments according to the invention.

Mit anderen Worten und ausführlicher beschrieben, wird ein Verfahren zur Bestimmung eines MP-Gehalt einer Umweltprobe vorgeschlagen, das die folgenden Prozessschritte aufweist:

  • - Einwiegen einer Partikelfraktion der Umweltprobe, d.h. Erhalten einer Einwaage der Partikelfraktion der Umweltprobe;
  • - Heizen der eingewogenen Partikelfraktion bei einer Heizrate, die ausgewählt ist unter einer Heizrate zwischen 5-200 K/min, sodass eine Pyrolyse der eingewogenen Partikelfraktion erfolgt, wobei das Heizen und die Pyrolyse unter Ausschluss von Sauerstoff erfolgen;
  • - Pyrolysieren der eingewogenen Partikelfraktion in einem Inertgas, beispielsweise in einem Gasstrom eines inerten Trägergases, umfassend Stickstoff, Argon, und/oder Helium;
  • - Überführen eines beim Pyrolysieren gebildeten Pyrolysegases in einen Verbrennungsraum;
  • - Unmittelbares Verbrennen (parallel zur Pyrolyse) des in den Verbrennungsraum überführten Pyrolysegases;
  • - Bestimmen einer Wärmeabgaberate (HRR, heat release rate) während des Verbrennens des Pyrolysegases, das innerhalb eines durch kontinuierliches Heizen erreichten Temperaturintervalls freigesetzt wurde und/oder Erfassen einer von einem verbrennenden Pyrolysegas insgesamt abgegebenen Wärmemenge als totale Wärmeabgabe (THR, total heat release), wobei das Pyrolysegas in einem definierten Temperaturintervall bereitgestellt wurde, und wobei das Temperaturintervall für die Pyrolyse und/oder Verbrennung synthetischer organischer Polymere charakteristisch ist,
  • - Bestimmen einer Masse eines gegebenenfalls nach dem Heizen und Pyrolysieren verbliebenen Rückstands und Bilden einer absoluten Massendifferenz zur ursprünglichen Einwaage, beispielsweise durch Rückwiegen eines Probentiegels mit dem gegebenenfalls verbliebenen Rückstand;
  • - Ermitteln einer effektiven Verbrennungswärme (THE, total heat evolved) durch Division der totalen Wärmeabgabe (THR) durch die absolute Massendifferenz; wobei nur die für das definierte Temperaturintervall bestimmten und ermittelten Werte berücksichtigt werden; und
  • - Ermitteln des MP-Gehaltes der Einwaage aus der bestimmten effektiven Verbrennungswärme und der spezifischen Verbrennungswärme eines synthetischen Polymers, wobei das Ermitteln des Mikroplastik-Gehalts an Hand einer Kalibrierkurve mit definierten Probengemischen umfassend eine Umweltmatrix und einen der Umweltmatrix zugesetzten Masseanteil Mikroplastik, an Hand von weiteren Einwaagen der Umweltprobe zugesetzten Masseanteilen Mikroplastik oder Masseanteilen des synthetischen Polymers, oder an Hand eines Erwartungswertes der spezifischen Verbrennungswärme definierter Massen des synthetischen Polymers erfolgt.
In other words and described in more detail, a method for determining a MP content of an environmental sample is proposed, which has the following process steps:
  • - Weighing in a particle fraction of the environmental sample, ie obtaining an initial weight of the particle fraction of the environmental sample;
  • Heating the weighed-in particle fraction at a heating rate which is selected from a heating rate between 5-200 K / min, so that pyrolysis of the weighed-in particle fraction takes place, the heating and pyrolysis taking place with the exclusion of oxygen;
  • Pyrolyzing the weighed-in particle fraction in an inert gas, for example in a gas stream of an inert carrier gas comprising nitrogen, argon and / or helium;
  • - Transferring a pyrolysis gas formed during pyrolysis into a combustion chamber;
  • - Immediate burning (parallel to pyrolysis) of the pyrolysis gas transferred into the combustion chamber;
  • - Determination of a heat release rate (HRR, heat release rate) during the burning of the pyrolysis gas, which was released within a temperature interval achieved by continuous heating and / or recording of a total amount of heat released by a burning pyrolysis gas as total heat release (THR, total heat release), wherein the pyrolysis gas was provided in a defined temperature interval, and wherein the temperature interval is characteristic of the pyrolysis and / or combustion of synthetic organic polymers,
  • - Determination of a mass of a residue that may have remained after heating and pyrolysis and formation of an absolute mass difference to the original weight, for example by reweighing a sample crucible with the possibly remaining residue;
  • - Determination of an effective heat of combustion (THE, total heat evolved) by dividing the total heat emission (THR) by the absolute mass difference; only the values determined and determined for the defined temperature interval are taken into account; and
  • - Determination of the MP content of the initial weight from the determined effective heat of combustion and the specific heat of combustion of a synthetic polymer, the determination of the microplastic content on the basis of a calibration curve with defined sample mixtures comprising an environmental matrix and a mass fraction of microplastic added to the environmental matrix, on the basis of others Weighing in the mass fractions of microplastics or mass fractions of the synthetic polymer added to the environmental sample, or based on an expected value of the specific heat of combustion of defined masses of the synthetic polymer.

Beim Ermitteln der effektiven Verbrennungswerte werden die eingangs gegebenen Erläuterungen berücksichtigt, insbesondere, dass 1 kg verbrauchter Sauerstoff einer Wärmemenge von 13,1 MJ entspricht.When determining the effective combustion values, the explanations given at the beginning are taken into account, in particular that 1 kg of oxygen consumed corresponds to a heat quantity of 13.1 MJ.

Gemäß Weiterbildungen dieser Ausführungsform erfolgt das Heizen bei einer Heizrate, die ausgewählt ist zwischen 5-200 K/min, beispielsweise bei einer Heizrate von 1 K/s. Unabhängig hiervon kann ein Volumenstrom des inerten Trägergases 100-200 ml/min, beispielsweise 150 ml/min betragen. Das beim Bestimmen der Wärmeabgaberate HRR, beim Erfassen der totalen Wärmeabgabe THR, und beim Ermitteln der effektiven Verbrennungswärme THE verwendete Temperaturintervall umfasst typischerweise 100 bis 200 K und deckt einen für die Pyrolyse und/oder Verbrennung synthetischer Polymere anthropogenen Ursprungs charakteristischen Temperaturbereich ab. Beispielsweise kann das Ermitteln der THE an Hand einer mit definierten Probengemischen (Umweltmatrix mit zugesetzten definierten Massen Mikroplastik) an Hand eines Zusatzes von definierten MP Massen in die vorliegende Umweltprobe oder an Hand eines Erwartungswertes für ein reines Polymer erhaltenen Kalibrierkurve erfolgen. Eine solche Kalibrierkurve weist eine Abhängigkeit der THE und/oder der THR von der Masse eines synthetischen Polymers oder einer Polymermischung, bzw. eines MP-Gehalts in einer bestimmten Umweltmatrix aus.According to developments of this embodiment, the heating takes place at a heating rate that is selected between 5-200 K / min, for example at a heating rate of 1 K / s. Independently of this, a volume flow of the inert carrier gas can be 100-200 ml / min, for example 150 ml / min. The temperature range used when determining the heat release rate HRR, when recording the total heat release THR, and when determining the effective heat of combustion THE typically comprises 100 to 200 K and covers a temperature range that is characteristic of the pyrolysis and / or combustion of synthetic polymers of anthropogenic origin. For example, the THE can be determined using a defined sample mixture (environmental matrix with added defined masses of microplastics) using an addition of defined MP masses to the present environmental sample or using an expected value for a pure Polymer obtained calibration curve take place. Such a calibration curve shows a dependency of the THE and / or the THR on the mass of a synthetic polymer or a polymer mixture, or a MP content in a specific environmental matrix.

Gemäß typischen Ausführungsformen wird die bereitgestellte Partikelfraktion (Einwaage) während des Pyrolysierens kontinuierlich mit der gleichen Heizrate geheizt. Alternativ kann die Heizrate auch gesteigert werden und ist erst ab einem unteren Wert des Temperaturintervalls (Temperaturfensters) konstant. Die HRR wird über die gesamte Heizdauer aufgenommen. Nur für die Auswertung zur Mikroplastikbestimmung wird das oben erwähnte Temperaturfenster verwendet. Ist also beim Heizen ein unterer Wert des gewählten Temperaturintervalls (Temperaturfensters) erreicht, beispielsweise ein Wert von 350 °C, so wird mit dem Aufnehmen des Integrals der Wärmeabgaberate (HRR) bei der Verbrennung der innerhalb dieses Temperaturfensters freigesetzten Pyrolysegase begonnen. Mit Erreichen eines oberen Wertes des gewählten Temperaturintervalls, beispielsweise mit Erreichen von 500 °C, oder mit Erreichen von 550 °C, wird das Aufnehmen des Integrals der Wärmeabgaberate beim Verbrennen der im Temperaturbereich von 350 °C bis 500 (550) °C angefallenen Pyrolysegase beendet. Die Messung des MP-Gehalts erfolgt über die Bestimmung des dabei in der Brennkammer (Combuster) verbrauchten Sauerstoffs. Dabei wird davon ausgegangen, dass 1 kg verbrauchter Sauerstoff einer Wärmemenge von 13,1 MJ entspricht. Die typischerweise zwischen 1 bis 100 K/min ausgewählte Heizrate kann beispielsweise 1 K/min; 5 K/min; 10 K/min; 15 K/min; 20 K/min; 25 K/min; 30 K/min; 35 K/min; 40 K/min; 45 K/min; 50 K/min; 55 K/min; 60 K/min; 65 K/min; 70 K/min; 75 K/min; 80 K/min; 85 K/min; 90 K/min; 95 K/min; 100 K/min; aber auch 105 K/min; 110 K/min; 115 K/min; 120 K/min; 125 K/min; 130 K/min; 135 K/min; 140 K/min; 145 K/min; 150 K/min; 155 K/min; 160 K/min; 165 K/min; 170 K/min; 175 K/min; 180 K/min; 185 K/min; 190 K/min; 195 K/min oder 200 K/min betragen. Die dynamische Probenerwärmung führt gegenüber einem isothermen Heizen zu einem deutlicheren Signal.According to typical embodiments, the particle fraction provided (initial weight) is continuously heated at the same heating rate during pyrolysis. Alternatively, the heating rate can also be increased and is only constant from a lower value of the temperature interval (temperature window). The HRR is recorded over the entire heating period. The temperature window mentioned above is only used for the evaluation for determining microplastics. If a lower value of the selected temperature range (temperature window) is reached during heating, for example a value of 350 ° C, then the recording of the integral of the heat release rate (HRR) during the combustion of the pyrolysis gases released within this temperature window is started. When an upper value of the selected temperature range is reached, for example when 500 ° C is reached, or when 550 ° C is reached, the integral of the heat release rate when burning the pyrolysis gases in the temperature range from 350 ° C to 500 (550) ° C is recorded completed. The MP content is measured by determining the oxygen consumed in the combustion chamber (combuster). It is assumed that 1 kg of oxygen consumed corresponds to a heat quantity of 13.1 MJ. The heating rate typically selected between 1 to 100 K / min can, for example, 1 K / min; 5 K / min; 10 K / min; 15 K / min; 20 K / min; 25 K / min; 30 K / min; 35 K / min; 40 K / min; 45 K / min; 50 K / min; 55 K / min; 60 K / min; 65 K / min; 70 K / min; 75 K / min; 80 K / min; 85 K / min; 90 K / min; 95 K / min; 100 K / min; but also 105 K / min; 110 K / min; 115 K / min; 120 K / min; 125 K / min; 130 K / min; 135 K / min; 140 K / min; 145 K / min; 150 K / min; 155 K / min; 160 K / min; 165 K / min; 170 K / min; 175 K / min; 180 K / min; 185 K / min; 190 K / min; 195 K / min or 200 K / min. Dynamic sample heating leads to a clearer signal compared to isothermal heating.

Vorteile dieser Ausführungsformen und ihrer Weiterbildungen ergeben sich mit der Fähigkeit des beschriebenen Verfahrens, MP reproduzierbar bei einem erheblich verminderten Zeitbedarf je Probe analysieren zu können. Während die am häufigsten in Umweltproben vorliegenden synthetischen Polymere Polyethylen (PE), Polypropylen (PP), Polystyrol (PS) und Elastomere (beispielsweise in Form von Abrieb von Automobilreifen) sich durch besonders hohe spezifische Verbrennungswärmen von ca. 40 MJ/kg auszeichnen, sind Umweltmatrix - also andere Probenbestandteile - in dem analysierten Temperaturfenster durch eine spezifische Verbrennungswärme von lediglich ca. 1-2 MJ/kg gekennzeichnet. Selbst wenn innerhalb einer Messung nicht hinsichtlich der unterschiedlichen Polymere differenziert werden kann, so erlaubt es die Bestimmung einer erhöhten effektiven Verbrennungswärme dennoch, eindeutig auf die Präsenz und den Massengehalt von MP in der betreffenden Probe zu schließen. Der, wie dargestellt, deutliche Unterschied der spezifischen Verbrennungswärmen (Faktor 3 -30, je nach Vergleich zu natürlichen Polymeren oder den typischen Werten für verschiedene Umweltmatrix) ermöglicht die selektive Bestimmung von MP und die hohe Sensitivität, d.h. eine gute Auflösung des vorgeschlagenen Verfahrens im Vergleich zu allen vorbekannten Verfahren.Advantages of these embodiments and their further developments result from the ability of the method described to be able to analyze MP in a reproducible manner with a considerably reduced time requirement per sample. While the synthetic polymers most frequently found in environmental samples, polyethylene (PE), polypropylene (PP), polystyrene (PS) and elastomers (for example in the form of abrasion from automobile tires) are characterized by particularly high specific heat of combustion of approx. 40 MJ / kg Environmental matrix - i.e. other sample components - characterized in the analyzed temperature window by a specific heat of combustion of only approx. 1-2 MJ / kg. Even if it is not possible to differentiate between the different polymers within a measurement, the determination of an increased effective heat of combustion still allows conclusions to be drawn unambiguously about the presence and mass content of MP in the relevant sample. The, as shown, clear difference in the specific heat of combustion (factor 3 -30, depending on the comparison with natural polymers or the typical values for different environmental matrices) enables the selective determination of MP and the high sensitivity, i.e. a good resolution of the proposed method compared to all previously known methods.

Um einige Begrifflichkeiten zu klären, wird nachfolgende Erläuterung gegeben. Die Begriffe Heizwert und Brennwert beziehen sich immer auf eine Verbrennung in Sauerstoff. Vorliegend geht es um eine Pyrolyse, die unter Sauerstoffausschluss erfolgt, und eine daran anschließende Verbrennung der Pyrolysegase, wobei die zur Verbrennung der Pyrolysegase erforderliche Sauerstoffmenge genau erfasst wird. Dabei wird die Bildung von Wasser integral berücksichtigt, weil der Messung die Ermittlung des Sauerstoffverbrauchs zu Grunde liegt.In order to clarify some terms, the following explanation is given. The terms calorific value and calorific value always refer to combustion in oxygen. The present case is a pyrolysis, which takes place with the exclusion of oxygen, and a subsequent combustion of the pyrolysis gases, the amount of oxygen required for the combustion of the pyrolysis gases being precisely recorded. The formation of water is taken into account as an integral part because the measurement is based on the determination of the oxygen consumption.

Zur Bestimmung der Verbrennungswärme wird ein getrockneter Stoff unter Sauerstoffüberschuss in einem Kalorimeter (vgl. https://de.wikipedia.org/wiki/Kalorimeter) unter Druck verbrannt. Dabei entstehen als Verbrennungsprodukte gasförmiges Kohlendioxid und Wasser als Kondensat (das bei den herrschenden Druckverhältnissen flüssig ist). Diese Werte werden standardmäßig in Tabellenwerken auf 25 °C bezogen.To determine the heat of combustion, a dried substance is burned under pressure with excess oxygen in a calorimeter (see https://de.wikipedia.org/wiki/Kalorimeter). This creates gaseous carbon dioxide as combustion products and water as condensate (which is liquid under the prevailing pressure conditions). These values are referenced to 25 ° C as standard in tables.

Der Brennwert (vgl. https://de.wikipedia.org/wiki/Brennwert) ist identisch mit dem absoluten Betrag (vgl. https://de.wikipedia.org/wiki/Betragsfunktion) der mit negativem Vorzeichen angegebenen Standardverbrennungsenthalpie ΔVH° der allgemeinen Thermodynamik (vgl. https://de.wikipedia.org/wiki/Standardverbrennungsenthalpie). Heiztechnisch gesprochen heißt das, dass der Wassergehalt (aus Produktfeuchteresten, Zuluftfeuchte und aus den oxidierten Wasserstoffatomen im Brennstoff stammend) bei dieser Berechnung nicht dampfförmig, sondern vor und nach der Verbrennung in flüssiger Form vorliegt. Darauf bezieht sich auch der für Heizanlagen verwendete Ausdruck Brennwerttechnik (https://de.wikipedia.org/wiki/Brennwerttechnik): Hierbei wird auch die im Wasserdampf gebundene Verdampfungsenthalpie wirksam genutzt. Für Heizzwecke ist der Brennwert (genauer: der obere Heizwert) der bessere Kennwert, weil bei Anwendung des (unteren) Heizwertes aufgrund der in ihm nicht berücksichtigten Nutzung der Verdampfungsenthalpie des Wassers scheinbar physikalisch unsinnige Nutzungsgrade von über 100 % auftreten können.The gross calorific value (see https://de.wikipedia.org/wiki/Brennwert) is identical to the absolute amount (see https://de.wikipedia.org/wiki/Betragsfunktion) of the standard enthalpy of combustion Δ V given with a negative sign H ° of general thermodynamics (see https://de.wikipedia.org/wiki/Standardverbrenntenthalpie). In terms of heating technology, this means that the water content (from product moisture residues, supply air moisture and the oxidized hydrogen atoms in the fuel) is not in vapor form in this calculation, but in liquid form before and after combustion. The term condensing technology used for heating systems also relates to this (https://de.wikipedia.org/wiki/Brennwerttechnik): The enthalpy of evaporation bound in the water vapor is also used effectively here. For heating purposes, the calorific value (more precisely: the upper calorific value) is the better parameter because when using the (lower) Due to the fact that it does not take into account the use of the enthalpy of evaporation of the water, apparently physically nonsensical degrees of utilization of over 100% can occur.

Der Heizwert eines Stoffes kann nicht direkt experimentell ermittelt werden. Er bezieht sich auf eine Verbrennung, bei der nur gasförmige Verbrennungsprodukte entstehen. Zur Berechnung wird daher vom Brennwert, sofern Wasserstoffatome im Brennstoff enthalten sind, die Verdampfungsenthalpie des Wassers abgezogen, daher liegen die Heizwerte solcher Brennstoffe ca. 10 % unter ihren Brennwerten.The calorific value of a substance cannot be determined directly by experiment. It refers to a combustion that produces only gaseous combustion products. For the calculation, the evaporation enthalpy of the water is subtracted from the calorific value, provided hydrogen atoms are contained in the fuel, so the calorific values of such fuels are approx. 10% below their calorific values.

Beispiel: Die Verdampfungsenthalpie von Wasser beträgt 45,1 kJ/mol (0 °C), 44,0 kJ/mol (25 °C) oder 40,7 kJ/mol bei 100 °C (siehe auch „Verdampfungswärme“ bzw. vgl. https://de.wikipedia.org/wiki/Verdampfungsw%C3%A4rme).Example: The enthalpy of evaporation of water is 45.1 kJ / mol (0 ° C), 44.0 kJ / mol (25 ° C) or 40.7 kJ / mol at 100 ° C (see also “Heat of evaporation” or cf. . https://de.wikipedia.org/wiki/Verdampfungsw%C3%A4rme).

Das hier vorgeschlagene Verfahren der MP Bestimmung ist wesentlich schneller als alle bisher hierzu verwendeten Verfahren, da für die Messung einer Probe lediglich ca. 20 min zu veranschlagen sind. Auf Basis des vorgeschlagenen Verfahrens können MP-Gehalte in Umweltproben somit im Routinebetrieb effizient und kostengünstig ermittelt werden.The MP determination method proposed here is significantly faster than all the methods previously used for this purpose, as measuring a sample only takes about 20 minutes. On the basis of the proposed method, MP levels in environmental samples can thus be determined efficiently and cost-effectively in routine operation.

Gemäß einer Ausführungsform erfolgt das Heizen der Einwaage in einer Temperaturspanne von 100 °C - 800 °C und das Bestimmen der effektiven Verbrennungswärme erfolgt innerhalb eines speziell ausgewählten Temperaturintervalls, das typischerweise 100 bis 350 °C weit ist, bevorzugt innerhalb eines Temperaturintervalls, das sich über 150 Grad innerhalb der Temperaturspanne von 100 °C bis 800 °C, beispielsweise innerhalb der Temperaturspanne von 100 °C - 600 °C oder zwischen 300 bis 600°C oder zwischen 350 bis 550 °C erstreckt.According to one embodiment, the weighing is heated in a temperature range of 100 ° C - 800 ° C and the effective heat of combustion is determined within a specially selected temperature range, which is typically 100 to 350 ° C, preferably within a temperature range that extends over 150 degrees within the temperature range from 100 ° C to 800 ° C, for example within the temperature range from 100 ° C to 600 ° C or between 300 to 600 ° C or between 350 to 550 ° C.

Die Auswahl des Temperaturintervalls, eigentlich eines Messfensters, das lediglich 100 bis 350 Grad breit ist, beispielsweise 110, 120, 130, 140, 150, 160, 170, 180, 190, oder 200 Grad breit ist, gestattet es zuverlässig, die durch die Verbrennung von Pyrolyseprodukten synthetischer Polymere generierten Messwerte (die zur vollständigen Oxidation der Pyrolyseprodukte benötigte Sauerstoffmenge) von den deutlich niedrigeren Messwerten, die bei der Verbrennung von Pyrolyseprodukten organischer Komponenten oder natürlich vorkommender Polymere aus Umweltmatrix auftreten, zu unterscheiden. Vorteilhaft kann somit auf den in der betreffenden Umweltprobe enthaltenen MP-Gehalt gefolgert werden, auch wenn die Umweltprobe und die aus ihr gewonnene Partikelfraktion Polymere natürlichen Ursprungs - wie beispielsweise Zellulose, Lignin oder Chitin - enthält. Vorteilhaft pyrolisierten Polyolefine, insbesondere PE, PS und PP, zu 100 % und weisen höhere Verbrennungswärmen als Umweltmatrix auf, während Umweltmatrix - die in Partikelform vorliegt und deshalb in den auf MP untersuchten Partikeleinwaagen anzutreffen ist, dies nicht tut. Somit erlaubt die einer Verbrennung von Pyrolysegasen vorausgehende Pyrolyse und eine gesonderte (selektive) Verbrennung der Pyrolysegase eine hohe Genauigkeit der MP-Bestimmung.The selection of the temperature interval, actually a measuring window that is only 100 to 350 degrees wide, for example 110, 120, 130, 140, 150, 160, 170, 180, 190, or 200 degrees wide, allows reliable measurement of the To distinguish the measurement values generated by the combustion of pyrolysis products of synthetic polymers (the amount of oxygen required for complete oxidation of the pyrolysis products) from the significantly lower measurement values that occur during the combustion of pyrolysis products of organic components or naturally occurring polymers from the environmental matrix. The MP content contained in the relevant environmental sample can thus advantageously be inferred, even if the environmental sample and the particle fraction obtained from it contain polymers of natural origin, such as cellulose, lignin or chitin. Advantageously, polyolefins, especially PE, PS and PP, are 100% pyrolyzed and have higher heat of combustion than the environmental matrix, while the environmental matrix - which is in particle form and is therefore to be found in the particle weights examined for MP - does not. Thus, the pyrolysis preceding the combustion of pyrolysis gases and a separate (selective) combustion of the pyrolysis gases allow a high accuracy of the MP determination.

Gemäß einer Ausführungsform umfasst das vorgeschlagene Verfahren weiterhin ein Erfassen eines gesamten Masseverlustes der eingewogenen Partikelfraktion durch die Pyrolyse, beispielsweise durch Wiegen eines Probentiegels vor und nach der Messung, aber auch kontinuierlich während des Heizens oder für das ausgewählte Temperaturintervall (Zersetzungstemperaturfenster).According to one embodiment, the proposed method further comprises recording a total loss of mass of the weighed-in particle fraction as a result of the pyrolysis, for example by weighing a sample crucible before and after the measurement, but also continuously during heating or for the selected temperature interval (decomposition temperature window).

Vorteilhaft erlaubt dies das Erfassen eines pyrolytischen und anorganischen Rückstands der eingewogenen Partikelfraktion vor und nach der Pyrolyse.This advantageously allows a pyrolytic and inorganic residue of the weighed-in particle fraction to be recorded before and after the pyrolysis.

Gemäß einer Ausführungsform ist die Heizrate des Heizens der eingewogenen Partikelfraktion ausgewählt im Bereich zwischen 1K/min und 100 K/min, beispielsweise unter: 1,5 K/s (90 K/min); 1,25 K/s (75 K/min); 1,0 K/s (60 K/min); 0,5 K/s (30 K/min) und 0,25 K/s (15 K/min). Vorteilhaft wird die Heizrate dem erwarteten MP Anteil in der Probe angepasst.According to one embodiment, the heating rate for heating the weighed-in particle fraction is selected in the range between 1K / min and 100 K / min, for example below: 1.5 K / s (90 K / min); 1.25 K / s (75 K / min); 1.0 K / s (60 K / min); 0.5 K / s (30 K / min) and 0.25 K / s (15 K / min). The heating rate is advantageously adapted to the expected MP fraction in the sample.

Eine schnellere Heizrate erlaubt in einem kleinen Temperaturintervall die Erzeugung einer hohen Pyrolysegaskonzentration und somit hohe Signalintensitäten. Allerdings können schnelle Heizraten auch eine Verbreiterung der Pyrolysetemperatur über einen breiteren Temperaturbereich bewirken, sodass insbesondere für die Überwachung industrieller Abwasserströme auf eine erwartete Art von MP, die bevorzugte Heizrate dem typischerweise als MP vorliegenden Polymer angepasst wird.A faster heating rate allows the generation of a high pyrolysis gas concentration and thus high signal intensities in a small temperature interval. However, rapid heating rates can also bring about a broadening of the pyrolysis temperature over a broader temperature range, so that the preferred heating rate is adapted to the polymer typically present as MP, especially for monitoring industrial wastewater flows to an expected type of MP.

Gemäß einer Ausführungsform ist die Masse der eingewogenen Probe ausgewählt unter einer Masse zwischen 1 µg und 1 kg, insbesondere einer Masse zwischen 1 mg und 30 mg für thermoanalytische Apparate und zwischen 0,5 g und 10 g für größere Einwaagen der Umweltmatrix in einer speziell für die Bestimmung von MP in Umweltproben angepassten Vorrichtung.According to one embodiment, the mass of the weighed-in sample is selected from a mass between 1 μg and 1 kg, in particular a mass between 1 mg and 30 mg for thermoanalytical apparatus and between 0.5 g and 10 g for larger weights of the environmental matrix in a device specially adapted for the determination of MP in environmental samples.

Vorteilhaft können auch aus niedrig belasteten Proben und/oder aus vergleichsweise geringen Wasservolumina extrahierte MP-Anteile detektiert werden oder, erforderlichenfalls, auch in größeren Probenvolumina. Während herkömmliche Geräte vornehmlich für die Untersuchung von Mikromengen der entsprechenden Materialien angepasst sind, ist das Verfahren angepasst für die Untersuchung von größeren Probemengen, die beispielsweise reich an Organik-Gehalten (u.a. Biota, natürliche Polymere) sein können, oder reich an Anorganik-Gehalten sind (u.a. Sediment, Carbonate, Salze). Dennoch gelingt es, den angereicherten MP-Anteil zu detektieren.MP components extracted from samples with low levels of contamination and / or from comparatively small volumes of water can also advantageously be detected or, if necessary, also in larger sample volumes. While conventional devices are primarily adapted for the investigation of micro-quantities of the corresponding materials, the method is adapted for the investigation of larger sample quantities, which for example can be rich in organic contents (including biota, natural polymers) or are rich in inorganic contents (including sediment, carbonates, salts). Nevertheless, it is possible to detect the enriched MP fraction.

Gemäß typischer Ausführungsformen erfolgt das Verbrennen des in den Verbrennungsraum überführten Gases unter Zuführung definierter Konzentrationen von Sauerstoff oder synthetischer Luft, sodass aus dem jeweils innerhalb einer Zeiteinheit - die bei einer konstanten Heizrate /ggf. zeitversetzt/ einer definierten Temperaturspanne entspricht, eine Verbrennungswärme des Pyrolysegases ermittelbar ist.According to typical embodiments, the combustion of the gas transferred into the combustion chamber takes place with the supply of defined concentrations of oxygen or synthetic air, so that from each within a unit of time - the at a constant heating rate / possibly. offset in time / corresponds to a defined temperature range, a heat of combustion of the pyrolysis gas can be determined.

Vorteilhaft kann über die Bestimmung des zur Verbrennung der Pyrolysegase verbrauchten Sauerstoffs (1 kg verbrauchter Sauerstoff entspricht einer Wärmemenge von 13,1 MJ) die nicht auszuschließende, intrinsische CO2 Freisetzung aus der Umweltmatrix (z.B. aus Carbonaten, Carbonsäuren und -estern), erhobene Messdaten nicht verfälschen.The intrinsic CO 2 release from the environmental matrix (e.g. from carbonates, carboxylic acids and esters), which cannot be ruled out, can advantageously be used to determine the oxygen consumed to burn the pyrolysis gases (1 kg of oxygen consumed corresponds to an amount of heat of 13.1 MJ) do not falsify.

Gemäß einer Ausführungsform erfolgt das Bestimmen der Verbrennungswärme der beim Verbrennen der Probe abgegebenen Pyrolysegase in einem ausgewählten Temperaturintervall liegt, das lediglich 150 K überspannt, beispielsweise zwischen 350 bis 550°C oder zwischen 375 bis 525°C bei einer konstanten Heizrate, beispielsweise bei einer Heizrate von 1K/s.According to one embodiment, the heat of combustion of the pyrolysis gases emitted when the sample is burned is determined in a selected temperature interval that spans only 150 K, for example between 350 to 550 ° C or between 375 to 525 ° C at a constant heating rate, for example at a heating rate of 1K / s.

Vorteilhaft gelingt in den bezeichneten Temperaturintervallen die zuverlässige Unterscheidung von Pyrolyseprodukten synthetischer Polymere und von natürlichen organischen Verbindungen und somit die MP-selektive Bestimmung.The reliable differentiation between pyrolysis products of synthetic polymers and natural organic compounds and thus the MP-selective determination is advantageously achieved in the specified temperature intervals.

Gemäß einer Ausführungsform erfolgt das Bestimmen des Mikroplastikgehaltes über ein Bestimmen der effektiven Verbrennungswärme der eingewogenen Partikelfraktion der Umweltprobe und der spezifischen Verbrennungswärme zumindest eines reinen synthetischen Polymers.According to one embodiment, the microplastic content is determined by determining the effective heat of combustion of the weighed-in particle fraction of the environmental sample and the specific heat of combustion of at least one pure synthetic polymer.

Wie sich überraschend erwies, ist die gegenüber natürlich vorkommenden Polymeren und anderen Probenbestandteilen natürlichen Ursprungs etwa 3 bis 30-fach erhöhte Wärmefreisetzung bei Pyrolyse und Verbrennung von synthetischen Polymeren anthropogenen Urspruchs geeignet, MP in Umweltproben zu detektieren und zu quantifizieren. Die Messgenauigkeit des Verfahrens wird weiter gesteigert, wenn die Messung der effektiven Verbrennungswärme innerhalb eines definierten Temperaturintervalls vorgenommen wird.Surprisingly, it turned out that the heat release, which is about 3 to 30 times higher than that of naturally occurring polymers and other sample components of natural origin, during pyrolysis and combustion of synthetic polymers of anthropogenic origin is suitable for detecting and quantifying MP in environmental samples. The measurement accuracy of the method is further increased if the measurement of the effective heat of combustion is carried out within a defined temperature interval.

FigurenlisteFigure list

Die beiliegenden Figuren veranschaulichen Ausführungsformen und dienen zusammen mit der Beschreibung der Erläuterung der Prinzipien der Erfindung.

  • 1 zeigt Ergebnisse der Thermogravimetrischen Analyse (TGA) von Schwebstoffen.
  • 2 zeigt Ergebnisse der Thermogravimetrischen Analyse (TGA) der verwendeten Polymermaterialien.
  • 3 zeigt einen Ausschnitt der Ergebnisse aus 1 für 300 bis 550 °C.
  • 4 zeigt einen Ausschnitt der Ergebnisse aus 2 für 300 bis 550 °C.
  • 5 zeigt PCFC Ergebnisse der HRR der vier Einzelmaterialien.
  • 6 zeigt einen hinsichtlich der HRR gespreizten Ausschnitt aus 5.
  • 7 zeigt PCFC Ergebnisse (HRR) für drei Wiederholungen einer Schwebstoffprobe (ca. 5 mg)
  • 8 zeigt PCFC Ergebnisse (HRR) für drei Wiederholungen einer Schwebstoffprobe mit zugesetztem 1 % PE (ca. 5 mg Probe gesamt)
  • 9 zeigt PCFC Ergebnisse (HRR) für drei Wiederholungen Schwebstoffprobe mit zugesetztem 3 % PE (ca. 5 mg Probe gesamt)
  • 10 zeigt PCFC Ergebnisse (HRR) für drei Wiederholungen Schwebstoffprobe mit zugesetztem 5 % PE (ca. 5 mg Probe gesamt)
  • 11 zeigt PCFC Ergebnisse (HRR) für drei Wiederholungen Schwebstoffprobe mit zugesetztem 1 % PE und 1 % PS (ca. 5 mg Probe gesamt)
  • 12 zeigt PCFC Ergebnisse (HRR) für drei Wiederholungen Schwebstoffprobe mit zugesetztem 3 % PE und 3 % PS (ca. 5 mg Probe gesamt)
  • 13 PCFC Ergebnisse (HRR) für drei Wiederholungen Schwebstoffprobe mit zugesetztem 5 % PE und 5 % PS (ca. 5 mg Probe gesamt)
  • 14 zeigt ein Korrelation der effektiven Verbrennungswärme (THE) gegenüber der PE Einwaage in den Schwebstoffproben
  • 15 zeigt ein Korrelation der effektiven Verbrennungswärme (THE) gegenüber der MP Einwaage in den Schwebstoffproben
The accompanying figures illustrate embodiments and, together with the description, serve to explain the principles of the invention.
  • 1 shows the results of the thermogravimetric analysis (TGA) of suspended solids.
  • 2 shows the results of the thermogravimetric analysis (TGA) of the polymer materials used.
  • 3 shows a section of the results 1 for 300 to 550 ° C.
  • 4th shows a section of the results 2 for 300 to 550 ° C.
  • 5 shows PCFC results of the HRR of the four individual materials.
  • 6th shows a section that is expanded with regard to the HRR 5 .
  • 7th shows PCFC results (HRR) for three repetitions of a suspended matter sample (approx. 5 mg)
  • 8th shows PCFC results (HRR) for three repetitions of a suspended matter sample with added 1% PE (approx. 5 mg sample total)
  • 9 shows PCFC results (HRR) for three repetitions of suspended solids sample with added 3% PE (approx. 5 mg sample total)
  • 10 shows PCFC results (HRR) for three repetitions of suspended matter sample with added 5% PE (approx. 5 mg sample total)
  • 11 shows PCFC results (HRR) for three repetitions of suspended matter sample with added 1% PE and 1% PS (approx. 5 mg total sample)
  • 12th shows PCFC results (HRR) for three repetitions of suspended solids sample with added 3% PE and 3% PS (approx. 5 mg total sample)
  • 13 PCFC results (HRR) for three replicates suspended matter sample with added 5% PE and 5% PS (approx. 5 mg sample total)
  • 14th shows a correlation between the effective heat of combustion (THE) and the PE weight in the suspended matter samples
  • 15th shows a correlation of the effective heat of combustion (THE) versus the MP initial weight in the suspended matter samples

Zusammenfassend, werden gemäß den vorgeschlagenen Ausführungsbeispielen MP Gehalte anhand der effektiven Verbrennungswärmen ihrer Pyrolyseprodukte und der spezifischen Verbrennungswärme von reinen Polymeren bestimmt. Bei der pyrolytischen Zersetzung erfolgt die Spaltung organischer Verbindungen ausschließlich nur durch Temperatureinwirkung unter Ausschluss von Sauerstoff. Die komplexen Umweltproben werden in einem Temperaturbereich typischerweise von 100 bis 800°C unter inerten Bedingungen pyrolysiert. Die Auswertung erfolgt für in einem definierten Temperaturintervall, z.B. zwischen 350 bis 550°C, erfasste Pyrolysegase. Die Auswahl des Temperaturintervalls ist an die jeweilige Heizrate so angepasst, dass derjenige Temperaturbereich umschlossen wird, in dem die synthetischen Polymere bei der gewählten Heizrate pyrolysiert werden. Die Pyrolysebereich von Kunststoffen ist bekanntermaßen heizratenabhängig. Die Auswahl des Intervalls erfolgt deshalb so, dass der jeweilige Temperaturbereich der Pyrolyse synthetischer Polymere umfasst ist. Es werden Heizraten von 5-200 K/min insbesondere von z.B. 1 K/s angewendet, sowie ein inerter Trägergasstrom (Stickstoff, Argon, Helium) von 100-200 ml/min (gerätabhängige Größe) zum Transport der bei der Pyrolyse freigesetzten Gase verwendet. Die gebildeten Gase werden in einen räumlich getrennten Verbrennungsraum (Combustor) überführt, in welchen dann die Verbrennungswärme der Pyrolysegase bestimmt wird. Die Verbrennungswärme des nicht pyrolisierten Rückstandes unter den Bedingungen im PCFC bleibt in dem vorgeschlagenen Verfahren unberücksichtigt. Die Erfassung der Verbrennungswärme der Pyrolysegase kann beispielsweise über den dafür erforderlichen Verbrauch von Sauerstoff bestimmt werden. Der Verbrauch von einem Kilogramm Sauerstoff setzt eine Wärmemenge von 13,1 MJ frei. Damit bleibt die mögliche, intrinsische CO2 Freisetzung aus der Umweltmatrix (z.B. Carbonate, Carbonsäuren und -ester) unberücksichtigt und kann die Messdaten nicht verfälschen.In summary, according to the proposed exemplary embodiments, MP contents are determined on the basis of the effective heat of combustion of their pyrolysis products and the specific heat of combustion of pure polymers. In the pyrolytic decomposition, organic compounds are only broken down by the action of temperature with the exclusion of oxygen. The complex environmental samples are pyrolyzed in a temperature range typically from 100 to 800 ° C under inert conditions. The evaluation is carried out for pyrolysis gases recorded in a defined temperature interval, for example between 350 and 550 ° C. The selection of the temperature interval is adapted to the respective heating rate so that that temperature range is enclosed in which the synthetic polymers are pyrolyzed at the selected heating rate. The pyrolysis range of plastics is known to be dependent on the heating rate. The interval is therefore selected so that the respective temperature range of the pyrolysis of synthetic polymers is included. Heating rates of 5-200 K / min, in particular 1 K / s, for example, and an inert carrier gas flow (nitrogen, argon, helium) of 100-200 ml / min (device-dependent size) are used to transport the gases released during pyrolysis . The gases formed are transferred to a spatially separate combustion chamber (combustor), in which the heat of combustion of the pyrolysis gases is then determined. The heat of combustion of the non-pyrolyzed residue under the conditions in the PCFC is not taken into account in the proposed method. The detection of the heat of combustion of the pyrolysis gases can be determined, for example, via the oxygen consumption required for this. The consumption of one kilogram of oxygen releases 13.1 MJ of heat. This means that the possible intrinsic CO 2 release from the environmental matrix (eg carbonates, carboxylic acids and esters) is not taken into account and cannot falsify the measurement data.

Insgesamt empfiehlt sich das vorgeschlagene Verfahren für die routinemäßige Messung von Umweltproben hinsichtlich eines Vorkommens von MP. Es ist schnell, einfach, sensitiv, präzise, und somit als schnelles Routineverfahren geeignet. Es basiert auf der Bestimmung der hohen effektiven Verbrennungswärme von reinen Polymeren, der geringen Rückstandsmenge und der Auswertung von charakteristischen Temperaturintervallen, die typischerweise die Pyrolyse von synthetischen Polymeren und somit MP umfassen.Overall, the proposed method is recommended for the routine measurement of environmental samples for the presence of MP. It is fast, simple, sensitive, precise and therefore suitable as a quick routine procedure. It is based on the determination of the high effective heat of combustion of pure polymers, the low amount of residue and the evaluation of characteristic temperature intervals, which typically include the pyrolysis of synthetic polymers and thus MP.

Die Anwendung von bestehenden thermo-analytischen Verfahren, z.B. Thermogravimetrie mit gekoppelter oder nachgeschalteter Analytik der flüchtigen Produkte, ist zwar bereits vergleichsweise schnell, jedoch bedarf diese verhältnismäßig teure und komplexe Methode, zusätzlich einer sehr guten Einarbeitung des Anwenders. Für die Routineanalytik fehlte es bisher es an einer preiswerten, schnellen Methode mit einfacher und verlässlicher Auswertung. Die vorgeschlagene Verwendung der bisher ausschließlich aus der Brandschutzforschung bekannten Analysetechnik in der Umweltanalytik für die Bestimmung von MP Gehalten in Umweltproben ist neu und lag dem Fachmann auf dem Gebiet der Umweltanalytik völlig fern, da Fragen der Untersuchung des Abbrandverhaltens von Polymeren für die Umweltanalytik, insbesondere hinsichtlich des MP Gehaltes von Gewässerproben, keinerlei Bedeutung haben.The use of existing thermo-analytical methods, e.g. Thermogravimetry with coupled or downstream analysis of the volatile products is already comparatively fast, but this relatively expensive and complex method also requires very good training on the part of the user. Until now, there was no inexpensive, fast method with a simple and reliable evaluation for routine analysis. The proposed use of the analytical technique in environmental analysis, which has hitherto been known exclusively from fire protection research, for the determination of MP levels in environmental samples is new and was completely alien to the expert in the field of environmental analysis, since questions relating to the investigation of the burning behavior of polymers for environmental analysis, in particular with regard to the MP content of water samples are of no importance.

Praktisches AusführungsbeispielPractical embodiment

Gemäß einem praktischen Ausführungsbeispiel wurde das beschriebene Verfahren zur schnellen Bestimmung des MP-Gehalt mittels Messung der effektiven Verbrennungswärme der Pyrolyseprodukte in charakteristischen Zersetzungstemperaturbereichen zur Analyse einer beispielhaften Wasserfiltratprobe eines Oberflächengewässers (Schwebstoffe) verwendet, die zudotierte MP-Gehalte PE, PP und PS (handelsübliche Polymere ohne funktionsspezifische Additive) enthielt. Wie nachfolgend an Hand der erhaltenen Ergebnisse erläutert, belegen die dabei erhaltenen Ergebnisse, dass bei an Organik reichen Proben (Organik-Anteil von ~ 20 Gewichts-%) bei einer Probeneinwaage von nur 5 mg (MP Mengen mit zu 50 µg in 5 mg Umweltmatrix entsprechen realen Funden in Oberflächengewässern oder Klärwerksabläufen) MP-Gehalte < 1 Gewichts-% sicher analysiert werden können. Neben der kurzen Messzeit ermöglicht der einfache lineare Zusammenhang zwischen MP-Gehalt und Wärmeabgabe im charakteristischen Temperaturbereich die einfache und schnelle Routinebestimmung von MP.According to a practical embodiment, the described method was used to quickly determine the MP content by measuring the effective heat of combustion of the pyrolysis products in characteristic decomposition temperature ranges for the analysis of an exemplary water filtrate sample from surface water (suspended matter), the added MP content PE, PP and PS (commercially available polymers without function-specific additives). As explained below on the basis of the results obtained, the results obtained show that samples rich in organic matter (organic content of ~ 20% by weight) with a sample weight of only 5 mg (MP quantities with up to 50 µg in 5 mg environmental matrix correspond to real finds in surface waters or sewage treatment plant processes) MP contents <1% by weight can be reliably analyzed. In addition to the short measurement time, the simple linear relationship between MP content and heat dissipation in the characteristic temperature range enables the simple and quick routine determination of MP.

Für die beschriebenen Messungen wurde ein TG/DTA 220 Gerät der Fa. Seiko Instruments Inc. verwendet. Probeneinwaagen von jeweils 5 mg wurden in Aluminiumoxidtiegeln bei einer Heizrate von 10 K/min erhitzt. Für den Temperaturbereich von 25 °C bis 600°C wurde die Probenkammer mit 200 ml/min Stickstoff, und für den Temperaturbereich von 600 °C bis 1000 °C mit 200 ml/min synthetischer Luft gespült. Kalorimetrische Messungen zur Bestimmung der effektiven Verbrennungswärme wurden mit einem spezifisch für die Ermittlung von Verbrennungswärmen von Kunststoffen konstruierten Combustion Flow Calorimeter (PCFC), bzw. Mikroverbrennungskalorimeter (MCC) (Fire Testing Technology Ltd., UK) durchgeführt.A TG / DTA 220 device from Seiko Instruments Inc. was used for the measurements described. Sample weights of 5 mg each were heated in aluminum oxide crucibles at a heating rate of 10 K / min. For the temperature range from 25 ° C to 600 ° C, the sample chamber was flushed with 200 ml / min nitrogen, and for the temperature range from 600 ° C to 1000 ° C with 200 ml / min synthetic air. Calorimetric measurements to determine the effective heat of combustion were carried out with a Combustion Flow Calorimeter (PCFC) or micro-combustion calorimeter (MCC) (Fire Testing Technology Ltd., UK) specifically designed for determining the heat of combustion of plastics.

Für die Ermittlung charakteristischer Kenngrößen der in der untersuchten Probe vorliegenden Komponenten wurden die verwendeten Schwebstoffe, PE-Partikel, PP-Partikel und PS-Partikel individuell thermogravimetrisch untersucht. Ergebnisse der thermogravimetrischen Analyse (TGA) werden als Funktion der relativen Probenmasse in Abhängigkeit von der Temperatur, üblicherweise bei einer konstanten Heizrate, dargestellt. Das Differenzieren dabei erhaltener Messwerte nach der Zeit liefert die temperatur- und heizratenabhängige Massenverlustrate, die auch als differentielle Thermogravimetrie (DTG) bezeichnet wird.To determine characteristic parameters of the components present in the examined sample, the suspended solids, PE particles, PP particles and PS particles used were individually thermogravimetrically examined. The results of the thermogravimetric analysis (TGA) are shown as a function of the relative sample mass as a function of the temperature, usually at a constant heating rate. The differentiation of the measured values obtained during this process provides the temperature- and heating-rate-dependent rate of mass loss, which is also known as differential thermogravimetry (DTG).

1 zeigt Ergebnisse der TGA von Schwebstoffen. Gegen die linke Ordinate sind die bei der jeweiligen Temperatur erreichten Masseverluste in Masse-% abgetragen, während die rechte Ordinate mit DTG die erste Ableitung dieser Werte, entsprechend der differentiellen Thermogravimetrie in µg/min zeigt. Auffallend ist der Massenverlust durch thermische Zersetzung und Verbrennung bei Temperaturen zwischen 350 und 550°C. 1 shows the results of the TGA of suspended solids. The mass losses achieved at the respective temperature are plotted against the left ordinate in% by mass, while the right ordinate with DTG shows the first derivative of these values, corresponding to differential thermogravimetry in µg / min. The loss of mass due to thermal decomposition and combustion at temperatures between 350 and 550 ° C is striking.

2 zeigt Ergebnisse der TGA der drei hier exemplarisch untersuchten Polymere Polyethylen (PE), Polypropylen (PP) und Polystyrol (PS). Es ist zu erkennen, dass die Polymere im Temperaturbereichen zwischen 350°C und 520°C vollständig thermisch zersetzt werden. Aus den 3 und 4 ist zu ersehen, dass im Temperaturbereich von 350 bis 550°C für alle Polymere eine vollständige Pyrolyse zu beobachten ist, während bei den Schwebstoffen ein Massenverlust von lediglich ca. 4,5 % eintritt. 2 shows the results of the TGA of the three polymers examined here as examples: polyethylene (PE), polypropylene (PP) and polystyrene (PS). It can be seen that the polymers are completely thermally decomposed in the temperature range between 350 ° C and 520 ° C. From the 3 and 4th it can be seen that in the temperature range from 350 to 550 ° C a complete pyrolysis can be observed for all polymers, while a mass loss of only approx. 4.5% occurs with the suspended solids.

Nach der Bestimmung des Massenverlusts erfolgte die Bestimmung der Wärmeabgaberate (HRR) im Pyrolysis Combustion Flow Calorimeter (PCFC). Entsprechende Ergebnisse sind in den 5 und 6 dargestellt und in der nachfolgendenden Tabelle 1 zusammengefasst. Die 5 und 6 belegen, dass im Temperaturbereich von 350 bis 550°C für alle Polymere deutliche Wärmefreisetzungspeaks zu beobachten sind, während für die Schwebstoffe lediglich ein breites unspezifisches Signal feststellbar ist. Tabelle 1: Effektive Verbrennungswärme (THE) der Probenkomponenten bestimmt im Combustion Flow Calorimeter (PCFC) . Probe THE in kJ/g PE 41,2 ± 0,2 PP 43,5 ± 0,2 PS 40,7 ± 0,1 Schwebstoffe 6,7 ± 0,6 After the mass loss had been determined, the heat release rate (HRR) was determined in the Pyrolysis Combustion Flow Calorimeter (PCFC). Corresponding results are in the 5 and 6th and summarized in Table 1 below. The 5 and 6th prove that in the temperature range from 350 to 550 ° C clear heat release peaks can be observed for all polymers, while only a broad, unspecific signal can be determined for the suspended matter. Table 1: Effective heat of combustion (THE) of the sample components determined in the Combustion Flow Calorimeter (PCFC). sample THE in kJ / g PE 41.2 ± 0.2 PP 43.5 ± 0.2 PS 40.7 ± 0.1 Suspended solids 6.7 ± 0.6

Zu den in Tabelle 1 angeführten Werten ist anzufügen, dass sich bei einer Bestimmung der THE Werte auf den über den gesamten Temperaturbereich von 25 bis 600 °C gemessenen Massenverlust beziehen, da das Gerät derzeit die Massenverlustbestimmung in einem kleinen ausgewählten Temperaturintervall nicht erlaubt. Eine Verwendung des in der TGA ermittelten Masseverlustes innerhalb des Temperaturintervalls ist jedoch möglich.In addition to the values listed in Table 1, it should be added that when the THE values are determined, they refer to the mass loss measured over the entire temperature range from 25 to 600 ° C, as the device currently does not allow mass loss determination in a small selected temperature range. However, it is possible to use the mass loss determined in the TGA within the temperature interval.

Die Messkurven der 7 bis 13 zeigen den Verlauf der mittels PCFC ermittelten Wärmefreisetzungsraten (HRR) für Modellproben bestehend aus Schwebstoffen und unterschiedlicher Gehalte an unterschiedlichen Sorten MP. Die genauen Zusammensetzungen der Proben sind in Tabelle 2 zusammengefasst. Tabelle 2: Übersicht der der Zusammensetzung der im Combustion Flow Calorimeters (PCFC)gemessenen Modellproben Probenbezeichnung Schwebstoff [mg] PE [mg] PS [mg] wt.-% PE wt.-% PS Schwebstoff 1 5,006 0 0 Schwebstoff_2 4,997 0 0 Schwebstoff_3 5,001 0 0 1wtPE_1 4,956 0,049 0 0,98 0,00 1wtPE_2 4,954 0,052 0 1,04 0,00 1wtPE_3 4,954 0,053 0 1,06 0,00 3wtPE_1 4,851 0,152 0 3,04 0,00 3wtPE_2 4,857 0,148 0 2,96 0,00 3wtPE_3 4,848 0,151 0 3,02 0,00 5wtPE_1 4,745 0,251 0 5,02 0,00 5wtPE_2 4,746 0,251 0 5,02 0,00 5wtPE_3 4,746 0,255 0 5,10 0,00 1PE_1PS_1 4,898 0,051 0,059 1,02 1,18 1PE_1PS_2 4,896 0,049 0,064 0,98 1,28 1PE_1PS_3 4,891 0,052 0,054 1,04 1,08 3PE_PS_1 4,699 0,148 0,163 2,95 3,25 3PE_PS_2 4,697 0,151 0,153 3,02 3,06 3PE_PS_3 4,702 0,15 0,152 3,00 3,04 5PE_PS_1 4,508 0,25 0,245 5,00 4,90 5PE_PS_1 4,493 0,256 0,262 5,11 5,23 5PE_PS_1 4,507 0,25 0,251 4,99 5,01 The measurement curves of the 7th to 13 show the course of the heat release rates (HRR) determined by means of PCFC for model samples consisting of suspended matter and different contents of different types of MP. The exact compositions of the samples are summarized in Table 2. Table 2: Overview of the composition of the model samples measured in the Combustion Flow Calorimeter (PCFC) Sample designation Suspended matter [mg] PE [mg] PS [mg] wt .-% PE wt .-% PS Suspended matter 1 5.006 0 0 Suspended matter_2 4,997 0 0 Suspended matter_3 5.001 0 0 1wtPE_1 4,956 0.049 0 0.98 0.00 1wtPE_2 4,954 0.052 0 1.04 0.00 1wtPE_3 4,954 0.053 0 1.06 0.00 3wtPE_1 4.851 0.152 0 3.04 0.00 3wtPE_2 4.857 0.148 0 2.96 0.00 3wtPE_3 4,848 0.151 0 3.02 0.00 5wtPE_1 4,745 0.251 0 5.02 0.00 5wtPE_2 4,746 0.251 0 5.02 0.00 5wtPE_3 4,746 0.255 0 5.10 0.00 1PE_1PS_1 4,898 0.051 0.059 1.02 1.18 1PE_1PS_2 4.896 0.049 0.064 0.98 1.28 1PE_1PS_3 4.891 0.052 0.054 1.04 1.08 3PE_PS_1 4,699 0.148 0.163 2.95 3.25 3PE_PS_2 4.697 0.151 0.153 3.02 3.06 3PE_PS_3 4.702 0.15 0.152 3.00 3.04 5PE_PS_1 4,508 0.25 0.245 5.00 4.90 5PE_PS_1 4.493 0.256 0.262 5.11 5.23 5PE_PS_1 4,507 0.25 0.251 4.99 5.01

Die 14 und 15 korrelieren die Polymerkonzentrationen in dem Proben gegenüber den bestimmten effektiven Verbrennungswärmen (THE). Sie belegen den linearen Zusammenhang zwischen dem MP-Gehalt einer Probe und der Verbrennungswärme (THE) der bei Pyrolyse freigesetzten Produkte.The 14th and 15th correlate the polymer concentrations in the sample against the determined effective heats of combustion (THE). They demonstrate the linear relationship between the MP content of a sample and the heat of combustion (THE) of the products released during pyrolysis.

Schlussfolgernd wird angesichts der praktischen Ausführungsbeispiele deutlich, dass einerseits die hohen effektiven Verbrennungswärmen von reinen Polymeren gegenüber Schwebstoffen die Möglichkeit eröffnen, den MP-Gehalt einer Probe unbekannter Zusammensetzung mit verbesserter Sensitivität und Auflösung zu bestimmen. Die zusätzliche Definition von charakteristischen Temperaturintervallen (Zersetzungstemperaturintervallen) erhöht die MP-Selektivität sowie die Sensitivität der Messungen weiter. Insgesamt wurde eine sehr gute Wiederholbarkeit der Resultate nachgewiesen. Es ergibt sich ein linearer Zusammenhang zwischen MP-Gehalt und THE. Unterhalb 1 Masse-% MP in einer Probe wird die Messunsicherheit des Verfahrens erreicht. Die in den 14 und 15 gezeigten Geraden sind zur Kalibrierung des vorgeschlagenen Verfahrens nutzbar. Sie weisen aber auch die Bestimmung von MP-Gehalten nach.In conclusion, in view of the practical examples, it becomes clear that, on the one hand, the high effective heat of combustion of pure polymers compared to suspended solids opens up the possibility of determining the MP content of a sample of unknown composition with improved sensitivity and resolution. The additional definition of characteristic temperature intervals (decomposition temperature intervals) further increases the MP selectivity and the sensitivity of the measurements. Overall, the results were shown to be very repeatable. There is a linear relationship between the MP content and THE. The measurement uncertainty of the method is achieved below 1 mass% MP in a sample. The ones in the 14th and 15th The straight lines shown can be used to calibrate the proposed method. But they also prove the determination of MP levels.

Aspekte des vorgeschlagenen Verfahrens betreffen mithin:

  1. 1. Verfahren zur schnellen Bestimmung des MP-Gehalt, insbesondere mit Messmethoden, die auf konstanten Heizraten zwischen 5 K/min und 200 K/min beruhen, wobei eine konstante Heizrate ausgewählt ist unter 10 K/min, 20 K/min, und 1 K/s;
  2. 2. Verfahren zur Bestimmung des MP-Gehalt in komplexen Umweltproben;
  3. 3. Verfahren zur Bestimmung des MP-Gehalt in Probenmengen zwischen 1 Mikrogramm und 1 kg, insbesondere zwischen 1 mg und 30 mg oder zwischen 0,5 g und 10 g;
  4. 4. Verfahren zur Bestimmung des MP-Gehalt mittels Messung der effektiven Verbrennungswärme der anaeroben Pyrolyse, gekoppelt mit der Verbrennung von gasförmigen Zersetzungsprodukten in einem Combustor mit daran anschließender Bestimmung der Wärmeabgabe durch die Sauerstoffverbrauchsmethode;
  5. 5. Verfahren zur Bestimmung des MP-Gehalt mittels Messung der effektiven Verbrennungswärme der jeweiligen Pyrolyseprodukte in charakteristischen Zersetzungstemperaturbereichen, z.B. in den Bereichen 300 bis 600°C beispielsweise bei einer Heizrate von 1K/s, wobei die Temperaturbereiche typischerweise in Abhängigkeit von einer Probenmenge und einer jeweils gewählten Heizrate ausgewählt sind.
Aspects of the proposed method therefore concern:
  1. 1. Method for the rapid determination of the MP content, in particular with measurement methods based on constant heating rates between 5 K / min and 200 K / min, with a constant heating rate selected from 10 K / min, 20 K / min, and 1 K / s;
  2. 2. Procedure for determining the MP content in complex environmental samples;
  3. 3. Method for determining the MP content in sample quantities between 1 microgram and 1 kg, in particular between 1 mg and 30 mg or between 0.5 g and 10 g;
  4. 4. Method for determining the MP content by measuring the effective heat of combustion of anaerobic pyrolysis, coupled with the combustion of gaseous decomposition products in a combustor with subsequent determination of the heat output by the oxygen consumption method;
  5. 5. Method for determining the MP content by measuring the effective heat of combustion of the respective pyrolysis products in characteristic decomposition temperature ranges, e.g. in the ranges 300 to 600 ° C, for example at a heating rate of 1K / s, the temperature ranges typically depending on a sample amount and a selected heating rate are selected.

Zusammengefasst wird also ein Verfahren zur Bestimmung eines Mikroplastikgehalts einer Umweltprobe vorgeschlagen. Das Verfahren umfasst die Schritte: Bereitstellen einer Partikelfraktion der Umweltprobe; Bereitstellen eines Pyrolysegases durch Heizen der Partikelfraktion in einem definierten Temperaturintervall mit einer definierten Heizrate, wobei das Heizen der Partikelfraktion in einer Inertgasatmosphäre erfolgt; Verbrennen des Pyrolysegases in einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre und Bestimmen einer totalen Wärmeabgabe (THR) während des Verbrennens des bereitgestellten Pyrolysegases; und Zuordnen der bestimmten totalen Wärmeabgabe zu einem Mikroplastikgehalt der Umweltprobe.In summary, a method for determining the microplastic content of an environmental sample is proposed. The method comprises the steps of: providing a particle fraction of the environmental sample; Providing a pyrolysis gas by heating the particle fraction in a defined temperature interval at a defined heating rate, the particle fraction being heated in an inert gas atmosphere; Burning the pyrolysis gas in an oxygen-containing atmosphere and determining a total heat release (THR) during the burning of the provided pyrolysis gas; and assigning the determined total heat release to a microplastic content of the environmental sample.

Wenngleich hierin spezifische Ausführungsformen dargestellt und beschrieben worden sind, liegt es im Rahmen der vorliegenden Erfindung, die gezeigten Ausführungsformen geeignet zu modifizieren, ohne vom Schutzbereich der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Die nachfolgenden Ansprüche stellen einen ersten, nicht bindenden Versuch dar, die Erfindung allgemein zu definieren.While specific embodiments have been shown and described herein, it is within the scope of the present invention to appropriately modify the shown embodiments without departing from the scope of the present invention. The following claims represent a first, non-binding attempt to generally define the invention.

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Claims (16)

Verfahren zur Bestimmung eines Mikroplastikgehalts einer Umweltprobe, umfassend: - Bereitstellen einer Partikelfraktion der Umweltprobe; - Bereitstellen eines Pyrolysegases durch Heizen der Partikelfraktion in einem definierten Temperaturintervall mit einer definierten Heizrate, wobei das Heizen der Partikelfraktion in einer Inertgasatmosphäre erfolgt; - Verbrennen des Pyrolysegases in einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre und Bestimmen einer totalen Wärmeabgabe (THR) während des Verbrennens des bereitgestellten Pyrolysegases; und - Zuordnen der bestimmten totalen Wärmeabgabe zu einem Mikroplastikgehalt der Umweltprobe.A method for determining a microplastic content in an environmental sample, comprising: - providing a particle fraction of the environmental sample; - providing a pyrolysis gas by heating the particle fraction in a defined temperature interval at a defined heating rate, the particle fraction being heated in an inert gas atmosphere; - Burning the pyrolysis gas in an oxygen-containing atmosphere and determining a total heat release (THR) during the burning of the pyrolysis gas provided; and - Assignment of the determined total heat emission to a microplastic content of the environmental sample. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Heizen der Partikelfraktion, das Bereitstellen des Pyrolysegases und das Verbrennen des Pyrolysegases simultan erfolgen, indem das Pyrolysegas mit einem Inertgas in einen Verbrennungsraum überführt wird.Procedure according to Claim 1 , wherein the heating of the particle fraction, the provision of the pyrolysis gas and the burning of the pyrolysis gas take place simultaneously in that the pyrolysis gas is transferred with an inert gas into a combustion chamber. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Temperaturintervall eine Temperaturspanne von 100 bis 200 K umfasst.Procedure according to Claim 1 or 2 , wherein the temperature interval comprises a temperature range of 100 to 200 K. Verfahren nach Anspruch 3, wobei das Temperaturintervall von: 300 bis 600 °C, 350 bis 550 °C, oder 350 bis 500 °C reicht.Procedure according to Claim 3 , wherein the temperature range is from: 300 to 600 ° C, 350 to 550 ° C, or 350 to 500 ° C. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei eine Masse der bereitgestellten Partikelfraktion ausgewählt ist unter einer Masse zwischen 1 µg und 1 kg, insbesondere einer Masse zwischen 1 mg und 10 g, oder 1 mg und 30 mg.Method according to at least one of the Claims 1 to 4th , wherein a mass of the provided particle fraction is selected from a mass between 1 μg and 1 kg, in particular a mass between 1 mg and 10 g, or 1 mg and 30 mg. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 5 wobei das Verbrennen in einem Verbrennungsraum erfolgt, und dem Verbrennungsraum kontinuierlich Sauerstoff oder synthetische Luft einer definierten Sauerstoffkonzentration zugeführt wird.Method according to at least one of the Claims 1 to 5 wherein the combustion takes place in a combustion chamber, and oxygen or synthetic air of a defined oxygen concentration is continuously supplied to the combustion chamber. Verfahren nach Anspruch 6, wobei das Bestimmen der totalen Wärmeabgabe ein Ermitteln einer bei dem Verbrennen des Pyrolysegases verbrauchten Sauerstoffmenge umfasst.Procedure according to Claim 6 wherein the determination of the total heat emission comprises determining an amount of oxygen consumed in the combustion of the pyrolysis gas. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das Heizen in dem Temperaturintervall zwischen 350 bis 550°C oder zwischen 375 bis 525°C, beispielsweise jeweils bei einer konstanten Heizrate, erfolgt.Method according to at least one of the Claims 1 to 7th , the heating taking place in the temperature interval between 350 to 550 ° C. or between 375 to 525 ° C., for example in each case at a constant heating rate. Verfahren nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Zuordnen an Hand einer Kalibrierkurve erfolgt.Method according to at least one of the preceding claims, wherein the assignment takes place on the basis of a calibration curve. Verfahren nach Anspruch 9, wobei die Kalibrierkurve erstellt ist: - mit definierten Probengemischen umfassend eine Umweltmatrix und einen der Umweltmatrix zugesetzten Masseanteil Mikroplastik; - mit der Partikelfraktion der Umweltprobe zugesetzten Masseanteilen Mikroplastik oder Masseanteilen eines synthetischen Polymers; oder - an Hand eines Erwartungswertes einer spezifischen Verbrennungswärme definierter Massen des synthetischen Polymers.Procedure according to Claim 9 , the calibration curve being created: with defined sample mixtures comprising an environmental matrix and a mass fraction of microplastic added to the environmental matrix; - Mass fractions of microplastics or mass fractions of a synthetic polymer added to the particle fraction of the environmental sample; or - on the basis of an expected value of a specific heat of combustion of defined masses of the synthetic polymer. Verfahren nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, weiter umfassend: - Erfassen eines Masseverlustes der eingewogenen Partikelfraktion während einer Pyrolyse der Partikelfraktion.The method according to at least one of the preceding claims, further comprising: - Detecting a loss of mass of the weighed in particle fraction during a pyrolysis of the particle fraction. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei die definierte Heizrate zwischen 1 und 100 K/min beträgt.Method according to at least one of the Claims 1 to 11 , whereby the defined heating rate is between 1 and 100 K / min. Verwendung eines Verfahrens gemäß zumindest einem der Ansprüche 1 bis 12 zur Bestimmung eines Mikroplastikgehaltes in einem Filtrat einer Wasser- oder Luftprobe, oder in einer Feststoffprobe, ausgewählt unter: Boden, Kompost, Klärschlamm, Sediment, Biota, menschlichen Ausscheidungen und/oder tierischen Ausscheidungen.Use of a method according to at least one of Claims 1 to 12th for the determination of a microplastic content in a filtrate of a water or air sample, or in a solid sample, selected from: soil, compost, sewage sludge, sediment, biota, human and / or animal excretions. Verwendung eines Pyrolysis Combustion Flow Calorimeters (PCFC) zur Bestimmung eines Mikroplastikgehaltes einer Umweltprobe, insbesondere in einem Filtrat einer Wasser- oder Luftprobe, oder an einer Feststoffprobe ausgewählt unter: einer Boden-, Kompost-, Klärschlamm-, oder Sediment-Probe, in Biota, in menschlichen und/oder in tierischen Ausscheidungen.Use of a Pyrolysis Combustion Flow Calorimeter (PCFC) to determine the microplastic content of an environmental sample, in particular in a filtrate of a water or air sample, or on a Solid sample selected from: a soil, compost, sewage sludge or sediment sample, in biota, in human and / or in animal excrement. Bestimmung eines Mikroplastikgehaltes einer Umweltprobe durch Ermitteln einer Verbrennungswärme eines bei Erhitzen der Umweltprobe innerhalb eines Temperaturintervalls erfassten Pyrolysegases.Determination of the microplastic content of an environmental sample by determining the heat of combustion of a pyrolysis gas detected when the environmental sample is heated within a temperature interval Bestimmung nach Anspruch 15, wobei das Temperaturintervall eine Temperaturspanne von 100 bis 200 K umfasst oder Temperaturen von: 300 bis 600 °C, 350 bis 550 °C, oder 350 bis 500 °C umfasst.Determination after Claim 15 , wherein the temperature interval comprises a temperature range from 100 to 200 K or temperatures from: 300 to 600 ° C, 350 to 550 ° C, or 350 to 500 ° C.
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