Projekt 08106/01

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

Projektdurchführung

Friedrich-Schiller-Universität JenaInstitut für Optik und Quantenelektronik
Max-Wien-Platz 1
07743 Jena

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Ziel des Projektes ist die Entwicklung eines schnellen Analyseverfahrens zur quantitativen Bestimmung des Belastungspotentials von Altholz. Bei den als umweltgefährdend einzustufenden Holzschutz- und Imprägniermitteln handelt es sich im wesentlichen um Verbindungen, die Chrom, Kupfer, Bor und/oder chlorierte Kohlenwasserstoffe enthalten.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenFür den Nachweis der in den Verbindungen enthaltenen Metallatome soll anstelle des bisher üblichen DIN-Verfahrens der Atom-Absorptionsspektrometrie, welches sehr genau aber dafür aufwendig und langwierig ist, die laserinduzierte Atom-Emissionsspektrometrie eingesetzt werden.
Ein auf die Holzoberfläche fokussierter gepulster Laserstrahl erzeugt ein Plasma, dessen elementespezifisches Strahlungsspektrum zur Identifizierung der verschiedenen Spezies spektral und zeitlich analysiert wird. Erste Voruntersuchungen an unbehandeltem und lackiertem Holz haben gezeigt, daß die laserinduzierte Emissionsspektrometrie als eine genaue, automatisierbare und routinemäßige Methode zur Analyse von Holz geeignet erscheint. Bis zur Realisierung eines einfach zu handhabenden computergesteuerten Analysegerätes sind jedoch noch umfangreiche Vorarbeiten zu leisten. Insbesondere ist außer der Kalibrierung des Spektrometers bzgl. Wellenlänge und Intensität der Spektrallinien anhand von Standards der Einfluß der verschiedenen Holzmatrizen auf die Identifizierbarkeit und Trennbarkeit der Emissionslinien zu untersuchen sowie die Nachweisgrenzen zu bestimmen. Weiterhin soll geprüft werden, inwieweit diese Methode auch zum Nachweis der organischen Holzschutzmittel geeignet ist.


Ergebnisse und Diskussion

Nach dem Aufbau des Spektrometers und dessen Kalibrierung bzgl. der Wellenlängen wurde zunächst die Matrix Holz eingehend untersucht. Unbehandeltes Holz verschiedenen Alters, unterschiedlicher Oberflächenbeschaffenheit und von unterschiedlichen Baumarten, wurde unter ansonsten gleichen Bedingungen an verschiedenen Stellen der Maserung analysiert.
Die auftretenden Emissionslinien liegen bei allen Spektren bei denselben Wellenlängen, jedoch kann aufgrund der unterschiedlichen Höhe des spektralen Untergrundes keine Aussage über die Intensität und damit die enthaltene Menge des Elementes gemacht werden.
Die Problematik der Eliminierung des Untergrundes wurde vom Industriepartner NIS Ingenieur GmbH Hanau umfassend gelöst und wird uns für weitere Arbeiten zur Verfügung gestellt werden, so daß weite-re Anstrengungen unsererseits nicht nötig sind.
Eine zusätzliche Variante zur Eliminierung des Untergrundes ist die Gatung der CCD-Zeile. Indem das Spektrum nur in einem schmalen zeitlichen Fenster von einigen 100 ns aufgenommen wird, kann durch günstige Lage dieses Zeitfensters (optimiert auf die nachzuweisenden im Schadstoff enthaltenen Ele-mente) der von der Holzmatrix und der umgebenden Luft her rührende Untergrund drastisch reduziert werden. Diese Variante der zeitlichen Gatung erscheint uns auch im Hinblick auf die sinnvolle Fortführung des Projektes als unbedingt notwendig.
Derzeitig ist es mit unserer einfachen, nicht automatisierbaren Apparatur möglich, folgende Elemente im Holz mit Sicherheit nachzuweisen: Cu, Cr, Zn, K, Na, Ca, Mg, Al, Fe.
Weitere Elemente wie Co, Ba, Ni sind momentan nur mit einigen Unsicherheiten nachweisbar.
Die Elemente B und As sind mit der an der FSU aufgebauten Apparatur nicht nachweisbar. Das liegt möglicherweise an der zu geringen spektralen Empfindlicheit der CCD-Zeile im für die Messungen günstigsten Spektralbereich 200 - 400 nm.
Da der Nachweis o. g. Elemente sowohl mit der im Laser-Laboratorium Adlershof existierenden industriemäßigen Anlage als auch mit dem Gerät von NIS völlig unproblematisch ist, wurden die Untersuchungen unsererseits zwecks Vermeidung der Verschwendung von Forschungskapazitäten in eine andere Richtung gelenkt.
Neue Schwerpunkt der Forschung sind:
- Untersuchungen zu den schwieriger nachzuweisenden Halogenen CI und F,
- quantitative Schadstoffanalyse.
Die Halogene sind, wie die eigenen Untersuchungen ebenfalls zeigen, nur über zeitaufgelöste Messungen zu detektieren. Über die zeitaufgelösten Messungen besteht möglicherweise auch eine Chance zwischen anorganischen z. B. vom Kochsalz her rührenden Chlor und organischem Chlor aus den Holzschutzmitteln zu unterscheiden.
Es wurde deshalb abweichend vom ursprünglichen Arbeits- und Kostenplan mit dem Umbau des Spektrometers hinsichtlich zeitaufgelöster Messungen begonnen. Der Umbau wird voraussichtlich Mitte März beendet sein, so daß diese Untersuchungen Schwerpunkt der zweiten Projekthälfte bzw. des Folgeprojektes sein werden.
Die Untersuchungen an fluorhaltigen Holzproben haben gezeigt, daß es eventuell erforderlich ist, nicht nur die Atomspektren, sondern auch Molekülspektren in die Auswertung mit einzubeziehen.
Die quantitative Schadstoffanalyse erfordert die Einbeziehung der Eichsubstanzen der einzelnen Schadstoffe. Da die Plasmaerzeugung in den Flüssikeiten wegen der erforderlich hohen Laserenergiedichten sehr schwierig ist, werden derzeit andere Methoden zur Ermittlung der Spektren der Eichsubstanzen wie Gefriertrocknung getestet.


Fazit

Ausgehend von dem bisherigen Ergebnisstand und der begonnenen Umorientierung sehen wir für die weiteren Arbeiten folgende Schwerpunkte:
- Weiterentwicklung des Verfahrens hinsichtlich des Halogennachweises unter Einbeziehung zeitaufgelöster Messungen und der Molekülspektroskopie.
- Weiterentwicklung und Kostenoptimierung der beim Industriepartner NIS Ingenieurgesellschaft mbH, Hanau, vorhandenen, bisher zur Analytik in der Metallurgie verwendeten, Apparatur hinsichtlich der Applikation zur Detektion von Holzschutzmitteln bei gleichzeitiger Praxiserprobung durch die CUP Recycling GmbH, Alzenau.
Quantitative Schadstoffanalyse und Bestimmung der Nachweisgrenzen.