Plastik in der Umwelt

Im Rahmen dieses Projekts wurde ein Verfahren zur Herstellung von Standards und Referenzmaterialien für die Mikroplastikanalytik im industriellen Maßstab validiert. Das Prinzip des Verfahrens ist es, Mikroplastikpartikel (d<1000 μm) durch additive Fertigung herzustellen. In den Laboren der HTWD wurden bereits erfolgreich mehrere Tausend Mikroplastikpartikel aus den Kunststoffen Polymilchsäure (PLA), Polycaprolacton (PCL), Polyethylen (LDPE) und Polyamid (PA6) hergestellt. Es konnten gleichmäßig große (monodisperse) Partikel anzahlgenau hergestellt werden. Das beschriebene Verfahren weist ein hohes Innovationspotential auf, da die Herstellung von Mikroplastikreferenzmaterialien derzeit ein aufwändiger und kostenintensiver Prozess ist, der schwer automatisierbar ist. Mit unserer Methode wurde eine Automatisierung und eine Herstellung von Standard- und Referenzpartikeln im industriellen Maßstab möglich. In Zusammenarbeit mit dem Verbundlabor und der Gründungsschmiede der HTWD formierte sich ein Gründungsteam, welches auf Grundlage eines HTWD-eigenen Patentes die Ausgründung des zu validierenden Verfahrens plant.

In der Nachwuchsforschergruppe SEMUWA - Sichere Entfernung von Mikroplastik bei der Uferfiltration und Trinkwasseraufbereitung in Sachsen - erwarben junge Absolventen der HTW Dresden und der TU Dresden Qualifikationen in verschiedenen Fachbereichen der Mikroplastikforschung. Ziel des SEMUWA-Vorhabens ist die Untersuchung des Verhaltens von Mikroplastik bei der Wassergewinnung durch Uferfiltration an Flüssen in Sachsen und bei der weitergehenden Wasseraufbereitung in den Wasserwerken. Für die Ermittlung des Rückhalts von Mikroplastik in der Flusssohle, im Grundwasserleiter und in Filtermaterialien und Filterrückspülschlämmen werden Methoden der elektrostatischen und Dichte-Separation für feinkörnige, organikreiche Feststoffe kombiniert und optimiert. Für die an der HTWD entwickelte Analysenmethode mittels Dynamischer Differenzkalorimetrie soll eine deutlich niedrigere Bestimmungsgrenze erreicht werden. Zur Quantifizierung der Entfernungsleistung bei der Trinkwasseraufbereitung werden Laborversuche und Anlagentests in Wasserwerken mit neuartigen, fluoreszierenden und abbaubaren Mikroplastikstandards durchgeführt, die mittels 3D-Druck hergestellt werden. Für die Wasserversorger wird eine wissenschaftlich fundierte Bewertung potentieller Risiken erstellt. Vier Nachwuchsforscherinnen und zwei Nachwuchsforscher werden zur Promotion geführt. Durch Öffentlichkeitsarbeit, Schülerprojekte und Beiträge zur Langen Nacht der Wissenschaften soll das Interesse an naturwissenschaftlichen und ingenieurtechnischen Studiengängen und Projekten erhöht werden.

Im Rahmen des Validierungsprojekts wird die Methode zur Identifikation und Quantifizierung von Mikroplastik in Sedimentproben weiterentwickelt. Die Grundlage bildet dabei das Patent DE 10 2020 115 971, welche das an der HTW entwickelte Verfahren zur Quantifizierung von Polymerspezies in einer Polymerpartikel enthaltenden Probe beschreibt. Die Bestimmung von Mikroplastikpartikeln aus Polymeren mit Überlagerung von thermischen Signalen soll dabei ermöglicht werden. Dazu werden verschiedene Trennverfahren und mathematische Methoden zur Auftrennung der überlagernden Signale untersucht. Besonders relevant sind dabei die Gemische PE-PP und PET-PA6. Ziel der geplanten Aktivitäten ist es, die bisherigen Anreicherungsverfahren so weiterzuentwickeln, dass das Potential der Methode für die relevanten Gemische beschrieben werden kann.

In der Nachwuchsforschergruppe VEMIWA - Vorkommen und Verhalten von Mikroplastik in sächsischen Gewässern - qualifizierten sich Absolventen aus verschiedenen Fachbereichen zur Entwicklung einer neuartigen Methode zur Identifikation und Quantifizierung von Mikroplastik in Sedimentproben. Es wurden etablierte Methoden aus den Bereichen Probenahme, Elektrosortierung und Polymeranalytik zu einem neuartigen Prozess zusammengeführt, der ein zeit- und kosteneffizientes Monitoring von Mikroplastik in Flusssedimenten ermöglicht. Ein Schlüsselelement stellt der thermodynamische Fingerabdruck dar. Der thermodynamische Fingerabdruck vereint alle thermodynamischen Informationen eines Polymers, wie Schmelz- und Kristallisationstemperaturen und -enthalpien. Somit können verschiedene Polymere in Sedimentproben identifiziert werden. Zur Quantifizierung des Mikroplastikgehalts einer Probe wird eine einfach zu bestimmende thermodynamische Zustandsgröße (Enthalpie) genutzt. Eine Weiterentwicklung der Nachweismethode gelang durch die multivariate Auswertung des thermodynamischen Fingerprints, wodurch die Einflüsse von Fehlerquellen auf das Analyseergebnis zurückgedrängt und die Robustheit der Methode gesteigert werden konnten. Parallel zur fachlichen Qualifikation bildeten sich die Nachwuchsforschenden in den Bereichen Projektmanagement und Social Skills weiter und sammelten Erfahrungen mit eigenen Lehrtätigkeiten. Es wurden Kampagnen zur Öffentlichkeitsarbeit und Wissenschaftskommunikation durchgeführt, darunter Vorträge an Grundschulen, Gymnasien, Hochschulen und der Dresdner Seniorenakademie sowie eine Wanderausstellung vorbereitet. 

In diesem Projekt wurde gemeinsam mit dem Sächsischen Landesamt für Umwelt, Landwirtschaft und Geologie eine erste Überprüfung der Mikroplastikbelastung an Monitoringstellen des sächsischen Gewässermessnetzes durchgeführt. Dafür wurde die im VEMIWA-Projekt entwickelte Methode zum Monitoring von Mikroplastik in Sedimenten weiterentwickelt und an die Spezifik dieser Probenahmestellen angepasst. Die Kombination der elektrostatischen Separation zur Anreicherung von Mikroplastik aus Sedimentproben und der dynamischen Differenzkalorimetrie zur Bestimmung des Mikroplastikgehalts stand dabei im Vordergrund. Es wurden 30 Proben an ausgewählten Stellen des sächsischen Gewässergütemessnetzes entnommen und auf ihren Mikroplastikgehalt untersucht. Für viele kleinere sächsische Gewässer wurde eine sehr geringe Belastung mit Mikroplastik festgestellt, die in vielen Fällen unterhalb der Nachweisgrenze lag.