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Manuskript
UNT. 216 LU aus Umwelttechnik
Nachhaltigkeitsaspekte neuer Technologien
Autor:
Sülwer-Patrick Jason
Betreuung:
Ao.Univ.-Prof. Dr.phil. Anton Huber
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Abstract
Im Rahmen der Laborübung aus Umwelttechnik wurden einerseits Methoden zur Herstellung
alternativer Technologien, Rohstoffen und Energiequellen untersucht, sowie andererseits die
Auswirkungen und das Potential von verschiedenen Emissionen wie Schall, Licht,
Elektromagnetischer Strahlung und Nebenprodukten in der Zellstoffindustrie. Darüber hinaus
wurden Charakterisierungen von Carbon Nano Walls, einer Molmassenverteilung von Xanthan,
sowie der Oberfläche eines Katalysators vorgenommen.
Problemstellung
Der Umweltbezug hinsichtlich der Nachhaltigkeit fußt in einem 3-Säulen Modell, auf welchem
der Begriff näher beschrieben wird. Der Umweltaspekt ist in diesem Modell durch die
ökologische Nachhaltigkeit gegeben und hat im Hinblick auf zukünftige Generationen auch eine
ethische Dimension. Im Idealfall bringt eine technische Lösung auf auf allen 3
Handlungsebenen des Nachhaltigkeit eine Verbesserung: ökonomisch, ökologisch und sozial.
Meistens sind aber schon 2 dieser Aspekte ausreichend, um den Ansatz weiter zu verfolgen.
„Im allgemeinen Verständnis setzt sich der Begriff der Nachhaltigkeit aus drei Komponenten
zusammen, die auch als das "Drei-Säulen-Modell der Nachhaltigkeit1" bezeichnet werden.
• Die ökologische Nachhaltigkeit umschreibt die Zieldimension, Natur und Umwelt für
die nachfolgenden Generationen zu erhalten. Dies umfasst den Erhalt der Artenvielfalt,
den Klimaschutz, die Pflege von Kultur- und Landschaftsräumen in ihrer ursprünglichen
Gestalt sowie generell einen schonenden Umgang mit der natürlichen Umgebung.
• Die ökonomische Nachhaltigkeit stellt das Postulat auf, dass die Wirtschaftsweise so
angelegt ist, dass sie dauerhaft eine tragfähige Grundlage für Erwerb und Wohlstand
bietet. Von besonderer Bedeutung ist hier der Schutz wirtschaftlicher Ressourcen vor
Ausbeutung.
• Die soziale Nachhaltigkeit versteht die Entwicklung der Gesellschaft als einen Weg,
der Partizipation für alle Mitglieder einer Gemeinschaft ermöglicht. Dies umfasst einen
Ausgleich sozialer Kräfte mit dem Ziel, eine auf Dauer zukunftsfähige, lebenswerte
Gesellschaft zu erreichen.“
Schwerpunkt auf das 3-Säulenmdell bezogen ist die ökologische Nachhaltigkeit und damit die
Vereinbarkeit von Technologie (Ressourcenverbrauch, Schadstoffemissionen) und Umwelt.
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Schadstoffeinträge durch verschiedenste Emission, welche durch den industriellen Fortschritt
und den wachsenden Konsum unvermeidlich sind, können unsere Umgebung erheblich
schädigen. Die Umwelttechnik fungiert als Schnittstelle zwischen Technik und Umwelt. Dabei
werden Einflüsse durch die Verwendung von Technologie näher untersucht und Risiken
bewertet. Im Zuge der Laborübung wurden dahingehend verschiedene Bereiche der Technik,
mit dem Ziel der Quantifizierung von Einflüssen unter Einsatz von Laboruntersuchungen und
Berechnungsmethoden, analysiert.
Risiken für die Umwelt bedeuten auf Umwegen, bzw. über Rückkoppelungseffekte auch ein
gewisses Gefährdungspotential für den Menschen. Um das Gefährdungspotential zu
quantifizieren kommen je nach Bereich und Anwendung verschiedenste physikalische,
chemische und verfahrenstechnische Methoden zum Einsatz.
State of the Art
Für die Bearbeitung der Fragestellungen wurden durchwegs zeitgemäße Methoden angewandt:
• Oberfläche Katalysator: XPS
• Massenbestimmung Xanthan: Size Exclusion Chromatography
• Membranprozesstechnologie: Filtrationsanlage, Viscometer, Photometer
• EM-Strahlung: Spectrum Analyzer
• Carbon Nano Walls: Ramanspektroskopie
• Schall und Licht: Sonometer, Luxmeter
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Oberflächenanalyse eines Katalysators
In der Automobilindustrie werden Katalysatoren verbaut um schädliche Verbindungen wie CO
und Stickoxide (NOx) zu harmloseren umzuwandeln. So wird mit Hilfe eines Pd-Katalysators
aus Kohlenmonixid dass weniger schädliche CO2, bzw. aus Stickoxiden elementarer Stickstoff.
Im Rahmen der Laborübung wurde mittels einer XPS (Röntgen Photoelektronen Spektroskopie)
die Oberfläche eines Katalysators auf ihre atomare Beschaffenheit überprüft. Es wurden
mehrere Schichten durch die Bestrahlung abgetragen und jeweils ein Spektrum der
Oberflächenatome aufgenommen. Die signale wurden dann mit Referenzen in der Literatur
verglichen und entsprechend zugeordnet. Dabei wurden Barium, Kohlenstoff und Sauerstoff
eindeutig zugeordnet. Die Metalle aus denen der Katalysator bestand konnten nicht
nachgewiesen werden. Möglicherweise war er schon verbraucht oder es wurden zu wenige
Schichten abgetragen um Atome die Rückschlüsse auf das Material zulassen zu
charakterisieren.
Abbildung 1: XPS Katalysator
Im Kontext der Nachhaltigkeit muss auch der Katalysator kritisch hinterfragt werden – es ist
unbestritten, dass er zu einer besseren Luftqualität beiträgt. Jede technische Lösung braucht
am Ende Ressourcen. Katalysatoren verschleißen in der Regel nur sehr langsam und eine
lange Nutzungsdauer wirkt sich wiederum positiv auf die Nachhaltigkeit aus. Der ganzen
Automobilbranche dürfte ein Wandel bevorstehen – erst kürzlich hat Großbritannien das Ende
des Verbrennungsmotors mit 2040 gesetzlich verankert. Die Alternative sind zur Zeit
Elektroautos, die dann auch keine Katalysatoren für die Emissionen der Verbrennung
benötigen.
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Polysaccharide – Xanthan E 415
Xanthan ist ein Polysaccharid, welches in der Natur von Bakterien der Gattung Xanthomonas
Campestris als Stoffwechselprodukt gebildet wird. Es ist ein vielseitig einsetzbarer
Ausgangstoff, der in geringen Mengen von 0,01 – 1% nicht nur in der Lebensmittelbranche,
sondern quasi allen Bereichen der Industrie zu finden ist:
Tabelle 1: Anwendungen von Xanthan2
Im alltäglichen Leben stolpert man vor allem in Lebensmitteln über Xanthan. Nachdem es
ähnliche Eigenschaften wie Gluten oder Johannisbrotkernmehl als Bindemittel hat, ist es in
6
Bezug auf das Bindevermögen und die Gewährleistung der gewünschten Viskosität von
Produkten ein sehr effizienter Zusatz, da E 415 schon in kleinen Mengen ausreicht, um die
Eigenschaften von Produkten entsprechend zu modifizieren.
Zöliakie ist eine genetisch bedingte Glutenunverträglichkeit. Für Konsumenten bedeutet dies
den zwangsläufigen Verzicht auf alle Lebensmittel die Proteine aus Gluten für die Stabilisierung
enthalten, da sie Darmprobleme verursachen können. Darunter fallen jegliche Arten von
Teigwaren (Brot, Kuchen, Nudeln etc.). Mit Hilfe von Xanthan kann Gluten quasi substituiert
werden.
Die Risiken durch den industriellen Einsatz von Xanthan sind nach momentanem Wissensstand
gering zu bewerten. Der Zusatzstoff wird mittels Bioreaktoren für die verarbeitende Industrie
hergestellt. In der Natur verursachen Xanthomonas campestris die Verfärbung von Blättern. Für
den Menschen ist E 415 als unbedenklich eingestuft und wird vom Körper als wasserlöslicher
Ballaststoff nicht verwertet.
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Membranprozesstechnologie
Diese Anwendung eignet sich optimal um mit wenig zusätzlicher Energie zB Abwasser mit
Nebenprodukten aus der Zellstoffindustrie aufzubereiten. Dabei werden quasi Mikrofilter
eingesetzt um die Bestandteile welche benötigt werden vom Rest zu trennen. Je nach Größe
der Moleküle kommen dabei unterschiedliche Membranen zum Einsatz:
Abbildung 2: Übersicht Membranen
Eine der Hauptanwendung ist die Entsalzung von Meerwasser. Um die Trennung zu erreichen,
wird unter Druck ein Strom (Feed) zur Membran geleitet. Dort teilt sich der Feed in Permeat und
Retentat. Treibende Kräfte sind hierbei der hydrostatische Druck, das elektrische Potential,
Druck und Konzentrationsunterschiede (Osmose). Es wird im Vergleich zu einer Destillation
oder anderen Trennmethoden keine zusätzliche thermische Energie benötigt.3
Im Rahmen der Laborübung wurde eine Probe von Lignosulfonaten (Nebenprodukt bei der
Papierherstellung) mit Hilfe der Filtration durch eine Membran umgesetzt. Lignosulfonate
können durch die Aufkonzentrierung als Ausgangsstoffe für Anwendungen in der Bauindustrie
(Bindemittel) aber auch für Aromen (Vanilin) eingesetzt werden.4
Die Membranprozesstechnologie ist ein gutes Beispiel für die nachhaltige Anwendung von
Technologie – dabei wird eine Methode eingesetzt die mit wenig Energie den Lebenszyklus von
Abfallprodukten zu wertvollen Rohstoffen sehr positiv und letztlich auch unter ökonomischen
Gesichtspunkten gewinnbringend transformiert.
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Elektromagnetische Strahlung
Das Spektrum der elektromagnetischen Strahlung umfasst den Frequenzbereich von einigen
Hertz bis hin zu 1021 Hertz. Die Frequenzen für die meisten alltägliche technischen
Anwendungen liegen zwischen 102 und 109 Hertz. Das schließt Radiowellen, Fernsehen,
Mobilfunk und W-LAN mit ein.
Abbildung 3: Elektromagnetische Strahlung5
Ohne die Erkenntnisse über das Lichtspektrum wären die technischen Errungenschaften der
letzten 100 Jahre kaum möglich gewesen – egal ob Röntgenstrahlung für etwa eine XPS-
Analyse oder das Radio. Eine der neueren Nutzungen von Frequenzen des Spektrums der
elektromagnetischen Strahlung ist die Anwendung von W-Lan. Insofern ist der
Nachhaltigkeitsbezug hier vor allem indirekt durch die vielfältigen Möglichkeiten gegeben.
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Abbildung 4: Spectrum EM-Strahlung (9KHz-3GHz)
Mit einem Spectrum Analyzer wurden die Frequenzen aufgenommen.
9 KHz - 3 GHz Waagerecht polarisiert
Signalstärke [dBm]
-75
-70
-65
-60
-55
-50
-45
-40
-35
Frequenz [MHz]0 500 1.000 1.500 2.000 2.500 3.000
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Carbon Nano Walls
Graphen und Graphit sind beispielsweise schon lange bekannte Modifikationen des
Kohlenstoffs. Ein neueres Forschungsfeld sind die sog. Carbon Nano Walls. Sie geben einen
tieferen Einblick in die Funktionsweise und Eigenschaften der Materie. Die neuen Erkenntnisse
über die Struktur der Carbon Nano Walls lassen sich auch für entsprechende technologische
Anwendungen einsetzen. Mit Hilfe der Ramanspektroskopie ist es gelungen diese Modifikation
zu klassifizieren.
Abbildung 5: Kohlenstoffmodifikationen6
Im Rahmen der Laborübung wurden zwei Proben (fokussiert und nicht fokussiert) miteinander
verglichen. Daraus lässt sich zuerst kein Nachhaltigkeitsbezug ableiten. Im Allgemeinen hat
diese Modifikation wie andere des Kohlenstoffs auch, halbleitende Eigenschaften, woraus sich
dann die technischen Anwendungen ergeben. 7
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Schall und Licht
In dieser Laborübung wurden Emissionen von Schall und Licht gemessen. Im Gegensatz zu
physischen Schadstoffeinträgen wie etwa Abwässer oder Feinstaub haben diese Einflüsse
ebenfalls messbare Auswirkungen auf die Umwelt. Es wurden unter anderem die Lautstärke an
öffentliche Orten gemessen und die Beleuchtungsstärke in einem Seminarraum überprüft.
Abbildung 6: Überprüfung der Beleuchtungsstärke
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Innerhalb eines Raumes schwankte die Beleutungsstärke zwischen 295 und 921 Lux. Es lag
jedoch alles im Rahmen der Vorgaben. Von der Effizienz her sind durch die LEDs und eine
Verspiegelung schon viele Maßnahmen bezüglich der Nachhaltig auf die Nutzung von Energie
umgesetzt.
Lärm ist mittlerweile ein ständiger Begleiter in unserer Umgebung. Immer mehr Menschen
ziehen in Ballungsräume, wo es dann ein dementsprechendes Verkehrsaufkommen mit den
damit verbundenen Lärmemissionen gibt. Mit Hilfe eines Sonometers wurde an verschiedenen
Plätzen in der Stadt der Schalldruckpegel bestimmt.
Lokalität Sonometer[db] Noris[db]
Petersgasse 78 80
Felix Dahn Park 68 67
Glacis_Oper 86 85
Glacis_Oper_Ruhe 72 71
Grammophon 72 71
Grammo_Bahn 85 85
Parkhaus 64 65
Bus 1m entf. 91 91
Wasserplätschern 76 75
Jakominiplatz 80 80
Keller Uni 51 51
Seminarraum 50 50
Die Spitzenwerte lieferte der Verkehr: es wurden Werte von über 90 dB gemessen.
Je nach Medium hat Schall sowohl im Wasser als auch in der Luft negative Auswirkungen auf
Tiere und Menschen. Im schlimmsten Fall führen Lärmbelästigungen zu übermäßigem Stress
mit entsprechenden Folgen – Schlaflosigkeit und generell einer kürzeren Lebensdauer.
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Ausblick
Durch die Laborübung aus Umwelttechnik konnten neue Perspektiven auf die technische
Herangehensweise in Bezug auf Problemstellungen gewonnen werden. Auswirkungen können
sehr unterschiedlich erfolgen.
Durch etwa elektromagnetische Strahlung können die Sensoren von Lebewesen gestört
werden, da etwa Vögel und Meeresbewohner diese Frequenzen nutzen um sich zu orientieren
und miteinander zu kommunizieren. Immer wieder hört man von gestrandeten Meeressäugern.
Hier dürfte auch di Lärmbelästigung durch den Schiffsverkehr eine große Rolle spielen.
Generell lässt sich Technologie durchaus mit dem Nachhaltigkeitsgedanken in Verbindung
bringen. Bei Membranprozessen und biotechnologischen Anwendungen zeigte sich, dass mit
wenig Energieeinsatz, Wasser gereinigt werden kann, aber auch wertvolle Rohstoffe für
vielfältige industrielle Anwendungen gewonnen werden können.
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Referenzen
1 https://www.bmlfuw.gv.at/umwelt/nachhaltigkeit/nachhaltigkeit.html (Stand:07/2017)
2 http://www.colltec.de/Xanthan_Gum/xanthan_gum.html (Stand: 07/2017)
3 Kienberger, M. Script „Membrane Unit Operations 2017“, Department of Chem. Engineering and Env. Technology.
4 Heinrich Strathmann, Ullmann’s enzyclopedia of industrial chemistry; Membranes and Membrane Separation Processes, 1. Principles, Wiley-VCH Verlag, 2012.
5 https://www.defendershield.com/safe-levels-electromagnetic-radiation/ Stand: 07/2017
6 Kohlestoffmodifikationen: Universität Erlangen http://androidmag.de/report/graphen-5-dinge-die-du-zum-
stoff-der-die-welt-verandern-wird-wissen-musst/)
7 Rottmair, C.: Einfluss der thermischen Prozessführung auf die Eigenschaften von Graphitformteilen,
hergestellt durch Pulverspritzguss von Mesophasen-Kohlenstoff. 2007, S.10–11