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Aachen Institute for Nuclear Training GmbH
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FORSCHUNGSPROJEKT ZEBRA

Zerstörungsfreie Elementanalyse zur Bestimmung von Rohstoffen und Altlasten

SCHWERMETALLE IM BODEN, WASSER UND DER NAHRUNG

Das Bundesland Nordrhein-Westfalen ist wie kaum ein anderes Bundesland durch die Montan- und Chemieindustrie geprägt worden. Bis in die 1970er Jahre hinein waren Ablagerungen und die Verkippung von Abfällen ohne Berücksichtigung der Auswirkungen auf Böden und Gewässer üblich. Ablagerungen können zu einer Anreicherung von Schadstoffen in Böden, Gewässern oder der Luft führen sowie für Mensch und Umwelt gefährlich sein. Durch eine Akkumulation in Pflanzen und Tieren reichern sich diese Schadstoffe zum Ende der Nahrungskette hin an und gelangen so zum Menschen.

Das Aufspüren und der Nachweis solcher Verunreinigungen und Kontaminationen ist alles andere als einfach. Die Untersuchung der Zusammensetzung von Bodenproben, Wasser oder Nahrungs- und Futtermitteln bezeichnet man als Umweltanalytik. Bestehende Technologien, die in der Umweltanalytik angewendet werden, sind bislang nur dazu geeignet sehr kleine Probemengen zu analysieren, oder liefern nur Ergebnisse über die Zusammensetzung an der Oberfläche der Proben. Daher entwickelt AiNT eine Messanlage, die in der Lage ist Schwermetallgehalte auch in großen Proben zuverlässig und genau zu analysieren.

INNOVATIVE TECHNOLOGIE FÜR DIE UMWELTANALYTIK

Im Rahmen des Leitmarktwettbewerbes EnergieUmweltwirtschaft.NRW fördert das Land NRW mit Mitteln der Europäischen Union innovative Entwicklungen im Bereich der Umwelttechnologien. Gemeinsam mit dem Lehrstuhl für Mathematik am Center for Computational Engineering Science (MathCCES) der RWTH Aachen führt AiNT in diesem Rahmen das Projekt ZEBRA (Zerstörungsfreie Elementanalyse zur Bestimmung von Rohstoffen und Altlasten) durch.

Innerhalb des Forschungsprojektes ZEBRA wird für die Umwelt- und Gefahrstoffanalytik eine innovative Messanlage entwickkelt. Diese Messanlage basiert auf der prompten und verzögerten Gamma-Neutronen-Aktivierungs-Analyse (P&DGNAA). Das Projekt umfasst die Errichtung und den Testbetrieb der Messanlage und die Entwicklung neuer analytischer Methoden für die Bestimmung der Massenanteile sämtlicher Elemente des Periodensystems. 

Das Forschungsprojekt hat eine Laufzeit von drei Jahren und begann im November 2016.

 

GEGENSTAND DES F&E-VORHABENS

Ziel des Entwicklungsvorhabens ist es, eine kompakte innovative Messeinrichtung zu entwickeln, aufzubauen und experimentell zu erproben. Mit dem Forschungs- und Entwicklungsprojekt wird die Eignung und Wirtschaftlichkeit dieser Analysemethode für die Umweltanalytik nachgewiesen. 

In einem ersten Schritt werden dazu Anwendungsgebiete aus dem Bereich der Umweltanalytik (Bodenproben, Futtermittel- und Saatproben, Wasserproben) erschlossen und die Gleichwertigkeit mit bestehenden Analyseverfahren untersucht.

TECHNOLOGIE

Zerstörungsfreie Elementanalyse für die Umwelt- und Gefahrstoffanalytik auf Basis der P&DGNAA

PHASE 1

Die Messanlage wird kompakt konstruiert, so dass sie in einem Labor betrieben werden kann. Über eine Schublade wird das zu analysierende Material ohne aufwendige Probenvorbereitung eingeführt.

PHASE 2

Die Messung wird gestartet. Neutronen werden aus dem Neutronengenerator emittiert und durchdringen das zu untersuchende Material. Die Atomkerne, aus denen die Probe besteht, werden angeregt und emittieren als Folge ihrer energetischen Abregung charakteristische Gamma-Strahlung. Diese Gamma-Strahlung wird in einem Detektor gemessen.

PHASE 3

Mit fortschreitender Messzeit wird zunehmend mehr Gamma-Strahlung detektiert. Der Detektor registriert die Energien der Gamma-Strahlung und übersetzt dies in ein Spektrum. Anhand der Auswertung der Peaks innerhalb des Spektrums erfolgt eine qualitative und quantitative Elementanalyse. Die Positionen der Peaks geben Auskunft darüber, welche Elemente in der Probe vorhanden sind. Die Flächen unter den Peaks erlauben es den Massenanteil eines jeweiligen Elements zu bestimmen.


ANWENDUNGSGEBIETE

Die verwendete Technologie kann prinzipiell auch für weitere Analyseaufgaben genutzt werden. In der Messanlage können Proben zerstörungsfrei und ohne aufwendige Probenaufbereitung schnell bzgl. der Elementzusammensetzung analysiert werden. Die folgende Liste gibt einen Überblick über das breite Anwendungsspektrum der Messanlage.

 

BODENANALYSE

FUTTERMITTELANALYSE & AGRARANALYTIK

WASSERANALYSE

GEFAHRSTOFFANALYSE
VON KINDERSPIELZEUG

METALL- UND
LEGIERUNGSANALYSE

GEFAHRSTOFFANALYSE 
VON ELEKTROSCHROTT

RoHS-KONFORMITÄTSERKLÄRUNG
FÜR DIE HERSTELLUNG VON
ELEKTRONIKKOMPONENTEN

ANALYSE VON BETONPROBEN UND BESTIMMUNG VON WASSERZEMENTWERTEN

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