Detailansicht
Vulnerability of water works towards engineered nanoparticles
assessing the combination of Laser-Induced Breakdown-Detection and ultrafiltration to enhance drinking water safety
Martin Tröster
Art der Arbeit
Dissertation
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Geowissenschaften, Geographie und Astronomie
Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)
Doktoratsstudium NAWI aus dem Bereich Naturwissenschaften (Dissertationsgebiet: Environmental Sciences)
Betreuer*in
Thilo Hofmann
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-24234.61778.627460-0
Link zu u:search
(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Synthetisch hergestellte Nanopartikel (SNP) finden zunehmend Anwendung in einer Vielzahl von Produkten und industriellen Prozessen. Sie sind daher möglicherweise auch relevante Schadstoffe für die aquatische Umwelt und für die Trinkwasserversorgung. Ein Ziel der vorliegenden Dissertation war die Abschätzung des Risikos, welches SNP für die Trinkwasserversorgung darstellt. Hierzu wurde eine ausführliche Literaturstudie durchgeführt, welche Laborstudien und Modellierungsstudien zum Verhalten von SNP zusammenfasste, und daraus deren mögliche Bedeutung für die Trinkwasserversorgung abgeleitet. Eine mögliche Belastung des Trinkwassers mit TiO2-Nanopartikeln wurde anhand von Modell-Szenarien quantitativ abgeschätzt. Membranfiltration ist ein Prozess, der Partikel in der Trinkwasseraufbereitung aus der Wassermatrix entfernt. Daher wurde im Rahmen der vorliegenden Arbeit der Rückhalt von TiO2-Nanopartikeln (NP) in laborskaligen Experimenten untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass TiO2-NP unter einer Vielzahl von hydrochemischen Bedingungen größere Aggregate bilden, die bei der Mikro- und Ultrafiltration (UF) effizient durch Größenausschluss zurückgehalten werden. Unter hoch stabilisierenden Bedingungen können allerdings auch Aggregate vorliegen, die durch Mikrofiltration nur teilweise, durch UF aber effizient entfernt werden. Kenntnis über die genauen NP-Rückhaltecharakteristika von UF Membranen und eine kontinuierliche online-Überwachung der Membranintegrität würde die Sicherheit von UF Prozessen erhöhen. Sowohl die Bestimmung von Rückhaltekurven im nm-Bereich sowie die online-Kontrolle während des Betriebes (mit Hinblick auf nanoskalige Membrandefekte) von UF Membranen sind mit herkömmlichen Analysemethoden jedoch nicht oder nur begrenzt möglich. Daher wurde eine Laser-Induzierte Breakdown-Detektion Instrumentierung (LIBD) aufgebaut und ihr Einsatz zur Bestimmung von NP-Rückhaltecharakteristika und zur online-Überwachung von UF Membranen in laborskaligen Experimenten evaluiert. Dies umfasste die Überprüfung der Materialabhängigkeit der Messmethodik anhand von Polystyrol-, TiO2-, Au und SiO2-NP und die Überprüfung der Eignung der LIBD zur Bestimmung von Partikelgrößenverteilungen im nm-Bereich der in natürlichen Wässern vorliegenden Partikeln. Die Ergebnisse der vorliegenden Arbeiten zeigen, dass die Kombination von LIBD und UF ein vielversprechender Ansatz ist, um die Sicherheit von Trinkwasser mit Hinsicht auf Verschmutzung durch SNP zu erhöhen.
Abstract
(Englisch)
Engineered nanoparticles (ENPs) come increasingly in use and production volumes continue to rise. Thus concern exists if ENPs have to be considered as emerging contaminants significant for water supply. The work presented in this PhD thesis assessed the risk that ENPs potentially pose to drinking water by means of an extensive literature study including the development of site-specific case scenarios for TiO2 nanoparticles (NPs). Membrane filtration is one process that can serve as a barrier against particle migration into drinking water. Thus in laboratory-based studies the capabilities of ultrafiltration (UF) and microfiltration (MF) to retain TiO2 NPs have been investigated. It has been shown that TiO2 NPs can efficiently be retained by UF and MF. Under highly stabilizing conditions, fractions of TiO2 NPs can prevail that are only weakly aggregated and are not retained by MF but only by UF. Knowledge on exact characteristics of UF membranes with respect to ENP retention and the possibility to monitor the membrane integrity continuously and online would significantly improve the process safety. Both, determining exact NP cut-offs and monitoring the membrane integrity online is highly challenging or not possible with available routine measurement methods (e.g. turbidity measurement). Therefore, an acoustic Laser-Induced Breakdown-Detection (LIBD) instrumentation was assembled and its application for UF membrane characterization and integrity monitoring assessed. This approach included the calibration of the LIBD instrumentation with polystyrene NPs and testing its figure of merit. The material dependency of the LIBD signal was determined by measuring polystyrene, TiO2, Au and SiO2 NPs. In addition the suitability of the LIBD method for determining particle size distributions in natural surface water was evaluated. The application of LIBD as a technique for characterizing UF membranes with respect to NP retention and monitoring their integrity online were subjects of laboratory-based experimental investigations. Results of the thesis show that combining UF with LIBD is a promising approach to enhance the drinking water safety with respect to ENP contamination.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Englisch)
nanoparticles drinking water waterworks laser-induced breakdown-detection ultrafiltration
Schlagwörter
(Deutsch)
Nanopartikel Trinkwasser Wasserwerk Laser-induzierte Breakdown-Detektion Ultrafiltration
Autor*innen
Martin Tröster
Haupttitel (Englisch)
Vulnerability of water works towards engineered nanoparticles
Hauptuntertitel (Englisch)
assessing the combination of Laser-Induced Breakdown-Detection and ultrafiltration to enhance drinking water safety
Paralleltitel (Deutsch)
Vulnerabilität von Wasserwerken gegenüber synthetischen Nanopartikeln : Überprüfung der Kombination von Laser-induzierter Breakdown-Detektion und Ultrafiltration zur Erhöhung der Trinkwassersicher
Publikationsjahr
2016
Umfangsangabe
IX, 204 Seiten : Illustrationen, Diagramme
Sprache
Englisch
Beurteiler*innen
James Ranville ,
Paul Westerhoff
AC Nummer
AC13339751
Utheses ID
38818
Studienkennzahl
UA | 796 | 605 | 299 |