Methodische Weiterentwicklung der Laser-induzierten Breakdown-Detektion (LIBD) und ihre Anwendung auf kolloidchemische Fragestellungen

摘要

Die Laser-induzierte Breakdown-Detektion (LIBD) konnte in den letzten zwanzig Jahren zu einer etablierten Methode zur quantitativen Charakterisierung von Kolloiden in aquatischen Systemen entwickelt werden. Sie ermöglicht die Bestimmung eines mittleren Kolloid-Durchmessers und der Anzahl- sowie Massenkonzentration (bei bekannter Dichte der Kolloide) in bisher nicht erreichten Größen- und Konzentrationsbereichen. Das Detektionsspektrum der entwickelten Instrumentierung liegt im Bereich zwischen ~ 20 nm und 1000 nm, wobei die Nachweisgrenze abhängig vom Partikeldurchmesser im Bereich von wenigen ng/L (entspricht 1e8 Partikel/L für 20 nm-Kolloide) bis hin zu einigen mg/L (entspricht 1e7 Partikel/L für 1000 nm-Kolloide1) reicht. Damit weist die LIBD im Vergleich zu konkurrierenden Methoden auf Basis der Laserlichtstreuung eine um mehrere Größenordnungen höhere Nachweisempfindlichkeit auf, wodurch sie insbesondere bei der nicht-invasiven Charakterisierung von kolloidarmen System bzw. von Kolloiden (Nanopartikeln) unter 100 nm die Methode der Wahl ist.udEin Schwerpunkt in dieser Arbeit lag in der methodischen Weiterentwicklung auf Basis der bisherigen Funktionalitäten der am Institut entwickelten Anlage � sowohl bezüglich der Datenevaluation als auch der Benutzerfreundlichkeit und der Optimierung der Anlage für die Anwendung auf neue kolloidchemische Fragestellungen.udDer zweite Schwerpunkt der Arbeit bestand darin, das hohe Potential der LIBD-Technik mit ihren erweiterten Funktionalitäten als kolloidanalytische Methode durch den Einsatz bei verschiedenen Fragestellungen der aquatischen Kolloidchemie zu belegen. Neben der Analyse des partikulären Austrags aus Recyclingmaterialien und der Untersuchung von biogenen Fällungsprozessen in natürlichen Gewässern wurden im Rahmen eines dreijährigen Forschungsprojekts Trinkwasseraufbereitungsverfahren auf Basis der Membranfiltrationstechnologie untersucht. Die Filtrationseffizienz und Filtratqualität wurde an vier verschiedenen Standorten, die eine klein- oder großtechnische Membrananlage besitzen, erstmals mittels NPA/LIBD untersucht, indem Membranzu- und Abläufe systematisch bezüglich ihres Kolloid-Inventars charakterisiert wurden. Des Weiteren erfolgten umfassende Unter¬suchungen zum Foulingpotential (Verblocken der Membranen) von natürlichen Rohwässern (d. h. ihre Tendenz zum Verblocken der mit den Rohwässern beaufschlagten Membranen) und zur Membranintegrität von Ultra- und Mikrofiltrationsmembranen.