Forschung

Ziel der Forschung ist neben der Gewinnung von neuen wissenschaftlichen Erkenntnissen und Methoden vor allem der Transfer dieser Erkenntnisse in die industrielle Praxis, insbesondere in mittelständische Unternehmen. Die Arbeitsgebiete des Instituts lassen sich den folgenden vier Leitthemen zuordnen:

Aerosole & Partikel

Luftreinhaltung & Gasprozesstechnik

Ressourcen & Energie

Analytik & Messtechnik

Aerosole & Partikel

Das Leitthema „Aerosole & Partikel“ wird am IUTA vor allem in Hinblick auf die drei Aspekte Herstellung und Entstehung, Arbeits- und Umweltschutz sowie Messung und Charakterisierung adressiert.

Hierzu verfügt das IUTA über weltweit einmalige Pilot-Anlagen zur Herstellung von Nanopartikeln im kg/h-Maßstab nach dem Flammen-, Heißwand- und Mikrowellen-Plasma-Verfahren. In enger Zusammenarbeit mit dem entsprechenden Forschungsschwerpunkt der Universität Duisburg-Essen (CENIDE) werden neuartige Nanopartikel für technische Anwendungen hergestellt und die Herstellungsverfahren optimiert. Größe und Form der synthetisierten Partikel hängen stark von den gewählten Produktionsparametern wie Druck, Konzentration und Temperatur ab. Schwerpunkt der Synthesen sind zurzeit oxidische und nicht-oxidische Halbleitermaterialien wie TiO₂, Fe₂O₃, SiO₂ und Silizium sowie tertiäre Oxide wie Zr_xCe₁-_xO₂. Viele potenzielle Anwendungen erfordern den Transfer des synthetisierten Pulvers in prozessierbare Flüssigkeiten. Daher werden die Syntheseanlagen durch Wäschersysteme ergänzt, mit deren Hilfe die Partikel direkt aus dem Prozessgas gewaschen werden.

Parallel dazu befassen sich Arbeitsgruppen mit dem Verhalten, den Risiken und Umweltauswirkungen von ultrafeinen Partikeln und Feinstäuben. Sie erforschen zum Beispiel die Ausbreitung von freigesetzten Partikeln in Luft, Wasser und Boden oder Fragestellungen aus dem Bereich des Arbeitsschutzes. Ein Beispiel ist die Freisetzung beim Schleifen: Ein im Rahmen eines BMBF-Projekts entwickelter Teststand erlaubt eine standardisierte Materialbeanspruchung und wurde mittlerweile in drei internationalen Forschungsprojekten erfolgreich eingesetzt. Freigesetzte Materialien können darüber hinaus bezüglich ihres möglichen Verhaltens und Verbleibs in der Umwelt (z.B. mittels Bodensäulenversuchen) sowie in enger Kooperation mit Partnern bezüglich ihrer möglichen gesundheitsschädigenden Wirkung untersucht werden.

Der dritte Schwerpunkt ist die physikalisch-chemische Charakterisierung der Partikel sowohl in ursprünglicher Form (z. B. mittels Rasterelektronenmikroskopie) als auch in anderen Medien, z.B. in Flüssigkeiten, eingebunden in Kompositen, etc.

Luftreinhaltung & Gasprozesstechnik

In diesem Feld nutzt das IUTA seine Expertise auf den Gebieten der chemischen, thermischen und mechanischen Verfahrenstechnik. Je nach Anforderung kommen die Verfahren Adsorption, Absorption, Katalyse und Filtration zum Einsatz. Die Bandbreite der Anwendungen reicht von der Vermeidung von prozessbedingten Emissionen aus Produktionsanlagen bis hin zum Personen- und Produktschutz. Für ausgewählte Anwendungen werden zudem die notwendigen Messgeräte, Sensoren und Detektoren als auch Aktoren (weiter-)entwickelt und an die Anwendungsfälle in Gas- und Flüssigphasen adaptiert (z. B. Phasen-Doppler-Anemometer, Raman-Spektrometer, etc.). Ziel ist die Entwicklung neuer Komponenten oder maßgeschneiderter Verfahren, die sich durch eine hohe Abscheideleistung bei möglichst großer Ressourcen- und Energieeffizienz auszeichnen.

Aktuelle Forschungsprojekte befassen sich z.B. mit der Absorption und Reemission von Quecksilber in Wäschern, einem Probenahmesystem für legionellenbelastetes Aerosol aus Rückkühlanlagen oder mit vernetzten Sensoren zur Überwachung und dem bedarfsgerechten Wechseln von Filtern in raumlufttechnischen Anlagen. Zur Unterstützung der theoretischen und experimentellen Untersuchungen wird in vielen Fällen die Mehrphasenströmungssimulation (CFD) eingesetzt, um Aussagen über den lokalen Energie- und Massentransport, insbesondere für instationäre Prozesse in Apparaten ableiten zu können. Die Expertise reicht hier von der Partikelabscheidung in Elektroabscheidern bis zur Simulation von Partikeltransport und -abscheidung in porösen Strukturen, wie z.B. textilen Filtern oder Schäumen.

Ein besonderes Alleinstellungsmerkmal des IUTA ist das Filtrationszentrum, in dem neben einer breiten messtechnischen Ausstattung eine Vielzahl aufwändiger Prüfstände zur Verfügung stehen. Diese können sowohl zur normgerechtenPrüfung von Filtern oder Adsorbentien als auch für die Entwicklung neuer Materialien oder Messverfahren eingesetzt werden. Die Anwendungsbereiche umfassen ein weites Spektrum von Fahrzeuginnenraumfiltern, über raumlufttechnische Anlagen und Druckluftfilter bis hin zur Entfernung toxischer Schadgase aus Luftströmungen.

Ressourcen & Energie

In diesem Feld adressiert das IUTA neben Arbeiten zur Energieeffizienz im Umfeld von umwelttechnischen Anlagen vor allem den Aspekt der Kreislaufführung und Ressourcenschonung. Anwendungsschwerpunkte sind das Recycling von Elektronikgeräten und die Aufbereitung von Prozess- und Abwässern.

So betreibt das IUTA seit 27 Jahren ein Entsorgungszentrum, welches über alle notwendigen Zulassungen und Zertifizierungen verfügt. Durch das Alleinstellungsmerkmal eines eigenen Entsorgungsfachbetriebes besitzt das Institut eine besondere Praxisnähe und kann Problemstellungen aus der Entsorgungsbranche aus erster Hand beurteilen und betriebsorientierte Lösungen finden. Neben den fachlichen Aufgaben ist sich das Haus seiner sozialen Verantwortung bewusst und setzt diese in Form von Ausbildungs- und Qualifizierungsmaßnahmen im Entsorgungsfachbetrieb um.

Den zweiten Schwerpunkt bilden Arbeiten zu (toxischen) Spurenstoffen insbesondere in der Wasseraufbereitung. Hier verfügt das IUTA zum einen über ein Versuchstechnikum zur Membranfiltration mittels Umkehrosmose (UO), Ultrafiltration (UF) und Mikrofiltration (MF). Das Institut ist Ansprechpartner für Fragestellungen der Membranauswahl für spezifische Abwässer, Pilotierungen und Optimierungen sowie bei der Untersuchung von Schadensfällen an Membranelementen.

Viele in der Human- bzw. Veterinärmedizin eingesetzte Arzneimittel (z.B. Zytostatika zur Krebstherapie), in der Landwirtschaft verwendete Biozide und Pestizide sowie Haushalts- und Industriechemikalien haben bereits in geringen Konzentrationen ein erhebliches toxisches und ökotoxisches Potenzial. Daher sind bei Produktion, Lagerung, Transport, Zubereitung, Anwendung und Entsorgung dieser Stoffe sowie damit kontaminierter Materialien wirksame Maßnahmen zum Schutz der Beschäftigten und der Umwelt erforderlich. Das IUTA trägt mit wissenschaftlichen Untersuchungen und technischen Entwicklungen, z.B. zur oxidativen und adsorptiven Behandlung von Abwässern, zur Verbesserung des Arbeits- und Umweltschutzes bei. Darüber hinaus werden Dienstleistungen zur Spurenstoffanalyse, zum Bio- und Umgebungsmonitoring und zu Screening-Untersuchungen mittels hochauflösender Massenspektrometrie angeboten. Über den Nachweis und die Bewertung der Befunde aus der instrumentellen Zielkomponentenanalytik hinaus werden wirkungsbezogene Analysenverfahren entwickelt und mit der instrumentellen Analytik gekoppelt.

Analytik & Messtechnik

In diesem Bereich entwickeln die Mitarbeiter*innen des IUTA sowohl Verfahren und Messgeräte für die chemische Analytik als auch die physikalische Partikelmesstechnik. Neben vielfältigen analytischen Detektions- und Untersuchungsverfahren zur Element- und Speziesanalytik, insbesondere Gas- und Ionenchromatografie, befassen sich die Mitarbeiter*innen schwerpunktmäßig mit der Entwicklung von innovativen Kopplungs- und Detektionsverfahren. Im Fokus der wissenschaftlichen Untersuchungen stehen vierdimensionale Trenn- und Detektionssysteme auf Basis der zweidimensionalen Flüssigkeitschromatografie, der Ionenmobilitätsspektrometrie und der (hochauflösenden) Massenspektrometrie.

Ein aktuelles Anwendungsfeld sind Chemo- und Antikörpertherapien. Hier erfolgt die Herstellung patientenindividueller Applikationslösungen in spezialisierten Apotheken. Bis auf eine optische oder gravimetrische Überprüfung findet bisher vor Ort keine Qualitätskontrolle zur Identität des angelieferten Wirkstoffs oder der tatsächlichen Konzentration der hergestellten Applikationslösung statt. Vorsätzliche Unterdosierungen, Medikamentenfälschungen aber auch Stabilitätsprobleme durch eine nicht eingehaltene Kühlkette können die Qualität des Produkts negativ beeinflussen. Neben der am IUTA und bei Überwachungsbehörden etablierten Standardanalytik werden deshalb schnelle und einfach einzusetzende Vor-Ort-Analysenverfahren benötigt. Das IUTA setzt hier auf spektroskopische Verfahren wie bspw. die Ramanspektroskopie, die sowohl online als auch offline mit der Flüssigkeitschromatografie und Massenspektrometrie gekoppelt werden können.