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Ecotoxicological assessment of selected construction materials: Galvanic anodes and organic coatings for corrosion protection

  • SUMMARY Buildings and infrastructures characterize the appearance of our cultural landscapes and provide essential services for the human society. However, they inevitably impact the natural environment e.g. by the structural change of habitats. Additionally, they potentially cause further negative environmental impacts due to the release of chemical substances from construction materials. Galvanic anodes and organic coatings regularly used for corrosion protection of steel structures are building materials of particular importance for the transport infrastructure. In direct contact with a water body or indirectly via the runoff after rainfall, numerous chemicals can be released into the environment and pose a risk to aquatic organisms. Up to now, there is no uniform investigation and evaluation approach for the assessment of the environmental compatibility of building products. Furthermore, galvanic anodes and organic coatings pose particular challenges for their ecotoxicological characterization due to their composition. Therefore, the objective of the presented thesis was the ecotoxicological assessment of emissions from galvanic anodes and protective coatings as well as the development of standardized assessment procedures for these materials. The possible environmental hazard posed by the use of anodes on offshore installations was investigated on three trophic levels. To ensure a realistic and reliable evaluation, the experiments were carried out in natural seawater and under natural pH conditions. Moreover, the anode material and its main components zinc and aluminum were exposed while simulating a worst-case scenario. The anode material examined caused a weak inhibition of algae growth; no acute toxicity was observed on the luminescent bacteria and amphipods. However, an increase of aluminum and indium levels in the crustacean species was found. On the basis of these results, no direct threat has been identified for marine organisms from the use of galvanic aluminum anodes. However, an accumulation of metals in crustaceans and a resulting entry into the marine food web cannot be excluded. The environmental compatibility of organic coating systems was exemplarily evaluated using a selection of relevant products based on epoxy resins (EP) and polyurethanes. For this purpose, coated test plates were dynamically leached over 64 days. The eluates obtained were systematically analyzed for their ecotoxicological effects (acute toxicity to algae and luminescent bacteria, mutagenic and estrogenic effects) and their chemical composition. In particular, the EP-based coatings caused significant bacterial toxicity and estrogen-like effects. The continuously released 4-tert-butylphenol was identified as a main contributor to these effects and was quantified in concentrations exceeding the predicted no effect concentration for freshwater in all samples. Interestingly, the overall toxicity was not governed by the content of 4-tert-butylphenol in the products but rather by the release mechanism of this compound from the investigated polymers. This finding indicates that an optimization of the composition can result in the reduction of emissions and thus of environmental impacts - possibly due to a better polymerization of the compounds. Coatings for corrosion protection are exposed to rain, changes in temperature and sun light leading to a weathering of the polymer. To determine the influence of light-induced aging on the ecotoxicity of top coatings, the emissions and associated adverse effects of UV-irradiated and untreated EP-based products were compared. To that end, the investigation of static leachates was focused on estrogenicity and bacterial toxicity, which were detected in the classic microtiter plate format and in combination with thin-layer plates. Both materials examined showed a significant decrease of the ecotoxicological effects after irradiation with a simultaneous reduction of the 4-tert-butylphenol emission. However, bisphenol A and various structural analogues were detected as photolytic degradation products of the polymers, which also contributed to the observed effects. In this context, the identification of bioactive compounds was supported by the successful combination of in-vitro bioassays with chemical analysis by means of an effect-directed analysis. The presented findings provide important information to assess the general suitability of top coatings based on epoxy resins. Within the scope of the present study, an investigation concept was developed and successfully applied to a selection of relevant construction materials. The adaptation of single standard methods allowed an individual evaluation of these products. At the same time, the suitability of the ecotoxicological methods used for the investigation of materials of unknown and complex composition was confirmed and the basis for a systematic assessment of the environmental compatibility of corrosion protection products was created. Against the background of the European Construction Products Regulation, the chosen approach can facilitate the selection of environmentally friendly products and contributes to the optimization of individual formulations by the simple comparison of different building materials e.g. within a product group.
  • ZUSAMMENFASSUNG Gebäude und Infrastrukturen prägen das Bild unserer Kulturlandschaften und erbringen essentielle Dienstleistungen für die menschliche Gesellschaft. Sie wirken sich jedoch auch unweigerlich auf die natürliche Umwelt aus, z.B. durch die strukturelle Veränderung von Lebensräumen. Überdies gelten sie aufgrund der Freisetzung chemischer Inhaltsstoffe aus den eingesetzten Baumaterialien als potentielle Verursacher negativer Umweltauswirkungen. Galvanische Anoden und organische Beschichtungen, die an Stahlbauwerken regelmäßig zum Schutz vor Korrosion zum Einsatz kommen, sind als Baumaterialien für die Verkehrsinfrastruktur von besonderer Bedeutung. In direktem Kontakt mit einem Wasserkörper oder indirekt über den Abfluss nach einem Niederschlagsereignis können zahlreiche Chemikalien in aquatische Lebensräume emittiert werden und eine Gefahr für Wasserorganismen darstellen. Zur Beurteilung der Umweltverträglichkeit von Bauprodukten existiert bislang kein einheitlicher Untersuchungs- und Bewertungsansatz. Zudem stellen galvanische Anoden und organische Beschichtungen aufgrund ihrer Zusammensetzung besondere Herausforderungen an deren ökotoxikologische Charakterisierung. Ziel der vorliegenden Arbeit war es daher, die Gefährdung der aquatischen Umwelt durch galvanische Anoden und Korrosionsschutzbeschichtungen mithilfe ökotoxikologischer Untersuchungen zu beurteilen und standardisierte Bewertungsverfahren für diese Materialien zu entwickeln. Die Untersuchung des möglichen Umwelteinflusses durch die Anwendung von Anoden an Offshore-Anlagen erfolgte auf drei trophischen Ebenen. Um eine möglichst realistischste und zuverlässige Abschätzung zu gewährleisten, wurden die Experimente in natürlichem Meerwasser und unter natürlichen pH-Bedingungen durchgeführt. Zudem erfolgte die Exposition gegenüber dem Anodenmaterial und deren Hauptbestandteilen Zink und Aluminum unter Simulation eines Worst-Case-Szenarios. Das untersuchte Anodenmaterial verursachte eine schwache Hemmung des Algenwachstums; auf die getesteten Leuchtbakterien und Flohkrebse zeigte es keine akute Toxizität. Allerdings wurde eine Erhöhung der Aluminium- und Indiumgehalte in den Krebsen festgestellt. Auf Grundlage dieser Ergebnisse wurde keine direkte Gefahr für marine Organismen durch den Einsatz galvanischer Aluminium-Anoden identifiziert. Eine Anreicherung von Metallen in Krebstieren und ein daraus resultierender Eintrag ins marine Nahrungsnetz kann jedoch nicht ausgeschlossen werden. Die Umweltverträglichkeit organischer Beschichtungssysteme wurde exemplarisch für eine Auswahl relevanter Produkte auf Basis von Epoxidharzen (EP) und Polyurethanen bewertet. Dazu wurden beschichtete Probeplatten schrittweise über 64 Tage ausgelaugt. Die gewonnenen Eluate wurden systematisch auf ihre ökotoxikologischen Effekte (akute Toxizität gegenüber Algen und Leuchtbakterien, mutagene und estrogenartige Wirkungen) und chemische Zusammensetzung analysiert. Dabei zeigten sich insbesondere die EP-basierten Beschichtungen durch die Verursachung erheblicher bakterieller Toxizität und estrogenartiger Wirkung auffällig. Als primärer Urheber dieser Effekte wurde das kontinuierlich freigesetzte 4-tert-Butylphenol identifiziert, dessen Konzentration in allen Proben die predicted no effect concentration für Süßwasser überschritt. Gleichzeitig hat sich gezeigt, dass die Gesamttoxizität nicht durch den Gehalt an 4-tert-Butylphenol in den Produkten bestimmt wird, sondern vom Freisetzungsmechanismus dieser Verbindung aus den untersuchten Polymeren abhängig ist. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass eine Optimierung der Zusammensetzung, beispielsweise aufgrund einer besseren Polymerisation der Inhaltsstoffe, zu einer Reduzierung von Emissionen und damit zu einer verminderten Belastung der Umwelt führen kann. Regen, Temperaturwechsel und Sonneneinstrahlung können zur Verwitterung polymerer Korrosionsschutzbeschichtungen führen. Um den Einfluss lichtbedingter Alterung auf die Ökotoxizität von Deckbeschichtungen zu erfassen, wurde die Emissionen und damit verbundene negative Auswirkungen von UV-bestrahlten und unbehandelten EP-basierten Produkten miteinander verglichen. Nach statischer Auslaugung stand dabei die Untersuchung estrogenartiger und bakterien-toxischer Wirkungen im Fokus, die sowohl im klassischen Mikrotiterplattenformat als auch in Kopplung mit Dünnschichtplatten detektiert wurden. Beide untersuchten Materialien zeigten nach Bestrahlung eine signifikante Abnahme der ökotoxikologischen Effekte bei gleichzeitiger Verringerung der Freisetzung von 4-tert-Butylphenol. Jedoch wurden auch Bisphenol A und verschiedene Strukturanaloga als photolytische Abbauprodukte der Polymere nachgewiesen, die ebenfalls zur beobachteten Wirkung beitrugen. Die Identifizierung bioaktiver Inhaltsstoffe konnte dabei durch die erfolgreiche Kombination der in-vitro-Bioassays mit chemischen Analysen im Sinne einer effektgeleiteten Analytik unterstützt werden. Die vorliegenden Ergebnisse liefern wichtige Hinweise für die Beurteilung der generellen Eignung von Deckbeschichtungen auf Basis von Epoxidharzen. Das im Rahmen der vorliegenden Studie entwickelte Untersuchungskonzept konnte erfolgreich auf eine Auswahl relevanter Baumaterialien angewendet werden. Die gezielte Anpassung einzelner Standardmethoden erlaubte dabei eine individuelle Produktbewertung. Gleichzeitig wurde sowohl die Zweckmäßigkeit der angewendeten ökotoxikologischen Methoden für die Untersuchung von Materialien unbekannter und komplexer Zusammensetzung bestätigt als auch die Basis für eine systematische Bewertung der Umweltverträglichkeit von Korrosionsschutzprodukten geschaffen. Vor dem Hintergrund der Europäischen Bauprodukteverordnung kann der gewählte Ansatz dem einfachen Vergleich verschiedener Baumaterialien z.B. innerhalb einer Produktgruppe dienen und damit die Auswahl umweltverträglicher Produkte vereinfachen und zur Optimierung einzelner Rezepturen beitragen.

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Metadaten
Author:Anna Maria Bell
URN:urn:nbn:de:kola-22508
Title Additional (German):Ökotoxikologische Bewertung ausgewählter Baumaterialien: galvanische Anoden und organische Beschichtungen zum Korrosionsschutz
Referee:Thomas Ternes, Werner Manz
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Date of completion:2021/10/28
Date of publication:2021/10/28
Publishing institution:Universität Koblenz-Landau, Universitätsbibliothek
Granting institution:Universität Koblenz-Landau, Campus Koblenz, Fachbereich 3
Date of final exam:2021/10/08
Release Date:2021/10/28
Tag:Ecotoxicity; construction materials; corrosion protection; effect-directed analysis; environmental compatibility; epoxide; galvanic anodes; leaching; organic coatings; polyurethane
Number of pages:ix, 79, I-XXVII
Institutes:Fachbereich 3 / Institut für Integrierte Naturwissenschaften / Institut für Integrierte Naturwissenschaften, Abt. Chemie
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