Influence of Polymer Morphology in Polyethylene (PE) Materials on the Formation of Micro- and Nanoplastics

Mikro- und Nanoplastik (MNPs) stellt aufgrund seiner neuartigen und bislang nur unzureichend verstandenen Auswirkungen eine potenzielle Gefährdung dar und ist daher von zunehmendem Interesse für die Öffentlichkeit sowie für staatliche und regulatorische Behörden. MNPs stammen aus unterschiedlichen Quellen und gelangen in großem Umfang in Süßwassersysteme. In jüngster Zeit hat insbesondere ihre Freisetzung in Trinkwasser aus Transport- und Verteilungsleitungen zunehmende Aufmerksamkeit erhalten, da potenzielle Gesundheitsrisiken für Verbraucher bestehen könnten. Ziel dieser Masterarbeit ist es, die Freisetzung von MNPs aus hochdichtem Polyethylen (HDPE)-Rohren in Trinkwasserverteilungssystemen zu bewerten sowie den Zusammenhang zwischen der Bildung dieser Mikropartikel und strömungstechnischen Bedingungen zu untersuchen. Zu diesem Zweck wurde ein Pilotversuchsaufbau entwickelt, der reale Wasserverteilungsleitungen simuliert, mit einem Wasserdurchfluss unter einem Druck von 2 bar, einer Strömungsgeschwindigkeit von 2.26 m/s und einer Temperatur zwischen 25 °C und 30 °C. Zur Untersuchung der zeitabhängigen Auswirkungen auf die Rohrinnenoberfläche wurden sechs HDPE-Rohrproben (aus demselben Material wie der Versuchsaufbau, jedoch mit kleinerem Durchmesser) entlang des Systems installiert. Die hydraulischen Spülversuche wurden über einen Zeitraum von 14 Tagen durchgeführt. Zur Identifizierung potenzieller Veränderungen des Oberflächenmaterials nach 1, 7 und 14 Tagen Exposition wurden Analysen mittels Lichtmikroskopie, Rasterelektronenmikroskopie (SEM), Fourier-Transform-Infrarotspektroskopie (FTIR) und Differentialthermoanalyse (DSC) durchgeführt. Das in dieser Studie entwickelte Pilotprüfsystem ermöglichte zusammen mit der Probeninser¬tionsmethode die Durchführung von Experimenten unter stabilen und gut kontrollierten Betriebsbedingungen. Am Ende des Versuchs zeigte die qualitative Analyse der SEM-Aufnahmen, dass die Oberfläche der HDPE-Rohre geringfügige morphologische Veränderungen aufwies, wobei ein Übergang von einem ursprünglich glatten und intakten Zustand zu einer raueren, teilweise erodierten Oberfläche beobachtet wurde. Diese Veränderungen führten zur Freisetzung kleiner Kunststofffragmente in das Wasser. Demgegenüber konnten keine signifikanten Veränderungen in den IR- (Infrarot-) Spektralbereichen festgestellt werden, die typischerweise mit polymeren Degradationsprozessen assoziiert sind, was auf die Aufrechterhaltung der chemischen Struktur des Materials hinweist. Darüber hinaus wurden in der DSC-Analyse keine signifikanten Änderungen der thermischen Eigenschaften festgestellt, was das Ausbleiben einer Materialdegradation bestätigt, trotz der auf Oberflächenebene durch die Mikroskopie identifizierten morphologischen Veränderungen.