Abiotic degradation of the brominated polymeric flame retardant “Polymeric FR” and ecotoxicity of generated decomposition products

Koch, Christoph GND

Flame retardants are often incorporated in products such as electronical equipment, textiles, or thermal insulation to meet national fire safety requirements. For several years, hexabromocyclododecane has been the flame retardant of choice for building foam insulation until it was recently phased out due to a variety of environmental concerns. Thus, a new flame retardant was needed. Since 2014, “Polymeric FR” is used as a substitute on an industrial basis. The developer claims that its polymeric structure, persistence by design, and high molecular weight lead to a superior environmental profile. The present thesis deals with the abiotic degradation of “Polymeric FR” and the ecotoxicity of potentially resulting monomeric decomposition products. The degradation is studied following exposure to UV radiation and heat at 60 °C. Both factors cause “Polymeric FR” to degrade, which is shown by multiple analytical methods, including among others, inductively coupled plasma mass spectrometry, determination of total organic carbon, and liquid chromatography mass spectrometry. The latter method was used to identify monomeric degradation products that could possibly pose a different toxic potential to the environment compared to the parent polymer. To assess their toxic potential, four chemicals were chosen based on their commercial availability and evaluated in three standardized tests with green algae and crustaceans. The test repertoire was accompanied by a trend analysis regarding the theoretical effect on fish to cover an additional tropic level. The results show that “Polymeric FR” can degrade following UV irradiation and exposure to heat. While the environmental relevance of UV irradiation seems limited as long as this polymer is only used in building foam insulation, exposure to heat is a commonly encountered factor. However, significant degradation seems only possible under certain circumstances. The chance for these circumstances to occur, the presences of water and prolonged heat, is highest during the end-of-life – particularly if landfilling is applied for building foam insulation. The tested degradation products seem to exhibit acute toxic effects only at comparable high concentrations, which are not to be expected following the degradation of “Polymeric FR”. Results obtained with an artificial mixture of those chemicals indicate however, that further research regarding negative effects following chronic exposure of native degradation mixtures should be performed.

Nationale Brandschutzanforderungen bedingen häufig den Einsatz von Flammschutzmittel in Produkten wie Elektronikgeräten, Textilien oder thermischer Isolierung. Über viele Jahre hinweg war Hexabromcyclododecan das Flammschutzmittel der Wahl für Schaumdämmstoffe, bis es kürzlich zu einem stufenweisen Produktionsstopp aufgrund verschiedener negativer Auswirkungen auf die Umwelt kam. Daraus resultierte die Notwendigkeit ein neues Flammschutzmittel zu finden, welches mit dem seit 2014 industriell hergestelltem Substitutionsstoff „Polymeric FR“ gelang. Der Entwickler testiert, dass dieses Produkt aufgrund seiner polymeren Struktur, Persistenz und dem hohen Molekulargewicht ein verbessertes Umweltprofil aufweist. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit dem abiotischen Abbau von „Polymeric FR“ und der Ökotoxizität möglicher monomerer Abbauprodukte. Dabei wurde speziell der Abbau durch UV-Strahlung und Hitzeeinwirkung bei 60 °C untersucht. Beide Faktoren führen zu einem Zerfall des Polymers, was anhand verschiedener analytischer Methoden, wie zum Beispiel der Massenspektrometrie mit induktiv gekoppeltem Plasma, der Bestimmung des Gesamtkohlenstoffes oder der Flüssigchromatographie mit Massenspektrometrie-Kopplung nachgewiesen wurde. Letztere Methode wurde hierbei genutzt, um monomere Abbauprodukte zu identifizieren, die sich in ihrem toxischen Potenzial der Umwelt gegenüber möglicherweise vom Ausgangs-Polymer unterscheiden. Um dieses toxische Potential zu überprüfen, wurden vier Abbauprodukte basierend auf ihrer kommerziellen Verfügbarkeit ausgewählt und in drei standardisierten Tests mit Grünalgen und Wasserflöhen evaluiert. Anhand einer computergestützten Trendanalyse wurde dieses Test-Repertoire mit Fischen um eine zusätzliche trophische Stufe erweitert. Die Ergebnisse zeigen, dass „Polymeric FR“ durch UV-Einstrahlung und Hitzeexposition abgebaut wird. Während die Bedeutung von UV-Strahlung für die Umwelt als eher gering einzuschätzen ist – da dieses Flammschutzmittel nur in Schaumdämmstoffen eingesetzt wird – so ist Hitzeeinwirkung hingegen ein alltäglich auftretendes Phänomen. Ein signifikanter Abbau durch Hitze scheint jedoch nur unter bestimmten Umständen möglich. Die Chance, dass diese Umstände gegeben sind, also das Vorhandensein von Wasser und länger anhaltende Hitze, ist vermutlich am Lebensende der Dämmmaterialien – insbesondere während der Deponierung – am höchsten. Die untersuchten Abbauprodukte bewirken negative akute Effekte nur bei vergleichsweise hohen Konzentrationen, welche voraussichtlich nicht beim Abbau von „Polymeric FR“ entstehen werden. Ergebnisse, die mit einer künstlichen Mischung dieser Chemikalien erzielt wurden, deuten jedoch darauf hin, dass weitere Forschung in Bezug auf negative Effekte durch chronische Exposition mit „natürlichen“ Abbaumischungen hilfreich wäre, um die Umweltrelevanz zu bewerten.

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Koch, Christoph: Abiotic degradation of the brominated polymeric flame retardant “Polymeric FR” and ecotoxicity of generated decomposition products. 2019.

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