Comparative study of field and laboratory tests for residual metal content and its distribution inchromium/copper-treated wood

Abstract

Weit verbreitet werden chemische Schutzmittel zur Verlängerung der Gebrauchsdauer von Holz verwendet. Leider können einige Schutzmittelsubstanzen bei der Außenverwendung aus behandeltem Holz ausgewaschen und dadurch giftig gegenüber Pflanzen, Tieren und Menschen werden. Die meisten Untersuchungen zur Herauslösung von Wirkstoffen aus behandeltem Holz erfolgten im Labor an kleinen Proben. Zwar liefern sie reproduzierbare Ergebnisse und benötigen weniger Zeit, doch sind die Befunde nur bedingt auf die Praxis übertragbar. Dies führte zu Überlegungen hinsichtlich größerer Proben, wie bei EN 252, die der kommerziellen Anwendung näher kommen und die Laborverfahren möglicherweise verbessern.

Zur vergleichenden Untersuchung von Feld- und Labortests erfolgten daher Versuchsserien mit größeren Proben, die sowohl den Maßen von EN 252 entsprachen (Standardproben) als auch mit davon abweichendem Zuschnitt (Nicht-Standard-Proben). Im Freilandversuch wurden der Verlust an Chrom und Kupfer aus Chrom-Kupfer (CC)-behandeltem Holz gemessen und die den Restmetallgehalt beeinflussenden Faktoren bewertet, nämlich Verweildauer, Probenposition, Holzart und Probengröße. Ferner wurde die Verteilung von Chrom und Kupfer im behandelten Holz bestimmt. Bei dem Feldversuch wurden EN 252-Kiefernsplintholzstäbe, EN 252-Fichtenholzstäbe und Nicht-Standard-Kiefernsplintholzstäbe senkrecht je zur Hälfte in den Erdboden gebracht. Jeweils drei Stäbe wurden nach 4, 8, 12, 16, 20 und 24 Monaten entnommen und gemäß DIN 52161-7 hinsichtlich Gehalt und Verteilung der Metalle im Holz untersucht. Auswaschversuche im Labor erfolgten nach einem modifizierten CEN/TS 15119-1- (diskontinuierlich) und CEN/TS 15119-2-Verfahren (kontinuierlich). Danach wurden schließlich Restgehalt und Verteilung der Metalle im Holz gemessen.

Die Ergebnisse zeigten, dass bei den Stäben nach 24 Monaten noch 96% (EN 252-Kiefer), 90% (Nichtstandard-Kiefer) und 95% (EN 252-Fichte) Chrom vorhanden waren sowie entsprechend 87, 83 und 91% Kupfer. Die Laborversuche ergaben 97, 97 und 99% Restchrom sowie 96, 97 und 98% Restkupfer. Die Verteilung von Chrom und Kupfer in dem Standard- und Nicht-Standard-Kiefernholz änderte sich im Vergleich mit Fichte deutlich. In allen Fällen wurde der geringste Metallgehalt in der Erdluftzone und der höchste Gehalt im oberen Bereich der Stäbe gemessen. Es zeigte sich, dass die Holzart den Verlust an Kupfer deutlich und denjenigen an Chrom nur wenig beeinflusste. Der Metallverlust war im Feldversuch, sowohl in der Luftzone als auch im Erdbereich, größer als bei beiden (diskontinuierlich, kontinuierlich) Laborversuchen.

Insgesamt haben die Ergebnisse gezeigt, dass größere Proben, wie bei EN 252, die Auswaschversuche im Labor verbessern und eventuell eine bessere Deutung der Auswaschvariablen von Schutzmitteln im Freilandversuch ermöglichen, besonders hinsichtlich der Metallverschiebung.

Chemical preservatives are widely used to prolong the service life of wood. Unfortunately, some of the preservative substances can be gradually leached from treated wood into the environment during exterior applications and can be toxic to plants, animals and human health. Most studies on the depletion of preservatives from treated wood were performed with small samples on a laboratory scale. Although these studies provide repeatable conditions and are useful for shorter test durations, they have little applicability to real conditions. These issues raised the consideration of a larger sample (i.e. EN 252) that is more closely associated with commercial sized material for possible improvement of the laboratory tests. A series of laboratory tests with larger samples (i.e., EN 252 and non-standard) and field tests were conducted to determine the loss of chromium and copper from chromium/copper (CC)-treated wood and evaluate the factors (e.g., exposure time, stake position, wood species and dimension) influencing the residual metal content. The distribution of chromium and copper in the treated wood were also assessed. At the field test, EN 252 pine sapwood, EN 252 spruce and non-standard pine sapwood stakes were installed vertically with half their lengths in ground. In all cases three stakes were sampled after 4, 8, 12, 16, 20 and 24 months of exposure and analyzed according to DIN 52161-7 to determine metal content and its distribution in the wood stakes. Laboratory leaching tests were conducted in accordance to a modified CEN/TS 15119-1 (discontinuous) and CEN/TS 15119-2 (continuous procedure). In addition, wood samples were analyzed after leaching to determine remaining metals and their distribution in the wood specimens. For analyses, Atomic Absorption Spectrometry (AAS) and Inductively Coupled Plasma Spectrometer-Optical Emission Spectrometry (ICP-OES) were applied. Result showed that 96, 90 and 95% chromium remained in the EN 252 pine, non-standard pine and EN 252 spruce stakes while the copper content corresponded to 87, 83 and 91% after 24 months outdoor exposure, respectively. The laboratory tests revealed that 97, 96 and 99% chromium remained in the EN 252 pine, non-standard pine and EN 252 spruce stakes whereas the copper content was 96, 97 and 98% after laboratory tests, respectively.

After exposure, both standard and non-standard pine sapwood and spruce stakes contained the highest chromium and copper content in the above ground section. It was found that the wood species had a significant effect on the copper depletion while it had less influence on the chromium losses.

Chromium and copper distribution in the standard and non-standard pine sapwood significantly changed as compared to spruce stakes. However, in all cases the lowest metal content was observed in the soil-air area (groundline) of the treated wood.

Comparison of the laboratory and field tests indicated that metal depletion is greater in field exposure (above and below ground section) in comparison with both laboratory tests (continuous and discontinuous water immersion).

The results have demonstrated that larger specimens like in EN 252 could improve laboratory leaching tests and may provide a better interpretation of the leaching effects of preservatives during outdoor exposure, particularly metal migration.