Využití ATR-FTIR spektroskopie pro stanovení polymerního odpadu a identifikaci ftalátů

Recyklace plastů společně s efektivní a správnou likvidací pevného plastového odpadu představují klíčové body v procesu postupného snižování množství plastů z životního prostředí. Identifikace a klasifikace plastových materiálů, jejich příměsí a nečistot, hraje v tomto procesu důležitou roli a umožňuje efektivní nakládání s plastovými odpady. ATR-FTIR spektroskopie je jednoduchá, rychlá a nedestruktivní technika, která účinně rozlišuje plasty na základě jejich charakteristického infračerveného spektra.

• Článek publikován v časopise CHEMAGAZÍN 1-2024
• Autor článku: ALS Czech Republic (ČÍHALOVÁ J./VÁCLAVÍKOVÁ M.)
• Analýzy odpadů od ALS Czech Republic

Využití FTIR spektroskopie pro identifikaci polymerního odpadu

Vzhledem k faktu, že celosvětová spotřeba plastů neustále roste, je efektivní likvidace pevného plastového odpadu zásadní otázkou udržitelného odpadového hospodářství, která minimalizuje negativní dopady plastů na životní prostředí. Většina druhů plastu není biologicky odbouratelná, díky čemuž jsou způsoby jejich likvidace omezeny na recyklaci nebo skládkování a spalování, což jsou metody ekonomicky nevýhodné a ekologicky neudržitelné. Zmíněná recyklace plastů je tedy v současné době stále nejlepší řešení likvidace pevného plastového odpadu.

Plasty, které se dnes využívají prakticky v každé oblasti lidské činnosti, jsou velmi různorodé a vznikají tak jejich specifické směsi. Otázka správné klasifikace plastu před finálním zpracováním je tedy obzvláště důležitá, protože jednotlivé plasty mají různou teplotu tání, což celý proces likvidace významně komplikuje. Pro efektivní recyklaci je nezbytné znát složení polymerů obsažených v odpadu. Kvalitní identifikace a třídění materiálů před recyklací může také minimalizovat negativní dopady na požadované vlastnosti polymerů a umožnit vytvoření kvalitního recyklátu. Pro tuto identifikaci je vhodnou technikou infračervená spektroskopie s Fourierovou transformací [1].

Infračervená spektroskopie obecně představuje efektivní metodu pro identifikaci organických látek. Je unikátní svou jednoduchostí a rychlostí, ale především nedestruktivní povahou analýzy, kterou lze využít jak pro kvantitativní, tak kvalitativní stanovení látek. Pro analýzu polymerních materiálů, identifikaci plastů a určení charakteru neznámých směsí polymerního odpadu se používá především technika ATR-FTIR spektroskopie (Attenuated Total Reflectance). ATR technika pracuje v MIR oblasti infračerveného spektra (střední infračervené záření; 4000–400 cm¯¹) a využívá odrazu záření na fázovém rozhraní krystal/ vzorek. Nevýhodou je, že záření do vzorku proniká pouze v jednotkách µm, lze tedy identifikovat pouze povrchovou vrstvu vzorku, která je v přímém kontaktu s krystalem [2]. Materiál, ze kterého je krystal vyroben, může být různý (diamant, ZnSe, ZnS). Dle použitého materiálu se pak liší optické vlastnosti krystalu, odolnost vůči žíravinám nebo tvrdost [3].

Naměřené IČ spektrum je u polymerních materiálů zpravidla velmi ostré, přehledné, a má jasně oddělené pásy. Na obr. 1 je uveden příklad spektra polymerního materiálu. V tomto případě se jedná o spektrum polyamidu 6, který je znám jako Silon.

CHEMAGAZIN/ALS Czech Republic: Infračervené spektrum Polyamidu 6 (Silonu)

Identifikace plastů a jejich příměsí může být provedena dvěma způsoby. Spektrum může být porovnáno s knihovnou spekter, což je databáze naměřených spekter standardů. Pokud není v knihovně nalezena shoda, nebo je potřeba zjistit bližší informace o vzorku, přistupuje se k identifikaci dle jednotlivých pásů. Příklad postupu stanovení několika častých polymerních materiálů je uveden na obr. 2.

CHEMAGAZIN/ALS Czech Republic: Příklad postupu stanovení některých polymerních materiálů

Technika ATR-FTIR spektroskopie umožňuje v polymerním odpadu identifikovat nebezpečné látky, jako jsou například ftaláty, které mohou mít nepříznivý vliv na lidský organismus.

Ftaláty v plastovém odpadu

Při výrobě polymerních materiálů jsou používána různá aditiva pro zlepšení jejich vlastností. Některé z nich, například ftaláty, však mohou být velmi nebezpečné. Ftaláty patří do skupiny esterů kyseliny ftalové a mají široké spektrum průmyslových aplikací [4]. Především jsou využívány jako plastifikátory při výrobě plastových materiálů, kde zlepšují jejich měkkost, pružnost, flexibilitu a odolnost. Využívají se pro výrobu PVC, vinylu, ale také u dalších materiálů. Ftaláty nejsou k polymerům nijak vázány a mohou se tak snadno uvolňovat do okolního prostředí, které je tak těmito látkami silně kontaminováno.

Nepříznivý vliv těchto látek na zdraví lidí a zvířat je již jasně popsán [5]. Primární cesta, kterou se ftaláty dostávají do organismu, je jejich požití. Navzdory jejich nízké těkavosti se uvolňují a zůstávají v obytných prostorech. V tabulce 1 jsou uvedeny často používané ftaláty a jejich vliv na organismus.

Tab. 1: Potenciální nepříznivé efekty ftalátu na lidský organismus [6]

Ftaláty - Příklady možných zdrojů expozice - Potenciální zdravotní dopady

• Dietyl ftalát - Farmaceutický průmysl, kosmetické produkty, insekticidy - Snížení rychlosti růstu, přejídání, zvýšení hmotnosti orgánů
• Dibutyl ftalát (DBP) - Kosmetické produkty, acetátová vlákna, laky, nátěry - Účinky na játra a ledviny, vývojové a reprodukční účinky, snížení hmotnosti plodu
• Butylbenzyl ftalát - Vinylové podlahy, lepidla, tmely, obaly na potraviny, hračky - Teratogen, ovlivňuje úroveň steroidních hormonů, reprodukce
• Di(2-etylhexyl) ftalát (DEHP) - PVC plasty, hračky, podlahy, čalounění nábytku, obklady stěn, obaly na potraviny - Neblahý vliv na reprodukci, teratogen, karcinom jater

Při analýze domovního odpadu, recyklovaného odpadu a původních plastů bylo zjištěno, že ftaláty jsou identifikovány ve většině těchto plastů. Nejčastěji jsou v polymerních odpadech detekovány dibutyl-ftalát (DBP), diisobutyl-ftalát (DiBP) a di(2-etylhexyl)-ftalát (DEHP). Je zřejmé, že velké množství ftalátů je přidáváno až v pozdější fázi výroby plastových materiálů, například při lepení a označování výrobků. V rámci testování také nebyl nelezen významný rozdíl v obsahu ftalátů v plastovém a recyklovaném odpadu. Během recyklace plastových materiálů se tedy ftaláty dostávají do recyklátu, což má za následek hromadění množství ftalátů, kterému je populace vystavována. Pokud je recyklát následně používán na plastové výrobky citlivé na obsah ftalátů, jako jsou například hračky nebo potravinové obaly, je nutné v těchto materiálech přítomnost ftalátů pečlivě sledovat [7]. Pro sledování ftalátů v polymerním odpadu může být s velkou výhodou využívána právě FTIR spektroskopie.

FTIR spektrometrie pro stanovení ftalátů

Vzhledem k tomu, že ftaláty jsou organické sloučeniny s nenulovým dipólovým momentem, je možné je stanovit pomocí infračervené spektrometrie. V infračerveném spektru lze nalézt dvě oblasti, které jsou pro ftaláty specifické. V oblasti okolo 741 cm¯¹ je možné identifikovat pás, který odráží vibraci ortho-substituované skupiny na aromatickém kruhu ftalátů. Dále lze najít dvojici pásů (dublet) v oblasti okolo 1601 cm¯¹ a 1581 cm¯¹. Toto jsou pásy vibrace aromatického kruhu, jejich frekvence se může lišit v závislosti na substituci [5]. Na uvedené pásy lze provést kalibrace a následně tak stanovovat obsah ftalátů ve vzorku. Druh ftalátu je poté možné blíže specifi kovat na základě pásů typických pro alifatické skupiny. Na obr. 3 je uveden příklad spektra ftalátu, konkrétně benzyl butyl ftalátu. Spektrum je přiblíženo pouze na část střední infračervené oblasti, kde jsou specifi cké pásy vyznačeny.

CHEMAGAZIN/ALS Czech Republic: Přiblížené spektrum benzyl butyl ftalátu, s označením pro ftaláty

Závěr

Infračervená spektrometrie (FTIR) je dnes v plastikářském průmyslu často využívanou technikou. Díky dostupnosti rozsáhlé knihovny spekter mohou laboratoře ALS Czech Republic nabídnout tuto techniku pro identifikaci, klasifikaci a kvantifikaci celého spektra polymerů v plastech, plastových materiálech i plastových odpadech.