Udržitelná a bezpečná těžba ve městech

Rostoucí povědomí o životním prostředí a nedostatek surovin nutí stavební průmysl k zamyšlení. Ve stavebních a sanačních projektech se používá stále více druhotných surovin. Nová vyhláška o náhradních stavebních materiálech (Ersatzbaustoffverordnung nebo EVB) [1] stanoví právní rámec, který má zajistit, aby tyto materiály nepředstavovaly riziko pro lidi nebo životní prostředí. Součástí tohoto opatření je také snížení limitů pro mnoho těžkých kovů. To má důsledky pro zkušební laboratoře, protože budou muset v budoucnu používat nové metody a vybavení, aby si udržely náskok před konkurencí.

Jsou všestranné, udržitelné a lze jej použít mnoha různými způsoby: To jsou náhradní stavební materiály. Jsou vyrobeny z druhotných surovin a používají se ve stavebnictví jako náhrada primárních surovin. Patří mezi ně materiály, jako je popílek/struska, odpadní písek, vytěžená zemina a recyklované materiály. Jejich používání snižuje poptávku po primárních surovinách, snižuje množství odpadu a minimalizuje dopad na životní prostředí.

Použití náhradních stavebních materiálů

V silničním stavitelství, kde lze beton, cihly a asfalt v recyklované formě použít jako podklad pro silnice, chodníky a parkoviště a také jako výplňový materiál v inženýrském stavitelství. Ve stavebnictví, kde lze recyklovanou sádru použít například do sádrokartonu. Beton a cihly lze recyklovat jako kamenivo do nového betonu. Při sanaci a rekultivaci skládek a těžebních prostor, kde náhradní stavební materiály mohou pomoci zlepšit kvalitu půdy a snížit dopad na životní prostředí.

Za účelem další podpory používání těchto materiálů a tím i posílení cirkulární ekonomiky vypracovalo Německo vyhlášku o náhradních stavebních materiálech (EBV), která vstoupila v platnost 1. srpna 2023. Zavádí významné změny ve způsobu používání náhradních stavebních materiálů, ale také zajišťuje větší právní jistotu pro uživatele a recyklační společnosti.

Nejde však jen o Německo, ve skutečnosti mnoho zemí v celé Evropě usiluje o předpisy a normy pro náhradní stavební materiály s podobnými cíli jako německá EBV.

Ve Spojeném království (UK) platí "Quality Protocol for the production of aggregates from inert waste". Tento protokol definuje normy kvality pro použití inertního odpadu jako náhrady přírodního kameniva. Obsahuje základní pokyny, jak by se měl inertní odpad používat, a zajišťuje, aby granuláty z něj získané splňovaly určité normy.

V Nizozemsku upravuje použití zeminy a vytěženého materiálu vyhláška o kvalitě zeminy (místně známá jako Besluit bodemkwaliteit). Stanovuje limitní hodnoty znečišťujících látek a stanovuje, že materiály nesmí představovat riziko pro lidské zdraví.

Ve Francii platí vyhláška o zhodnocování vytěženého materiálu a písku (Décret sur la Valorisation des Déblais et des Sables), která stanoví podmínky pro používání vytěžených materiálů a písku ve stavebnictví.

A v Belgii upravuje vlámské nařízení o udržitelném řízení materiálových cyklů a odpadů (VLAREMA) používání náhradních stavebních materiálů a stanovuje mezní hodnoty pro různé znečišťující látky.

Cílem všech těchto regulací je podpořit používání náhradních stavebních materiálů a zároveň zajistit vysoké standardy bezpečnosti a šetrnosti k životnímu prostředí. Zdůrazňují skutečnost, že snaha o udržitelnost a ochranu životního prostředí ve stavebnictví je pro mnoho zemí v Evropě vysokou prioritou.

Nové metody, nová zařízení

Ačkoli to pro recyklátory a stavební firmy znamená větší bezpečnost a zjednodušení, pro mnohé zkušební laboratoře to znamená nové postupy a možná i nezbytné aktualizace. Jedna z důležitých změn se totiž týká mezních hodnot pro skupinu zemin a vytěžených materiálů. Nová vyhláška stanovuje přísnější limity pro řadu znečišťujících látek, včetně těžkých kovů, jako je olovo, kadmium, thallium a rtuť.

Zavedené nižší mezní hodnoty, zejména pro kadmium a thallium, vyžadují, aby řada laboratoří přehodnotila své analytické metody, protože často používaná technika optické emisní spektrometrie s indukčně vázaným plazmatem (ICP-OES) požadované mezní hodnoty nesplňuje. Osvědčená atomová absorpční spektrometrie (AAS) je v novém nařízení určena pouze pro stanovení rtuti.

To znamená, že je třeba nahradit dvě dříve často používané analytické techniky. Zde se osvědčuje zejména technika hmotnostní spektrometrie s indukčně vázaným plazmatem (ICP-MS), která nabízí velmi vysokou citlivost a přesnost. Dokáže detekovat i nejmenší množství těžkých kovů přítomných ve vzorku (ppb a menší).

Nico Gilles, produktový specialista pro prvkovou spektroskopii ve společnosti Shimadzu Germany, vyvinul novou metodu, která umožňuje zkušebním laboratořím snadno dosáhnout robustních a stabilních výsledků měření pomocí ICP-MS i ve vzorcích s komplexním složením matrice. Testování bylo provedeno na přístroji Shimadzu ICPMS. Vzorky musely projít všemi požadovanými testy dlouhodobé stability, míry výtěžnosti a detekčního limitu.

Optimalizovaná konstrukce hořáku nové řady ICPMS-2040 a -2050 rovněž zajišťuje nízkou spotřebu argonu a vyšší průchodnost vzorků.

Shimadzu: Obrázek 1: nové ICPMS-2050.

Vývoj metody

Při vývoji metody byly všechny vzorky odebrány a zpracovány tak, jak je uvedeno ve vyhlášce o náhradních stavebních materiálech. Požadovaný vodný výluh byl připraven podle normy DIN 19529 a rozklad lučavkou královskou byl proveden podle normy DIN 13657.

Při ICP-MS analýze se k předem rozpuštěnému vzorku obvykle přidává vnitřní standard, aby se kompenzovaly možné zdroje chyb během analýzy. Tato vnitřní reference je proto důležitou součástí zajištění kvality, která zvyšuje spolehlivost výsledků měření.

Kapalný vzorek se prostřednictvím chlazené mlžné komory přemění na jemný aerosol, který je poté ionizován v horkém argonovém plazmatu. Vzniklé ionty jsou pak v hmotnostním spektrometru separovány podle poměru hmotnosti k náboji a určeny detektorem během stanovené integrační doby. Tímto způsobem lze přesně stanovit velmi nízké koncentrace zkoumaných prvků. Prvky relevantní pro analýzu půdního a vytěženého materiálu jsou arsen, olovo, kadmium, chrom, měď, nikl, rtuť, thallium a zinek v pevném materiálu a antimon, molybden a vanad v eluátu.

Ověřování dlouhodobé stability pomocí CCV

Metodu je možné průběžně ověřovat pravidelným měřením kalibračních standardů během analýzy v rámci tzv. kontinuálního ověřování kalibrace (CCV). Výsledky tohoto dlouhodobého pozorování jsou uvedeny níže na obrázcích 2 a 3 pro kalibrační standardy Cal 2 a Cal 4. Zobrazené mezní hodnoty (červené čáry) jsou 70 % a 130 % podle normy DIN EN 16171:2017 a v žádném případě nebyly překročeny.

Ověření: Míra výtěžnosti CRM

Aby bylo možné externě ověřit výsledky měření a zároveň přezkoumat metodu, byl proveden rozklad certifikovaného referenčního materiálu (CRM) BAM-U115 pomocí lučavky královské. Stejně jako u CCV byla měření prováděna každou hodinu a vzájemně porovnávána. Všechny výsledky byly v tolerančním rozmezí.

Kromě dlouhodobé stability a míry výtěžnosti je pro splnění EBV samozřejmě nutné dodržet také limity detekce a kvantifikace. Jak již bylo zmíněno na začátku, nová vyhláška o náhradních stavebních materiálech s velmi nízkými limitními hodnotami, zejména pro kadmium a thallium, klade na technologii měření nároky, které již nelze realizovat pomocí ICP-OES.

Detekční limity

V souladu s požadavky vyhlášky o náhradních stavebních materiálech nesmí mez detekce metody překročit jednu třetinu stanovené mezní hodnoty příslušného prvku. V důsledku toho byly jako mez stanovitelnosti použity příslušné mezní hodnoty podle vyhlášky o náhradních stavebních materiálech. Díky metodě ICP-MS vyvinuté společností Shimadzu bylo možné spolehlivě splnit požadované mezní hodnoty, tj. mez detekce (LoD) a mez stanovitelnosti (LoQ), a to s maximální robustností a zároveň dlouhodobou stabilitou (tabulka 1).

Zavedení nové vyhlášky o náhradních stavebních materiálech pro zemní materiál a vytěžený materiál v Německu k 1. srpnu 2023 klade na zkušební laboratoře nové požadavky. Přestože nákup nového analyzátoru může být skutečně nezbytný, vývojové práce společnosti Shimadzu poskytly laboratořím metodu, jak spolehlivě dodržet stanovené limitní hodnoty pomocí ICP-MS. Mohou tak i nadále plnit svůj důležitý úkol, kterým je zajištění bezpečnosti náhradních stavebních materiálů.

Shimadzu: Obrázek 2: CCV of Cal 2.

Shimadzu: Obrázek 3: CCV of Cal 4.

Shimadzu: Tabulka 1: Limity detekce a kvantifikace ILoD & ILoQ: přístrojový limit detekce/kvantifikace; EBV-LoD: 1/3 EBV-LoQ (mezní hodnota z EBV) pro měření pomocí rozkladů lučavkou královskou.