Analýza recyklovaných materiálů pomocí EDXRF

Přínosy pro uživatele

• Je možná analýza různých forem materiálů, včetně pevných látek, práškových materiálů a kapalin.
• V závislosti na účelu lze provádět různé typy analýz – od screeningové analýzy toxických prvků až po kvalitativní a kvantitativní analýzu pro kontrolu kvality.
• Jednoduchá analýza je možná bez chemické přípravy vzorku.

Úvod

Používání recyklovaných materiálů se zvyšuje v reakci na rostoucí povědomí o ochraně životního prostředí. V automobilovém průmyslu jsou například nárazníky vyráběny opětovným využitím získaných plastů a v elektrotechnickém a elektronickém průmyslu jsou chytré telefony vyráběny s použitím recyklovaného hliníku.

Na pozadí rostoucího využívání recyklovaných materiálů jednotlivé státy zavedly právní a regulační rámce. Například v roce 2021 německá vláda novelizovala německý zákon o obalech (VerpackG) a stanovila, že podíl recyklovaných plastů v jednorázových PET lahvích musí od 1. ledna 2025 činit nejméně 25 %.

Na druhé straně je při výrobě recyklovaných produktů zásadní kontrola kvality, protože jsou používány suroviny s různým a často neznámým původem. Vzhledem k riziku kontaminace toxickými prvky, jako jsou olovo a rtuť, je důležité ověřit, že výrobky splňují požadavky směrnic RoHS/ELV a dalších předpisů.

Tento článek představuje příklady screeningové analýzy toxických prvků a prvkové analýzy prováděné kvalitativními a kvantitativními metodami u různých recyklovaných materiálů, včetně plastů, pryží a skel.

Recyklovaná pryskyřice (analýza toxických prvků)

Byla provedena screeningová analýza celkem 9 prvků, včetně 5 prvků podle směrnice RoHS a dále Cl, Sb, P a Sn, u 100% recyklovaného polyethylenu (PE). Obr. 1 zobrazuje fotografii vzorku a tabulka 1 uvádí výsledky analýzy.

Shimadzu: Analýza recyklovaných materiálů pomocí EDXRF: Obr. 1 100% recyklovaný PEShimadzu: Analýza recyklovaných materiálů pomocí EDXRF: Tabulka 1 Výsledky screeningové analýzy 100% recyklovaného PE*ND: pod dolní mezí detekce.
**Prahové hodnoty předpokládají Cd: 70–130 ppm, ostatní prvky kromě Cd: 700–1300 ppm.

Recyklovaná pryž (analýza složení)

Kromě toxických prvků je důležitá také kontrola kvality přísad a cizorodých částic ve výrobcích. Obsah jednotlivých prvků lze řídit pomocí kvalitativní a kvantitativní analýzy. Obr. 2 zobrazuje fotografii vzorku a tabulka 2 uvádí výsledky kvalitativní a kvantitativní analýzy.

Shimadzu: Analýza recyklovaných materiálů pomocí EDXRF: Obr. 2 Recyklovaná pryžShimadzu: Analýza recyklovaných materiálů pomocí EDXRF: Tabulka 2 Výsledky kvalitativní a kvantitativní analýzy recyklované pryže*Kvantitativní výpočet za předpokladu, že zbytek tvoří C₁₂H₂₆.

RPF (analýza Cl)

Protože je RPF (Refuse Paper and Plastics Fuel; pevné palivo vyrobené z použitého papíru a odpadních plastů) nízkonákladové palivo s vysokou výhřevností, používá se jako alternativa k fosilním palivům. Kontrola koncentrace chloru (Cl) je však zásadní, protože při spalování může docházet ke korozi kotlů v důsledku tvorby chloridů s nízkou teplotou tání. Tabulka 3 uvádí kvalitu a klasifikaci RPF (JIS Z 7311) podle celkového obsahu chloru (Cl).

Jako metoda pro stanovení Cl je rovněž uvedena chemická analytická metoda (JIS Z 7302-6), avšak vzhledem k tomu, že analytický postup je složitý a výsledky měření jsou k dispozici až po delší době, používá se EDXRF jako screeningová metoda pro účely dobrovolné kontroly. Vzhledem k povaze RPF se koncentrace Cl liší v závislosti na místě odběru vzorku. Proto je důležité provádět měření Cl na více místech. Obr. 3 znázorňuje výsledky kvantitativního stanovení Cl ve vzorku zobrazeném na obrázku s využitím screeningové analytické sady.

Shimadzu: Analýza recyklovaných materiálů pomocí EDXRF: Tabulka 3 Kvalita a klasifikace RPF (výňatek z JIS Z 7311)Shimadzu: Analýza recyklovaných materiálů pomocí EDXRF: Obr. 3 Výsledky kvantitativní analýzy Cl v RPF

Sklo (analýza složení / toxických prvků)

Odpadní sklo je často tříděno podle barvy, avšak vzhledem k tomu, že se jeho složení v mnoha případech liší, je vizuální třídění na základě barevných rozdílů někdy obtížné. Obr. 5 ukazuje výsledky měření bezbarvého transparentního skla (obr. 4: sodnovápenaté sklo / olovnaté sklo).
Pokud je olovo (Pb) taveno společně s běžným sodnovápenatým sklem, dochází v důsledku rozdílů v teplotách tání k narušení recyklačního procesu, což může vést k poškození tavné pece a k dalším problémům. Těmto rizikům lze však předejít pomocí EDX analýzy, která umožňuje snadné třídění materiálů.

Shimadzu: Analýza recyklovaných materiálů pomocí EDXRF: Obr. 4 Bezbarvé transparentní sklo; Vlevo: sodnovápenaté sklo, vpravo: olovnaté skloShimadzu: Analýza recyklovaných materiálů pomocí EDXRF: Obr. 5 Překrytí profilů sodnovápenatého skla a olovnatého sklaAnalýza toxických prvků v recyklovaném skle je rovněž důležitá. U hraček vyrobených z recyklovaného skla byla provedena screeningová analýza 5 prvků podle směrnice RoHS (obr. 6). Tabulka 4 uvádí výsledky analýzy.

Shimadzu: Analýza recyklovaných materiálů pomocí EDXRF: Obr. 6 Hračky vyrobené z recyklovaného skla

Shimadzu: Analýza recyklovaných materiálů pomocí EDXRF: Tabulka 4 Výsledky screeningové analýzy hraček vyrobených z recyklovaného skla*ND: pod dolní mezí detekce.
**Prahové hodnoty předpokládají Cd: 70–130 ppm a ostatní prvky kromě Cd: 700–1300 ppm.

Nové recyklované materiály (analýza složení)

Z pohledu cílů udržitelného rozvoje (SDGs) se v posledních letech rozšiřuje využívání materiálů, které byly dříve považovány za odpad. Mezi příklady patří obalový papír vyrobený z vápence nebo vaječných skořápek a biomateriály využívající obilniny nebo odpadní dřevo. Analýza toxických prvků a analýza složení těchto nových recyklovaných materiálů jsou rovněž důležité. Tabulka 5 uvádí výsledky kvalitativní a kvantitativní analýzy recyklovaného obalového papíru (obr. 7) vyrobeného z vaječných skořápek.

Shimadzu: Analýza recyklovaných materiálů pomocí EDXRF: Obr. 7 Recyklovaný obalový papír vyrobený z vaječných skořápekShimadzu: Analýza recyklovaných materiálů pomocí EDXRF: Tabulka 5 Výsledky kvalitativní a kvantitativní analýzy recyklovaného obalového papíru vyrobeného z vaječných skořápek*Ca byl stanoven ve formě uhličitanu vápenatého.
**Kvantitativní výpočet za předpokladu, že zbytek tvoří CH₂.

Závěr

EDX podporuje analýzy v širokém spektru aplikací – od screeningové analýzy toxických prvků až po kontrolu kvality. Vzhledem k tomu, že jednoduchou analýzu lze provádět bez složité přípravy vzorku, je EDX vhodná pro analýzu recyklovaných materiálů, jejichž význam se bude v budoucnu dále zvyšovat.

Analytické podmínky (1): RoHS screeningová analýza

Tabulka 6 Analytické podmínky (RoHS screeningová analýza)

• Prvky: ₄₈Cd, ₈₂Pb, ₂₄Cr, ₈₀Hg, ₃₅Br, ₁₇Cl, ₅₁Sb, ₁₅P, ₅₀Sn
• Typ analýzy: Screening
• Detektor: SDD
• Rentgenová lampa: Rh terč
• Napětí lampy: 10, 15, 30, 50 [kV]
• Proud lampy: Auto [µA]
• Kolimátor: 10 [mmφ]
• Primární filtry: žádný, #1, #2, #3, #4
• Atmosféra: vzduch
• Integrační čas: 100 [s] × 5 kanálů
• Mrtvý čas: max. 30 [%]
• Funkce automatické redukce času: vypnuta

Analytické podmínky (2): Kvalitativní a kvantitativní analýza

Tabulka 7 Analytické podmínky (kvalitativní a kvantitativní analýza)

• Prvky: ₁₁Na – ₉₂U
• Typ analýzy: kvalitativní a kvantitativní
• Detektor: SDD
• Rentgenová trubice: Rh terč
• Napětí trubice: 15 [kV] (Na–Sc), (S–Ca), 50 [kV] (Ti–U)
• Proud trubice: Auto [µA]
• Kolimátor: 10 [mmφ]
• Primární filtry: žádný (Na–Sc), (Ti–U), #2 (S–Ca)
• Atmosféra: vakuum
• Integrační čas: 60 [s] × 3 kanály
• Mrtvý čas: max. 30 [%]