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.
<h4>Použití náhradních stavebních materiálů</h4>
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 &quot;Quality Protocol for the production of aggregates from inert waste&quot;. 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.
<h4>Nové metody, nová zařízení</h4>
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 (<a href="https://icpms.cz/library?instrumentationItems=84&amp;mainauthorItems=1">ICP-OES</a>) požadované mezní hodnoty nesplňuje. Osvědčená atomová absorpční spektrometrie (<a href="https://icpms.cz/library?instrumentationItems=85&amp;mainauthorItems=1">AAS</a>) 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 (<a href="https://icpms.cz/library?instrumentationItems=83&amp;mainauthorItems=1">ICP-MS</a>), 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 <a href="https://icpms.cz/products?category=232&amp;manufacturerItems=1&amp;search=ICPMS">Shimadzu ICPMS</a>. 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.
<img src="https://storage.googleapis.com/labrulez-bucket-strapi-h3hsga3/Shimadzu_Udrzitelna_a_bezpecna_tezba_ve_mestech_Obrazek_1_nove_ICPMS_2050_4191e32321.jpg" alt="Shimadzu: Obrázek 1: nové ICPMS-2050."/>
<h4>Vývoj metody</h4>
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.
<h4>Ověřování dlouhodobé stability pomocí CCV</h4>
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.
<h4>Ověření: Míra výtěžnosti CRM</h4>
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.
<h4>Detekční limity</h4>
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.
<img src="https://storage.googleapis.com/labrulez-bucket-strapi-h3hsga3/Shimadzu_Udrzitelna_a_bezpecna_tezba_ve_mestech_Obrazek_2_CCV_of_Cal_2_bcc152337e.jpg" alt="Shimadzu: Obrázek 2: CCV of Cal 2."/>
<img src="https://storage.googleapis.com/labrulez-bucket-strapi-h3hsga3/Shimadzu_Udrzitelna_a_bezpecna_tezba_ve_mestech_Obrazek_3_CCV_of_Cal_4_5be0089157.jpg" alt="Shimadzu: Obrázek 3: CCV of Cal 4."/>
<img src="https://storage.googleapis.com/labrulez-bucket-strapi-h3hsga3/Shimadzu_Udrzitelna_a_bezpecna_tezba_ve_mestech_Tabulka_1_Detection_and_quantification_limits_I_Lo_D_and_I_Lo_Q_Instrumental_limit_of_detection_quantification_635bd9a1ea.jpg" alt="Shimadzu: Tabulka 1: Limity detekce a kvantifikace ILoD &amp; ILoQ: přístrojový limit detekce/kvantifikace; EBV-LoD: 1/3 EBV-LoQ (mezní hodnota z EBV) pro měření pomocí rozkladů lučavkou královskou."/>

Udržitelná a bezpečná těžba ve městech

Lithium-iontové sekundární baterie (LIB) se používají v mnoha výrobcích, například v chytrých telefonech a elektromobilech, protože jsou malé a lehké, a přitom mají vysokou kapacitu nebo hustotu energie. Existuje však riziko vznícení a vzniku tepla, a proto je zajištění bezpečnosti kritickou otázkou. Je známo, že prvkové složení katodových materiálů je jedním z nejdůležitějších faktorů, které ovlivňují hustotu energie a bezpečnost.&nbsp;V této aplikační novince byly analyzovány hlavní prvky a příměsové prvky katodového materiálu LIB pomocí přístroje <a target="_blank" rel="noopener noreferrer" href="https://icpms.cz/products/926">ICPE9820</a> (obr. 1). Byly provedeny validační testy hodnot analýzy a testy stability (2,5hodinová odchylka, 5denní denní odchylka) hlavních složek.<img src="https://storage.googleapis.com/labrulez-bucket-strapi-h3hsga3/Shimadzu_ICPE_9800_Series_ICP_emisni_spektrometry_9800_2_653fa954e9/Shimadzu-ICPE-9800-Series-ICP-emisni-spektrometry-9800_2.jpg" alt="Shimadzu: Obr. 1 ICPE-9820" srcset="https://storage.googleapis.com/labrulez-bucket-strapi-h3hsga3/thumbnail_Shimadzu_ICPE_9800_Series_ICP_emisni_spektrometry_9800_2_653fa954e9/thumbnail_Shimadzu-ICPE-9800-Series-ICP-emisni-spektrometry-9800_2.jpg 245w," sizes="100vw" width="780" height="390"><h4>Předúprava vzorku&nbsp;</h4>Postup předúpravy vzorku je znázorněn na obr. 2.<img src="https://storage.googleapis.com/labrulez-bucket-strapi-h3hsga3/Shimadzu_Preduprava_vzorku_5cafcf2c49.jpg" alt="Shimadzu: Obr. 2 Předúprava vzorku" srcset="https://storage.googleapis.com/labrulez-bucket-strapi-h3hsga3/thumbnail_Shimadzu_Preduprava_vzorku_5cafcf2c49.jpg 165w," sizes="100vw" width="921" height="871"><h4>Konfigurace přístroje a podmínky analýzy&nbsp;</h4>V tabulce 1 je uvedena konfigurace přístroje. Pro snížení provozních nákladů byla analýza provedena pomocí mini hořáku s nižší spotřebou argonu ve srovnání s běžným hořákem. Podmínky analýzy jsou uvedeny v tabulce 2. V této aplikaci byl použit axiální i radiální pohled. Výhodou axiálního pohledu je vyšší citlivost ve srovnání s radiálním pohledem. Na druhou stranu je axiální pohled náchylnější k ionizačním interferencím než radiální pohled, který pozoruje pouze vysokoteplotní oblast plazmatu, což vede k užšímu rozsahu koncentrací.&nbsp;Například kalibrační křivky Li pro axiální a radiální zobrazení jsou uvedeny na obr. 3. Axiální zobrazení je citlivější, ale linearita je v oblasti vysokých koncentrací slabá. Proto bylo radiální zobrazení použito k analýze hlavních složek v oblasti vysokých koncentrací a axiální zobrazení bylo použito k analýze elementárních nečistot v oblasti stopových koncentrací.<img src="https://storage.googleapis.com/labrulez-bucket-strapi-h3hsga3/Shimadzu_Tabulky_1_a_2_Konfigurace_pristroje_a_podminky_analyzy_26e47a5da5.jpg" alt="Shimadzu: Tabulky 1 a 2 - Konfigurace přístroje a podmínky analýzy" srcset="https://storage.googleapis.com/labrulez-bucket-strapi-h3hsga3/thumbnail_Shimadzu_Tabulky_1_a_2_Konfigurace_pristroje_a_podminky_analyzy_26e47a5da5.jpg 245w," sizes="100vw" width="1322" height="805"><h4>Stabilita hlavních složek při analýze</h4>Pro potvrzení přesnosti metody byly zkontrolovány dlouhodobé a denní změny hlavních složek. Analytická stabilita byla potvrzena také pro molární poměr Li/ (Co + Ni + Mn), který je znám jako důležitý faktor pro výkonnost LIB. Co se týče dlouhodobých změn, byla zkontrolována změna koncentrace hlavních složek po dobu 2,5 hodiny nepřetržité analýzy. Výsledky jsou uvedeny na obr. 4. Při nastavení průměrné hodnoty na 100 % se odchylka pohybovala v rozmezí 98 až 102 % a relativní směrodatná odchylka byla menší než 1 %. Výsledky jsou uvedeny v tabulce 5. Denní odchylka byla vyhodnocena pomocí relativní směrodatné odchylky přesnosti na základě měření provedených v průběhu pěti dnů. I zde byly výsledky dobré, všechny byly menší než 1 %.<img src="https://storage.googleapis.com/labrulez-bucket-strapi-h3hsga3/Shimadzu_Obr_4_Dlouhodoba_stabilita_hlavnich_slozek_005602c30b.jpg" alt="Shimadzu: Obr. 4 Dlouhodobá stabilita hlavních složek" srcset="https://storage.googleapis.com/labrulez-bucket-strapi-h3hsga3/thumbnail_Shimadzu_Obr_4_Dlouhodoba_stabilita_hlavnich_slozek_005602c30b.jpg 245w," sizes="100vw" width="1349" height="320"><h4>Vlnová délka analýzy prvkových nečistot&nbsp;</h4>Jako vlnová délka analýzy byla zvolena vlnová délka doporučená softwarem <a target="_blank" rel="noopener noreferrer" href="https://icpms.cz/library?mainauthorItems=1&amp;search=ICPEsolution">ICPEsolution</a>. Aplikace ICPEsolution umožňuje uživatelům určit doporučené vlnové délky, které mají nízkou ekvivalentní koncentraci pozadí (BEC) a jsou obecně méně náchylné k interferenci s vlnovými délkami registrovanými pro jednotlivé prvky (obr. 5). Vzorek pro analýzu prvkových nečistot byl analyzován pomocí kalibračních standardů uvedených v tabulce 6.&nbsp;Vzhledem k tomu, že katodové materiály obsahují velké množství Li, Co, Ni a Mn, může při analýze prvkových nečistot docházet ke spektroskopickým interferencím těchto hlavních prvků. Proto je důležité zvolit optimální vlnovou délku, která není ovlivněna spektrální interferencí.&nbsp;Vlnové délky 202,548 nm a 213,856 nm Zn mají vysokou citlivost při nízké BEC (obr. 5), ale píky Ni a Co se překrývají při 202,548 nm a píky Ni se překrývají při 213,856 nm (obr. 6).&nbsp;Jak ukazuje obr. 5, ICPEsolution umožňuje uživatelům zkontrolovat, které píky prvků se pravděpodobně překrývají, pomocí funkce „Peak Search“. Funkce „All-wavelength Data Acquisition“ navíc umožňuje po měření odečíst data. I v případě, že hlavní složky nejsou známy, lze po měření přidat kvalitativní analýzu všech prvků a snadno určit, které prvky jsou obsaženy ve velkém množství. Pomocí této funkce mohou uživatelé potvrdit a kvantifikovat profil vlnové délky, která nebyla zaregistrována, aniž by museli provádět opakované měření. V této studii byla pro kvantitativní analýzu Zn použita vlnová délka 206,200 nm, která je bez interferencí (obr. 7). S má relativně nízkou BEC při 180,731 nm a 182,037 nm, ale Mn interferuje s oběma. Při 182,625 nm dochází k mírné interferenci B, ale protože bylo potvrzeno, že koncentrace B ve vzorku je pod mezí detekce, bylo použito 182,625 nm.&nbsp;Pokud vzorek obsahuje velké množství B, je lepší provést meziprvkovou korekci při 180,731 nm, kde je interference Mn relativně malá. Pomocí ICPEsolution může uživatel snadno provádět meziprvkovou korekci jednoduchým výběrem prvků a vlnových délek, které se mají pro operaci použít. Pozor je třeba dávat v případech, kdy je velikost korekce mnohem větší než kvantitativní hodnota S, protože pravděpodobně dojde k chybě (obr. 8).<img src="https://storage.googleapis.com/labrulez-bucket-strapi-h3hsga3/Shimadzu_Obr_6_Profil_Zn202_548_nm_vlevo_a_213_856_nm_vpravo_08f93c63f9.jpg" alt="Shimadzu: Obr. 6 Profil Zn202,548 nm (vlevo) a 213,856 nm (vpravo)" srcset="https://storage.googleapis.com/labrulez-bucket-strapi-h3hsga3/thumbnail_Shimadzu_Obr_6_Profil_Zn202_548_nm_vlevo_a_213_856_nm_vpravo_08f93c63f9.jpg 245w," sizes="100vw" width="1437" height="361"><h4>Závěr&nbsp;</h4>V této aplikační novince byl <a target="_blank" rel="noopener noreferrer" href="https://icpms.cz/products/926">přístroj ICPE-9820</a> použit k analýze hlavních složek a prvkových nečistot v katodových materiálech LIB. Analýza hlavních složek ukázala, že výsledky jsou dlouhodobě stabilní a vykazují malé denní odchylky. Dobrých výsledků bylo dosaženo při analýze prvkových nečistot v testech výtěžnosti hrotů a byla potvrzena platnost analýzy. Kromě toho byly prvky a vlnové délky přidány po měření a bylo možné určit vhodnou analytickou vlnovou délku bez opakovaného měření.ICPE-9820 nabízí nízké provozní náklady i stabilní měření. Kromě toho praktické funkce, jako je pořizování dat o všech vlnových délkách, umožňují efektivně analyzovat i vzorky s vysokou spektrální interferencí. ICPE-9820 je proto ideálním přístrojem pro prvkovou analýzu katodových materiálů LIB.

Analýza hlavních složek a prvkových nečistot lithium-iontových katodových materiálů pomocí ICPE-9820

Webináře

Aplikace

Akademie

Osobnosti

Plasty

Životní prostředí

Potraviny

Vody

Zdraví

Přednáška

Vědecký článek

Rozhovor

Toxikologie

Popularizace

Věda a výzkum

Software

Covid-19

Kariéra

Článek

Laboratoře

Různé

Produkt

Video

Poster

Nejbližší akce

Typ novinky

Zaměření

Naším posláním je šířit informace o produktech firmy Shimadzu v oblasti instrumentálních analytických přístrojů, přístrojů pro testování materiálů a speciálních přístrojů pro life science, jejich prodej a následně - instalace, zaškolení, záruční a pozáruční servis, ověřování a validace a aplikační podpora.

SHIMADZU Handels GmbH - organizační složka

Představení nové série Reometru společně se softwarem RheoCompas

ALS Kurz Analýzou HYDRAULICKÝCH a TURBÍNOVÝCH olejů k větší efektivitě výroby

Svět měření na dosah: Potravinářské technologie

Novel Advancements in Trace Level Determination and Longterm Stability of Metals in TMAH and UPW matrices

Meet Compact-Q DEER Spectrometer, Your Gateway to Quantum Innovation

Process Raman: A Reliable and Versatile Tool For Downstream Process Monitoring and Control For mAB Production