Nové metody stanovení prvku ve vzorcích popílku

Mgr. Alice Staňková, Ph.D.

Disertační práce

New Methods of Metals Determination in Fly Ash Samples

Anotace:

Naše společnost produkuje řadu odpadů, mezi které se řadí i popílky. Popílky jsou pevné odpady vznikající během spalování domácího, průmyslového odpadu ve spalovnách odpadů, případně při spalování uhlí v elektrárnách. Ve svém souhrnu představují popílky značnou část odpadů produkovaných naší společností. Existují různé způsoby, jak lze tyto popílky recyklovat: např. ve stavebním průmyslu, v konstrukci silnic a dálnic. Rovněž jsou skladovány pro pozdější použití. Zdroje popílků (uhlí a odpady) způsobují jeho různé mineralogické a chemické složení. Protože popílky mají různé možnosti dalšího použití, je velmi důležité stanovit u popílků chemické složení. Klasické metody přípravy těchto vzorků pro analýzu je rozklad kyselinami, nebo metodami alkalického tavení. Tyto metody jsou časově náročné, a ne vždy stoprocentně úspěšné. Také risk kontaminace kyselinami nebo tavidly je v průběhu analýzy nezanedbatelný. V průběhu posledního desetiletí nastal velký rozvoj analýzy pevných vzorků pomocí laserové ablace, a to z důvodu nutnosti zredukovat čas analýzy a zredukovat množství rozpouštědel. Tato práce zkoumá dvě metody, které jsou založené na laserové ablaci, využitelné pro analýzu popílků: Spektroskopie laserem indukovaného mikroplazmatu (LIBS) a Laserová ablace spojená s indukčně vázaným plazmatem spojeným s hmotnostní spektroskopií (LA-ICP-MS). LIBS byl použit pro kvantitativní stanovení makroprvků v popílcích, oproti tomu, spojení laserové ablace s ICP (LA-ICP-MS) bylo použito pro stanovení stopových prvků. Hlavním problémem diskutovaným v této práci je citlivost a možnosti kvalitativní a kvantitativní kalibrace. Příprava vzorků byla zoptimizována pro stanovení Al, As, Ba, Ca, Cr, Cu, Fe, Mg, Mn, Pb, Sr, V a Zn, a to oběma zmíněnými metodami. Na závěr byl vypočítán, pro testovaná pojiva a vybrané vnitřní standardy, limit detekce a správnost. Metody přímé analýzy pevných látek pomocí laserové ablace, popsané v této práci, konstatují její dobrou využitelnost pro stanovení makroprvků a stopových prvků.

Abstract:

Solid waste generated by our society are numerous, fly ashes are produced during the combustion of domestic or industrial waste in incinerators. Fly ashes are also produced through coal combustion in coal fired power plants. Fly ashes are results of these combustions and represent important quantity of wastes produced every year by our society. They have variable use – in construction, road industry, or they can be stocked for further use. As they are result of different origin, they have complex mineral and elemental composition. As a by-product or as a recycled product fly ashes fate is important to determine. In this view the determination of the elemental composition of fly ashes is the aim of this work. Conventional methods of sample preparation are acid digestion or alkali fusion. These procedures are time and reagent consuming and complete digestion is not assured. The potential contamination of the reagents employed is important during these classical sample preparation methods. During the past decade, development of direct solid sampling using laser ablation methods was important due to the need of reducing analysis time and also reducing reagent consumption. In this work, two methods based on laser ablation will be studied for fly ash analysis: Laser Induced Breakdown Spectroscopy (LIBS) and Laser Ablation Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry (LA-ICP-MS). LIBS will be studied for quantitative determination of major elements in fly ash samples while Laser ablation / ICP MS will be employed for trace element determination. The sensitivity optimization and different calibration strategies are key problems of laser sampling methods. Sample preparation and condition optimisation were performed to determine major, minor and trace elements such as Al, As, Ba, Ca, Cr, Cu, Fe, Mg, Mn, Pb, Sr, V and Zn by both methods – LIBS for major elements and LA-ICP-MS for minor and trace elements. Figures of merit such as detection limits, accuracy and calibration strategy were obtained following suitable developments and optimisation of instrument settings and a careful selection of binders and internal standards. Appropriate conditions were selected to determine the elements in fly ash samples. In conclusion, direct solid sampling using laser ablation followed by LIBS or for solid introduction into ICP was found to determine major, minor and trace elements in fly ashes, improving pellets mechanical stability, high samples sensitivity and acceptable accuracy and detection limits.

Keywords

Popílky, laserová ablace, LIBS, LA-ICP-MS Laser ablation, fly ash, inductively coupled plasma (ICP), LA-ICP-MS

Jazyk práce: angličtina

Datum vytvoření / odevzdání či podání práce: 10. 9. 2010

Obhajoba závěrečné práce

• Obhajoba proběhla 10. 9. 2010
• Vedoucí: prof. RNDr. Viktor Kanický, DrSc.
• Oponent: prof. Ryszard Lobinski, Dr. prof. Ing. Karol Flórián, DrSc.

Masarykova univerzita

Přírodovědecká fakulta

Doktorský studijní program / obor:
Chemie (čtyřleté) / Analytická chemie