Ny tilgang til forbedring af sporing af lossepladsrelateret forurening

Talrige farlige stoffer siver fra lossepladser til jord og grundvand, truer menneskers sundhed og miljøet. Imidlertid, nuværende metoder til overvågning af disse stoffer er besværlige og kan skabe yderligere farlige kemikalier.

En metode kendt som laserinduceret nedbrydningsspektroskopi (LIBS) tilbyder en renere, hurtigere og enklere tilgang end eksisterende teknologier til påvisning af forurenende stoffer i væsker, der kommer fra lossepladser, kendt som perkolater. I tidsskriftet The Optical Society Anvendt optik , et team af forskere, der arbejder i det brasilianske firma Embrapa Instrumentation, rapporterer forbedringer af LIBS-teknologien og bekræfter, at LIBS kan bruges til at påvise kviksølv i perkolater.

"LIBS er en miljømæssig ren teknik, der er fri for kemikalierester, sammenlignet med standardreferenceteknikker, der i øjeblikket anvendes til samme type analyse, sagde Carlos Menegatti, Universitetet i São Paulo, Brasilien, og avisens første forfatter. "I øvrigt, LIBS er en meget hurtigere teknik og kræver ikke forberedelse af prøverne."

Analyse af perkolater fra lossepladser

Når regnvand strømmer gennem en losseplads, den opfanger forskellige slags opløste og suspenderede forureninger. Lossepladsledere skal opsamle og behandle denne væske, før den kan føre forurening ud i den omgivende jord. For at vide, hvilke behandlingsmetoder der skal anvendes, ledere er afhængige af test, der opdager de specifikke forurenende stoffer, der er til stede, som skal reduceres til under de lovlige koncentrationstærskler.

Kviksølv er en af ​​de mest farlige forurenende stoffer, der findes i perkolat fra lossepladser. Det skader dyrelivet og er blevet forbundet med neurologiske og udviklingsmæssige problemer hos mennesker. De fleste miljøstandarder kræver, at kviksølv reduceres til under 0,5 ppm; det findes ofte i perkolater fra forbehandling i koncentrationer på 0,05 til 160 ppm.

Nuværende teknikker til påvisning af kviksølv og andre metalforurenende stoffer i perkolater omfatter atomabsorptionsspektroskopi, røntgenfluorescens, induktivt koblet plasma atomemissionsspektroskopi og induktivt koblet plasma massespektrometri. Selvom disse teknikker er meget præcise, de kræver besværlig forberedelse af prøver, gør det umuligt at opnå testresultater i realtid. Nogle af disse teknikker genererer også kemisk affald.

Den nye undersøgelse er den første, der anvender LIBS til påvisning af kviksølv i perkolat fra lossepladser. I LIBS, en prøve er målrettet med en intens laserpuls, som genererer et meget varmt plasma. Lyset, der udsendes fra dette plasma, fanges derefter og måles af et spektrometer, som kan kalibreres til at detektere de kemiske signaturer af specifikke forurenende stoffer.

Forfining af LIBS-opsætningen

Konventionel LIBS er ikke følsom nok til at påvise kviksølv i de koncentrationsniveauer, der er relevante for perkolat fra lossepladser. For at overvinde denne begrænsning, forskerne brugte en dobbeltpulsopsætning, hvor en serie af to laserimpulser målretter prøven, genererer et endnu mere intenst plasma. Dette øger mængden af ​​lys, der udsendes af plasmaet, hvilket forbedrer sansningsfølsomheden.

"Dette var første gang, at den dobbelte puls LIBS blev anvendt til at måle kviksølv i en fast prøve, " sagde Menegatti. "Det er veletableret i litteraturen, at dobbelt puls LIBS har mere følsomhed end enkelt puls LIBS, så vi har opnået bedre detektionsgrænser i faste prøver end tidligere arbejde."

Dobbeltpulstilgangen gjorde det også muligt at bruge en anden emissionslinje (regionen af ​​det emissionsspektrum, forskerne bruger til at identificere et specifikt kemikalie af interesse) til at detektere kviksølv. Emissionslinjen nær 253 nanometer (nm) bruges ofte til at detektere kviksølv, men når der også er jern til stede, jernemissionslinjen kan forårsage interferens ved 253 nm, nødvendiggør mere kompleks dataanalyse for at adskille kviksølvfingeraftrykket fra jern. Brug af dobbeltpulslaseren gør det muligt at observere en anden kviksølvemissionslinje nær 194 nm, dermed undgås interferens med jernemissionsledningen.

Holdet testede deres system eksperimentelt ved at bruge perkolat, der var blevet tilsat kviksølv. Den laveste kviksølvkoncentration, der kunne påvises i deres test, var 76 ppm. Forskerne sagde, at yderligere justeringer skulle tillade påvisning af lavere niveauer af kviksølv, i sidste ende til 5 ppm eller derunder, for at systemet kan være nyttigt til at sikre overholdelse af juridiske standarder. I valideringseksperimenter, systemet viste en gennemsnitlig fejl på omkring 20 procent, som forskerne sagde skulle være tilfredsstillende til at kvantificere kviksølv i lossepladsperkolat.

Næste skridt

Forskerne planlægger at forfine LIBS-instrumenteringen yderligere for at forbedre evnen til at detektere kviksølv i lavere koncentrationer og for mere nøjagtigt at kvantificere mængden af ​​kviksølv til stede. Ud over, selvom kviksølv var fokus for denne proof-of-concept demonstration, systemet kunne kalibreres til at måle de kemiske signaturer af andre forurenende stoffer end kviksølv.

"Dette koncept kan anvendes på andre kemiske grundstoffer, " sagde Menegatti. "Afhængigt af typen af ​​prøve, du kan vælge mere passende linjer for at undgå interferens i spektret forårsaget af andre elementers emissionslinjer."