Tal van gevaarlijke stoffen sijpelen van stortplaatsen in bodem en grondwater, een bedreiging vormen voor de gezondheid van de mens en het milieu. Echter, de huidige methoden voor het monitoren van deze stoffen zijn omslachtig en kunnen extra gevaarlijke chemicaliën opleveren.

Een methode die bekend staat als laser-geïnduceerde afbraakspectroscopie (LIBS) biedt een schonere, snellere en eenvoudigere aanpak dan bestaande technologieën voor het detecteren van verontreinigingen in de vloeistoffen afkomstig van stortplaatsen, bekend als percolaat. In het tijdschrift The Optical Society Toegepaste optica , een team van onderzoekers van het Braziliaanse bedrijf Embrapa Instrumentation rapporteert verfijningen aan de LIBS-technologie en bevestigt dat LIBS kan worden gebruikt om kwik in percolatiewater te detecteren.

"LIBS is een milieuvriendelijke techniek die vrij is van chemische resten, vergeleken met standaardreferentietechnieken die momenteel voor hetzelfde type analyse worden gebruikt, " zei Carlos Menegatti, Universiteit van Sao Paulo, Brazilië, en de eerste auteur van het papier. "Bovendien, LIBS is een veel snellere techniek en vereist geen voorbereiding van de monsters."

Percolaat van stortplaatsen analyseren

Als regenwater door een stortplaats stroomt, het neemt verschillende soorten opgeloste en gesuspendeerde verontreinigingen op. Stortplaatsbeheerders moeten deze vloeistof opvangen en behandelen voordat deze vervuiling naar de omliggende bodem kan brengen. Om te weten welke behandelmethoden te gebruiken, managers vertrouwen op tests die de specifieke aanwezige verontreinigingen detecteren, die moeten worden teruggebracht tot onder de wettelijke concentratiedrempels.

Kwik is een van de gevaarlijkste verontreinigingen die in het percolaat van stortplaatsen worden aangetroffen. Het schaadt dieren in het wild en is in verband gebracht met neurologische en ontwikkelingsproblemen bij mensen. Volgens de meeste milieunormen moet kwik worden teruggebracht tot minder dan 0,5 delen per miljoen (ppm); het wordt vaak aangetroffen in voorbehandelingspercolaten in concentraties van 0,05 tot 160 ppm.

Huidige technieken voor het detecteren van kwik en andere metaalverontreinigingen in percolaten omvatten atoomabsorptiespectroscopie, röntgenfluorescentie, inductief gekoppelde plasma-atomaire emissiespectroscopie en inductief gekoppelde plasma-massaspectrometrie. Hoewel deze technieken zeer nauwkeurig zijn, ze vereisen een moeizame voorbereiding van monsters, waardoor het onmogelijk is om realtime testresultaten te verkrijgen. Sommige van deze technieken genereren ook chemisch afval.

De nieuwe studie is de eerste die LIBS toepast op de detectie van kwik in percolaat van stortplaatsen. In LIBS, een monster wordt gericht met een intense laserpuls, die een zeer heet plasma genereert. Het licht dat door dit plasma wordt uitgezonden, wordt vervolgens opgevangen en gemeten door een spectrometer, die kan worden gekalibreerd om de chemische handtekeningen van specifieke verontreinigingen te detecteren.

De LIBS-configuratie verfijnen

Conventionele LIBS is niet gevoelig genoeg om kwik te detecteren bij de concentratieniveaus die relevant zijn voor het storten van percolaat. Om deze beperking te overwinnen, de onderzoekers gebruikten een opstelling met dubbele puls waarbij een reeks van twee laserpulsen op het monster gericht is, het genereren van een nog intenser plasma. Dit verhoogt de hoeveelheid licht die door het plasma wordt uitgestraald, wat de waarnemingsgevoeligheid verbetert.

"Dit was de eerste keer dat de dubbele puls LIBS werd toegepast om kwik in een vast monster te meten, "zei Menegatti. "Het is algemeen bekend in de literatuur dat LIBS met dubbele puls meer gevoeligheid heeft dan LIBS met enkele puls, dus we hebben betere detectielimieten bereikt in vaste monsters dan eerder werk."

De dubbele-pulsbenadering maakte het ook mogelijk om een ​​andere emissielijn te gebruiken (het gebied van het emissiespectrum dat wetenschappers gebruiken om een ​​specifieke chemische stof te identificeren) om kwik te detecteren. De emissielijn nabij 253 nanometer (nm) wordt vaak gebruikt om kwik te detecteren, maar als er ook ijzer aanwezig is, de ijzeremissielijn kan interferentie veroorzaken bij 253 nm, waardoor complexere gegevensanalyse nodig is om de kwikvingerafdruk te scheiden van die van ijzer. Het gebruik van de dubbelpulslaser maakt het mogelijk om een ​​andere kwikemissielijn nabij 194 nm waar te nemen, waardoor interferentie met de ijzeremissielijn wordt vermeden.

Het team testte hun systeem experimenteel met percolaat dat was doorspekt met kwik. De laagste detecteerbare kwikconcentratie in hun tests was 76 ppm. De onderzoekers zeiden dat verdere verfijningen de detectie van lagere kwikniveaus mogelijk moeten maken, uiteindelijk tot 5 ppm of lager, zodat het systeem nuttig kan zijn om de naleving van wettelijke normen te waarborgen. In validatie-experimenten, het systeem vertoonde een gemiddelde fout van ongeveer 20 procent, waarvan de onderzoekers zeiden dat het bevredigend zou moeten zijn voor het kwantificeren van kwik in het percolaat van stortplaatsen.

Volgende stappen

De onderzoekers zijn van plan de LIBS-instrumentatie verder te verfijnen om het vermogen om kwik te detecteren bij lagere concentraties te verbeteren en om de hoeveelheid aanwezig kwik nauwkeuriger te kwantificeren. In aanvulling, hoewel kwik de focus was voor deze proof-of-concept-demonstratie, het systeem kan worden gekalibreerd om de chemische kenmerken van andere verontreinigingen dan kwik te meten.

"Dit concept kan worden toegepast op andere chemische elementen, " zei Menegatti. "Afhankelijk van het type monster, je kunt meer geschikte lijnen kiezen om interferentie in het spectrum te voorkomen die wordt veroorzaakt door de emissielijnen van andere elementen."