Många farliga ämnen sipprar från deponier till mark och grundvatten, hotar människors hälsa och miljön. Dock, nuvarande metoder för att övervaka dessa ämnen är besvärliga och kan skapa ytterligare farliga kemikalier.

En metod som kallas laserinducerad nedbrytningsspektroskopi (LIBS) erbjuder en renare, snabbare och enklare tillvägagångssätt än befintlig teknik för att upptäcka föroreningar i vätskor som kommer från deponier, känd som lakvatten. I tidskriften The Optical Society Tillämpad optik , ett team av forskare som arbetar i det brasilianska företaget Embrapa Instrumentation rapporterar förbättringar av LIBS-teknologin och bekräftar att LIBS kan användas för att detektera kvicksilver i lakvatten.

"LIBS är en miljövänlig teknik som är fri från kemikalierester, jämfört med standardreferenstekniker som för närvarande används för samma typ av analys, sa Carlos Menegatti, Universitetet i São Paulo, Brasilien, och tidningens första författare. "Dessutom, LIBS är en mycket snabbare teknik och kräver ingen förberedelse av proverna."

Analysera lakvatten från deponier

När regnvatten rinner genom en soptipp, den plockar upp olika typer av lösta och suspenderade föroreningar. Deponichefer måste samla in och behandla denna vätska innan den kan föra föroreningar ut i den omgivande jorden. För att veta vilka behandlingsmetoder man ska använda, chefer förlitar sig på tester som upptäcker de specifika föroreningarna som finns, som måste sänkas under de lagliga koncentrationströskelvärdena.

Kvicksilver är en av de farligaste föroreningarna som finns i lakvatten från deponier. Det skadar vilda djur och har förknippats med neurologiska och utvecklingsproblem hos människor. De flesta miljöstandarder kräver att kvicksilver sänks till under 0,5 miljondelar (ppm); det finns ofta i lakvatten från förbehandling i koncentrationer på 0,05 till 160 ppm.

Nuvarande tekniker för att detektera kvicksilver och andra metallföroreningar i lakvatten inkluderar atomabsorptionsspektroskopi, röntgenfluorescens, induktivt kopplad plasmaatomemissionsspektroskopi och induktivt kopplad plasmamasspektrometri. Även om dessa tekniker är mycket exakta, de kräver mödosam förberedelse av prover, vilket gör det omöjligt att få testresultat i realtid. Vissa av dessa tekniker genererar också kemiskt avfall.

Den nya studien är den första som tillämpar LIBS för att detektera kvicksilver i lakvatten från deponier. I LIBS, ett prov riktas mot en intensiv laserpuls, som genererar en mycket varm plasma. Ljuset som emitteras från denna plasma fångas sedan upp och mäts med en spektrometer, som kan kalibreras för att detektera de kemiska signaturerna hos specifika föroreningar.

Förfina LIBS-inställningen

Konventionell LIBS är inte tillräckligt känslig för att detektera kvicksilver vid de koncentrationsnivåer som är relevanta för lakvatten från deponier. För att övervinna denna begränsning, forskarna använde en dubbelpulsuppställning där en serie av två laserpulser riktar sig mot provet, genererar ett ännu mer intensivt plasma. Detta ökar mängden ljus som emitteras av plasman, vilket förbättrar avkänningskänsligheten.

"Detta var första gången som dubbelpuls LIBS applicerades för att mäta kvicksilver i ett fast prov, ", sa Menegatti. "Det är väl etablerat i litteraturen att dubbelpuls LIBS har mer känslighet än enkelpuls LIBS, så vi har uppnått bättre detektionsgränser i fasta prover än tidigare arbete."

Dubbelpulsmetoden gjorde det också möjligt att använda en annan emissionslinje (den region av emissionsspektrumet som forskare använder för att identifiera en specifik kemikalie av intresse) för att detektera kvicksilver. Emissionslinjen nära 253 nanometer (nm) används ofta för att detektera kvicksilver, men när järn också är närvarande, järnemissionsledningen kan orsaka störningar vid 253 nm, kräver mer komplex dataanalys för att skilja kvicksilverfingeravtrycket från järns. Att använda dubbelpulslasern gör det möjligt att observera en annan kvicksilveremissionslinje nära 194 nm, på så sätt undviker störning av järnutsläppsledningen.

Teamet testade sitt system experimentellt med lakvatten som hade spätts med kvicksilver. Den lägsta kvicksilverkoncentrationen som kunde påvisas i deras tester var 76 ppm. Forskarna sa att ytterligare förbättringar borde möjliggöra upptäckt av lägre kvicksilvernivåer, slutligen till 5 ppm eller lägre, för att systemet ska vara användbart för att säkerställa efterlevnad av rättsliga standarder. I valideringsexperiment, systemet visade ett genomsnittligt fel på cirka 20 procent, vilket forskarna sa borde vara tillfredsställande för att kvantifiera kvicksilver i lakvatten från deponier.

Nästa steg

Forskarna planerar att ytterligare förfina LIBS-instrumenteringen för att förbättra förmågan att detektera kvicksilver vid lägre koncentrationer och för att mer exakt kvantifiera mängden kvicksilver som finns. Dessutom, även om kvicksilver var fokus för denna proof-of-concept demonstration, systemet skulle kunna kalibreras för att mäta de kemiska signaturerna för andra föroreningar än kvicksilver.

"Detta koncept kan appliceras på andra kemiska grundämnen, " sa Menegatti. "Beroende på typ av prov, du kan välja lämpligare linjer för att undvika störningar i spektrumet som orsakas av emissionslinjer från andra element."