Avancerad spektroskopisk speciering av metaller i askan från avfallsförbränning

• Användning av sekundära råvaror har på senare tid fått ett ökat fokus med den drivkraft som finns kring cirkulär omställning. Möjligheten att nyttja askor ifrån avfallsförbränning är starkt beroende av deras innehåll av toxiska men också värdefulla komponenter, bland annat metaller.Föreliggande projekt har undersökt möjligheterna med att använda röntgenabsorptionsspektroskopi (XAS) för att påvisa de dominerande förekomstformerna av metallerna zink, bly, koppar och antimon i askor från förbränning av avfall. En ökad kunskap om dessa förekomstformer kan ge nya möjligheter till klassificering av bottenaskor (slaggrus) samt ge viktig information för optimering av behandlingsmetoder för att endera stabilisera flygaskor för säker deponi eller för utvinning av värdefulla metaller. I projektet ingick därför analyser av ett mindre antal askor representerande både färska och lagrade bottenaskor samt behandlade och icke behandlade flygaskor. Dessutom representerades olika förbränningsteknologier, såsom rosterpanna, roterugn och cirkulerande fluidiserad bädd (CFB).I projektet har röntgen-absorptionsspektroskopimätningar (XAS) genomförts vid BALDER som är ett av strålrören på MAX IV laboratoriet, Lund. XAS kan delas in i två delar, EXAFS och XANES, där XANES utnyttjar den första delen av spektrumet (energier närmast absorptionskanten) och kräver betydligt kortare analystid än en full EXAFS analys (högre energier). Fokus har därför legat på XANES i detta projekt då det är den teknik som har störst potential att fungera som en tidseffektiv standardanalys på MAX IV, speciellt för heterogena prov som genererar hög brusnivå vilket är typiskt för askor.Metoden är väldigt beroende av relevanta referensspektrum för att kunna identifiera de olika förekomstformerna. En stor del av arbetet har därför varit att identifiera, framskaffa, kontrollera renhetsgrad för och slutligen mäta på de totalt 43 referensmaterial som använts i analyserna (14 zinkföreningar, 14 kopparföreningar, 10 blyföreningar och 3 antimonföreningar). Dessa spektrum ligger kvar i en databas på MAX IV och kan därför utökas och kompletteras med nya relevanta referensmaterial för att ytterligare förbättra metoden framöver. Dessa är också tillgängliga för andra användare av MAX IV.Resultaten visade inte oväntat på att bottenaskor är mer heterogena än flygaskor vilket gav mer brus i analyserna av dessa askor, men med god reproducerbarhet. Övriga trender är beroende på vilket grundämne som undersöks.Den klart vanligaste förekomstformer av zink är silikatet hemimorfit (Zn4Si2O7(OH)2·H2O) både i flyg- och bottenaskor. Analyserna föreslår att ca. 20-40 % av zink återfinns i denna form i de flesta askorna. Övriga dominerande förekomstformer sett till andelen zink är Zn5(CO3)2(OH)6 (Hydrozinkit) och ett annat silkat som heter Willemite och har formeln Zn2SiO3 men med en större skillnad mellan de olika analyserade askorna. En viss andel zinkklorid, ZnCl2, återfinns också i de flesta askorna.Den vanligaste förekomstformen av koppar i flygaskor är Cu(OH)2 (30–55%) men resultaten för bottenaskorna visar på en mer komplex sammansättning med olika oxidformer (CuO, Cu2O, CuFe2O4, Cu2SiO3) men också på förekomst av karbonat (CuCO3*Cu(OH)2) i ett av de lagrade proven.Den vanligaste förekomstformen av bly är associerad med någon form av silikat (PbSiO3 eller bundet till amorft SiO2 – liknande strukturen i Pb-glas), men även PbCl2 är vanligt förekommande, speciellt i flygaskor.Antimon var bara delvis inkluderad i studien och begränsat till tre referenser. Analysen fokuserade därför på att detektera skillnader före och efter behandling av flygaska. Ingen sådan skillnad kunde detekteras. Värt att notera är att Sb-spektrumet för den bottenaska som analyserades är identisk med det för referensen Sb2O5 och att oxidationstalet för Sb i alla askor ligger nära den för samma referens.En slutsats av analyserna var att vissa av referensmaterialens spektrum är mycket lika vilket resulterar i att några referenser som t.ex. ZnS aktivt behövdes selekteras bort vid analyserna baserat på kunskap om hur trolig deras förekomst i askorna är. Det finns också starka indikationer på att fler referensmaterial behövs för att beskriva några av askorna. En kombination av andra mätmetoder som t.ex. μ-XRF föreslås därför som en möjlighet i framtida arbete för att identifiera viktiga saknade referensmaterial. Dessutom skulle en jämförelse med lakanalyser vara kunskapsbyggande.Sammanfattningsvis har det i projektet utvecklats en fungerande analysmetod som har potential att kunna bli industriellt gångbar. De resultat som tagits fram kring möjliga förekomstformer är, sett till vad som finns publicerat i litteraturen, betydande. Men för att dra riktiga slutsatser kring olika påverkansfaktorer krävs betydligt fler riktade analyser.

Nyckelord

XAS

XANES

avfallsförbränning

aska

avfall

förbränning

förekomstformer

speciering

MAX IV

bly

koppar

zink

antimon

Publikations- och innehållstyp

vet (ämneskategori)

rap (ämneskategori)