Analisi dei metalli preziosi negli scarti elettronici tramite HR ICP-OES

In un’ottica di sempre maggiore sostenibilità bisogna sempre essere attenti nel valutare costi e benefici di un processo di produzione o di riciclo di un materiale.

I rifiuti elettrici sono materiali difficili da smaltire vista la loro natura complessa, infatti possono causare un impatto ambientale piuttosto elevato. È quindi molto interessante pensare a processi di riciclo di questi rifiuti, anche nell’ottica di una maggiore sostenibilità.

Tra i componenti più interessanti da riciclare nelle schede elettriche ci sono senza dubbio i metalli preziosi, utilizzati per la loro eccellente conduttività, durata e resistenza alla corrosione. Un riciclo efficiente di materiali elettrici permette quindi una riduzione delle attività minerarie e la possibilità di preservare le risorse naturali.

Ma quanto è sostenibile un processo di riciclaggio delle schede elettriche?

Il riciclo dei metalli preziosi dai rifiuti elettronici richiede attrezzature e competenze specializzate, i metalli devono essere estratti in modo sicuro ed efficiente, tutelando al tempo stesso la salute umana e l’ambiente.

I processi legati al riciclo dei materiali elettrici prevedono la raccolta e lo smistamento dei rifiuti e il successivo utilizzo di varie tecniche come la lisciviazione, la fusione e l’elettrolisi per recuperare i metalli preziosi. L’impatto ambientale di queste tecnologie dipende dal metodo specifico utilizzato, del tipo e della quantità di materiali trattati e della fonte energetica adoperata.

La lisciviazione chimica, per esempio, utilizza acidi e cianuro. Sebbene il processo sia efficace, può generare prodotti di scarto tossici e danneggiare l’ambiente, qualora lo smaltimento non fosse gestito correttamente.

Il processo di fusione prevede il riscaldamento e la fusione dei materiali per estrarre i metalli preziosi, ma richiede una quantità significativa di energia e può generare emissioni sia di gas serra sia di altri inquinanti (nel caso la fonte di energia utilizzata fossero i combustibili fossili).

L’elettrolisi prevede l’uso di una corrente elettrica per l’estrazione. Il processo richiede una notevole quantità di energia e, se la fonte energetica non è rinnovabile, comporta impatti ambientali significativi come l’emissione di gas serra.

Risulta quindi importantissimo valutare il contenuto di questi metalli prima di iniziare il processo di estrazione.

Per la quantificazione in tracce dei metalli preziosi la tecnologia ICP-OES garantisce sensibilità e affidabilità. Un problema di molti sistemi ICP-OES in queste determinazioni è la limitata sensibilità e le significative interferenze spettrali provenienti dalla matrice. Queste limitazioni non risultano critiche per Plasma Quant 9100 Elite di Analytik Jena, che può tollerare senza sforzo i campioni metallurgici e offre stabilità a lungo termine.

L’ottica ad alta risoluzione e il rilevatore CCD offrono un’eccellente risoluzione spettrale, che consente misure prive di interferenze e linee ben separate. Inoltre, consente una correzione automatica del fondo, molto stabile anche con matrici complesse.

Preparazione del campione

Circa 0,25 g di un campione di rifiuti elettronici finemente macinati vengono mineralizzati in un sistema Milestone EthosUP con contenitori ad alta pressione. L’aliquota prelevata viene posta nei contenitori per la digestione, vengono quindi aggiunti 2 ml di HNO₃, 6 ml di HCl e 2 ml di HF. Il ciclo di digestione ha previsto una prima rampa di riscaldamento seguita poi da una isoterma e infine una fase di raffreddamento a temperatura ambiente prima di procedere alla apertura. Al vessel sono stati aggiunti 10 mL di una soluzione satura di H₃BO₃ per poi procedere al trasferimento della soluzione in provetta graduata in polipropilene. Il campione è stato portato ad un volume finale di 50 mL con acqua e successivamente centrifugato. Il surnatante è stato sottoposto ad analisi.

Determinazione in ICP OES

I campioni di rifiuti elettronici sono stati analizzati mediante ICP-OES ad alta risoluzione (HR) PlasmaQuant 9100 Elite dotato di un Kit HF. Sono stati determinati Ag, Au, Pd e Pt.

Gli standard per la calibrazione sono stati preparati dalla stessa miscela acida, la robustezza del sistema è stata testata su più linee di emissione tramite test di recupero.

Ad eccezione dell’Au 242, tutte le linee di emissione utilizzate erano prive di interferenze grazie all’ottica ad alta risoluzione del PlasmaQuant 9100 Elite. La sovrapposizione della linea diretta di Au 242 da parte del manganese è stata corretta tramite il software CSI. I tassi di recupero per tutti i metalli erano compresi tra il 95% e il 110% e possono essere ulteriormente migliorati mediante l’uso di uno standard interno. In tabella 1 sono riportate le impostazioni strumentali.

Risultati Analitici

È noto che le linee di emissione del rame, del ferro e di altri metalli (abbondanti nella matrice elettronica) interferiscano con le linee analitiche di altri elementi. Nelle schede elettroniche è particolarmente difficile la determinazione dei metalli preziosi e dei PGMs (Platinum group metals).

Per superare i problemi applicativi appena descritti è necessario utilizzare strumenti ad alta risoluzione con la capacità di separare le interferenze spettrali dalla linea analitica desiderata. I risultati qui presentati dimostrano chiaramente gli enormi vantaggi applicativi derivanti dall’alta risoluzione (2pm @200nm) del sistema PlasmaQuant 9100 Elite rispetto a strumenti con risoluzione inferiore. Questo strumento rende possibile scegliere le linee di analisi più sensibili per la maggior parte degli elementi di indagine. La geometria del plasma e la rimozione efficace della coda fredda con argon permettono allo strumento di essere molto sensibile.

Nonostante l’elevata risoluzione del sistema, la riga di emissione più sensibile dell’oro a 242.795 nm non può essere separata rispetto alla matrice complessa dei rifiuti elettronici. Sovrapponendo gli spettri dello standard di oro e del campione è chiaro che i due spettri non sono esattamente alla stessa lunghezza d’onda e che la forma degli spettri di emissione è diversa. Ciò suggerisce che lo spettro del campione non è relativo solo all’oro (vedi Figura 2). Con l’aiuto della libreria di spettri disponibile nel software, è stato possibile identificare il Mn a 242.794 nm come l’elemento interferente.

È stata eseguita una correzione spettrale con uno spettro dell’interferente puro. Lo spettro di correzione è stato ottenuto misurando uno standard di manganese diluito (ad esempio 100 mg/L Mn) sulla linea analitica specifica da correggere. La Figura 3 mostra lo spettro e il modello di correzione a 242,795 nm. Applicando l’algoritmo CSI di correzione spettrale, questa linea spettrale dell’oro altamente sensibile diventa accessibile per la quantificazione.

I risultati sono mostrati nella Tabella 4 dove è possibile verificare che tutti gli elementi esaminati mostrano valori di recupero compresi tra il 95 e il 110%.

In sintesi, PlasmaQuant 9100 Elite è particolarmente efficiente nella caratterizzazione dei rifiuti elettronici. Grazie all’alta risoluzione, all’elevata sensibilità e agli strumenti software avanzati, la determinazione dei metalli preziosi può essere determinata con accuratezza in tali materiali.