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Near-infrared (NIR) spectroscopy is a promising candidate for low-cost, nondestructive, and highthroughput mass quantification of microplastics in environmental samples. Widespread application of the technique is currently hampered mainly by the low sensitivity of NIR spectroscopy compared to thermoanalytical approaches commonly used for this type of analysis. This study shows how the application of NIR spectroscopy for mass quantification of microplastics can be extended to smaller analyte levels by combining it with a simple and rapid microplastic enrichment protocol. For this purpose, the widely used flotation of microplastics in a NaCl solution, accelerated by centrifugation, was chosen which allowed to remove up to 99 % of the matrix at recovery rates of 83–104 %. The spectroscopic measurements took place directly on the stainless-steel filters used to collect the extracted particles to reduce sample handling to a minimum. Partial least squares regression (PLSR) models were used to identify and quantify the extracted microplastics in the mass range of 1–10 mg.
The simple and fast extraction procedure was systematically optimized to meet the requirements for the quantification of microplastics from common PE-, PP-, and PS-based packaging materials with a particle size < 1 mm found in compost or soils with high natural organic matter content (> 10 % determined by loss on ignition). Microplastics could be detected in model samples at a mass fraction of 1 mg g-1. The detectable microplastic mass fraction is about an order of magnitude lower compared to previous studies using NIR spectroscopy without additional enrichment. To emphasize the cost-effectiveness of the method, it was implemented using some of the cheapest and most
compact NIR spectrometers available.
A process spectroscopic approach for the monitoring of microplastics in environmental samples
(2018)
The potential of Raman and NIR process-spectroscopic as a rapid approach for the estimation of microplastics (MP) in soil matrix were tested. For this purpose, artificial MP/soil mixture samples consisting of standard soils or sand with defined ratios of MP (0,5 – 10 mass% polymer) from polyethylene (PE), polypropylene (PP), polystyrene (PS) and polyethylene terephthalate (PET) were prepared. MP particles with diameters < 2 mm and < 125 µm were obtained from industrial polymer pellets after cryo-milling. Spectra of these mixtures were collected by (i) a process FT-NIR spectrometer equipped with a reflection probe, (ii) by a cw-process Raman spectrometer and (iii) by a time-gated Raman spectrometer using fiber-optic probes. The evaluation of process-spectra was performed by chemometric methods. Whereas MP could be detected by Raman spectroscopy in coastal sand at 0.5 mass%, in standard soil detection of MP was limited to 10 – 5 mass% with the large fraction, but samples containing particles of the 125µm mass-fraction yielded no positive result at all. One reason for the lacking sensitivity could be fluorescence by soil organic matter and thus, in a next test time-gated Raman spectroscopy was applied. However, although being indeed more sensitive to the small particles this method failed at MP < 5 mass% indicating that fluorescence was not the major problem. Finally, FT-NIR was tested. Depending on the polymer, MP contents of 0,5 or 1 mass%, respectively, could be detected in standard soils and polymers identified. Furthermore, this approach could be used for the investigation of mixtures of up to four polymers and in real-world samples from bio-waste fermenter residues.
The increasing enrichment of water bodies and soils with plastic waste leads to the accumulation of microscopic plastic particles, so-called microplastics (MP). There is an urgent need for analytical methods that help to identify and quantify MP. At present, mainly thermo-analytical and microscopic methods such as micro-infrared spectroscopy or micro-Raman are used for this purpose. The latter are usually tied to time-consuming sample enrichment and preparation, only small sample quantities (micrograms) can be examined and the evaluation of the obtained spectra can be demanding. In the context of this presentation, two approaches are presented which, via the multi-variate analysis of spectroscopic data, allow i) a new methodological approach to screening MP in contaminated soils and ii) an alternative evaluation of large (micro)-spectroscopic data sets.
First, a NIR spectroscopic method is presented which allows MP consisting of polyethylene, polyethylene terephthalate, polypropylene and polystyrene to be detected in the range of up to 0.5 mass percent. Due to short measurement times and robust technology, this approach has the potential, in contrast to thermo-analytical and micro-spectroscopic methods, to examine larger sample quantities with minimal pre-treatment.
The second approach deals with the evaluation of large data sets, as typically obtained as a result of micro-FTIR using modern FPA detectors. The micro-FTIR technique is based on the spectral recording, imaging and subsequent identification of vibration bands typical of synthetic polymers. The image data sets are large and contain spectra of numerous particles of natural and synthetic origin. Exploratory multivariate data analysis has been tested to complement existing approaches based on e.g. spectrum library searches. The core concept used was dimensionality reduction. The results not only represent an orthogonal method for checking the results obtained by an automated library search, but also revealed a group of spectra that were not recorded in the existing spectrum libraries.
Ziele und Durchführung eines geplanten Ringversuchs zur Untersuchung eines Dreikomponentensystems mittels NIR werden vorgestellt. Der Vortrag enthält einen kurzen Rückblick auf einen 2014 durchgeführten Ringversuch, wobei ein flüssiges Zweikomponentensystem untersucht wurde. Im Anschluss erfolgt die Erläuterung der verwendeten Komponenten, es werden Teilnahmebedingungen und mögliche Zeiträume bekannt gegeben.
In Deutschland werden jährlich rund 20 Millionen Tonnen künstliche Mineralwolle für die Dämmung von Dächern und Fassaden sowie für Brandschutzprodukte verwendet. Um künstliche Mineralwolle aus Rückbaumaßnahmen in den Produktionsprozess zurückführen zu können, ist eine Trennung in Glas- und Steinwolle erforderlich, um eine Vermischung der beiden Produkte, die unterschiedliche Schmelztemperaturen aufweisen, zu vermeiden. Anstatt die Mineralwolle in spezielle Labors zu schicken, was zeitaufwendig und teuer ist, wurde das Potenzial eines tragbaren Nahinfrarot-Spektrometers (NIR) für den Einsatz vor Ort getestet. 140 verschiedene Mineralwolleproben wurden untersucht, um eine NIR-basierte Methode für die Vor-Ort-Unterscheidung zwischen Glas- und Steinwolle zu etablieren. Die Validierung der Methode mit Testproben und die Anwendung auf Materialien, die aus BigBags für Deponien entnommen wurden, haben gezeigt, dass die Methode präzise und robust ist. Als Referenzmethode wurde die Röntgenfluoreszenzspektroskopie (RFA) mit einer Kalibrierung auf der Grundlage der VDI 3492 verwendet.
Künstliche Mineralfasern (KMF) werden weltweit in vielfältiger Weise als Dämmstoffe verwendet. Jährlich fallen in Deutschland ungefähr 20 Millionen Tonnen KMF an, die nach dem Abriss auf Deponien entsorgt werden müssen. Grundsätzlich besteht jedoch die Möglichkeit der Rückführung dieser Materialien in den Produktionsprozess. Dafür ist es notwendig, anfallende KMF sowohl nach Material (Glaswolle, Steinwolle) als auch nach Alter zu sortieren.
Auf der Suche nach einer Methode, die es grundsätzlich gestattet eine schnelle Untersuchung vor Ort auf einer Baustelle durchzuführen, wurde die Nah-Infrarot (NIR) Spektroskopie unter Verwendung eines Prozessspektrometers mit Reflexionssonde getestet. Anhand von Laboruntersuchungen an 70 KMF Proben, die entweder betriebsneu waren oder bundesweit auf Baustellen gesammelt wurden, konnte eine NIR-basierte Methode zur Unterscheidung in Glas- und Steinwolle entwickelt werden. Mittels Partial Least Square Diskriminanzanalyse (PLS-DA) der NIR Spektren wurde basierend auf 40 zufällig ausgewählten Proben ein chemometrisches Modell kalibriert, das erfolgreich zur Klassifizierung der verbleibenden 30 Proben eingesetzt werden konnte. Unabhängig von Farbe, Dichte oder Alter der untersuchten KMF Proben war es möglich, eine 100% korrekte Zuordnung des Materials zu erzielen. Die nötigen Referenzwerte wurden unter Nutzung eines Röntgenfluoreszenzspektroskopischen Verfahrens über den Elementgehalt nach VDI 3492 ermittelt.
Insgesamt ist der experimentelle Aufwand für die Durchführung und Auswertung der NIR Messungen gering und manifestiert sich vor allem in der Kalibrierphase, die in diesem Fall die Untersuchung von 8-fach aliquotierten Probestücken der 70 KMF umfasste. Nur bei deutlich feuchtem Material muss ein zusätzlicher Trocknungs-schritt berücksichtigt werden. Das vorgestellte Verfahren wurde nachfolgend zu einem Patent angemeldet. Untersuchungen zu einer weiteren Unterscheidung der KMF nach Alter sind geplant.