Analytische Chemie
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Bei der Erhaltung von Stahlbetonbauwerken ist der Chloridgehalt im Beton ein wichtiger Parameter zur Festlegung geeigneter Instandsetzungsmaßnahmen. Die bisher etablierten Verfahren basieren auf der nasschemischen Analyse einer Probe, Bohrmehl oder aufgemahlener Segmente eines Bohrkerns. Das Verfahren liefert einen Chloridgehalt je Tiefensegment, was mit einer starken Homogenisierung der Probe einhergeht, wodurch detaillierte Informationen zu Chloridunterschieden im Millimeterbereich verloren gehen. Eine alternative Methode ist die laserinduzierte Plasmaspektroskopie (LIBS), die nicht nur die quantitative ortsaufgelöste Bestimmung des Chloridgehalts im Bezug zur Zementmasse ermöglicht, sondern auch simultan detaillierte Informationen über die Verteilung vieler anderer chemischer Elemente liefert. Die räumliche Auflösung liegt in der Regel im Bereich von einigen Millimetern, kann aber bei Bedarf auf 0,1 mm oder weniger erhöht werden. Das neue Merkblatt B14 „Quantifizierung von Chlorid in Beton mit der laserinduzierten Plasmaspektroskopie (LIBS)“ der Deutschen Gesellschaft für Zerstörungsfreie Prüfungen (DGZfP) regelt und vereinheitlicht erstmals die zuverlässige und reproduzierbare Ermittlung des Chloridgehalts mit LIBS. In diesem Beitrag wird das Merkblatt vorgestellt und anhand praktischer Anwendungsbeispiele das Potenzial von LIBS für Fragestellungen in der Betonerhaltung verdeutlicht.
This technical note highlights the fact that CF-LIBS algorithms work in mole fractions, while results of spectrochemical analysis are usually reported in mass fractions or mass percent. Ignoring this difference and not converting mole fractions to mass fractions can lead to errors in reported concentrations determined by the CF-LIBS method and inadequate comparison of these concentrations with certified concentrations. Here, the key points of the CF-LIBS algorithm are reproduced and the formulae for converting a mole fraction to a mass fraction and vice versa are given. Several numerical examples are also given, which show that the greater the difference between the molar mass of an individual element in a sample and the average molar mass, the greater the discrepancy between the mole and mass fractions.
LIBS ConSort: Development of a sensor-based sorting method for constuction and demolition waste
(2023)
Closed material cycles and unmixed material fractions are required to achieve high recovery and recycling rates in the building industry. In construction and demolition waste (CDW) recycling, the preference to date has been to apply simple but proven techniques to process large quantities of construction rubble in a short time. This is in contrast to the increasingly complex composite materials and structures in the mineral building materials industry. Manual sorting involves many risks and dangers for the executing staff and is merely based on obvious, visually detectable differences for separation. An automated, sensor-based sorting of these building materials could complement or replace this practice to improve processing speed, recycling rates, sorting quality, and prevailing health conditions. A joint project of partners from industry and research institutions approaches this task by investigating and testing the combination of laser-induced breakdown spectroscopy (LIBS) with near-infrared (NIR) spectroscopy and visual imaging. Joint processing of information (data fusion) is expected to significantly improve the sorting quality of various materials like concrete, main masonry building materials, organic components, etc., and may enable the detection and separation of impurities such as SO3-cotaining building materials (gypsum, aerated concrete, etc.) Focusing on Berlin as an example, the entire value chain will be analyzed to minimize economic / technological barriers and obstacles at the cluster level and to sustainably increase recovery and recycling rates. We present current advances and results about the test stand development combining LIBS with NIR spectroscopy and visual imaging. In the future, this laboratory prototype will serve as a fully automated measurement setup to allow real-time classification of CDW on a conveyor belt.
The Boltzmann plot method is widely used to determine the temperature of laser induced plasma. It involves the use of individual lines that are not easy to find in complex spectra and/or in the spectral range available. If the number of such lines is not enough to build a reliable Boltzmann plot, overlapping lines are often used, which are separated by software. However, line separation is a rather imprecise procedure, which, in addition, requires significant computational costs. This study proposes an extension of the Boltzmann plot method that allows a specific group of unresolved lines to be included in a Boltzmann plot without the need to separate them. This group of lines are multiplets, lines of the same element with similar upper and lower transition states. The multiplet lines along with the individual lines are included in the algorithm, which also includes a correction for self-absorption and is used to determine the plasma temperature. The algorithm is tested on synthetic spectra which are consistent with the model of a homogeneous isothermal plasma in local thermodynamic equilibrium and is shown to be superior to the standard Boltzmann plot method both in more accurate determination of the plasma temperature and in a significant reduction in the computational time. The advantages and disadvantages of the method are discussed in the context of its applications in laser induced breakdown spectroscopy.
Geschlossene Materialkreisläufe und sortenreine Materialfraktionen sind erforderlich, um hohe Verwertungs und Recyclingquoten in der Bauindustrie zu erreichen Beim Recycling von Bau und Abbruchabfällen wurden bisher bevorzugt einfache, aber bewährte Techniken eingesetzt, um große Mengen Bauschutt in kurzer Zeit zu verarbeiten Dies steht im Gegensatz zu den immer komplexer werdenden Verbundwerkstoffen in der Mineralbaustoffindustrie Die aktuell oft praktizierte händische Klaubung bürgt viele Risiken und Gefahren für das ausführende Personal und basiert lediglich auf offensichtlichen, visuell erkennbaren Unterschieden zur Trennung Eine automatisierte, sensorgestützte Sortierung dieser Baustoffe könnte diese Praxis ergänzen oder ersetzen, um die Verarbeitungsgeschwindigkeit, die Recyclingraten, die Sortierqualität und die vorherrschenden Gesundheitsbedingungen zu verbessern.
Geschlossene Materialkreisläufe und sortenreine Materialfraktionen sind erforderlich, um hohe Verwertungs und Recyclingquoten in der Bauindustrie zu erreichen Beim Recycling von Bau und Abbruchabfällen wurden bisher bevorzugt einfache, aber bewährte Techniken eingesetzt, um große Mengen Bauschutt in kurzer Zeit zu verarbeiten Dies steht im Gegensatz zu den immer komplexer werdenden Verbundwerkstoffen in der Mineralbaustoffindustrie Die aktuell oft praktizierte händische Klaubung bürgt viele Risiken und Gefahren für das ausführende Personal und basiert lediglich auf offensichtlichen, visuell erkennbaren Unterschieden zur Trennung Eine automatisierte, sensorgestützte Sortierung dieser Baustoffe könnte diese Praxis ergänzen oder ersetzen, um die Verarbeitungsgeschwindigkeit, die Recyclingraten, die Sortierqualität und die vorherrschenden Gesundheitsbedingungen zu verbessern.
Beim Recycling von Bau- und Abbruchabfällen werden bisher bevorzugt einfache, aber bewährte Techniken eingesetzt, um große Mengen an Bauschutt in kurzer Zeit zu verarbeiten. Dies steht im Gegensatz zu den immer komplexer werdenden Verbundwerkstoffen und Strukturen in der Mineralbaustoffindustrie. Die manuelle Sortierung birgt viele Risiken und Gefahren für das ausführende Personal und basiert lediglich auf offensichtlichen, visuell erkennbaren Unterschieden zur Trennung. Eine automatisierte, sensorgestützte Sortierung dieser Baustoffe könnte diese Praxis ergänzen oder ersetzen, um die Verarbeitungsgeschwindigkeit, die Recyclingquoten, die Sortierqualität und die gesundheitlichen Bedingungen zu verbessern.
Ein gemeinsames Projekt von Partnern aus Industrie und Forschungseinrichtungen nähert sich dieser Aufgabe, indem es die Kombination von Laser-induzierter Breakdown-Spektroskopie (LIBS) und VIS/NIR-Spektroskopie untersucht und testet. Durch die gemeinsame Verarbeitung der Informationen soll die Sortierqualität verschiedener Materialien wie Beton, Hauptmauerwerksbaustoffe, organische Bestandteile usw. deutlich verbessert werden. Darüber hinaus könnten Verunreinigungen wie SO3-haltige Baustoffe (Gips, Porenbeton usw.) erkannt und getrennt werden.
Wir stellen aktuelle Fortschritte und Ergebnisse der Entwicklung eines Prüfstands vor, der LIBS mit NIR-Spektroskopie und visueller Bildgebung kombiniert. In Zukunft wird dieser Laborprototyp als vollautomatischer Messaufbau dienen, um eine Echtzeitklassifizierung von Bau- und Abbruchabfällen auf einem Förderband zu ermöglichen.
Laser-induced breakdown spectroscopy (LIBS) is a spectroscopic method for detecting the chemical composition of optically accessible surfaces. In principle, the measurement of all elements of the periodic table is possible. System calibrations allow the quantification of element concentrations. In combination with scanner systems, the two-dimensional element distribution can be determined. Even rough surfaces can be measured by online adjustment of the laser focus. To detect element ingress into the concrete, typically cores are taken, cut in half, and LIBS measurements are performed on the cross-section. The high spatial resolution as well as the simultaneous multi-element analysis enables a separate evaluation of the binder-matrix and aggregates. Therefore, the element concentrations can be determined directly related to the cement paste. LIBS measurements are applicable in the laboratory, on-site and also over a distance of several meters.
Common applications include the investigation of material deterioration due to the ingress of harmful ions and their interaction in porous building materials. LIBS is able to provide precise input parameters for simulation and modelling of the remaining lifetime of a structure. Besides the identification of materials, also their composition can be determined on hardened concrete, such as the type of cement or type of aggregate. This also involves the identification of environmentally hazardous elements contained in concrete. Another possible application is the detection of the composition of material flows during dismantling. Non-contact NDT for “difficult to assess” structures as an example application through safety glass or in combination with robotics and automation are also possible.
This work presents the state of the art concerning LIBS investigations on concrete by showing exemplary laboratory and on-site applications.
Laser-induced breakdown spectroscopy (LIBS) is a spectroscopic method for the analysis of the chemical composition of sample materials. Generally, the measurement of all elements of the periodic table is possible. In particular, light elements such as H, Li, Be, S, C, O, N and halogens can be measured. Calibration with matrix-matching standards allows the quantification of element concentrations. In combination with scanner systems, the two-dimensional element distribution can be determined. Even rough surfaces can be measured by online adjustment of the laser focus. LIBS can also be used on-site with mobile systems. Hand-held systems are available for point measurements.
Common applications include the investigation of material deterioration due to the ingress of harmful ions and their interaction in porous building materials. Due to the high spatial resolution of LIBS and the consideration of the heterogeneity of concrete, the determination of precise input parameters for simulation and modelling of the remaining lifetime of a structure is possible. In addition to the identification of materials, it is also possible to assess the composition for example of hardened concrete, which involves the cement or aggregate type used. Other important fields of application are the detection of environmentally hazardous elements or the material classification for sorting heterogeneous material waste streams during dismantling. Non-contact NDT for “difficult to assess” structures as an example application through safety glass or in combination with robotics and automation are also possible.
In this work, an overview of LIBS investigations on concrete is given based on exemplary laboratory and on-site applications.
The electron density and temperature of a laser-induced plasma can be determined from the width and intensity of the spectral lines, provided that the corresponding optical transitions are optically thin. However, the lines in laser induced plasma are often self-absorbed. One of the methods of correction of this effect is based on the use of the Planck function and an iterative numerical calculation of the plasma temperature. In this study, the method is further explored and its inherent errors and limitations are evaluated. For this, synthetic spectra are used that fully correspond to the assumed conditions of a homogeneous isothermal plasma at local thermodynamic equilibrium. Based on the error analysis, the advantages and disadvantages of the method are discussed in comparison with other methods of self-absorption correction.