Determination of technology critical elements (TCEs) in waste electronic and electrical equipments

Abstract

Elektrikli ve elektronik atıklardan oluşan baskılı devre kartlarında (PCB) bulunan teknolojik açısından kritik elementlerin (TCEs) geri kazanılması ve yeniden işlenmesi, hem tedarik riski taşıyan değerli elementlerin geri dönüşümü hem de çevresel etkinin azaltılması açısından büyük önem taşımaktadır. Kullanım ömrü sona ermiş PCB'lerdeki teknolojik açıdan kritik elementlerin (TCEs) miktarlarının niceliksel bilgisi önemli bir rol oynamasına rağmen, sonuçların uluslararası birim sisteminde izlenebilirliğini sağlayacak matriks sertifikalı referans malzemeler veya uyumlu analitik yöntemler bulunmamaktadır Bu boşluğu doldurmak amacıyla, üçlü izotop seyreltme kütle spektrometrisi yöntemi ve Endüktif Eşleşmiş Plazma Kütle Spektrometrisi cihazı kullanılarak uluslararası sistem (SI) izlenebilir bir ölçüm yöntemi geliştirilmiş ve uygulanmıştır. PCB'ler genellikle birkaç yüz mg/kg seviyesine kadar önemli teknolojik kritik elementleri içerirler. PCB'ler gibi elektrikli ve elektronik atıkların (WEEE) ekonomik değerini doğru ve güvenilir bir şekilde belirlemek için SI izlenebilir bir ölçüm yöntemine ihtiyaç vardır. Çevre, gıda güvenliği, jeoloji ve metalurji alanlarında, özellikle eser seviyelerde, farklı örneklerdeki elementlerin ölçümlerinde izotopik ölçüm yöntemleri yaygın olarak kullanılmaktadır. Analit için en az iki kararlı izotopun gerekli olduğu durumlarda Üçlü İzotop Seyreltme Endüktif Eşleşmiş Plazma Kütle Spektrometrisi (triple-ID-ICP-MS) birincil ölçüm yöntemi olarak kabul edilir. Birçok durumda, ilgilenilen elementin girişimsiz izotoplarından birini seçmek mümkündür. Tekrarlanabilir izotop oranı değerleri sağlamak için izotopların ölçümüne yönelik hızlı bir ölçüm sistemine ihtiyacı vardır. Buda, izleme listesinde daha az sayıda izotop bulunmasını gerektirir. Bu nedenle, elementel girişimler matematiksel olarak düzeltilse bile, ölçümden önce girişim yapan elementlerin kimyasal olarak ayrılması, tekrarlanabilirliğin artmasını sağlar. ICP-MS'e geçmeden önce girişimlerin ayrılmasının ölçümleri iyileştirmesi beklenmektedir. TCE'lerin girişim elementlerden kimyasal olarak ayrılması, neredeyse aynı kimyasal özelliklere sahip olmaları nedeniyle oldukça zordur. Bu çalışmada PCB numunelerinde TCE'lerin izlenebilir ölçümü için referans bir kimyasal ayırma işlemi geliştirildi ve doğrulandı. Ortak bir araştırma projesinde üretilen 200 µm'nin altındaki parçacık boyutlu PCB numunesi, 2 ml %65 (w/w) HNO3 ve 6 ml %30 (w/w) HCl' de 200°C'de 30 dakika boyunca mikrodalga parçalama sistemi kullanılarak çözüldü. Numune çözeltileri, çözünmeden önce numunelere izotop bakımından zenginleştirilmiş referans materyali eklenerek hazırlandı. Ölçümlerin izlenebilirliği için sertifikalı referans materyallerinden kalibrasyon karışımları hazırlandı. Mikrodalga sindirim sisteminden elde edilen çözeltilerden TCE' lerin kimyasal olarak ayrılması için yüksek basınçlı ekstraksiyon sistemi (SPE WARE CEREX 48), polipropilen kolonlar (?3 mm iç çap ve ?8 cm uzunluk) ve lantanit spesifik reçine (50-100 µm) kullanıldı. Elüsyon işlemi, TCE'lerin girişim yapan elementlerden ayrılması için optimize edildi. Atık PCB malzemesindeki TCE'lerin belirlenmesi için ölçüm belirsizliği hesaplamasında aşağıdan yukarıya yaklaşım kullanılmış olup, ölçüm belirsizlikleri ve belirsizlik bütçeleri, ticari GUM Workbench yazılımı kullanılarak Ölçümdeki Belirsizliğin İfadesine İlişkin Kılavuz (GUM) yaklaşımına göre hesaplanmıştır.The recovery and reprocessing of technology-critical elements (TCEs) present in printed circuit boards (PCB) from electrical and electronic waste is essential both for recycling precious elements subject to supply risk and for reducing the environmental impact. Despite the quantitative knowledge of TCEs amounts in endof-life PCB plays a key role, there are neither matrix certified reference materials nor harmonized analytical methods available to establish the traceability of the results to the international system of units. To fill this gap, a measurement method traceable to system international (SI) was developed and implemented using the triple isotope dilution mass spectrometry method and ICP-MS instrument. PCBs usually contain important TCEs up to several hundreds of mg/kg levels. An SI traceable measurement method is needed to accurately and reliably determine the economic value of electrical and electronic waste (WEEE) such as PCBs. Methods employing isotopic measurements are commonly used in the measurements of elements in different samples in the fields of environment, food safety, geology and metallurgy, especially at trace levels. Triple Isotope Dilution Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry (triple-ID-ICP-MS) where at least two stable Isotope for analyte in question is needed, is accepted as a primary method of measurement. In many cases, it is possible to choose one of the interference-free isotope of the element interested. The method needs rapid measurement system for the measurement of isotopes to provide reproducible isotope ratio values. This requires less number of isotopes in the monitoring list. Therefore, even though elemental interferences are corrected mathematically, chemical separation of the interfering elements before the measurement provide improved repeatability. Separation of interferences before introduction to ICP-MS are expected to improve the measurements. Chemical separation of TCEs from interference elements is uniquely challenging due to their nearly identical chemical properties. In this study a reference chemical separation process was developed and validated for traceable measurement of TCEs in PCB samples. The material below 200 µm particle size which is produced in a joint research project was dissolved in 2 ml of 65% (w/w) HNO3 and 6 ml of 30% (w/w) HCl using microwave digestion system at 200°C for 30 min. Sample blends were prepared by spiking the samples with the isotope enriched reference material before digestion. For the traceability of the measurements, calibration blends were prepared from certified reference materials. High-pressure extraction system (SPE WARE CEREX 48), polypropylene columns (?3 mm i.d. and ?8 cm in length) and lanthanide specific resin (50-100 µm) were used for the chemical separation of TCEs in the digests from Microwave digestion system. The elution process was optimized for the separation of TCEs from the interfering elements. A bottom-up approach was used for measurement uncertainty calculation for the determination of TCEs in waste PCB material, and measurement uncertainties and uncertainty budgets were calculated according to Guide to the expression of uncertainty in measurement (GUM) approach by using commercial software GUM Workbench.