Prozessanalytik mittels Micro-Discharge OES (µDOES)
Ansprechpartner: carla [dot] vogt [at] chemie [dot] tu-freiberg [dot] de (Prof. Dr. Carla Vogt), Dipl.-Chem. Bastian Wiggershaus
Hauptkomponenten- und Spurenanalytik industrieller Salzlösungen
Sowohl bei der Herstellung von Batteriemetallen als auch beim Recycling besteht ein wachsender Bedarf an schnellen, präzisen und einfach zu handhabenden Analysemethoden, insbesondere für die On-line/On-site Analyse von Lithiumsalzlösungen, deren Folgeprodukte in der Batterieindustrie verwendet werden. Typischerweise verwendete Techniken wie die ICP‑OES oder ICP-MS sind in der Regel auf den Einsatz im Labor beschränkt, da sie durch hohe Gasflüsse (Ar, He), einem hohen Stromverbrauch und sensible Spektrometertechnik nicht für die Echtzeitanalyse und Überwachung industrieller Prozesse vor Ort geeignet sind. Eine vielsprechende Alternative für diese Problemstellung stellt die Micro-Discharge OES dar.
Prinzip der Micro-Discharge OES
Die Methode basiert auf der optischen Emissionsspektroskopie, bei der angeregte Atome und Ionen elektromagnetische Strahlung charakteristischer Wellenlänge emittieren. Im Gegensatz zur herkömmlichen ICP-OES wird das Plasma direkt in der wässrigen Probe erzeugt ohne Verwendung eines Trägergases. Dazu wird die Probe in eine Messzelle geleitet, die mit zwei Stabelektroden (Wolfram, Glaskohlenstoff) ausgestattet ist. Mittels spezieller Hochspannungselektronik wird eine hohe elektrische Leistung von bis zu 1-2 kW in ein kleines Volumen von weniger als 1 mm3 um die Kathode geleitet.
Durch Anlegen von Hochspannungspulsen an die Elektroden wird an der Kathode, direkt in der flüssigen Probe, ein Mikroplasma erzeugt. Das Mikroplasma wird durch eine Koronaentladung gebildet und kann als ein Nicht-Gleichgewichts-Wasserdampfplasma charakterisiert werden. Das von den im Plasmabereich enthaltenen, angeregten Atomen emittierte Licht wird über ein Glasfaserkabel zum Spektrometer geleitet, wobei überwiegend Spektren mit Atomlinien erhalten werden. Während einer einzigen analytischen Messung werden typischerweise 1000-3000 ca. 1 ms lange Mikroplasmaimpulse erzeugt und gemittelt. Je nach Anwendung können verschiedene Parameter, wie die elektrische Leitfähigkeit der Probe, die Energie der Plasmaentladung, das Elektrodenmaterial oder Spektrometereinstellungen angepasst werden.
Anwendung
In Kooperation mit Industriepartnern konnte die Prozesskette zur Gewinnung von LiOH∙H2O in Batteriequalität vollständig automatisiert analysiert werden. Der erste Schritt stellt dabei die Laugung eines zuvor zerkleinerten und calcinierten Lithiumerzes dar, wobei neben Li weitere Elemente in teilweise deutlich höheren (Na, K) oder in geringeren Konzentrationen (Ca, Mg, Rb) vorhanden sind. Da typischerweise die Elementgehalte im g/L-Bereich liegen, werden die Prozessproben zunächst mit Reinstwasser verdünnt und nach Anpassung der Leitfähigkeit analysiert. Durch diese Echtzeitanalyse lassen sich Schwankungen im Prozess identifizieren, wodurch Prozessparameter für eine optimale Laugungseffizienz schnell angepasst werden können.