Röntgenfluoreszenzanalyse Brennholz vor Ort auf Qualität und Schadstoffe analysieren

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Forscher der Universität Tübingen übertragen das Verfahren der Röntgenfluoreszenzanalyse für die Qualitätskontrolle biogener Festbrennstoffe. Mit der mobil einsetzbaren Analytik können Holzheizkraftwerke direkt vor Ort Proben analysieren und Schadstoffemissionen durch minderwertiges Brennholz vermindern.

Die Effizienz und Umweltverträglichkeit von Holzheizkraftwerken hängen entscheidend von der Qualität der eingesetzten Brennstoffe ab. Diese wird vom Wasser-, Asche- und Energiegehalt und maßgeblich von der chemischen Zusammensetzung des Materials beeinflusst. Um wirtschaftlich zu arbeiten und die Freisetzung von Schadstoffen so gering wie möglich zu halten, muss die Qualität der Brennstoffe optimal auf die Heizkraftwerkstechnik angepasst werden. Nun hat ein Team von der Universität Tübingen ein anderweitig bereits etabliertes Verfahren für den schnellen Einsatz zur Bestimmung der Brennstoffwerte geprüft: Danach bietet die Röntgenfluoreszenzanalyse eine vielversprechende Möglichkeit, die chemische Zusammensetzung fester Biobrennstoffe vor Ort zu bestimmen.

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Bisher übliche Analysemethoden sind ICP-OES (Optische Emissionsspektrometrie mit induktiv gekoppeltem Plasma) und ICP-MS (Massenspektrometrie mit induktiv gekoppeltem Plasma). „Diese Methoden sind zeit- und kostenintensiv, sie können nur von spezialisierten Fachkräften durchgeführt werden“, sagt Professor Harald Thorwarth von der Hochschule Rottenburg, einer der beiden Leiter der Studie. „Für eine schnelle und kosteneffiziente Vor-Ort-Analyse sind sie ungeeignet.“ Die Röntgenfluoreszenzanalyse sei bisher auf biogene Festbrennstoffe vor allem in speziellen Anwendungsfällen untersucht worden. „In den Bereichen Geologie, Kohleanalyse und sonstige Analytik wird sie schon lange außerhalb des Labors für schnelle Messungen im Feld genutzt. Wir wollten daher untersuchen, ob die Methode nicht auch für den Routinebetrieb in Holzheizkraftwerken eingesetzt werden kann.“

Vielseitige und nicht-invasive Analytik

Bei der Röntgenfluoreszenzanalyse wird die Materialprobe durch Röntgenstrahlung angeregt, die für eine Umverteilung der Elektronen sorgt. Diese können auf ein niedrigeres Energieniveau fallen, wodurch Energie in Form von Fluoreszenzstrahlung abgegeben wird. Sie entspricht der spezifischen Verteilung bestimmter chemischer Elemente in der Materialprobe. „In unserer Studie an biogenen Festbrennstoffen zeigte sich, dass die Röntgenfluoreszenzanalyse für die Elemente Magnesium, Phosphor, Kalium, Calcium, Silizium, Aluminium, Chrom, Mangan, Eisen, Zink und Blei problemlos eingesetzt werden kann. Für die Elemente Schwefel, Chlor, Titan und Nickel waren hingegen spezifische Kalibrierungen erforderlich“, berichtet Felix Endriss von der Hochschule für Forstwirtschaft Rottenburg, der Erstautor der Studie. Vorteil der Analysemethode sei, dass die Probe nicht zerstört wird und nicht aufwändig aufbereitet werden muss.

Die Einsatzbereiche der Methode: Ein weites Probenspektrum

Für die schnelle und präzise Bestimmung chemischer Elemente in Holzbrennstoffen kalibrierten die Wissenschaftler einen Röntgenfluoreszenzanalysator anhand von verschiedenen Brennstoffproben und verglichen die Ergebnisse mit denen der Referenzmethode ICP-OES. „Die Proben reichten von normalem Holz über Grünschnitt und Landschaftspflegematerial mit teilweise hohen mineralischen Verunreinigungen wie zum Beispiel Sand, Kieseln oder Erdreich bis hin zu Altholz, das alle möglichen Verunreinigungen wie Anstriche, Glas oder Metalle enthielt“, sagt Erstautor Endriss.

Mit dem Wissen über die Verteilung der chemischen Elemente in einer Probe können die Reaktionen in der Heizkraftanlage sowie die Menge der Schadstoffemissionen abgeschätzt werden. „Sind die angelieferten Brennstoffe zum Beispiel stark verunreinigt, können sie abgelehnt oder gezielt sortiert werden. Dadurch kann man eine gleichbleibende Brennstoffqualität erhalten und die Verbrennungsprozesse optimieren“, sagt Studienleiter Thorwarth. Das schone die Umwelt wie auch die Anlagenteile.

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Ein naheliegender Nutzen der Analysemethode ist der Nachweis von Schwermetallen in den Festbrennstoffen. „Kupfer, Arsen und Cadmium lagen in unseren Proben oft unterhalb der Nachweisgrenze. Aber auch hier sehen wir ein großes Potenzial für die Überwachung der Grenzwerte, etwa bei Altholz“, sagt Professor Andreas Kappler von der Universität Tübingen, der die Studie gemeinsam mit Thorwarth leitete. Dadurch könne Altholz besser klassifiziert und der Eintrag von schadstoffbelastetem Holz in die Kreislaufwirtschaft verhindert werden – ebenso wie die energetische Verwertung von schadstofffreiem, noch gut für andere Zwecke nutzbarem Holz.

Originalpublikation: Felix Endriss, Daniel Kuptz, Dirk Wissmann, Hans Hartmann, Elke Dietz, Andreas Kappler, Harald Thorwarth (2024): Evaluation and optimisation of an X-Ray fluorescence analyser for rapid analysis of chemical elements in solid biofuels, Energy & Fuels; DOI: 10.1021/acs.energyfuels.4c01771

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