玻璃作為一種工業(yè)材料，一般廣泛應(yīng)用于建筑、包裝和醫(yī)藥等領(lǐng)域。近年來，隨著玻璃制品的普及使用，廢棄玻璃數(shù)量顯著增加。廢舊玻璃由于其自身惰性材料的特性，無法自然降解，僅僅將廢玻璃與其他廢棄物一同簡單填埋處理并不環(huán)保?；厥赵倮貌皇橐环N有效的處理手段，不僅可以減少原材料與生產(chǎn)能源的消耗，還能夠防止隨意填埋造成的土地資源浪費。然而，根據(jù)中國資源循環(huán)利用協(xié)會發(fā)布的數(shù)據(jù)，2021年，中國產(chǎn)生了約2275萬噸廢玻璃，回收率僅為47%，遠(yuǎn)低于歐盟的平均回收率。

玻璃的回收過程通常包括運輸、分揀、粉碎、雜質(zhì)去除。在分揀過程中，通常采用人工篩選來根據(jù)顏色分離各種類型的玻璃。這種方法通常效率低下，并且很難確保分選質(zhì)量。同時，一些特定的玻璃在制造過程中可能會摻入某些種類的重金屬，以增強其獨特的性能，這可能會導(dǎo)致重金屬在回收過程中釋放到環(huán)境中。因此，在回收過程的早期階段，根據(jù)玻璃的元素組成對玻璃進(jìn)行分類具有非常重要的意義。但是目前可采用激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)檢測廢玻璃的元素。

LIBS 是一種原子發(fā)射光譜技術(shù)，使用高能量密度脈沖激光聚焦燒蝕樣品表面， 形成等離子體，分析等離子體發(fā)射光譜從而了解物質(zhì)的元素組成，可用于快速鑒定和定量固體、液體和氣 體樣品中的元素。與原子吸收光譜法或原子熒光光譜法等傳統(tǒng)方法不同，LIBS 技術(shù)能夠以最少 的樣品制備實現(xiàn)實時、非接觸式分析，它能夠同時分析多種元素，因此廣泛應(yīng)用于生物檢測、材料科學(xué)、環(huán)境監(jiān)測和食品安全等領(lǐng)域。

（1）方案構(gòu)成

本次實驗采用LIBS系統(tǒng)對樣品進(jìn)行分析。

（2）儀器構(gòu)成

由上?？萍加邢薰咎峁┑募す庹T導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)。

（3）示意圖

（1）現(xiàn)場搭建圖

3.1 樣品處理：玻璃有多種類型，具有不同的化學(xué)成分。本實驗中選取鉛鋇玻璃、鈉鈣玻璃、硼硅酸鹽玻璃、石英玻璃作為實驗樣品，均購買于網(wǎng)絡(luò)購物平臺，尺寸為5 cm×5 cm ×1 cm。前3種玻璃樣品均表現(xiàn)出相同的無色外觀，鉛鋇玻璃樣品則呈現(xiàn)為淡黃色，主要用于研究是否能準(zhǔn)確快速檢測出玻璃中的重金屬摻雜。所有待測玻璃樣品在實驗開始前都使用酒精棉簽清潔并進(jìn)行干燥處理，以去除表面污染或殘留物質(zhì)，確保不會干擾影響后續(xù)實驗。

3.2 打開軟件，掃描光譜儀，等待光譜儀掃描完成后，點擊單次采集，保存暗光譜，點擊扣除背景；

3.3 設(shè)置外部觸發(fā)模式，點擊連續(xù)測量；

3.4 連接觸發(fā)板，設(shè)置觸發(fā)板參數(shù)，打開觸發(fā)源，即可獲得樣品圖譜。

根據(jù)不同的樣品，調(diào)整每個通道的延時，確保在光譜信號清晰的情況下，盡量減少熒光背景的干擾。

4.1 鉛鋇玻璃的LIBS光譜分析

根據(jù)工業(yè)測試條件，本文中選擇將玻璃樣品暴露在空氣的環(huán)境下進(jìn)行檢測，獲取玻璃樣品的等離子體發(fā)射光譜，波長范圍為200 nm~880 nm。實驗過程中每個玻璃樣品總共收集600份光譜，由于無法確保激光每次發(fā)射都被精確聚焦到樣品表面，這600份原始光譜數(shù)據(jù)中存在部分無效光譜，選擇平均使用600份原始光譜數(shù)據(jù)來快速檢測樣品的元素組成以及識別特征元素譜線。特征譜線的識別是參考美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院數(shù)據(jù)庫進(jìn)行的。由于分辨率的限制和譜線藍(lán)移現(xiàn)象，在空氣環(huán)境條件下，檢測到的特征譜線的波長值可能與數(shù)據(jù)庫中的波長值略有偏差。鉛鋇玻璃在200 nm~880 nm波長范圍的LIBS光譜如圖1所示。

圖1 鉛鋇玻璃的 LIBS 光譜

某些波長范圍并未包含有用的元素信息，為了更好地分析鉛鋇玻璃的元素組成，選擇將光譜分為4個部分。圖1中標(biāo)記的特征譜線波長值為實驗測量所得的波長值，可以發(fā)現(xiàn)，Pb I有20條特征譜線，Pb II有6條特征譜線。在光譜儀的所有4個通道中都可以檢測到鉛元素的存在，并且在405.676 nm處有一條相對較強的特征譜線。此外，觀察到Ba II的兩條突出特征譜線，進(jìn)一步證實了鋇的存在。因此，鉛和鋇的成功檢測說明了利用LIBS技術(shù)識別廢玻璃中潛在重金屬污染或摻雜的可行性與有效性。除了鉛和鋇之外，光譜還揭示了其他金屬元素，如 Al、Ca、Na 和 K。值得注意的是，還檢測到非金屬元素 Si，這主要來自于玻璃基體的重要主體成分二氧化硅。由于實驗是在空氣環(huán)境中進(jìn)行的，因此還可觀察到空氣中常見元素（包括 N、O 和 H）的多條特征譜線。

4.2 4種玻璃的LIBS光譜分析

如圖1所示，在440 nm~ 880 nm的范圍內(nèi)主要檢測到的大多均為空氣中元素的特征譜線。因此，選擇200 nm~440 nm范圍進(jìn)行詳細(xì)的光譜分析，在這段范圍內(nèi)更適合識別各類玻璃樣品自身的特征譜線。圖3顯示了該范圍內(nèi)4種玻璃類型的LIBS光譜。采用了與鉛鋇玻璃相同的光譜校準(zhǔn)和元素鑒定方法。通過比較，發(fā)現(xiàn)元素Si的譜線始終出現(xiàn)，且線數(shù)相同，相對強度存在輕微的差異。通過對比可以看出，石英玻璃的所有特征譜線相對強度處于較弱水平，鈉鈣玻璃在393.257 nm和 396.667 nm處的Ca II譜線相對強度遠(yuǎn)遠(yuǎn)強于其他3個樣品。同樣，鈉鈣玻璃在279.030 nm 和279.743 nm處的Mg II譜線相對強度仍處于較高水平，而鉛鋇玻璃的光譜中則并未檢測到元素 Mg 的特征譜線。準(zhǔn)金屬元素B在208.823 nm和249.673 nm處的兩條原子線僅在硼硅酸鹽玻璃中檢測到，而多條元素Pb的譜線僅在鉛鋇玻璃中檢測到。在同一波段范圍中檢測出的不同種類的元素以及不同的相對強度，為玻璃識別分類提供了重要的基礎(chǔ)。

圖2  4種玻璃樣品的 LIBS 光譜