可再生能源事業(yè)正在迅速發(fā)展，當(dāng)商用能源的價格一直處于高位時，可再生能源的費(fèi)用已在最近15年間降低近半，至2020年還將再降低40%。這些成果的取得源于規(guī)?；a(chǎn)和技術(shù)進(jìn)步，其中高效的元素分析技術(shù)如ED-RFA （能量散射X射線熒光光譜法）和ICP-OES（電感耦合等離子體發(fā)射光譜法）對此也作出了重要貢獻(xiàn)。

面對日益減少的石油資源，由甘蔗、棕櫚、油菜或大豆生產(chǎn)的生物能源作為汽油、柴油的生態(tài)替代品，已具有越來越重要的意義。早在2003年，歐盟就通過了指導(dǎo)規(guī)則2003/30/EG,其后為“可再生能源指令2009/28/EG”所替代。該指令明文規(guī)定：到2020年，10%的燃料必須來自可再生能源，即在常用的商用燃料中要混合使用高達(dá)10%的生物燃料。

生物柴油從生產(chǎn)、使用和生態(tài)意義的角度而言，它不像苯和甲苯那樣含有有毒物質(zhì)，而且不會產(chǎn)生有害的輻射。但是它含有的硫，是在燃料中必須嚴(yán)格限制含量的元素。此外，還需注意監(jiān)控磷、堿金屬和鈉、鉀、鎂、鈣等堿土金屬的含量，因?yàn)檫@些物質(zhì)即使少量存在也會嚴(yán)重?fù)p害發(fā)動機(jī)和排氣凈化裝置。對于生物乙醇而言，還要限制氯、銅和鉛的臨界值。生產(chǎn)廠家和營銷者在銷售生物燃料時，必須建立起分析程序以對產(chǎn)品組成進(jìn)行整體控制。對生物燃料質(zhì)量和組成的監(jiān)控建議采用能量散X射線熒光光譜法（ED-RFA）和電感耦合等離子體發(fā)射光譜法（ICP-OES）。

硫的ED-RFA分析

能量散射X射線熒光光譜法（ED-RFA）是對元素組成進(jìn)行定性和定量分析的常用方法。其典型應(yīng)用之一是燃料中較低硫含量的測定。Spectro Analytical Instruments公司提供專業(yè)的能量散射X射線熒光光譜儀，產(chǎn)品經(jīng)理Dirk Wiamann先生表示：“ED-RFA儀器進(jìn)行的是無損分析，方法可靠，無需或僅需少量的樣品制備?！?/p>

運(yùn)用這種分析方法，可在較短時間內(nèi)獲得高的準(zhǔn)確性和重現(xiàn)性?！盁o論在實(shí)驗(yàn)室還是生物燃料生產(chǎn)的在線分析中，Spectro iQ II 以其高效、靈敏、具有HOPG晶體的C力光學(xué)偏振器，可很好地應(yīng)用于燃料中較低硫含量的測定。” Wiamann先生表示，其檢測限可達(dá)mg/kg級別，例如可分析硫含量低于10 mg/kg的脂肪酸酯（FAME）（見圖2）。

采用能量散射X射線熒光光譜法分析測定燃料中的硫，符合標(biāo)準(zhǔn)制訂部門的推薦。英國能源研究所在石油標(biāo)準(zhǔn)IP 532中，美國標(biāo)準(zhǔn)化研究所ASTM國際部在ASTM D7720中均描述了這種方法。

圖2.采用ED-RFA儀器分析得到的含硫量位于0~50 mg/kg的典型光譜。

其他有害的微量元素

除硫元素外，在生物柴油和生物燃料中還需要對磷、堿金屬鈉、鉀、鎂和鈣等堿土金屬的含量進(jìn)行分析。這些元素可能對于汽車發(fā)動機(jī)組件的壽命和效率造成嚴(yán)重的影響：少量的磷會導(dǎo)致排氣凈化裝置的損壞，而高含量的堿金屬、堿土金屬會導(dǎo)致肥皂化沉積，從而堵塞過濾孔，影響燃料的注射。此外，如果催化劑受到這種污染物的影響，還會使機(jī)動車排氣超出法定的廢氣毒性界限。這些元素的檢測均可采用電感耦合等離子體發(fā)射光譜法（ICP-OES）分析方法，歐盟標(biāo)準(zhǔn)化研究所的標(biāo)準(zhǔn)EN-14538、ASTM D7133-05 以及ASTM D4951已描述了這種方法（見表1）。 ICP-OES分析儀器例如 Spectro Genesis或Spectro Arcos 適合于這類元素的監(jiān)測，檢測限達(dá)到μg/kg級別。它借助于同時測量的手段獲得了總的光譜信息，還可對數(shù)百個樣品自動完成循環(huán)測量，無需操作人員長時間地監(jiān)測分析過程?！癝pectro Genesis和Spectro Arcos的儀器能夠讓燃料生產(chǎn)商和研究實(shí)驗(yàn)室節(jié)省費(fèi)用和時間，同時進(jìn)行高精度的生物燃料分析。”Spectro Analytical Instruments公司ICP-OES產(chǎn)品經(jīng)理 Olaf Schulz總結(jié)道。

太陽能電池的元素分析

光伏太陽能市場正在蓬勃興起：根據(jù)歐盟太陽能工業(yè)協(xié)會 EPIA的報(bào)道， 2009年全球已經(jīng)新裝建6.4千兆瓦太陽電流功率，預(yù)計(jì)2010年還會有至少40%的增長。光伏太陽能市場的迅速增長首先體現(xiàn)在薄層太陽能電池上，這種經(jīng)典的硅質(zhì)太陽能電池的發(fā)展不斷獲得突破。現(xiàn)代的元素分析技術(shù)為改善電池效率做出了重大的貢獻(xiàn)，這些分析技術(shù)能夠使得太陽能電池制造商做到：

對薄層的厚度進(jìn)行監(jiān)測；

對薄層的元素組成進(jìn)行分析；

對可能存在于高純原材料中的雜質(zhì)進(jìn)行鑒定。

對薄層太陽能電池的效率具有決定意義的是CIS層，CIGS層和CdTe層，它們的層厚約為10μm。太陽能電池制造商試圖盡可能保持產(chǎn)品層厚的重現(xiàn)性，以確保穩(wěn)定的高效率。而要達(dá)到這樣的效果，前提是對生產(chǎn)過程全線實(shí)現(xiàn)方便的在線監(jiān)測。能量散射X射線熒光光譜提供了這種分析方法，高端光譜儀 Spectro Xepos 或者如Spectro xSpo之類的手持式X射線熒光光譜儀可供太陽能電池制造商和研究實(shí)驗(yàn)室選擇，這些均可用于生產(chǎn)中的在線監(jiān)測。

Spectro Xepos光譜儀除了高精度和操作簡便外，還具有自動更換樣品的優(yōu)點(diǎn)，可通過一組太陽能電池板中切出的12個隨機(jī)抽樣樣品對該批次進(jìn)行檢查，以便為整個電池板的元素組成得出具有代表性的結(jié)果。另外，還可采用替代方法，借助手持式X射線熒光光譜儀，在現(xiàn)場對具代表性的樣品系列于數(shù)分鐘內(nèi)實(shí)施檢測：對單個電池板進(jìn)行多點(diǎn)分析，對多張板則相繼進(jìn)行分析。此外還提供如鎵、硒、銦、鎘、碲、鋅或鉬等元素的重要信息。另一應(yīng)用領(lǐng)域是分析光伏太陽電池板頂蓋玻璃中的鐵含量，鐵含量必須控制在很低的界限值以內(nèi)，以提高玻璃對陽光的透射度。

ICP-OES進(jìn)行質(zhì)量控制

對于太陽能電池電荷載體的壽命及其效率具有重大影響的是所用的原材料。其中小濃度污染物的存在，也可能影響整個電池板的性能。在制備太陽能電池時，污染物的濃度應(yīng)低于10 mg/kg?！皩τ诟呒兓瘜W(xué)品的分析宜采用具電感耦合等離子體的光譜儀或質(zhì)譜儀?！盜CP-OES產(chǎn)品經(jīng)理Olaf Schulz 表示，“這種高靈敏度儀器的檢測限可達(dá)μg/kg 甚至ng/kg級別，可讓研究實(shí)驗(yàn)室對痕量元素進(jìn)行可靠的鑒定”。

結(jié)語

高效的元素分析方法是開發(fā)和生產(chǎn)替代能源不可或缺的手段。ED-RFA 和 ICP-OES分析方法，具有高精度和可靠性的優(yōu)點(diǎn)，在實(shí)驗(yàn)室研發(fā)階段和生產(chǎn)的在線監(jiān)測中都顯示出其突出的優(yōu)勢。