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Methodenbeschreibung für die C-, H-, N- und S-Bestimmung

Mit dem vario EL sowie vario micro cube von Elementar können die Elemente C, H, N, S in den verschiedensten Proben simultan oder einzeln auch in stark wechselnden Konzentrationsverhältnissen analysiert werden. Hochtemperatur-Aufschluß, dynamische Gaskomponententrennung und Detektion sind in einem Gerät vereinigt.

 

  Arbeitsplatz zur C-, H-, N-, S-Bestimmung, links: elementar vario micro cube, rechts: Analysenwaage Sartorius

 

Einwaage:

Von der zu analysierenden Substanz werden je nach Gerät 1-5 mg eingewogen. Das Probengewicht wird dabei auf 0.001 mg genau bestimmt. Bei schwer verbrennbaren Substanzen kann noch etwas WO3 zugegeben werden.

Feste Proben werden in speziellen Zinnschiffchen eingewogen, welche anschließend zu würfelförmigen Päckchen zusammengefaltet werden. Flüssige Proben werden in speziellen Zinnkapseln eingewogen, die anschließend mit einer Kapselpresse verschlossen werden.

 

Zinnkapseln zum Einwiegen von Flüssigkeiten und Zinnschiffchen zum Einwiegen von Feststoffen

 

  

Presse zum Verschließen der Zinnkapseln (kaltes Verschweißen)

 

Substanzaufschluß:

Die zu analysierende Substanz wird durch Verbrennung aufgeschlossen. Dabei wird die Substanz (eingeschlossen im Zinnschiffchen oder Zinnkapsel) mittels automatischem Probengeber über einen Kugelhahn in das aus Quarzglas bestehende Verbrennungsrohr befördert. Die Verbrennung erfolgt dort explosionsartig bei ca. 1150 °C in einer mit Sauerstoff hoch angereicherten Helium-Atmosphäre.

 

  Verbrennungsrohr aus Quarzglas (gebraucht)

 

Durch die individuell wählbare Verbrennungszeit (Standardzeit: 2 s) und eine variable Sauerstoffbeimengung wird eine quantitative Verbrennung der Probe auch bei großen Einwaagen (je nach Elementgehalt bis zu 200 mg) erreicht.

Bei der Verbrennung entstehen aus den Elementen C, H, N und S die gasförmigen Verbrennungsprodukte CO2, H2O, N2, NO, NO2, SO2, SO3, sowie flüchtige Halogenverbindungen, falls die Probe Halogene enthält. Das im Zinnschiffchen oder in der Zinnkapsel enthaltene Zinn verbrennt zu SnO2 und wird im Aschefinger des Verbrennungsrohres gesammelt.

 

 

Aufarbeitung der Verbrennungsgase:

Die in den Verbrennungsgasen enthaltenen Stickoxide und Schwefeloxide werden im nachgeschalteten Reduktionsrohr, welches mit Kupfer gefüllt ist, bei ca. 850 °C quantitativ zu N2 und SO2 reduziert. Das Kupfer entfernt außerdem noch den überschüssigen Sauerstoff, welcher zur vollständigen Verbrennung der Probe notwendig gewesen ist.

 

 

Am Ende des Reduktionsrohres befindet sich etwas Silberwolle, um flüchtige Halogenverbindungen aus den Verbrennungsgasen zu entfernen. In den Verbrennungsgasen befinden sich nach der Aufarbeitung nur noch die Bestandteile He (Trägergas), CO2, H2O, N2 und SO2.

 Reduktionsrohr (frisch mit Kupfer gefüllt)

 

Trennung der Verbrennungsgase:

Zur Verhinderung der Bildung von H2SO3 aus SO2 und H2O und zur Vermeidung von Wasserkondensation in den Rohrleitungen, sind sämtliche Rohrverbindungen bis zum Trennsystem elektrisch beheizt.

Die Auftrennung der einzelnen Bestandteile des Verbrennungsgases (CO2, H2O, N2 und SO2) erfolgt nach dem gaschromatographischen Prinzip in U-förmigen Trennsäulen, die mit speziellen Adsorptionsmitteln gefüllt sind:

Adsorptionssäule (elektrisch beheizt)

 

Zunächst durchströmt die Gasmischung, bestehend aus CO2, H2O, N2, SO2 und He die erste Adsorptionssäule bei einer Temperatur von 50 °C. Mit dieser Säule wird H2O restlos aus dem Gasstrom entfernt.

Der Rest des Gasgemisches durchströmt anschließend die zweite Adsorptionssäule, welche quantitativ SO2 entfernt.

Zuletzt durchströmt die Gasmischung die dritte Adsorptionssäule. Mit dieser Säule wird CO2 quantitativ aus dem Gasstrom entfernt.

Das Trägergas Helium enthält jetzt nur noch den von den Adsorptionssäulen unbeeinflußten N2.

Funktionsschema vario EL mit Auftrennung der Verbrennungsgase

 

Detektion:

Als Detektionseinheit dient eine hochempfindliche Wärmeleitfähigkeitsmeßzelle (WLD), welche aus zwei Kammern besteht und jeweils einen Thermistor (temperaturabhängiger Widerstand) enthält. Eine Kammer wird von dem reinen Trägergasstrom (He) durchströmt (Referenzstrom), die andere von He mit dem zu messenden Fremdgasanteil (Meßstrom). Beide Thermistoren bilden eine Wheatstone-Brücke, deren elektrische Verstimmung ein Maß für den Fremdgasanteil im Trägergas darstellt. Die elektrische Ausgangsspannung der WLD in Form eines Peaks wird in Abhängigkeit der Zeit aufgezeichnet, digitalisiert, integriert und an einen Personalcomputer zur Auswertung weitergegeben.

Der von dem Trennsystem (siehe weiter oben) unbeeinflußte N2 tritt als erste Komponente in die WLD ein.

Wenn die Messung des Stickstoffanteils beendet ist, wird die mit CO2 beladene Adsorptionssäule auf ca. 130 °C geheizt, wodurch das CO2 rasch desorbiert und vom Trägergasstrom in die WLD gespült wird.

Nach Beendigung der Messung des CO2-Anteils wird die SO2-Adsorptionssäule auf ca. 140 °C geheizt, wobei das SO2 unter Umgehung der CO2-Adsorptionssäule in die WLD gelangt.

Ist die SO2-Desorption beendet, wird die mit H2O beladene Säule auf ca. 280 °C geheizt, wobei die Desorption von Wasser erfolgt. Das H2O wird vom Trägergas He in Form von Wasserdampf in die WLD gespült.

 

  Zeitliches Signal an der Wärmeleitfähigkeitsmesszelle (WLD) während einer Messung

 

Nach der Messung der Bestandteile im Trägergasstrom werden alle drei Adsorptionssäulen abgekühlt, ehe ein neuer Analysenablauf erfolgen kann.

 

Probleme und Störungen:

Sind bestimmte Elemente in den zu untersuchenden Proben enthalten, so können Probleme auftreten, die das Messergebniss unter Umständen verfälschen:

  • Phosphor führt zur Bildung von glasartigem (P2O5)x(H2O)yC und beansprucht stark das Quarzrohr.
  • Fluor zerstört in Form von Fluorwasserstoff das aus Glas bestehende Verbrennungsrohr und Reduktionsrohr.
  • Silicium kann eventuell Carbid bilden.
  • Bor stört nur bei der Schwefelbestimmung.
  • Arsen, Antimon, Quecksilber, Osmium scheiden sich im Rohrsystem ab und können nur schwer entfernt werden.

Proben, die As, Hg, U oder Os enthalten, werden nicht gemessen, da die Geräte beschädigt werden! Bei dem Vorhandensein bestimmter weiterer Elemente, kann das Analysenergebnis gestört werden.

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