Firma:                   Metrohm

Modell:                IC 861

Kommentar:        Dokumente deut.

Ionenchromatographie für Kraftwerke

Thermisch betriebene Kraftwerke sind das Herz einer Industriegesellschaft. Kommt dieser Herzschlag ins Stocken, sind die Konsequenzen unabsehbar. Es spielt keine Rolle, ob diese Kraftwerke mit fossilen oder mit Kernbrennstoffen betrieben werden, der sichere und zuverlässige Betrieb muss im Interesse aller unbedingt garantiert werden.

Alle thermischen Kraftwerke verwenden Wasser als zentrales Medium. Wasser dient der Kühlung, der expandierende Wasserdampf treibt die Turbinen an, Wasser moderiert die Kernspaltung. Ist das verwendete Wasser von einwandfreier Qualität, so ist bereits eine wichtige Bedingung für den sicheren Betrieb des Kraftwerks erfüllt. Die Qualität betrifft das Wasser selbst, aber auch die Chemikalien, welche aus verschiedenen Gründen dem Wasser zugesetzt werden.

Wie lässt sich sicherstellen, dass keine Schadstoffe in den empfindlichen Kreislauf des Kraftwerks gelangen? Die umfassende analytische Antwort heisst : Ionenchromatographie (IC). Mittels IC lassen sich die ionischen Bestandteile in wässrigen Medien sehr genau und schnell bestimmen. Sowohl Anionen als auch Kationen werden im Konzentrationsbereich Nanogramm pro Liter ( ppt – parts per trillion ) bis Milligramm pro Liter ( ppm – parts per million ) sicher erfasst.

Die IC-Systeme von Metrohm sind massgeschneidert für diese Applikation. Sie sind ausgesprochen robust in der Anwendung, sehr einfach auch durch angelerntes Personal zu bedienen, kostengünstig in der Anschaffung und im Unterhalt und sie liefern präzise und verlässliche Messergebnisse.

Metrohm verwendet «MISP» – Metrohm Inline Sample Preparation . Das Liquid Handling übernehmen äusserst flexible Probenwechsler und hochpräzise Dosinos . Die Kalibrierung erfolgt « Inline » und unabhängig von Benutzer und Umwelteinflüssen. Absolut verlässliche Suppressoren mit sehr niedrigem Rauschen und ohne störanfällige Membranen garantieren sicheren Betrieb. Auch die extrem kurzen Start-up-Zeiten und die hohe Autonomie der IC-Systeme sind das Ergebnis von mehr als 60 Jahren Erfahrung in der Ionenanalytik und von zwei Dekaden herausragender Forschung in der Ionenchromatographie .

Metrohm Ionenchromatographie für den Kraftwerksbereich

• höchste Präzision
• stabile Performance in rauer Umgebung
• optimiertes User-Interface
• niedrige Anschaffungs- und Unterhaltskosten
• Suppressor mit 10 Jahren Garantie
• sehr niedrige Nachweisgrenzen
• sehr kurze Start-up-Zeit : 10 Minuten vom Aufstarten bis zur ersten Probe
• langzeitstabile Kalibrierung
• große Flexibilität für Probenvolumina und -gefäße

«MISP» – Metrohm Inline    Sample Preparation

• hochpräzise Mehrpunktkalibrierung mit nur einem Standard
• volumengenaue Probenanreicherung
• automatische Inline-Matrixeliminierung
• hochkapazitive Inline-Matrixneutralisation
• Integrität des IC-Systems – Probenvorbereitung ausschließlich im Niederdruckteil
• einzigartige Dosino-Technologie – Probenanreicherung auf 1 μ L genau

Kationen-IC-System

Der Aufbau des «MIC-4 Advanced », des modularen Kationen-Systems mit elektronischer Suppression und Probenanreicherung, ist denkbar einfach aber wirkungsvoll. Es besteht aus einem frei wählbaren Eluenten , serieller Zweikolben-IC-Pumpe 818, Injektionsventil mit IC-Kationen-Anreicherungssäule , Hochleistungstrennsäule für Kationen , die im IC Separation Center 820 mit Säulenheizung untergebracht ist, und dem IC-Leitfähigkeitsdetektor 819. Das System arbeitet isokratisch . Selbstverständlich kommt keine chemische Suppression zum Einsatz, denn nur so können die Übergangsmetalle neben den Alkali- und Erdalkalimetallen und Aminen bestimmt werden. Chemische Suppression würde zur Bildung der Hydroxide und damit zum Ausfallen der Übergangsmetalle führen.

Die Schnittstelle zwischen IC-System und der Metrohm-Inline-Probenvorbereitung «MISP» liegt in der Anreicherungssäule. Sämtliche Probenvorbereitungsschritte geschehen im Niederdruckteil und damit außerhalb des eigentlichen IC-Systems. Die zu analysierenden Kationen werden über die Anreicherungssäule dem IC-System zugeführt. Dieser Aufbau ist robust, sehr einfach zu konfigurieren und garantiert optimale Ergebnisse bis in den Ultraspurenbereich hinein.

Für die speziellen Anforderungen im Kraftwerksbereich wird das klassische «MIC-4 Advanced »- System nur um ein zweites Injektionsventil, den Sample Processor 838 mit Dosino 800, Metrosep I Trap 1 und das Transfer Tubing erweitert.

Eluenten für die Kationentrennung lassen sich mit dem Eluent Synthesizer 845 sicher und vollautomatisch herstellen.

Anionen-IC-System

Das High-end-System für die Bestimmung von Anionen mittels Ionenchromatographie ist das «MIC-6 Advanced », das modulare Anionen-System mit chemischer Suppression, Probenanreicherung und Matrixeliminierung. Für dieses System ist der Eluent frei wählbar und wird mit der Hochdruckpumpe 818 gefördert. Im Separation Center 820 sind zwei Ventile, die Säulenheizung sowie das «MSM» Metrohm-Suppressor-Modul untergebracht. Die Leitfähigkeitsmessung erfolgt mit dem IC-Detektor 819.

Zum Einsatz kommt der Sample Processor 838, der für die Applikationen im Kraftwerksbereich zusätzlich mit einem Dosino 800, der Metrosep I Trap 1 und dem Transfer Tubing ausgerüstet ist. Für die Inline-Neutralisation wird das System um die Liquid Handling Sample Preparation Unit 833 ergänzt.

Die ausserordentliche Leistungsfähigkeit des Systems beruht wie schon bei den Kationen auf der «Unversehrtheit» des eigentlichen IC-Systems. Alle Probenvorbereitungsschritte geschehen außerhalb des zentralen IC-Systems und beeinflussen deshalb die Trennung und den Nachweis der Anionen nicht. Die einzige Schnittstelle zwischen Probenvorbereitung und IC-System ist die Anreicherungssäule auf dem Injektionsventil.

Das isokratische System kann jederzeit zu einem binären, ternären oder quaternären Hochdruckgradientensystem aufgerüstet werden. Zum Nachweis der Anionen stehen außer der Leitfähigkeitsdetektion mit UV/VIS, ELCD, PAD, MS diverse weitere Detektionsverfahren zur Verfügung, die sequentiell zur Leitfähigkeit verwendet werden können.

Sollen Silikat oder Borat bestimmt werden, so kann das System ohne chemische Suppression betrieben werden. Der Suppressor wird hierfür mit wenigen Handgriffen offline geschaltet.

Eluenten für die Anionentrennung können mit dem Eluent Synthesizer 845 sicher und vollautomatisch hergestellt werden.

Liquid Handling mit dem Dosino 800

Die Der Dosino 800 ist die einzige elektronische Bürette mit 10’000 präzisen Volumenschritten. Ausgerüstet mit einer 10-mL-Glasbürette lassen sich damit Volumeninkremente von nur 1 μ L dosieren. Der Dosino 800 ist integraler Bestandteil des Liquid Handlings in den Metrohm-IC-Systemen für den Einsatz in Kraftwerken. Er übernimmt dabei im Zusammenspiel mit dem Advanced Sample Pro­cessor 838 verschiedene Aufgaben im «MISP» – der Metrohm Inline Sample Preparation : Die vollständige Steuerung erfolgt per «MSB» Metrohm Serial Bus durch die Metrodata-Software IC Net.

In line-Probenanreicherung

Der Dosino 800 transferiert ein beliebiges Probenvolumen präzise auf die Anreicherungssäule. Die Probe gelangt dabei nicht in die Bürette des Dosino . Um Kontamination zu vermeiden, wird sie in ein «Transfer Tubing », eine Teflonkapillare von 10 mL Volumen, gezogen und nach Ventilschaltung auf die Anreicherungssäule ausgestoßen. Dieser Vorgang kann beliebig oft wiederholt werden. Anreicherungen von bis zu 100 mL sind möglich und werden von der Kapazität der Anreicherungssäule bestimmt. Die Flexibilität des Dosinio 800 erlaubt es, anschließend den gesamten Flow Path mit Reinstwasser zu spülen.

Inline-Matrixeliminierung

Der Dosino 800 spült hierfür die Anreicherungssäule mit Transferlösung, z.B. Reinstwasser . Die Matrix, z.B. Borsäure , wird von der Anionenanreicherungssäule entfernt, die Anionen hingegen bleiben auf der Säule gebunden und werden nach der Schaltung des Ventils auf « Inject » bestimmt.

Inline-Kalibrierung

Im ersten Schritt wird die Probenschleife mit Standard gefüllt. Im zweiten Schritt wird das Volumen auf die Anreicherungssäule transferiert. Die Aufgabe des Dosino 800 ist es, das konstante Transfervolumen aus Reinstwasser bereitzustellen. Nach dem Transfer schaltet das Injektionsventil und der Standard wird gemessen. Damit ergibt sich das 1. Level der Kalibrierung. Wird das Kalibrierventil vor der Injektion zwei oder drei Mal gefüllt und geschaltet, verdoppelt resp. verdreifacht sich das Volumen und damit die Konzentration und entspricht damit dem 2. oder 3. Kalibrierlevel. Für die Kalibrierung wird mit nur einer Stammlösung gearbeitet. Das Volumen der Probenschleife ist absolut konstant. Damit ist die Präzision des Verfahrens ausgezeichnet und dem manuellen Herstellen bzw. dem manuellen Verdünnen von Standards signifikant überlegen.

Nach der Inline-Kalibrierung folgt die Inline-Probenanreicherung . Und hierin liegt der einzigartige Vorteil des Systems: Werden zum Beispiel 10 mL Probe angereichert, aber die Kalibrierung erfolgt mit 10 μ L, so kann ein Standard für die Kalibrierung eingesetzt werden, dessen Konzentration um den Faktor 1000 höher ist als die der Probe. Mit einem Standard im Bereich Mikrogramm pro Liter können nun Proben mit Gehalten von Nanogramm pro Liter bestimmt werden. Das heißt die Konzentration der Standardlösung kann um den Faktor 1000 höher gewählt werden als die zu erwartende niedrigste Probenkonzentration. Dadurch lassen sich Standards für den Ultraspurenbereich sicher herstellen.

Da mit absoluten Volumina gearbeitet wird, muss das Volumen der Probenschleife nur einmal kalibriert werden: Ein beliebiger Standard wird hierfür direkt vermessen. Anschließend wird derselbe Standard um den Faktor 1000 verdünnt und mittels Anreicherung gemessen. Theoretisch müssten die bestimmten Flächen identisch sein. Abweichungen können als Korrekturfaktor für das Probenschleifenvolumen in die Probentabelle der Metrodata-Software IC Net eingegeben werden.

Damit jegliche Kontamination sicher vermieden wird und der Blank so niedrig wie möglich ist, wird der Dosino 800 mit der Metrosep I Trap 1 ausgerüstet, die sich zwischen Dosino 800 und dem Transfer Tubing befindet und alle ionischen, d.h. anionischen und kationischen Verunreinigungen aus der Transferlösung entfernt. So werden ausgezeichnete Blank-Werte erzielt.

Liquid Handling mit dem Advanced Sample Processor 838

Der Advanced Sample Processor 838 stellt die Proben für die Analyse bereit. Mehr als 30 verschiedene Probenteller, die vom Wechsler automatisch erkannt werden, stehen zur Verfügung. Probenvolumina von 0.5 ... 500 mL werden sicher gehandhabt. Auf dem Standardprobenteller finden bis zu 148 Proben à 11 mL Platz. In der Ultraspurenanalytik spielen die Gefäße eine große Rolle, denn mit steigendem Volumen der Gefäße sinkt die Gefahr der Kontamination und Adsorption durch die Gefäßwand. (Empfohlen werden z.B. 125-mL-Nalgene®-Flaschen, die mit dem Probenteller 6.2041 .380 verwendet werden können.) Spezialanfertigungen von Probentellern für besondere Gefäßtypen sind möglich.

Liquid Handling mit der Liquid Handling Sample Preparation Unit 833

Die Liquid Handling Sample Preparation Unit 833 entspricht dem «MSM», dem Metrohm-Suppressor-Modul in einer hochkapazitiven Ausführung. Die Probenvorbereitung erfolgt « inline », die Regenerierung und Spülung parallel dazu «Offline». Nach jeder Bestimmung wird das Modul automatisch eine Kammer weitergeschaltet. Die Kapazität der Liquid Handling Sample Preparation Unit 833 ist damit quasi unbeschränkt. Zwei «MISP»-Techniken ( Metrohm Inline Sample Preparation ) werden für die Bestimmung der Anionen eingesetzt:

In line-Kationenentfernung

Die Probe passiert die Liquid Handling Sample Preparation Unit 833. Dabei entsteht aus dem Natriumborat durch den Austausch von Natriumionen gegen Hydroniumionen die Borsäure . Schwermetallionen und Amine werden ebenfalls gegen Hydroniumionen ausgetauscht. Eine Beeinflussung der Chromatographie oder sogar eine Schädigung der Säule durch Schwermetalle werden sicher vermieden.

Na ₃ BO ₃ + 3 H ⁺ → H ₃ BO ₃ + 3 Na ⁺

Inline- Neutralisation

Ganz analog der Suppressionsreaktion werden Basen mit der Liquid Handling Sample Preparation Unit 833 neutralisiert. Passieren Lithiumhydroxid oder Natriumhydroxid das Modul, werden die Natrium- bzw. Lithiumkationen gegen Hydroniumionen « inline » ausgetauscht und es bildet sich Wasser. Selbst 50%ige Natronlauge kann so neutralisiert werden.

LiOH + H ⁺ → Li ⁺ + H ₂ O

Da die Liquid Handling Sample Preparation Unit 833 parallel zu jeder Bestimmung offline regeneriert und gespült wird, ist ihre Kapazität praktisch unbeschränkt.