Ionenchromatographie

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1 Analytisches Physikalisches Praktikum Ionenchromatographie Version 2, Gruppe M14 Jorge Ferreiro, Studiengang Chemieingenieur 4. Semester, Natalja Früh, Studiengang Interdisziplinäre Naturwissenschaften 4. Semester, Arman Nilforoushan, Studiengang Chemieingenieur 4. Semester, Assistentin: Gisela Fontaine Abstract: In diesem Versuch wurde der Nitratgehalt von Leitungswasser aus Bülach und Dietikon qualitativ und quantitativ bestimmt, wobei eine Na 2 CO 3 /NaHCO 3 Lösung als Eluent diente. Der gemessene Nitratgehalt im Leitungswasser aus Bülach beträgt (22.3 ± 1.3) ppm, derjenige für Dietikon (13.0 ± 0.7) ppm. Zürich 06. Mai 2009 Jorge Ferreiro Natalja Früh Arman Nilforoushan 1

2 1. Einleitung [1] [2] Die Ionenchromatographie beruht auf drei verschiedenen Trennungsmechanismen: dem Ionenaustausch (IC), der Ionenpaarbildung (IPC) und dem Ionenausschluss (IEC). In der Praxis wird die Ionenaustausch-Chromatographie benutzt, um anorganische Ionen zu bestimmen. Die Trennsäule besteht aus einer stationäre Phase und einer mobilen Phase. Als Trägermaterial der stationären Phase werden heute überwiegend organische Polymere verwendet, welche funktionelle Gruppen mit einer fixierten Ladung tragen (z.b. NR 3 + zur Trennung von Anionen). Als Gegenionen dienen Eluent-Ionen. Die Ionenaustausch-Chromatographie basiert auf dem Ionenaustausch von Analyt-Ionen in der mobilen Phase mit den Gegenionen der an der stationären Phase fixierten funktionellen Gruppen. Die Probe wird auf die Trennsäule gebracht. Die Anionen verdrängen kurzzeitig die Eluent-Ionen und werden dabei von den fixierten Ladungen am Trägermaterial zurückgehalten, womit ein Gleichgewicht zwischen den in der mobilen Phase gelösten und an der stationären Phase gebundenen Analyt-Ionen entsteht. Der Verteilungskoeffizient K sagt uns, wie stark diese zurückgehalten werden: Stoffe mit einem hohen Verteilungskoeffizienten K werden stärker zurückgehalten als solche mit einem kleinen K. Die Analyt-Ionen weisen aufgrund der unterschiedlichen Affinität zur stationären Phase unterschiedliche Wanderungsgeschwindigkeiten auf und werden somit zeitlich getrennt. Nach dem Säulenaustritt können die Analyt-Ionen im Detektor als Funktion der Zeit registriert und als Chromatogramm dargestellt werden. Als Detektor dient eine elektrische Leitfähigkeitsmesszelle, wobei das Problem der Grundleitfähigkeit des Elutionsmittels auftritt. Eine durch ein Analyt-Ion verursachte geringe Leitfähigkeitsänderung ist schwierig zu messen, wenn das Elutionsmittel selbst eine hohe Grundleitfähigkeit aufweist und damit ein hohes Rauschen verursacht. Deshalb werden die Natrium-Ionen mit Protonen ausgetauscht, was mit einem Suppressorsystem gemacht wird. Dabei wird mit Hilfe einer Anode und einer Kathode H 2 O elektrolytisch zu O 2 und H 2 zersetzt, wobei H + und OH - zurückbleiben. Dadurch entsteht ein Protonengradient, der die Natrium-Ionen verdrängt. Diese diffundieren durch eine kationenselektive Membran zur Kathode und werden als Gegenionen von OH - abtransportiert und nicht detektiert. Die zurückbleibenden OH Ionen bilden mit H + Wasser, weshalb der Eluent- Untergrund fast Null beträgt. Gleichzeitig erhöht sich die Leitfähigkeit des Analyten, weil H +, das jetzt das Gegenion des Analyten ist, eine sieben Mal höhere Leitfähigkeit als Na + hat. Somit wird schlussendlich das Signal/Untergrund Verhältnis erhöht. 2

3 2. Experimentelles Apparaturen: Chromatograph: Ionenchromatograph Dionex DX-120, Anionensäule AS14, 4mm Waage: Mettler Toledo AB 204 mit Genauigkeit ± 0.1 mg Geräteparameter: Eluent Flussrate: 1.43 ml/min Zellentemperatur: 35 C Messzeit: 10 min Data Rate: 5.00 Hz Milli-Q-Wasser Substanzen: Leitungswasser (Dietikon und Bülach); Lithiumnitrat wasserfrei (LiNO 3 ); Eluent für die Anionensäule (3.5 mm Na 2 CO 3 / 1.0 mm NaHCO 3 ) 2.1. Herstellung der Kalibrationslösungen Am Anfang wurde eine Stammlösung mit einer Konzentration von 998 ppm hergestellt: mg LiNO 3 wurden in g Milli-Q-Wasser gelöst. Aus dieser Stammlösung wurden dann drei verdünnte Lösungen hergestellt, wobei immer ein bestimmtes Volumen der Stammlösung genommen wurde und mit Milli-Q-Wasser auf ungefähr 50 g aufgefüllt wurde: Theoretische Nitrat- Einwaage Stammlösung Einwaage total Konzentration [ppm] [g] [g] Nitrat-Konzentration [ppm] Tab 1: Herstellung der Kalibrationsstandards 2.2. Messungen Am Anfang wurden eine Blankprobe (Milli-Q-Wasser) und dann die drei Kalibrations- Verdünnungen gemessen. Danach wurden die Leitungswasser je dreimal analysiert. Mittels einer Spritze wurde jeweils ungefähr 1.0 ml der Probe in den Chromatographen gegeben, wobei 25 µl über den Schleifeninjektor auf die Säule gelangten, der Rest wurde abgeführt. 3

4 3. Resultate Name Retentionszeit [min] Fläche [µs min] Höhe [µs] Konzentration [ppm] Blank Kal Kal Kal Kal Bülach Bülach Bülach Dietikon Dietikon Dietikon Tab 2: Resultate der Messungen Alle Ergebnisse wurden mit 95% Vertrauensintervall angegeben. Aus der Geradengleichung der Kalibration wurden die Konzentrationen unserer Proben berechnet. Kalibrationsgerade: Achsenabschnitt α: 1.2 ± 1.0 s α = c m = 1.0 Steigung β: 12.0 ± 0.5 s β = c m = Nitrat Konzentration / ppm Fläche / µs min Abb 1: Kalibrationsgerade Bülach: Dietikon: (22.3 ± 1.3) ppm (13.0 ± 0.7) ppm 4

5 4. Diskussion Bei der Durchführung des Experiments ist es wichtig, dass die Injektion mit der Spritze langsam und kontrolliert geschieht und vor allem, dass keine Luft injiziert wird. Aus diesem Grund haben wir die Messung der Kalibration 3.1 nicht berücksichtigt, da wir vermuten, dass Luft in den Schleifen-Injektor gelangt ist. Ansonsten traten keine Probleme auf. Für Bülach gibt es zwei angegebene Richtwerte, einen für das Stadtgebiet, den anderen für die Umgebung von Bülach. Da auf unserer Probe nur Bülach angegeben war, verglichen wir unser Ergebnis mit beiden Richtwerten. Der Richtwert der Stadt Bülach liegt im Intervall zwischen bis ppm, in welches unser Ergebnis von (22.33 ± 1.30) ppm nicht fällt. Der Wert der Umgebung von Bülach liegt zwischen 4.00 bis ppm, worin unsere gemessene Konzentration liegt, woraus wir schliessen, dass die Probe aus einem Haushalt in Umgebung Bülach entnommen wurde. Der Unterschied zwischen städtischem und ländlichem Teil von Bülach kommt daher, dass in der Stadt Bülach das Wasser zu 98% Grundwasser und 2% Quellwasser besteht, in der Umgebung aus 80% Grund- und 20 % Quellwasser. Die für Dietikon ermittelte Nitratkonzentration von (13.0 ± 0.7) ppm liegt im Richtintervall zwischen 9.50 bis ppm. Dietikon bezieht sein Wasser zu 95% aus Grundwasser, zu 5% aus Quellwasser. Den höheren Wert für Bülach erklären wir uns damit, dass in Bülach viel Landwirtschaft betrieben wird, aus welcher Nitrate aus dem Dünger in das Grundwasser gelangen. Dietikon liegt in einem Industriegebiet, in dessen Umgebung sehr wenige Bauernhöfe lokalisiert sind. 5. Literatur [1] Praktikum Physikalische und Analytische Chemie, L, Unterlagen Ionenchromatographie, Zürich, [2] Kläntschi, N.; Lienemann, P.; Richner, P.; Vonmont, H. Elementanalytik, Spektrum Akademischer Verlag, Heidelberg, [3] Meister, E. Praktikum Allgemeine Chemie Teil Physikalische Chemie, 8. Auflage, Laboratorium für Physikalische Chemie ETHZ, [4] März Anhang 6.1. Berechnungen 6.2. Laborjournal 5