Bestimmung von Chlorid, Sulfat und Nitrat mit der Ionenchromatographie

Transkript

1 Betreuer: Andreas Helfrich Bestimmung von Chlorid, Sulfat und Nitrat mit der Ionenchromatographie 1. Einführung Unter Ionenchromatographie (IC) versteht man ein on-line-verfahren zur Trennung und Detektion von Ionen mit Hilfe der Ionenaustauschchromatographie. Diese Analysenmethode wurde 1975 von Small, Stevens und Bauman eingeführt und wird bevorzugt als Routinemethode zur Bestimmung von Anionen in Wässern verwendet. Die Trennung der Analytionen erfolgt an einem Ionenaustauscher aufgrund unterschiedlicher elektrostatischer Wechselwirkungen. Das Ionenaustauschermaterial besteht aus einer Trägersubstanz (meist wird Kieselgel oder ein Polystyrol- Divinylbenzol-Copolymer eingesetzt), an der funktionelle Gruppen gebunden sind, die für den Ionenaustausch verantwortlich sind. Als funktionelle Gruppen werden in der Anionenaustauschchromatographie meist quarternäre Ammoniumgruppen verwendet (stark basischer Anionenaustauscher). Diese funktionellen Gruppen sitzen entweder direkt am Trägermaterial oder an sehr kleinen Latexteilchen, die durch elektrostatische Wechselwirkungen an der Trägersubstanz gehalten werden. Die quarternäre Ammoniumgruppe trägt eine positive elektrische Ladung, die durch ein gebundenes Anion nach außen hin neutralisiert wird. Wird beispielsweise eine Kaliumnitratlösung als - Eluent verwendet, dann ist NO 3 das entsprechende Gegenion und der Anionenaustauscher liegt in der Nitratform vor. 1

2 Trägt man eine Probenlösung, die die Anionen A - und B - enthält, auf eine mit dem beschriebenen Anionenaustauscher gefüllte Säule auf, so werden diese im Austausch gegen das NO 3 - an der quarternären Ammoniumgruppe gebunden: Harz N R 3 NO 3 + A Harz N R 3 A + NO 3 (1) Harz N R 3 NO 3 + B Harz N R 3 B + NO 3 (2) Aufgrund unterschiedlich starker Wechselwirkungen der Analytionen mit dem Austauschermaterial sind die Gleichgewichtskonstanten der Gln. (1) und (2) verschieden. Die Selektivitätskonstante K A für das Anion A - - relativ zu NO 3 berechnet sich zu: a(a ) a(no K s 3 ) m A a(no 3 ) a(a ) s m (3) a(a ) s,m : Aktivität des Analytions A - in der stationären bzw. mobilen Phase a(no ) 3 s,m : Aktivität des Nitrations in der stationären bzw. mobilen Phase (bei geringer Konzentration kann die Aktivität gleich der Konzentration gesetzt werden) Diese unterschiedlichen Selektivitätskonstanten führen zu unterschiedlich langen Retentionszeiten der Analytionen auf der Säule und bewirken deren Trennung. Die relative Selektivität der Ionen, die angibt, wie stark ein Ion im Vergleich zu einem anderen Ion am Austauscher gebunden wird, steigt dabei mit der Wertigkeit und dem Pauling schen Ionenradius. 2

3 Folgende Reihe gibt einen Überblick über die relative Selektivität einiger wichtiger Anionen an einem stark basischen Anionenaustauscher: OH - < F - < HCO 3 - < Cl - < Br - < NO 3 - < I - < SO 4 2- Generell hängt die Retentionszeit bei der Ionenchromatographie von der Länge der verwendeten Trennsäule, dem Säulenmaterial (Art der funktionellen Gruppe, Kapazität des Austauschers, Vernetzungsgrad, Partikelgröße), dem verwendeten Eluenten (Selektivität des Eluenten, Konzentration, ph-wert, Flussrate) und der Selektivität des Analytions ab. Schematischer Aufbau eines Ionenchromatographen: Pumpe Injektor Probenaufgabe- Ventil Trennsäule Eluent Suppressorsäule Detektor Integrator Zur Bestimmung wird die Analytlösung zunächst über eine Probenschleife auf die Trennsäule aufgegeben. Der Nachweis erfolgt in den meisten Fällen durch Leitfähigkeits- oder UV- Detektion. Bei Verwendung geeigneter Eluenten kann durch Einsatz von Suppressorsäulen die Grundleitfähigkeit des Eluenten abgesenkt und damit die Nachweisgrenze verbessert werden. 3

4 Eluent: Die Konzentrationen des Eluenten liegen im Bereich 0,5-20 mmol/l, der Eluent muss vor dem Einsatz von gelösten Gasen befreit werden (Rühren im Wasserstrahl- Vakuum, Heliumentgasung, on-line Entgasung mit gasselektiven Membranen). Typische Eluenten aus dem Bereich der organischen Chemie sind organische Säuren (Phthalsäure, Weinsäure, Citronensäure) und deren Salze sowie Acetonitril, Aceton und Ethylendiamin. Auch anorganische Säuren, wie Schwefel- oder Salpetersäure und Hydrogencarbonate/Carbonate können eingesetzt werden. Pumpe: Verwendet werden Doppelkolben-Pumpen mit Pulsationsdämpfer, die hohe Drücke (bis zu einigen hundert bar) aufbauen können. Die Flussrate des Eluenten liegt bei 0,4-4 ml/min. Für die Bestimmung von Ionen hoher und niedriger Selektivität innerhalb eines Analysenlaufes werden Gradientenpumpen eingesetzt. Probenaufgabeventil: Die Probe wird zunächst über einen Injektor auf eine Probenschleife aufgegeben (Stellung Fill ), die dann über ein Sechswege-Ventil in den Eluentenstrom geschaltet wird; der Eluent transportiert die Probe auf die Säule (Stellung Inject ). Stellung Fill Stellung Inject 4

5 Trennsäule: In der Ionenchromatographie werden Trennsäulen, die mit Ionenaustauschern niedriger Kapazität gefüllt sind, eingesetzt. Die Länge beträgt meist cm, der Durchmesser ca. 4 mm. Zum Schutz der Säule gegen Matrixbestandteile werden Vorsäulen verwendet. Suppressorsäule: Bei geeigneter Wahl des Eluenten kann durch chemische Reaktionen die Eigenleitfähigkeit des Eluenten unterdrückt werden. Dadurch wird das Rauschen und Niveau der Grundlinie stark reduziert und die Nachweisgrenze teilweise erheblich verbessert. Als Suppressorsäulen wird in der Kationenanalyse Anionenaustauscher hoher Kapazität in der OH - -Form und in der Anionenanalyse Kationenaustauscher hoher Kapazität in der H + -Form verwendet. Diese Säulen müssen bei Erschöpfung der Kapazität regeneriert werden. Anionen-Analyse: Verwendung von NaHCO 3 /NaCO 3 -Puffer als Eluent Suppressor-Reaktion: Austauscher-H + + Na + HCO 3 - Austauscher-Na + + H 2 CO 3 Modernere Suppressorsysteme arbeiten mit Hilfe von Hohlfasermembran-Systemen oder Mikromembranen (Dionex). Diese Systeme haben den Vorteil geringen Totvolumens und erlauben eine kontinuierliche Arbeitsweise. 5

6 Detektoren: Standard in der Ionenchromatographie ist die Leitfähigkeitsdetektion. Sie ist universell einsetzbar und erlaubt bei den meisten anorganischen Ionen gute Nachweisgrenzen. Durch die unselektive Detektion können jedoch Interferenzprobleme auftreten. Bei der UV-Detektion unterscheidet man zwischen direkter und indirekter Detektion. Direkte UV-Detektion eignet sich vor allem für Ionen mit hohem Absorptionskoeffizienten, wie z.b. Nitrat und organische Ionen. Bei der indirekten UV-Detektion wird dem Eluenten eine UV-absorbierende Substanz zugegeben. Die Elution der Analytionen bewirkt dann eine Senkung der Absorption, negative Peaks werden detektiert. Brechungsindex-Detektoren werden teilweise bei organischen Ionen eingesetzt. Die Kopplung mit einem Massenspektrometer (z.b. IC-ICP-MS-Kopplung) erlaubt für viele Elemente sehr gute Nachweisgrenzen. Der Hauptvorteil ist hier die sehr selektive Detektion, die die meisten Interferenzprobleme löst. Datenauswertung: Die Datenauswertung erfolgt zumeist mit Hilfe von Integratoren oder Rechnersystemen und wird über die Peakhöhe oder die Peakfläche vorgenommen. 6

7 2. Versuchsbeschreibung Aufgabe: Bestimmung von Chlorid, Nitrat und Sulfat in wässrigen Matrices Geräte: Ionenchromatograph Metrohm 690 mit IC-Pumpe 697 Trennsäule Hamilton PRP-X 100 Eluent 2,3 mmol/l Kaliumhydrogenphthalat-Lösung Flußrate 1,5 ml/min Probenschleife 100 µl Detektion Leitfähigkeit, ohne Suppressor 2.1. Bestimmen Sie die Retentionszeiten von Chlorid, Nitrat und Sulfat verdünnen Sie dazu die vorhandenen Stammlösungen (Gehalt ca mg/l) auf 5-8 mg/l 2.2. Erstellen einer Kalibriergerade mit Hilfe von Mischstandards soll eine Kalibriergerade im Bereich von 1-8 mg/l erstellt werden 2.3. Bestimmung von Chlorid, Nitrat und Sulfat in Wasserproben eine Mineralwasserprobe sowie selbst mitgebrachte Leitungswasserproben werden vermessen (nach Entfernen von gelöstem CO 2 und Verdünnung) die Gehaltsbestimmung erfolgt mit externer Kalibrierung 7

8 2.4. Bestimmung von Chlorid, Nitrat und Sulfat in Karottensaft und Johannisbeersaft die Proben werden zunächst filtriert (0,45 µm PTFE-Filter) und nach Verdünnen vermessen die Gehaltsbestimmung erfolgt mit Hilfe der Kalibriergerade 2.5. Nitratbestimmung mit reflektometrischen Messungen (Verwendung des Reflektometers RQflex, Fa. Merck) im Vergleich zur Ionenchromatographie 3. Versuchsauswertung 3.1. Protokollieren Sie die Retentionszeiten von Chlorid, Nitrat und Sulfat Erstellen einer Kalibriergerade: Tragen Sie die gemessenen Peakhöhen (y- Richtung) gegen die Konzentrationen der Standardlösungen (x-richtung) auf Bestimmen Sie (unter Berücksichtigung der Verdünnung) die Gehalte der Proben. Vergleichen Sie die Ergebnisse für Nitrat mit den reflektometrisch bestimmten Werten und diskutieren Sie eventuelle Abweichungen. 8

9 This document was created with Win2PDF available at The unregistered version of Win2PDF is for evaluation or non-commercial use only.