Ionenchromatographie P 4

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1 Hochschule für Technik, Wirtschaft und Kultur Leipzig Fakultät Informatik, Mathematik und Naturwissenschaften Chemisches Praktikum Wasseranalytik Ionenchromatographie P 4 1 Einführung und Aufgabenstellung Der vorliegende Versuchskomplex führt in die Methode der Ionenchromatographie als modernes Verfahren der Routineanalytik von Wässern bzw. wässrigen Extrakten ein. Die Ionenchromatographie (auch Ionenaustauschchromatographie) stellt eine Variante der Flüssigchromatographie dar. Ihre derzeit apparativ fortgeschrittendste Form ist die Hochleistungsflüssigchromatographie HPLC (High Performance Liquid Chromatography). Nach der Erläuterung von Aufbau und Funktionsweise eines Hochleistungsflüssigchromatographen werden Chromatogramme von charakteristischen Ionengemischen analysiert. Anschließend besteht die Möglichkeit zur Untersuchung eigener Wasserproben im Praktikum. Interessierte Studentinnen und Studenten wenden sich dazu bitte rechtzeitig vor dem Praktikum an Herrn Dr. Gebhardt. Ein geeignetes Probegefäß zur Entnahme und Aufbewahrung der Probe wird gestellt. Tabelle 1: Übersicht über den Praktikumsinhalt Nr. Inhalt Bemerkungen 1.1 Aufbau und Funktionsweise eines Ionenchromatographen Erläuterung am Gerät 1.2 Qualitativer und quantitativer Nachweis wasseranalytisch relevanter Anionen (F -, Cl -, Br -, NO 2 -, NO 3 -, PO 4 3-, SO 4 u.a. Qualitativer und quantitativer Nachweis wasseranalytisch relevanter Kationen (Na +, K +, NH 4 +, Mg 2+, Ca 2+ u.a.) Analyse eines Ionengemischs 1.3 Chromatographische Untersuchung spezieller Wasserproben der Teilnehmer auf Ionen (z. B. Wasserhärte von Betriebswasser, Nitrat im Trink- und Grundwasser u. a. m.) Bitte vorhergehende Anmeldung 2 Theoretische Grundlagen 2.1 Der chromatographische Prozess Das allgemeine Ziel der Chromatographie ist es, Gemische interessierender Spezies in ihre Komponenten zu trennen sowie qualitativ und quantitativ nachzuweisen. Bei der Ionenchromatographie werden demnach Gemische von Ionen getrennt und analysiert. Der Trennvorgang erfolgt an einem Ionenaustauscher. Das ist meist ein poröses Polymer oder ein Silicagel (getrocknetes Kieselgel) geringer Korngröße (µm-bereich), welches ionische Gruppen trägt. Der Anionenaustauscher (AAT) besitzt positiv geladene + NR 3 -Gruppen (R = H und/oder Alkyl) auf einer Polymer-Matrix. Der AAT ist in einem Rohr dicht gepackt und bildet das chromatographische Bett, die sogenannte Säule. Diese wird ständig von einer Flüssigkeit durchströmt, die man als mobile Phase bzw. Eluent bezeichnet. Der Eluent transportiert die zu untersuchenden Substanzen über das chromatographische Bett. Dabei treten die in der Probe vorhandenen Anionen in elektrostatische Wechselwirkung

2 2 mit den positiv geladenen Gruppen des Austauschers, d. h. sie werden von den Gruppen angezogen. Je nach Größe, Ladungszahl und Struktur des betreffenden Ions ist die Wechselwirkung mit dem AAT unterschiedlich, einige Ionen gehen stärkere Bindungen mit den + NR 3 -Gruppen ein als andere. Dadurch kommt es zu unterschiedlichen "Wanderungs"-Geschwindigkeiten der einzelnen Ionen durch die Säule. Der Eluent ist beim Anionenaustauschverfahren ebenfalls anionischer Natur ( ) und verdrängt (eluiert) die an den + NR 3 -Gruppen "angedockten" Ionen wieder. Anionen vor der Auftrennung Cl -, NO 3 -, SO 4 Eluent + NR NR 3 NR 3 Polymermatrix Anionen während des Trennvorgangs Eluent SO 4 NO 3 -- Cl - + NR 3 + NR 3 + NR 3 Polymermatrix Abbildung 1: Trennungsvorgang beim Anionenaustausch Die Elutionsgeschwindigkeit der Ionen ist außerdem von einer Reihe weiterer Faktoren abhängig, von denen die folgenden am wichtigsten sind: - Anzahl der Austauschergruppen pro Masseeinheit des Austauschers sowie deren chemische Struktur - Eluentensubstanz (Struktur und Ladung) - ph-wert des Eluenten - Konzentration des Eluenten (Ionenstärke) - Strömungsgeschwindigkeit des Eluenten - Temperatur (Viskosität des Eluenten) - Länge der Säule Bei Optimierung aller Parameter gelingt die vollständige Auftrennung der zu untersuchenden Ionen. Das bedeutet, die Ionen verlassen die Säule nacheinander in gewissen zeitlichen Abständen und gelangen in den Detektor. Beim Kationenaustausch (KAT) ist das gesamte System komplementär aufgebaut, d. h. auf der Polymer- Matrix (bzw. dem Silicagel) befinden sich negativ geladene Gruppen (z. B. COOH -, -SO 3 - ) über die ein kationischer Eluent (meist eine Brönstedt-Säure, also H + ) die zu analysierenden Kationen transportiert. Auf die thermodynamische Theorie der ionischen Wechselwirkungen und des Teilchentransports soll hier nicht eingegangen werden.

3 2.2 Detektion 3 Die Registrierung der getrennten Ionen geschieht in der Regel durch Leitfähigkeitsmessung in einer temperierten Durchflusszelle. Da der Eluent ebenfalls ein Ion (oder mehrere Ionen kombiniert) ist, muss sich die Leitfähigkeit (LF) der Probeionen deutlich von der Eluentenleitfähigkeit (Hintergrund-LF) unterscheiden. Leider ist die Hintergrund-LF oft höher als die Ionen-LF oder (noch ungünstiger!) ähnlich dieser. Daher enthält jeder Ionenchromatograph eine Geräteeinheit, welche die Hintergrund-LF unterdrückt, ohne die Ionen-LF zu verringern, den sogenannten Suppressor. Dabei existieren zwei Varianten: Elektronische Suppression Die Leitfähigkeit des Eluenten wird im Detektor gemessen und beim Durchlauf eines Ions der Analysenprobe die Änderung der Gesamtleitfähigkeit ermittelt. Daraufhin findet elektronisch eine Differenzbildung {LF Eluent mit Probeion} {LF Eluent} statt. Es resultiert die LF des Probeions. Voraussetzung dafür ist eine hochgradige Konstanz der Hintergrund-LF (u.a. T- Konstanz von < 0.01 K!) sowie möglichst hohe LF{...}- Differenzen. Die Anwendung erfolgt in folgenden Bereichen: - meist Kationen-IC - Anionen-IC mit Eluenten geringer LF Chemische Suppression Sind die unter genannten Voraussetzungen nicht realisierbar, muss mit drastischen Einbußen an Empfindlichkeit bei der elektronischen Suppression gerechnet werden. Dies wäre z. B. in der Anionenanalytik im Spurenbereich (< 1 ppm) gegeben. In diesem Falle bedient man sich chemischer Prozeduren zur Unterdrückung der Hintergrund-LF. Standardmethode ist ein Eluent aus HCO - 3 / CO 3 -Lösung oder einem anderen passenden Puffersystem. Letzteres wird nach Verlassen der Trennsäule in einem vor dem Detektor angebrachten Suppressor chemischen Reaktionen unterzogen: - Umsetzung der Pufferanionen mit H + (Schwefelsäure) und Absenkung der Eluenten-LF HCO CO H + 2 H 2 CO 3 (1) - Austausch der Kationen (Na + u. a.) gegen H + und Erhöhung der Probeionen-LF + H + Na + + Cl - HCl (2) - Na + Die technische Umsetzung chemischer Suppressoren erfolgt entweder mit Membranfaseraustauschern, die kontinuierlich von Regenerierlösung gespült werden oder mit Ionenaustauschersäulen hoher Kapazität (meist mehrere), die diskontinuierlich regeneriert, also im ständigen Wechsel betrieben werden. Im Ergebnis der Suppression erhält man "bereinigte" kontinuierliche Analogmesswerte, getrennt für jedes Probeion. Diese als Spannungs-Zeit-Funktion aufgezeichneten Gauß-Signale werden Peaks genannt. 2.3 Quantifizierung der Ionen Der Rechner ermittelt durch Integration die Flächen der Einzelpeaks und registriert die Zeit von der Probeaufgabe bis zum jeweiligen Peakmaximum. Diese Zeit ist bei gegebenen Bedingungen charakteristisch für das detektierte Ion und dient zu dessen Identifizierung. Sie wird als Retentionszeit t R bezeichnet. Die Peakfläche A ist proportional zur Stoffmenge n des entsprechenden Ions. Sie ermöglicht die Bestimmung von n und auch c (c = n/v) der gesuchten Spezies. Die substanzspezifischen Abhängigkeiten der Peakflächen von den Ionenkonzentrationen werden durch Kalibration ermittelt. Hierbei werden Proben bekannter Konzentration (Standards) analysiert und der funktionale Zusammenhang Peakfläche-Konzentration mittels Regressionsrechnung erstellt (vergl. Kalibration für Nitrat in 4.3: A/mVs = f(c/mg. L -1 )). Sämtliche substanzspezifischen Daten werden von der Auswertesoftware gespeichert und stehen bei der Analyse beliebiger Proben automatisch bereit.

4 2.4 Aufbau der Apparatur und Messparameter 4 Die verwendete IC-Station <MIC-3 Advanced> (METROHM) besteht aus zwei modularen Systemen zur Analytik von Anionen (mit chemischer und elektronischer Suppression) bzw. Kationen (mit elektronischer Suppression). Als Beson-derheit ist die Inline-Probenvorbereitung mittels Dialyse zu nennen, die den ungefilterten Einsatz schwieriger Proben-Matrizes, wie Bodeneluaten, biologischen Flüssigkeiten u.ä. erlaubt. Die Dialyse wird während des Praktikums erläutert. Die Steuerung und Auswertung der Messungen geschieht über einen PC. Der für jedes System prinzipiell gleiche Aufbau wurde der Literatur (s. Abschnitt 5) entnommen. Abbildung 2: Schema einer HPLC-Apparatur Abbildung 2: Schema einer HPLC-Apparatur Tabelle 2: Spezifica einer IC-Apparatur Messparameter Anionen Kationen Säule (1000 x 4 mm) Polyvinylalkohol mit -NR 3 + Eluent 1 mm HCO 3 - und 3,2 mm CO 3 ph-bereich Volumenstrom 0,7 ml/min 1 ml/min Druck (maximal) 15 MPa 20 Mpa Temperatur 25 C 25 C Dosiervolumen Probe 20 µl 20 µl Silicagel mit -COOH Analysendauer ca. 10 min ca. 25 min Analysierbare Ionen 1) F -, Ac -, Cl -, Br -, NO 2 -, NO 3 -, PO 4 3-, SO 4 1) Analyse weiterer Ionen im Prinzip möglich 1,7 mm HNO 3 und 0,7 mm Dipicolinsäure Li +, Na +, NH 4 +, K +, Ca 2+, Mg 2+ Sr 2+, Ba 2+

5 5 Die HPLC ist eine komfortable Analysenmethode, die in relativ kurzer Zeit Ergebnisse höchster Präzision über viele Probeinhaltsstoffe gleichzeitig liefert. Dies erfordert jedoch höchste Reinheit an Reagenzien und Materialien und ein aufwendiges Gerätesystem, dessen Methoden erarbeitet und gepflegt werden wollen. 3 Versuchsdurchführung 3.1 Ionenchromatograph Durch den Betreuer erfolgt die Erläuterung des Aufbaus und der Funktionsweise eines Ionenchromatographen am Gerät. 3.2 Analyse von Standards - Peakidentifizierung (Retentionszeit, Dosierung von Vergleichssubstanzen) - Erläuterung der Fehlerquellen - Erläuterung der Software - Probleme bei der Analyse (Auftrennung, Nachweisgrenze, Bandenverbreiterung) 3.3 Analyse von Wasserproben Es können eigene Wasserproben zum Praktikum mitgebracht werden. Bitte geben Sie zuvor Auskunft über die Art des zu untersuchenden Wassers. Gefäße zur Entnahme und Aufbewahrung können zuvor empfangen werden. 4 Kontrollfragen 4.1 Erläutern Sie kurz die Methode der chromatographischen Trennung eines Anionengemisches an einem Ionenaustauscher. Wie müßte prinzipiell ein Kationenaustauscher beschaffen sein? 4.2 Durch welche Meßgröße werden die Einzelkomponenten eines Chromatogramms identifiziert? Warum unterscheidet sich der Wert der Meßgröße bei den verschiedenen Ionen? 4.3 Der Altstandort einer ehemaligen Düngemittelfabrik, welche Ammoniumnitrat produzierte, wurde auf die Nitratbelastung des Bodens untersucht. Dabei wurde jede Bodenprobe folgender Behandlung unterzogen: 10g getrockneter und auf 2mm Korngröße gesiebter Boden wurden mit 100ml deionisiertem Wasser extrahiert und der gefilterte Extrakt mittels Ionenchromatographie auf das Anion Nitrat untersucht. Wegen der z.t. sehr hohen Bodenkontamination mit Nitrat mußten die Wasserextrakte nochmals auf das Zwanzigfache des Ausgangsvolumens verdünnt werden. Von einem dieser verdünnten Extrakte wurde im Chromatogramm eine Peakfläche A = 46 mvs für den Nitratpeak ermittelt. Durch Kalibration mit wässrigen Nitratproben bekannter Konzentration erhielt man für die Abhängigkeit der Nitratpeakfläche von der Nitratkonzentration (in mg L -1 ) die lineare Funktion: A(Nitrat)/mVs = ,7 c(nitrat)/mg L -1. a) Berechnen Sie den Gehalt an mg Nitrat in 1 kg Boden. b) Berechnen Sie den Gehalt an mg Ammoniumnitrat in 1 kg Boden. 5 Literatur 5.1 V.R. Meyer; Praxis der Hochleistungsflüssigchromatographie, Otto Salle Verlag, Frankfurt am Main 1990, Verlag Sauerländer, Aarau, Frankfurt am Main, Salzburg J. Weiß; Ionenchromatographie, VCH Weinheim, New York, Basel, Cambridge /2015