DE10317896A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Verbrennen von Proben in einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbrennen von Proben in einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre, einen zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeigneten Probenbehälter und eine entsprechende Vorrichtung. Erfindungsgemäß ordnet man eine Probe in einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre an, entzündet die Probe und verbrennt sie in der sauerstoffhaltigen Atmosphäre, wobei man die Verbrennungsprodukte zumindest teilweise zurückgewinnt. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass man die Probe durch Einstrahlen von Mikrowellenstrahlung entzündet. Der erfindungsgemäße Probenbehälter (10) umfasst einen Gefäßkörper (11), der zumindest teilweise aus einem mikrowellentransparenten Material besteht und eine verschließbare Einfüllöffnung (12) aufweist, einen die Einfüllöffnung (12) des Gefäßkörpers (11) verschließenden, abnehmbaren Deckel (15), und einen Anschluss (18) zur Zufuhr von Sauerstoff.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbrennen von Proben in einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre, einen zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeigneten Probenbehälter und eine entsprechende Vorrichtung.
• Aufschlussverfahren bilden in der anorganischen und organischen Chemie, in der Umweltanalytik und in der Lebensmittelanalytik eine der grundlegenden Methoden zur Probenvorbereitung bei der quantitativen Analyse von Probenmaterialien.
• Mit Hilfe der Aufschlussverfahren werden unlösliche bzw. schwerlösliche Substanzen chemisch in Verbindungen umgesetzt, die in einer Absorptionslösung, beispielsweise einer alkalischen Lösung, einer Säure oder auch in Wasser, löslich sind. Die in der Absorptionslösung gelösten Substanzen können anschließend mittels geeigneter analytischer Methoden, beispielsweise mittels spektrometrischer oder ionenchromatographischer Verfahren weiter untersucht werden.
• Bei einem besonders weit verbreiteten Aufschlussverfahren wird das zu analysierende Material in einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre verbrannt. Beispielsweise wird beim Aufschluss im sogenannten Schoeniger-Kolben die Probe in einem aschefreien Filterpapierchen eingewickelt und auf einem Träger aus Platin oder Quarzglas befestigt. Der Träger kann beispielsweise am Schliffstopfen eines Erlenmeier-Kolbens montiert werden. In den Kolben füllt man einige ml einer Absorptionslösung, beispielsweise Natronlauge, und füllt ihn mit reinem Sauerstoff unter Normaldruck. Nach dem Anzünden der Probe wird der Stopfen mit dem Probenträger schnell auf den Kolben gesetzt und die Probe verbrennt innerhalb des Kolbens. Nach Beendigung der Reaktion werden die Verbrennungsprodukte mit der Absorptionsflüssigkeit aufgenommen und gegebenenfalls filtriert. Der Aufschluss im Schoeniger-Kolben dient vor allem zur Elementaranalyse von Halogenen, Schwefel, Phosphor und Metallen in organischen Verbindungen. In einer anderen Variante des Sauerstoffaufschlusses werden anstellen von Glaskolben Metall-Druckbehälter verwendet, die nach dem ursprünglichen Hersteller derartiger Systeme, der amerikanischen Firma Parr Instruments, auch als "Parr-Bomben" bezeichnet werden. Die Proben werden entweder brennend in den Gasraum eingeführt oder nach Einbringung mittels Glühdraht elektrisch gezündet.
• Die bislang bekannten Sauerstoffaufschlusssysteme sind allerdings nur zur Untersuchung von Einzelproben ausgelegt.
• Demgegenüber wurden in den letzten zwei Jahrzehnten mikrowellenunterstützte Aufschlussverfahren entwickelt, bei denen die Probenmaterialien nicht in einer Sauerstoffatmosphäre verbrannt, sondern in einem Mikrowellenfeld thermisch zersetzt oder unter hohem Druck und bei hoher Temperatur in einem geeigneten Oxidationsmittel, beispielsweise einer Säure, zersetzt werden. Dieser nasschemische Mikrowellenaufschluss wird beispielsweise in der Schwermetallanalytik bei Lebensmitteln oder in der Analyse von geologischen Proben eingesetzt. Allerdings können viele Probenmaterialen nasschemisch nicht oder nur unzureichend aufgeschlossen werden.
• Der vorliegenden Erfindung liegt daher das technische Problem zugrunde, die bekannten Sauerstoffaufschlussverfahren, die üblicherweise mittels Schoeniger-Kolben oder in einer Sauerstoff-Bombe ("Parr-Bombe") durchgeführt werden verfahrenstechnisch zu vereinfachen und insbesondere so weiterzubilden, dass der Sauerstoffaufschluss rationell und zuverlässig auch mit mehreren Proben gleichzeitig durchgeführt werden kann.
• Gelöst wird dieses technische Problem durch das Verfahren gemäß vorliegendem Anspruch 1. Der Erfindung liegt dabei der Gedanke zugrunde, die in einer Sauerstoffatmosphäre befindliche Probe durch Einstrahlen durch Mikrowellen zu entzünden.
• Gegenstand der Erfindung ist demnach ein Verfahren zum Verbrennen von Proben in einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre, wobei man eine Probe in einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre anordnet, die Probe entzündet und in der sauerstoffhaltigen Atmosphäre verbrennt und die Verbrennungsprodukte zumindest teilweise zurückgewinnt, wobei das Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, dass man die Probe durch Einstrahlen von Mikrowellenstrahlung entzündet.
• Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren sind zahlreiche Vorteile verbunden. Durch den Einsatz der Mikrowellenstrahlung zum Entzünden der Probe kann die Probe vollständig in einem geschlossenen Gefäß, das zumindest teilweise für Mikrowellenstrahlung transparent ist, angeordnet werden, so dass keine durch das Einsetzen einer schon brennenden Probe in ein sauerstoffhaltiges Gefäß bedingten Analysefehler auftreten können. Es müssen auch keine Heizdrähte in ein geschlossenes Reaktionsgefäß eingeführt werden, was den konstruktiven Aufbau der Probenbehälter vereinfacht. Das erfindungsgemäßen Verfahren ist daher besonders für eine Rationalisierung und Standardisierung des Sauerstoffausschlusses geeignet, weil man mehrere Proben gleichzeitig im Mikrowellenfeld behandeln kann.
• Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist außerdem eine sehr schnell und vollständige Verbrennung auch solcher Proben möglich, die mit anderen Methoden, beispielsweise durch nasschemische Verfahren mit Säuren, nicht aufgeschlossen werden können. Typische Beispiele derartiger Proben sind Kohle, Koks oder Graphit.
• Gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Probe durch Einstrahlung der Mikrowellenenergie soweit erhitzt, dass sich die Probe von selbst in der sauerstoffhaltigen Atmosphäre entzündet. Gemäß einer anderen Variante des Verfahrens ist es aber auch möglich, ein mikrowellenabsorbierendes Brennmittel einzusetzen, welches das Entzünden der Probe unterstützt. So kann beispielsweise die Probe mit Zellstoff vermischt werden, der sich bei Mikrowellenbestrahlung schnell entzündet.
• Vorteilhaft ordnet man die Probe in einem verschließbaren Probenbehälter, vorzugsweise einem Druckbehälter, an, der zumindest teilweise aus einem mikrowellentransparenten Material besteht. Als besonders geeignet erweisen sich beispielsweise Probenbehälter, wie sie bislang von der Anmelderin in ihrem System „Multiwave" zur Durchführung von mikrowellenunterstützten Säureaufschlussverfahren angeboten werden.
• Die Verbrennung der Probe kann zwar in Luft durchgeführt werden, vorzugsweise leitet man aber vor dem Zünden der Probe Sauerstoff mit einem Druck von 1 bis 10 bar, vorzugsweise 4 bis 8 bar und besonders bevorzugt etwa 5 oder 6 bar (absolut) in den Probenbehälter ein.
• Vorzugsweise gewinnt man zumindest die bei der Verbrennung entstehende Asche für spätere Analysezwecke zurück. Besonders bevorzugt gewinnt man aber die gasförmigen und/oder festen Verbrennungsprodukte zurück.
• Zur Zurückgewinnung der Verbrennungsprodukte kann man diese in einer geeigneten Absorptionslösung zumindest teilweise auflösen. Als Absorptionslösungen dienen zur Bestimmung von Halogenen beispielsweise alkalische Lösungen, wie z.B. eine verdünnte NaOH-Lösung. Werden die Verbrennungsprodukte beispielsweise ionenchromatographisch analysiert, so verwendet man vorzugsweise die mobile Phase der Ionenchromatographie als Absorptionslösung, beispielsweise eine Natriumcarbonat/-bicarbonat-Lösung. Für die Bestimmung von Metallen, aber auch für den Nachweis von Phosphor- und Schwefel, werden vorzugsweise (verdünnte) Säuren als Absorptionslösung verwendet, beispielsweise eine HNO₃-Lösung.
• Die Absorptionslösung wird vorzugsweise vor der Verbrennung in den Probenbehälter gefüllt.
• Gemäß einer vorteilhaften Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens erwärmt man die Absorptionslösung durch der Einstrahlen von Mikrowellenstrahlung, so dass sich die Verbrennungsprodukte leichter lösen. Vorteilhaft wird man die Absorptions lösung insbesondere zum Auflösen der festen Verbrennungsprodukte bis zum Sieden erhitzen. Aufgrund des in dem Probenbehälter üblicherweise herrschenden höheren Drucks können auch höhere Siedetemperaturen erzielt werden.
• Gemäß einer besonders bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens werden mehrere Probenbehälter in einem Mikrowellenfeld, beispielsweise in einem Mikrowellenofen, angeordnet. Um eine gleichmäßige Einstrahlung der Mikrowellenenergie zu gewährleisten, kann man die Probenbehälter in einem Rotor anordnen, der sich während der Einstrahlung der Mikrowellen dreht. Derartige Mikrowellensysteme werden von der Anmelderin bereits zur Durchführung von Säureaufschlussverfahren angeboten und können entsprechend auch zur Durchführung des erfindungsgemäßen Sauerstoffaufschlussverfahrens verwendet werden.
• Gegenstand der Erfindung ist außerdem ein Probenbehälter zum Verbrennen von Proben in einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre, der einen Gefäßkörper, der zumindest teilweise aus mikrowellentransparentem Material besteht und eine verschließbare Einfüllöffnung aufweist, einen die Einfüllöffnung des Gefäßkörpers verschließenden abnehmbaren Deckel und einen Anschluss zur Zufuhr von Sauerstoff umfasst.
• Vorzugsweise weist der Sauerstoffanschluss ein Absperrventil auf. Das Absperrventil kann manuell betätigbar sein. So kann beispielsweise die aufzuschließende Probe und die Absorptionsflüssigkeit zunächst in den Probenbehälter gefüllt werden, dieser dann verschlossen und über den Sauerstoffanschluss mit einer Sauerstoffleitung verbunden werden. Nach Befüllen des Probenbehälters mit Sauerstoff kann der Behälter von der Sauerstoffleitung abgeklemmt und beispielsweise zusammen mit anderen Probenbehältern in dem Rotor eingebaut und mit Mikrowellenstrahlung bestrahlt werden. Alternativ ist möglich, in dem Rotor Sauerstoffleitungen vorzusehen, die zu den einzelnen Probebehältern führen und die beispielsweise von einer zentralen Sauerstoffversorgungsleitung gespeist werden. In diesem Fall ist das Absperrventil vorzugsweise automatisch betätigbar.
• In dem Gefäßkörper des Probenbehälters ist bevorzugt ein herausnehmbarer Probenträger angeordnet. Der Probenträger weist vorzugsweise eine Halterung oder ein Schiffchen aus einem inerten Material, beispielsweise aus einem Titanblech oder aus Quarzglas auf.
• Der Gefäßkörper des Probenbehälters weist vorteilhaft einen Sumpf zur Aufnahme einer Absorptionsflüssigkeit auf.
• Der Deckel des Probenbehälters verschließt den Gefäßkörper vorzugsweise druckdicht. Dazu kann beispielsweise ein elastische Dichtlippe im Deckel des Probenbehälters angeordnet sein.
• Gemäß einer besonders bevorzugten Variante weist der Gefäßkörper einen druckfesten Mantel auf, der vorzugsweise mit einer chemisch inerten Innenwand, beispielsweise einem Liner aus Polytetrafluorethylen oder einem Einsatz aus Quarzglas versehen ist. Der druckfeste Mantel des Probenbehälters kann beispielsweise aus einem mikrowellentransparenten Keramikmaterial bestehen.
• Schließlich betrifft die Erfindung auch eine Vorrichtung zum Verbrennen von Proben in einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre, die einen Mikrowellenofen, der wenigstens einen Mikrowellengenerator, eine Steuerungseinrichtung und wenigstens eine Mikrowellenkammer aufweist, und einen in der Mikrowellenkammer drehbar angeordneten Rotor umfasst, wobei die erfindungsgemäße Vorrichtung dadurch gekennzeichnet ist, dass in dem Rotor mehrere der oben beschriebenen erfindungsgemäßen Probenbehälter angeordnet sind.
• Die Erfindung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf ein in der beigefügten Zeichnung dargestelltes Ausführungsbeispiel näher erläutert.
• In der Zeichnung zeigt:
• 1 einen erfindungsgemäßen Probenbehälter zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens im Querschnitt, und
• 2 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei der mehrere Probenbehälter in einem Rotor eines Mikrowellenofens angeordnet sind.
• Bezugnehmend auf die Figur erkennt man einen insgesamt mit der Bezugsziffer 10 bezeichneten Probenbehälter, der einen Gefäßkörper 11 und eine verschließbare Einfüllöffnung 12 aufweist. Der Gefäßkörper 11 besteht zumindest teilweise aus einem mikrowellentransparenten Material und umfasst einen druckfesten Mantel 13 aus einem keramischen Werkstoff, der auf seiner Innenseite mit einem Einsatz (Liner) 14 aus Polytetrafluorethylen ausgekleidet ist. Der Behälter 10 weist einen Schraubdeckel 15 auf, der mit einer Lippendichtung 16 versehen ist, so dass der Deckel 15 die Einfüllöffnung 12 druckdicht verschließen kann. In dem Deckel 15 ist aus Sicherheitsgründen eine Berstscheibe 17 vorgesehen, die bei einem unzulässig hohen Druckanstieg im Inneren des Probenbehälters 10 einen kontrollierten Ablass von Gasen gewährleistet und so eine Explosion des Probenbehälters 10 verhindert. An Stelle der Berstscheibe kann auch ein Sicherheitsventil vorgesehen sein. Der Deckel 15 weist außerdem einen Sauerstoffanschluss 18 auf, der über ein Absperrventil 19 verschlossen werden kann. Am Boden 20 des Gefäßkörpers 11 ist ein Probenträger 21 vorgesehen, der ein Schiffchen 22 aus Quarzglas zur Aufnahme des Probenmaterials 23 aufweist. Zur leichteren Entzündung des Probenmaterials kann dieses beispielsweise mit Zellstoff vermischt sein. Im Sumpf 24 des Gefäßkörpers 11 werden einige Milliliter einer Absorptionslösung 25 eingefüllt, welche die Verbrennungsprodukte aufnimmt. Dabei soll das Schiffchen 22 mit der Probe 23 über die Absorptionslösung hinausragen. Nachdem die Probe 23 mit dem Probenträger 21 in dem Gefäßkörper 11 angeordnet ist, wird der Gefäßkörper mit dem Deckel 15 verschlossen. Der Sauerstoffanschluss 18 wird an eine (nicht dargestellte) Sauerstoffleitung angeschlossen und das Ventil 19 geöffnet, so dass Sauerstoff mit einem Druck von ca. 5 bar in den Probenbehälter strömen kann. Nach Befüllen des Probenbehälters mit Sauerstoff wird das Absperrventil 19 verschlossen und der Probenbehälter von der (nicht dargestellten) Sauerstoffleitung getrennt und in einen Probenrotor ein gesetzt, wie im folgenden unter Bezugnahme auf die Darstellung der 2 näher erläutert wird.
• In 2 erkennt man eine insgesamt mit der Bezugsziffer 30 bezeichnete erfindungsgemäße Vorrichtung zum Verbrennen von Proben in einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre, wobei die Proben durch Einstrahlung von Mikrowellen entzündet werden. Die Vorrichtung 30 umfasst einen Mikrowellenofen 31 der wenigstens einen Mikrowellengenerator 32 und eine Steuerungseinrichtung 33, sowie wenigstens eine Mikrowellenkammer 34 aufweist. Die Mikrowellenkammer 34 wird durch eine mikrowellendichte Tür 35 verschlossen. In der Mikrowellenkammer 34 ist ein Rotor 36 auf einem motorbetrieben Drehteller 37 angeordnet. In dem Rotor 36 befinden sich die erfindungsgemäßen mit Sauerstoff gefüllten Probenbehälter 10. Nach Verschließen der Kammer 34 und Einschalten des Mikrowellengenerators 32 werden die Probenbehälter 10 in an sich bekannter Weise mit Mikrowellen bestrahlt. Dabei heizt sich die Probe bzw. das Gemisch aus Probenmaterial und Zündmedium so weit auf, dass das Probenmaterial in der Sauerstoffatmosphäre verbrennt. Die entstehenden gasförmigen und festen Verbrennungsprodukte werden in der Absorptionslösung 25 aufgenommen und nach Beendigung der Sauerstoffaufschlussbehandlung durch geeignete analytische Methoden untersucht.

Claims (16)

1. Verfahren zum Verbrennen von Proben in einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre, wobei man eine Probe in einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre anordnet, die Probe entzündet und in der sauerstoffhaltigen Atmosphäre verbrennt und die Verbrennungsprodukte zumindest teilweise zurückgewinnt, dadurch gekennzeichnet, dass man die Probe durch Einstrahlen von Mikrowellenstrahlung entzündet.
2. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass man außerdem ein mikrowellenabsorbierendes Brennmittel verwendet, welches das Entzünden der Probe unterstützt.
3. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass man die Probe in einem verschließbaren Probenbehälter anordnet, der zumindest teilweise aus einem mikrowellentransparenten Material besteht.
4. Verfahren gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass man vor dem Zünden der Probe Sauerstoff mit einem Druck von 1 bis 10 bar, vorzugsweise 4 bis 8 bar und besonders bevorzugt etwa 5 oder 6 bar (absolut) in den Probenbehälter leitet.
5. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass man gasförmige und/oder feste Verbrennungsprodukte zurückgewinnt.
6. Verfahren gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass man die Verbrennungsprodukte in einer Absorptionslösung zumindest teilweise auflöst.
7. Verfahren gemäß Anspruch 3 und Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass man die Absorptionslösung vor der Verbrennung in den Probenbehälter füllt.
8. Verfahren gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass man die Absorptionslösung durch Einstrahlen von Mikrowellenstrahlung erwärmt.
9. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 3 bis 8, dass man mehrere Probenbehälter in einem Mikrowellenfeld anordnet.
10. Probenbehälter zum Verbrennen von Proben in einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre, mit einem Gefäßkörper (11), der zumindest teilweise aus einem mikrowellentransparenten Material besteht und eine verschließbare Einfüllöffnung (12) aufweist, einem die Einfüllöffnung (12) des Gefäßkörpers (11) verschließenden, abnehmbaren Deckel (15), und einem Anschluss (18) zur Zufuhr von Sauerstoff.
11. Probenbehälter gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Sauerstoffanschluss (18) ein Absperrventil (19) aufweist.
12. Probenbehälter gemäß einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Gefäßkörper (11) ein herausnehmbarer Probenträger (21) angeordnet ist.
13. Probenbehälter gemäß einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Gefäßkörper (11) einen Sumpf (24) zur Aufnahme einer Absorptionsflüssigkeit (25) aufweist.
14. Probenbehälter gemäß einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Deckel (15) den Gefäßkörper (11) druckdicht verschließt.
15. Probenbehälter gemäß einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Gefäßkörper (11) einen druckfesten Mantel (13) und eine chemisch inerte Innenwand (14) aufweist.
16. Vorrichtung zum Verbrennen von Proben in einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre mit einem Mikrowellenofen (31), der wenigstens einen Mikrowellengenerator (32), eine Steuerungseinrichtung (33) und wenigstens eine Mikrowellenkammer (34) umfasst, einem in der Mikrowellenkammer (34) drehbar angeordneten Rotor (36), dadurch gekennzeichnet, dass in dem Rotor (36) Probenbehälter (10) nach einem der Ansprüche 10 bis 15 angeordnet sind.