Elementaranalyse
Die "Elementaranalyse" verfolgt das Ziel, die Art einer organischen Verbindung durch qualitative und quantitative Ermittlung der am Aufbau beteiligten Elemente zu erkennen. Hierfür kommen neben Kohlenstoff vor allem Wasserstoff, Sauerstoff, Stickstoff, Schwefel, Halogen und Phosphor in Betracht; die anderen Grundstoffe spielen nur eine untergeordnete Rolle .
Die ersten Apparaturen gehen auf den deutschen Chemiker Justus von Liebig (1802-1873) zurück, mit denen er gravimetrisch den C-Gehalt einer Probe sehr genau bestimmen konnte.
Prinzipiell besteht ein Elementar-Analysegerät aus einer Verbrennungskammer, in der die zu analysierende Probe auf eine hohe Temperatur erhitzt wird. Die Temperatur wird durch einen Induktionsofen (elektromagnetisches Feld) oder durch eine elektrothermische Beheizung in einem Ofen realisiert. In einem Sauerstoffstrom verbrennen die zu analysierenden Elemente zu den jeweiligen Oxiden. Also Kohlenstoff C zu CO2, Schwefel S zu SO2 usw. Diese Reaktionsprodukte werden dann mit unterschiedlichen physikalischen Verfahren quantitativ erfasst und ausgewertet. Wichtig ist für diese Auswertung, dass die Masse der Probe vorher ermittelt wird (wiegen) und der Sauerstoffstrom konstant ist (geregelt).
Für die C-Analyse hat sich das NDIR-Verfahren (INFRA.sens) etabliert und liefert die genauesten Analysen. Der S-Gehalt lässt sich sowohl mit dem NDIR-Verfahren (INFRA.sens) als auch mit dem NDUV-Verfahren (ULTRA.sens) bestimmen. Das NDUV-Verfahren hat den Vorteil, das mit dieser Methode deutlich geringere SO2-Gehalte (<100ppb) bestimmt werden können. Die H- und N-Analyse wird zumeist mit Wärmeleitfähigkeitssensoren (TCD) durchgeführt. Es gibt auch Gerätehersteller, die einen Gaschromatographen (GC) vorschalten, um die unterschiedlichen Komponenten besser trennen zu können. Besonders wichtig sind in der Elementaranalyse schnell anzeigende Gassensoren, da der Sample Peak je nach Geräteausführung ca. 30-60 Sekunden beträgt. Die zeitliche Auflösung muss daher < 1 Sekunde liegen.
Da die zu untersuchenden Proben unterschiedliche Gehalte aufweisen können, müssen die eingesetzten Gassensoren Messbereiche mit einen hohen Dynamikbereich aufweisen. In Abb.2 ist ein Dynamikbereich von 0,3ppm bis 30 Vol.-% dargestellt. Die Elementaranalyse ist mit diesem Gassensor sowohl im Spurenbereich als auch im Sättigungsbereich möglich.
Abb. 2: Kennlinie eines INFRA.sens mit dynamic range über 5 Größenordnungen
In der nachfolgenden Abbildung ist ein spezieller Aufbau (KOMBI.sens) zur simultanen Analyse von SO2- und CO2 für die Elementaranalyse zu sehen. Der Aufbau besteht aus einem ULTRA.sens der die SO2 Konzentration im UV-Bereich bei 285nm mit einer 100mm Analysenküvette (AK100) bestimmt. Unterhalb ist ein INFRA.sens zur Bestimmung der CO2-Konzentration angebracht. Diese Messung erfolgt bei 4,3µm mit einer 250 mm Analysenküvette (AK 250).
Abb. 3: KOMBI.sens zur simultanen Messung von CO2 und SO2 im IR- und UV-Bereich
Abb. 4: Beispiel für ein Elementaranalyse Gerät mit NDUV/NDIR-Technik
Calcimeter
Der Scheiblerapparat wird für die Bestimmung des Carbonatgehaltes gebraucht. Dabei füllt man eine bestimmte Menge einer Probe (meist Erde/Boden, Baustoffe, aber auch Wasser) in ein spezielles Glasgefäß, in das eine Phiole eingebaut ist. In diese Phiole wird verdünnte Salzsäure gefüllt. Rund um die Phiole befindet sich die zu prüfende Substanz. Danach schließt man das Reaktionsgefäß an den Scheiblerapparat an. Nun wird das Reaktionsgefäß gekippt, so dass die Salzsäure aus der Phiole auf die Probe fließt. Durch die chemische Reaktion von dem in der Probe enthaltenem Carbonat und der Salzsäure entsteht CO2, dass die Flüssigkeit im U-förmig gebogene m Glasrohr verdrängt. Die verdrängte Flüssigkeitsmenge (Volumen des entwickelten CO2) kann an einer Skala abgelesen werden und in den Carbonatgehalt der Probe umgerechnet werden. Bei der Berechnung muss die Temperatur- und Luftdruckabhängigkeit des Gasvolumens berücksichtigt werden. Die Bestimmung nach Scheibler ist noch heute ein Standardverfahren zur Carbonatbestimmung in Böden und Sedimenten.
Calcis Auto wurde für die Bestimmung des Calciumcarbonatgehalts (Calcinität) im Boden entwickelt. Es ist die perfekte Lösung für Bodenlabore, die ein hohes Probenaufkommen haben und nach zeit- und arbeitssparenden Lösungen für die Analyse von Calciumcarbonat im Boden suchen. Wie Calcis M überwindet auch Calcis Auto die Probleme des Scheibler Calcimeters, wie z.B. die manuelle Säurezugabe, die Erkennung durch das menschliche Auge als Messmethode und die Abhängigkeit vom Bediener bei der Analyse mehrerer Proben. 60 Proben können mit Hilfe des Autosamplers unbeaufsichtigt analysiert werden. Als CO2 Detektor wird auch in diesem Fall ein NDIR-Verfahren eingesetzt.
Abb. 5: Beispiel für ein automatisiertes Calcimeter mit NDIR-Technik
TOC/TN- Abwasseranalyse
TOC bedeutet Total Organic Carbon, also der gesamte Gehalt an organischen Verbindungen in einer Wasserprobe. Wie bei der Elementaranalyse wird in der Abwasseranalyse, zur Bestimmung des organischen Kohlenstoffgehaltes, ein thermischer Aufschluss durchgeführt. Dazu gelangt das zu analysierende Wasser über einen Probeneinlass in einem thermischen, katalytischen Verbrennungsofen. Die Probe verdampft sofort in dem Ofen. Die C-Komponenten der organischen Verbindungen verbrennen dann zu CO2, das als Sample Peak den Ofen verlässt. Mit dem NDIR-Verfahren (INFRA.sens) lässt sich der CO2 Gehalt sehr präzise bestimmen, sodass auch der TOC-Gehalt im Wasser sehr genau analysiert werden kann. Die Stickstoffverbindungen (TN = Total Nitrogen) lassen sich auf die gleiche Art und Weise bestimmen. Als Messgröße im Sample Peak ist dann NO (Stickstoffmonoxid) und ggf. auch NO2 (Stickstoffdioxid) quantitativ zu bestimmen. Als Analysemethode eignen sich hier das NDIR-, NDUV- und CLD- Verfahren. Für einfache Überwachungen werden auch elektrochemische NO-Gassensoren eingesetzt.
Abb. 6: Beispiel für ein prozesstaugliches TOC-Analysengerät mit NDIR-Technik
1 Täufel, K.: Handbuch der Lebensmittelchemie, vol. 2 / 2. Springer, Berlin, Heidelberg (1935)