EXTRAKCIÓ. Az analaízis lépései. 1, Zavaró komponensek elválasztása 2, Dúsítás. Mintavételezés. Mintaelőkészítés

Átírás

1 EXTRAKCIÓ Az analaízis lépései 1, Zavaró komponensek elválasztása 2, Dúsítás Mintavételezés Mintaelőkészítés 1, Folyadék-folyadék extrakció 2, Szilárd anyag kioldása 3, Adszorpció 4, Abszorpció Általánosan használt Analízis Kiértékelés

2 Megoszlási hányados K p =[Z] 1 / [Z] 2

3

4

5

6 Technológiai alkalmazás

7 Az extrakció (kioldás) hatékonyságának növelése

8 Nyomás alatti extrakció

9 Mikrohullámú extrakció

10 SFE: Enhanced penetration Diffusivity of solvent molecules in a SF approach gaseous state diffusivity Solute diffusivity within a SF approaches that shown in gaseous phase Solvent (SF) Solute

11 A mikrohullám hatékonyságnövelő hatása

12 Mikrohullám (részletek)

13 Szuperkritikus folyadék (fluidum) extrakció)

14 Property Density (kg/m3 ) Viscosity (cp) Diffusivity (mm2 /s) Gas SCF Liquid

15 Fluid Critical Temperature (K) Critical Pressure (bar) Carbon dioxide Ethane Ethylene Propane Propylene Trifluoromethane (Fluoroform) Chlorotrifluoromethane Trichlorofluoromethane Ammonia Water Cyclohexane n-pentane Toluene

16

17

18

19 A szén-dioxidot a következő jó tulajdonságai miatt használják szívesen a szuperkritikus extrakcióban oldószernek: nem káros az egészségre, ezért jól alkalmazható gyógyszerek, élelmiszerek és élvezeti cikkek előállításánál, nagy a sűrűsége, így viszonylag sok anyagot tud oldani, nem lép reakcióba a kezelt anyaggal, alacsony a kritikus hőmérséklete (31 C) és kritikus nyomása (73 bar), ezért alacsony hőmérsékleten lehet vele dolgozni, nem károsodik a kezelt anyag, nem tűzveszélyes és nem korrozív, könnyen beszerezhető élelmiszeripari tisztaságban és nagy mennyiségben áll a rendelkezésünkre, nem szennyezi a környezetet, az extrakció után maradék nélkül eltávozik a termékből, a nyomás és hőmérséklet megfelelő változtatásával lehetőség van a szuperkritikus állapotú oldószer oldóképességének kedvező irányba való változtatására.

20 Table 1. Comparison of MAP with other Methods SOXHLET SONICATION MICROWAVE SUPERCRITICAL FLUID Sample* Weight (gram) Solvent ** ** Hexane/Ethano l CO 2 Solvent Volume (ml) > Vessel Volume (ml) < Temperature (Degrees C) Boiling Point Room Temp. 40, 70, , 200 Time 16 hours 30 minutes seconds minutes Pressure (atm.) Ambient Atm. Ambient Atm Relative Energy Consumption

21

22

23 Szilárd fázisú extrakció (SPE)

24

25

26

27

28

29 1. Lépés: SPE választás

30 2. lépés: SPE kondicionálás

31 3. lépés: Mintaadagolás

32 4. lépés: Minta mosása

33 5. lépés: Komponensek elúciója

34

35

36

37

38

39

40

41

42

43 Headspace analízis

44

45 Különféle sók adagolásának hatása vizes mintákban, 60 C -on Só Ammónium szulfát Nátrium klorid Káliumkarbonát Ammónium klorid Nátrium acetát Etanol csúcsterület nüvekedése X5 X3 X8 X2 X5

46

47

48

49 A headspace analízis lehetőségei Static headspace analysis Dynamic headspace analysis Solid phase microextraction

50 Elõzmények: lézer deszorpció/gáz kromatográfia optikai szál (fused silica) végérõl a minta lézer impulzussal párologtatva el. A módszer hatékonyságának növeléséhez kellõen gyors mintaelõkészítést kellett kidolgozni. Ötlet: Polimer bevonattal ellátott (optikai, silica) fibert mártani a mintába. Optikai fiberek különbözõ mûanyag bevonattal (mechanikai ellenállás növelése véljából) hozzáférhetõek voltak Bevonatkészítésre kellõ tapasztalat állt rendelkezésre a kapillárkolonna készítésbõl. Folytatás: Supelco (1993) elkezdte az elsõ laboratóriumi (SPME) berendezés és HPLC interface forgalmazását. Varian a korábbi 8000GC automatikus mintavevõn alapuló automatikus SPME-t t fejlesztett ki.

51 Szilárd fázísú mikroextrakció SPME (Solid phase microextraction fiber)

52 Kifejlesztett eszközök

53 SPME (Solid phase microextraction fiber) Silica core Polymer coating

54 SPME (Solid phase microextraction fiber) x Polymer only sorbs dissolved molecules

55 absorption TNT 2ADNT 4ADNT

56

57 Diagram of SPME Extraction Direct sampling SPME Headspace SPME

58 Az extrahált anyag mennyiségét befolyásoló tényezõk (direkt mintavételezés) Egyensúlyi állapotban V s C o = C f V f + C s V s C f = n V f K fs = C f C s n = K fs V f V s C o K fs V f + V s A mintatérfogat nagyon nagy K fs V f << V s n = K fs V f C o A szénhidrogének K fs -e 25 o C-on ,000 (alifás-aromás) közötti érték PDMS bevonatra. A bevonat térfogata (100 µm vastag) 6.12x10-7 L.

59 C o V s = C f V f + C h V h + C s V s K fh = C f C h K hs = C h C s n = C f V f n = K fh K hs V f C o V s K fh K hs V f + K hs V h + V s K fs = C f C s = K fh K hs n = K fs V f V s C o K fs V f + V s n = K fs V f C o V s K fs V f + K hs V h + V s

60 Következtetés: ha a rendszer gözteret is tartalmaz az extrahált mennyiség nem függ attól hogy a mintavétel az oldatból vagy a gõztérbõl történik. Gõzteret tartalmazó rendszer esetében annál nagyobb az extrahá lt analitikum mennyisége minél kisebb a gõztér. Az extrahált mennyiség függ az anyag bevonat/víz megoszlási hányadosától (K fs ) Minden olyan tényezõ (hõmérséklet, a közeg polaritása, ph, az analitikum kémiai átalakítása (derivatizálás) amely hatással van a K fs -re, befolyásolja az extrahált mennyiséget (érzékenységet) is.

61 Effect of Coating Thickness on the Absorption for the Extracion of 0.1 ppm Benzene µm Mass (ng) µm 15 µm Time (S)

62 Effect of Salts on the Extraction of Volatile Compounds by SPME Normalized FID Response No Salt Sodium Chloride Sodium Sulfate Potassium Carbonate Benzene Dioxane

63 Effect of Distribution Constant on the Absorption Profile of 0.1 ppm Analyte Mass (ng) K fs = 831 (p-xylene) K fs = 294 ( Toluene) K fs = 125 ( Benzene) time (S)

64 Az SPME használatának lépései

65 Az analitikum deszorpciója (injektálás) Az injektor hõmérséklete és a lineáris áramlási sebesség határozza meg a deszorpciós idõt, a hõmérséklettel a diffúzió sebessége nõ, a megoszlási hányados pedig jelentõsen csökken (o-xilol K fg = 24,000 (25 o C), K fg = 13 (250 o C). A lineáris áramlás sebessége növelhetõ szük inlet alkalmazásával: al:

66

67 HPLC interface

68 Detection Limits and Reproducibility of Organic Volatile Compounds in Water Technique SPME Detection Limit with FID (ppb) Coefficient of Variation (%) 1-3 Static Headspace Dynamic Headspace

69 Származékképzés (derivatizálás) a kromatográfiában Gázkormatogáfiában: A mintakomponensek illékonyságának növelése Az anyagok termikus stabilitásának növelése +(csúcsátfedések csökkentése, detektálhatóság növelése) Folyadékkromatográfiában: A detektálás (detektálhatóság) javítása Az UV elnyelés növelése Fluoreszcens csoportok beépítése

70 A származékképzés lehet: Kromatografálás előtti (prekolumn) Nem kell gyorsnak lenni, nehezen automatizálható, a reagens könnyen elválasztható legyen, teljesen végbemenjen. elválasztás utáni (posztkolumn) Reprodukálható es gyors legyen, reagens ne zavarjon.

71 1. Alkilszilil származékok: Gázkromatográfis derivatizálás A legáltalánosabban alkalmazott derivatizáló reagensek ( trimetilszililező szerek): (CH 3 ) 3 Si N N-trimetilszililimidazol O Si(CH 3 ) 3 CH 3 C N Si(CH 3 ) 3 N,O-bisz-trimetilszililacetamid N CH 3 CH 3 CF 3 C N Si CH 3 O CH 3 N-metil-N-trimetilszilil-trifluoroacetamid (CH 3 ) 3 Si N(C 2 H 5 ) 2 N-trimetilszilildietilamin

72 CH 3 CH 3 Si Cl CH 3 Trimetilklórszilán CH 3 CH 3 CH 3 Si NH Si CH 3 CH 3 CH 3 Hexametildiszilazán A trimetilszililező reagensek reaktivitási sora: Trimetilszilil-imidazol > N,O-bisz(trimetilszilil)trifluoracetamid > N,O-bisz(trimetilszilil)acetamid > N metil-n-(trimetilszilil)- trifluoroacetamid > N-trimetilszilildietilamin > N-metil-N-trimetilszililacetamid > trimetilklórszilán > hexametil-diszilazán. Vizsgálandó vegyületek reaktivitási sora: R-OH > Ph-OH > RCOOH > R-NH 2 > R-CONH-R

73 Trimetilszilil származ rmazékot adó funkciós s csoportok Funkciós csoport Funkciós cs. neve Származék Származék neve OH Hidroxil OTMS Trimetilszilil-éter SH Tiol STNS Trimetilszilil-tioéter COOH Karboxil COOTMS Trimetilszililkarboxilát POH Foszfát POTMS Trimetilszilil-foszfát SOH Szulfát SOTMS Trimetilszilil-szulfát NOH Nitrát NOTMS Trimetilszilil-nitrát BOH Borát BOTMS Trimetilszilil-borát NH 2 Amin NHTMS; Trimetilszilil-amin, N(TMS) 2 NH Imin NTMS Trimetilszilil-imin CONH 2 Karbonsavamid CONHTMS N-Trimetilszililkarbonsavamid CH 2 -C=O Karbonil CH=COTMS Trimetilszilil-

74 Alkilezés Aktív hidrogénatom cserélődik ki alkil- (aril-) csoportra. Vegyület képlete Vegyület neve Származék képlete Származék neve RCOOH Karbonsav RCOOR 1 Észter RSO 2 OH Szulfonsav RSO 2 OR 1 Szulfonsav észter ROH Alkohol ROR 1 Éter RSH Tioalkohol RSR 1 Tioéter RNH 2 Alkil-amin RN(R 1 ) 2 Trialkilamin R 2 NH Dialkilamin R 2 NR 1 Trialkilamin RCONH 2 Karbonsavamid RCONHR 1 N-alkil-karbonsavamid RSO 2 NH 2 Szulfonsavamid RSO 2 N(R 1 ) 2 N,N -dialkil-szulfonamid RCOCH 2 COR β-diketon RCOCH=C(OR 1 )R β-acil-o-enoléter

75 1. 2. R(Ar) X = I, Br X R = Me, Et, Pr, Bz Alkilezés (folytatás) + R 1 COO - Ag 2 O O R(Ar) O C R 1 NaH, BaO + X - CH 3 N 2 + RC O O - RCOOCH 3 + N 2 C 2 H 5 N 2 N 2 RCOOC 2 H 5 3. (CH 3 ) 2 NCH(OR 1 ) 2 + RCOOH RCOOR 1 + (CH 3 ) 2 NCHO + R 1 OH R 1 = CH 3, C 2 H 5, C 3 H 7, C 4 H 9 (fenolok, amidok, tiolok) N,N-dimetil-dialkilacetál

76 Extraktív alkilezés Savak, fenolok, alkoholok vagy amidok alkilezése vizes közegben. RCOO - + R 4 N + RCOO - R 4 N + AQ RCOO - R 4 N + RCOO - R 4 N + AQ ORG RCOO - R 4 N + ORG + R 1 I RCOOR 1 + R 4 N + I - Pirolítikus alkilezés RCOOH + C 6 H 5 (CH 3 ) 3 N + OH - RCOO - C 6 H 5 N + (CH 3 ) 3 + H 2 O RCOO - C 6 H 5 N + (CH 3 ) 3 RCOOCH 3 + C 6 H 5 N(CH 3 ) 2

77 Arilezés NO 2 NO 2 NO 2 F + RNH 2 NO 2 NH R + HF RSH C 6 H 5 OH Oximképzés R 1 C O + F F F CH 2 O NH 2 H 2 O F F F CH 2 O N C R 1 R 2 F F F F R 2

78 Származékképzés folyadékkromatográfiához Derivatizálás az UV-látható detektorjel növelése érdekében Alkoholok (R-OH) esetében NO 2 C Cl O N O 2 C OR O NO 2 3,5-dinitrobenzoil-klorid NO 2 I SO 2 Cl I SO 2 OR p-jódbenzolszulfonil-klorid (NO 2 ) COCl (NO 2 ) COOR (p-nitro)benzoil-klorid

79 Derivatizálás az UV-látható detektorjel növelése érdekében Aminok (R-NH2) esetében N O 2 NO 2 C Cl O NO 2 C NH O R 3,5-dinitrobenzoil-klorid O CH 3 C C O Cl NO 2 O C H 3 C C NH O R piruvoil-klorid O CH 3 O C Cl O CH 3 O C NH R p-metoxi-benzoilklorid

80 Derivatizálás az UV-látható detektorjel növelése érdekében Aldehidek (R-CHO), ketonok R-(CO)-R esetében NO 2 NO 2 N NH NO 2 NO 2 NH N C R (H)R 2,4-dinitrofenil-hidrazin NO 2 CH 2 O NH 2 p-nitrobenzilhidroxilamin NO 2 CH 2 O N C R (H)R

81 Derivatizálás az UV-látható detektorjel növelése érdekében Karbonsavak (R-COOH) esetében O CH 2 Br CH 2 O C R benzil-bbromid N 2 O O C R naftildiazometán

82 Derivatizálószerek fluoreszcenciás detektáláshoz R SO 2 X N R R=CH 3, X=Cl Danzil klorid O R=C 4 H 9, X=Cl Dabzil klorid R=CH 3, X=NHNH 2 Danzil hidrazin O O O Fluorescamine CH 3 O CH 3 O N N CH 3 CON 3 3,4-dihidro-6,7-dimetoxi-4-metil-3-oxoquinoxali -2-karbonilazid O CHO CHO CH 2 Br o-ftáldialdehid CH 2 OCOCl Fluorenilmetiloxikarbonil-klorid CH 3 O O O 4-brommetil-7-metoxi-kumarin

83 Levegő mintavételi alapelvek Gázokra és gőzökre két alapelvet alkalmaznak -integrált mintavétel: -- ismert mennyiségű mintát bocsátanak keresztül (vagy rá) egy adott abszorbens, vagy adszorbens rétegen, -- átlagos kibocsátás egy adott periódusra vonatkozóan -merítéses mintavétel -- a szennyezett levegő közvetlen összegyűjtése -- egy adott időpillanatra reprezentatív levegőminta

84 Mintavételi lehetőségek, anyagok Vákuumra leszivatott edények Általában rozsdamentes fémedények, vagy speciális üvegedények Hűtött csapdák Ismert mennyiségű levegőt egy (szárazjéggel, cseppfolyós levegővel, vagy nitrogénnel) hűtött csapdán vezetok át. Csak a szennyező csapdázódik

85 Kannás mintavevők

86

87

88

89 Integrált minták vétele Diffúziós (passzív) mintavevők : a légszennyező diffúzióval jut az adszorpciós rétegre Átszívásos (aktív) mintavevők: ismert mennyiségű (hőmérséklet, nyomás) levegőt szívatnak át adszorpciós rétegen

90 Diffúziós mintavevő

91

92

93

94 Passive Sampling Types of passive samplers Commercially available Solid sorbents, or liquid absorbers (charcoal, coated silica gel, etc.)

95 Passive Sampling Sampling starts when the cover is removed Driving force is the concentration gradient from the sampler face (C 1 ) to the sampling medium (C 0 ) over the diffusion path (L) C 0 remains essentially zero Contaminant uptake = Diffusion Coefficient x area/length, D(A/L) D(A/L), the sampling rate, has volume/time units, just like sampling with pumps

96 Áramlásos mintavevők

97 A mintavevő csövek felépítése

98

99

100 Properties of Solid Sorbents Commonly Used in Industrial Hygiene Sampling Sorbent Specific Surface Area (m 2 /g) Pore Type Upper Temperature Limit ( C) Composition Activated charcoal >1000 I coconut shell or petroleumbased Charcoal Activated charcoal I II amorphous silica Tenax GC 20 III polymer of 2,6- diphenyl-pphenylene Oxide Chromosorb II 250 copolymer of styrene and divinyl benzene Chromosorb III 250 copolymer of acrylonitrile and divinyl benzene Amberlite II copolymer of styrene and XAD-2 divinyl benzene XAD I II copolymer of styrene and divinyl benzene XAD I II acrylate polymer Pore type: I is <2 nm; II is 2 50 nm; III is >50 nm

101 Abszorpciós mintavevők

102 Vízminták szerves szennyezőinek analízise Kiűzés és csapdázás (purge and trap) módszerrel

103

104

105

106

107

108

109

110 Alkalmazott módszerek VÍZMINTÁK TARTÓSÍTÁSA SZER,TECHNIKA HATÁS ANALIZÁLANDÓ Hűtés (4 C) baktériumszaporodás, Savasság,szín,szag, VOC szökés gátlása BOD,C,P,N,zavaros. HNO3 Fémek oldatban tartása Nehézfém-ionok H2SO4 Baktériumölő,illékony COD,TOC, olaj,zsír, bázisok megkötése aminok, NH3, NaOH Illékony savak megkötése Savak,cianid HgCl2 Baktériumölő N,P tartalmú szerv. anyag Azonnal elvégzendő vizsgálatok: -hőmérséklet, -ph, - oldott oxigén, - oxidálószerek (Cl2,ClO2, ózon, stb.)

111 VÍZMINTÁK ANALÍZISE ÖSSZESÍTETT MUTATÓK: 1,Biológiai Oxigén Igény (BOI5, v. BOD5): pufferolt,adalékolt vizet oxigénnel telítenek, majd mérik azonnal (D1) és öt nap múlva (D2) az oldott oxigént 20 C-on tárolt mintában BOI5= (D1-D2)/Vminta 2,Kémiai Oxigén Igény (KOI, v. COD): a, savas K2Cr2O7 feleslegével 2 órán refluxon forralt vízmintából a dikromát felesleget (Fe2+-vel) visszamérik: KOI(mg/l)= a dikromáttal ekvivalens O2 b,minta + KMnO4 ismert mennyisége20 perc forralás oxalátfelesleg (ismert) +savanyításpermanganáttal visszatitrálás KOI= mint fent c,elégetés levegőben v. CO2-ben és mérik műszeresen a CO2-t v.co-t.

112 3,Összes szerves szén(total Organic Carbon:TOC) TOC= DOC (dissolved) + NDOC (not dissolved)= = POC (purgable) + NPOC (not purgable) 4,Összes szervesanyaghoz kötött halogén (TOX): Elégetés és a felszabaduló HX meghatározása mikro- coulombmetriásan (AgAg+ AgX)

113 Definitions & Methodology TOC TC = Total Carbon Sample oxidized at HT and CO 2 is detected TIC = Total Inorganic Carbon H 2 CO 3 (H 2 O + purged and detected TOC Sample is acidified to CO 2 ) and CO 2 is = Total Organic Carbon (by substraction = TC- TIC) AOX = Adsorbable Organic Halogens

114 Gas Filter Correlation Technique

115 TOC 1200: HT TOC High Temperature Furnace Analyzer Sample introduction Flow regulators TIC scrubber Permapure Scrubber NDIR detector with GFC technique Windows software

116 Layout TOC 1200

117 EUROGLAS TOC/AOX TOC 1200 SOLIDS MODULE FURNACE TUBE PERMA PURE NDIR DETECTOR AOX AOX MODULE FURNACE TUBE SCRUBBER COULOMETER

118 Applications Drinking water Effluent water (municipal and industrial) Solid waste High saline water Particulated samples APPLICATION NOTES

119 5,Oldott huminanyag(aquatic Humic Substances-AHS) Ioncserélőn (XAD-gyanta v.dietilamino-etilcellulóz) szorpcióelúció NaOH-dal az eluátumban DOC meghatározás. 6,Olajok és zsírok: Extrakció 1,1,2-trikloró-1,2,2-trifluoró-etánnal,majd a,oldószer elpárologtatástömegmérés b,ir analízis (2930 cm-1 en elnyelés mérése) 7,Szénhidrogének: Extrakció,mint zsíroknál,olajoknáladszorpció szilikagélen (a polárosok dszorbeálódnak)a maradék a szénhidrogének.

120 8,Fenolok: (élvezeti értéket rontják + a klórozottak rákkeltőek) O 2 N NH 2 + 2HCl + NaNO 2 P-nitroanalin diazotálása O 2 N N=NCl + NaCl + 2H 2 O + OH O 2 N N=N OH +HCl majd kapcsolása fenollal b, 4-amino-antipirin (p-nitroanilin helyett)kloroformos extrakciófotometrálás. N-butanollal extrahálni, majd forometrálni 460 nm-en

121 9,Felületaktiv anyagok (detergensek): Általában a detergensek 60%-a anionos, 30%-a anionos és a maradék nemionos tenzid. a,teljes detergensmennyiség meghatározás: Etil-acetáttal kioldásaz oldószer elpárologtatása után tömegmérés. b,anionos detergensek meghatározása: Metilénkékkel ionpárképzés (kloroformos metilénkékkel való extrakció)fotometrálás 620 nm-en. c,kationos detregensek meghatározása: c1,kationcserélőn elválasztássósavas elúcióbepárlás tömegmérés c2,brómfenolkékkel komplexképzéskloroformos extrakciófotometrálás 416 nm-en.

122 INDIVIDUÁLIS ( A KOMPONENSEK EGYEDI) ANALÍZISE Polikondenzált 6440 HC-ODS Sil-X UV, aromások fluoreszcens Szinte kizárólag GC, HPLC és ezekkel kombinált MS módszereket alkalmaznak. ALKALMAZOTT KROMATOGRÁFIÁS MÓDSZEREK Komponensek EPA Oszlop Detektálás GC módszerekm Illékony szerves % SPE1000 CARBOPACKB-n FID,MS vegyületek (VOC) Kap.:VOCOL,DB-624,DB-5 Illékony aromások % SP1200 SUPELCOPORT-on FID,PID,MS Illékony halo n-oktán PORASIL C-n ECD,FID, karbonok (VOX) 1%SP1000 CARBAPACK B-n MS, ECC Extrahálható savak/ % SP2250 SUPECOPORT-on MS bázisok 1%SP-1240 SUPELCOPORT-on Fenolok % OV-17 CHROMOSORBON FID,ECD, 1% SP1240 SUPELCOPORT-on MS Poliklórozott % SP2250 SUPECOPORT-on ECD, MS bifenilek Kap.: DB-5 Klórozott peszti ,5% OV % QF-1 ECD, MS cidek Kap.:DB-1,DB-5,DB-1701 HPLC módszerekm