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LABORAUTOMATION

Effizienzsteigernd - Automatische Schwermetallbestimung

| Autor/ Redakteur: Michael Lübke*, Martin C. Wende* und Andreas Groß* / Gerd Kielburger

Die wichtigsten Forderungen der Auftraggeber der Elementanalytik sind Qualität, kurze Antwortzeiten sowie geringere Analysenkosten. Diese Kriterien können nur durch ständige Optimierung der Arbeitsabläufe und Methoden erfüllt werden. Die Entwicklung eines automatisierten Säureaufschlussesmit Online-Messung der Elemente per ICP-AES ist ein Beispiel für die Umsetzung dieses Konzeptes.

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( Archiv: Vogel Business Media )

Die wichtigsten Forderungen der Auftraggeber der Elementanalytik sind Qualität,kurze Antwortzeiten sowie geringere Analysenkosten. Diese Kriterien können nur durch ständige Optimierung der Arbeitsabläufe und Methoden erfüllt werden. Die Entwicklung eines automatisierten Säureaufschlussesmit Online-Messung der Elemente per ICP-AES ist ein Beispiel für die Umsetzung dieses Konzeptes. Wegen des großen Erfolgs der ersten Anlage wurde inzwischen eine zweite Direktkopplung in Betrieb genommen.

Im Labor für Elementanalytik im Kompetenzzentrum Analytik der BASF Aktiengesellschaft in Ludwigshafen werden Bestimmungen fast aller Elemente im Konzentrationsbereich von 100 Prozent für Gehaltsbestimmungen bis in den ng/l-Bereich für Reinstchemikalien (Halbleiterproduktion) durchgeführt. Bedingt durch sehr stark diversifizierte Probenarten - hauptsächlich aus der Forschung, aber auch aus den Betrieben stammend - kann ein derart breites Aufgabenspektrum nur mit universellen Bestimmungsmethoden in Verbindung mit einem möglichst hohen Automatisierungsgrad bewältigt werden. Im Kompetenzzentrum Analytik sind seit einigen Jahren zwei selbstentwickelte Aufschlussautomaten (Abb. 1) in Betrieb. Die Anlagen arbeiten vollautomatisch über Nacht. Der mehrstufige offene Säureaufschluss (Abb. 2) wurde für ein möglichst breites Probenspektrum organischer Matrizes optimiert. Die Automaten wurden online an ICP-AES-Geräte gekoppelt.

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Aufbau und FunktionsablaufDer prinzipielle Aufbau der Anlage ist in Abbildung 3 skizziert. Aufschluss und Messung laufen in mehreren Teilschritten ab. Die zuvor manuell in eine Quarzflasche eingewogene Probe wird - zur Vermeidung von Geruchsbelästigungen und Kontamination während der Standzeit - mit einem Teflondeckel abgedeckt und in das Probenrack gestellt, das 192 Positionen enthält. Der Aufschluss selbst erfolgt direkt in der Quarzflasche, die durch die Apparatur transportiert wird. Der Einwaagebereich liegt in der Größenordnung 0,1 bis 1g für Feststoffe und Pasten, für Wässer können 10 ml eingesetzt werden.

Nach Start der Anlage wird die vorderste Flasche zu einer Station befördert, in welcher der Deckel von der Flasche per Unterdruck abgehoben wird. Ein Unterdruck-Sensor überwacht die Wirksamkeit dieser Maßnahme.

Anschließend wird die Flasche auf eine Waage gestellt, 10 ml konzentrierte Schwefelsäure in die Flasche dosiert (unter Absaugung, Abb. 4) und die Gewichtszunahme ermittelt. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass sich unter allen Umständen (Schwefelsäure-Vorrat leer, Verbindungsschlauch oder Säurepumpe defekt etc.) vor Beginn der thermischen Behandlung Schwefelsäure im Aufschlussgefäß befindet. Ist das eingestellte Säuregewicht erreicht, wird die Flasche vom Linearantrieb mit Greifer über eine Schleuse in das Aufschlusskarussell befördert.

Das Karussell hat 24 Positionen. Der Drehteller mit den Flaschenhalterungen wird im 5-Minuten-Takt um eine Position weiter gedreht. In den ersten zwei Positionen kann die Vorreaktion zwischen Probe und Schwefelsäure etwas abklingen. In den nächsten Positionen wird die Flasche mit Quarzstrahlern (Hellstrahlern) bis zur Siedetemperatur erhitzt. Hier werden die Proben thermisch bei 320 °C vercrackt. In den nächsten Positionen wird eine oxidierende Säuremischung (bestehend aus HClO4(!), HNO3 und H2SO4) zudosiert und wieder zum Sieden erhitzt. An allen Positionen mit erhöhter Temperatur werden die abdampfenden Säuren direkt oberhalb der Flasche abgesaugt. Durch mechanische Sensoren wird sichergestellt, dass sich unter der Dosierstelle auch eine Flasche befindet.

Nach vollständiger Mineralisierung der Probe wird die überschüssige Säure abgeraucht. Zur Beschleunigung und Vervollständigung dieses Vorganges wird ein Schleppgas (gereinigte Pressluft) in die Flasche geblasen. In den nächsten Positionen wird der Rückstand mit HCl (1:1) versetzt, aufgekocht und mit Wasser auf das gewünschte Endvolumen gebracht. Die HCl ist zu Kontrollzwecken mit Yttrium markiert.

Die aufgeschlossene Probe wird anschließend aus dem Aufschlusskarussell ausgeschleust und zunächst wieder zur Waage verbracht, wo nach Rückwägung das genaue Volumen der Lösung über die Dichte berechnet wird. Dies erspart das lästige Umspülen der Aufschlusslösung in Maßkolben und das Auffüllen auf das Endvolumen.

Von der Waage geht es zur Koppelstation (Abb.5), wo ein kleiner Teil der Lösung zur Online-Messung entnommen wird. Zum Homogenisieren wird zunächst Luft durch die Lösung geblasen. Dann erst wird etwa ein Milliliter Lösung entnommen und online mit der zehnfachen Menge einer Lösung verdünnt, die Scandium als internen Standard und Cäsium als Ionisationspuffer enthält. Die Schlauchpumpe fördert die Lösung zum Ultraschall-Zerstäuber. Das trockene Aerosol wird in das Plasma eines optischen Emissionsspektrometers (ICP-AES) geleitet.

Da die Straße einen Zeittakt von 5 Minuten hat, müssen sich alle Vorgänge und Messungen inklusive der Ein- und Ausspülzeiten innerhalb dieser Zeitspanne abspielen. Über 30 Parameter werden mit der ICP-AES simultan in der Probe bestimmt. Die Überprüfung der erhaltenen Messergebnisse kann jederzeit vor Ort, aber auch (z. B. bei Über-Nacht-Betrieb) am nächsten Morgen erfolgen, da alle ermittelten Daten vom übergeordneten Labordatensystem gesammelt und weiter verarbeitet werden. Hier erfolgt auch die Kontrolle des Yttrium-Niveaus der Messlösungen zur Bestätigung, dass wirklich Probenlösung im Messsystem angekommen ist.

Nach der Messung kommt die Flasche in das Probenrack zurück. Hier wird sie - zur Vermeidung von Säureemissionen und Kontamination - mit einer Teflon-Kugel verschlossen. Die Lösungen können so über Nacht im Automaten verbleiben und stehen am nächsten Morgen für Wiederholungsmessungen (per Offline-ICP) oder für Messungen mit anderen Techniken (ICP-MS, AAS) zur Verfügung.

Peripherie und Umfeld

Die Steuerung der gesamten Anlage erfolgt über eine SPS in Verbindung mit einem PC, in den die Probenkennungen und die Positionen im Rack des Automaten eingegeben werden. Zu Zeit bestehen zehn Aufschlussprogramme, die auf verschiedene Matrixgruppen optimiert worden sind. Zum Beispiel lässt sich an der Waage zusätzlich oder anstatt der Schwefelsäure auch Salpetersäure dosieren. Die Heizleistungen der verschiedenen Positionen innerhalb des Karussells können genau so individuell programmiert werden wie Menge und Geschwindigkeit der Säurezugaben. Für die Säurepumpen hat sich der Einsatz von ventilgesteuerten Dosierpumpen mit Vollteflon-Köpfen bewährt.

Zur Vermeidung von Säureemission ins Labor und hierdurch ausgelöster Gerätekorrosion werden der Unterbau der Anlage (mit den Vorratsbehältern für Säuren sowie den Pumpen) als auch das Karussell abgesaugt. Der in Abbildung 1 erkennbare grüne Vorhang dient auch zur Reduktion von Wärme- und Lichtemission ins Labor. Das Abluftsystem kann mit Wasser gespült werden, alle Materialien sind für den Einsatz von Perchlorsäure geeignet. Alle Einbauten im Karussell, wie z.B. die Halter für die Heizstäbe und die Flaschen, sind aus Quarzglas gefertigt.

Vorteile für ein industrielles Labor

Die Kombination aus vollautomatischem Aufschluss und simultaner Endbestimmung mit der ICP-AES erlaubt es, knapp 200 Proben über Nacht aufzuschließen und zu analysieren. Hier müssen natürlich die Anzahl der Aufschlüsse pro Probe (standardmäßig: zwei) sowie Blindwerte und Kontrollproben berücksichtigt werden. Zur Zeit wird die Anlage überwiegend zur Durchführung von „Abwesenheits-Tests“ benutzt. Die Bestimmungsgrenzen liegen - je nach Element, Einwaage und gewähltem Endvolumen - im Bereich 0,1 bis 10 mg/kg in der Probe.

Nur die Proben, bei denen die Nachweisstärke der ICP-AES nicht ausreicht oder bei denen es auf Grund von Interferenzen zu Problemen kommt, müssen am nächsten Tag mit anderen Techniken analysiert werden. Durch den vollautomatischen Aufschluss erhält man konstante und niedrige Blindwerte, was zu einer verbesserten Reproduzierbarkeit der anschließenden Messung und einer tieferen Bestimmungsgrenze führt. Auch der Zeitvorteil ist für den Auftraggeber interessant: Bis sechzehn Uhr in der Zentralen Probenannahme angelieferte Proben können noch eingewogen und in den Automaten gestellt werden.

Nach der Endprüfung am nächsten Morgen werden die Ergebnisse dem Aufraggeber per Fax oder Mail bis acht Uhr dreissig zugeschickt. Generell konnte schon durch Einsatz der Aufschlussautomaten allein (ohne Direktkopplung) die mittlere Verweildauer der Proben im Labor um 40 Prozent gesenkt werden. Der Preis eines solchen Standard-Aufschlusses wurde gegenüber dem manuellen Aufschluss etwa halbiert. Durch die Online-Kopplung der Automaten mit der ICP-Messung wurde eine weitere Steigerung der Durchsatzgeschwindigkeit erreicht.

Auch die Arbeitssicherheit im Labor wird erhöht, da die Mitarbeiter nicht wie bei dem manuellen Aufschluss mit heißen und konzentrierten Mineralsäuren in Kontakt kommen können.

*M. Lübke, M. C. Wende und A. Groß, Kompetenzzentrum Analytik GKA/E- M320, BASF-AG, 67056 Ludwigshafen

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