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Mikrowellenaufschlüsse

Reinigungsverhalten von Alt- und Neugefäßen beim Mikrowellenaufschluss

13.09.2005 | Autor / Redakteur: Gunter Illgen, Dieter Gutwerk / Gerd Kielburger

Neue Gefäße aus TFM-PTFE
Neue Gefäße aus TFM-PTFE

Mikrowellenaufschlüsse zählen heute zu den Standard-Probenvorbereitungs-verfahren der Elementbestimmung in der analytischen Chemie. In geschlossenen, mikrowellentransparenten Druckgefäßen wird das Probengut mit einer Säuremischung auf typischerweise 200 bis 260 °C erhitzt, vollständig zersetzt und in Lösung gebracht. Es werden zumeist Druckgefäße aus perfluorierten Polymeren wie TFM-PTFE oder PFA verwendet. In diesem Beitrag wird eine Untersuchung zum Reinigungsverhalten dieser Gefäße vorgestellt.

Die Probenvorbereitung hat einen entscheidenden Einfluss auf das Messergebnis, und ist somit von zentraler Wichtigkeit für eine Bestimmungsmethode. Neben der Ultraschallextraktion, der Soxhletextraktion und der beschleunigten Lösungsmittelextraktion gehört der Aufschluss mit Mikrowellen zu den am meisten genutzten Techniken. Derzeit werden bei Mikrowellenaufschlüssen grundsätzlich zwei verschiedene Typen von Gefäßen eingesetzt:

  • Druckgefäße mit In-Liner aus PFA bzw. TFM-PTFE, wobei der äußere Druckmantel und Deckel aus einem anderen Kunststoffmaterial gefertigt ist. Diese Materialien (z.B. PEEK) sind bedingt mikrowellentransparent, können aber durch (heiße) Säuren angegriffen und geschwächt werden.

Massive TFM-PTFE-Aufschlussgefäße, wobei das Gefäß und der Deckel vollständig druckfest aus TFM-PTFE gefertigt werden. Die Lebensdauer der Gefäße wird durch die regelmäßige chemische Beanspruchung, aber auch durch die Temperatur und Druckbelastung beeinflusst. Die Gefäße müssen ausgetauscht werden, sobald die Druckfestigkeit des Gefäßes nicht mehr gegeben, d.h. der Druckmantel soweit geschwächt ist, dass er ein Sicherheitsrisiko darstellen kann. Bei massiven TFM-PTFE-Gefäßen ist dieser Aspekt ohne Belang, da das Material vollständig chemisch inert ist und lediglich durch hohe radioaktive Strahlung geschwächt werden kann. Außerdem sollten die Gefäße ausgewechselt werden, wenn die innere Oberfläche des Gefäßes so stark angegriffen wurde, dass sie nur noch schwer zu reinigen ist, bzw. durch Memory-Effekte fehlerhafte Analysenergebnisse resultieren würden.

Die Firma Berghof stellt seit etwa zehn Jahren massive TFM-PTFE-Druckgefäße für Mikrowellenaufschlüsse her. Einige dieser Gefäße sind seit mehr als sieben Jahren in Verwendung und die Qualität solcher Altgefäße soll systematisch untersucht werden.

Geräte- und Versuchsbeschreibung

Alle Aufschlüsse wurden in einer speedwave MWS-2 von Berghof Products + Instruments durchgeführt. Mit diesem System können bis zu zehn Proben simultan aufgeschlossen werden. Als Neugefäße wurden zehn fabrikneue DAP-60K Druckgefäße eingesetzt. Die Kenndaten dieses Gefäßtyps sind:

  • 60 ml Innenvolumen,
  • 40 bar maximaler Arbeitsdruck
  • bei bis zu 260 °C maximaler Arbeitstemperatur.

Die „Altgefäße“ sind fünf Stück DAP-30- Druckgefäße, welche vor sechs bis sieben Jahren mit der speedwave MWS-1 von Berghof Products + Instruments ausgeliefert wurden. Die Kenndaten dieses Gefäßtyps sind:

  • 30 ml Innenvolumen,
  • 40 bar maximaler Arbeitsdruck
  • bei bis zu 260°C maximaler Arbeitstemperatur.

Untersucht wurden fünf Gefäße, welche sechs bis sieben Jahre in der Routineanalytik verschiedener Kundenlabore zum Aufschluss von Umweltproben (Boden, Abwasser, Sedimente, Pflanzen) sowie zur Futter- und Lebensmittelanalytik eingesetzt wurden. Aufgeschlossen wurden Pappelblätter mit bekanntem Elementgehalt in dem jeweils 250 mg Probe mit 8 ml HNO3 (65%) oder 7 ml HNO3 (65%) + 1 ml H2O2 (40%) bei 180°C für 20 Minuten aufgeschlossen wurden. Die Proben wurden mit bidestilliertem Wasser in einen Messkolben überspült und auf 50 ml verdünnt. Die Lösung wurde zwölf Minuten bei 2800 U/min. zentrifugiert, um nicht aufgeschlossenes SiO2 abzutrennen. Der Überstand wurde entweder mittels ICP-MS oder ICP-AES analysiert. Zur anschließenden Reinigung der Gefäße wurden dieselben lediglich mit bidestilliertem Wasser gespült und in einer „clean-bench“ luftgetrocknet. Anschließend erfolgten zwei Blindaufschlüsse mit 10 ml HNO3 bei 200°C für 20 Minuten.

Die resultierenden Lösungen wurden wie die Proben mit bidestilliertem Wasser in einen Messkolben überspült und auf 50 ml verdünnt. Die Resultate wurden analog zu Probenlösungen auf die Probeneinwaage umgerechnet, um die Werte mit den Konzentrationen in der Probe vergleichen zu können.

Ergebnisse und Disskusion

Alle Werte stellen Mittelwerte der untersuchten zehn Neugefäße oder fünf Altgefäße dar. Die Wiederfindungsraten der untersuchten Elemente liegen zwischen 80 und 120 Prozent, unabhängig davon, ob die Konzentrationen im mg/g oder µg/g Bereich liegen (s. Abb. 3 und 4). Durch Zugabe von 1 bis 2 ml Flusssäure zu den Aufschlusslösungen könnte ein vollständiger Probenaufschluss erhalten werden und damit insbesondere die Resultate der Elemente mit Wiederfindungsraten unter 100 Prozent verbessert werden. Dies war jedoch nicht Ziel dieser Arbeit. Die Reinigung der Gefäße wird durch die Daten in Tabelle 1 verdeutlicht.

Es zeigt sich, dass einfaches Spülen der Gefäße mit bidestilliertem Wasser bereits einen hohen Reinigungseffekt bewirkt. Kontaminationen der im Probenmaterial hochkonzentrierten Elemente konnten zwar im Spurenbereich festgestellt werden, der tatsächliche Fehler durch eine solche Verschleppung würde jedoch kaum ins Gewicht fallen, da sie nur mit deutlich weniger als ein Prozent zum Resultat beitragen.

Fazit: Jeder Analytiker ist heute bemüht, die Betriebskosten für seine Prozesse zu reduzieren. Bei Verwendung massiver TFM-PTFE-Druckgefäße kann man, ohne signifikante Qualitätseinbußen in Kauf nehmen zu müssen, eine Lebensdauer von bis zu sieben Jahren erreichen. Damit können die Betriebskosten auf den Austausch kleinerer Ersatzteile, wie z.B. TFM-PTFE-Innendeckel und Berstscheiben, reduziert werden.

*Dr. G. Ilgen, Universität Bayreuth, BayCEER, Bayreuther Zentrum für Ökologie und Umweltforschung

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