-
Spektralflammenbrenner für flammenfotometrische Zwecke Die Erfindung
betrifft einen Spektralflammenbrenner für flammenfotometrische Zwecke, bei dem über
getrennte Zuführungsleitungen eine brennbare Gasmischung und eine Flüssigkeitsprobe
in ständigem Strom in den Bereich einer Spektralflamme einführbar sind.
-
Aus den Veröffentlichungen von V a ii e e und B a k e r in Anal.
Chemistry, 27 (1955), S. 320, und in Journal Optical Soc. America, 45 (1955), S.
773, sowie von Vallee und B arth olom ay in Anal Chemistry, 28 (1956), S. 1753 bis
1755, ist bekannt, daß zur Analyse von Spurenmetallen auf flammenfotometrischem
Wege Cyan-Sauerstoff-Gemische besonders vorteilhaft sind. Mit derartigen Gemischen
für die Spektralflamme können Metalle, wie Aluminium, Barium, Calcium, Cobalt, Kupfer,
Eisen, Blei, Magnesium, Mangan, Nickel oder Strontium, auch wenn sie nur in Konzentrationen
von 0,36 - 10- bis 36 .10-6 Anteilen vorliegen, etwa mit der gleichen Genauigkeit
wie bisher die Alkalimetalle mit Hilfe der anderen bekannten Gasgemische quantitativ
bestimmt werden. Die erhöhte Empfindlichkeit ist auf die hohen Temperaturen, die
mit Cyan-Sauerstoff-Gemischen erreichbar sind, und die dadurch bedingten hohen Anregungsenergien
zurückzuführen.
-
Die bisher bekannten Spektralflammenbrenner arbeiten jedoch bei Verwendung
von Cyan-Sauerstoff-Gemischen nicht mit der notwendigen Betriebssicherheit, da häufig
Explosionsgefahr besteht oder die Flamme erlischt, ohne daß gleichzeitig der giftige
Cyan-Sauerstoff-Strom durch den Brenner unterbunden wird. Außerdem werden vergleichbar
große Mengen der Flüssigkeitsprobe benötigt, da die Flamme nicht immer so eingestellt
werden kann, daß sie mit der erforderlichen Größe und Form brennt.
-
Bei einem bekannten Spektralflammenbrenner wird beispielsweise das
brennbare Gasgemisch, z. B. Acetylen und Wasserstoff, gleichzeitig mit einem Sauerstoffstrom
dem Brenner zugeführt, damit durch den Sauerstoff die Verbrennung unterstützt und
die Flüssigkeitsprobe in zerstäubter Form in die Flamme gesaugt wird. Ersetzt man
bei diesem Brenner das Acetylen-Wasserstoff-Gemisch durch Cyan in beliebigen Anteilen,
dann besteht die Gefahr von Explosionen.
-
Wenn man andererseits die Strömungsgeschwindigkeit des Sauerstoffstroms
zu stark erhöht, was zum Erhöhen der angesaugten Probenmenge erwünscht sein könnte,
dann kann die Flamme ausgelöscht werden.
-
Das gleiche ergibt sich, wenn, wie es bei anderen bekannten Brennern
üblich ist, ein Sauerstoff-Brenngas Gemisch zum Ansaugen der Flüssigkeitsproben
verwendet wird. Bei zu hohen Strömungsgeschwindigkeiten
sind die Flammenfortpflanzungsgeschwindigkeiten
bei allen bekannten Brennerarten relativ zu klein.
-
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Spektralflammenbrenner
für flammenfotometrische Zwecke zu schaffen, der die erwähnten Nachteile nicht besitzt
und bei dem insbesondere die Brennerflamme derart stabilisiert ist, daß der Brenner
betriebssicher ist und eine optimale Ausnutzung der Proben möglich ist.
-
Ein Spektralflammenbrenner für flanamenfotometrische Zwecke, bei
dem über getrennte Zuführungsleitungen eine brennbare Gasmischung und eine Flüssigkeitsprobe
in ständigem Strom in den Bereich einer Spektralflamme einführbar sind, besitzt
daher erfindungsgemäß gesonderte Zuführungsvorrichtungen für ein brennbares Gasgemisch,
aus denen eine rund um die Spektralflamme ausbildbare Hilfsflamme gespeist wird.
-
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung wird über einen im Innern
des Brennerkörpers angeordneten Kanal Luft in den Bereich zwischen der Spektralflammeund
derHilfsflamme eingeführt. DieExplosionsgefahr wird zweckmäßig durch Verwendung
eines brennbaren Gasgemisches vermieden, das aus äquimolaren Anteilen von Cyan und
Sauerstoff besteht.
-
Der Vorteil der Hilfsflamme besteht darin, daß ohne Hilfsflamme die
Spektralflamme bei optimaler Probenzufuhr erlöschen würde, da die Flammenfortpflanzungsgeschwindigkeit
des Cyan-Sauerstoff-Gemisches klein im Vergleich zu derjenigen Strömungsgeschwindigkeit
dieses
Gemisches ist, die zum optimalen Ansaugen der Flüssigkeitsprobe eingestellt werden
muß. Der erfindungsgemäße Spektralflammenbrenner kann nicht von selbst erlöschen,
da die Hilfsflamme, die nicht ein Teil der Spektralflamme ist, mit einer ausreichend
kleinen Strömungsgeschwindigkeit betrieben wird.
-
Die Erfindung wird im folgenden in Verbindung mit der Zeichnung an
einem Ausführungsbeispiel beschrieben.
-
Gemäß der Zeichnung wird der Spektralflamme und der Hilfsflamme ein
fertiges Cyan-Sauerstoff-Gemisch zugeführt. Das durch eine Kapillare G strömende
Gemisch wird in die Spektralflamme geleitet, deren unterer Teil sich an einer Stelle
F befindet. Die aus Platin oder Palladium angefertigte Kapillare ist 5 cm lang.
Ihr äußerer Durchmesser beträgt 0,5 mm und ihr innerer Durchmesser 0,3 mm. Sie ist
in einer Schraubfassung R verlötet und kann durch Drehung derselben in vertikaler
Richtung verstellt werden.
-
Zur Einstellung in horizontaler Richtung dienen Schrauben T.
-
Der für die Hilfsflamme vorgesehene Brennerteil besteht aus 24 Öffnungen
B in einem hohlen Ring A mit einem äußeren Durchmesser von 1,5 cm, der einen in
der Mitte gelegenen zylindrischen Raum J von 0,5 cm Durchmesser umgibt. Der Ring
ist am Brennerkörper M durch ein Silberlot befestigt. Durch eine Rohrschlange E
aus Kupfer mit einem Einlaßende E1 und einem Auslaßende E2 strömt Kühlwasser. Die
Flüssigkeitsprobe wird durch eine Kapillare IT, die durch ein Loch im Ring A hindurchgeht,
in die Spektralflamme gesaugt. Durch die 24 Öffnungen B wird ein Ring aus kleinen
Einzelflammen um die Spektralflamme gebildet.
-
Ein Rohr S aus rostfreiem Stahl, z. B. eine Injektionsnadel, ist
in einer Durchführung im Ring A verlötet und nimmt die Kapillare H aus Siliziumdioxyd
auf, deren Außendurchmesser zwischen 0,2 und 0,3 mm liegt. Drei horizontal angeordnete
Kanäle K von 1 mm Durchmesser, durch die Luft unter Atmosphärendruck dem Raum J
zugeführt wird, sind unter einem gegenseitigen Winkel von 1200 im Mittelabschnitt
des Brennerkörpers M vorgesehen. Durch die Luft wird der Unterdruck beseitigt, der
sich infolge der Strömungen im oberen Teil dieses Raums bilden könnte.
-
Außerdem kann die zugeführte Luft dazu beitragen, der Hilfsflamme
rund um die Spektralflamme die geeignete Form zu geben.
-
Die Gaszufuhr zur Spektralflamme und zur Hilfsflamme ist in der Zeichnung
nur schematisch gezeigt.
-
Aus Vorratsbehältern L1 und L2, die mit je einem Membranventil V,
bzw. V2 versehen sind, um den Gasdruck auf 1,4 kg/cm2 einzustellen, werden Sauerstoff
und Cyan zugeführt. Vom Membranventil V, aus wird Sauerstoff durch zwei Kupferröhren
mit 6,4 mm Durchmesser zu je einem Nadelventil S1 bzw. S2 geleitet, mit denen der
Sauerstoffstrom zur Hilfsflamme und zur Hauptflamme eingestellt wird. Die Strömungsgeschwindigkeiten
werden mit Strömungsmessern F1 bzw. F2 gemessen. In ähnlicher Weise wird das Cyan
vom Membranventil V2 aus durch zwei Kupferröhren mit 6,4 mm Durchmesser und Nadelventilen
S, und S4 zu Strömungsmessern F2 und F4 geleitet. Die von den Strömungsmessern F1
und F3 kommenden Gase Cyan und Sauerstoff werden dann zusammengeführt und zur Hilfsflamme
geleitet, während die von den Strömungsmessern F2 und F4 kommenden Gase zusammengeführt
und zur Hauptflamme geleitet
werden. In beiden Fällen werden die Gase zuvor in einer
Kupferröhre W bzw. X gemischt, die 4 cm lang und mit Hartglaskugeln gefüllt ist,
und dann durch eine feine Kapillare Y bzw. Z getrieben. Der Gasstrom für die Hauptflamme
wird direkt zum Unterteil der Kapillare G geführt. Die Zuführungsleitung zur Hilfsflamme
ist geteilt, so daß das Gasgemisch durch gegenüberliegende Röhren C und D in den
Ring A geführt wird.
-
Der Spektralflammenbrenner wird wie folgt betrieben: Das Nadelventil
S3 wird geöffnet, bis der Strömungsmesser F3 einen Cyandurchsatz von 350 cm3/Min.
anzeigt. Anschließend wird die Hilfsflamme mit einem Streichholz gezündet. Dann
wird das Nadelventil S, geöffnet, bis der Strömungsmesser F, einen Sauerstoffdurchsatz
von 350 cm3/Min. anzeigt. Wenn die Hilfsflamme richtig eingestellt ist, wird das
Nadelventil S4 geöffnet, so daß Cyangas in den Bereich der Spektralflamme tritt.
Die Strömungsgeschwindigkeit wird auf 480 cm3/Min. eingestellt. Schließlich wird
das Nadelventil S2 eingestellt, bis die Strömungsgeschwindigkeit zur Spektralflamme
ebenfalls 480 cm3/Min. beträgt.
-
Beim Eintauchen des unteren Endes der Kapillare H in eine Flüssigkeitsprobe,
die in einem sehr Meinen Probenbecher N enthalten ist, wird die Flüssigkeitsprobe,
in sehr feine Tröpfchen zerstäubt, in die Spektralflamme gesaugt. Wenn das Volumen
des Probenbechers N geeicht ist, dann kann die Strömungsgeschwindigkeit der Flüssigkeitsprobe
durch Beobachtung ihrer Volumenabnahme während eines ge messenen Zeitabschnittes
festgestellt werden. Ein feiner, biegsamer Schlauch P aus Polyäthylen ist über das
untere Ende der Kapillare H aus Siliziumdioxyd gezogen. Er ist 2,2 cm lang und mit
dem anderen Ende auf das obere Ende einer Glaskapillare Q gezogen, deren Innendurchmesser
so klein ist, daß der Flüssigkeitsprobenstrom durch die Kapillare H begrenzt und
dadurch festgelegt ist. Andererseits kann die Flüssigkeitsprobe mit Druck durch
die Kapillare H getrieben werden. Zu diesem Zweck wird auf die Kapillare H ein Polyäthylenschlauch
gezogen, dessen unteres Ende nach unten erweitert ist, so daß er über das Ende einer
Pipette paßt, die die Flüssigkeitsprobe enthält. Eine beliebige Strömungsgeschwindigkeit
kann dadurch erreicht werden, daß der Gasdruck am anderen Ende dieser Pipette verändert
wird. Die Strömungsgeschwindigkeit der Flüssigkeitsprobe kann dadurch festgestellt
werden, daß man die Zeit feststellt, die der Meniskus der Flüssigkeitsprobe zum
Durchlaufen einer Strecke zwischen zwei Eichmarken in der Pipette benötigt.
-
Bei einer vorgegebenen Geschwindigkeit der Flüssigkeitsprobe wird
durch richtige Einstellung der gegenseitigen Lage der Kapillaren G und H ein glattes
Ansaugen und eine kleine gleichförmige Tropfengröße erreicht. Diese Einstellung
wird mit den drei horizontalen Schrauben T vorgenommen, wenn die Spektralflamme
brennt.
-
Die Intensität der Spektrallinien weist bei Strömungsgeschwindigkeiten
der Flüssigkeitsprobe von etwa 0,06 cm3/Min. ein scharfes Maximum auf. Aus diesem
Grunde muß der Flüssigkeitsprobenstrom genau und reproduzierbar eingestellt werden
können. Durch die sehr schnelle Strömung des aus dem Auslaßende der Kapillare G
strömenden Gasgemisches wird die Flüssigkeitsprobe von der Kapillare H in die Spektralflamme
gesaugt. Durch Änderung des Strömungswiderstandes
der Kapillare
H kann die Ansauggeschwindigkeit der Flüssigkeitsprobe reproduzierbar verändert
werden. Wenn die Flüssigkeitsprobe direkt aus dem Probenbecher N gesaugt wird, kann
die gewünschte Strömungsgeschwindigkeit durch Veränderung der Abmessungen der Kapillare
H erhalten werden. Ein weiter Bereich der Strömungsgeschwindigkeiten läßt sich z.
B. durch Verwendung von Kapillaren mit unterschiedlichen Innendurchmessern und unterschiedlicher
Länge erreichen.
-
Andererseits können mehrere Kapillaren Q mit verschiedenen Längen
und Durchmessern angefertigt, geeicht und in die Öffnung des feinen Polyäthylenschlauches
P eingesetzt werden, der auf die KapillareH aufgezogen ist. Diese Kapillaren Q können
zur Veränderung der Strömungsgeschwindigkeit benutzt werden, ohne daß die Kapillare
H ausgewechselt werden muß. Einige Werte für die Strömungsgeschwindigkeiten durch
Kapillaren mit unterschiedlichen Durchmessern und Längen sind in der folgenden Tabelle
angegeben: Abmessungen der Kapillaren zum Einstellen verschiedener Strömungsgeschwindigkeiten
der Flüssigkeitsprobe
| Innerer Durchmesser Länge Strömungsgeschwin- |
| (mm) (cm) digkeit (cm3/Min.) |
| 0,2 1 0,15 |
| 0,2 2 0,10 |
| 0,2 3 0,05 |
| 0,1 1 0,0013 |
| 0,1 2 0,01 |
| 0,1 3 0,005 |
Wenn man eine Pipette direkt an den Polyäthylenschlauch P anschließt und an ihrem
anderen Ende den Druck einstellt, dann läßt sich ein noch weiterer Bereich für die
Strömungsgeschwindigkeiten der Flüssigkeitsprobe erreichen, wenn dies für spezielle
Zwecke erwünscht ist.
-
Die Geschwindigkeit der Flammenfortpflanzung in äquimolaren Cyan-Sauerstoff-Gemischen
ist so klein, daß man eine einfache Flamme bei hohen Strömungsgeschwindigkeiten
des aus einer kleinen Öffnung strömenden Gasgemisches nicht aufrechterhalten kann.
-
Eine hohe Strömungsgeschwindigkeit ist jedoch erwünscht, da die zuvor
gemischten, als Brennstoff dienenden Gase die Flüssigkeitsprobe als feinste Tröpfchen
in die Flamme saugen sollen. Der Bereich der linearen Austrittsgeschwindigkeiten,
innerhalb dessen eine stabile Flamme erhältlich ist, ist sehr eng.
-
Bei der oberen Grenzgeschwindigkeit, die weit unter derjenigen Geschwindigkeit
liegt, die zum Ansaugen der Flüssigkeitsprobe erforderlich ist, löscht sich die
einfache Cyan-Sauerstoff-Flamme von selbst aus.
-
Bei der unteren Grenzgeschwindigkeit schlägt die Flamme in der Kapillare
G in Richtung auf die Vermischungsstelle zurück. Diese Schwierigkeiten werden dadurch
beseitigt, daß man die Stabilität der Spektralflamme durch Verwendung einer Hilfsflamme
auch bei Geschwindigkeiten des Gasstroms aufrechterhält, die weit über den ohne
Hilfsflamme möglichen Geschwindigkeiten liegen, so daß ein wirksames Absaugen der
Flüssigkeitsproben möglich ist. Die geringe Geschwindigkeit der Flammenfortpflanzung
erweist
sich nun als Vorteil beim Zuführen der Gase von den Vorratsbehältern zum
Brenner, und die Verbrennung eines fertigen äquimolaren Cyan-Sauerstoff-Gemisches
ist mit größter Betriebssicherheit möglich. Die feinen Kapillaren Y und Z in den
Zuführungen sind so eng, daß das Gasgemisch mit einer im Vergleich zur Flammenfortpflanzungsgeschwindigkeit
größeren Geschwindigkeit durchgeleitet wird. Auf diese Weise kann die Spektralflamme
nicht über diese Kapillaren zurückschlagen. Wegen der äußerst hohen Flammentemperatur
wird der Brenner vorzugsweise während des Betriebs mit Leitungswasser gekühlt, das
durch die Rohrschlange E strömt.
-
Die Kapillaren H und G liegen nicht konzentrisch zueinander. Im Gegensatz
zu den Anordnungen bei den üblichen Spektralflammenbrennern ist die Kapillare H
für die Flüssigkeitsprobe bei dem beschriebenen Brenner quer zur Kapillare G für
das Gasgemisch angeordnet. Bei dieser Anordnung kann man den Gasstrom mit relativ
kleiner Strömungsgeschwindigkeit aus dem Auslaßende der Kapillare G austreten lassen,
so daß die Flüssigkeitsprobe mit einer relativ kleinen Strömungsgeschwindigkeit
von der Kapillare H abgesaugt, wirksam zerstäubt und in Form feiner Tröpfchen in
die Spektralflamme geführt wird. Hierdurch wird die Flüssigkeitsprobe optimal ausgenutzt,
was insbesondere dann wichtig ist, wenn nur kleine Mengen der Flüssigkeitsprobe
zur Verfügung stehen und eine Kühlung der Spektralflamme vermieden werden soll.
Auch bei der Verwendung von Gasgemischen, die nicht aus Cyan und Sauerstoff bestehen,
weisen die beschriebenen Spektralflammenbrenner diese Vorteile auf.