DE1598031C - Verfahren und Vorrichtung zum Zuführen einer Probe zu einem Flammenspektrometer in Aerosolform - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Zuführen einer Probe in Aerosolform zu dem Brenner eines Flammenspektrometers durch Zerstäuben einer Probenlösung zu einem Sprühnebel und Erhitzen des Nebels bis zum Übergang des Lösungsmittels in Dampfform und der Probe in Aerosolform und Überleiten des. Aerosols zu dem Brenner sowie eine dazu geeignete Vorrichtung.

Es ist bereits bekannt, bei Flammenspektrometern die zu untersuchende Substanz in einem Lösungsmittel gelöst in einer Zerstäubungskammer zu zerstäuben und dabei die Zerstäubungskammer zu erhitzen, so daß das Lösungsmittel teilweise verdampft und die zu untersuchende Substanz in Aerosolform der Flamme des Brenners (Zeitschrift »Analytical Chemistry«, 1960, S. 226) zugeführt wird. Es ist auch bekannt, eine Probenlösung zu zerstäuben und von der Zerstäubungsvorrichtung über eine gegebenenfalls vorgeheizte Kondensationskammer zum Abscheiden der größeren Tropfen des Sprühnebels dem Brenner vor der Flammenbildung zuzuführen (Zeitschrift »Analytical Chemistry«, 1956, S. 1844 bis 1847).

Das sogenannte Heißkammerverfahren (vgl. R. Herrmann,»Flammenphotometrie«, 1956,S.75, und. 1960, S. 104, 105) sieht'vor, die Zerstäubungskammer vorzuheizen um eine Kondensation an den

ίο Kammerwänden nach Möglichkeit zu verhindern und das Lösungsmittel-Dampf-Probengemisch dem Brenner vor der Flammenbildung zuzuführen, wobei nur die größeren Tröpfchen des Gemisches sich während der Überleitung kondensieren. Durch Konden-

x5 sation bedingte Substanzverluste wurden an und für sich dabei als für die Empfindlichkeit der Messung nachteilig angesehen.

Demgegenüber geht die Erfindung von der Erkenntnis aus, daß durch intensive Kondensation des Lösungsmittels die festzustellende Probensubstanz in der Flamme mit erhöhter Konzentration auftritt, weil sie ohne begleitende Lösungsmittelpartikel der Flamme C~ \ zugeführt wird.
Von dieser Erkenntnis ausgehend kennzeichnet sich

»5 ein Verfahren zum Zuführen einer Probe in Aerosolform zu dem Brenner eines Flammenspektrometers durch Zerstäuben einer Probenlösung zu einem Sprühnebel und Erhitzen des Nebels bis zum Übergang des Lösungsmittels in Dampfform und der Probe in

Aerosolform und Überleiten des Aerosols zu dem Brenner dadurch, daß während des Überleitungsweges von der Zerstäubungskammer zu dem Brenner der größte Teil des Lösungsmitteldampfes aus dem Dampf-Aerosol-Gemisch durch Abkühlung auskondensiert wird.

Fine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens kennzeichnet sich dadurch, daß .. die eine Einsprüheinrichtung aufweisende Zerstäubungskammer mit Heizmitteln ausgestattet ist und im

Überführungsweg zum Brenner des Flammenspektrometers eine relativ zu der beheizten Zerstäubungskammer kühl gehaltene und derart ausgelegte Kondensationskammer vorgesehen ist, daß in der Konden- ,■ sationskammer der größte Teil des Lösungsmittel- * dampfes aus dem Dampf-Aerosol-Gemisch auskondensiert.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die Erfindung ist an Hand von Ausführungsbeispielen in der nachstehenden Beschreibung im Zusammenhang mit den Figuren erörtert. Von den Figuren zeigt

F i g. 1 einen Längsschnitt durch eine der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens dienende Anordnung,

F i g. 2 einen Längsschnitt durch eine der in F i g. 1

dargestellten Anordnung ähnliche Ausführungsform.

In F i g. 1 bezeichnet 10 die Zerstäubungskammer

und 12 eine Zerstäubervorrichtung; 14 ist eine Erhitzungsvorrichtung, 16 eine Kondensiervorrichtung und 18 der Brenner. Die zu untersuchende Substanz wird zunächst in einem geeigneten Lösungsmittel gelöst und zerstäubt und durch die Zerstäubungsvorrichtung 12 in die Kammer 10 eingesprüht, zweckmäßigerweise unter Anwendung eines oxydierenden Gases, welches in dem Brenner 18 verwendet wird. Der eingesprühte Nebel wird in der Kammer 10 erhitzt, so daß das Lösungsmittel vollständig verdampft und

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die zu untersuchende Substanz den Zustand eines daß ein Abkühlen der Wandung ein Wandern der Aerosols annimmt. Die Mischung, bestehend aus dem Temperatur zur Folge hat, insbesondere wenn man oxydierenden Gas, dem verdampften Lösungsmittel es mit hohen Zerstäubungsgeschwindigkeiten der zu und dem Aerosol, wandert von der Kammer 10 in den untersuchenden Substanz in der Kammer zu tun hat. Kondensationsraum 16, wo der größte Teil des ver- 5 Bei der Vorrichtung in F i g. 1 erfolgt die Verdampfung dampften Lösungsmittels an den Wandungen konden- des Lösungsmittels, welches in die Kammer 10 eingesiert wird und der Rest des Lösungsmittels, etwa 10 °/₀. sprüht wird, durch Infraroterhitzung. Infraroterhitzung wiederum die Form eines Nebels annimmt, der mikro-; hat den Vorteil, daß die feinen Tropfen der zu unter-^: skopisch fein und sehr gleichmäßig ist. Die Bildung suchenden Substanz verdampfen, bevor sie eine Gedieses Nebels erfolgt im wesentlichen um die Teilchen io legenheit haben, auf die Kammerwandungen aufzuder zu untersuchenden Substanz in dem Aerosol. Ein treffen und daher für die Analyse verloren zu gehen, geringer Prozentsatz der aus der zu untersuchenden Die Infraroterhitzungskammer besteht in F i g. 1 aus Substanz bestehenden Teilchen trifft auf die Wandun- einer zylindrischen Wandung 30, die aus einem Ingen des Kondensationsraumes und ist dann für die frarotstrahlung gut durchlassenden Glas besteht. Es Analyse verloren. Ein sehr viel größerer Prozentsatz 15 kann geschmolzener Quarz oder Pyrex-Glas verwendet des aus dem Lösungsmittel bestehenden Dampfes werden. Die zylindrische Glaswand 30 befindet sich in wird durch Kondensation aus der in den Konden- einer mittleren Öffnung 32 eines Stutzens 33 einer sationsraum eintretenden Mischung entfernt. Wenn Platte 34 des Kondensationsraumes 16 angeordnet, daher die Gase dem Brenner zugeführt werden und und das andere Ende des Glasrohres ist auf einem in der Flamme auftreten, ist das Verhältnis zwischen 20 ringförmigen Absatz 36 der Scheibe 22 abgestützt. Lösungsmittel und zu untersuchender Substanz sehr Zwei Ringscheiben 38 und 40 umgeben das Glasrohr 30, viel kleiner, als man bei üblichen Brenneranordnungen und ein zylindrischer Reflektor 42 ist in geeigneter erreichen kann, was sich darin äußert, daß die Emp- Weise an den beiden Ringscheiben 38 und 40 befestigt, findlichkeit beträchtlich verbessert ist. Eine Heizwicklung 44 ist in dem ringförmigen Mantel-

Die Kammer 10 ist im wesentlichen zylindrisch und 25 raum zwischen dem Reflektor 42 und dem Glasrohr-30

koaxial zu dem zylindrischen Kondensationsraum 16 vorgesehen und hat zwei Zuführungen 46, von denen

angeordnet. nur die eine gezeigt ist, die sich aus der Kammer 10

Sowohl die Kammer 10 als auch der Kondensa- nach außen erstrecken und an eine geeignete Stromtionsraum 16 sind unter einem Winkel in bezug auf die quelle angeschlossen sind. Der Heizdraht 44 besteht Horizontalrichtung angeordnet, und zwar aus noch zu 30 zweckmäßigerweise aus Chromnickeldraht, der in erörterten Gründen. Am oberen Ende der Kammer 10 Form einer engen langen Wendel gewickelt ist und befindet sich in der Mitte eine Öffnung 20, in der eine im Zickzack über Haken 47 geführt ist, die an den die Öffnung verschließende Kreisscheibe 22 ange- Platten 38 und 40 befestigt sind. Die Anwendung ordnet ist. Die Scheibe 22 hat eine Öffnung 24 in der eines Infraroterhitzungssystems ist wesentlich, weil die Mitte, in der die Spitze einer Sprühvorrichtung 12 35 Wärmeübertragung nicht nur längs der erhitzten angeordnet ist, die mittels eines Bügels 13 an der Wandfläche erfolgt, sondern in dem gesamten Innen-Kammerwandung befestigt ist. Eine Leitung 27 ver- raum der Kammer. Da ferner die Temperatur des bindet die Sprühvorrichtung mit einer einen hohen Heizelementes 14 wesentlich höher ist als die Tem-Druck aufweisenden Quelle eines oxydierenden Gases, peratur, die man bei einer Kammer unter Ausnützung welches dem Brenner zugeführt werden soll und ent- 40 thermischer Leitung durch die Wände erhalten würde, weder aus Sauerstoff oder Luft besteht; eine Zu- ist die Verteilung der spektralen Energie der Strahlung leitung 26 führt die in einem geeigneten Lösungsmittel in der erfindungsgemäßen Kammer für den Vergelöste zu untersuchende Substanz der Zerstäubungs- dampfungsvorgang des Lösungsmittels in dem Nebel vorrichtung zu. Es ist wichtig, daß die Zerstäubungs- zweckmäßiger als bei Anwendung einer im Wege der vorrichtung stabil arbeitet, da die Stabilität der ge- 45 Wärmekonvexion heizenden Kammer,
samten Brenneranordnung wesentlich von der Zer- Bei den bisher üblichen Zerstäubungskammern und stäubungsvorrichtung abhängt. Eine zeitliche Ände- Brenneranordnungen ergab sich die Schwierigkeit, rung der Zerstäubungsgeschwindigkeit äußert sich in daß die Flamme des Brenners nur eine bestimmte Änderung des Ausgangssignales des Spektrometers. Menge Wasserdampf oder Dampf des Lösungsmittels Die Zerstäubungsvorrichtung muß daher sehr präzise 5° vertragen kann. Eine große Menge Dampf in der ausgebildet sein. Es hat sich gezeigt, daß eine Mehrzahl heißen Verbrennungskammer des Brenners erhöht öffnungen 28 in der Platte 22, die die Spitze der die Strömungsgeschwindigkeit an der Brennerspitze Zerstäubungsvorrichtung 12 umgibt, zweckmäßig ist, beträchtlich, während gleichzeitig eine Verdünnung da auf diese Weise Luft in die Kammer 10 zusätzlich der Verbrennungsgase und eine Verringerung der eingesaugt wird. Die durch die Öffnungen 28 eintre- 55 Verbrennungsgeschwindigkeit auftritt. Daher hebt tende Luft gleicht Druckschwankungen aus, die ge- sich die Flamme von der Spitze des Brenners ab und gebenenfalls an dem Brenner, insbesondere bei dem erlischt. Um den Wasserdampf aus der Gasströmung Anschließen der Zuleitung der die zu untersuchende zu entfernen und die zu untersuchende Substanz in Substanz enthaltenden Lösung an die Kammer, sich Aerosolform in den Verbrennungsgasen zu erhalten, ergeben können. Verwendet man diese öffnungen 60 schließt sich an die Kammer 10 der Kondensationsnicht, so kann zu Beginn des Sprühvorganges die raum 16 an. Der Kondensationsraum 16 kann an sich Flamme ausgeblasen werden. von beliebiger Form sein; in F i g. 1 ist er in der Weise

Wenn der die zu untersuchende Substanz enthaltende dargestellt, daß er aus einer zylindrischen, an die

Nebel sich in der Kammer befindet, muß die Kammer Zerstäubungskammer 10 angeschweißten Kammer 48

hinreichend erhitzt werden, so daß das Lösungsmittel 65 besteht; es könnte jedoch auch eine andere Verbindung

des Nebels vollständig verdampft wird. Es kann eine als durch Schweißung an der Stelle 50 erfolgen. In

auf Wärmeleitung beruhende Kammer verwendet Form eines Rohres umgibt eine Kühlschlange 52 die

werden. Eine solche Kammer hat aber den Nachteil, Kammer 48 des Kondensationsraumes und erstreckt

sich auch über die erhitzte Kammer 10, um den Einfluß unerwünschter Abstrahlung der Heizvorrichtung zu verhindern. Die Kühlschlange 52 ist an eine Wasser oder ein anderes Kühlmittel zuführende Leitung angeschlossen. Innerhalb des Zylinders 48 befindet sich ein zweiter Zylinder 54, der eine Mehrzahl ringförmiger Kühlrippen 60 aufweist, die zwischen Ringscheiben 56 angeordnet sind, so daß ein serpentinenf örmiger Weg für die den Kondensationsraum durchströmende Strömung ergibt. An den gegenüberliegenden Enden des Zylinders 54 sind Verschlußplatten 62 und 64 vorgesehen, und beide Platten haben Öffnungen 66 bzw. 68, durch die die Gasströmung hindurchtritt. Eine Endplatte 70 verschließt das offene Ende 72 des Kondensationsraumes 16 und ist unmittelbar mit dem Ende eines inneren Zylinders 58 verbunden. Die Endplatte hat eine Öffnung 73, durch die eine Leitung 76 geführt ist, und ferner eine Öffnung 78, durch welche eine Kühlflüssigkeit in den mittleren Zylinder 58 hineingeleitet werden kann. Auf diese Weise ergibt sich für die aus der Sprühkammer 10 in den Kondensationsraum übertretenden Gase ein langer Weg entlang den kühlenden Oberflächen des Kondensationsraumes, für die Zwecke der Entfernung des Lösungsmittels aus dem Gas.

Infolge des Unterschiedes der Diffusionsgeschwindigkeit der Wassermoleküle in gasförmiger Phase und der Aerosolteilchen, die als ungeheuer große Moleküle betrachtet werden können, nimmt die Konzentration des Wasserdampfes schneller ab als die Konzentration der die zu untersuchende Substanz bildenden Partikeln, während sich die Luft-Aerosol-Mischung entlang den gekühlten Wänden, des Kondensationsraumes bewegt. Es ist zu beachten, daß der Abstand zwischen den Kühlflächen 56 und 60 so groß sein sollte, daß eine wesentliche Behinderung des Strömungsweges durch die sich aus den kondensierten Lösungsmitteln bildenden Tropfen vermieden wird.

Ein kleiner Abfluß 80 ist am unteren Ende des Kondensationsraumes 16 vorgesehen, so daß das kondensierte Lösungsmittel die schräge Wand des Kondensationsraumes hinabfließen kann und durch die Öffnung 80 abfließen kann. Die dort auftretende Flüssigkeit kann fortgeschüttet werden. ..

Nachdem sich der größere Teil des Lösungsmittels in der Kondensationskammer 16 kondensiert hat, tritt das die zu untersuchende Substanz enthaltende Aerosol und ein sehr kleiner Teil des noch verbleibenden Lösungsmittels durch die Öffnungen 66 der Endplatte 62 und durch eine Ausgangsleitung 74 hindurch. Die Ausgangsleitung 74 hat eine Öffnung 75, an der brennbares Gas zum Betrieb des Brenners 18 zugeführt wird. Die Ausgangsleitung 74 ist mittels einer Muffe 81 mit der Eingangsleitung 82 des Brenners verbunden. Die Leitungen 74 und 82 haben eine derartige Länge, daß eine vollständige Durchmischung der aus dem Aerosol und dem oxydierenden Gas bestehenden Mischung und dem über eine Leitung 77 zugeführten den Brennstoff bildenden Gas erfolgt, bevor das Gemisch den Brenner 18 erreicht. Der Brenner hat einen Kamin 84 mit einem Fenster 86, durch welches das Licht eines Monochromators gerichtet wird.

Die nachstehende Tabelle zeigt die Konzentration verschiedener zu untersuchender Substanzen in Teilen pro 1 Million, bei denen sich 1 °/o Absorption ergibt, wenn ein Lichtbündel eines Monochromators die Flamme durchsetzt.

Zu untersuchende Substanz	Konzentration (ppm) bei 1 °/o Absorption A I . B	0,08 0,1 0,01 0,05
5 Ca Fe Mg Mn	0,01 0,02 0,002 0,006

Die angegebenen Konzentrationen der Spalte A wurden erhalten bei Benutzung einer Nebelkammer und eines Kondensationsraumes gemäß F i g. 1. In Spalte B sind die Konzentrationen der zu untersuchenden Substanz angegeben, welche in dem Aufsatz »Performance of a Simple Atomic Absorption Spectrophotometer« von B. M. Gatehouse and J. B. Willis in der Zeitschrift »Spectrochemia Acta«, 1961, Bd. 17, S. 710 bis 718, unter Anwendung eines üblichen mit laminarer Strömung arbeitenden Brenners sich ergeben. Wenn man die Konzentrationen der Spalten A und B vergleicht, so sieht man leicht, daß die erfindungsgemäße Brenneranordnung für dieselbe Lichtabsorption eine geringere Menge der zu untersuchenden Substanz erforderte. Mit anderen Worten ist die erfindungsgemäße Brenneranordnung empfindlicher als die bisher gebräuchlichen.

In F i g. 2 ist eine etwas abgewandelte Ausführungsform einer Brenneranordnung gemäß der Erfindung dargestellt. Die Nebelkammer 10 und die Sprühvorrichtung 12 sind dieselben wie in Fig. 1, indessen unterscheidet sich der Kondensationsraum 16 in gewissen Einzelheiten. Das wesentliche Merkmal dieser Ausführungsform der Erfindung liegt darin, daß ein Brenner 124 verwendet werden kann, der eine niedrige Profilform hat, so daß die Anwendung eines üblichen Monochromators möglich ist und der Brenner nicht erhöht aufgestellt ist, so daß das Licht des Strahles mit dem Fenster in der Haube 84 zusammenfällt. Das niedrige Profil der Brenneranordnung ist dadurch erreicht, daß die Zuleitung 82 zu dem Brenner entfällt und durch eine Zuleitung 126 ersetzt ist, die sich zentral in den Kondensationsraum 16 hineinerstreckt, in welchem die Mischung des Oxydationsgases mit dem Verbrennungsgas und der zu untersuchenden Substanz stattfindet, bevor die Einführung in den Brenner selbst erfolgt.

Der Kondensationsraum in F i g. 2 besteht aus einem äußeren Zylinder 127, der zwei durchlöcherte Endplatten 128 und 130 aufweist. Diese Platten sind mit einem inneren Zylinder 132 verbunden, der ein Rohr 126 umgibt. Eine Kühlleitung 134 umgibt den Zylinder 127, und eine weitere Kühlschlange 136 umgibt den Zylinder 132. Auf diese Weise strömen der Dampf und das Aerosol aus der Kammer 10 durch die die Öffnungen aufweisende Platte 128 entlang den gekühlten Wandflächen des äußeren Zylinders 127 und des inneren Zylinders 132 und dann durch die Öffnungen der Platte 130 am anderen Ende und zurück zu der ersten Endplatte 128 am inneren Ende 138 der Leitung 126. Ein zweites Rohr 138 endigt mit seinem einen offenen Ende im inneren Ende des Rohres 126, und das andere Ende erstreckt sich aus dem Kondensationsraum nach außen und ist an die das Brenngas zuführende Leitung angeschlossen. Nachdem daher die Hauptmenge des Lösungsmittels des Nebels in den Kondensationsraum

16 kondensiert ist, mischt sich das Aerosol mit dem Verbrennungsgas in der Leitung 126, und es ergibt sich eine vollständige Mischung infolge der turbulenten Strömung in der genannten Leitung, bis die Mischung •das Austrittsende 142 der Leitung 126 erreicht hat.

Man erkennt daher, daß eine räumlich gedrängte Brenneranordnung von niedrigem Profil hierdurch erreicht wird, welche nicht erforderlich macht, daß eine spezielle Aufstellungsweise in bezug auf den S Monochromator erfolgt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

209 536/4(58

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Zuführen einer Probe in Aerosolform zu dem Brenner eines Flammenspektrometers durch Zerstäuben einer Probenlösung zu einem Sprühnebel und Erhitzen des Nebels bis zum Übergang des Lösungsmittels in Dampfform und der Probe in Aerosolform und Überleiten des Aerosols zu dem Brenner, d adurch gekennzeichnet, daß während des Überleitungsweges von der Zerstäubungskammer zu dem Brenner der größte Teil des Lösungsmitteldampfes aus dem Dampf-Aerosol-Gemisch durch Abkühlung auskondensiert wird.

2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die eine Einsprüheinrichtung (12) aufweisende Zerstäubungskammer (10) mit Heizmitteln (44) ausgestattet ist und im Überführungsweg zum Brenner des Flammenspektrometers (85) eine relativ zu der beheizten Zerstäubungskammer (10) kühl gehaltene und derart ausgelegte Kondensationskainmer (16) vorgesehen ist, daß in der Kondensationskammer (16) der größte Teil des Lösungsmitteldampfes aus dem Dampf-Aerosol-Gemisch auskohdensiert.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kondensationskammer (16) mit Kühlmitteln (52) versehen ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zerstäubungskammer (10) mit Infrarotstrahlungsmitteln (44) versehen ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Zerstäubungskammer (10) eine reflektierende Innenwand (42) aufweist und im Abstand von der reflektierenden Innenwand (42) eine für Infrarotstrahlung durchlässige Trennwand (30) vorgesehen ist und daß ein elektrischer Heizdraht (44) zwischen der reflektierenden Innenwand (42) und der Trennwand (30) angeordnet ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß eine Mehrzahl Lufteintrittsöffnungen (28) in der Wandung (22) der Zerstäubungskammer (10) in der Nähe der Einsprühöffnung (24) vorgesehen sind.