DE19707114C1

DE19707114C1 - Verfahren zur Trennung ausgewählter Stoffe in einem Gaschromatographen und Gaschromatograph zur Durchführung des Verfahrens

Info

Publication number: DE19707114C1
Application number: DE19707114A
Authority: DE
Inventors: Andreas Dr Ing Walte; Wolf Muenchmeyer; Gerhard Prof Dr Ing Matz; Alexander Harder; Oliver Raether
Original assignee: WMA AIRSENSE ANALYSENTECHNIK G
Current assignee: WMA AIRSENSE ANALYSENTECHNIK G
Priority date: 1997-02-22
Filing date: 1997-02-22
Publication date: 1998-09-10
Anticipated expiration: 2017-02-23
Also published as: US5979221A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbe griff des Anspruchs 1 und einen Gaschromatographen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 3.

Gaschromatographen werden in Meßverfahren insbesondere für den Umweltbereich verwendet, um Gasgemische stoff lich zu trennen und zu bestimmen.

Dazu wird eine entsprechende gasförmige Probe mit Hilfe eines Trägergases in eine gaschromatographische Trenn säule eines Gaschromatographen eingespeist und dort gleichmäßig von der Umgebungstemperatur bis auf eine Temperatur von ca. 300°C erwärmt.

Abhängig von ihrem Siedepunkt verdampfen die Substanzen, werden vom Trägergas transportiert und treten in Wech selwirkung mit der gaschromatographischen Phase, welche innenseitig auf der Säule beschichtet ist. Die einzelnen Verbindungen unterliegen somit unterschiedlichen Lauf zeiten in der Säule.

Komplexe organischer Verbindungen können somit getrennt werden.

Die verwendeten Gaschromatographen bestehen in der Hauptsache aus einem temperaturisolierten Ofen mit einer Ofentür und eine im Ofen kreisförmig aufgewickelte kapillare Trennsäule. Diese Trennsäule hat einerseits Verbindung mit einem, die Gasprobe aufnehmenden, Injek tor und ist andererseits mit einem Detektor, wie z. B. einem Massenspektrometer verbunden. Der Detektor bzw. das Massenspektrometer ist mit einem rechentechnischen Auswerte- und Anzeigesystem ausgerüstet. Der Ofen besitzt weiterhin eine Heizungseinrichtung und einen, mit der Heizungseinrichtung gekoppelten Lüfter. Ein solcher Gaschromatograph wurde beispielsweise aus der US 4,286,456 bekannt.

Die Arbeitsweise der Gaschromatographen und damit die Meßergebnisse des Verfahrens sind von hoher Genauigkeit und Aussagekraft.

Es ist aber von Nachteil, daß großvolumige Ausführungen des Ofens eingesetzt werden, obwohl nicht immer die be sonders langen Trennsäulen von bis zu 60 m notwendig sind. Dieser großvolumige und massive Ofen wird stets miterwärmt, sodaß einerseits unnötige Energie eingesetzt werden muß und andererseits lange Abkühlzeiten erforder lich sind.

Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß, obwohl sehr oft nur einzelne Verbindungen von Interesse sind, das gesamte Gasgemisch chromatographisch getrennt werden muß, um die Säule für die nächste Analyse bereit zu stellen. Es muß also immer bis auf die maximale tempera tur erhitzt werden, so daß die letzte Verbindung die Säule verläßt.

Das erfordert bei den großen Gaschromatographen lange Analysendauern von ca. 30 min und anschließend lange Ab kühlzeiten von ca. 15 min.

Die sehr langen Erwärm- und Abkühlzeiten führen zu gro ßen Meßzyklen, die immer dann unvertretbar sind, wenn nicht alle Verbindungen, sondern nur ganz bestimmte we nige oder einzelne Stoffe im Gasgemisch nachgewiesen werden müssen.

Weiterhin steht die massive Bauweise einem mobilen Ein satz des Gaschromatographen hinderlich entgegen.

Es besteht daher die Aufgabe, ein Verfahren und einen Gaschromatographen mit einer sprunghaften Erwärmphase und einer kurzfristigen Abkühlphase zu entwickeln.

Diese Aufgabe wird verfahrenstechnisch dadurch gelöst, daß die Erwärmung auf die vorgegebene und auf den zu trennenden Stoff abgestimmte Temperatur sprunghaft unter Verwendung von IR-Strahlung erfolgt. Dabei ist es auch zweckmäßig, mehrere Stoffe zu trennen und dabei die vorgegebenen Temperaturen auf den jeweili gen Stoff abzustimmen. Die optimalen Temperaturen können dabei mit Aufheizraten von ca. 1000°C/min angesprungen werden.

Gerätetechnisch wird die Aufgabe durch die kennzeichnen den Merkmale des Anspruchs 3 gelöst.

Zweckdienliche Ausgestaltungen des neuartigen Gaschroma tographen ergeben sich aus den Unteransprüchen 4 bis 9.

Die Erfindung beseitigt die angeführten Nachteile des Standes der Technik.

Insbesondere zeichnet sich der Gaschromatograph durch eine äußerst hohe Effektivität aus. So liegen die typi schen Trennzeiten etwa bei 5 min und die Abkühlzeiten bei etwa 2 min. Das führt zu sehr kurzen Meßzyklen und läßt kostengünstige Messungen und eine Erweiterung des Einsatzgebietes auf den mobilen Bereich zu. Der Einsatz im mobilen Bereich wird auch dadurch unter stützt, daß der Gaschromatograph räumlich klein- und leichtbauend ist, was auf ein äußerst kleines, wegen der kurzen Länge der Trennsäule von etwa 3 m, Kammervolumen im Ofen und der Verwendung eines leichten temperaturbe ständigen Isolierschaumes als Ofenummantelung zurückzu führen ist.

Wegen dieser geringen Abmessungen des Ofens und der ge ringen thermischen Masse ist der Gaschromatograph auch sehr energiesparend im Verbrauch.

Die Erfindung soll nachstehend an mehreren Ausführungs beispielen eines Gaschromatographen erläutert werden.

Dazu zeigen

Fig. 1: ein Gasflußschema eines Gaschromatographen,

Fig. 2: einen Gaschromatographen mit eingesetzter Heizlampe und zylindrischer Trennsäule,

Fig. 3: einen Gaschromatographen mit aufgesetzter Heizlampe und zylindrischer Trennsäule und

Fig. 4: einen Gaschromatographen mit aufgesetzter Heizlampe und scheibenförmiger Trennsäule.

Wie aus der Fig. 1 zu entnehmen ist, besteht ein Gas chromatograph aus einem Ofen 1 und einer kapillaren Trennsäule 2.

Diese Trennsäule 2 ist einerseits an einen Injektor 3 angeschlossen, der konstruktiv zur Aufnahme einer Probe ausgelegt ist und der beiderseits über eine Leitung 4 und eine Leitung 5 mit Trägergas verbunden ist. Ventile 6, 7 und 8 sind für die Wegesteuerung des Trägergases durch den Injektor 3, einerseits für den Transport des Gasgemisches in die Trennsäule 2 und andererseits für eine Spülung des Injektors 3 in entgegengesetzter Rich tung vorgesehen.

Die Trennsäule 2 ist andererseits mit einem Detektor 9 verbunden, der mit einem nicht dargestellten rechentech nischen Auswerte- und Anzeigesystem gekoppelt ist.

Wie die Fig. 2 bis 4 zeigen, besteht der Ofen vorzugs weise aus einer zylindrisch ausgeformten und verschließ baren Kammer 10, die von einem Boden 11, einer Zylinderwand 12 und einem Schließdeckel 13 umschlossen ist. Der Boden 11, die Zylinderwand 12 und der Schließ deckel 13 bestehen aus temperaturbeständigen Isolier schaum mit einer hohen Isolationsfähigkeit. Die Innenflächen sind mit einer Aluminium- oder Messingfolie beschichtet.

Mindestens der Schließdeckel 13 ist auf der Zylinderach se zwischen einer Schließstellung und einer Offenstel lung verschiebbar ausgeführt und mit einem vorzugwsweise pneumatischen Antrieb verbunden. Gemäß der Fig. 2 kann es auch zur Verkürzung der Abkühlphase zweckmäßig sein, neben dem Schließdeckel 13 auch den Boden 11 verschieb bar auszuführen.

In der Kammer 10 ist die kapillare Trennsäule 2 in einer besonders gewickelten, nämlich in einer zylinder- oder scheibenartigen Form angeordnet.

Bei einer zylindrischen Form wird der Wickeldurchmesser der Trennsäule 2 dem Durchmesser der Kammer 10 angepaßt, sodaß sich die einzelnen Windungen der Trennsäule 2 in unmittelbarer Nähe und in gleichem Abstand zur Innenflä che der Zylinderwand 12 befinden.

Bei einer scheibenförmigen Wickelform der Trennsäule 2 befinden sich alle Windungen in unmittelbarer Nähe und in gleichem Abstand vom Boden 11 der Kammer 10. Der Ofen 1 ist weiterhin mit einer Heizlampe 14 mit An teilen einer IR-Strahlung ausgerüstet. Diese Heizlampe 14 ist an der Innenseite und im mittigen Bereich des Schließdeckels 13 angeordnet und starr mit dem Schließ deckel 13 verbunden.

Dabei ist die Form der Heizlampe 14 und ihre Anordnung am Schließdeckel 13 auf die Form und die Anordnung der Trennsäule 2 abgestimmt.

So besitzt die Heizlampe 14 gemäß der Fig. 2 die Form eines Heizstabes und ragt mindestens bis zur Hälfte der Höhe in die zylindrisch gewickelte Form der Trennsäule 2 hinein.

So kann die Heizlampe 14 gemäß der Fig. 3 aber auch als Flächenstrahler ausgebildet sein, auf der Achse aber au ßerhalb der zylinderförmigen Trennsäule 2 angeordnet sein und einen Strahldurchmesser besitzen, der in etwa dem Innendurchmesser der Zylinderform der Trennsäule 2 entspricht.

Die Heizlampe 14 kann gemäß der Fig. 4 aber auch als Flächenstrahler ausgebildet und auf der Achse der schei benförmigen Trennsäule 2 angeordnet sein und einen Strahldurchmesser in etwa der Größe des Durchmessers der Scheibenform der Trennsäule 2 besitzen.

In einer besonderen Ausführungsform ist, wie die Fig. 3 und 4 ebenfalls zeigen, die Heizlampe 14 als Deckel und damit zwischen einer Schließ- und einer Offenstellung verschiebbar ausgebildet und mit einem Antrieb verbun den. In der Schließstellung übernimmt die Heizlampe 14 damit eine Schließ- und eine Heizfunktion. In die Kammer 10 ist in herkömmlicher Weise wahlweise und zusätzlich ein Lüfter 15 eingesetzt, der in der Heizphase zur Umverteilung ungleicher Wärmfelder in der Kammer 10 und in der Abkühlphase zur Kühlung der Kammer 10 beiträgt.

Zur Überwachung der Temperatur in der Kammer 10 wird in unmittelbarer Nähe der Trennsäule 2 ein Ni-NiCr-Thermo element eingesetzt.

Die Ansteuerung der Heizlampe 14 erfolgt über einen Reg ler.

Die Wirkungsweise des Gaschromatographen ist folgende:

An der Regeleinrichtung der Heizlampe 14 wird die erfor derliche Temperatur eingestellt, die dem auszusondernden Stoff zuzuordnen ist.

Die Kammer 10 des Ofens 1 ist geöffnet. Von Hand oder durch eine mechanische Beschickungseinrichtung wird die Probe in den Injektor 3 geführt, durch eine entsprechend hohe Temperatur verdampft und mit Hilfe eines Trägerga ses in die Trennsäule 2 transportiert. Gleichzeitig wird der Ofen geschlossen und die Heizlampe 14 eingeschaltet, wodurch sich die Temperatur kontinuierlich auf die ge wünschte Endtemperatur erhöht oder auch sprunghaft auf die gewünschten und programmierten Größen einstellt. Je de einzelne Verbindung ist dann einer Wechselwirkung zwischen dem Trägergas und der Phase der gaschromatogra phischen Säule unterworfen. Die optimale Trennung ergibt sich dann bei einer optimalen Temperatur und Trägergas geschwindigkeit der Säule. Ist z. B. im Gemisch nur eine Substanz von Interesse, kann die optimale Temperatur an gesprungen werden. Diese Temperatur wird solange beibe halten, bis die Verbindung getrennt wird. Anschließend kann die maximale Endtemperatur angesprungen werden, um somit die schwerflüchtigeren Verbindungen aus der Trenn säule 2 zu entfernen.

Falls mehrere Verbindungen interessieren, können auch verschiedene Temperaturen angesprungen werden. Eine kon tinuierliche Temperaturerhöhung, wie sie in Form eines Temperaturprogrammes üblich ist, ist auch durchführbar. Nachdem die Verbindungen die Trennsäule 2 verlassen und mit dem Detektor 9 nachgewiesen werden, wird der Ofen 1 geöffnet und in der kurzen Zeit von etwa 1 bis 2 min ge kühlt, sodaß der Gaschromatograph anschließend für die nächste Messung zur Verfügung steht.

Bezugszeichenliste

1

Ofen

2

Trennsäule

3

Injektor

4

Leitung

5

Leitung

6

Ventil

7

Ventil

8

Ventil

9

Detektor

10

Kammer

11

Boden

12

Zylinderwand

13

Schließdeckel

14

Heizlampe

15

Lüfter

Claims

1. Verfahren zur Trennung ausgewählter Stoffe in einem Gaschromatographen, bei dem das Gasgemisch in eine Trennsäule des Gaschromatographen eingebracht und die Trennsäule in einer Kammer des Gaschromatographen auf eine vorgegebene Temperatur erwärmt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Erwärmung auf die vorgegebene und auf den zu trennenden Stoff abgestimmte Temperatur sprunghaft und unter Verwendung von IR- Strahlung erfolgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mehr als ein Stoff getrennt wird, wobei die vorgebenen und auf die zu trennenden Stoffe abgestimmten Temperaturen nacheinander angesprungen werden.

3. Gaschromatograph, bestehend aus einem Ofen mit einer thermobeständigen und isolierenden Ummantelung und einer verschließbaren Kammer, wobei sich in der Kammer eine kapillare Trennsäule befindet, die einerseits mit einem Injektor und andererseits mit einem Detektor verbunden ist und in der Kammer weiterhin eine Heizeinrichtung an geordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Ummantelung des Ofens (1) aus einem innenbeschichteten Isolierung und die Heizeinrichtung aus einer Heizlampe (14) mit einer IR- Strahlung besteht, wobei die Heizlampe (14) in ihrer Form und ihrer Anordnung auf die Form und die Anordnung der Trennsäule (2) abgestimmt ist und die Heizlampe (14) zwischen einer Heizstellung bei geschlossener und einer Ruhestellung bei geöffneter Kammer (10) bewegbar und an treibbar ausgeführt ist.

4. Gaschromatograph nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizlampe (14) eine Ha logenlampe ist.

5. Gaschromatograph nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizlampe (14) als Heizstab ausgebildet ist und mittig in eine zylindrisch gewickelte Trennsäule (2) hineinragt.

6. Gaschromatograph nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizlampe (14) als Flä chenstrahler ausgebildet ist, der auf der Achse aber au ßerhalb einer zylindrisch gewickelten Trennsäule (2) angeordnet ist und einen Strahldurchmesser besitzt, der annähernd dem Durchmesser der Zylinderform der Trennsäu le (2) entspricht.

7. Gaschromatograph nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizlampe (14) als Flä chenstrahler ausgebildet ist, der auf der Achse einer scheibenförmig gewickelten Trennsäule (2) angeordnet ist und einen Strahldurchmesser besitzt, der annähernd dem Durchmesser der Scheibenform der Trennsäule (2) ent spricht.

8. Gaschromatograph nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizlampe (14) starr mit dem Schließdeckel (13) verbunden ist.

9. Gaschromatograph nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizlampe (14) als Schließdeckel (13) ausgebildet ist.

10. Gaschromatograph nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich der Boden (11) des Ofens (1) verschiebbar und antreibbar ausgeführt ist.