DE2404873C3 - Vorrichtung zur Gewinnung von MeBproben für die Analyse von Feinstäuben - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung /ur Gewinnung von Meßprobcn Tür die Analyse von Feinsläuben in Gasen mittels Atomabsorplions- oder Atomfluoreszenzanalyse mit elektrisch heizbarem Probenbehälter.

Bei der Analyse von Feinstäuben in Gasen hat die reproduzierbare Gewinnung von repräsentativen Proben grundlegende Bedeutung.

Es ist bekannt, für die Bestimmung sehr kleiner Mengen von chemischen Elementen die Atomabsorptionsund die Atomfluoreven/.analyse /.u verwenden. Es ist weiter bekannt, die Proben in gelöster Form in eine Graphitküvette /u bringen, und die Graphitküvette durch elektrische Widerstandsheizung zunächst bis zum Abdampfen des Lösungsmittels aufzuheizen. Anschließend wird die zu messende Probe verdampft, wobei die Graphitküvette in wenigen Sekunden eine Temperatur von bis zu 2W)OC erreicht. Im Strahlengang eines Spektrometer werden von der verdampften Probe Signale durch Atomabsorption oder Atomfluorcs-/.enz erhalten, die für die in der Probe enthaltenen Elemente charakteristisch sind (Spectrochemiea Acta 19h8. Vol. 23b. S. 21 5 bis 226).

Zur Sammlung der Proben aus einem Gasvolumen oder aus der Luft bedient man sich nach dem Stand der Technik eines Filters. Beispiele hierfür sind MF-MiHiporefilter, die aus reinen Cellulose-Estern bestehen. Der Staubniederschlag wird anschließend chemisch aufgeschlossen und die so erhaltene Probenlösung nach den bekannten Verfahren der flammenlosen Atomabsorption analysiert. (Anal. Chim. Acta 55. 439. 1971. P. Hermann, Collogn. Spektroscopicum Internationale XVII, Firenze, \97i, Acta Vol. 11,693).

Bei einer verbesserten Vorrichtung (Analytical Chemistry, Vol.45, No.9, August 1973, S. IbOb bis 1609) wird das Filter in eine Graphitküvette' eingesetzt und das zu untersuchende Luftvolumen durch das Filter gepumpt. Infolge der großen absoluten Nachweisempfindlichkeit des Graphitverdampfers genügen hierbei geringe, Luftmengen für die Analyse und damit kurze Pumpzeiten für die Probensammlung. Nachteilig bei dieser Methode ist jedoch, daß das Filter vor der Ana-

» lyse der in der Luft enthaltenen Feststoffe verascht werden muß. Außerdem enthalten die Filter Spuren des zu analysierenden Elementes, so daß für jede Messung ein vom Filter abhängiger Blindwert zu berücksichtigen ist.

*5 Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Probengewinnung anzugeben, durch welche zeitraubende und Meßfehler verursachende /wischenschritte, wie die Veraschung des Filters und Be Stimmung eines Blindwertes, ausgeschaltet werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung gelöst, bei der ein Anschluß zur elektrostatisch positiven Aufladung des Probenbehälters und ein Anschluß zur elektrostatisch negativen Aufladung einer Elektrode vorgesehen ist, die der Aufladung der im Gas enthaltenen Staubteilchen dient, daß weiterhin eir. Wechsclschalter vorgesehen ist. der den Probenbehälter wahlweise an eine Hochspannungsquelle zur elektrostatischen Aufladung der Staubteile oder an einen Heizkreis zur Atomisierung der Staubteile anschließt, und daß weiterhin eine Schwenkvorrichtung vorgesehen ist, die ein Einbringen des Probenbehälters in den Strahlengang eines Atomabsorplions- oder Atomfluoreszenzspektrometers gestattet.

Eine zweckmäßige Ausbildung der Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus. daß als Probenbehälter ein Graphitrohr dient, in welches eine Elektrode für Koronaentladung eingeführt ist.

In einer anderen zweckmäßigen Vorrichtung dient als Probenbehälter, ein Graphitstab, über dem eine Elektrode zur Koronaentladung angebracht ist. Das zu untersuchende Gas wird an der Oberfläche des Graphitstabes vorbeigeleitet und die im Gas enthaltenen Staubteilchen werden an der unterhalb der Elektrode befindlichen Staboberfläche durch die Koronaentladung fixiert. Für eine bessere Lokalisierung der zu untersuchenden Staubteilchen kann eine zentrisch unterhalb der Elektrode angebrachte Vertiefung an der Oberfläche des Stabes dienen. Eine Verengung des Ciraphitstabes an der Stelle des Probenniederschlages bewirkt, daß an eben dieser Stelle die höchste Stabtemperatur auftritt.

In einem anderen zweckmäßigen Ausfiihrungsbeispiel einer Vorrichtung ist der Probenbehälter als zylindrische Bohrung in einem Graphitstab ausgebildet, in

welche die Elektrode zur Koronaentladung hineinragt. Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß sich die Verwendung eines Filters und damit die Messung eines Blindwertes erübrigt

Außerdem zeichnet sich die Krfindung durch die äußerst geringe S;inimelzeit von etwa 1 Minute pro Probe aus. Gegenüber dem Stand der Technik ist auch die gute Reproduzierbarkeit und die erzielte Meßgenauigkeit von ±2,5% beachtlich. Die Erfindung ermöglicht es beispielsweise. Verunreinigungen der Luft, die innerhalb von 10 Minuten auftreten and wieder abklingen, meßtechnisch einwandfrei /u erfassen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigt

F i g. ι a eine als Graphitrohr ausgebildete Probenküvette für das Sammeln der Probe.

Fig. Ib die in Fig. la dargestellte Probenkiivette während des Anaiysenvorganges,

F i g. 2a eine als Graphitstab ausgebildete Probcnküvette mit einer oberhalb des Stabes angeordneten Elektrode,

F i g. 2b die in F i g. 2a dargestellte Küvette während des Analysenvorganges,

Fi g. 3a eine als Graphitstab ausgebildete Probenkiivette, bei welcher die Elektrode in eine Bohrung des Stabes hineinreicht,

F i g. 3b die in Fig. 3a gezeigte Probenküvetie während des Analysenvorganges,

Fig.4a die perspektivische Darstellung einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens während des Probensammelns,

F i g. 4b die in F i g. 4a dargestellte Vorrichtung während der Analyse,

F i g. 5 der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren gemessene Bleigehalt der Luft an einer verkehrsreichen Stelle, aufgetragen als Funktion der Tageszeit.

In der Fig. la ist mit der Kennziffer 1 ein Graphitrohr bezeichnet. In dieses Rohr ragt eine Elektrode 4 hinein, welche mit den Anschlüssen 5u und 5b entweder an ein batteriebetriebenes oder an ein netzabhängiges, im Handel erhältliches Hochspannungsgerät anschließbar ist. Die für die Koronaentladung der Elektrode 4 benötigte Spannung beträgt im Höchstfall etwa 5 KV, der durch die Elektrode fließende Strom beträgt etwa 0,5 mA, so daß dem Hochspannungsgerät eine Leistung von etwa 2,5 Watt entnommen wird. Die zu untersuchende Luft oder das zu untersuchende Gasvolumen wird in Richtung des Pfeiles 2 in das Graphitrohr eingepumpt und verläßt dieses in Richtung 3 wieder, nachdem durch die Koronaentladung der Elektrode 4 d^;e enthaltenen Teilchen negativ aufgeladen und an der positiv geladenen Rohrwand niedergeschlagen und fixiert wurden. In der F i g. Ib ist mit 7 die Primärlichiquelle für Atoniabsorption bezeichnet und mit 8 der Empfänger eines Spektrometer. Der mit 6 bezeichnete Stromkreis dient der Aufheizung des Graphitrohres, durch welches zu diesem Zweck ein elektrischer Strom von maximal 400 Λ fließt Das Graphitrohr erreicht dabei in wenigen Sekunden eine Temperatur von maximal 2600' C, was zur Verdampfung der elektrostatisch niedergeschlagenen Probe genügt.

In der F i g. 2a ist mit 10 ein Graphitstab bezeichnet, über dem zentrisch eine Elektrode 14 angebracht ist. Die zu untersuchende Luft wird in Richtung 2 und 3 über die durch die Koronaentladung der Elektrode 14 begrenzte Oberfläche des Stabes !0 geleitet. Zur besseren Lokalisierung der elektrostatisch niedergeschlagenen Teilchen kann die von der Elektrode 14 erfaßte Oberfläche als Vertiefung 9 im Stab 10 ausgebildet sein.

In der F i g. 3a ist eine Vorrichtung dargestellt, bei der ein Graphitstab 10 mil einer zylindrischen Bohrung 11 versehen ist. In diese zylindrische Bohrung ragi eine Elektrode 24 hinein. Die /u untersuchende Luft oder das zu untersuchende Gasvolumen wird in Richtung 2, 3 durch die Bohrung geleitet. Durch die Koronaentladung der Elektrode 24 werden die in der Luft oder im Gas enthaltenden Fremdteilchen an der Wand der Bohrung niedergeschlagen und können in der in F i g. 3b dargestellten Spektrometeranordnung analysiert weiden.

In der perspektivischen Darstellung der in de» F i g. 4a und 4b gezeigten Vorrichtung ist die Elektrode 34 als Hohlnadel mit der Eintrittsöffnung 13 ausgebildet. Die Elektrode 34 ist in einem isolierenden Klektrodenträg'.T 19 über einem als Probenbehälter ausgebildeten Graphitstab 21 angebracht. Die Metallblöcke A und B sind durch die Isolierschicht 23 getrennt und über den Graphitstab 21 leitend miteinander verbunden. Im Elektroden!!äger 19 ist ein Drehmagnet 25 angebracht. In der in Fig. 4a gezeigten Stellung des Drehmagneten steht die Elektrode 34 über dem Graphitstab 21. der Schalter 16 im zur Anlegung der Elektrodenspannung geschlossen. Der mechanisch mit den Schaltern 16 und 17 verbundene Schalter 18 für den Heizslromkreislaui des Stabes 21 ist geöffnet. Der Schalter 17 ist ein Impulsschalter, der bei Betätigung nur jeweils kurzen Kontakt gibt. Die Luft wird von einer nicht eingezeichneten Pumpe in Richtung 2. 3 durch die Elektrode 34 gepumpt.

In der F i g. 4b ist zum Durchführen der Analyse der gesammelten Probe der Elektrodenträger 19 zur Seile geschwenkt. Dies wird erreicht durch Öffnen des Schalters 16. Der Impulsschalter 17 nimmt dabei eine andere Stellung ein und gibt einen kurzen Kontakt, durch den der Drehmagnet 25 um 90° gedreht wird und den Probenträger in die in F i g. 4b gezeigte Position bringt. Der mechanisch mitgckoppelte Schalter Ii! wird geschlossen und der Heizstrom heizt den Graphitstab 21 auf die zur Atomisierung der Probe benötigte Temperatur.

In der F i g. 5 sind Meßergebnisse aulgetragen. Untersucht wurde der Bleigehalt der Luft, welcher in Abhängigkeit vom Arbeitsschluß an der Ausfahrtsiraße eines großen Betriebsparkplatzes auftritt. In der graphischen Darstellung isi als Ordinate der Blcigehalt der Luft in Mikrogramm pro Kubikmeter aufgetragen, und als Abszisse die Uhrzeit. Bei einer gleitenden Arbeits-/eitbeendigung. die bei 15.20 Uhr beginnt und bei etwa IbJO Uhr gehäuft auftritt, wird bei größter Verkehrsdichte auch die größte Luftverschmutzung mit Blei nachgewiesen. Die Fortschrittlichkeit der Erfindung isi aus der eingezeichneten Fehlergrenze ersichtlich. Bei einer Saminelzeit für die Probe von nur einer Minute wird mit einer Mcßgcnauigkcit von ±2.5"/o gemessen.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Gewinnung von Meßproben für die Analyse von Feinstäuben in Gasen mittels iAtomabsorptions- oder Atomfluoreszenzanalyse mit elektrisch heizbarem Probenbehälter, d a durch gekennzeichnet, daß ein Anschluß (5a) zur elektrostatisch positiven Aufladung des Probenbehälters vorgesehen ist, daß ein Anschluß (56) zur elektrostatisch negativen Aufladung einer Elektrode (4, 14, 24) vorgesehen isi, die der Aufladung der im Gas enthaltenen Staubteilchen dient, daß weiterhin ein Wechselschalter (17) vorgesehen ist, der den Probenbehälter wahlweise an eine Hochspannungsquelle (16) zur elektrostatischen Aufladung der Staubteile oder an einen Heizkreis (18) zur Atomisierung der Staubteile anschließt, und daß weiterhin eine Schwenkvorrichtung (25) vorgesehen ist, die ein Einbringen des Probenbehälters (1, 10, 12. 21) in den Strahlengang eines Alomabsorptions- oder Atomfluoieszenzspcktrometers (7) gestattet.

2. Vorrichtung nach Anspruch !. dadurch gekennzeichnet, daß als Probenbehälter ein Graphitrohr (1) dient, in welches eine Elektrode (4) für Koronaentladung eingeführt ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß der Probenbehälter als Graphitstab (10) ausgebildet ist und daß über dem Stab eine Elektrode (14) zur Koronaentladung angebracht ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 und J, dadurch gekennzeichnet, daß an dem Graphilstab zentrisch unterhalb der Elektrode eine Vertiefung (9) angebracht ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Stab (10) an der Stelle des Niederschlages eine Verengung aufweist.

6. Vorrichtung nach Anspruch I. dadurch gekennzeichnet, daß der Probenbehälter als zylindrische Bohrung (11) in einem Graphitstab (12) ausgebildet ist, und daß die Elektrode (24) zur Koronaentladung in die Bohrung hineinragt.