DE2854462C2 - Vorrichtung zur Bestimmung der Photomineralisierbarkeit adsorbierter chemischer Verbindungen - Google Patents

Vorrichtung zur Bestimmung der Photomineralisierbarkeit adsorbierter chemischer Verbindungen

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DE2854462C2 DE19782854462 DE2854462A DE2854462C2 DE 2854462 C2 DE2854462 C2 DE 2854462C2 DE 19782854462 DE19782854462 DE 19782854462 DE 2854462 A DE2854462 A DE 2854462A DE 2854462 C2 DE2854462 C2 DE 2854462C2
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Abstract

Mit der erfindungsgemaessen Vorrichtung ist es moeglich, unter einer optimalen Darstellung der Messergebnisse (gaschromatographieaehnliche Schreiberbilder), kleinste Mineralisierungsraten in kuerzester Zeit von ca. 1 bis 2 Stunden zu erfassen. Entscheidende Vorteile der Erfindung liegen darin, dass die Vorrichtung weder bewegliche Stellen noch Anflanschungen aufweist, die Undichtigkeiten wahrscheinlich machen, dass die Abmessungen der Bestrahlungslampe (UV-Lampe) angepasst und so klein sind, dass die fuer die Untersuchungen verwendeten Materialien, wie Traegermaterial und Reaktanten, sehr gering gehalten werden koennen, dass die gasfoermigen Endmineralisierungsprodukte, insbesondere Kohlenstoffdioxid und Co, mit einer empfindlichen physikalischen Messmethode (z.B. Infrarotanalysatoren Uras oder Binos) quantitativ im Mikrogrammbereich erfasst werden koennen, dass ein gering gehaltenes Totvolumen die Verduennungseffekte minimisiert, dass der Versuchsablauf mit Bestrahlungszeit, Spuelungszeit und Gasumschaltung elektronisch steuerbar und somit automatisierbar ist, wodurch wesentliche Vereinfachungen in der Handhabung und dem Personal- bzw. Zeitaufwand gewaehrleistet werden kann und dass sie fuer die Untersuchung gasfoermiger Reaktanten im Durchfluss geeignet ist. Weitere Vorteile bestehen darin, dass Untersuchungen mit Fremdgasen moeglich sind u. dass sich der Reaktionsprozess in einer gasdichten Ganzglas- bzw. Ganzquarzapparatur abspielt. Evtl. auftretende Effekte, w...U.S.W

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung der Photomineralisierbarkeit adsorbierter chemischer Verbindungen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Untersuchungen haben gezeigt, daß persistente Chlorkohlenwasserstoffe durch heterogene Photolyse oxidativ abgebaut werden, wobei hauptsächlich die Endmineralisierungsprodukte CO2, CO, Cb und HCl enstehen
(S. Gab, S. Nitz, H. Parlar und F. Körte »Photomineralisation of certain aromatic xenobiotica, Chemosphere, 4, 251—256, 1975). Diese Erkenntnisse sind für die Bewertung der Persistenz der untersuchten, adsorbierten Substanzen unter abiogenen Bedingungen von großer Wichtigkeit
Als bisher optimale Vorrichtung für die apparative Lösung der Untersuchung der heterogenen Photolyse wird in der Fachwelt die Mineralisierungstrommel gemäß der DE-OS 27 04 942 betrachtet. Diese Vorrichtung besteht aus einer zylindrischen rotierenden Reaktortrommel, in die die zu untersuchenden gasförmigen Reaktanten fließend oder stationär einbringbar sind. Die Trommel besitzt außerdem eine Vorrichtung zur Einführung einer Bestrahlungslampe. Die mit einei geeigneten Methode auf Kieselgel zur Chromatographie aufgetragene, adsorbierte Substanz unterliegt hier einer Bestrahlung unter ständiger, durch Rotation der Trommel bedingter Durchmischung. Die gebildeten Endmineralisierungsprodukte werden nach ca. 48 Std. naßchemisch erfaßt. Die verbleibende, an Kieselgel adsorbierte Substanz sowie deren Umwandlungsprodukte (soweit vorhanden) werden in der Regel nach erfolgter Elution gaschromatographisch bestimmt.
Obwohl in diesem System in gewissen Grenzen reproduzierbare Photomineralisierungen durchgeführt werden können, eignet es sich jedoch weniger für analytische Zwecke. Vorwiegend ist es für präparative photochcmische Arbeiten gedacht und weist im Hinblick auf die Ersetzbarkeit als Testmethode zur Bewertung von Mineralisierungsverhalten einige Mängel auf. So eignet sich das Gerät wenig für die Arbeit in Gegenwart von aggressiven Gasen, da diese konstruktionsbedingt mit Metallteilen vom Antriebsmotor in Berührung kommen können. Auch konstruktionsbedingt ist das große Totvolumen der Reaktionskammer, wodurch ein erheblicher Verdünnungseffekt erzeugt wird, der die Empfindlichkeit für die Durchführung physikalischer Messungen stark herabsetzt und die Beobachtung kinetischer Vorgänge erschwert Die Mengen des einzusetzenden Materials (Adsorbens und Trägermaterial) sind relativ groß (ca. 200 g) und die Blindwerte so hoch (Milligrammbereich), daß geringe Mineralisierungsraten, wie sie bei schwer abbaubaren Verbindungen zu erwarten sind, kaum beobachtet werden können. Der ganze Prozeß ist zudem relativ arbeitsintensiv und zeitaufwendig. Durch die Vielzahl der mechanischen Verbindungsstellen und des rotierenden Mechanismus sind Undichtigkeiten schwer auszuschließen und gewinnen sehr an Bedeutung in Anbetracht dessen, daß die umgebende Luft eine hohe CO2-Konzentration aufweist. Insbesondere durch die großen Materialmengen und die lange Brennzeit der Hochdruck-Quecksilberlampe bei jedem Versuch, sind die laufenden Materialkosten sehr hoch.
Da es in der ökologischen Chemie sehr wichtig ist, den Einfluß von Fremdgasen (z. B. NO2, SO2) auf die Photomineralisierung zu untersuchen, ist es wichtig, ein Gerät zu besitzen, in dem diese Effekte, wenn vorhanden, deutlich erkennbar sind. Gleichzeitig muß ein Gerät geschaffen werden, das sich für die analytische Erfassung kleinster Mineralisierungsraten eignet.
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht darin, eine Vorrichtung zu schaffen, die es erlaubt, auf schnelle zeit-, kosten- und materialsparende Weise die relative photolytische Abbaubarkeit, z. B. organischer Verbindungen, in adsorbierter Form und in Gegenwart von Reaktionsgasen erfassen zu können, wodurch es möglich wird, die abiotische Abbaubarkeit von Chemikalien, die in die Umwelt gelangen können, zu bestimmen. Die Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Die erfindungsgemäßen Verwendungsgebiete sind in den Ansprüchen 5 bis 7 aufgezeigt.
Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es also möglich, unter einer optimalen Darstellung der Meßergeb-
nisse (gaschromatographieähnliche Schreiberbilder), kleinste Mineralisierungsraten in kürzester Zeit von ca. 1 bis 2 Stunden zu erfassen. Entscheidende Vorteile der Erfindung liegen darin, daß die Vorrichtung weder bewegliche Stellen noch Anflanschungen aufweist die Undichtigkeiten wahrscheinlich machen, daß die Abmessungen der Bestrahlungslampe (UV-Lampe) angepsßt und so klein sind, daß die für die Untersuchungen verwendeten Materialien, wie Trägermaterial und Reaktanten, sehr gering gehalten werden können, daß die gasförmigen Endmineralisierungsprodukte, insbesondere CO2 und CO, mit einer empfindlichen physikalischen Meßmethode (z. B. Infrarotanalysatcyen) quantitativ im Mikrogrammbereich erfaßt werden können, daß ein gering gehaltenes Totvolumen die Verdünnungseffekte minimisiert, daß der Versuchsablauf mit Bestrahlungszeit Spülungszeit und Gasumschaltung elektronisch steuerbar und somit automatisierbar ist wodurch wesentliche Vereinfachungen in der Handhabung und dem Personal- bzw. Zeitaufwand gewährleistet werden kann und daß sie fü/ die Untersuchung gasförmiger Reaktanten im Durchfluß geeignet ist Weitere Vorteile bestehen darin, daß Untersuchungen mit Fremdgasen möglich sind und daß sich der Rekationsprozeß in einer gasdichten Ganzglas- bzw. Ganzquarzapparatur abspielt Evtl. auftretende Effekte, wie z. B. Mineralisierungsbeschleunigungen, können mittels der Gasanalysatoren unmittelbar festgestellt werden. Die Vorrichtung eignet sich gleichermaßen für Reaktionen in stationären oder in fließenden Systemen und es sind Versuche mit radioaktiven Verbindungen ohne Bedenken durchzuführen.
Die wesentlichen Vorteile der Erfindung sind zusammengefaßt folgende:
1. Der Platzbedarf ist sehr gering im Vergleich zur bisherigen Apparatur. Gleichzeitig wird das Totvolumen sehr stark verringert und somit Verdünnungseffekte praktisch ausgeschaltet
2. Potentielle Undichtigkeiten sind aufgrund der Ganzglaskonstruktion ausgeschlossen.
3. Der Material-, Zeit- und Kostenaufwand pro Analyse kann um Größenordnungen erniedrigt werden.
4. Die Vorrichtung erlaubt moderne physikalische Meßmethoden anzuwenden und liefert reproduzierbare Ergebnisse
5. Durch die Möglichkeit, physikalische Meßmethoden anzuwenden, wird die Empfindlichkeit deutlich gesteigert
Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen mittels der F i g. 1 bis 5 sowie der Tabellen 1 und 2 näher erläutert
Die F i g. 1 zeigt einen Überblick über den Reaktor mit im Schnitt sichtbaren Einzelteilen, die F i g. 2 zeigt ein Anwendungsbeispiel als automatisierte Testmethode zur Photomineralisierbarkeit und
die F i g. 4 eine Vorrichtung für Photomineralisierungsversuche in Anwesenheit von Fremdgasen.
Die F i g. 3 ist ein typisches Schreiberbild zum Anwendungsbeispiel 2.
Die Tabelle 1 zeigt einige, mit ausgewählten Chemikalien gewonnene Mineralisierungsdaten (zu F i g. 2).
Die Tabelle 2 gibt die Resultate einiger Versuche mit HC-markierten Verbindungen beim Betrieb im Fließsystern wieder.
In Fig. 1 ist der Reaktor 1 im Längs- und Querschnitt dargestellt. Er besteht im wesentlichen aus einem zugeschmolzenen doppelwandigen Glas- oder Quarzzylinder 2. In seiner Wandung 3 ist ein Zwischenraum mit den beiden Teüräumen 5 und 6 eingefügt. Beide Teilräume 5 und 6 sind durch eine zylinderförmige Wand 4 voneinander getrennt wodurch zwei zylindermantelartige Teilräume entstehen. Der der Hohlzylinderachse 7 näher liegende erste Teilraum 5 kann mit dem Adsorbens und den Reaktanten beaufschlagt werden, wohingegen der radial hinter dem ersten Teilraum 5 liegende zweite Teilraum 6 als Kühleinrichtung (z. B. Wasserkühlung) ausgebildet ist. In den Hohlzylinderinnenraum 8 kann die Bestrahlungslampe 9 (UV-Lampe) zusammen mit ihrem Kühlfinger 14 hineingeschoben werden (s. Pfeilrichtung).
Die Reaktionskammer 5 weist auf jeder Stirnflächenseite zwei Zu- bzw. Ableitungen 10 und 11 auf, welche als Gasanschlüsse dienen können. Die Zu- und Ableitungen 10 und 11 sind so angebracht daß eine gute Gasverteilung im Reaktionsraum 5 stattfinden kann. Hierzu sind die Ein- bzw. Ausgänge 10 und 11 untereinander um 1800 und paarweise gegenseitig um 900 versetzt (s. Querschnitt A-A). Die Reaktionskammer 5 besitzt eine radiale Breite von ca. 2 bis 4 mm, um einen geringen Strahlungsintensitätsabfall durch das ausfüllende Adsorbens (in der Regel Kieselgel zur Chromatographie) zu gewährleisten. Die Abmessungen h = Höhe und b = Breite sind von der Größe der einzusetzenden Lampe 9 mit Kühlfinger 14 abhängig, wobei auf eine günstige Strahlenverteilung geachtet werden muß. Für z. B. eine Philips HPK-125 UV-Lampe gelten die Maße h = 90 mm und b = 50 mm.
Die Bestrahlungslampe 9 wird zusammen mit dem entsprechend dimensionierten Kühlfinger 14 in die Innenseite 8 des Reaktors 1 eingeführt Die Reaktionskammer 5 selbst wird von dem Kühlmantel 6 umgeben, welcher den Kühlmittel-Aus- und -Eingang 12 bzw. 13 aufweist. Mit der Bestrahlungsquelle 9 können Substanzen, welche hier nicht näher dargestellt sind, im Reaktionsraum 5 bestrahlt werden, wobei diese folgende Formen aufweisen können:
1. Gasförmig durchfließend, eingehend über die Zuleitungen U, ausgehend über die Ableitungen 10, mit leerem Reaktionsraum 5 zur Beobachtung von Gasphasenphotolysen und evtl. Wandreaktionen. ω
O ^ncfni-m!» fliadanr] i4ni*nli Wan mit ainam AricsifRanc ufia ν H It' ΪοοοΙαα] fiir Aia C^hrnmatrWtpaninia aticcrafiill-
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ten Reaktionsraum 4.
3. Fest oder flüssig in adsorbierter Phase, an einem geeigneten lichtdurchlässigen Adsorbens, wie z. B. Kieselgel, für die Chromatographie, bei Gasdurchfluß (O2, Luft, N^, Fremdgase) oder diskontinuierlicher Arbeitsweise.
Die durch Spülung austretenden gasförmigen Endmineralisierungsprodukte können mit physikalischen Meßmethoden erfaßt werden, z. B. über einen IR-Detektor für CO2, CO, H2O oder über einen I4C-Detektor bei der
Verwendung von radioaktiven Verbindungen.
In F i g. 2 wird eine automatisierte Anordnung angestellt, die sich für den Einsatz des Reaktors 1 als Testmethode eignet. Der über ein Nadelventil 15 aus einer Druckflasche 14 kommende, über CO2- und H2O-Absorber 16 gereinigte Sauerstoff- oder Luftstrom gelangt über ein programmgesteuertes Magnetventil 17 in die Reaks tionskammer 5 des Reaktors 1. Diese ist mit standardisiertem Kieselgel, für z. B. die Chromatographie, gefüllt, an dessen Oberfläche die zu untersuchende Substanz durch eine geeignete Auftragsmethode (wie z. B. 48-stündiges Rotieren des Adsorbat-Adsorbens-Gemisches) adsorbiert vorliegt. Vor Beginn des Testes wird die Reaktionskammer 5 von CO2 freigespült. Die Photomineralisierung wird durch Einschalten der Hochdruck-Quecksilberlampe 9 eingeleitet, wobei durch ein Steuergerät 18 bei gleichzeitiger Einschaltung der Lampe 9, der Reaktions- raum 5 mit Hilfe des Magnetventils 17 geschlossen wird. Die gebildeten flüchtigen Endmineralisierungsprodukte stauen sich so in vorprogrammierten Zeitabständen (bei brennender Lampe 9 und geschlossenem Magnetventil 17) im Reaktionsraum 5 und werden periodisch unter automatischer Abschaltung der Lampe 9 und öffnen des Magnetventils 17 bei einer bekannten und konstanten Durchflußgeschwindigkeit über einen Adsorber 19 für Wasser (P2O5) und falls notwendig, für CI2 bzw. für andere evtl. störende Gase, in einen CO2- bzw. CO-Detektor 20 geleitet Die erfaßten CO2- bzw. CO-Mengen werden über einen Schreiber 21 registriert und ergeben gaschromatographieähnliche Peaks, die eine leichte Auswertung der Photomineralisierungsraten gestatten. Der CO2- bzw. CO-Detektor 20 kann periodisch mit einer Eichgasmischung aus der Flasche 23 justiert werden. Zur Gasstrom-Messung dient ein Rotameter 22. Insbesondere bei Versuchen mit 14C-markierten Verbindungen empfiehlt es sich mit kontinuierlichem Gasstrom zu arbeiten, wobei die gasförmigen Endmineralisierungspro dukte in geeigneten »Cocktails« abgefangen werden.
In Tabelle 1 werden als Beispiele Mineralisierungsversuche an einigen ausgewählten Verbindungen gezeigt, die mit der automatisierten Anordnung gemäß der F i g. 2 durchgeführt werden können. Die Ergebnisse zeigen die Empfindlichkeit der Testmethode. Die F i g. 3 ergibt ein typisches Schreiberbild (mit dem Schreiber 21) für den Betrieb der automatischen Apparatur wieder, wobei für den chemischen Stoff Benzopyren der ppm- CO2-Gehalt aufgetragen ist Als Adsorbens dient 2,87 mg/22 g S1O2; die Lampe brennt 2 Stunden; gespült wird mit drei NlO2/h.
Ein weiteres Anwendungsbeispiel für den Reaktor 1 mit Reaktionskammer 5 und Bestrahlungslampe 9 ist in Fig.4 dargestellt Es wird die Photomineralisierungsrate in Anwesenheit von Fremdgasen festgestellt. Das Hilfsgas (Luft oder Sauerstoff) gelangt über ein regulierbares Ventil 25 bzw. 27 aus einer Druckflasche 24 über einen Durchflußmesser 26 bzw. 39, über CO2- und H2O-Absorptionsrohr 28 und 29 in einen thermostatisierten Kühler 32 und wird dort mit einer durch Permeation 33 erzeugten konstanten Menge Fremdgas (z. B. NO2) gemischt in der Verdünnungskammer 34 mit Hilfsgas über Ventil 35 auf die gewünschte Konzentration gebracht und mittels eines NO^-Analysators 37 mit Schreiber 38 bestimmt Dieses Gasgemisch gelangt über die Leitungen 40 und 41 sowie Ventile in den Photoreaktor 1. Die Reaktionsgase werden über die Leitung 43 zu dem Absorber 42 geführt und von NO2 befreit (evtl. vorhandenes CI2 wird im Cfe-Absorber 44 entfernt und mittels eines CO2-Detektors 45 mit angeschlossenem Schreiber 46 der Anteil an CO2 bestimmt und graphisch dargestellt). Die Gesamtmenge an gebildetem CO2 kann zusätzlich an einem Absorptionsrohr 47 nach Pregl durch Einwaage bestimmt werden.
Die Regulierung des Gasstromes durch 1 erfolgt mit Hilfe der Vakuumpumpe 49 und Regulierventil 52.
Geeicht wird wiederum mittels Zuführung eines Eichgases aus der Gasflasche 50 und der Durchfluß wird mit dem Rotameter 51 nachgewiesen. Die einzelnen möglichen Strömungsrichtungen für die zugeführten Gase bzw. die nachzuweisenden Gase sind durch Pfeile an den einzelnen Leitungen dargestellt Die Umschaltungen an den einzelnen Gasleitungen erfolgt über Magnetventile bzw. Drei-Wege-Hähne.·
Mit dieser Schaltungsanordnung können ebenfalls Photomineralisierungen mit Hilfsgas allein, ohne Fremd-
gas, durchgeführt werden. Dieses gilt sowohl für dynamische (fließendes Reaktionsgas) als auch für statische Messungen (geschlossener Photoreaktor 1).
Als Beispiel für einen vergleichenden Photomineralisierungsverlauf im Fließsystem, mit und ohne Fremdgas, wird in F i g. 5 die CO2-Entwicklung aus Pentachlorphenol, an Kieselgel adsorbiert (mit und ohne NO2) dargestellt Die Kurve K zeigt hierbei die Erzeugung von CO2 (in ppm) über die Bestrahlungszeit h (in Stunden) für 5 mg/20 g PCP/SiO2 mit 100 ppm NO2/O2 im Durchfluß mit 3 Nl/h. Die Kurve L zeigt unter gleichen Voraussetzungen den Verlauf durch Zugabe von 100 ppm NI2/O2 nach 5 Stunden Bestrahlung und reiner 02-Zugabe. Die Kurve Λ/gibt den Verlauf ohne Fremdgas wieder.
Tabelle 1
Automatische Mikrophotomineralisation ausgewählter chemischer Stoffe
Chemischer Stoff Bestrahlung mg/22 g mg CO2 Bestrahlung Hierzu 5 mg/22 g Mineralisations Blatt Zeichnungen % Org.
(Stunden) Adsorbens gemessen Stunden Adsorbens produkte Mineralisation*) Anteile
17 1,6 9,5% (2 Stunden) -0,1
Lindan 2 10,82 0,016 20 2,87 5,9% 0,16 -0,1
Hexachlorobenzen 2 11,05 0,097 17 5,35 2,9% 0,9 0,7
Dieldrin 2 7,20 0,032 17 1,73 65,8% 0,3 <0,l
Pentachlorophenol 2 9,97 0,50 17 1,82 62,0% 5
4,4'-DDT 2 5,82 0,023 0,25
3,3',4,4'-PCB 2 5,41 0,16 1,6
Benzopyren 2 2,97 0,22 2,2
.-λ mgCmineralisiert
)/0 totalorg.C ' 10°
Tabelle 2
Betätigung der Photomineralisation mit l4C-markierten chemischen Stoffen
l4C-markierter Stoff
Biphenyl
2,5,4'-Trichlorobiphenyl
Dodecan
2,4,6-Trichlorophenol
Pentachlorophenol

Claims (7)

Patentansprüche:
1. Vorrichtung zur Bestimmung der Photomineralisierbarkeit adsorbierter chemischer Verbindungen, bei der die Verbindungen und das Adsorbens in einem Reaktor mittels einer im Reaktor symmetrisch zu dessen Achse angeordneten Bestrahlungslampe bestrahlt und dabei entstehende Produkte analysiert werden, dadurch gekennzeichnet, daß der Reaktor (1) aus einem Hohlzylinder (2) besteht, in dessen Wandung (3) ein rotationssymmetrischer Zwischenraum (5,6) eingefügt ist, daß der Zwischenraum (5,6) mittels einer zylinderförmigen Wand (4) in zwei Teilräume (5 und 6) aufgeteilt ist, daß der der Hohlzylinderachse (7) näher liegende erste Teilraum (5) mit dem Adsorbens und den Verbindungen auffüllbar ist, und daß der radial hinter dem ersten Teilraum (5) liegende zweite Teilraum (6) als Kühleinrichtung ausgebildet ist
2. Vorrichtung nach Anspruch I1 dadurch gekennzeichnet, daß beide Teilräume (5 und 6) jeweils mindestens eine Zu- und abführungsleitung (12 und 13,10 und 11) aufweisen.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlzylinder (1) aus Glas- oder Quarzglas, Kunststoff der Metall besteht
4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß beide Teilräume (5 und 6) voneinander und gegenüber der Umgebung abgedichtet sind.
5. Verwendung der Vorrichtung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden zur Untersuchung gasförmiger Keaktanten stationär oder im Durchfluß.
6. Verwendung der Vorrichtung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden für Untersuchungen mit Fremdgasen.
7. Verwendung der Vorrichtung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden zur Untersuchung von radioaktiv markierten Verbindungen.
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DE2937169A1 (de) * 1978-12-16 1981-04-02 Gesellschaft für Strahlen- und Umweltforschung mbH, 8000 München Vorrichtung zur bestimmung der relativen photomineralisierbarkeit adsobierter chemischer verbindungen

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