DE3141939C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Durchführung chemischer Reaktionen bei erhöhter Temperatur und erhöh­ tem Druck, die ein verschließbares Quarzgefäß und einen ab­ nehmbaren Quarzdeckel mit jeweils plan geschliffenem Rand umfaßt. Insbesondere ist diese Vorrichtung zum Naßaufschluß organischer Materialien geeignet.

Vorrichtungen zur Behandlung von Stoffen bei erhöhter Tempe­ ratur und erhöhtem Druck sind aus folgendem Stand der Tech­ nik bekannt:

Die US-PS 18 81 855 betrifft eine gattungsfremde Vorrichtung zur Konservierung von verderblichem Gut, das in abgepackter Form in einen Sterilisierbehälter eingebracht wird. Der im Innern des Sterilisierguts erzeugte Druck wird während der Sterilisierung durch Wasserdampf kompensiert.

Die PS 99 690 beschreibt eine weitere gattungsfremde Vorrich­ tung aus der Konservierungstechnik, worin zu sterilisierende Gefäße unterschiedlicher Höhe unabhängig voneinander ver­ schlossen werden können. Hierbei drückt ein federnder Arm auf den Deckel des zu sterilisierenden Gefäßes.

In der Zeitschrift für anorganische Chemie, 83 (1913), 371 und 392, wird die Durchführung chemischer Reaktionen in Glasge­ fäßen (Glasbirnen) erwähnt, die man in geschlossenen Stahl­ bomben erhitzt. Zur Kompensation des dabei entstehenden Druckes enthält die Stahlbombe eine bestimmte Menge Wasser.

In Annales de Chimie et de Physique, 32 (1851), 129-145, wird eine Glasröhrenanordnung gezeigt, wobei sich in einer teil­ weise mit Wasser gefüllten, abgeschmolzenen Ampulle A ein zweites Glasgefäß B befindet, dessen Innendruck durch einen entsprechenden Außendruck kompensiert wird.

Aus dem Journal of the American Chemical Society, 78 (1956), 5983-5986, ist eine Vorrichtung zur Durchführung chemischer Reaktionen unter Anwendung des Kompensationsdruckprinzipes bekannt. Hierbei wird jedoch ein abgeschmolzenes Reaktions­ gefäß in einer Stahlummantelung verwendet, die mit Stick­ stoff unter Druck gesetzt wird, um den durch die Reaktion entstehenden Innendruck im Reaktionsgefäß zu kompensieren.

Zur Durchführung chemischer Reaktionen unter erhöhtem Druck und gegebenenfalls ebenfalls erhöhter Temperatur, wie dies bei­ spielsweise beim Naßaufschluß organischer Materialien üblich ist, besteht das Problem, daß ein Reaktionsgefäß, in dem sich die reagierenden Stoffe befinden, einerseits aus inertem Mate­ rial gefertigt sein muß, um die Reaktion nicht zu beeinflussen bzw. an ihr teilzunehmen, und andererseits, daß dieses Reaktions­ gefäß dem erhöhten Druck und gegebenenfalls auch der erhöhten Temperatur standhalten muß.

Die gegenwärtig üblichen Verfahren bzw. Vorrichtungen, die hier­ für verwendet werden, lösen die angeführten Probleme nur unge­ nügend. So ist es beispielsweise üblich organische Materialien unter Drücken von bis zu 80 bar bei Temperaturen bis zu 150°C aufzuschließen, um sie beispielsweise einer anschließenden Analyse auf Metalle, Halbmetalle oder andere Elemente durch Atomabsorptionsspektrometrie oder anderen Methoden zuzuführen. Die hierfür verwendeten Parr-Bomben beste­ hen meist aus einem fest verschraubbaren Edelstahlgefäß mit eingebautem Sicherheitsventil, in das ein herausnehmbares Reak­ tionsgefäß aus einem elastischen Kunststoff, wie Polytetrafluor­ äthylen (PTFE) eingesetzt wird. Diese Gefäße halten etwa hundert Aufschlüsse bei der genannten Temperatur und einer Auf­ schlußdauer von etwa 12 Stunden aus, danach müssen sie ausge­ wechselt werden. Daraus ist ersichtlich, daß diese Reaktionsge­ fäße, obwohl PTFE äußerst widerstandsfähig ist, durch das Verfahren stark angegriffen werden und somit die Reaktion durch Aufnahme bzw. Abgabe von Material (z. B. Schwermetalle) beeinflussen kön­ nen. Ein weiterer Nachteil dieser Reaktionsgefäße aus PTFE liegt darin, daß die maximalen Arbeitstemperaturen zu niedrig sind, um eine Reihe von organischen Verbindungen, insbesondere Aromaten, durch das Aufschlußreagens vollständig zu oxidieren. Um bei höheren Temperaturen arbeiten zu können, werden Bomben­ rohre aus Glas bzw. Quarzglas verwendet, die nach der Befül­ lung mit Probe und Reagenzien zugeschmolzen werden müssen. Zum einen ist dieser Vorgang äußerst zeitraubend und verursacht hohe Kosten, zum anderen hält ein Bombenrohr nur einem verhält­ nismäßig niedrigen Innendruck, wie er bei dem Verfahren ent­ steht, stand. Bei Reihenuntersuchungen, wie sie beispielsweise in der Lebensmittelchemie an der Tagesordnung sind, ist es wün­ schenswert, die Aufschlußdauer möglichst gering zu halten. Die­ ses kann man durch eine Steigerung der Temperatur erreichen. Die erhöhte Temperatur und der daraus resultierende Druck, der im Probengefäß auftritt, erschweren die Anwendung der obengenann­ ten Verfahren bzw. Vorrichtungen nach dem Stand der Technik.

Als nächster Stand der Technik beschreibt die DE-OS 20 30 022 eine hermetisch verschließbare Ampulle, zur Durchführung physikalischer Vorgänge oder chemischer Reaktionen, wobei ein erstes zylinderförmiges Rohr an einem Ende durch ein zweites zylinderförmiges Rohr verschlossen wird, dessen Außendurch­ messer dem Innendurchmesser der Öffnung des erstgenannten Rohres entspricht. Das zweite Rohr sitzt mit einem radial ausgebildeten Flansch auf dem Rand des ersten Rohres auf. Weder diese noch die anderen aus dem Stand der Technik be­ kannten Vorrichtungen können zeitsparend und kostengünstig im routinemäßigen Laborbetrieb eingesetzt werden.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Durchführung chemischer Reaktionen bei erhöhter Temperatur und unter erhöhtem Druck in einem ein­ fach zu verschließenden Quarzgefäß bereitzustellen, wobei das Quarzgefäß rasch zugänglich ist und ein kostengünstiger sowie zeitsparender Einsatz im routinemäßigen Laborbetrieb möglich wird.

Hierbei sollen sehr hohe Drücke bei gleichzeitig sehr hohen Temperaturen erzielbar sein, um auch schwer oxidierbare Verbindungen vollständig aufzuschließen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung nach Anspruch 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungs­ formen der Vorrichtung ergeben sich aus den Unteransprüchen 2 bis 4.

Im folgenden wird anhand der Fig. 1 und 2 eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung beschrieben.

Fig. 1 zeigt einen Teil-Längsschnitt entlang der Linie II-II aus Fig. 2,

Fig. 2 zeigt eine Aufsicht auf die erfindungsgemäße Vorrich­ tung ohne Deckel 4, mit einer weiteren Ausführungsform der Spannvorrichtung und einem eingezeichneten Horizon­ talschnitt durch die Vorrichtung 2 entlang der Linie I-I aus Fig. 1 mit nur zwei Reaktionsgefäßen.

Die Vorrichtung besteht aus einem Autoklavenbehälter 3, der eben­ so wie der ihn abschließende Deckel 4 vorzugsweise aus Edelstahl gefertigt ist. Zwischen Deckel 4 und Autoklavenbehälter 3 befindet sich eine Dichtung 9, vorzugsweise eine Teflondichtung. Der Deckel 4 wird auf den Autoklavenbehälter 3 über einen Schnellverschluß 8 angedrückt. Hierfür trägt der Autoklavenbehälter 3 einen konischen Flansch 12, der im wesentlichen den gleichen Steigungswinkel aufweist, wie der koni­ sche Rand 13 des Deckels 4 und der Innenkonus 14 des Schnellver­ schlusses 8, der als zweigeteilter Ring ausgeführt ist. Die schrä­ gen Flächen sind derart angewinkelt, daß der sich ergebende flanschförmige Rand außen eine geringere Dicke aufweist, als innen am Behälter. Wenn sich der Deckel 4 auf dem Autoklavenbehälter 3 befindet, so wird der zweigeteilte Schnellverschluß 8 auf den sich nach außen verjüngenden Rand aufgesetzt und über Spannvorrichtungen 15 zusammengezogen. Das "Zuspannen" des zweigeteilten Schnell­ verschlusses 8 kann über Spannbänder, Schrauben, Schnappverschlüs­ se und ähnliches bewerkstelligt werden. Derartige Verschließvor­ richtungen sind äußerst schnell zu öffnen und zu schließen und bieten gleichzeitig optimalen Schutz vor Undichtigkeit, da die erzielbaren Kräfte, mit denen der Deckel 4 auf den Autoklavenbehälter 3 ge­ drückt wird, äußerst hoch sind. Im Autoklavenbehälter 3 befindet sich ein Ständer 7, der aus einem Metallblock mit Ausnehmungen 16 besteht, die zur Aufnahme der eigentlichen Reaktionsgefäße 1 bestimmt sind. Etwa in der Mitte der Vorrichtung 2 ist eine Schraube 17 mit Mutter 18 vorgesehen, die eine Scheibe 11 nach unten drücken kann. Das Reaktionsgefäß 1 besteht aus Quarzglas und weist ein unteres Teil 1 b, sowie einen Deckel 1 a auf, die im wesentlichen gleichen Durchmesser haben. Die Öffnungen die­ ser Teile sind mit Planschiffen 1 c versehen, so daß die beiden Teile gegebenenfalls über Teflondichtungen absolut dicht ver­ schließbar sind, wobei die Scheibe 11 den Deckel 1 a auf das untere Teil 1 b des Reaktionsgefäßes drückt.

Der Boden 6 des Autoklavenbehälters 3 ist bei der gezeigten Ausführungs­ fom der Erfindung heizbar und bringt über den Ständer 7 und das im Autoklavenbehälter 3 befindliche Medium den Inhalt der Reaktions­ gefäße 1 auf die gewünschte Temperatur. Zur Steuerung bzw. Regelung der Arbeitstemperatur kann beispielsweise im Metallblock 7, der das Aufheizen der Reaktionsgefäße 1 am stärksten beeinflußt, ein Temperaturfühler vorgesehen werden.

Weiterhin weist der Autoklavenbehälter 3 oder der Deckel 4 einen Anschluß 5 auf, über den das Innere des Autoklaven unter Druck gesetzt werden kann. Im folgenden wird die Durchführung des Ver­ fahrens unter Benutzung der beschriebenen Vorrichtung erläutert, wobei auch Zahlenangaben zum besseren Verständnis eingefügt sind. In den unteren Teil des Gefäßes 1 b, das im vorliegenden Bei­ spiel ein Innenvolumen von etwa 40 ml aufweist, wird eine Probe (bis zu 2 g Masse) sowie üblicherweise 65%ige Salpetersäure ge­ geben. Die Menge der Salpetersäure hängt von der Art und der Menge der Probe ab. Als Richtwert können 1 bis 2 ml Salpetersäure für 500 mg Probe angenommen werden. Sodann wird eine sehr dünne Teflon-Dichtung auf den oberen Rand des Gefäßes 1 b gelegt und der Deckel 1 a aufgesetzt. Nachdem die Reaktionsgefäße in den Metall­ block 7 eingesetzt sind, wird die Scheibe 11 auf die Schrau­ be 17 gesetzt und die Mutter 18 so lange angezogen, bis die Deckel 1 a der Reaktionsgefäße genügend stark auf die unteren Teile 1 b gedrückt sind. Sodann wird die mit Gefäßen 1 befüllte Vorrichtung 2 in den Autoklavenbehälter 3 eingebracht, der Deckel 4 auf den Autoklavenbehälter 3 unter Zwischenlegen einer Dichtung 9 auf den Autoklavenbehälter aufgesetzt. Danach werden die beiden Halbringe des Schnellverschlusses 8 um den so entstehenden Rand mit Doppelkonus ge­ legt und über die Spannvorrichtung 15 fest zusammengezogen, so daß der Deckel 4 auf den Autoklavenbehälter 3 gepreßt wird. Über den An­ schluß 5 wird der Autoklavenbehälter sodann beispielsweise aus einer Stick­ stoff-Bombe vor Beginn des Aufschlusses unter einen Inertgas-Druck von etwa 100 bar gesetzt. Über den beheizten Boden 6 wird die Auf­ schlußtemperatur nun entweder schrittweise oder direkt auf etwa 300°C gebracht. Die Aufschlußdauer variiert dann je nach Proben­ material von weniger als einer bis zu mehreren Stunden, wobei die Aufschlußtemperatur über den im Ständer 7 befindlichen Tempe­ raturfühler gemessen und gesteuert bzw. geregelt wird. Um die Dichtung 9, die den Deckel 4 zum Autoklavenbehälter 3 hin abdichtet, nicht bei jeder Beschickung erneuern zu müssen, wird der Deckel 4 beispielsweise über eine Wasserkühlung unterhalb der Fließ­ temperatur des Dichtungsmaterials gehalten.

Es ist leicht ersichtlich, daß bei dieser Anordnung die eigentlichen Reaktionsgefäße 1, die bei den angewendeten Temperaturen oft erhebliche Innendrücke (30 bis 60 bar) aufweisen, diesen Drücken nicht standhalten müssen, da der Außendruck, der im Autoklavenbehälter vorherrscht, diesen Druck sogar überkompensiert. Durch diese Überkompensation, der die Reaktions­ gefäße 1 leicht standhalten, wird der Deckel 1 a fest auf den unteren Teil des Reaktionsgefäßes 1 b gedrückt, so daß kein Mate­ rial aus dem Inneren des Reaktionsgefäßes 1 entweichen kann. Die zwischen Ober- und Unterteil des Gefäßes 1 gelegte Teflon- Dichtung wird zwar bis über ihre Fließgrenze aufgeheizt, zeigt jedoch nicht die oben beschriebenen nachteiligen Wirkungen des Kunststoffes, da ihre freiliegende Oberfläche vernachlässigbar klein ist.

Im Gegensatz zu Vorrichtungen nach dem Stand der Technik ist es somit möglich, gleichzeitig mehrere Proben bei erheblich höheren Drücken und Temperaturen aufzuschließen. Als limitierender Faktor für die Drucksteigerung ist lediglich die Beschaffen­ heit des Autoklaven, also des Autoklavenbehälters 3, des Deckels 4 und der dazu­ gehörigen Verschlußvorrichtung zu nennen, wobei diese mehr oder minder beliebig stabil gebaut werden können. Die beschriebene Vorrichtung bietet somit besonders im Routinebetrieb erhebliche Vorteile gegenüber dem Stand der Technik. Weiterhin bietet die Erfindung die Möglichkeit eine Reihe von Stoffen aufzuschließen, deren Bearbeitung bis jetzt einen erheblich größeren Aufwand erforderte.

Eine der Besonderheiten der gezeigten Vorrichtung besteht darin, daß nicht nur die Probengefäße schnell befüllt und verschlossen werden können, sondern auch der Autoklav mit dem Schnellverschluß leicht, sicher und schnell geschlossen und geöffnet werden kann. Dies ist eine unabdingbare Voraussetzung für Reihenuntersuchungen, da das hier eingesetzte, oft ungeübte Personal den komplizierten Mechanismus herkömmlicher Autoklaven manchmal falsch bedient. Diese Fehler geschehen leicht im Routinebereich und unter Zeitdruck und können Unfälle verursa­ chen, deren Wirkungen kaum abzusehen sind.

Claims (4)

1. Vorrichtung zur Durchführung chemischer Reaktionen bei erhöhter Temperatur und erhöhtem Druck, die ein ver­ schließbares Quarzgefäß und einen abnehmbaren Quarz­ deckel mit jeweils plan geschliffenem Rand umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Quarzgefäß (1), dessen Rand (1 c) dem Rand des Quarzdeckels (1 a) für das Gefäß (1) entspricht, in einem Ständer (7) in entsprechenden Ausnehmungen (16) an­ geordnet ist;
der Ständer (7) eine Haltevorrichtung (11, 17, 18) für den Deckel (1 a) des Quarzgefäßes aufweist, die den Deckel dichtend auf das untere Teil (1 b) des Quarzgefäßes drückt;
und sich der Ständer (7) in einem Autoklavenbehälter (3) befindet, dessen Deckel (4) durch einen Schnellverschluß zur Atmosphäre abgedichtet ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Haltevorrichtung aus Spannmitteln (10) und einer auf den Deckel der Quarzgefäße liegenden Scheibe (11) besteht.

3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schnellverschluß des Autoklavendeckels aus mindestens einem konisch sich nach außen verjüngenden Rand (12, 13) am Autoklavenbehälter (3) und/oder am Deckel (4) und einem unterteilten Ring mit einem entsprechenden Innenkonus (14) besteht, der den Rand des Autoklavenbe­ hälters (3) und den Rand des Deckels (4) übergreift, so daß beim Zusammenziehen des Ringes die konischen Flächen (12, 13, 14) aufeinander gleitend den Deckel (4) unter Abdichtung auf den Autoklavenbehälter (3) ziehen.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Autoklavenbehälter (3) einen heizbaren Boden (6) auf­ weist, der über den Ständer (7) sowie das im Autoklaven­ behälter (3) befindliche Medium die gefüllten Quarzge­ fäße (1) aufheizen kann, wobei die Temperatur gegebenen­ falls über Meßfühler, die vorzugsweise im Ständer (7) an­ gebracht sind, gesteuert oder geregelt wird.