Untersuchungen zum Einsatz des kapazitiv gekoppelten Mikrowellenplasmas zur "on-line"-Bestimmung von Schwermetallen in Luftströmen mit der optischen Emissionsspektrometrie
Creators: name: Seelig, Marco
Publisher: name: Universität Dortmund
Year: 2000
Subjects: subject: air CMP
subject: capacitively coupled microwave plasma (cmp)
subject: continuous emission monitoring
subject: FB 03
subject: Kapazitiv gekoppeltes Mikrowellenplasma (CMP)
subject: Luft-CMP
subject: "on-line" Bestimmung
subject: Wasser und CO2 Beladung
subject: water and co2 loading
subject: 540

description: Aufgrund eines stetig wachsenden Umweltbewußtseins und des zunehmenden Wissens über die Toxizität einer Reihe von Elementen und deren Verbindungen ist es Aufgabe der Analytischen Chemie, Schadstoffe z.B. in der Abluft industrieller Prozesse zu erfassen sowie prozeßbegleitende Kontrollen durchzuführen. Ziel ist es, bei Emissionen die toxischen Stoffe bereits bei ihrer Entstehung im Prozeß zu erkennen und ihre Konzentration zu bestimmen. Mit Hilfe der optischen Emissionsspektrometrie (OES) besteht die Möglichkeit einer schnellen Bestimmung der Konzentration vieler Elemente. Das induktiv gekoppelte Plasma (ICP) ist die am häufigsten verwendete Strahlungsquelle für die OES. Weniger bekannt als das ICP sind die Mikrowellenplasmen, z.B. das kapazitiv gekoppelte Mikrowellenplasma (CMP). Dieses kann mit unterschiedlichen Arbeitsgasen wie Ar oder He aber auch mit billigeren Gasen wie O2, N2 oder sogar Luft betrieben werden. Verglichen mit dem ICP ist das CMP sowohl in seiner Anschaffung als auch in seinen Betriebskosten günstiger. Es wird bei 600 W und einem Gasfluß von 2 - 3 L/min betrieben. In dieser Arbeit wurden die Güteziffern für verschiedene Schwermetalle bei einer Verwendung von Ar, N2 und Luft als Arbeitsgase bestimmt. Nach Optimierung wichtiger Betriebsparameter wie Beobachtungshöhe, Gasfluß und Pumprate liegen die erhaltenen Nachweisgrenzen der oben genannten Elemente im Bereich von 15 - 4000 ng/mL. Die Nachweisgrenzen, die mit Luft als Arbeitsgas erhalten wurden, unterschieden sich nicht sehr von denen bei anderen Betriebsgasen. Da durch die Zerstörung von organischen Bestandteilen bei Verbrennungsprozessen größere Mengen an CO2 und H2O entstehen, wurde auch der Einfluß von H2O und CO2 auf die Güteziffern untersucht. Um unterschiedliche Mengen an Wasser ins Plasma einzubringen, wurden drei unterschiedliche Zerstäuber-Typen (GMK-Zerstäuber nach Légère, Hochdruckzerstäubung und Ultraschallzerstäuber) verwendet. Der Hochdruck- und der Ultraschall-Zerstäuber können ohne Desolvatisierungseinheit betrieben werden. Die Nachweisgrenzen für die Elemente Cd, Co, Cr, Fe, Mg, Ni und Pb liegen bei 0.4 - 2000 µg/m3 und damit weit unterhalb der zulässigen Grenzwerte in Abluft von 50 µg/m3 für die Summenkonzentration an Cd, Tl und Hg und 500 µg/m3 für die Summenkonzentration der Elemente As, Co, Cr, Cu, Mn, Ni, Pb, Sb, Sn und V. Zusätzlich wurde der Einfluß der Wasserbeladung der Aerosole auf die Rotations- und Anregungstemperaturen im Plasma untersucht. Die Rotationstemperaturen liegen für die verwendeten Zerstäuber im Bereich von 3700 bis 4900 K, die Anregungstemperaturen im Bereich von 4700 K bis 7100 K. Die Temperaturen zeigen, daß Änderungen in der Geometrie und die Temperaturveränderungen selber Ursache für den Anstieg der Nachweisgrenzen sind. Weiterhin wurde der Einfluß von CO2 auf die Nachweisgrenzen der Elemente Cd, Cr und Pb untersucht. Dazu wurden unterschiedliche Mengen an CO2 (3 - 22 %) zu dem Arbeitsgas gemischt, wobei der Gasfluß konstant bei 1,2 L/min gehalten wurde. Es stellte sich heraus, daß mit steigender Konzentration an CO2 die Nachweisgrenzen anstiegen. Da in Abgasen die Verunreinigungen sowohl in Flüssigkeitströpfchen als auch in festen Partikeln vorkommen können, indem sie an anderen Bestandteilen ad- oder absorbiert werden, wurden die Möglichkeiten der Bestimmung von Verunreinigungen in Feststoffen untersucht. Dazu wurden SiC-Pulver mit bekannten Konzentrationen an Verunreinigungen als Modellsubstanz verwendet und die Verunreinigungen in diesem Feststoff mittels der Suspensionstechnik bestimmt. Die oben genannten Ergebnisse zeigen, daß mit der OES am Luft-CMP eine Möglichkeit der direkten Bestimmung von Fe, Cr, Ni und Co in Luft ohne großen Zeitbedarf gegeben ist. Diese Methode gestattet es somit prinzipiell, bei Verbrennungsprozessen direkt auf Prozeßparameter Einfluß zu nehmen, um so die Konzentrationen umweltgefährdender Elemente oder Verbindungen in der Abluft zu minimieren.