Reinstwasseranalytik – Mennyire tiszta az ön tisztított víze?

Reinstwasseranalytik – Mennyire tiszta az Ön tisztított víze?

A tiszta- és tisztavíz analitikája egy nagyon átfogó téma, amely különböző követelményeket és határértékeket ír elő az adott iparágakban. Atomerőművekben például folyamatosan figyelemmel kísérik a tiszta víz bórtartalmát. A fémszennyeződések kimutatása a félvezetőipar számára a tiszta vízben biztosan ppt alatti tartományban történik. A gyógyszerészeti víz mikrobiológiai szennyeződések szempontjából van kiemelten vizsgálva. Például, ha nyomnyomokban kloridot kell kimutatni, akkor az eluentben lévő kloridnak a lehető legkisebbnek kell lennie. A tiszta víz specifikus vezetőképessége, amely ismert 18,2 MΩ·cm értékkel rendelkezik, csak egy első iránymutató lehet a vizsgált víz minőségének értékelésében.

Ebben az összefoglalóban példaként és széles körben ismert analitikai módszereket vázolunk a tiszta víz vizsgálatára. A kérdéskörtől függően számos további módszer létezik, amelyek kifejezetten az adott alkalmazási területhez igazodnak. Például a molekuláris biológiában a tiszta vízben DNS vagy RNS fragmentumok szennyeződésének hiányát kell biztosítani. Ezt a paramétert például PCR-analízissel lehet kimutatni. A Fraunhofer IPA által végzett vizsgálatokat többek között a következőkben alkalmazzák a tiszta víz analitikájában:
• Mikrobiológiai szennyeződés (baktériumok, gombák, spórák)
• Összes szén (szervetlen és szerves)
• Vezetőképesség, mint az összes ionos kötés összegzett paramétere
• Ion-kromatográfia az egyes ionok mennyiségi meghatározására
• Gázkromatográfia szerves szennyeződések mennyiségi meghatározására
Az összes szén meghatározásával nem foglalkozunk ebben a cikkben, ez a következő kiadások egyikében lesz tárgyalva.

Vezetőképesség

A vezetőképesség mérőeszközzel mérhető a tiszta víz specifikus vezetőképessége. Ez egy rendkívül robusztus és költséghatékony módszer, amelyet általában online, szabványosított módon használnak tiszta vízrendszerekben. A mért összesített vezetőképesség az összes ionos egyenértékvezetőképesség összegéből adódik (Λ; [S·cm²·mol⁻¹] vagy [Ω⁻¹·cm²·mol⁻¹]). Az egyes ionok moláris vezetőképessége alapján kiszámítható egy sóoldat vezetőképessége. A vezetőképesség mérésekor fontos a mérés közben mért hőmérséklet, mivel ez befolyásolja a mérési eredményt. A legtöbb műszer ezt a hőmérsékletet mérni is tudja, és ennek megfelelően korrigálja az eredményt. Az eredmény általában egy referenciahőmérséklethez, például T = 25 °C-hoz viszonyítva kerül kijelzésre. Ismertek a következő egységek: a specifikus ellenállás Ω·cm-ben, és a vezetőképesség S·cm⁻¹-ben. Gyakran a mérési érték a specifikus ellenállásként kerül megadásra, ahol 1 S·cm⁻¹ = 1 Ω⁻¹cm⁻¹. Az alábbi táblázat például bemutatja a legfontosabb ion-egyenértékvezetőképességeket (3).

A kálium-klorid (KCl) 25 °C-on moláris ionvezetőképessége 74 + 76 = 150 cm²·Ω⁻¹·mol⁻¹. Egy 1 mM kálium-klorid oldat (körülbelül 75 mg/l) így 25 °C-on vezetőképessége 1,5E-4 cm⁻¹·Ω⁻¹ vagy 150 μS/cm. A gyakorlatban ez az érték kissé alacsonyabb, 147 μS/cm, mivel az ion-egyenértékvezetőképesség elméletileg végtelen hígítás esetén értelmezett (Kohlrausch-törvény (4) vagy Debye-Hückel-Onsager-elmélet (5)). A vezetőképesség határértékeit különböző tiszta víz minőségek esetén többek között a Ph.Eur (1), az ISO 3696 szabvány (6), az IRTS Roadmap (7) és az ASTM D1193-06 (8) határozza meg. Fontos megjegyezni, hogy a víz, még teljesen tiszta állapotában is, kis sajátvezetőképességgel rendelkezik az amfoter tulajdonsága miatt. Ez körülbelül 18,2 MΩ·cm vagy 0,55 μS/cm 25 °C-on.

Ion-kromatográfia

Amennyiben a vezetőképesség összegzett paraméterként nem elegendő az összes ionos kötés részletes vizsgálatához, alkalmazható az ion-kromatográfia anion- és kation-analízissel, nyomnyomokban történő mérésre. Ilyenkor az elemzendő vizet egy automata mintavevő segítségével egy felhalmozó oszlopra viszik. Minden ionos kötés (kation vagy anion, attól függően, hogy melyik felhalmozó- és elemzőoszlop van beépítve, illetve melyik módszer alkalmazott) visszatartódik a felhalmozó oszlopon. Ez lehetővé teszi, hogy a hagyományos mintacsőhöz képest sokkal nagyobb mintamennyiséget analizáljunk, mivel a felhalmozás és az utólagos elution révén még nagy mennyiségű minta esetén is nagyon éles csúcs érhető el. A kromatográfiában az ionokat a mobilitásuk szerint időben elválasztják az elemző oszlopon, majd általában rendkívül érzékeny vezetőképesség- detektorral elemzik. Különleges kérdések esetén léteznek más, részben szelektív detekciós technológiák is, például UV/VIS detekció, ampermometrikus detekció vagy összekapcsolási technikák, például tömegspektrométerrel (9). A berendezési részletekről, például az anionanalitika során alkalmazott kémiai elnyomásról, itt nem lesz szó. A kalibráció és az ion-specifikus retenciós idő (tartási idő az elemző oszlopon) alapján a felületi összehasonlítás segítségével meghatározható az egyes ionok koncentrációja.

Példaként bemutatjuk, hogy az intézeti tiszta víz körgyűrű rendszerének egy adott pontjáról történő mintavétel előtt a nyomnyomokban lévő anionokat ion-kromatográfiával, felhalmozással és vezetőképesség-érzékeléssel, kémiai elnyomással mérve lehet kimutatni. Az anion-analízishez használt berendezés egy 850 Professional IC rendszer volt, amelyhez tartozott a 858 Professional Sample Processor, két 800 Dosino és a MagIC-Net szoftver (Metrohm AG, Herisau, Svájc) (1. ábra).

Az anionok felhalmozását vezetőképesség-érzékeléssel, kémiai elnyomással választottuk. A kalibrációs görbéket a mintavevő segítségével, egy kiinduló oldat és különböző felhalmozási térfogatok alkalmazásával automatikusan készítettük el. Ez lehetővé tette, hogy nagyon magas pontosságot érjünk el, kizárva a mintavevő tűjének külső és belső öblítésével minden injekció után fellépő esetleges visszafertőződést. A következő eredményeket sikerült meghatározni:

Kimutattuk, hogy bár az online mérés a tiszta víz rendszerében a 18,2 MΩ értéket mutatta, egy példamutató mintavételi ponton akár 5 perc előzetes idővel is különböző anionokat lehetett kimutatni. Ezen a mintavételi ponton tíz perc előzetes időt javasolnak a tiszta víz biztosítása érdekében. Például, 1 μg/l klorid öt perc előzetes idővel, egy 1 μg/l kálium-klorid oldatból (körülbelül 0,013 μmol/l KCl) elméleti vezetőképességet eredményez, ami 0,0024 μS/cm (lásd 1. táblázat). Továbbá a használt mintavételi edények tisztasága is jelentős szerepet játszik, és mindig kontrollvizsgálatokkal kell figyelembe venni. Az ionos szennyeződések a technikai alkatrészeken (például egy 4 mm-es imbuszkulcs, 10 mm hosszú) kiválóan kvantifikálhatók ion-kromatográfiával. Általánosságban elmondható, hogy a szennyeződések miatt a szilárd anyagokat tartalmazó edényeket nem szabad használni a nyomnyomok vizsgálatára, mivel az ionokat kioldhatják a vízbe. Alkalmasak például a magas tisztaságú polipropilén (PP) edények. Minden PP-edényt (az eluens előállításához, mintavételhez és tároláshoz) folyamatosan tiszta vízben tárolnak, amit meghatározott időközönként cserélnek.

Gázkromatográfia/tömegspektrometria

A tiszta vízben található szennyező molekulák különböző módszerekkel kerülnek a gázkromatográf (GC) oszlopára. A molekulák tulajdonságaitól (méret, kölcsönhatás az oszlop szilárd mátrixával stb.) függően különböző sebességgel haladnak át az oszlopon, és különböző időpontokban jutnak a detektorhoz. Ha tömegspektrométert (MS) használnak detektorként, a vizsgált molekula például elektron-befecskendezéssel bomlik részekre (fragmensekre). A molekula tömege és töltése (általában egyszerűen töltött) szerint detektálják ezeket a fragmentumokat. Így minden kromatogram-ponton egy adott MS spektrum áll rendelkezésre. A következő feladatokat lehet alkalmazni:

Folyadékbefecskendezés

Ezzel a módszerrel egy meghatározott térfogatú vizet injektálnak a gázkromatográfba (GC), ahol az elpárologtatás történik az injektorban.

Headspace

Ebben az esetben a tiszta vizet egy tisztított GC-üvegbe (Headspace-üveg) helyezik, amelyet szelep zár le. Ezután egyensúly alakul ki a folyadék és a gázfázis között. A hőmérséklet növelésével ez az egyensúly a gázfázis felé tolódik. A gázteremből egy részt egy gáztömör szívóval vesznek ki, és a GC injektorába juttatják.

Headspace-trap

Eltérően a headspace-elemzéstől, itt a palackot folyamatosan tiszta gázzal (helium vagy nitrogén stb.) mossák. A kifújó gázt egy hűtőfokon keresztül vezetik, ahol minden szerves kötést egy adott, a hűtőfok függvényében kialakuló spektrumra visszatartanak. A kifújás befejezése után a hűtőfokot 40K/s sebességgel melegítik. A visszatartott anyagokat azonnal felszabadítják, és közvetlenül a gázkromatográfba vezetik. Ez a módszer sokkal érzékenyebb, mint a hagyományos headspace technika.

A képek, táblázatok és keresztreflexiók a mellékelt pdf-dokumentumban találhatók

Irodalomjegyzék
1. Ph. Eur. European Pharmacopeia, 7. kiadás. Strasbourg: European Directorate for the Quality of Medicines and Healthcare, 2010.
2. Bogosian, Gregg és Bourneuf, Edward V. A kérdés a baktériumok életben és halálban. EMBO. 2001, 2. kötet, 9. szám, 770-774. oldal.
3. Eith, Claudia, et al. [Könyv szerzője] Kai-Henning Viehweger. Az ion-kromatográfia gyakorlata. 2. kiadás. Herisau: Metrohm AG, 2007.
4. Kohlrausch, Friedrich. A gyakorlati fizika kis útmutatója. 1. kiadás Leipzig: Teubner Verlag, 1870.
5. Debye, P. és Hückel, E. Az elektrolitok elmélete. I. A fagyáspont csökkenése. Physikalische Zeitschrift. Leipzig: S. Hirzel Verlag, 1923. 24. oldal, 185-206.
6. ISO 3696. Víz elemző laboratóriumi felhasználásra; specifikáció és vizsgálati módszerek. Berlin: Beuth Verlag, 1987.
7. Nemzetközi technológiai útiterv a félvezetőkhöz. Termelésnövelés. s.l.: www.irts.net, 2003.
8. ASTM D1193-06. Szabványos előírás a reagens vízre. West Conshohocken: ASTM International, Amerikai Tesztelési és Anyagvizsgálati Társaság, 2011.
9. Bogenschütz, German, et al. Fejlett detekciós technikák az ion-kromatográfiában. Herisau: Metrohm AG, 2006.