Zastosowania chromatografii jonowej w przemyśle

Zastosowania chromatografii jonowej w przemyśle
Fot. Adobe Stock. Data dodania: 20 września 2022

Jednym z najważniejszych źródeł zanieczyszczeń, nie tylko środowiska, jest przemysł. W ostatnich latach znaczenie monitorowania i kontroli zanieczyszczenia środowiska stało się oczywiste we wszystkich rejonach świata. W związku z tym chemicy analitycy zwiększyli swoje wysiłki związane z identyfikowaniem i oznaczaniem substancji toksycznych w powietrzu, wodzie, ściekach, glebach oraz innych elementach środowiska. W XIX w., zanim rozpoczął się szybki rozwój przemysłowy, szacowano, że w środowisku znajdowało się ok. 300 000 związków chemicznych.

Wprowadzenie

Na początku XXI w. ich liczba przekracza już 63 000 000. Zdecydowana większość z nich to związki chemiczne pochodzenia antropogenicznego. O większości z nich wiemy niewiele, lub tylko to, że mogą być niebezpieczne dla ludzi. Są one obecne we wszystkich elementach środowiska, co ma ogromny wpływ na samo środowisko i na jakość naszego życia. Ich wykrywanie na bardzo niskich poziomach stężeń wymaga stosowania bardziej czułych i dokładnych metod i technik analitycznych. Codziennie w tysiącach laboratoriów na całym świecie wykonuje się miliony oznaczeń różnych substancji. Rozwój nowych metodyk, i poprawa już istniejących, to obecnie główne zadania dla chemików analityków. Postępy w zakresie nowej aparatury badawczej oraz systemów wykrywania i technik rozdzielania, dostarczają nowych narzędzi niezbędnych do stałego obniżania granic wykrywalności i poprawy wiarygodności metodyk analitycznych. Do oznaczania wybranych analitów stosuje się różne metody, w tym: spektroskopowe, kolorymetryczne, grawimetryczne, turbidymetryczne, miareczkowe i elektrochemiczne.

Stosowanie niektórych z nich ograniczają liczne interferencje i ograniczona czułość, a także pracochłonność i brak możliwości automatyzacji.

Do najczęściej oznaczanych analitów należą nieorganiczne i organiczne jony. W tym zakresie dominującą obecnie techniką analityczną jest chromatografia jonowa [1].

Chromatografia jonowa

Współczesna chromatografia jonowa po raz pierwszy opisana została w 1975 r. w przełomowej pracy Stevensa, Smalla i Baumanna [2]. We wrześniu 1975 r. pierwszy komercyjny chromatograf jonowy został zaprezentowany na spotkaniu Amerykańskiego Towarzystwa Chemicznego w Chicago (USA). Rozróżniamy dwa główne typy chromatografii jonowej: chromatografia jonowa z tłumieniem przewodnictwa oraz chromatografia jonowa bez tłumienia przewodnictwa. Podstawą procesów rozdzielania jest wymiana jonowa, aczkolwiek inne odmiany chromatografii, takie jak chromatografia wykluczania jonów oraz chromatografia par jonowych, są również wykorzystywane. Do oznaczania substancji jonowych mogą być stosowane różne odmiany chromatografii jonowej, takie jak nieorganiczne aniony i kationy (w tym metali alkalicznych i metali ziem alkalicznych; metali przejściowych i metali ziem rzadkich) [3];

kwasów karboksylowych, sulfonowych i fosfonowych; detergentów;

węglowodanów; zasad organicznych (np. amin) oraz jonów metali i metaloidów na różnych stopniach utlenienia [4]. Główne zalety chromatografii jonowej to:
  • krótki czas analizy

  • wykrywalność na poziomie μg/L [5]

  • wysoka selektywność rozdzielania nawet w próbkach o złożonej matrycy [6]

  • prosty sposób przygotowania próbki do analizy [7]

  • mała objętość próbki

  • możliwość równoczesnego oznaczania anionów i kationów, lub jonów nieorganicznych i organicznych

  • analityka specjacyjna (np. NO2 -/NO3 -/NH4 +; SO3 2-/SO4 2-/S2-; H2PO4 -/ HPO4 2-/PO4 3-; Br-/BrO3 - [8]; Cl-/ClO2 -/ClO3 -/ClO4 -; Cr(III)/Cr(VI); Fe(II)/Fe(III))

  • stosowanie tanich i bezpiecznych dla środowiska odczynników.
Z tych powodów chromatografia jonowa jest atrakcyjną techniką analityczną, zwłaszcza dla laboratoriów, które rutynowo zajmują się oznaczaniem anionów i kationów, ale nie posiadają automatycznych analizatorów, które zazwyczaj opierają się na procedurach kolorymetrycznych. Metody separacji i typowe eluenty stosowane w chromatografii jonowej oraz typowe jony analizowane tą metodą podano Tablicy 1.

Metody oznaczania anionów i kationów powinny spełniać następujące kryteria:
  • oznaczanie jonów na poziomie 10% maksymalnego

  • dopuszczalnego stężenia

  • prosty sposób przygotowania próbki do analizy

  • krótki czas analizy

  • niski koszt pojedynczej analizy

  • dostępność metodyki.
Metody oparte na chromatografii jonowej spełniają te wymagania;

są więc stosowane jako metody referencyjne w laboratoriach przemysłowych i badawczych. Po publikacji norm ISO dotyczących chromatografii jonowej, liczba laboratoriów stosujących tę technikę gwałtownie wzrosła. Także wiele innych organizacji, takich jak USEPA (United States Environmental Protection Agency), ASTM (American Society for Testing and Materials) i AOAC (Association ofAnalytical Communities) oferuje wiele aplikacji opartych na chromatografii jonowej [9]. Aktualnie Polski Komitet Normalizacyjny oferuje kilka polskojęzycznych wersji norm wykorzystujących metodę chromatografii jonowej do oznaczania jonów w wodach i ściekach. Są to: 1. PN-ISO 10304 - 1 : (1998). Jakość wody - Oznaczanie rozpuszczonych jonów fluorkowych, chlorkowych, azotynowych, ortofosforanowych, bromkowych, azotanowych i siarczanowych za pomocą chromatografii jonowej, Część 1: Metoda dla wód mało zanieczyszczonych. 2. PN-ISO 10304 - 2 : (1998).Jakość wody - Oznaczanie rozpuszczonych anionów za pomocą chromatografii jonowej. Część 2: Oznaczanie bromków, chlorków, azotanów, azotynów, ortofosforanów i siarczanóww ściekach. 3. PN-ISO 10304 - 3 : (2000). Jakość wody - Oznaczanie rozpuszczonych anionów za pomocą cieczowej chromatografii jonowej -Część 3: Oznaczanie chromianów, jodków, siarczynów, tiocyjanków i tiosiarczanów. 4. PN-ISO 10304 - 4 : (2000). Jakość wody - Oznaczanie rozpuszczonych anionów za pomocą chromatografii jonowej - Część 4: Oznaczanie chloranów, chlorków i chlorynów w wodach mało zanieczyszczonych. 5 PN-ISO 15061 : (2002). Jakość wody - Oznaczanie rozpuszczonych bromianów - metodą chromatografii cieczowej.

6. PN-ISO 14911 : (2001). Jakość wody - Oznaczanie jonów Li+, Na+, NH4 +, K+, Mn2+, Ca2+, Mg2+, Sr2+ i Ba2+ techniką chromatografii jonowej - Metoda dla wód i ścieków. Istnieje też kilka polskich wersji metod ISO lub CEN opartych na chromatografii jonowej, a dotyczących innych, niż woda i ścieki, matryc. Są to m.in.:
1. PN-ISO 1911-1-3 : (2001). Emisja ze źródeł stacjonarnych. Manualna metoda oznaczania HCl.

Część 1: Pobieranie próbek gazów.

Część 2: Absorpcja związków gazowych.

Część 3: Analiza roztworów absorpcyjnych i obliczanie.
2. PN-EN 13368-1:2004. Nawozy. Oznaczanie czynników chelatujących metodą chromatografii jonowej. Część 1: EDTA, HEDTA i DTPA.

3. PN-EN 13368-2:2004. Nawozy. Oznaczanie czynników chelatujących metodą chromatografii jonowej. Część 2: EDDHA i EDDHMA.

4. PN-EN 15492:2007 Etanol jako komponent benzyny. Oznaczanie nieorganicznych chlorków i siarczanów. Metoda chromatografii jonowej.

5. CEN 264125:2010 Ambient air quality. Guide for the measurement of anions and cations in PM 2.5.

6. EN 15192 Characterisation of waste and soil - Determination of hexavalent chromium in solid material by alkaline digestion and ion chromatography with spectrophotometric detection.

7. ISO 11632:2002 Stationary source emission. Determination of mass concentration of sulfur dioxide. Ion chromatography method.

Zastosowania chromatografii jonowej w przemyśle

Biorąc pod uwagę pochodzenie próbki będącej przedmiotem analizy można wyróżnić próbki pochodzące z różnych gałęzi przemysłu.

I tak chromatografia jonowa znajduje zastosowanie m.in. w przemyśle [10]:
1. Farmaceutycznym (oznaczanie czystości preparatów medycznych, kontrola produkcji leków oraz oznaczanie w nich zawartości wybranych substancji).

2. Produkcji półprzewodników (oznaczanie śladowych zawartości jonów w wodach o wysokiej czystości oraz preparatach do produkcji półprzewodników; badania zanieczyszczeń rozpuszczalników organicznych; oznaczanie śladowych zanieczyszczeń powietrza w pomieszczeniach produkcyjnych).

3. Cementowym (oznaczanie zawartości metali ciężkich, m.in. chromu w cemencie).

4. Chemicznym (badania stopnia czystości odczynników chemicznych;

oznaczanie zawartości metali ciężkich w nawozach; kontrola procesów technologicznych).

5. Energetycznym (oznaczanie zanieczyszczeń w wodach do chłodzenia zawierających aminy stosowane w celu zapobiegania korozji turbin i instalacji energetycznych; oznaczanie pierwiastków promieniotwórczych w odpadach z elektrowni nuklearnych).

6. Petrochemicznym (oznaczanie amin, polifosforanów, cyjanków, kwasów mineralnych, jonów siarki w roztworach do absorpcji zanieczyszczeń gazowych).

7. Metalurgicznym (oznaczanie składu stali i innych stopów; badania jonów metali w ściekach).

8. Papierniczym (badania zawartości związków siarki, chloru, metali grupy 1 i 2 oraz metali przejściowych w ściekach; kontrola procesów technologicznych).

Elektrochemicznym i garbarskim (oznaczanie metali ciężkich, polifosforanów i cyjanków w odpadach galwanizacyjnych; oznaczanie zawartości chromu i jego związków w odpadach garbarskich).

Dwie największe światowe firmy zajmujące się produkcją i dystrybucją aparatury i akcesoriów do chromatografii jonowej, to amerykańska firma Dionex (obecnie należy do firmy Thermo Scientific) oraz szwajcarska firma Metrohm. Wybrane aplikacje tych firm, opisujące wykorzystanie chromatografii jonowej w różnych gałęziach przemysłu, podano odpowiednio w Tablicach 2 i 3.

Podsumowanie

Najważniejsze zalety chromatografii jonowej, to: szeroki zakres zastosowań, dobrze rozwinięte technologie sprzętowe, możliwość stosowania różnych metod detekcji, niezawodność, bardzo dobra dokładność i precyzja oznaczań, wysoka selektywność rozdzielania, duża szybkość i niskie koszty materiałów eksploatacyjnych. W związku z tym chromatografia jonowa jest powszechnie akceptowana jako metoda referencyjna nie tylko do analizy wody i ścieków. Od czasu powstania w 1975 r. chromatografii jonowej jest ona stosowana w wielu gałęziach przemysłu. Obecnie najważniejsze wyzwania związane z rozwojem chromatografii jonowej, to: nowe metody przygotowywania próbek; poprawa szybkości i selektywności rozdzielania analitów; dalsze obniżenie granic wykrywalności i oznaczalności; rozszerzenie zakresu zastosowań; rozwój nowych metod standardowych;

miniaturyzacja oraz rozszerzenie zakresu analizy nowej grupy substancji. Biorąc pod uwagę wymagania rynkowe, coraz więcej laboratoriów poddaje się akredytacji zgodnie z normą PN-EN ISO/IEC 17025:2005 [11]. Chromatografia jonowa jako metoda referencyjna spełnia wymagania zawarte w tej normie i znajduje coraz szersze uznanie także w laboratoriach przemysłowych.

Literatura

1. Michalski R.: Chromatografia jonowa. Podstawy i zastosowania. SWSZ Katowice 2011.

2. Small H. Stevens T.S., Bauman, W.C.: Novel ion exchange chromatographic method using conductometric detection. Analytical Chemistry, 47, (1975), 1801-1886.

3. Michalski R.: Application of ion chromatography for the determination of inorganic cations. Critical Reviews in Analytical Chemistry, 39, (2009), 230-250.

4. Michalski R., Jablonska M., Szopa S., Łyko A.: Application of Ion Chromatography with ICP-MS or MS Detection to the Determination of Selected Halides and Metal/Metalloids Species. Critical Reviews in Analytical Chemistry, 41, (2011), 133-150.

5. Michalski R.: Detection in Ion Chromatography [in] Encyclopedia of Chromatography.

Ed. J. Cazes, Taylor & Francis, CRC Press, Third Edition, 2010, Vol. I, pp.576-580.

6. Jackson, P.E.: Ion chromatography in environmental analysis, [in] Encyclopedia of Analytical Chemistry. Meyers, R.A., Ed.; Wiley: Chichester, U.K., 2000, pp. 2779-2801.

7. Michalski R.: Sample Preparation for Ion Chromatography, [in] Encyclopedia of Chromatography. Ed. J. Cazes, Taylor & Francis, CRC Press, Third Edition, 2010, Vol. III, pp.2106-2110.

8. Michalski R.: Ion Chromatography Determination of Bromate - State of the Art. Trends in Chromatography, 5, (2009), 27-46.

9. Michalski R.: Ion Chromatography as a Reference Method for the Determination of Inorganic Ions in Water and Wastewater. Critical Reviews in Analytical Chemistry, 36, (2006), 107-127.

10. Michalski R., Łyko A.: Przemysłowe zastosowania chromatografii jonowej [w] Nauka i przemysł - metody spektroskopowe w praktyce. Nowe wyzwania i możliwości. Lublin, 2012, str. 84-94.

11. Michalski R., Mytych J.: Przewodnik po akredytacji laboratoriów badawczych wg normy PN-EN/ISO/IEC 17025. Katowice, Elamed, 2011.
×

DALSZA CZĘŚĆ ARTYKUŁU JEST DOSTĘPNA DLA SUBSKRYBENTÓW STREFY PREMIUM PORTALU WNP.PL

lub poznaj nasze plany abonamentowe i wybierz odpowiedni dla siebie. Nie masz konta? Kliknij i załóż konto!

Zamów newsletter z najciekawszymi i najlepszymi tekstami portalu

Podaj poprawny adres e-mail
W związku z bezpłatną subskrypcją zgadzam się na otrzymywanie na podany adres email informacji handlowych.
Informujemy, że dane przekazane w związku z zamówieniem newslettera będą przetwarzane zgodnie z Polityką Prywatności PTWP Online Sp. z o.o.

Usługa zostanie uruchomiania po kliknięciu w link aktywacyjny przesłany na podany adres email.

W każdej chwili możesz zrezygnować z otrzymywania newslettera i innych informacji.
Musisz zaznaczyć wymaganą zgodę

KOMENTARZE (0)

Do artykułu: Zastosowania chromatografii jonowej w przemyśle

NEWSLETTER

Zamów newsletter z najciekawszymi i najlepszymi tekstami portalu.

Polityka prywatności portali Grupy PTWP

Logowanie

Dla subskrybentów naszych usług (Strefa Premium, newslettery) oraz uczestników konferencji ogranizowanych przez Grupę PTWP

Nie pamiętasz hasła?

Nie masz jeszcze konta? Kliknij i zarejestruj się teraz!