DE19741809A1 - Determination of total sulfur content in sample - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft die Bestimmung des Gesamtschwefelgehaltes nach Überführung in Schwefelwasserstoff und dessen Bestimmung.The invention relates to the determination of the total sulfur content after transfer to Hydrogen sulfide and its determination.
Bei der Ermittlung des Gesamtschwefelgehaltes unterschiedlichster Materialien kann man im all gemeinen zwei Teilschritte unterscheiden: Zuerst wird der Schwefel der zu untersuchenden Probe entweder durch Oxidation zu Schwefeldioxid bzw. Sulfat oder durch Reduktion zu Schwefelwas serstoff, also in eine relativ einfach zu analysierende Verbindung überführt, deren Konzentration dann anschließend mit Hilfe eines geeigneten Analysenverfahrens erfaßt wird [L. D. Wallace, D. W. Kohlenberger: Analytical Chem. 42 (1970) 387-394].When determining the total sulfur content of a wide variety of materials, one can in general distinguish between two sub-steps: First, the sulfur of the sample to be examined either by oxidation to sulfur dioxide or sulfate or by reduction to sulfuric acid Hydrogen, so converted into a relatively easy to analyze compound, its concentration then subsequently recorded using a suitable analytical method [L. D. Wallace, D.W. Kohlberger: Analytical Chem. 42 (1970) 387-394].
Bei der Oxidation zu Schwefeldioxid bzw. zu Sulfat bildet sich neben Schwefeldioxid auch ein nicht quantifizierbarer Anteil an Schwefeltrioxid. Dieser ist sowohl von den technischen Bedin gungen (Art und Aufbau der Verbrennungsapparatur, Temperaturführung) als auch vom Sauer stoffpartialdruck abhängig. Auch werden Schwefelverluste durch Adsorption am Verbrennungs rohr verursacht [W. Wallisch, G. Hume: Mikrochim. Acta (1968) 748-764].In addition to sulfur dioxide, oxidation to sulfur dioxide or sulfate also forms non-quantifiable proportion of sulfur trioxide. This is due to both the technical conditions conditions (type and structure of the combustion apparatus, temperature control) as well as the acid partial pressure dependent. Sulfur losses are also caused by adsorption on combustion pipe caused [W. Wallisch, G. Hume: Microchim. Acta (1968) 748-764].
Bekannte Verfahren, bei denen die Schwefelverbindungen zu Schwefelwasserstoff umgesetzt wer den, basieren auf der Verwendung von Wasserstoff als Reduktionsmittel. Sowohl kontinuierliche als auch diskontinuierliche Verfahren sind beschrieben [Ehrenberger, F.: Quantitative organische Elementaranalyse, Weinheim, 1991].Known processes in which the sulfur compounds are converted to hydrogen sulfide based on the use of hydrogen as a reducing agent. Both continuous as well as discontinuous processes are described [Ehrenberger, F .: Quantitative organic Elemental analysis, Weinheim, 1991].
Bei den diskontinuierlichen Verfahren werden die Proben durch Raney-Nickel reduziert, das ent stehende H2S in alkalischen Lösungen absorbiert und anschließend photometrisch detektiert. Die ses Analysenverfahren ist allerdings auf die Bestimmung flüchtiger Schwefelorganika in Kohlen wasserstoffen beschränkt [F. Fenson, N. Roberts, G. M. S. Duff: Analyst 96 (1971) 186-193].In the discontinuous method, the samples are reduced by Raney nickel, the H 2 S formed is absorbed in alkaline solutions and then detected photometrically. However, this analytical method is limited to the determination of volatile sulfur organics in hydrocarbons [F. Fenson, N. Roberts, GMS Duff: Analyst 96 (1971) 186-193].
Durch reduktive Pyrolyse im Wasserstoffstrom können auch schwerflüchtige und ionische Schwefelorganika wie z. B. Sulfonate quantitativ in H2S überführt werden. Die Detektion des H2S erfolgt entweder nach Auffangen in einer Absorptionslösung durch photometrische Titration oder direkt im H2-Strom durch mikrocoulometrische Titration, mit Hilfe eines flammenphotometrischen Detektors oder durch Chemolumineszenz. [Binde, F.: Dissertation, Univ. Halle 1997].Reductive pyrolysis in a hydrogen stream can also give volatile and ionic sulfur organics such as. B. sulfonates are converted quantitatively into H 2 S. The H 2 S is detected either after collection in an absorption solution by photometric titration or directly in the H 2 stream by microcoulometric titration, with the aid of a flame photometric detector or by chemiluminescence. [Binde, F .: Dissertation, Univ. Halle 1997].
Bekannte Verfahren, bei denen die Schwefelverbindungen zu Schwefelwasserstoff umgesetzt wer den, basieren auf der Verwendung von Wasserstoffgas. Nachteilig ist hierbei, das vom Wasserstoff ausgehende hohe Gefahrenpotential sowie der hohe apparative Aufwand.Known processes in which the sulfur compounds are converted to hydrogen sulfide based on the use of hydrogen gas. The disadvantage here is that of hydrogen outgoing high risk potential as well as the high expenditure on equipment.
Der in den Patentansprüchen angegebenen Erfindung liegt das Problem zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Gesamtschwefelbestimmung zu entwickeln, mit welchen schnell und sicher, ohne Einsatz von Wasserstoff die quantitative Umsetzung der schwefelhaltigen Verbindun gen zu Schwefelwasserstoff durchgeführt werden kann.The invention specified in the claims is based on the problem of a method and to develop a device for total sulfur determination with which fast and the quantitative implementation of the sulfur-containing compounds without the use of hydrogen can be carried out to hydrogen sulfide.
Dieses Problem wird durch das Verfahren nach Patentanspruch 1 gelöst durch die Pyrolyse der schwefelhaltigen Verbindungen zusammen mit Methanol bei erhöhten Temperaturen im Bereich bis 1200°C, vorzugsweise zwischen 400 bis 800°C, vorzugsweise in Gegenwart eines Katalysators, und Bestimmung des sich bildenden H2S in bekannter Weise.This problem is solved by the method according to claim 1 by pyrolysis of the sulfur-containing compounds together with methanol at elevated temperatures in the range up to 1200 ° C, preferably between 400 to 800 ° C, preferably in the presence of a catalyst, and determination of the H 2 which forms S in a known manner.
Die Proben werden in Methanol oder in einem methanolhaltigen Lösungsmittel gelöst und aufge geben. Ein Wassergehalt bis 60% hat keinen Einfluß auf die Meßgenauigkeit. Das gemeinsam mit dem zu untersuchenden Stoff oder Stoffgemisch in die Pyrolyseeinheit eingebrachte Methanol reduziert die in der Probe enthaltenen Schwefelverbindungen quantitativ zu H2S.The samples are dissolved in methanol or in a methanol-containing solvent and given up. A water content of up to 60% has no influence on the measuring accuracy. The methanol introduced into the pyrolysis unit together with the substance or mixture of substances to be investigated quantitatively reduces the sulfur compounds contained in the sample to H 2 S.
Zur Bestimmung der schwefelhaltigen Verbindungen nach dem Verfahren gemäß Patentanspruch 1 dient gemäß Patentanspruch 7 eine Vorrichtung, die im wesentlichen aus einer Pyrolyseeinheit und einem H2S-Detektor besteht. Als Pyrolyseeinheit können übliche Verbrennungsöfen, vorzugsweise in senkrechter Anordnung eingesetzt werden. Eine Ausführungsform eines Verbrennungsofens ist ein mit einer Heizvorrichtung umgebener Rohrreaktor, dessen Reaktionsraum auf eine Temperatur zwischen 30°C und 1200°C erhitzt werden kann. Zur Beschleunigung der Umsetzung im Reaktionsrohr kann dieses mit einem Katalysator gefüllt sein, beispielsweise mit Korundkugeln, wie sie üblicherweise in elementaranalytischen Analysengeräten eingesetzt werden.A device which essentially consists of a pyrolysis unit and an H 2 S detector is used to determine the sulfur-containing compounds by the method according to claim 1. Conventional incinerators, preferably in a vertical arrangement, can be used as the pyrolysis unit. One embodiment of an incinerator is a tubular reactor surrounded by a heating device, the reaction chamber of which can be heated to a temperature between 30 ° C. and 1200 ° C. To accelerate the reaction in the reaction tube, this can be filled with a catalyst, for example with corundum balls, as are usually used in elemental analytical analyzers.
Die Detektion des H2S erfolgt entweder direkt oder nach Auffangen in einer Absorptionslösung durch mikrocoulometrische Titration, mit Hilfe eines flammenphotometrischen Detektors oder durch Chemolumineszenz. Weitere Möglichkeiten der H2S-Bestimmung sind die UV-Photometrie, die Amperometrie, Potentiometrie, die ICP und die Oxidation an Halbleitergassensoren. Vorzugs weise wird die microcoulometrische Titration eingesetzt. The H 2 S is detected either directly or after collection in an absorption solution by microcoulometric titration, with the aid of a flame photometric detector or by chemiluminescence. Other possibilities for H 2 S determination are UV photometry, amperometry, potentiometry, ICP and oxidation on semiconductor gas sensors. Microcoulometric titration is preferably used.
Das neue Verfahren zur Bestimmung schwefelorganischer Verbindungen zeichnet sich durch eine hohe Sicherheit, kurze Analysenzeiten und ausgezeichnete Wiederfindungsraten aus. Ein weiterer Vorzug ist, daß die einzelnen Teilschritte weitgehend automatisiert werden können. Demzufolge ist dieses Analysenverfahren sehr gut für den Routinebetrieb geeignet.The new method for the determination of organic sulfur compounds is characterized by a high security, short analysis times and excellent recovery rates. Another The advantage is that the individual sub-steps can be largely automated. As a result this analytical method is very well suited for routine operation.
Vorteilhaft bei diesem Verfahren ist auch, daß das zur Reduktion benötigte Reduktionsmittel erst in der Pyrolyseapparatur erzeugt und nach Einstellen des Gleichgewichtes nur entsprechend des Bedarfs nachgeliefert wird.It is also advantageous in this process that the reducing agent required for the reduction is first generated in the pyrolysis apparatus and after adjusting the equilibrium only according to the Is supplied later.
Die Dosierung der Proben kann von Hand oder mit Hilfe eines automatischen Probenaufgabesy stems erfolgen. Bei Einsatz eines automatischen Probenaufgabesystems wird eine höhere Reproduzierbarkeit der Analysenergebnisse erzielt.The dosing of the samples can be done manually or with the help of an automatic sample dispenser stems. When using an automatic sample application system, a higher one Reproducibility of the analysis results achieved.
Gasförmige Proben können mit Hilfe einer Gasdosierschleife oder einer Ausblaseinheit der Appa ratur zugeführt werden. Das zur Reduktion der schwefelorganischen Verbindungen benötigte Methanol kann wahlweise über die Gasphase oder als Flüssigkeit dosiert werden. Ebenfalls mög lich ist die Absorption der in Gasen enthaltenen schwefelhaltigen Verbindungen in einer methanoli schen Lösung. Die Dosierung erfolgt wie oben beschrieben.Gaseous samples can be removed using a gas metering loop or a blow-out unit of the Appa rature are supplied. That needed to reduce the organic sulfur compounds Methanol can be dosed either in the gas phase or as a liquid. Also possible Lich is the absorption of the sulfur-containing compounds contained in gases in a methanoli solution. The dosage is as described above.
Flüchtige Schwefelverbindungen können aus wäßrigen Lösungen oder hochsiedenden organischen
Flüssigkeiten, z. B. Schalt- und Transformatorölen, mit Hilfe eines Inertgasstromes aus einem
Ausblasgefäß abgetrennt und zusammen mit Methanol der Pyrolyseeinheit zugeführt werden. Zur
Durchführung dieser Abtrennungen sind zwei verschiedene Verfahrensweisen nutzbar:
Volatile sulfur compounds can be extracted from aqueous solutions or high-boiling organic liquids, e.g. B. switching and transformer oils, separated with the aid of an inert gas stream from a blow-out vessel and fed to the pyrolysis unit together with methanol. Two different procedures can be used to carry out these separations:
- 1. Die Probe wird in das Ausblasgefäß gegeben, dieses verschlossen und das Trägergas über die Gaszuführung durch die Probe geleitet. Anschließend wird über das Septum ein Reagenz, z. B. Säure, zudosiert, wobei erst nach Zugabe die zu bestimmenden Substanzen in die flüchtige Form überführt und mit dem Inertgasstrom dem Pyrolyseofen zugeführt werden. Auf diese Weise kann die Freisetzung flüchtiger Verbindungen in Abhängigkeit vom pH-Wert der Probe untersucht werden.1. The sample is placed in the blow-out vessel, this is closed and the carrier gas is passed through the Gas supply passed through the sample. Then a reagent, e.g. B. Acid, metered in, the substances to be determined being added to the volatile form only after addition transferred and fed to the pyrolysis furnace with the inert gas stream. That way the release of volatile compounds depending on the pH of the sample was investigated become.
- 2. In das Ausblasgefaß wird ein Reagenz gegeben (z. B. Säure), das Gefäß verschlossen und durch Zuschalten des Trägergases das Analysensystem konditioniert. . Die Probe wird anschließend über das Septum zudosiert und die Messung gestartet. Mit dieser Arbeitsweise gelingt es, mehrere Analysen ohne Auswechseln des Reagenzes im Ausblasgefäß durchzuführen, indem ein reproduzierbarer Anteil des in der Probe befindlichen Gehalts abgetrennt wird, bzw. die Ab trennung vollständig erfolgt. Das angereicherte Trägergas wird anschließend zusammen mit Methanol der Pyrolyseeinheit zugeführt.2. A reagent (eg acid) is placed in the blow-out vessel, the vessel is closed and passed through Switching on the carrier gas conditions the analysis system. . The sample is then over metered the septum and started the measurement. With this way of working, several succeed Perform analyzes without changing the reagent in the blowout tube by using a reproducible portion of the content in the sample is separated, or the Ab separation is complete. The enriched carrier gas is then together with Methanol fed to the pyrolysis unit.
Zur Bestimmung flüchtiger Schwefelverbindungen, z. B. Schwefelwasserstoff oder Mercaptane, in wäßrigen Lösungen bietet sich außerdem die Kopplung mit der Gasdiffusionstechnik an. Hierzu wird die Probe nach Mischen mit einer sauren Trägerlösung durch die Gasdiffusionsstrecke geleitet. Die flüchtigen Verbindungen werden über die Membran in den Inertgasstrom überführt [M. Hahn, H.-H. Rüftinger, H. Matschiner: GIT 35 (1991) 1213-1218]. Liegen die zu analysierenden Verbindungen in sehr niedriger Konzentration vor, kann eine Anreicherung in der Weise erfolgen, daß der Trägergasstrom während des Transferprozesses angehalten und so eine Aufkonzentrierung der flüchtigen Verbindungen auf der Akzeptorseite der Membran stattfindet. Nach Beendigung der Anreicherung wird das Gasgemisch aus der Membranzelle in die Pyrolyse einheit unter gleichzeitiger Zugabe von Methanol transportiert.To determine volatile sulfur compounds, e.g. B. hydrogen sulfide or mercaptans, in aqueous solutions can also be coupled with gas diffusion technology. For this the sample after mixing with an acidic carrier solution through the gas diffusion line headed. The volatile compounds are transferred into the inert gas stream via the membrane [M. Hahn, H.-H. Ruefinger, H. Matschiner: GIT 35 (1991) 1213-1218]. Are they too Analyzing compounds in very low concentrations can accumulate in the Way that the carrier gas flow stopped during the transfer process and so a Concentration of the volatile compounds takes place on the acceptor side of the membrane. After the enrichment has ended, the gas mixture is transferred from the membrane cell to the pyrolysis unit transported with the simultaneous addition of methanol.
Zur Bestimmung flüchtiger Schwefelverbindungen in festen Proben wird in den Trägergasstrom eine Thermodesorptionseinheit geschaltet. Dabei wird die zu analysierende Probe in eine Ausheizkammer positioniert. Die Ausheizkammer kann wahlweise isotherm im Temperaturbereich bis 300°C betrieben werden oder wird mit einer Temperaturrampe aufgeheizt. Letztere Arbeits weise hat den Vorteil, daß Schwefelverbindungen bezüglich ihrer Desorbierbarkeit charakterisiert werden können. Wird der Trägergasstrom nach erfolgter Aufheizung zugeschaltet, ist die Gesamtheit der flüchtigen Verbindungen in festen Proben quantifizierbar. Nach Zuschalten des Trägergasstromes erfolgt die Dosierung der Schwefelverbindungen unter gleichzeitiger Zugabe von Methanol in die Pyrolyseeinheit. The carrier gas stream is used to determine volatile sulfur compounds in solid samples switched a thermal desorption unit. The sample to be analyzed is placed in a Bakeout chamber positioned. The heating chamber can optionally be isothermal in the temperature range operated up to 300 ° C or is heated with a temperature ramp. The latter work wise has the advantage that sulfur compounds are characterized in terms of their desorbability can be. If the carrier gas flow is switched on after heating, the All volatile compounds can be quantified in solid samples. After switching on the Carrier gas flow, the sulfur compounds are metered with simultaneous addition of methanol into the pyrolysis unit.
Fig. 1 zeigt den Aufbau einer Vorrichtung zur Gesamtschwefelbestimmung von Flüssigkeiten mit tels Anreicherung an Polymerharzen bestehend aus dem Pyrolyseofen (1), dem H2S-Detektor (2) und der Extraktionseinheit (3). Fig. 1 shows the structure of a device for the total sulfur determination of liquids by means of enrichment in polymer resins consisting of the pyrolysis furnace ( 1 ), the H 2 S detector ( 2 ) and the extraction unit ( 3 ).
Fig. 2 zeigt den Aufbau einer Vorrichtung zur Bestimmung ausblasbarer Schwefelverbindungen unter Verwendung eines Ausblasgefäßes (4) mit Septum, dem höhenverstellbarem Aufsatz mit Gaszuführung (5), Fritteneinsatz (6) und Gasabführung (7). Fig. 2 shows the structure of a device for determining blow-out sulfur compounds using a blow-out vessel ( 4 ) with a septum, the height-adjustable attachment with gas supply ( 5 ), frit insert ( 6 ) and gas discharge ( 7 ).
Fig. 3 zeigt den Aufbau einer Vorrichtung zur Bestimmung von flüchtigen Schwefelverbindungen unter Verwendung eines Gasdiffusionsmoduls (8) in Verbindung mit dem Pyrolyseofen (1). Fig. 3 shows the structure of a device for determining volatile sulfur compounds using a gas diffusion module ( 8 ) in connection with the pyrolysis furnace ( 1 ).
Fig. 4 zeigt den Aufbau einer Vorrichtung zur Bestimmung thermodesorbierbarer Schwefelverbin dungen in Feststoffen unter Verwendung eines Thermodesorbers (9) in Verbindung mit dem Pyrolyseofen (1). Fig. 4 shows the structure of a device for determining thermodesorbable sulfur compounds in solids using a thermal desorber ( 9 ) in conjunction with the pyrolysis furnace ( 1 ).
Die Adsorption von in Wasser gelösten Schwefelverbindungen erfolgt an Polymerharzen (SPE-Kartuschen, Fa. Baker). Hierzu werden 100 ml Wasserprobe durch die Kartuschen gesaugt. An schließend werden durch portionsweise Zugabe von 5 ml Methanol die adsorbierten Schwefelver bindungen desorbiert. Der methanolische Extrakt wird anschließend auf 10 ml mit Methanol aufgefüllt. Davon werden 2 ml zur Pyrolyse eingesetzt. Die Dosierung erfolgt mit 0,8 ml/min in den Ofen. Sulfur compounds dissolved in water are adsorbed on polymer resins (SPE cartridges, from Baker). For this, 100 ml water sample is sucked through the cartridges. On finally, the adsorbed sulfur ver are added by adding 5 ml of methanol in portions desorbed bonds. The methanolic extract is then made up to 10 ml with methanol replenished. 2 ml of this are used for pyrolysis. The dosage is 0.8 ml / min in the oven.
Die Elektrolytlösung der coulometrischen Meßzelle hat folgende Zusammensetzung:
0,1 M Kaliumbromid, 0,001 M Kaliumiodid, Citronensäure/Dinatriumhydrogenphosphat-Puffer,
pH=2,2.The electrolyte solution of the coulometric measuring cell has the following composition:
0.1 M potassium bromide, 0.001 M potassium iodide, citric acid / disodium hydrogen phosphate buffer, pH = 2.2.
Die Tabelle gibt einen Überblick über die Wiederfindung verschiedener Schwefelverbindungen
(jeweils Doppelbestimmung an 3 Versuchstagen).
The table gives an overview of the recovery of various sulfur compounds (double determination on 3 test days).
Definierte Mengen flüchtiger schwefelorganischer Verbindungen werden in einem Gasmischsystem
10 l Luft zugesetzt. Die so hergestellten Proben werden anschließend durch eine Waschflasche mit
Methanol geleitet. Die erhaltenen methanolischen Lösungen werden aliquotiert und direkt in die
Pyrolyseapparatur gespritzt. Die Genauigkeit der Bestimmung ist durch folgende Analysenwerte
dokumentiert:
Defined amounts of volatile organic sulfur compounds are added to 10 l of air in a gas mixing system. The samples thus produced are then passed through a wash bottle with methanol. The methanolic solutions obtained are aliquoted and injected directly into the pyrolysis apparatus. The accuracy of the determination is documented by the following analysis values:
10 l Erdgas werden durch eine mit Methanol/KOH gefüllte Waschflasche geleitet. Nach dem Gas
durchleiten wird mit Methanol auf 25 ml aufgefüllt und davon 2 ml in die Pyrolyseapparatur ge
spritzt. Der Gesamtschwefelgehalt in Erdgas ist mit hoher Präzision und Richtigkeit bestimmbar.
10 l of natural gas are passed through a wash bottle filled with methanol / KOH. After passing through the gas, the volume is made up to 25 ml with methanol and 2 ml thereof are injected into the pyrolysis apparatus. The total sulfur content in natural gas can be determined with high precision and accuracy.
Zur Bestimmung flüchtiger Schwefelverbindungen wird gemäß Fig. 3 die Probe mit einer Ge schwindigkeit von 5 ml/min nach Mischen mit einer schwefelsauren Trägerlösung (pH=1) durch die der Pyrolyseeinheit vorgeschaltete Gasdiffusionsstrecke geleitet.To determine volatile sulfur compounds, the sample is passed according to FIG. 3 at a speed of 5 ml / min after mixing with a sulfuric acid carrier solution (pH = 1) through the gas diffusion section upstream of the pyrolysis unit.
Zur Bestimmung flüchtiger Schwefelverbindungen in Feststoffen werden diese in Glascontainern (Länge 10-40 mm, Durchmesser 10 mm) in einen Thermodesorber, der der Pyrolyseeinheit vorge schaltet ist, positioniert.To determine volatile sulfur compounds in solids, they are used in glass containers (Length 10-40 mm, diameter 10 mm) in a thermal desorber, which the pyrolysis unit pre is switched, positioned.
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