Analýza CO₂ pomocí GC Jetanizéru

Analýza oxidu uhelnatého (CO) a oxidu uhličitého (CO₂) pomocí GC/FID není možná bez jejich předchozí konverze na metan. V této aplikaci ukážeme analýzu CO₂ v lineárním rozsahu šesti řádů pomocí Jetanizéru. Limity detekce a šířky píků jsou porovnány s komerčním metanizérem. Výsledky analýzy pomocí Jetanizéru odpovídají výkonu běžných metanizéru u všch každý provedených experimentů.

Úvod

Plamenový ionizační detektor (FID) detekuje CHO⁺ ionty ze spalování organických molekul v plameni vodíku. Oxid uhelnatý a oxid uhličitý nejsou v FID detekovatelné, protože neobsahují žádné vazby uhlík-vodík. K překonání tohoto omezení se ke katalytické přeměně těchto sloučenin na metan, který je snadno detekován ve FID, tradičně používaly metanizéry.

Metanizéry jsou používany v mnoha aplikacích, včetně analýz transformátorových olejů, monitorování vzduchu, analýz odpadů, analýz životního prostředí a mnoha dalších. Tyto metanizéry jsou typicky ¼ palcové patrony z nerezové oceli naplněné práškovým niklovým katalyzátorem. Metanizéry jsou dále vybaveny vyhříváním a dalšími prvky, které umožňují instalaci metanizéru mezi výstup z GC kolony a vstup FID detektoru.

ARC: Analýza CO₂ pomocí GC Jetanizéru

Jednou z největších výzev používání metanizérů je obtížnost jejich výměny, když se katalyzátor stane neaktivním. Výměna typického metanizéru zahrnuje:

• ochlazení reaktoru
• odpojení všech kapilár
• rozebrání metanizéruru
• zabalení katalyzátoru
• opakování tohoto procesu v obráceném pořadí.

Tento proces může plynový chromatograf vyřadit z provozu na celý den nebo i déle, což ovlivňuje produktivitu analytické laboratoře. Pro řešení tohoto problému vyvinula společnost ARC unkátní koncept Jetanizéru, což je tryska FID, která provádí přeměnu na metan in situ (tj. uvnitř samotné trysky).

Metanizér:

• Až 16 kusů/dílů
• Vychlazení: 1 – 2 hodiny
• Instalace: 2 – 6 hodin
• Kondicionování: až 12 hodin

Jetanizér:

• Jeden kus/díl
• Vychlazení: 20 – 30 minut
• Instalace: 1 – 5 minut
• Kondicionování: 20 – 40 minut

Jetanizér je vytištěn 3D z nerezové oceli pro maximalizaci rychlosti metanizační reakce a díky speciální geometrii se také minimalizuje rozmývání píků. Schéma Jetanizéru a reakční mechanizmus jsou znázorněny na obrázku 1.

ARC: Obrázek 1. Schéma Jetanizeru

Vodík je dodáván FID detektorem (podobně jako normální FID trysky) a ten se mísí s analyty, když do Jetanizéru vstupují. CO a CO₂ jsou následně převědeny na metan, který pak prochází přímo do FID, kde je detekován. V této aplikaci ukážeme data pro analýzu oxidu uhličitého pomocí Jetanizéru a porovnáváme je s komerčním metanizérem.

Experimentální část

Pro analýzu byl použit plynový chromatograf vybavený split/splitless inletem, FID detektorem optimalizovaný pro kapilární kolony s Jetanizérem (p/n JT-CAP-P10) a 6ti-portový nástřikový ventil VICI. Jako nosný plyn byl použito Helium (99,999 %), který byl taktéž použit jako FID makeup a ředící plyn. Vzduch (zero grade) a H₂ (99,999 %) pro FID detektor.

Různá množství CO₂ na koloně byla získána změnou split poměru v inletu a mícháním čistého CO₂ nebo vzduchu (s ~500 ppm CO₂) s heliem před 6ti-cestným dávkovacím ventilem VICI. Pro přesnou kvantifikaci byl skutečný split poměr měřen pro každou analýzu pomocí bublinkového průtokoměru. Množství CO₂ na koloně bylo poté vypočteno pro každou analýzu individuálně.

Jetanizér byl porovnán s komerčním metanizérem v rozsahu šesti řádů koncentrace CO₂.

Podmínky GC Agilent 7890A

• Inlet: Split/splitless
• Teplota inletu: 250 °C
• Liner: Agilent 5190-2295
• Nosný plyn: He; 2,5 sccm konstantní průtok
• Oplach septa: 3 sccm
• Pec: 100 °C (2 min)
• Kolona: Restriktor (5 m × 0,15 mm)
• Objem nástřiku: 1 ml

Podmínky FID

• Teplota: 450 °C
• Průtok H2: 35 sccm
• Průtok Vzduch: 350 ccm
• Průtok Make-up: 20 sccm (He)

Výsledky

Výsledky s použitím Jetanizéru byly vyhodnoceny a porovnány s komerčním metanizérem pro různé koncentrace CO₂. Každý datový bod byl replikován alespoň třikrát pro Jetanizér i metanizér. Opakování byly zprůměrovány pro každý datový bod a jsou jako takové uvedeny v grafu linearity (obrázek 2).

ARC: Obrázek 2. Koncentrace CO₂ versus integrovaná plocha píku pro Jetanizér (modrý čtverec) a komerční metanizér (červený kruh). Linearita šest řádů.

Limity detekce (LOD) a limity kvantifikace (LOQ) jsou při srovnání metanizéru a Jetanizeru podobné. Výsledky jsou shrnuty v tabulce 1.

Tabulka 1: Limity detekce (LOD) a limity kvantifikace (LOQ) pro analýzu CO₂ pomocí Jetanizeru a komerčního metanizéru.

• Jetanizer: 10 pg C (LOD), 30 pg C (LOQ)
• Methanizer: 10 pg C (LOD), 30 pg C (LOQ)

Šířky píku v polovině maxima pro různé množství CO₂ na koloně jsou pro Jetanizér a metanizér uvedeny v tabulce 2. Obrázek 3 ukazuje rozlišení píku od 1 ppm CO₂ do 100 % CO₂ .

Tabulka 2: FWHM pro tři koncentrace CO₂ pro Jetanizér a komerční metanizér.

Metanizér CO₂ na koloně (ng) / FWHM (min)

• 8.8 / 0.054
• 340 / 0.014
• 140,000 / 0.046

Jetanizér CO₂ na koloně (ng) / FWHM (min)

• 6.3 / 0.057
• 340 / 0.014
• 130,000 / 0.045

ARC: Obrázek 3. Chromatogram ukazující data Jetanizéru pro nástřik 1 ppm CO₂ a 100% CO₂

Diskuse

Existuje mnoho aplikací, kde poskytují metanizéry velkou výhodu, ale jejich obtížnost instalace a výměny je pro uživatele velkým problémem. Jetanizér byl vyvinut jako snadno použitelná náhrada za metanizéry s podstatně menším počtem součástí a spojení než tradiční metanizér.

Bylo zjištěno, že výkon Jetanizéru je ekvivalentní komerčnímu metanizéru. Jetanizér dokáže přeměnit CO₂ na metan v rozsahu ppm až 100 %. Tyto výsledky byly prokázány v širokém lineárním rozsahu s dobrým rozlišením píků a poměrem signálu k šumu.

Primární výhodou, kterou Jetanizér poskytuje oproti tradičním metanizérům, je jeho snadná instalace. Tento proces je stejně jednoduchý jako výměna trysky FID a trvá přibližně 5 minut. Na druhou stranu u tradičních metanizérů může výměna trvat až jeden den a proces je velmi náročný a vyžadující drahý zásah servisního technika – včetně nových spojení, izolací a opětovného zabalení katalyzátoru.

Závěr

Jetanizér je unikátní řešení pro analýzu CO a CO₂ s lineárním rozsahem více než šesti řádů a jeho velkou výhodou je uživatelsky snadná instalace, robustnost a bezpečnost srovnatelná s běžnou tryskou FID detektoru.

Ukázalo se, že Jetanizér funguje stejně dobře jako tradiční metanizéry, což z něj činí jasnou volbu pro ty, kteří mají s používáním svých metanizérů potíže.

Přehled aplikací ke stažení v knihovně LabRulezGCMS

• Rapid Greenhouse Gas Analysis via the Nexis GC-2030 Gas Chromatograph ( Aplikace | 2021 | Shimadzu)

• Comparison of Fruit Respiration Rates Measured by IR and GC/ Jetanizer FID (Aplikace | 2021 | ARC)

• Rapid Greenhouse and Inorganic Gas Analysis via GC-2030 (Aplikace | 2022 | Shimadzu)

• Jetanizer - A Methanizer in an FID Jet (Brožury a specifikace | 2021 | ARC)

• Accurate and Repeatable CO2 Analysis Using a Jetanizer on a Shimadzu 2030 GC (Aplikace | 2020 | ARC)

• Polyarc and Jetanizer Comparison (Brožury a specifikace | 2020 | ARC)

• Analysis and Characterization of ARC’s Injet Methanizer for Permanent Gases, Carbon Dioxide, and Light Hydrocarbons (Aplikace | 2021 | Shimadzu)

• Analysis of CO2 with the Jetanizer (Aplikace | 2018 | ARC)

• Impacts of Hydrogen Sulfide and Acetylene on ARC In-jet Methanizer Performance (Aplikace | 2021 | Shimadzu)

• More Reliable Dissolved Gas Analysis (DGA) Testing with an Enhanced Methanizer (Technické články | N/A | ARC)

• Rapid Dissolved Gas Analysis in Transformer Oils per ASTM D3612 Method on the Nexis GC-2030 Gas Chromatograph (Aplikace | 2021 | Shimadzu)

• Characterization of Capillary Molecular Sieve and Carbonized Molecular Sieve Columns for the Separation of Permanent Gases using an FID with ARC in-jet Methanizer (Aplikace | 2021 | Shimadzu)

• GC Gas Analysis Quick Reference Guide (Příručky | 2021 | ChromSolutions)

Přehled Webinářů v databázi LabRulezGCMS)

1. How To Generate Better GC/FID Results With ARC Products

• ZÁZNAM | Proběhlo Čt, 10.3.2022

Připojte se k nám v bohatém jednohodinovém webináři a objevte odborné znalosti ARC v oblasti chemické analýzy a katalytických reaktorů a náš průkopnický systém Polyarc a Jetanizer.

2. The Next Evolution in GC/FID

• ZÁZNAM | Proběhlo St, 16.3.2022

Učte se od Quantum Analytics a Activated Research Company o jejich průlomových inovativních produktech, jako jsou Polyarc System a Jetanizer – doplňky GC navržené pro vylepšení chemické analýzy.