Analýza stopových nečistot ve vodíku pomocí chromatografu Agilent 990 Micro GC Systém

Vodík je základním stavebním prvkem celého vesmíru. Podle současných měření se podílí ze 75 % na hmotě a až z 90 % na počtu atomů přítomných ve vesmíru. Je ho tedy v našem okolí nepřeberné množství. Ekonomicko-technologickou otázkou často zůstává jen fakt, jak ho získat v čisté podobě. S celosvětově stále sílící environmentální politikou a tlakem na přechod k ekologicky šetrným palivům se však s každým rokem zdá pravděpodobnější, že právě vodík bude palivem budoucnosti. Na rozdíl od elektromobilů, které by vyžadovaly obrovské infrastrukturální změny pro rozvody elektrické energie a jejich lithiové baterie by představovaly nemalou ekologickou zátěž při likvidaci, se totiž mobilita založená na vodíku jeví ekologičtějším a momentálně i ekonomičtějším řešením.

V některých koutech světa se tato budoucnost již pomalu stává současností. Příkladem je Japonsko, kde bylo v posledních letech vyvinuto a již i na trh uvedeno mnoho vozidel poháněných tímto plynem. Ambiciózní plán na přechod k vodíkovým motorům má i Čína, která v jeho rámci hodlá, jak dotovat výzkum této technologie, tak stavět vodíkové čerpací stanice a podporovat automobilky směřující tímto technologickým směrem. Environmentální technologie jsou obrovským tématem i v Evropě, kde se vůdčí role ujalo Německo, domovina hned několika předních světových automobilek. Vodík je obecně celosvětově první alternativou elektromobility, jako nástupce spalovacích motorů a často se jeví i jako mnohem praktičtější řešení.

Jak získat čistý vodík a jak jeho čistotu analyticky změřit? Existují různé způsoby výroby čistého H₂. Elektrolýza vody, zplyňování uhlí nebo reformování zemního plynu vodní parou. Všechny tyto techniky výroby však mohou během procesu vznikající plyn znečistit typickými nečistotami. Nečistoty pak mohou palivový článek během chodu poškodit. Plyny jako jsou He, Ne, N₂, Ar, CH₄ ředí koncentraci paliva a obsah CO či CO₂ snižuje životnost palivového článku. Před použitím vodíku jako paliva je tudíž nutné v plynu detekovat obsah těchto nečistot na úrovních ppm.

Agilent k tomuto účelu vyhrazuj GC Agilent 990 Micro, který je přenosný, čímž nabízí velkou uživatelskou flexibilitu, a díky miniaturizaci i výraznou úsporu prostoru, času, energie i nosného plynu. S využitím micro-TCD detektoru tento model dosahuje citlivosti měření v rozmezí 2 až 10 000 ppm H₂.

HPST: Obrázek 1 Agilent 990 Micro GC Systém

V následující aplikaci věnované analýze stopových nečistot ve vzorku H₂ byl jako nosný plyn použit taktéž vodík o vysoké čistotě> 99,9995 %. S vysokou tepelnou vodivostí a výtečnou citlivostí pro stopová množství znečišťujících plynů je zde vodík ideálním nosným plynem. Kromě vysoké citlivosti navíc vodík jako nosný plyn v této aplikaci eliminuje vliv matricových efektů.

Parametry analytické metody jsou uvedeny v tabulce 1.

HPST: Tabulka 1 Parametry analytické metody

V tabulkách 2 a 3 jsou uvedeny dva standardy plynných směsí, jejichž komponenty se z většiny pohybovaly v koncentračním rozmezí 5–10 ppm. K separaci a detekci složek od He až po CO₂ byly použity dva přímé kanály s kolonami CP-Molesieve 5Å a CP PoraPLOT U.

HPST: Tabulka 2 Standard 1

HPST: Tabulka 3 Standard 2

Na obrázku 2 si lze povšimnout jasně oddělených píků helia a neonu na 20m koloně CP-Molesieve 5Å.

HPST: Obrázek 2 Separace standardu 1

Obrázek 3 ukazuje detekci argonu, kyslíku, dusíku, methanu a oxidu uhelnatého. I v koncentračních hladinách na úrovni 5 ppm lze vidět zřetelný signál jednotlivých plynů. Došlo i k dostatečné separaci argonu a kyslíku s hodnotou rozlišení obou píků 1,13. Signál metanu na koloně CP-PoraPLOT U je mnohem zřetelnější než na 20 m CP-Molsieve 5Å a jeho kvantitativní analýza je tak společně s CO₂ doporučována na této koloně.

HPST: Obrázek 3 Separace standardu 2

HPST: Obrázek 4 Odezva metanu na koloně CP-PoraPLOT U

Test opakovatelnosti byl proveden na základě srovnání 10 nástřiků, jeho výsledky jsou uvedeny v tabulce 4. Všechny složky vykazují velmi nízké RSD odchylky retenčních časů. Hodnoty jsou nižší než 0,1 % RSD a hodnoty RSD odchylek ploch píků jsou s výjimkou kyslíku nižší než 5,28 %

HPST: Tabulka 4 Test opakovatelnosti

Stručný popis této aplikace ukazuje uplatnitelnost chromatografu 990 Micro GC při rychlé analýze stopových nečistot ve vodíku. Výsledky ukazují zřetelně odlišené retenční časy a výtečnou opakovatelnost analýzy. Celková doba analýzy je navíc kratší než 150 sekund, což může být stěžejní pro okamžité rozhodování v případech on-line měření procesních průtoků vzorku.