Procesy. Procesní analytická chemie.

Transkript

1 Procesy Procesní analytická chemie

2

3 Metody analýzy diskrétní automatizované kontinuální

4 Procesní analytická chemie Definice aplikace analytické chemie k monitorování a řízení chemických procesů a výrob zahrnuje měření v reálném čase včetně vzorkování, přípravy vzorku, interpretaci a užití výsledků pro řízení procesu

5

6 Řízení procesů - nejdůležitější úkol analytických chemiků, inženýrů, fyziků atd. v chemickém průmyslu - snaha o automatizaci laboratorních postupů: sériové analýzy - analytický hardware a software integrován do výrobního procesu Výhody integrovaného analytického procesu: 1. nepřetržité informace o stavu procesu 2. rychlá zpětná vazba v případě problémů 3. prokazatelnost kvality procesu 4. prevence systematických a redukce nesystematických chyb prováděného analytického měření 5. zvýšená bezpečnost procesu (zvláště důležitá v případě nebezpečných látek): eliminace kontaktu pracovníků

7

8 Ekonomické aspekty: 1. časové zpoždění mezi objevením problému a jeho odstraněním u kontinuálního analytického procesu minimalizováno 2. příprava vzorku automatizovaná 3. rychlost produkce a výtěžek produktu roste 4. minimalizace vedlejších produktů Zvýšené nároky dané: - často agresivním chemickým prostředím - neškoleným personálem - měřicí přístroje musí mít vyšší stupeň automatizace, robustnosti a musí být jednodušší než přístroje laboratorní

9 Multidisciplinární přístup: Chemické inženýrství a bioinženýrství Materiálové inženýrství Aplikovaná fyzika Fyzikální chemie Analytická chemie Elektrotechnika a automatizace Výpočetní technika Separační techniky Spektroskopické techniky Elektrochemie Analýza na mokré cestě Co bývá předmětem zkoumání? - chemické složení (molekulární, atomová úroveň; tuhé, kapalné i plynné látky) - velikost částic - viskozita/rheologie vzorku - kinetika reakcí, efektivita mísení více roztoků, atd.

10 Typy procesní analýzy: 1. Off-line: vzorky transportovány do laboratoře Výhody: sofistikované přístroje, školený personál Nevýhody: prodlení spojené s dopravou vzorku Použití: v dávkovém zpracování, je-li počet vsádek malý a příprava vzorku či analýza obtížně automatizovatelná 2. At-line: přístroj umístěn v provozu Výhody: odpadají problémy transportu vzorku Nevýhody: vyžaduje školený personál, agresivní prostředí, výsledky často nedostatečně aktuální Použití: jestliže částečná automatizace nevyžaduje zvláštní dovednosti, analýza na místě je preferována

11 3. On-line: automatický odběr vzorku přímo z výroby, třeba jej ale před analýzou upravit 4. In-line: bez odběru vzorku z procesu Výhody: významná úspora času, robustnost přátelskost užití (možnost záměny pracovníků) méně náchylná k chybám (odpadá příprava vzorku) Nevýhody: zajištění kvality kalibrace často komplikované

12

13 Reálné příklady vzorkování a b c d off-line, at-line on-line in-line neinvazivní měření

14 Frekvence vzorkování závisí na kinetice procesu, tj. na časové konstantě reakce τ [min] 1 k T θ - hydrodynamická časová konstanta nebo též čas zdržení k - rychlostní konstanta reakce [min -1 ] T - časová odezva analytického měření př: Míchaný průtočný vsádkový reaktor objemu 1 litr, s vtokem reaktantů rychlostí 100 ml min -1 a výtokem produktu: θ = objem/průtok = 1/0,1 = 10 min Interval měření musí být dostatečně rychlý vzhledem k časové konstantě, ale nikoliv tak krátký, aby zachycoval krátkodobé fluktuace, proto provádíme 2-4 měření za časovou konstantu

15 V čem se liší procesní analýza od laboratorní analýzy? Procesní analyzátory: 1. Robustnost vzhledem k charakteru pracovního prostředí, teploty, vlhkosti atd. 2. Schopnost vzorkovat a analyzovat materiály za vysokého tlaku/teploty, materiály různého charakteru (viskózní či práškovitý), pracovat s nevodným prostředím, často v agresivním prostředí 3. Automatický sběr a zpracování dat, bez dohledu dny i týdny 4. Stabilní dlouhodobá kalibrace, schopnost autokalibrace 5. Obvykle méně univerzální, dedikované jen pro určité měření 6. Výroba z trvanlivých prvků, co nejméně pohyblivých prvků, jednoduchost

16 Analyzátor alkoholu v dechu ALCOTEST používá Policie ČR

17 Základní prvky procesního analyzátoru: 1. vzorkovací systém (reprezentativní vzorek) 2. systém předpřípravy vzorku (např. filtrace) 3. systém úpravy vzorku pro podmínky přijatelné analyzátorem (např. ředění, ph, teplota,.) 4. analyzátor nebo senzor 5. výstup dat do řídícího systému Měření: v závislosti na požadované informaci a typu měřicího systému - kontinuální - přerušované (občasné)

18 elektrické vlastnosti optické vlastnosti Metody kinetické analýzy: chemické versus fyzikální - fyzikální: vhodné ke kontinuálnímu sledování procesu Metoda Měřená veličina Typ reakce Příklad reakce p Manometrie tlak reakce se změnou počtu molů hydrogenace, dehydro- V Volumetrie objem plynných složek genace, rozklady Dilatometrie objem reakce v kapalné fázi polymerace Densitometrie hustota se změnou hustoty m Gravimetrie hmotnost reakce tuhá látka-plyn rozklady, oxidace, redukce Refraktometrie index lomu reakce kapalin dehydrogenace cykloakanů na aromatické uhlovodíky Polarimetrie optická otáčivost reakce opticky aktivních látek inverze sacharózy Spektrofotometrie intenzita obecně použitelná, vhodná i jako detekce při separačních propuštěného záření metodách, vhodná i pro soustavy reakcí Nefelometrie zákal studium růstu bakterií Konduktometrie Potenciometrie Polarografie elektrická vodivost elektromotorické napětí Měření dielektrické konstanty Měření tlaku nasycených par Měření tepelné vodivosti limitní difuzní proud reakce se změnou počtu nebo povahy iontů reakce zahrnující ionty, reakce se změnou ph reakce iontů; reakce některých organických funkčních skupin reakce v koncentrovaných nebo nevodných prostředích reakce v kapalných binárních směsích složek o rozdílných tenzích; malá spotřeba vzorku reakce plynů (výměna tepla mezi dvěma tělesy o různých teplotách je usnadňována přítomností plynů) Viskozimetrie viskozita reakce v kapalné fázi Měření pružnosti Hmotnostní spektrometrie Plynová chromatografie Kapalinová chromatografie prodloužení vlivem konst. síly nebo síla za konst. prodloužení hmotnostní spektrum separační metoda (následuje analýza) separační metoda (následuje analýza) reakce v pevném stavu tvorba kvarterních amoniových solí hydrolýza esterů tvorba komplexů chlorace benzenu polymerace, degradace polymerů sledování stárnutí kaučuků obecně použitelná, vhodná i krakování uhlovodíků; pro soustavy reakcí reakce látek značených izotopy obecně použitelná (kromě reakcí netěkavých látek), vhodná i pro soustavy reakcí obecně použitelná (kromě reakcí plynů), vhodná i pro soustavy reakcí

19 Základní prvky procesního analyzátoru: ad 1. Vzorkovací systém Zásady odběru a úpravy vzorků: - Nutno zabránit kontaminaci vzorku!!! - Přednost odběru vzorku v pohybu (u kapalin a plynů potrubí osazeno ventily, u tuhých látek odebíráme např. z transportéru) - Velikost vzorku není libovolná (ovlivněna zrnitostí, homogenitou, obsahem analytu, atd.) - Plyny: odběr nejčastěji plynovou pipetou - Kapaliny: odběr z různých míst, hloubek, a následné mísení v jeden reprezentativní vzorek - Tuhé látky: u nehomogenních látek odebíráme vzorek o hmotnosti ca 2% z celkové hmotnosti materiálu, následuje mletí, kvartace atd.

20 Automatické vzorkování plynu Automatické vzorkování kapalin

21 In-line vzorkování kapalin a kalibrace senzoru

22 Automatický odběr vzorku tuhé látky z dopravníku

23 ad 2. Systém předpřípravy vzorku (např. filtrace) ad 3. Systém úpravy vzorku pro podmínky přijatelné analyzátorem (např. ředění, ph, teplota,.) - řídí se specifiky a požadavky každého jednotlivého stanovení a použité analytické koncovky Předúprava vzorku filtrací

24 ad 4. Analyzátor nebo senzor

25 A. Analýza plynů a) Spektroskopické metody UV ( nm) VIS ( nm) IČ (0, mm) Kvantita: Lambertův-Beerův zákon A l = e l l c Analýza obsahu: CO 2, CO, CH 4, H 2 O, NO, NO 2, SO 2

26 Reálné příklady analyzátorů v IČ oblasti Infranalyzátor výfukových plynů 488 Multigas Plus Analyzátor spalin A97 PRO - pracuje na principu absorpce infračervených paprsků při průchodu měřeným plynem - dálkové ovládání všech funkcí - měření obsahu CO, CO 2, HC, měření teploty - automatické čištění od zbytků plynů Rozsah měření CO 0-9,99 obj. %, rozlišení 0,01 CO ,9 obj. %, rozlišení 0,1 HC ppm, rozlišení 1 Použití: - měření v průmyslových topných systémech - analýza spalin pevných, plynných i olejových paliv - kontrola účinnosti spalování Reakční doba menší než 10 s (3 m hadice)

27 b) Elektrochemické metody - hydrofobní membrána plyn difunduje skrz ke katodě (Pt) - anoda: často Ag/AgCl elektroda

28 Příklady: O 2 O H e - = 2 H 2 O (Pt) Clarkovo čidlo Ag + Cl - AgCl + e -

29 B. Analýza kapalin přímá měření a) Elektrochemické metody b) Spektroskopické metody - často měření v průtoku: in-line A. Fluorescence nebo Reflektance - užití vláknové optiky

30 B. Transmise C. Transmise (zdroj a spektrometr naproti sobě) Zdroj Spektrometr

31 Další možnost: ATR IČ - vysoce citlivé, rychlé, vyšší cena pozor: ATR závisí na indexu lomu, teplotě d p = l/2pn k (sin 2 - (n v /n k ) 2 ) 1/2 d p - hloubka průniku záření l - vlnová délka záření - úhel dopadu záření na fázové rozhraní n v a n k - indexy lomu vzorku a krystalu

32 C. Analýza kapalin nepřímá měření - vzorek třeba předem zpracovat, převést na vhodnou formu Metody průtokové analýzy: - alternativa k analýze na mokré cestě 1. Průtoková injekční analýza - FIA 2. Sekvenční injekční analýza - SIA 3. Kontinuální průtoková analýza - CFA 4. Segmentovaná průtoková analýza - SFA

33 1. Průtoková injekční analýza - FIA Růžička a Hansen moderní a široce použitelná metoda, instrumentální jednoduchost - malé objemy vzorků postupně injektovány pomocí dávkovacího ventilu s vyměnitelnou smyčkou do proudu reagentu Detekce: - nejčastěji fotometrická (UV/VIS, IČ) - amperometrie a potenciometrie - lze též AAS, ICP-MS, ICP-AES, GC

34 FIA instrumentace - konvenční uspořádání: 1. Peristaltické čerpadlo nebo mikropístová pumpa poháněná velmi přesným krokovým motorem 2. Dávkovací ventil se smyčkou nebo 6 až 10ti poziční selekční ventil 3. Průtokový reaktor 4. Detektor - propojeno teflonovými trubičkami o vnitřním průměru ca 0,5 mm - řízeno počítačem

35 Dávkování vzorku: A. Přímé dávkování vzorku do proudu činidla B. Dávkování vzorku do proudu nosného roztoku a následné smíchání s proudem činidla C. Současné dávkování vzorku i činidla do proudů nosného roztoku a následné smíchání dávkovaných zón Pístová pumpa Peristaltické čerpadlo Dávkovací ventil

36 FIA průtokové reaktory: 1. Dlouhé přímé trubice - nejsou vhodné vzhledem k nutnosti velkých délek 2. Reakční cívky - velmi jednoduché, používají se velmi často, nejsou ideální vzhledem k velké disperzi vzorků 3. Mísící komůrky - velká disperze vzorků - nevhodné 4. Korálkové reaktory - poskytují ve FIA kvalitní analytické signály 5. Uzlové reaktory - poskytují ve FIA kvalitní analytické signály trubice cívka uzly Snaha: intenzivní radiální mísení (narážení vzorku na stěny reaktoru) současně se snížením axiální rychlosti zvýšení symetrie signálu

37 Získaný analytický signál má tvar nesymetrického píku θ Průběh FIA křivky: N-nástřik vzorku t a -doba odezvy θ-doba zdržení T -doba návratu na základní linii Dt-celková doba signálu vzorkovací rychlost S S = 60 T ' počet vzorků/hod (obvykle desítky)

38 Proč nesymetrický tvar? a) Fyzikální disperze vzorku

39 - využívá se zde disperze vzorku (D) v rozpouštědle za kontrolovaných podmínek (kontrolovaná disperze) D = c 0 / c c 0 zaváděná (injektovaná) koncentrace analytu c aktuální detegovaná koncentrace D max disperze v maximu měřeného signálu D max = 1-3 omezená disperze, kdy neprobíhá chem. reakce D max = 3-10 střední disperze, kdy probíhá chem. reakce D max > 10 velká disperze, užití u FIA titrací D = 2 zaváděný vzorek je zředěn 1:1 Disperze je obecně funkcí času Disperze roste se zvyšující se délkou reaktoru a trubiček Disperze klesá s injektovaným objemem vzorku Disperze klesá s rostoucí průtokovou rychlostí

40 b) Chemická disperze vzorku - chemická reakce za vzniku produktu

41 Detekce: - nejčastěji fotometrická (UV/VIS, IČ) - amperometrie a potenciometrie - lze též AAS, ICP-MS, ICP-AES, GC Průtočná Z-cela, transmisní senzor Connector for SMA Fiber Optics Upchurch 1/4 28 Fitting Fluid Out Light In Light Out Fluid In Fused Silica UV/Vis Windows with Chem Resistant Seals

42 - Vyhodnocovat lze výšku píku, plochu píku kalibrační křivka - Homogenní míchání reagencií a dosažení chemické rovnováhy zde není nezbytné, avšak vlastní měření musí být vždy provedeno za stejných experimentálních podmínek - Do FIA aparatury může být zařazena kolonka s iontoměničem, extrakční, dialyzační nebo prekoncentrační jednotka, atd. - variabilita - Měření v režimu FIA může být zcela automatizováno, náklady na provedení analýzy jsou nízké - Užití: Stanovení obsahu anorganických a organických látek v odlišných oblastech aplikací, včetně farmacie

43 Příklad stanovení fosfátů molybdenanem metodou FIA PO 4 3- s molybdenanem v H + H 3 P(Mo 12 O 40 ) (žlutá) H 3 P(Mo 12 O 40 ) + kys. askorbová redukce Mo(VI) na Mo(V) - modré zbarvení 660 nm

44 Příklad stanovení dusitanů metodou FIA NO sulfanilamid růžová barva 543 nm

45 2. Sekvenční injekční analýza - SIA Růžička a Marshall vyvinula se z FIA Výhody SIA oproti FIA: - jednodušší hardware než FIA: 1 pumpa, 1 ventil, 1 nosný proud - efektivita využití reagencií - minimalizace odpadu - flexibilita, daná snadnou změnou parametrů měření prostřednictvím klávesnice počítače - značná robustnost Detekce: jako u FIA - nejčastěji fotometrická (UV/VIS, IČ) - amperometrie a potenciometrie - lze též AAS, ICP-MS, ICP-AES, GC

46 Jak pracuje SIA? - obrací se směr toku kapaliny!!! (u FIA nikoliv) - pracuje se s úzkými zónami vzorků za podmínek kontrolované disperze

47 - na rozdíl od FIA je u SIA možno v jednotlivých cyklech objem vzorku cíleně měnit v rozsahu jednotek až stovek ml programováním doby otevření příslušného kanálu selekčního ventilu; takto lze jednak optimalizovat disperzi zóny vzorku (a tedy citlivost stanovení) podle koncentrace analytu a také provádět kalibraci, pokud jeden z kanálů selekčního ventilu propojíme s roztokem standardu

48 Konvenční SIA uspořádání - doplněna vedle reakční cívky u FIA o zadržovací cívku ("holding coil") sloužící v součinnosti se selekčním ventilem k zavedení zóny vzorku detail selekčního ventilu (6-28 vstupů)

49 Příklad SIA stanovení: Berthelotova methoda kolorimetrického stanovení amoniaku - 2 reakční kroky za vzniku indofenolové modře (705 nm) ( 705 nm) Chao-Hsiang Wu, L. Scampavia, J. Ruzicka & B. Zamost, Analyst 126, 291 (2001)

50 Další příklady aplikací metod průtokové analýzy: Jakost vod: 1. Stanovení amoniakálního dusíku - Metoda průtokové analýzy (CFA a FIA) se spektrofotometrickou detekcí ČSN EN ISO (757454) 2. Stanovení dusitanového dusíku a dusičnanového dusíku a sumy obou průtokovou analýzou (CFA a FIA) se spektrofotometrickou detekcí ČSN EN ISO (757456) 3. Stanovení orthofosforečnanů a celkového fosforu průtokovou analýzou (FIA a CFA) - Část 1: Metoda průtokové injekční analýzy (FIA) ČSN EN ISO (757464), Část 2: Metoda kontinuální průtokové analýzy (CFA) ČSN EN ISO (757464) 4. Stanovení rozpuštěných křemičitanů průtokovou analýzou (FIA a CFA) a fotometrickou detekcí ČSN EN ISO (757482) 5. Stanovení chloridů průtokovou analýzou (FIA a CFA) se spektrofotometrickou nebo potenciometrickou detekcí ČSN EN ISO (757421) červená 480 nm

51

52

53 630 nm

54 Výhled do budoucna - Vývoj technik a zařízení pro nové analyty (užití polovodičů, optických vláken, atd.) - Multiparametrová stanovení - Preference in-line technik - Snaha o vyšší selektivitu - Nízká spotřeba reagencií - Miniaturizace (Lab-on-a-chip) armáda, medicína, vesmír (sonda Couriosity Mars)

55 Analyzátory řady UniCel DxC, Beckman Coulter - lze integrovat do částečně i plně automatizovaných linek - umožňuje současnou analýzu až 70ti metodami s výkonem 1440 testů za hodinu - sleduje až 14 parametrů (Na, K, Cl, Ca, CO 2, glukosa, bilirubin, cholesterol, kreatinin, celkový obsah proteinů, albumin, apod.)

56

57 Doporučená literatura Callis J. B., Illman D. L., Kowalski B. R.: Analytical Chemistry, 59, 624A-637A (1987). Hassell D. C., Bowman E. M.: Applied Spectroscopy, 52, 18A-29A (1998). Workman. J. a kolektiv: Analytical Chemistry, 71, 121R-180R (1999). Workman. J. a kolektiv: Analytical Chemistry, 77, (2005). Van der Linden W. E. a kolektiv: Analytica Chimica Acta, 216, (1989). Küppers S., Haider M.: Anal. Bioanal. Chem., 376, (2003). Růžička J., Hansen E. H.: Flow Injection Analysis, Wiley and Sons, Paseková H. a kolektiv: Chemické Listy, 93, (1999). Harvey D.: Modern Analytical Chemistry, McGraw-Hill Companies, Inc., 2000, kapitola 13. Kelner R., Mermet J.-M., Otto M., Valcárcel M., Widmer H.M.: Analytical Chemistry, Wiley-VCH, Weinheim, 2004.

58 Zkušební otázky 1. Vyjmenujte a charakterizujte typy procesní analýzy, vyjmenujte jejich hlavní výhody a nevýhody. 2. Vyjmenujte požadavky kladené na procesní analyzátory. 3. Vyjmenujte základní prvky procesního analyzátoru a stručně je charakterizujte. 4. Jaké analytické metody lze využít v procesních analyzátorech? Uveďte příklady. 5. Vysvětlete princip průtokové injekční analýzy FIA a nakreslete schema jejího experimentálního uspořádání. 6. Vysvětlete princip sekvenční injekční analýzy SIA a nakreslete schema jejího experimentálního uspořádání. 7. Vysvětlete pojem disperze vzorku a matematicky tento parametr definujte. Jaké typy disperze rozeznáváme?