Technika ICP MS w badaniach pierwiastków szlachetnych w katalizatorach

Rzetelność i poprawność rozliczeń pomiędzy odbiorcą, a sprzedawcą zużytych katalizatorów samochodowych jest uzależniona od rzetelnego i poprawnego wyniku oznaczenia zawartości poszczególnych pierwiastków w dostarczanym materiale. Podstawową i najszybszą techniką do tego celu jest technika spektroskopii fluorescencji rentgenowskiej (czyli określana skrótem XRF), rutynowo wykonywana w naszym laboratorium. Aby zapewnić jak najwyższą jakość naszych usług dla potwierdzenia uzyskiwanych wyników wykorzystujemy również technikę spektrometrii mas z plazmą wzbudzaną indukcyjnie, w skrócie określaną jako ICP-MS.

Technika ICP-MS do komercyjnego wykorzystania wprowadzona została niecałe 40 lat temu. Charakteryzuje się dużą czułością, selektywnością, niską granicą oznaczalności oraz szybkością oznaczeń. Pozwala również na jednoczesne oznaczanie wielu pierwiastków – zarówno na poziomie makroskładników, jak i zawartości śladowych. Jest jednak stosunkowo drogą techniką, wymaga wyspecjalizowanego personelu oraz odpowiednich metodyk przygotowania próbki oraz czasu, jaki jest niezbędny dla takiego przygotowania próbki.

Rysunek 1. Spektrometr ICP-MS

Przygotowanie próbki (roztworzenie całej masy próbki pobranej do badania), aby przeprowadzić ją w roztwór, który może być poddawany analizie ICP-MS jest osobnym zagadnieniem. Próbka najpierw jest odważana z wykorzystaniem dokładnej wagi analitycznej, a następnie zalewana mieszaniną kwasów. W tej mieszaninie następuje proces powolnego rozpuszczania próbki. Gdybyśmy chcieli czekać w warunkach otoczenia na całkowite rozpuszczenie próbek, proces ten mógłby zająć nawet i pół roku. Dlatego – dla przyspieszenia – wspomagamy się działaniem mikrofal, w specjalnym urządzeniu – mineralizatorze mikrofalowym. Mineralizator mikrofalowy działa bardzo podobnie do stosowanej w domach kuchenki mikrofalowej. W szczelnie zamkniętych naczyniach mikrofale przyspieszają proces rozpuszczania próbki, który dodatkowo jest wspomagany poprzez wzrastające ciśnienie i temperaturę. Dzięki temu przyspiesza się proces rozpuszczenia próbki, a po rozcieńczeniu próbka (a właściwie już roztwór próbki) jest gotowa do analizy z wykorzystaniem techniki ICP-MS.

Jak zbudowany jest ICP-MS?

Żeby nie wchodzić za bardzo w szczegóły konstrukcyjne – składa się z następujących elementów, schematycznie przedstawionych na rysunku 2, z których najważniejszymi są:

rozpylacz próbek – ma za zadanie przeprowadzenie analizowanego roztworu do formy aerozolu, czyli zawiesiny niewielkich kropli. Najczęściej jest to rozwiązanie wykorzystujące odpowiedni gaz pod wysokim ciśnieniem, który powoduje, że kropelki cieczy są „porywane” przez strumień gazu.
palnik plazmowy – czyli plazma grzana indukcyjnie. Nazwa bierze się od tego, że źródło plazmy jest zasilane napięciami elektrycznymi, wytwarzanymi indukcyjnie przez zmienne w czasie pola elektromagnetyczne. Temperatura, jaką osiąga plazma – w naszym przypadku jest to plazma argonowa, czyli „palący się” argon wynosi około 6000K÷10000K, co jest porównywalne z temperaturą, jaka jest na powierzchni Słońca. W takiej temperaturze następuje odparowanie rozpuszczalnika oraz jonizacja cząsteczek, czyli ich rozbicie na formę jonową. Tak, pierwiastki zawarte w próbce są „rozbijane” niejako na jony.

Nasz aparat ma jeszcze takie specjalne okienko, przez które można w czasie pracy „podglądać”, jak wygląda paląca się plazma, jaki ma kolor i kształt, a tym samym mieć wzrokową kontrolę nad poprawnością spalania plazmy, bez konieczności otwierania całego spektrometru.

układ stożków – zadaniem tego układu jest oddzielenie jonów od plazmy, czyli powstałych jonów od nadmiaru argonu i w jak najefektywniejszy sposób przeniesienie tych jonów do wnętrza układu spektrometru mas, przy jednoczesnym obniżeniu ciśnienia. Stożki – aby układ pracował w sposób wydajny i powtarzalny muszą być wykonane z odpowiedniego materiału, a w codziennej pracy należy zwracać uwagę na ich czystość (zabrudzenie powoduje spadek czułości aparatu i efektywności pracy).
układ soczewek – po przejściu przez układ stożków wiązka jonów musi zostać odpowiednio skupiona. I to jest zadanie układu optycznego. Dodatkowo w tym miejscu następuje oddzielenie jonów (naładowanych cząstek) od cząstek obojętnych.
analizator mas – to takie „serce” całego układu – rozdzielające wiązkę jonów według wartości stosunku masy do ładunku (m/z). Dzięki temu elementowi możliwe jest dokładne oddzielenie poszczególnych jonów (dla uproszczenia możemy powiedzieć, że oddzielenie poszczególnych pierwiastków) w skomplikowanej mieszaninie, jaką jest matryca katalizatora. W układzie ICP MS mogą być zastosowane takie analizatory jak: kwadrupolowy, czasu przelotu, z sektorem magnetycznym oraz elektromagnetyczny (czyli o podwójnym ogniskowaniu). W naszym układzie jest zastosowany analizator kwadrupolowy, jeden z najczęściej wykorzystywanych analizatorów mas.
detektor jonów – jego zadaniem jest odpowiednie „zobaczenie” tego, co jest zanalizowane w analizatorze, czyli rejestracja jonów przechodzących przez analizator. Dzięki pracy detektora jonów możliwe jest wykonanie nie tylko analizy jakościowej (stwierdzenie, czy jest w próbce katalizatorów obecny pallad, rod czy platyna), ale również wykonanie analizy ilościowej – czyli dokładne określenie, ile poszczególnych pierwiastków jest obecnych w tej próbce.

Rysunek 2. Schemat układu ICP-MS

Rysunek 3. Wstępne sprawdzenie poprawności działania układu ICP-MS

Rysunek 4. Przykładowa krzywa kalibracyjna w układzie ICP-MS

Rysunek 5. Tablica wyników dla badanych próbek.

Oczywiście, aby wykonać analizę ilościową, konieczne jest również odpowiednie przygotowanie aparatu, czyli znalezienie zależności pomiędzy stężeniem/ zawartością pierwiastka w roztworze wzorcowym, a odpowiedzią detektora. Wykonujemy zatem kalibrację aparatu. Na podstawie wyników kalibracji układu oraz wiedzy o masie próbki, jaka została pobrana do przygotowania roztworu badanego – jesteśmy w stanie precyzyjnie określić, ile poszczególnych pierwiastków się znajduje w monolicie.

Nasz wyspecjalizowany Personel analityczny codziennie obsługuje zarówno mineralizator mikrofalowy, jak i spektrometr mas z plazmą wzbudzaną indukcyjnie, wykonując badania oraz niezbędne czynności konserwacyjne, gwarantujące poprawność pracy sprzętu.

Mamy nadzieję, że przybliżyliśmy dzisiaj pokrótce sedno analizy z wykorzystaniem techniki ICP-MS.

Zapraszamy do współpracy! Kontakt w sprawie przeprowadzenia analizy z wykorzystaniem techniki ICP-MS – Tel. +48 730 016 017 lub mailowy michor@unimetalrecycling.pl

Skup katalizatorów-skup filtrów dpf

Szukaj na tym blogu