A nyomásszenzor hatása a roncsolási hőmérsékletre


A mikrohullámú zárt roncsolás általánosan elterjedt módszer az analitikai laboratóriumok mintáinak fémanalitikai előkészítésére.

Kémiai reakció lévén a reprodukálhatóságot az azonos körülmények között (adott hőmérsékleten, adott ideig) végzett roncsolással biztosíthatjuk. Ehhez természetesen mérni kell a hőmérsékletet. Sok esetben – bizonyos okok miatt - a nyomást is mérni szokták.

Egy nagyon általános roncsolási példa az EPA 3052-es módszere szerinti roncsolás. A program igen egyszerű: öt percen belül el kell érni a roncsolási hőmérsékletet (kb. 180 °C) és azt tíz percig tartani.

roncsolási program

Érdekes, hogy az összes gyártó/forgalmazó, a roncsoló edényzetek fő paramétereként nem a legmagasabb hőmérséklet adja meg elsőként, hanem mindig a nyomást, míg a hőmérsékletet pedig szinte csak megemlítik. Ennek valószínű oka az, hogy sokkal könnyebb magas hőmérsékletet elérni egy zárt rendszerben, mint a magas nyomást biztonsággal tartani.

Ezen cikk célja az, hogy megvizsgáljuk a nyomásszabályozás működési módját, és ebből levonjuk a következtetéseket.

A nyomásálló edényzetek széles nyomásfokozat-tartományban érhetők el. A szokásos tartományok: kisnyomású < 20 bar; közepes nyomású 20 és 35 bar között; magas nyomású 35 és 100 bar között. Egyes gyártók egy edényzetet három nyomásértékkel is specifikálnak. A vásárlás előtt célszerű tisztázni, hogy ezek közül melyik a felhasználó számára egyedül érdekes adat: az edényben üzemszerűen elérhető legnagyobb nyomás (ez a három szám közül a legkisebb szokott lenni).
Az edényzet kiválasztásánál körültekintően kell eljárni, hogy az alkalmas legyen feladat elvégzésére.

A roncsoló edényben kialakuló nyomás két összetevőből áll: az oldat gőznyomásából és szerves anyag roncsolódásakor képződő gáz (CO2) nyomásából. Minél nagyobb a minta szervesanyag-tartalma, annál nagyobb lesz a nyomás e komponense.

nyomásprofil

A legalsó profil a roncsoló sav (HNO3) nyomásgörbéje 180 °C-on, míg a többi görbe egy - 0,25 grammonként megnövelt - szervesanyag-standard roncsolásakor felvett nyomásprofil.

Az egyes görbékre vonatkozó legmagasabb nyomásokat és a hőntartási idő végén mért nyomásértékeket a következő táblázatban láthatjuk.

Görbe Exoterm csúcs Max.nyomás Alkalmas edényzet
HNO3 nincs 5,6 bar (72 psi) Kisnyomású
0,25 g nincs 17,1 bar (246 psi) Kisnyomású
0,5 g nincs 29,3 bar (420 psi) *Közepes nyomású
0,75 g nincs 38,2 bar (464 psi) Nagynyomású
1,0 g 50,2 bar 50,2 bar (725 psi) Nagynyomású
1,25 g 68,5 bar 56,7 bar (812 psi) Nagynyomás

A fentiek szerint egyszerűnek látszik az edényzet kiválasztása, ha tudjuk a roncsolni kívánt szerves anyag tömegét. Ez valóban így is van, ha nem használunk nyomáskontrollt.

Nyomáskontroll esetén kissé más a helyzet…

Mi is tulajdonképpen a nyomáskontroll? Egy biztonsági eszköz, amely megvédi a roncsoló edényünket a túlnyomástól (a lefújástól). A nyomáskontrollt két esetben szokták alkalmazni: kutatási célból, vagy ha az edényzet burst-disc-kel (szakadó membránnal) védett. A nyomáskontrol feladata, hogy a nyomás ne mehessen fel a szakadó felületek működési nyomásáig, mert ha a membrán átszakadna, az edény lefúj, a minta elveszik.

Hogyan állítják be a nyomáshatárt? Egy közepes nyomásúnak minősített, 30 bar környéki edénynél 20 és 25 bar közé, de inkább 20 bar-ra szokták beállítani. Mi az oka ennek a nagyon alacsony nyomásérték (az edényzet deklarált nyomáshatáránál minimum 30%-kal alacsonyabb) választásának? Az ok: az edények fedeleiben használt, a lefújáskor megnyíló felületek működésének szórása. Az igen vékony hártyák gyártásakor azok pontos vastagságát nem lehet garantálni, ezért jelentősen túlbiztosítják a védelmet az alacsony nyomáshatár beállításával, ugyanis igen kellemetlen, ha lefúj az edény.

Az ábrán egy 0,3 gramm szerves anyag (szalámi) roncsolásának esetét látjuk egy 100 bar-os edényben, de a nyomáskontrollt 20 bar-ra beállítva. A program: 8 perc alatt érjük el a 180 °C-os roncsolási hőmérsékletet, és ezt tartsuk 15 percig.

hőmérséklet és nyomás alakulása nyomásszenzorral

A rendszer szépen eléri a hőmérsékletet, ahol a nyomás még csak kb. 15 bar lesz. A minta roncsolódása során keletkező CO2 hatására a nyomás kb. 5 perc múlva eléri a beállított 20 bar-t. Ekkor a nyomásszenzor átveszi a vezérlést, és a rendszer a beállított nyomás tartására rendezkedik be. A nyomás tartására igen kis energiai is elegendő, amely viszont nem lesz elég a 180 °C-os roncsolási hőmérséklet tartására. A hőmérséklet folyamatosan csökken, a roncsolási idő végére 170 °C alá esik.

A példánkban használt 0,3 g minta csak a jelenség demonstrálására szolgál, egy élelmiszereket elemző analitikus ilyen kis tömeggel nem tud mit kezdeni. Nézzük meg, hogy mi történik egy „szokásos” beméréssel, a 0,5 grammnyi mintával.

0,5 g szalámi roncsolása nyomásszenzorral

Amint látható, a megnövelt tömegű minta már a felfűtési idő alatt olyan nyomást produkált, hogy a rendszer a 20 bar-os nyomást már a roncsolási hőmérséklet beállása előtt (175 °C-nál) elérte. A nyomás tartására engedélyezett energia a program végére 150 °C alatti hőmérséklethez volt elegendő. A következő ábrán a fekete vonal jelzi a mikrohullámú energiát. A lila színű vonal a kívánt (beprogramozott) hőmérséklet.

0,5 szalámi roncsolása nyomásszenzorral

Ezen a hőmérsékleten nem sok-minden történik a szalámiban lévő zsírral…
A nyomáskontroll használatával sikerült egy 100 bar-os edényt 20 bar-osra „lefokoznunk”. A táblázat szerint a 30 bar-os edényben csak 0,25 g mintát tudunk elroncsolni a 0,5 g* helyett. Ugyanez történik minden nyomásfokozatú edénnyel, ha annak lefújó szelepét egy nyomáskontrollal védjük.

Ezzel a módszerrel a roncsoló edény – az eladásakor specifikáltnál - sokkal kisebb teljesítményre lesz csak képes. Az edényzet teljes kapacitásának kihasználására, a mindig eredményes roncsolás érdekében más védelmet (létező megoldás) célszerű alkalmazni.
Folytatása következik. Következő rész >>

Kubovics Ferenc