Chemische Charakterisierung und Spurenanalytik
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Eingeladener Vortrag
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Vortrag zur Bestimmung von Nichtmetallen in Carbiden halten.
Hierbei geht es um die Bestimmung von C, O und N in Vanadiumcarbid, Wolframcarbid und Niobcarbidmaterialien, einen hierzu durchgeführten Ringversuch mit Beteiligung der Kollegen des AK Sonderwerkstoffe und den Vergleich von Verfahrenskenngrößen.
Um in einem veränderten Umfeld erfolgreich bestehen zu können, müssen Chemieunternehmen neue Pfade beschreiten. Dazu gehört insbesondere das Potential digitaler Technologien. Mit flexiblen, modularen chemischen Vielzweck-Produktionsanlagen lassen sich häufig wechselnde Produkte mit kürzeren Vorlauf- und Stillstandzeiten zwischen den Kampagnen und dennoch hoher Qualität realisieren. Intensivierte, kontinuierliche Produktionsanlagen erlauben auch den Umgang mit schwierig zu handhabenden Substanzen.
Grundvoraussetzung für solche Konzepte ist eine hochautomatisierte "chemische" Prozesskontrolle zusammen mit Echtzeit-Qualitätskotrolle, die "chemische" Informationen über den Prozess bereitstellt. In einem Anwendungsbeispiel wurde eine pharmazeutische Lithiierungsreaktion aus einer modularen Pilot-Anlage betrachtet und dabei die Vorzüge eines vollautomatischen NMR-Sensors untersucht. Dazu wurde ein kommerziell erhältliches Benchtop-NMR-Spektrometer mit Permanentmagnet auf die industriellen Anforderungen, wie Explosionsschutz, Feldkommunikation und vollautomatischer, robuster Datenauswertung angepasst. Der NMR-Sensor konnte schließlich erfolgreich im vollautomatischen Betrieb nach fortschrittlichen Regelkonzepten und für die Echtzeitoptimierung der Anlage getestet werden. Die NMR-Spektroskopie erwies sich als hervorragende Online-Methode und konnte zusammen mit einer modularen Datenauswertung sehr flexibel genutzt werden. Die Methode konnte überdies als zuverlässige Referenzmethode zur Kalibrierung konventioneller Online-Analytik eingesetzt werden.
Zukünftig werden voll integrierte und intelligent vernetzte "smarte" Sensoren und Prozesse eine kontinuierliche Produktion von Chemikalien und Pharmazeutika mit vertretbaren Qualitätskosten möglich machen.
In many scientific fields, isotopic analysis can offer valuable information, e.g., for tracing the origin of food products, environmental contaminants, forensic and archaeological samples (provenance determination), for age determination of minerals (geochronological dating) or for elucidating chemical processes. Up to date, typically bulk analysis is aimed at measuring the isotopic composition of the entire elemental content of the sample. However, the analyte element is usually present under the form of different species. Thus, separating species of interest from one another and from matrix components prior to isotope ratio measurements can provide species-specific isotopic information, which could be used for tracing the origin of environmental pollutants and elucidation of (environmental) speciation. Using on-line hyphenations of separation techniques with multicollector-ICP-MS (MC-ICP-MS) can save time and effort and enables the analysis of different species during a single measurement.
In this work, we developed an on-line hyphenation of CE with multicollector-ICP-MS (CE/MC-ICP-MS) for isotopic analysis of sulfur species. With this method, the isotopic composition of sulfur in sulfate originating from river water could be analyzed without sample preparation. The results were compared with data from off-line analysis of the same samples to ensure accuracy. The precision of the results of the on-line measurements was high enough to distinguish the rivers from one another by the isotopic signature of the river water sulfate. Next to environmental applications, a future field could be species-specific isotopic analysis of biomolecules, as sulfur is the only covalently bound constituent of proteins which can be analyzed by MC-ICP-MS.
Multi-collector inductively coupled plasma-mass spectrometry (MC-ICP-MS) has evolved significantly since its introduction in 1992. The second and third generation instruments now allow isotope ratio measurements at unprecedented precisions, 0.001 % or better. However, precision alone is not enough for producing accurate and reliable isotope ratio measurements. Metrological considerations such as the selection of suitable calibration strategies, proper assessment of instrumental biases, and the estimation of overall measurement uncertainty remain critical to the measurement process. Properly assessed, measurement uncertainty then provides the interval within which a result can be considered both accurate and precise.
All mass spectrometric measurements are affected by instrumental mass discrimination and produce isotope ratios that are biased relative to their “true” ratio. To produce accurate and traceable isotope ratio measurements, it is imperative that certified isotope reference materials (iCRMs) be used for calibration and validation purposes. iCRMs reporting absolute isotope ratios are an analyst’s first choice, particularly when its uncertainty is sufficient for the intended use. However, when smaller uncertainties are required to resolve subtle differences between samples, delta-scale measurements become important. Here, the difference between an isotope ratio measured in a sample and in an internationally accepted isotope reference material (iRM) is determined. This deviation can be positive or negative relative to the iRM, is called a delta value, and is often expressed in per mil units.
This presentation will highlight the potential for MC-ICP-MS to produce isotope ratio measurements with minimal uncertainties by examining three applications involving Mg isotopes: 1) the certification of a set of iCRMs for their absolute isotope ratio using a gravimetric isotope mixture approach; 2) the comparison of these iCRMs with currently accepted Mg delta-scale reference materials through intercalibration, and 3) the determination of isotope fractionation exponents for geochemical applications.
Gegenstand der vorzustellenden Arbeiten ist die Prüfung der Umwelt-beständigkeit und -verträglichkeit von Materialien und Produkten hinsichtlich der Emission von potenziellen Schadstoffen in die Umwelt. Hierzu werden chemisch-physikalische Einflüsse (Bewitterung) und mikrobielle Beanspruchungen an Modellmaterialien evaluiert. So werden die Freisetzungsraten von Schadstoffen in Abhängigkeit der Beanspruchung beschrieben. Als Modellmaterialien kommen die Polymere Polystyrol (PS) und Polypropylen (PP) zum Einsatz. Synergistische Effekte der Bewitterungsparameter und der mikrobiologischen Beanspruchung sollen dabei ebenso betrachtet werden, wie die gezielte Alterung. Auch findet eine Beschreibung des Verhaltens der ausgetragenen Schadstoffe (polybromierte Flammschutzmittel) in den Umweltkompartimenten Boden oder Wasser statt. Hier sind mit Hilfe der zu entwickelnden Screening- und non-Target-Analyseverfahren die Transformation und der Metabolismus durch Mikroorganismen zu beschreiben. Aus den Ergebnissen sollen Korrelationen zwischen den künstlichen Alterungsverfahren und realen Szenarien abgeleitet werden.
Warfarin als ein Vertreter der NSO-Hetereozyklen, ist seit den 1950er Jahren einer der bekanntesten Gerinnungshemmer. Beim Menschen wird es bis heute zur Vorbeugung von Thrombose und der Behandlung von Vorhofflimmern und Arrhythmie eingesetzt. Doch schon einige Jahre vor der FDA Zulassung als Medikament wurde es zur Bekämpfung von Nagetieren eingesetzt. Bis heute wurde es nur teilweise durch weitaus wirksamere antikoagulante Rodentizide (ARs) der zweiten Generation, sogenannte Superwarfarine, ersetzt. In der Fachliteratur finden sich zahlreiche Beispiele für sekundäre und tertiäre Vergiftung mit ARs bei Wildtieren und anderen Nichtzieltieren. Bisher ist relativ wenig über die Bioakkumulation, Persistenz und Toxizität von ARs und deren Transformationsprodukten (TPs) in der terrestrischen und aquatischen Umwelt, sowie der Nahrungskette bekannt.
Um Einblicke in mögliche Transformations- und Abbauprozesse von Warfarin zu erhalten und um Umwelteinflüsse zu simulieren, wurde es in einer elektrochemischen Reaktorzelle oxidativ umgesetzt und mittels Massenspektrometrie analysiert. Hinsichtlich der Wasseraufbereitung in Kläranlagen wurden technisch relevante Simulationsverfahren wie Chlorung, UV-Bestrahlung und Ozonung angewendet um potentielle Eliminierungswege aufzuklären. Gebildete Transformationsprodukte wurden daher mittels unterschiedlicher chromatografischer Verfahren getrennt, massenspektrometrisch analysiert und verglichen.
Die Wettbewerbsfähigkeit der Prozessindustrie basiert auf der Sicherung der geforderten Produktqualität bei einer optimalen Nutzung von Anlagen, Rohstoffen und Energie. Ein Weg zur wissensbasierten Produktion führt über die Betrachtung der wesentlichen Apparate-, Prozess- und Freigabedaten aus Betrieben und Labors. Das Potenzial dieser Daten wird heute vielfach noch nicht konsequent für ein umfassendes Verständnis der Produktion genutzt.
Neben Fragen zur Datenerfassung, Datenkonnektivität und Datenintegrität müssen solche Daten für eine ganzheitliche Prozessanalyse zunächst mit Kontextinformationen zusammengebracht werden. Datenquellen enthalten Zeitwertpaare, aber auch diskrete Daten aus LIMS (Laboratory Information Management Systems) oder ELN (Electronic Laboratory Notebooks) und werden zunehmend durch 2D- und 3D-Daten aus der Chromatographie-Massenspektrometrie oder bildbasierter Analytik ergänzt.
Für die automatisierte Merkmalsextraktion, etwa zur Extraktion chemischer Informationen aus den oben genannten Datenquellen werden multivariate Werkzeuge und Algorithmen genutzt. Multivariate Statistiken wie PCA (Principle Component Analysis), PLS (Partial Least Squares) und LDA (Latent Discriminant Analysis) bilden die erste Grundlage für die Datenanalyse. Für diese Verfahren sind heute Datenvorbehandlungsschritte nötig. Die Modellbildung geschieht manuell und ist sehr aufwendig.
Können diese Daten im Zeitalter von ML (Machine Learning) und KI (Artificial Intelligence) anderweitig sinnvoll genutzt werden und ohne klassische Modellbildung? Die Bezeichnung „Big Data“ als Voraussetzung für datengetriebene Auswerteverfahren ist für die Prozessindustrie allerdings unpassend, denn auch bei mengenmäßig großen Datensätzen liegen für Kampagnen typischerweise nur Informationen über einige Batches mit einer Serie von Messdaten vor, die genügend Varianz für eine datengetriebene Auswertung aufweisen – nicht vergleichbar mit den Datenmengen im WWW oder von großen Internet-Konzernen.
Ein Weg zur wissensbasierten Produktion führt über die Betrachtung der wesentlichen Apparate-, Prozess- und Freigabedaten aus Betrieben und Labors. Das Potenzial dieser Daten wird heute vielfach noch nicht konsequent für ein umfassendes Verständnis der Produktion genutzt.
Neben Fragen zur Datenerfassung, Datenkonnektivität und Datenintegrität müssen solche Daten für eine ganzheitliche Prozessanalyse zunächst mit Kontextinformationen zusammengebracht werden. Datenquellen enthalten vor allem Zeitwertpaare, die numerisch vorbehandelt und möglichst vollautomatisch ausgewertet werden müssen. Am Beispiel NMR-spektroskopischer Daten wird der Stand der Auswertung mit physikalisch motivierten Modellen, wie z. B. dem IHM erläutert.
Is it a parmesan cheese from Italy? Who painted the Mona Lisa? The determination of the place of origin is essential for consumer protection, detection of falsifications, and also to bring justice.
All the tangible possess an isotopic fingerprint. However, current technologies are too expensive. We work on the development of fast and low-cost optical instruments and methods for isotope analysis.
Simultaneous multielemental analysis of crude oils by high-resolutions absorption spectrometry
(2019)
When crude oil arrives at a refinery it needs a lot of processing before it is suitable for cracking into lighter fractions. Sulfur has to be extracted to meet ultra-low sulfur legislation for most of the fuel grades, and desalination is a crucial process as chlorine within salts is corrosive to refinery equipment. Measuring the amounts of sulfur and chlorine within crude oil is the first step in a complex clean-up process.
Heavy metals, such as vanadium, nickel and iron need to be removed too. These metals can poison the catalyst used to crack the oil into lighter fractions. This is costly as it reduces the useful life of the catalyst. Like chlorine, heavy metals also have a corrosive effect on the plant. There is some evidence that the presence of some metals in the final product can reduce performance.
A fast determination of elements and size of suspended particles is vital for diagnosis and safeguard of refinery equipment. However, sample preparation for current analytical methods consumes precious time and lost particle size information.
High-resolution continuum source graphite furnace absorption spectrometry (HR-CS-GFAS) is proposed as a fast analytical method for elemental determination in crude oils and potentially for simultaneous multielement and particle size analysis. This HR-CS-GFAS instrumentation is coupled to a modular simultaneous echelle spectrometer (MOSES) and provides a full optical window with high resolution (from 180 to 900 nm with bandwidth λ/170,000). By using this set-up, it is possible to generate a multiparameter 3D spectral image (atomic and molecular lines, isotopic shift, atomization delay, and intensities). The generated spectral images can be analyzed by multivariate regressions for the elemental and particle size analysis. Additionally, if several atomic and molecular lines are simultaneously measured, they may be used in multi-energy calibration (MEC), a method based on the use of many wavelengths of the same absorbing/emitting entity to improve the accuracy in analytical atomic spectrometry. This MEC approach combined with multivariate image analysis allows the quantification of selected elements (Si, Al, Ni, Fe, V, S, and Cl) and overcomes matrix effects.