4.4 Testen en opstellen parameters voor gaschromatografie
4.5.3 GC-analyse
Per monstername was een tweede sorbenttube bemonsterd voor GC-analyse. De sorbenttubes van t=7 t/m t=20 zijn geanalyseerd met GC-FID en de sorbenttubes van t=30 en t=34 met GC-MS. Ter controle was een blanco luchtmonster meegenomen. In figuur 25 is van deze blanco het chromatogram zichtbaar. De chromatogrammen van de sorbenttubes, geanalyseerd met GC-FID zijn zichtbaar in figuur 26 t/m 29.
pA 40.00 41.00 42.00 43.00 44.00 Minutes 0.00 0.50 1.00 1.50 2.00 2.50 3.00 3.50 4.00 4.50 5.00 5.50 6.00 6.50 7.00 7.50 8.00 8.50 9.00
Figuur 25, chromatogram van een blanco luchtmonster met GC-FID.
pA 41.00 42.00 43.00 44.00 45.00 46.00 Minutes 0.00 0.50 1.00 1.50 2.00 2.50 3.00 3.50 4.00 4.50 5.00 5.50 6.00 6.50 7.00 7.50 8.00 8.50 9.00
Figuur 26, chromatogram van een headspacemonster van een sorbenttube bij monstername t=7 met GC-FID.
pA 41.00 42.00 43.00 44.00 45.00 Minutes 0.00 0.50 1.00 1.50 2.00 2.50 3.00 3.50 4.00 4.50 5.00 5.50 6.00 6.50 7.00 7.50 8.00 8.50 9.00
Figuur 27, chromatogram van een headspacemonster van een sorbenttube bij monstername t=10 met GC-FID.
pA 40.00 41.00 42.00 43.00 44.00 Minutes 0.00 0.50 1.00 1.50 2.00 2.50 3.00 3.50 4.00 4.50 5.00 5.50 6.00 6.50 7.00 7.50 8.00 8.50 9.00
Figuur 28, chromatogram van een headspacemonster van een sorbenttube bij monstername t=15 met GC-FID.
pA 39.00 40.00 41.00 42.00 43.00 Minutes 0.00 0.50 1.00 1.50 2.00 2.50 3.00 3.50 4.00 4.50 5.00 5.50 6.00 6.50 7.00 7.50 8.00 8.50 9.00
Het signaal tussen 1.6 en 2.8 minuten van monsters t=7, t=15 en t=20 komt sterk overeen met het signaal dat zichtbaar is in het chromatogram van de methaanstandaard (figuur 22). Vanuit deze chromatogrammen is het waarschijnlijk dat methaan in de teststudie gevormd wordt. De chromatogrammen en massaspectra van de sorbenttube en gaszak, geanalyseerd met GC-MS zijn zichtbaar in figuur 30 en 31.
Figuur 30, chromatogram en massaspectrum van een Figuur 31, chromatogram en massaspectrum van het headspace monster van de sorbenttube bij monstername t=30. van de gaszak bij monstername t=34.
In de massaspectra van beide monsters is tussen de retentietijd van 1.00 en 2.00 geen methaan gedetecteerd. De massa’s behorende bij het massaspectrum van methaan (zie figuur 32) zijn wel aanwezig, maar deze vallen weg tussen de vele andere massa’s. Uit de methaanstandaard is gebleken dat de retentietijd van methaan daadwerkelijk bij de 1.8 minuten ligt.
Figuur 32, chromatogram en massaspectrum van een methaanstandaard.
4.5.4 Gaszakken
Naast de sorbenttubes zijn ook gasmonsters genomen gedurende de teststudie met behulp van gaszakken. De activiteit van een gasmonster uit deze gaszakken werd hierna gemeten. Een weergave hiervan is zichtbaar in tabel 19.
Tabel 19, activiteit van de gasmonsters opgevangen in gaszakken Tijd (dagen) Volume gasmonster
(ml) Gemeten activiteit (dpm)
9 500 5666.25 21 500 1692.32 34 500 2345.24
De gemeten activiteit vanuit deze gasmonsters bevestigd de resultaten afkomstig van de sorbenttubes, namelijk dat er vluchtige organische metabolieten zijn ontstaan, welke uit het water/sedimentsysteem ontsnappen. Daarnaast bevestigt de gemeten activiteit van de gasmonsters bij t=21 en t=34 dat over de gehele teststudie vluchtige organische metabolieten zijn ontstaan. Dat er geen activiteit vanaf de sorbenttubes bij monstername t=20, t=30 en t=34 is gemeten komt door complicaties bij de monstername en
desorptie.
De t=9 en t=21 gasmonsters zijn mede geanalyseerd met de GC-FID. De
chromatogrammen hiervan zijn zichtbaar in figuur 33 en 34. Het gasmonster van t=34 is geanalyseerd met de GC-MS, zie figuur 31.
pA 40.00 42.00 44.00 46.00 48.00 50.00 52.00 54.00 56.00 Minutes 0.00 0.50 1.00 1.50 2.00 2.50 3.00 3.50 4.00 4.50 5.00 5.50 6.00 6.50 7.00 7.50 8.00 8.50 9.00
Figuur 33, chromatogram van het gasmonster uit gaszak van t=9.
pA 40.00 42.00 44.00 46.00 48.00 50.00 52.00 Minutes 0.00 0.50 1.00 1.50 2.00 2.50 3.00 3.50 4.00 4.50 5.00 5.50 6.00 6.50 7.00 7.50 8.00 8.50 9.00
Figuur 34, chromatogram van het gasmonster uit gaszak van t=21.
Zoals in de chromatogrammen van de verschillende sorbenttubes zichtbaar is in de bovenstaande chromatogrammen een signaal bij 1.8 minuten zichtbaar. De vorm van dit signaal komt sterk overeen met dat van de methaanstandaard (figuur 22). Vanuit het massaspectrum van het gasmonster van t=34 is echter niet met zekerheid te bepalen of in het gasmonster daadwerkelijk methaan aanwezig is.
5 Discussie
In dit hoofdstuk wordt een toelichting geven op de verschillende complicaties welke waren opgetreden gedurende het onderzoek van het afstudeerproject.
De gebruikte buisoven voor de oxidatieoven heeft een andere eindtemperatuur dan wordt ingesteld. Bij een ingestelde eindtemperatuur bereikte de oxidatieoven een temperatuur boven de 900°C. Daarbij is de eindtemperatuur niet stabiel, deze neemt geleidelijk toe. Voor de verrichte onderzoeken zou dit geen significant effect moeten hebben gehad. Deze onstabiele eindtemperatuur zorgt er wel voor dat de oxidatieoven niet zonder toezicht van een analist gebruikt kan worden. Het is niet bekend wat de oxidatieoven zal doen als deze voor langere tijd (bijvoorbeeld overnacht) bij deze temperaturen aangelaten wordt.
Gedurende de ontwikkeling van de TDO heeft deze opstelling een temperatuur bereikt van 266.7°C. Aangezien het verwarmingslint een gemeten temperatuur had van boven de 440°C zou de TDO nog hogere temperaturen kunnen bereiken. Temperaturen die gebruikt worden voor thermische desorptie liggen doorgaans tussen de 350-400°C. Het is niet getest of de TDO tot deze temperaturen kan komen vanwege het ontwerp en
veiligheid. Daarnaast zou de verwarming tot deze temperaturen uren duren. In de onderzoeken binnen dit project werd de TDO toegepast bij een temperatuur van 250°C. Deze temperatuur zou hoog genoeg moeten zijn voor de desorptie van methaan. Daarnaast wordt een draaggasvolume van 600 ml gebruikt tijdens desorptie. Bij de gebruikte sorbenttubes treedt breakthrough van methaan op nadat 15.3 ml aan gas door de sorbenttubes is geleid. De combinatie van de gebruikte temperatuur en volume draaggas zou voldoende moeten zijn voor volledige desorptie van methaan.
Tijdens de ontwikkeling van de apparatuur en het testen en opstellen van hun parameters is met ongelabeld (niet-radioactief) methaangas als monster gewerkt. Aangezien zowel de sorbenttubes als de oxidatieoven niet specifiek zijn voor methaan, heeft dit effect gehad op de resultaten (metname zeer hoge recoveries). Dit is met name duidelijk geworden bij de onderzoeken van de minimale hoeveelheid omzetbare
methaan, bepaling temperatuur van desorptie en het optreden van memory effect. In de oxidatieoven worden ook andere (vluchtige) organische stoffen evenals methaan mee omgezet tot koolstofdioxide. Daarnaast wordt koolstofdioxide uit de omgeving
opgevangen in de bariumhydroxide of natronloogtraps. Daarbij was de gebruikte
titratiemethode niet geschikt voor de bepaling van zeer lage hoeveelheden opgevangen koolstofdioxide. Bij studies binnen NOTOX wordt bij deze titratiemethode de hoeveelheid gebruikte zoutzuur op de milliliter nauwkeurig bepaald, zoals omschreven staat in de richtlijn van OECD 301. Voor de onderzoeken binnen dit project zou de hoeveelheid zoutzuur voor titratie op de microliter nauwkeurig bepaald moeten worden. Met de beschikbare titratieopstelling was deze nauwkeurigheid praktisch niet mogelijk. Dit kwam mede doordat de molariteit en volume van de bariumhydroxide niet gedurende elke proef consequent gelijk waren.
De sorbenttubes bij de monstername op t=7 en de eerste gaszak op t=9 zijn niet gevuld met behulp van de pomp. Bij het vullen van de gaszak werd duidelijk dat de druk van het gas uit het water/sedimentsysteem niet sterk genoeg was. De eerste gaszak was voor ongeveer een kwart gevuld in tegenstelling tot bijna volledig zoals verwacht. Dit is hoogstwaarschijnlijk de reden waarom meer activiteit in de eerste gaszak is gemeten dan in de tweede. Hieruit is besloten om vanaf de monstername op t=10 bij zowel de
De koppeling tussen het ventiel van de TDO en de sorbenttube van t=20 en t=34 voor desorptie was niet direct succesvol. Pas na enkele pogingen was de koppeling tussen de sorbenttubes en het ventiel goed. Waarschijnlijk is er tijdens deze pogingen tot een koppeling verlies van activiteit opgetreden, waardoor slechts een zeer lage activiteit in de natronloogtraps is gemeten. Het effect op de massabalansen van deze monsternames zijn daarbij dan ook dat de massabalansen onder de 90% uitkomen. Zou deze teststudie een uitgevoerd zijn als een water/sedimentstudie binnen NOTOX B.V., dan zou deze niet meer valide zijn. Van de sorbenttube van t=30 is geen activiteit gemeten. Bij deze sorbenttube waren geen complicaties opgetreden tijdens plaatsing in TDO. Waarschijnlijk heeft er tijdens de monstername geen goede opvanging van gasmonster
plaatsgevonden. De activiteit gemeten uit het gasmonster van gaszak bij t=21 geeft aan dat er wel vluchtige organische componenten uit het water/sedimentsysteem komen. Aan het begin van de teststudie was gepland om, om de vijf dagen een monstername te doen. Twee monsternames bleken niet in deze planning te passen (weekend of feestdag), waardoor ze een dag naar voor of achter werden verschoven. De laatste twee
monsternames werden voor langere tijd uitgesteld vanwege de afwezigheid van een onderdeel van de TDO. Dit onderdeel was noodzakelijk bij verschillende studies op een andere afdeling binnen NOTOX B.V..
Voor de laatste monstername t=34 is de laatste gaszak gebruikt voor GC-MS-analyse in plaats van een sorbenttube. Voor deze monstername was nog maar één sorbenttube aanwezig en deze was toegepast voor de bepaling van activiteit. Methaan is niet gedetecteerd gedurende de GC-MS-analyse. Het is echter wel mogelijk dat er methaan aanwezig was. De massaspectra bij de retentietijd tussen 1.00 en 2.00 komen niet overeen met één bepaalde stof. Waarschijnlijk komen verschillende stoffen, waaronder methaan, met deze retentietijd uit de kolom. Vanwege beschikbaarheid van apparatuur was het niet mogelijk om verder onderzoek hierin te verrichten.
De recovery van de activiteit vanaf de sorbenttube in de massabalans is berekend door de gemeten activiteit te vermenigvuldigen met het aantal minuten na spiken van de water/sedimentsystemen. De waarde van deze recovery is enkel een indicatie aangezien deze berekening verre van nauwkeurig is. Methaan zal waarschijnlijk niet vanaf het spiken van de flessen geleidelijk gevormd worden. De activiteit die via LSC bepaald is in de natronloogtraps vanuit het DO-systeem, geven wel duidelijk weer of radioactieve metabolieten door de sorbenttube was opgevangen.
De ontwikkelde apparatuur en de hierbij opgezette methoden zijn geschikt voor de bepaling van gevormde vluchtige organische metabolieten. De kwantificering van deze metabolieten is nog niet mogelijk. Reden hiervoor zijn: het instellen van de flow (stikstof) die door de water/sedimentsystemen stroomt en de flow (zuurstof) door
DO-systeem worden beide handmatig gedaan. Daarbij is de flow uit de gebruikt pomp niet nauwkeurig en constant. Deze punten zorgen ervoor dat de apparatuurinstellingen over de monsternames niet consequent waren. Alleen de gemeten activiteit met behulp van de LSC kunnen als definitief resultaat worden beschouwd. Vanwege deze redenen zijn de resultaten van de gaszakken niet meegenomen in de massabalansen en alleen gebruikt als indicatie en controle.
6 Conclusie
Met de beschikbare apparatuur en materialen binnen NOTOX B.V. zijn de TDO en de oxidatieoven ontwikkeld. De TDO is in staat om in 20 minuten een temperatuur van 250°C te bereiken. Via een ingeboord ventiel kan een Carbotrap 300 multi-bed
sorbenttube met redelijke aansluiting in de TDO worden geplaatst. De oxidatieoven kan temperaturen van meer dan 900°C bereiken wanneer deze wordt ingesteld op een eindtemperatuur van 850°C.
Deze ontwikkelde oxidatieoven is geschikt voor de omzetting van methaan naar koolstofdioxide met een omzettingspercentage van 90%. De oxidatieoven is daarnaast niet specifiek voor methaan, andere (vluchtige) organisch stoffen worden mede omgezet tot koolstofdioxide. De minimale hoeveelheid methaan dat kan worden omgezet naar koolstofdioxide kon niet nauwkeurig worden bepaald. De reden hiervoor is dat de titratiemethode niet toepasbaar was voor de nauwkeurigheid die hiervoor noodzakelijk was.
Het breakthroughvolume van methaan voor de sorbenttube bedraagt 117.7 ml/g. Wanneer meer dan 15.3 ml gas door de sorbenttube stroomt, treedt breakthrough van methaan op. Voor de desorptie van de sorbenttubes wordt de TDO verwarmd tot 250°C en 600 ml (40 ml/min) zuurstof wordt door de tube geleid. Het is onbekend of hierbij het methaan volledig wordt gedesorbeerd, maar het is hoogstwaarschijnlijk.
Via de toegepaste GC-methode met FID-detectie kan methaan gedetecteerd worden bij een retentietijd van 1.7-1.9 min. Voor methaanbepalingen van de sorbenttubes wordt het Carbosieve S-III CMS uit de sorbenttube in een vial in de agitator verwarmd
(gedesorbeerd) bij 200°C. Met een headspacemonster kan bepaald worden of methaan op het sorbent was opgevangen. Het detectielimiet van methaan kon niet bepaald worden aangezien het laagst mogelijke injectievolume (10 µl) een significant signaal gaf. Aan de hand van de teststudie is bepaald dat door sorbenttubes te gebruiken, bepaald kan worden of vluchtige organische metabolieten ontstaan in een water/sedimentstudie. Vanaf verschillende sorbenttubes, gebruikt voor bemonstering van
water/sedimentsystemen in de teststudie, is radioactiviteit gemeten. Zonder deze activiteit mee te rekenen, komen de massabalansen onder de 90% uit, waardoor de studie niet meer valide zou zijn. Nauwkeurige kwantificering van deze activiteit is nog niet mogelijk vanwege onnauwkeurige apparatuurinstellingen. Alleen de activiteit gemeten met behulp van de LSC vanaf de sorbenttube kan als definitief worden beschouwd. Bij monstername en desorptie van sommige sorbenttubes waren complicaties opgetreden waardoor verlies van activiteit op het sorbent optrad.
Aan de hand van de GC-FID-analyse is het waarschijnlijk dat de voornaamste vluchtige organische metaboliet methaan is. Bij een retentietijd van 1.8 minuten is een redelijk unieke piek zichtbaar. Vanuit de GC-MS-analyse kan niet geconcludeerd worden dat dit signaal afkomstig is van methaan. In het massaspectra van de verschillende monsters kan bij de retentietijd van methaan geen methaan onderscheiden worden. De massa’s behorende bij het massaspectrum van methaan zijn wel aanwezig, maar vallen weg tussen de vele andere massa’s. Het was niet mogelijk gebleken om één enkele stof bij deze retentietijd te identificeren.
Naast de sorbenttubes zijn ook gaszakken gebruikt voor monstername van vluchtige organische metabolieten. In alle gasmonsters is activiteit gemeten, waardoor bevestigd is dat over de gehele duur van de teststudie vluchtige organische metabolieten gevormd zijn. De resultaten van zowel de GC-FID als de GC-MS-analyse van de gaszakken waren vergelijkbaar met die van de sorbenttubes.
De ontwikkelde apparatuur en de opgezette methoden voor opvanging, detectie en meten zijn geschikt voor de bepaling van vorming van vluchtige organische metabolieten in water/sedimentstudies. Kwantificering van de gemeten activiteit en identificatie van
7 Aanbeveling
De omzetting van methaan naar koolstofdioxide met behulp van de oxidatieoven was in het project het meest succesvol. Niet alleen methaan maar ook andere (vluchtige) organische stoffen worden met deze oxidatieoven omgezet tot koolstofdioxide. Vanwege de onnauwkeurigheid van de flow en van de bemonstering is het niet mogelijk met de resultaten vanuit het DO-systeem (gevonden activiteit) te kwantificeren in een
massabalans. Om de nauwkeurigheid te vergroten is een oplossing om een oxidatieoven direct te koppelen aan één of meerdere van de water/sedimentsystemen over de gehele duur van de studie. De ontwikkelde oxidatieoven in dit project is onbetrouwbaar vanwege zijn instabiele temperatuur. Om een oxidatieoven direct te kunnen koppelen aan een water/sedimentsysteem moet deze een zeer stabiele eindtemperatuur hebben. Daarbij moet bekend zijn of de oxidatieoven voor langere duur op een eindtemperatuur van (boven de) 900°C kan worden gehouden. Hiervoor zal het nodig zijn om een nieuwe teststudie te starten waarin wordt onderzocht wat de mogelijkheden zijn van de
oxidatieoven en het effect van de oxidatieoven op de omgeving. Water/sedimentstudies worden uitgevoerd bij een constante temperatuur (20°C) in een klimaatcel. Als deze oxidatieoven teveel warmte aan de omgeving afgeeft zal het nodig om een isolatiekast te maken waarin de oxidatieoven geplaatst kan worden. De grootte van de oxidatieoven is mede van belang, aangezien de beschikbare ruimte gering is. Gekeken kan worden naar de minibuisovens die gemaakt worden bij Linn High Therm. In overleg met dit bedrijf is het ook mogelijk om speciale buisovens te laten maken die aan de bovenstaande eisen voldoen.
Gedurende het afstudeerproject werden de multi-bed thermal desorption tubes eenmalig gebruikt. Uit de resultaten van het onderzoek naar memory effect is gebleken dat deze sorbenttubes niet met de huidige middelen te reconditioneren waren. Het ontwikkelen of het aanschaffen van een thermische desorptie conditioneringsoven biedt de mogelijkheid om de sorbenttubes meerdere malen te gebruiken. Het herbruiken van de sorbenttubes is al na korte tijd kosteneffectief en problemen met aanlevering worden hierdoor
vermeden.
De ontwikkelde apparatuur en methoden in het afstudeerproject waren getest met ongelabeld (niet-radioactief) methaan. Testen zoals de bepaling van minimaal omzetbare hoeveelheid methaan en het optreden van memory effect konden hierdoor niet goed verricht worden. Om deze apparatuur goed te kunnen testen kan het beste gewerkt worden met radioactief gelabeld methaan. Aangezien hiermee gemeten kan worden op radioactiviteit worden de complicaties bij de boven genoemde testen vermeden.
Daarnaast worden de apparatuur en methoden getest onder de omstandigheden waarvoor deze bedoeld zijn.
Literatuurlijst
[1] Thijssen, W. (2011) Interne opleiding, Environmental Fate NOTOX.
[2] Organization for Economic Co-operation and Development. (2002). OECD Guideline
for the Testing of Chemicals: Aerobic and Anaerobic Transformation in Aquatic Sediment Systems. OECD/OCDE 308.
[3] Brouwer, G., van den Eijnde, J. (2008). Praktische stralingshygiëne. Zesde druk. Arhnem: Syntax Media.
[4] L’Annunziata, M.F., El Baradei, M.M., Burkart, W. (2003). Handbook of Radioactivity
Analysis. Second Edition. Great Britain: Academic Press, an Imprint of Elsevier.
[5] Keverling Buisman, A.S. (1996). Handboek Radionucliden. Bergen NH: BetaText. [6] National Diagnostics Laboratory Staff. (2004). Principles and Applications of Liquid
Scintillation Counting: A Primer for Orientation. National Diagnostics.
[7] Organization for Economic Co-operation and Development. (1992). OECD Guideline
for the Testing of Chemicals: Ready Biodegradability. CO2 Evolution Test. OECD/OCDE
301.
[8] Mieville, R.L., Robinson, K.K. Carbon Moleculair Sieves and Other Porous Carbons:
Synthesis and Applications. Mega-Carbon Company.
[9] Harper, M. (2000). Sorbent trapping of volatile organic compounds from air. Journal of
Chromatography A, 1217, 2674-2684.
[10] Marsh, H. Rodriquez-Reinoso, F. (2006). Activated Carbon. First edition. Oxford: Elsevier.
[11] Manura, J.J. Calculation and Use of Breakthrough Volume Data. Scientific Instrument Services, Inc.
[12] Carbon Moleculair Sieve (CMS)
http://www.sigmaaldrich.com/sigma-aldrich/areas-of-interest/analytical- chromatography/air-monitoring/adsorbents/carbon-molecular-sieve.html Geraadpleegd 19 april 2011
[13] DuPoint™ Tedlar®. Polyvinyl Fuoride Film. General Proporties.
[14] Gas Sampling Bags
http://www.sigmaaldrich.com/analytical-chromatography/air-monitoring/gas-sampling- bags.html
Geraadpleegd 20 april 2011