Inductief gekoppeld plasma (ICP) voor milieuanalyse

Inductief gekoppeld plasma (ICP) voor milieuanalyse

Rob ten Haaft
Cover Image

Om gezond te kunnen leven is het wenselijk om de aard en het gehalte van ongewenste chemische elementen in onze omgeving te kennen. Als een gemeente een stuk grond wil saneren om een nieuwe wijk te ontwikkelen, dan is het goed om te weten of er zware metalen of giftige stoffen als arseen in de grond zijn achtergebleven vanuit de vorige bestemming. Maar ook een beheerder van drinkwaterbronnen, oppervlaktewater of viswater wil graag de kwaliteit van zijn water kennen, om na te gaan of er niet teveel ongewenste bestanddelen inzitten die er alsnog uitgehaald moeten worden. En voor een goede luchtkwaliteit moet het gehalte aan sporenelement in de vaste deeltjes die in de lucht zweven, niet te hoog zijn.

Los daarvan: ook buiten het milieuveld zijn er plaatsen waar het handig is om de aanwezige elementen te kunnen identificeren en kwantificeren. Denk aan het vaststellen van de concentratie aan metaal in smeerolie om na te gaan hoe snel een motor slijt, of de concentratie aan meststoffen in landbouwgrond om te bepalen of het nodig is om nog verder te bemesten. Flowmeters- en regelaars spelen ook hierin een betekenis. Als industriespecialist voor de analytische markt leg ik je graag uit hoe dit zit.

Inductief gekoppeld plasma – atomaire emissiespectrometrie, ICP-AES

Het voorgaande laat al zien dat er veel toepassingen zijn waarbij het goed is om te weten welke en hoeveel chemische elementen aanwezig zijn. Nu is ICP-AES een goede analysetechniek om de aard en concentratie van elementen in vaste stoffen, vloeistoffen of gassen te meten. Deze afkorting staat voor inductief gekoppeld plasma - atomaire emissiespectrometrie. Vanwege de hoge nauwkeurigheid tot in het ppb-bereik (deeltjes per miljard) is ICP-AES vooral geschikt om sporenelementen - dus hele lage concentraties - te analyseren. Deze techniek is sterk in het vaststellen van metalen (zoals kwik) en metalloïden (zoals arseen), en vele tientallen elementen kunnen gelijktijdig geanalyseerd worden. Wat gaat er schuil achter deze techniek - en hoe speelt de nauwkeurige toediening van gassen hierin een rol?

Gecontroleerde toevoer van argongas door flowregelaar

Kort gezegd: ICP-AES als elementanalyse maakt gebruik van een inductief gekoppeld plasma (ICP) om aangeslagen ionen en atomen te genereren van de elementen uit het te meten monster, wiens karakteristieke spectrum wordt gemeten met atomaire emissiespectrometrie (AES) wanneer ze terugvallen naar de grondtoestand. De intensiteit van de lijnen in het spectrum is een directe maat voor de concentratie van de elementen in het monster.

Monsters kunnen alleen in vloeibare vorm het ICP-AES-apparaat in. Nu is dat voor water niet zo’n probleem, maar wel voor bodemmonsters en andere vaste stoffen. Hieruit ontsluit je de chemische elementen door het monster op te lossen in een sterk zuur: koningswater, een mengsel van zoutzuur en salpeterzuur. Een peristaltische pomp zuigt de monstervloeistof uit een voorraadvat en transporteert deze naar de vernevelaar, die de vloeistof omzet in een aerosol oftewel nevel. Om de concentratie van de nevel nauwkeurig te regelen - en eventueel te verdunnen - wordt een stroom van argongas aan de vernevelaar toegevoerd met behulp van een flowregelaar. De nevel gaat vervolgens de reactorkamer in, waar het botst op het plasma dat zich al in deze kamer bevindt.

Als je voldoende energie toevoert aan een gas - door er een hoge elektrische spanning overheen te laten gaan met een spoel - dan kunnen elektronen van sommige gasatomen loslaten. Zo houd je, naast de oorspronkelijke gasdeeltjes, een mengsel van negatieve elektronen en positief geladen ionen over. Dit ‘geïoniseerde gasmengsel’ van geladen deeltjes heet een plasma, en zo’n plasma wordt wel gezien als een vierde toestand waarin een materiaal kan voorkomen, naast vast, vloeibaar en gasvormig. Bij ICP vormt argongas de basis voor het plasma, en dit gas moet nauwkeurig worden toegevoerd met behulp van flowregelaars. Het plasma heeft een zeer hoge temperatuur van zo’n 7000 graden Celsius. Omdat het plasma altijd een correcte samenstelling moet hebben, is een nauwkeurige en continue stroom van argongas van belang. En om de buitenwereld tegen deze hoge temperatuur te beschermen wordt er een koelend (argon)gas langs de buitenkant van de reactor geleid.

Regelen van nevel

Als de nevel met de te meten chemische elementen op het plasma botst, dan worden deze elementen ook omgezet in plasma. De elementen nemen hierbij zoveel energie op dat ze in een aangeslagen toestand komen. Zo’n element voelt zich hier echter niet prettig, en wil het liefst terug naar de grondtoestand op een lager energieniveau. Dat gebeurt ook, en bij deze overgang zendt het element straling uit dat karakteristiek is voor het betreffende element. Deze straling valt op een spectrometer, en de intensiteit van de gemeten straling is recht evenredig met het gehalte van het betreffende element in het monster. Aangezien elk element een (voor hem) karakteristieke reeks van golflengtes heeft van de uitgezonden straling, kun je met deze techniek meerdere elementen gelijktijdig identificeren. En als je voor de betreffende elementen een ijkreeks beschikbaar hebt, of een interne standaard hebt meegestuurd in de vernevelaar eerder in het proces, dan kun je deze hoeveelheden ook kwantificeren.

Spectrometer, ICP-AES of ICP-OES

De spectrometer binnen het AES-gedeelte is een combinatie van spiegels, prisma’s, tralies, chromatoren en detectoren die de uitgezonden straling sturen en uiteindelijk meten. Om te voorkomen dat hier verstoring optreedt - bijvoorbeeld door absorptie van straling door zuurstof-bevattende gassen - wordt het gebied met deze optische voorwerpen voortdurend gespoeld met stikstof. Deze gasstroom hoeft niet heel nauwkeurig te zijn, maar wel heel reproduceerbaar. Om deze reproduceerbaarheid te realiseren is het gebruik van flowregelaars belangrijk. Overigens: je komt als alternatief voor ICP-AES (atomaire emissiespectrometrie) ook wel eens de naam ICP-OES (optische emissiespectrometrie) tegen. Dit zijn verschillende namen voor dezelfde technologie.

ICP-MS

Chromatography samples

ICP-MS is een vergelijkbare techniek voor elementanalyse, met als verschil dat hier de detectie niet optisch plaatsvindt. De geladen deeltjes uit het plasma komen in een massaspectrometer (MS) terecht; hier worden ze gescheiden op basis van hun massa/lading-verhouding, en wordt de relatieve verhouding van elk van deze geladen deeltjes geregistreerd. Waar ICP-AES onder atmosferische druk plaatsvindt, is voor ICP-MS vacuüm nodig. De detectiegrens voor ICP-MS ligt lager dan voor ICP-AES.

Bij milieuanalyses wordt niet alleen gekeken naar de totale hoeveelheid van een element in het monster, maar ook of het element in vrije vorm of als onderdeel van een chemische verbinding voorkomt. Ter illustratie: anorganische arseenverbindingen zijn veel giftiger dan hun organisch gebonden tegenhangers. ICP-AES en ICP-MS kun je gebruiken om onderscheid te maken tussen deze verschijningsvormen van de elementen, ook wel ‘speciatie’ genoemd. Daarvoor is het echter wel nodig dat de verschillende verschijningsvormen voorafgaand aan ICP van elkaar worden gescheiden, bijvoorbeeld met ionenuitwisselingschromatografie (IC). De combinatie IC met ICP kom je dan ook regelmatig tegen.

Massaflowmeters en flowregelaars voor ICP-AES

Digital manifold oplossing

'In den beginne' van de ICP ging de toevoer van gassen handmatig. Toen de automatisering op dit gebied begon, werd ook de regeling van gassen niet gespaard, en deden de massflowmeters hun intrede. Massaflowmeters en flowregelaars worden in ICP-AES apparatuur gebruikt voor levering van inerte gassen. Als je een goede gasregeling hebt, dan is het hele systeem nauwkeuriger en stabieler, waardoor lagere detectiegrenzen mogelijk zijn. En dat komt goed van pas bij de kwaliteits- en milieueisen die steeds strenger worden.

Bronkhorst levert veel flowmeters voor de analytische markt en kan een aantal grote leveranciers van analytische apparatuur tot haar klantenkring rekenen. Hiervoor worden veelal klant specifieke ‘manifold’ oplossingen geleverd. In deze oplossingen worden meerdere functionaliteiten geïntegreerd in een voor de klant op-maat gemaakte body. Een compact instrument met kleine ‘footprint’ wordt steeds belangrijker in laboratoriums waar de ruimte steeds beperkter is.

Lees hier meer over onze klantspecifieke oplossingen!

Lees het applicatieverhaal “Controlled supply of gases in Inductively Coupled Plasma (ICP-AES) for environmental analysis.

Verbeteren van de werking van doseerpompen

Verbeteren van de werking van doseerpompen

James Walton
Cover Image

Deze week wil ik het graag over pompen hebben, met name over doseerpompen. Veel van onze klanten willen flowmeters met pompen combineren en in dat verband krijgen wij vaak dezelfde vragen voorgelegd.

Waarom hebben we een Coriolis-massflowmeter nodig als we al een doseerpomp gebruiken?

In de meeste gevallen die we tegenkomen, worden doseerpompen als nauwkeurig beschouwd omdat er op basis van de theorie vanuit wordt gegaan dat een bekende pompbeweging tot verplaatsing van een bekende hoeveelheid gedurende een bekende tijd leidt, met als resultaat een bekende afgegeven hoeveelheid. In de praktijk is die nauwkeurigheid echter nooit heel hoog en zijn afwijkingen van 10-15% gebruikelijk. Dergelijke onnauwkeurigheden ontstaan als gevolg van een groot aantal veranderende omstandigheden in het proces, zoals:

  1. de temperatuur;
  2. mogelijke drukfluctuaties;
  3. de ‘insluiting’ van lucht; en
  4. de slijtage van onderdelen.

Elk van deze factoren kan een onnauwkeurigheid in de verwachte volumeverplaatsing als gevolg van een pompbeweging veroorzaken. Een combinatie van deze factoren kan leiden tot behoorlijk grote meetfouten, wat een slechtere nauwkeurigheid en inconsistentie tot gevolg heeft. Lees ook ons eerdere blog over ‘High Accuracy’.

Hoe kan die nauwkeurigheid verbeterd worden?

Optie 1) Zet een flowmeter tussen de pomp en het proces.

Door een flowmeter tussen de pomp en het proces toe te voegen, kan op basis van de informatie uit de flowmeter de snelheid van de pomp aangepast worden. Dit wordt doorgaans geregeld met een analoog 4...20 mA of soortgelijk uitgangssignaal van de flowmeter naar een afzonderlijke PID-regelaar die het signaal van het werkelijke debiet vergelijkt met het gewenste debiet. De elektronische regelaar kan vervolgens de snelheid van de pomp aanpassen om de gewenste dosering of het gewenste debiet te verkrijgen.

Met deze oplossing worden de problemen in de oorspronkelijke oplossing deels verholpen, maar er kunnen zich wel andere problemen voordoen:

  • een traag debietsignaal als gevolg van het filteren van het signaal in de PID-regelaar;
  • een trage reactie van de pomp als gevolg van extra besturingsrelais;
  • een grotere complexiteit door extra onderdelen;
  • het kan lang(er) duren voordat er een stabiel debiet is gerealiseerd;
  • er moeten extra kosten worden gemaakt voor de meter en de PID-regelaar.

Optie 2) Directe meting van de mass flow met een flowmeter met geïntegreerde PID-regelaar.

Een andere mogelijke oplossing is het gebruik van een instrument om de mass flow direct te meten met een flowmeter met geïntegreerde PID-regelaar die een pomp kan aandrijven waarmee de gewenste dosering of het gewenste debiet wordt gerealiseerd.

Met deze oplossing hoeft de pomp niet in het aansturingssysteem geïntegreerd te worden. Wanneer een bepaalde waarde op de massflowmeter wordt ingesteld, wordt de pomp tot de gewenste dosering of het gewenste debiet aangedreven. Deze oplossing biedt een aantal voordelen, zoals:

  • een rechtstreekse regeling van de doorstroming;
  • mass flow dosering is druk- en temperatuursonafhankelijk, in tegenstelling tot de volumetrische dosering wanneer alleen een pomp wordt gebruikt;
  • een nauwkeurige opbrengst met minder pompproblemen dan doorgaans gebruikelijk is;
  • een alarmfunctie bij een laag debiet;
  • preventief onderhoud op basis van prestaties van de pomp in de loop van de tijd;
  • een consistente meting van het debiet op basis van feitelijke (en niet van veronderstelde) gegevens.

mini-cori-dosingbox

Van deze voordelen kunnen veel en uiteenlopende sectoren profijt hebben:

Deze toepassing is bijvoorbeeld effectief in alle gevallen waarin vloeistof in houders wordt verdeeld waarbij een kwaliteitscontrole vereist is en waar die kwaliteitscontrole gewoonlijk op een klein percentage van de houders wordt uitgevoerd om de algemene compliance te waarborgen. Als er een massflowmeter gebruikt wordt om de dosering te regelen, leidt dit tot een optimale kwaliteitscontrole van het product en is daarvoor minder mankracht nodig.

Bij het doseren van additieven, industriële chemicaliën of mengvloeistoffen kan het resultaat van de toepassing sterk verbeterd worden als het debiet van het additief wordt geregeld en bekend is hoe groot dat debiet is.

detergent

Lees ook onze blog over de manier waarom de pompregeling een unieke mogelijkheid biedt voor een nauwkeurige doseeroplossing voor huishoudelijke chemicaliën zoals schoonmaakmiddelen

Deze oplossing is ook geschikt voor de kunststofsector. Lees meer over de vijf redenen waarom de dosering van additieven met een Coriolis-instrument tot efficiëntere productieprocessen leidt.

Bekijk onze video over CORI-FILL Technologie voor extreem snelle en nauwkeurige batch dosering

Lotte Pleging
Cover Image

In deze blog stellen wij je graag voor aan Lotte Pleging. Zij is student Sustainable Innovation aan de Technische Universiteit Eindhoven en lid van Team FAST, een enthousiast, multidisciplinair studententeam van de TU Eindhoven (TU/e). Team FAST heeft een ambitieus doel voor ogen: de ontwikkeling van hydrozine: een baanbrekende en duurzame brandstof.

In deze blog legt Lotte Pleging uit waarom Team FAST ervan overtuigd is dat hydrozine (HCOOH) een geschikte opvolger is van fossiele brandstoffen. Daarnaast vertelt ze over de rol van de thermische massflowmeters van Bronkhorst bij het opwekken van deze hernieuwbare brandstof.

Wat is het doel van Team FAST?

"Ons doel is aan te tonen dat mierenzuur (hydrozine) een ideale kandidaat is als vervanger van fossiele brandstoffen, met name voor bussen en generatoren", aldus Lotte. "In totaal werken 28 studenten in verschillende onafhankelijke subgroepen aan dat doel. Zo hebben we bijvoorbeeld een marketingteam, maar ook een team dat zich helemaal richt op het functioneren van de brandstofcel."

Waarom hebben jullie dit initiatief in gang gezet?

"Team FAST is voortgekomen uit een groep studenten die in een project zochten naar mogelijkheden om duurzame energie in een vloeistof op te slaan. Uiteindelijk kwam mierenzuur als beste oplossing uit de bus.

Prototype Pico Prototype Pico

We hebben voor mierenzuur gekozen omdat onze professor aan de TU/e een katalysator heeft ontdekt dat mierenzuur sneller en efficiënter kan opsplitsen in de gassen koolstofdioxide (CO2) en waterstof (H2). Na de ontwikkeling van een klein prototype in september 2015 met de naam Pico, besloten we om meer onderzoek te gaan doen en om een team samen te stellen van louter studenten van de TU/e. In januari 2016 zag Junior het levenslicht, een prototype met een gasproductie die 42 keer hoger lag dan die van Pico. Vervolgens kwamen we in juli 2017 met REX: een systeem met een capaciteit die 42.000 keer groter was dan die van Pico."

Prototype Junior Prototype Junior

Waarom hebben jullie voor hydrozine gekozen?

"Hydrozine is mierenzuur dat op duurzame wijze wordt geproduceerd. In ons REX-systeem worden een katalysator en hydrozine in een 'reformer' (omvormer) gecombineerd om de gassen waterstof (H2) en kooldioxide (CO2) te genereren. Die waterstof fungeert vervolgens als krachtbron voor onze brandstofcel.

Het systeem stoot weliswaar de CO2 uit die het resultaat is van de chemische reactie in de reformer, maar aangezien onze partner Coval Energy CO2 gebruikt om hydrozine te vervaardigen, is het hele proces klimaatneutraal. Coval is op dit moment bezig met de ontwikkeling van de eerste 1 Megawatt-krachtcentrale die hydrozine produceert.

De afgelopen jaren is heel veel vooruitgang geboekt. We hebben twee keer op de Hannover Messe gestaan en één keer op de IAA in Frankfurt, een internationale Duitse autobeurs. Dankzij onze technologie kan er op een eenvoudige manier gebruik worden gemaakt van waterstof. Dit biedt ongekende mogelijkheden voor het zware vrachtvervoer, zoals we ook op de IAA hebben laten zien. Daarnaast doen we sinds kort aan het programma KIC InnoEnergy mee om de ontwikkeling van ons concept te versnellen. We zijn nog steeds in de race om een bedrag van € 75.000 voor een nadere uitwerking van ons idee."

Productie van mierenzuur Productie van mierenzuur

Welke rol spelen de flowmeters in dit hele proces?

"Op het eerste gezicht lijkt het misschien een heel simpel systeem, maar schijn bedriegt! Zo zijn in ons systeem flowmeters van Bronkhorst geïntegreerd. Die zijn van heel hoge kwaliteit, waardoor we onze gasproductie uiterst nauwkeurig kunnen meten. Zonder die flowmeters lukte dat niet.

Het is in ons project van cruciaal belang om precies te weten hoeveel gas er wordt geproduceerd. De details van de gasdoorstroming geven namelijk informatie over de snelheid waarmee het gas in ons systeem wordt geconverteerd en dus over het vermogen dat we kunnen opwekken. Daardoor kunnen we met de verschillende parameters in ons systeem experimenteren met het oog op een betere efficiëntie.

Bronkhorst is de enige leverancier met de kennis en ervaring die nodig is voor ons soort gasproductie. Ze hebben ons ook geholpen met de benodigde onderdelen en ondersteuning. Zonder Bronkhorst hadden we ons systeem nooit kunnen testen. Wij zijn ze dan ook dankbaar dat we afgelopen zomer de noodzakelijke testprocedures konden uitvoeren!"

In de application note Flow control in formic acid production lees je meer over deze toepassing en de samenwerking tussen Team Fast en Bronkhorst.

Rex systeem REX-systeem

Jullie werken ook samen met de Koninklijke BAM Groep?

"Aanvankelijk richtte Team FAST zich met name op de transportsector, maar de laatste tijd is daar verandering in gekomen. Omdat ons bedrijfsmodel nog volop in ontwikkeling is, kunnen we niet met zekerheid zeggen welke markt uiteindelijk het meest geschikt is voor onze technologie.

We houden ons bedrijfsmodel vooralsnog geschikt voor alle sectoren, maar werken inmiddels ook samen met de Koninklijke BAM Groep, een groot Europees bouwbedrijf, omdat zij van plan zijn om ons systeem als een generator op bouwplaatsen te gebruiken. Bij het binnenhalen van bouwcontracten is het vandaag de dag van groot belang dat je als bedrijf kunt aantonen dat je duurzaamheid hoog in het vaandel hebt staan. Onze technologie zou voor BAM dan ook een doorslaggevend pluspunt kunnen zijn om aanbestedingen te winnen. Vanaf 1 februari 2018 wordt ons systeem gebruikt als energievoorziening op de BAM-locatie aan de N211 naar Den Haag."

Waar kunnen we meer informatie over Team FAST vinden?

"Ik wil eerst nog graag even kwijt dat we de afgelopen tijd grote vooruitgang hebben geboekt. Er zijn veel tests uitgevoerd en er worden meerdere toepassingen voor ons systeem onderzocht! Wilt u meer weten over de geboekte vooruitgang of hebt u interesse om met ons samen te werken? We horen het graag!"

Kijk op onze website of ga naar onze Facebook of LinkedIn pagina.

Team Fast Group Groepsfoto Team FAST