Spezialgase in der richtigen Qualität und Reinheit

Atom-Absorptions-Spektroskopie.

Neben der Reinheit der Gase spielt auch der Umgang mit selbigen eine elementare Rolle, wenn es um Zuverlässigkeit, Sicherheit und Qualität der jeweiligen Analysemethode geht. „Unsere Mitarbeiter bringen auch ein jahrzehntelanges Know-how im Einsatz der entsprechenden Armaturen und Rohrleitungen mit. Außerdem stellen sie sicher, dass die Qualität der Gase auf dem Weg vom Vorratsbehälter bis zum Point of Use voll und ganz erhalten bleibt“, betont Roland Papst, Experte für Spezialgase bei Messer Austria. Besonders geeignet in diesem Zusammenhang sind seiner Ansicht nach sogenannte zentrale Gasversorgungsanlagen, bei denen die Gase über entsprechende Rohrleitungen in die jeweiligen Labors geführt werden und dort reibungslos und ohne Unterbrechung zur Verfügung stehen. „Auch hier stehen unsere Spezialisten gerne mit Rat und Tat zur Verfügung und beraten ihre Kunden individuell.“

Reinstgase und Gasgemische für alle Anforderungen.

Die Analysemethoden im Überblick

Während in der Umweltüberwachung und der Prozesskontrolle vor allem die sogenannte Gaschromatografie sowie die Monitor-Analytik zum Einsatz kommen, ist es in den Bereichen Nahrungsmittel und Trinkwasser hauptsächlich die ICP-Spektroskopie (Inductively Coupled Plasma). Metall-Legierungen werden hingegen mittels Funkenerosions-Spektrometrie analysiert. „Die Gase und Gasgemische von Messer Austria – übrigens der einzige heimische Anbieter, der über eine Spezialgase-Produktion in Österreich verfügt – werden allen erdenklichen Anforderungen gerecht“, versichert Roland Papst.

Roland Papst, Leiter Spezialgase.

Die Verfahren im Detail

Mittels Gaschromatografie werden gasförmige oder flüssige, verdampfbare Substanzgemische untersucht. Die jeweilige Probe wird über einen Injektor bzw. über eine Probenschleife auf eine Trennsäule aufgegeben. Dabei treten die einzelnen Substanzen mit der Trennsäule in eine substanzspezifische Wechselwirkung. Das Trägergas trägt dann je nach Stärke dieser Wechselwirkung die einzelnen Substanzen verschieden schnell durch die Trennsäule. Ein Detektor hinter der Trennsäule zeigt dann die einzelnen Bestandteile der Probe an. Aufgrund seiner relativ kurzen Analysenzeiten wird bei dieser Methode häufig Helium als Trägergas verwendet – mitunter aber auch Stickstoff oder Wasserstoff.

Ein Wärmeleitfähigkeitsdetektor (WLD) kann prinzipiell alle Substanzen nachweisen, ist jedoch in der Nachweisgrenze auf den ppm- bis %- Bereich limitiert. Zusätzlich zum Trägergas mit einer Reinheitsstufe von mindestens 5.0 benötigt er keine weiteren Betriebsgase. Mittels Flammen-Ionisations-Detektor (FID) können alle brennbaren Stoffe außer Wasserstoff ermittelt werden. Neben Wasserstoff 5.0 bis 6.0 benötigt er kohlenwasserstofffreie Luft, um die Flamme zu betreiben. In der Automobilindustrie wird anstelle von reinem Wasserstoff oftmals ein Gemisch aus Helium und Wasserstoff (60:40) eingesetzt. Der Elektronen-Einfang-Detektor (ECD) ist vor allem für den Nachweis von halogenierten Verbindungen mit einer Nachweisgrenze im sub-ppb-Bereich besonders gut geeignet. „Messer Austria bietet speziell für diesen Detektor Gase in ECD-Qualität an, in denen die Verunreinigungen mit halogenierten Kohlenwasserstoffen kleiner 1 ppbv spezifiziert sind“, so Roland Papst.

Meist fungiert hierbei Helium ECD oder Stickstoff ECD als Trägergas – für den Betrieb des ECD-Verfahrens wird zudem noch ein sogenanntes „Make-up-Gas“ (meist ein Gemisch aus 5 % oder 10 % Methan in Argon ECD oder Stickstoff in ECD-Qualität) benötigt. Dieses Gas spült den Detektor von Verunreinigungen frei, die sich auf der Detektor-Kathode festsetzen können.

Für den Nachweis einzelner Stoffe kommen auch Detektoren wie etwa der Flammen-photometrische Detektor (FPD), der Helium-Ionisations-Detektor (HID), der Atom-Emissions-Detektor (AED) oder der Entladungsdetektor (Discharge Ionization Detector; DID) zum Einsatz.

Die Atom-Emissions-Spektrometrie (AES) ist eine Methode zur Analyse von metallhaltigen Proben. Dabei werden die metallischen Bestandteile durch Energieeintrag ionisiert und angeregt. Die Ionen geben die aufgenommene Energie mit einer für jedes Metall spezifischen Wellenlänge wieder ab. Die Stärke dieser Emission ist ein direktes Maß für die Konzentration des jeweiligen Materials. Die sogenannte Flammenphotometrie wird häufig für Alkali- und Erdalkalimetalle eingesetzt. Als Brenngas fungieren Propan 2.5 oder Acetylen 2.6. Mittels ICP-Spektroskopie (Inductively Coupled Plasma) können fast alle Stoffe nachgewiesen werden. Dabei wird durch Hochfrequenzinduktion ein Argonplasma erzeugt, das die Energie auf die Probenbestandteile überträgt. Die Emissionen sind stoffspezifisch und direkt proportional zur Konzentration. Auch bei dieser Methode spielt die Reinheit des eingesetzten Argons eine entscheidende Rolle. „Wir von Messer Austria empfehlen daher den Einsatz von Argon 5.0, besser noch Argon für Spektrometrie“, so Roland Papst.

In der Stahlherstellung oder bei Gießereiprozessen kommt vor allem die Funken-Erosions-Spektrometrie als Analysenmethode zum Einsatz. Auch hier wird durch eine elektrische Gasentladung ein Argon-Plasma erzeugt, das die Bestandteile auf der Oberfläche der Metallprobe ionisiert. Dabei gehen die Stoffe unter Funkenerscheinung in die Gasphase über, wobei jedes einzelne Element seine ganz charakteristische emittierte Strahlung an. Die Stärke der Strahlung ist auch bei dieser Analysemethode ein direktes Maß für die Konzentration des jeweiligen Stoffs. „Wie bei der ICP-Methode stören auch hier Sauerstoff und Feuchtigkeit die empfindlichen Messungen. Daher bieten wir für die Spektrometrie ein Argon mit verminderten Feuchte-Verunreinigungen an“, erläutert Roland Papst.

Zur Gehaltsbestimmung von Gasen in Gasgemischen wird meist die Spektroskopie eingesetzt – vom UV bis zum IR-Bereich. Zur Analyse von Kohlenmonoxid oder Kohlendioxid in Abgasen von Automobilen kommen vor allem die sogenannten NDIR-Monitore zum Einsatz. In der Infrarotspektroskopie hat sich die FTIR-Technik durchgesetzt. „Doch gerade auf dem Gebiet der Spektrometrie mit durchstimmbaren Lasern geht die Entwicklung rasant voran, und neue Methoden gewinnen zunehmend an Bedeutung“, meint Roland Papst.

Bei der Atom-Absorptions-Spektroskopie (AAS), einer modifizierten Form der Flammenphotometrie, wird die Strahlung der jeweiligen Spektrallichtquelle durch die in Atome dissoziierte Probe geleitet. Ein Teil der der Strahlung wird absorbiert – die Schwächung der Intensität der Strahlung ist hierbei das Maß für die Konzentration des zu analysierenden Metalls in der Probe. Bei der Flammen-AAS erfolgt – wie der Name schon sagt – die Atomisierung der Probe durch eine Flamme, für die wiederum Brenn- und Oxidationsgase benötigt werden. In den meisten Fällen reichen Acetylen (Reinheit 2.6) und Luft (ca. 2400°C) für eine Analyse aus. Für starke Oxid-Bildner wie etwa Chrom oder Vanadium wird Distickstoffoxid (Lachgas, Stickoxydul) als Oxidationsgas eingesetzt. Damit wird eine sehr heiße Flamme (ca. 2800°C) erzeugt, mit der die Metall-Oxide gespalten werden können. Für leichte Alkali- oder Erdalkali-Metalle reicht meist eine „kältere“ Flamme (ca. 2100 °C) aus Wasserstoff 5.0 und Luft als Energiequelle aus. Im Graphitrohrofen wird die benötigte Energie (bis ca. 3000°C) elektrisch eingebracht. Um einer Oxidation im Graphitrohrofen vorzubeugen, kommen hier Argon oder Argon-Wasserstoff-Gemische als Schutzgas zum Einsatz.

Andere Analyseverfahren bzw. Spezialfälle

Während zur Bestimmung der Stickstoffoxide NO/NOx die sogenannte Chemolumineszenzmethode angewandt wird, kommt die Emissions-Spektroskopie zum Einsatz, wenn es um die Reinheitsanalyse von reaktiven Gasen (im UV/sichtbaren Bereich mit Plasma-Anregung) geht. Bei der Analyse von Gasen ist die Massenspektrometrie heute das gängigste Verfahren – auch im Standardbetrieb wie etwa zur Überwachung von Tanklagern und Luftzerlegungsanlagen sowie bei der Abfüllung von Reinstgasen. Die häufigste Ionisierungsmethode ist die Elektronenstoß-Ionisation. „Beispiele für solche Spezialfälle sind die Ionisation bei Atmosphärendruck (engl.: Atmospheric Pressure Ionisation – APIMS) zur Messung von Ultraspuren in Reinstgasen sowie die Ionisierung mit induktiv gekoppelten Plasmen, die hier wie bei der Emissionsspektrometrie zur sensitiven Metallanalytik in reaktiven Gasen herangezogen wird“, geht Roland Papst ins Detail.

Messung von Radioaktivität

Auch bei der Messung von Radioaktivität verfügen die Spezialisten von Messer Austria über eine umfassende Expertise. So kommen etwa zur Füllung von Geiger-Müller-Zählern beim österreichischen Traditionsunternehmen ganz spezielle Gasgemische zum Einsatz, die eine Messung von radioaktiver Strahlung ermöglichen – in der Regel sind das Gasgemische mit 5 oder 10 Vol.% Methan in Argon (P5- oder P10-Gas). „Hier spielt auch die Reinheit der eingesetzten Gase eine zentrale Rolle. Sie ist Voraussetzung für eine zuverlässige Funktion der verwendeten Messsysteme“, so Roland Papst, der auch in diesem Zusammenhang das Fachwissen seiner Mitarbeiter hervorhebt. „Die Experten von Messer sorgen durch ihr Know-how auch in diesem Fall für optimale Analyseergebnisse.“

Sogenannte Nullgase

Bei allen Analysenmethoden, die auf Verunreinigungen wie etwa Sauerstoff oder Feuchtigkeit und andere Nebenbestandteile reagieren, und somit die Null-Linie sowie das Rauschen erhöht bzw. die Nachweisgrenze verschoben wird, kommen bei Messer Austria nur Gase der Mindestreinheit 5.0 (99,999 Vol %) oder besser 6.0 (99,9999 Vol %) zum Einsatz. „Bei Bedarf können durch geeignete Nachreinigungsverfahren bestimmte Verunreinigungen auch am Point of Use aus dem Gasstrom entfernt werden“, erläutert Roland Papst. „Messer Austria stellt natürlich auch sämtliche zusätzlichen Gase und Gasgemische zur Verfügung, die neben dem Betrieb der Geräte bzw. der Analysatoren benötigt werden – und zwar immer in der richtigen Qualität und Reinheit“, betont Roland Papst. „So bieten wir beispielsweise für die Extraktion oder Chromatographie mit überkritischem Kohlendioxid (SFC) eine spezielle Qualität CO2 SFC, optional auch mit Helium Druckpolster, an. Außerdem müssen die Analysengeräte vor einer quantitativen Messung kalibriert werden. Auch die hierfür benötigten hochgenauen Gasgemische fertigen wir individuell nach den speziellen Anforderungen der analytischen Aufgabe mit der gewünschten Toleranz und Genauigkeit in unseren Spezialgasewerken an“, betont Roland Papst abschließend.