Műszeres analitika 14. E és 14. F osztály részére 2010/ Mintavétel és minta-előkészítés

2.1 A mintavétel célja Mintavételre azért van szükség, mert a teljes objektumot (pl. folyó, hulladék halom) nem tudjuk és nem is akarjuk bevinni vizsgálatra a laboratóriumba. Milyenek lehetnek a vizsgálandó objektumok? –sztatikus (öntvény) vagy dinamikus (folyó), –heterogén (hulladék) vagy homogén (gáz), –gáz, folyadék vagy szilárd halmazállapotú, –kémiailag stabilis vagy instabilis (fény- vagy hőérzékeny, oxidálódó, reaktív), –heterodiszperz (környezeti minták: talaj, víz, levegő).

2.2 A mintavétel korlátai A jó minta reprezentatív, azaz ugyanolyan összetételű, mint az objektum, amiből vették. A homogén objektum jól mintázható, a minta reprezentatív lesz. Ilyenek a gázok nem túl nagy mennyiség esetén. Az inhomogén, de homogenizálható objektum megfelelő homogenizálás után szintén reprezentatív mintát eredmé- nyez. Ilyenek lehetnek a kisebb mennyiségű, teljes egészé- ben kezelhető folyékony és szilárd objektumok (pl. tartály). Az inhomogén, de nem homogenizálható objektum esetén sok mintát veszünk és az átlagminta is csak közelíti a rep- rezentatív mintát. Ilyenek a nagyobb mennyiségű folyadék és szilárd minták (nem rázhatjuk össze a Dunát, vagy nem keverhetjük el dörzsmozsárban a mező összes földjét).

2.3 A mintavétel tervezése Az egész egységes szemléletet kíván, az egyes részeket össze kell hangolni, ez tervezést kíván. Tudnunk kell az analízis célját, a mérendő anyag körülbelüli koncentrációját (nagyságrend), a használni kívánt módszert, stb. Ha a mintavételt nem tervezzük meg, akkor lehet, hogy túl sok vagy túl kevés lesz a minta, illetve koncentrációja. A túl alacsony koncentráció pontatlan mérést eredményez, a túl magas koncentráció a mérő rendszert túlterhelheti. A teljes vizsgálat: objektum → mintavétel minta-előkészítés ← analízis← értékelési rendszeranalitikai információ

2.4 A minták típusai –pontminta (térbeli, időbeli) és átlagminta (ok: inhomogeni- tás, időben változó összetétel), –teljes és részminta (esetenként nem kell minden kompo- nens, illetve átlagmintához), –elsődleges és másodlagos minta (az elsődleges minta túl nagy), –párhuzamos minta: egymást követő mintavétellel (a mintavétel hibáját csökkenti), –laboratóriumi (analitikai) minta: a részminták összekeve- résével, homogenizálásával és tömegcsökkentésével nyert minta. –Kiegészítő minták: utazó (szállítás szerepének ellen- őrzése), vak, standard, tárolás, edényzet szerepének ellenőrzését szolgáló minták.

2.5 A mintavételi jegyzőkönyv Miket tartalmazzon? Minden kell, aminek alapján megítélhető az esetleges elté- rés vagy hiba oka (mert a mintavétel általában megismétel- hetetlen). Ezek a következők: –a mintavétel körülményei: = helye, ideje, időtartama, = időjárási viszonyok (légnyomás, hőmérséklet, esetleges csapadék, napsütés, stb.), –szabványos vagy egyedi mintavétel, –a minták (párhuzamosok) jelzése, számozása, –helyszíni műveletek (szűrés, átlagolás, aprítás, tartósí- tás), tárolási körülmények, –a mintavevő (és esetleges tanúk) adatai, –hitelesítés aláírásokkal (ha kell).

2.6 A mintavételi módok a)Szelektív mintavétel: az objektum egy részletének vizsgálatára alkalmas minta vétele (lokális, pillanatnyi) b)Statisztikus mintavétel: eredménye „pszeudo-átlag minta” – véletlenszerű (random): egyforma részletek, – rétegminta vétel, – szisztematikus: pl. idő, tömeg, térfogat szerint vett minták. c)Átlagminta vétele: csak homogenizálható mintából készíthető (egyfázisú, nem túl nagy mennyiségű, időben nem változó). A mintavétel technikája lehet: – kézi (manuális) – mechanizált – automatikus, – folytonos – szakaszos – időszakos – alkalmi (egyszeri), – kényszeráramlású – diffúziós.

2.6.1 A térfogati gáz-mintavétel eszközei 1. Merev falú eszköz: „malac”. Általában üvegből készül, hátránya a törékenysége és a gázt nehéz kivenni belőle (vákuum vagy kiszorítás folyadékkal). A megtöltés lehetőségei: a)Vákuumozás a laborban, a helyszínen nyitás – zárás. Hátránya, hogy veszélyes a vákuumozott eszköz. b)Alkalmas folyadék kiöntése – egyszerű, de nehéz megfelelő folyadékot találni, ami nem oldja a vizsgálni kívánt anyago- kat, maradéktalanul kiönthető és a környezetre sem ártal- mas. A legtöbb esetben telített sóoldatok (pl. CaCl 2 vagy Na 2 SO 4 ) megfelelőek. c)Megtöltés túlnyomásos térből vagy szivattyú (pumpa) segít- ségével – a legcélszerűbb megoldás. Legalább 10-szeres térfogatot szokás átengedni.

2.6.1 A térfogati gáz-mintavétel eszközei 2. A célnak jobban megfelel egy (alumíniummal bevont) műanyag (pl. PP) zsák. Lehet egy- és kétszelepes. Előnye: a megtöltés egyszerűbb, a gáz kinyerése össze- nyomással lehetséges. Hibalehetőségek, zavaró hatások: –adszorpció a mintavevő edény falán, –kémiai reakciók, –kondenzáció (magas forrpontú alkotó), –kiszellőzés (szelepek kinyílása, szivárgás).

2.6.1 A térfogati gáz-mintavétel eszközei Műanyag zsák „Malac” (üveg)

2.6.1 A térfogati gáz-mintavétel eszközei 2.

2.6.2 Az elnyeletéses dúsítás A dúsítás célja lehet a mérendő anyag mennyiségének növelése, a mátrix csökkentése, illetve átlagminta készítése. Elnyeletés: abszorpció, kemoszorpció. Eszköz: elnyelető edény, gázmosó palack. Kettőt szokás sorba kapcsolni, ha a másodikban elnyelt anyag mennyisége kevesebb, mint az elsőben lévő fele, az elnyeletés elfogadható. Elnyelető folyadék: az elnyeletni kívánt kompo- nenst jól oldja, vagy azzal gyors reakcióba lép, kevéssé párolog, lehetőleg szelektív. SO 2, NO x mintavétel

2.6.2 Az elnyeletéses dúsítás – mintavevő lánc 1. előtétszűrő 2-3. mintavevő edények 4. védőszűrő 5. áramlásszabályozó 6. ventilátor 7. térfogatmérő eszköz (gázóra) 8. térfogatáram-mérő eszköz (rotaméter)

2.6.2 Az elnyeletéses dúsítás EMIMAT levegő-mintavevő

2.6.3 A kifagyasztásos dúsítás Kifagyasztás: A gázt hűtőfolyadékkal körülvett U-csövön (vastagabb) vezetjük keresztül, a komponens(ek) kifagy(nak). A hűtőfelület növelésére üveggyöngy töltetet lehet használni. A megfelelő hőmérséklet: legalább a forrpontnál 50 ºC-kal alacsonyabb. Hűtőfolyadékok: víz – jég, sós jég, acetonos szárazjég, cseppfolyós levegő. Tárolni és szállítani is hűtve kell. A feldolgozás: a melegítéssel egy időben oldószert is adnak hozzá. Ha víz is volt a mintában, az is kifagy, ez esetenként nagy mennyiség is lehet, és további elválasztást igényel.

2.6.4 Adszorpciós mintadúsítás Kényszeráramlásos: a levegőt szivattyú szívja át meghatá- rozott időn át adott térfogatárammal az adszorbenssel (pl. aktívszén) töltött csövön. Diffúziós: a gáz az adszorbenshez nehezen jut el (kapilláris), a beáramlás sebességét a diffúzió szabja meg. Nevezik ezeket dozimetriás csöveknek vagy passzív monitoroknak is. Általában több napig vagy hétig vannak kihelyezve és az időszak átlagát jellemzi a megkötött anyag mennyisége. Mindkét típusnál –utána le kell oldani a megkötött anyagot, –tervezni kell a behelyezett adszorbens minőségét, mennyiségét, a feladatnak megfelelően.

2.6.5 Dozimetriás cső N 2 O monitor eredményei más módszerrel összehasonlítva Benzol passzív monitor

2.6.6 Folyékony minták (pl. vízminták) Fontos: jól záró edénybe, lehetőleg tele (illékony anyagok esetén lényeges). Vízfolyásból a sodrásban kell mintát venni. Kútból, ha az nincs állandó használatban, 3-szoros kút- térfogat kimerése/kiszivattyúzása után kell mintát venni. A víz felszíne alatti mintavételhez arra alkalmas eszköz kell, amit a megfelelő mélység elérésekor tudunk nyitni – csukni. Egyes anyagok méréséhez a helyszínen szűrni kell a mintát. Tárolás, szállítás olyan körülmények között, hogy az összetétel ne változzék (pl. hűtve), szükség esetén tartósítás (összetevőnként más lehet).

2.6.6 Vízminták tartósítása (részlet) MintatartóVizsgálható paraméterekJavasolt térfogat Műanyag (PE) Tartósítószer: nincs Anionok (NO 2, NO 3, SO 4, PO 4, Cl), kationok (Ca, K, Mg, Na, NH 4 ),. pH, EC, lúgosság, keménység, KOICr, KOIp, bepárlási maradék, összes oldott anyag 1,5-2 L Műanyag (PE) Tartósítószer: HNO 3, 1:1 1 mL/100 mL minta Fe, Mn, nehézfémek, kivéve Hg, Sn Ivó- és szennyvíznél az eredeti minta, felszíni- és felszín alatti víznél 0,45μm-es membránszűrőn átszűrt minta, illetve szükség esetén a membránszűrő (adott térfogatú minta átszűrése után!). 0,5 L 17-SOP-020 – Anleitung zur Konservierung und Handhabung von Wasserproben

2.6.6 Vízminták tartósítása (részlet) 17-SOP-020 – Anleitung zur Konservierung und Handhabung von Wasserproben ParaméterMintatartó edény Tárolási hőmér- séklet Kémiai tartósítás Eltartha- tóság Megjegy- zések pHG, PE1-5 °CTILOS6 óraBuborék mentesen 24 óra LúgosságG, PE1-5 °CTILOS14 nap NitrátG, PE1-5 °Cnem szük- séges 24 óra G, PE1-5 °C1 mL / 100 mL HCl pH hét PEmélyhűtvenem szük- séges 1 hónap

2.6.7 Szilárd objektumok (pl. talaj) mintázása A mintavétel fő problémája a szilárd objektum inhomogenitá- sa, gyakran nem is homogenizálható az anyag a mennyisége miatt. A minta mennyiségét az inhomogenitás tömege és a megen- gedhető hiba határozza meg. Gyakran több pontmintát veszünk (mélység és hely szerint) és ezekből készítünk átlagmintát. Eszközként az anyag jellegétől, mennyiségétől függően szóba jöhet fúró, lapát, szúró mintavevő. Mintavevő/tároló edény: attól függ, akarunk-e illékony anyagot mérni, illetve változik-e a minta levegőn. Ha lehet, ne legyen szabad légtér (pl. vízzel kitöltjük).

2.6.7 Talaj mintavevők – kanalas

2.6.7 Talaj mintavevők – belső üreges (mag)

2.6.7 Talaj mintázása A mintavételi pontok elrendezése (a szürke csak árnyék)

2.6.8 Hulladékok mintázása – mintavételi rend 1. 1.Helyszíni szemle: áttekintés, mintavételi terv készítés szempontjából. Hulladékok jellege, elhelyezése, csomago- lása, címkézése. Csoportosíthatók-e a hulladékok? Mintavételezési módok számbavétele (minta kivétele, átlagolás). 2. Mintavételi terv készítése. Pontminták helye, mennyisége, száma, átlagolási technikája. Mintavételi eszközök (eszköz tisztítása), minták csomagolása, tárolóeszközök. Mintavételezés jegyzőkönyvének előkészítése (táblázat, hely, időpont). Szállítás, átmeneti tárolás megoldását átgondolni. Mintaszám meghatározása – a vizsgálat közvetlen célja alapján, pl. –tájékoztató vizsgálat: 1 egységből 3 pontminta, abból 1 átlag;

2.6.8 Hulladékok mintázása – mintavételi rend 2. –minősítő vizsgálat: 1 egységből 3*3 pontminta, abból 3 átlag. Egyébként a mintaszám függ a mennyiségtől, a tárolás módjától, az anyag homogenitásától is. 3. Mintavétel, jegyzőkönyv készítése, kitöltése. A minták száma –Szilárd hulladék kis csomagolási egység (<200 kg) hordó, zsák, dob, rekesz esetén, ha a hulladék =azonos termelési folyamatból származik, akkor is lehet különbség (pl. nedvességtartalom) ≡ homogén vagy homogenizált hulladék – 1 minta, ≡ nem homogenizálható hulladék – 3 minta; = nem azonos, de csoportosítható – csoportonként ≡ homogén vagy homogenizált hulladék – 1 minta, ≡ nem homogenizálható hulladék – 3 minta;

2.6.8 Hulladékok mintázása – mintavételi rend 3. =nem azonos – mintázás egységenként. ≡homogén vagy homogenizált hulladék – 1 minta, ≡nem homogenizálható hulladék – 5 minta. –Nagyobb tárolási egység prizma, gödör, kúp esetén a talajmintavételhez hasonlóan a tér három irányában elosztott pontokon történik a mintavétel, a pontok számát a tárolási egység mérete határozza meg (pl. kúpszerű tárolás esetén 100 tonna alatt 6 pont, 3 átlag, 100 tonna felett 36 pont, 12 átlag). –Folyékony hulladék =homogén anyag – 1 minta, =nem homogén anyag – rétegminták 3 helyről,

2.6.8 Hulladékok mintázása – mintavételi rend 3. =medencéből ≡homogén vagy homogenizált hulladék – 1 minta ≡nem homogenizálható hulladék – mint a talajnál a tér három irányában… =csővezetékből, áramló rendszerből időbeli pontminták. –Iszapszerű hulladék = hígan folyó – mint a folyadékok; = sűrűn folyó – szilárd hulladékként mintázhatók. Mintavételi eszközök Szilárd hulladékhoz lapát, vödör, mintavevő cső (Ø 50…70 mm, L = 1,8 m, l = 20…30 cm), talajfúró, keveréshez tiszta felület, esetleg keverő. Folyékony és iszapszerű hulladékhoz hordópipetta használható (Ø 40 mm, L = 1,5 m). Tárolóedény Üveg vagy műanyag (PE, PP) flakon, zacskó. Illékony anyag tartalom esetén fontos a jó zárhatóság, esetleg a légmentes lezárás. A legfontosabb, hogy az edény tiszta legyen.

2.7 A minta-előkészítés műveletei A leggyakoribbak a következők: Fizikai műveletek mérlegelés, keverés, homogenizálás, törzsoldat-készítés, hígítás, koncentrálás, tisztítás, bepárlás, szárítás, extrakció: folyadék-szilárd, folyadék-folyadék, szilárd-folyadék, szűrés, centrifugálás. Kémiai műveletek pH-beállítás, kivonat készítés, feltárás, reagens hozzáadás, kicsapás, származék készítés, ioncsere.

Soxhlet extraháló berendezés 1: keverőpálca 2: csatlakozó csiszolat 3: oldalcső 4: filter 5: szilárd (extrahálan- dó) anyag 6: szifontető 7: szifon kifolyó 8: csiszolatváltó 9: hűtő 10: hűtővíz bemenet 11: hűtővíz kimenet

2.7 A minta-előkészítés műveletei Mikrohullámú feltáró berendezés

2.8 Összefoglaló kérdések 1.Milyenek lehetnek a vizsgálandó objektumok? 2.Mit jelent: reprezentatív minta, pontminta, átlagminta? 3.Mit tartalmazzon a mintavételi jegyzőkönyv? 4.Milyen lehet a mintavétel technikája? 5.Sorolja fel a gázminták dúsítási lehetőségeit! 6.Milyen legyen a vízminta-vevő edény? Miért lehet szükség a vízminták tartósítására? 7.Soroljon fel 3-3 fizikai és kémiai minta-előkészítő műveletet!