Determination of Trace Anions in High-Purity Waters Using Direct Injection and Two-Step Isocratic Ion Chromatography

Význam tématu

Vysokopurity voda je klíčovým materiálem v mikroelektronice a energetice, kde stopové anionty mohou vyvolat korozi a poškození kritických komponent. Schopnost rychle a spolehlivě kvantifikovat fluorid, chlorid, dusičnan, fosforečnan, sulfát a další anionty v koncentracích v řádu µg/L zkracuje dobu odezvy při monitoringu kvality vody a minimalizuje riziko poruch zařízení.

Cíle a přehled studie

Cílem bylo vyvinout rychlou přímou injekční metodu iontové chromatografie s dvojkrokovým izokratickým programem elučního činidla na bázi boritanů, která umožní detekci a separaci běžných aniontů v jedné analýze pod 15 minut. Metoda byla testována na vysoce čisté deionizované vodě i na vodách ošetřených aminy (např. morpholine) používaných v elektrárenských systémech.

Použitá metodika a instrumentace

• Systém: Dionex DX-500 IC s GP40 gradientním pumpovacím modulem (mikrobore), CD20 konduktometrický detektor, DS3 detekční buňka a ASRS suppressor v externím režimu regenerace vodou.
• Kolony: IonPac AS14 analytická 2 × 250 mm a IonPac AG14 ochranná 2 × 50 mm, ATC trap 2 mm.
• Eluční činidla: Eluent A – 9 mM boritanová kyselina / 6,75 mM NaOH; Eluent B – 40 mM boritanová kyselina / 30 mM NaOH; krok v 3,5 min do Eluentu B.
• Pumpovací podmínky: průtok 0,75 mL/min; program: 0–8,5 min 100 % A, 8,51–15 min 100 % B, následná reekvilibrace.
• Injekce: přímá injekce 1 mL vzorku do 1000 µL smyčky z PEEK tubing i.d. 0,75 mm.
• Příprava standardů: 1000 mg/L zásobní roztok aniontů, pracovní směsi 0,1–10 µg/L pro kalibraci.

Hlavní výsledky a diskuse

Metoda rychle odděluje fluorid až oxalát s dobrou selektivitou. První část separace (0–3,5 min) využívá nízkou koncentraci boritanů k rozlišení slabě retencovaných organických kyselin, po krokové změně na vyšší koncentraci (3,51–15 min) se eluují silněji retencované anionty (chlorid, dusičnan, fosforečnan, sulfát, oxalát). Detekční limity (MDL) se pohybují od 0,018 µg/L pro fluorid až po 0,66 µg/L pro fosforečnan v deionizované vodě, v přítomnosti 8 mg/L morpholine byly hodnoty obdobné. Kalibrační závislosti v rozsahu 0,1–10 µg/L jsou lineární (r2>0,99). Metoda vyžaduje ~5 hodin do ustálení nízkého šumu závislého na stabilizaci baseline; rozumná údržba eluentů a externí regenerace suppressoru vodou minimalizují šum (pod 10 nS p–p).

Přínosy a praktické využití metody

• Omezení spotřeby elučních kapalin díky mikrobore kolonám a nízkým průtokům.
• Simplifikace pracovního postupu – odpadá předkoncentrace, uzavřené přímé vstřikování, rychlé kontinuální analýzy v řadě.
• Možnost rutinního monitoringu kvality ultrapure vody v polovodičové výrobě i elektrárenských cyklech.
• Vhodné také pro matice obsahující korozní inhibitory (aminy) bez výrazné ztráty přesnosti a citlivosti.

Závěr

Dvoufázový izokratický program na bázi boritanů ve spojení s přímou injekcí a 2 mm IonPac AS14 kolonou poskytuje rychlou a spolehlivou separaci stopových aniontů v čistých i aminy upravených vodách. Metoda dosahuje detekčních limitů v řádu setin µg/L, eliminuje předkoncentraci a minimalizuje provozní čas pod 15 minut.

Budoucí trendy a možnosti využití

Další vylepšení mohou spočívat v automatizaci přípravy elučních roztoků s inertní atmosférou k eliminaci CO2, adaptaci modulů pro vyšší kapacitu trap kolony pro ultračisté aplikace a vývoji inline matriční kompenzace pro složitější vzorky. Integrace s on-line monitorovacími systémy v provozech přinese nepřetržitý dohled nad kvalitou vody.

Reference

• Sinclair JD. J. Electrochem. Soc. 1988, 135, 89–95.
• Corrosion Fatigue Boiler Failures in Waterwall Economizers, Electric Power Research Institute; EPRI TR-100455, Palo Alto, CA, 1992.
• Dionex Corp. Application Note 113, 1996, Sunnyvale, CA.