Nitrogen Analyzer

Filip Pošćić
Nitrogen Analyzer
1500 series 2 (Carlo Erba Instruments)
Introduzione ........................................................................................................ 2
Procedimento per campioni di terreno .................................................... 2
Procedimento per campioni vegetali ......................................................... 5
Accensione della macchina ............................................................................ 5
Disattivazione della macchina ...................................................................... 6
Operazioni principali (riassunto)................................................................. 6
Caratteristiche tecniche specifiche . ............................................................ 7
Protocollo . ............................................................................................................. 7
Riferimenti . ............................................................................................................ 9
Filip Pošćić
Introduzione.
L’analizzatore Nitrogen Analyzer 1500 series 2 (Carlo Erba Instruments, fig. 1) è uno strumento
per la simultanea determinazione di Azoto e Carbonio in una vasta gamma di campioni organici ed
inorganici come ad esempio: tessuti vegetali, terreni, carbone, fertilizzanti, carta e derivati, foraggio e alcuni
metalli. Si basa sulla completa e istantanea ossidazione del campione tramite una combustione flash che
trasforma la sostanza organica ed inorganica in prodotti di combustione. I gas di combustione così derivati
passano attraverso una fornace di riduzione e vengono trasportati dal gas carrier (elio), nella colonna con
setaccio molecolare. I gas vengono separati dalla colonna con setaccio molecolare e poi rilevati da un
rilevatore TCD (detector di conducibilità termica) che come output produce un segnale proporzionale alla
concentrazione dei singoli componenti della misura. I risultati sono comparabili a quelli ottenuti da metodi
tradizionali, come quelli di Dumas (Dumas, 1831) e di Kjeldahl (Kjeldahl, 1883), ma offrono un’analisi più
veloce e con una maggiore riproducibilità e accuratezza. Un ulteriore beneficio del metodo della
combustione flash è che non vengono prodotte scorie nocive fuorché lo scarto delle colonne dopo centinaia
di campioni analizzati.
Procedimento per campioni di terreno.
La procedura di analisi consiste in una fase di preparazione del campione e in una di analisi vera e
propria. Nella fase di preparazione ogni campione viene macinato mediante un macinatore automatico fino
ad ottenerne polvere finissima e poi riposto in flaconi o eppendorf e mantenuto al secco. Il campione
Figura 1. L’analizzatore Nitrogen Analyzer 1500 series 2 (Carlo
Erba Instruments). Sono visibili tutte le componenti (il caricatore
in alto a sinistra, la fornace (primo scompartimento a sinistra), lo
scompartimento centrale della colonna con setaccio molecolare e
del TCD e a destra le bombole di ossigeno e elio.
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macinato viene poi pesato (da 3 a 5 mg – massimo 10 mg) e posto in una capsula di argento. Dopo la
completa distruzione dei carbonati mediante acido cloridrico al 37% o meno e quando il campione è
completamente asciutto, la capsula viene chiusa e posta in una capsula di stagno che poi viene chiusa e
compattata mediante pinzette. Le capsule così preparate sono pronte per la fase dell’analisi il cui schema è
rappresentato in fig. 2.
Le capsule vengono poste nell’auto campionatore (distributore a tamburo rotante, fig. 2-1),
mediante il quale una capsula alla volta viene introdotta in un reattore di combustione (colonna di quarzo
di ossidazione contenente triossido di cromo e ossido di cobalto argentato, fig.2-2) che viene mantenuto a
1020±10˚C. Nella parte superiore della colonna il campione e le capsule che lo avvolgono vengono fusi
velocemente grazie allo stagno che favorisce una reazione violenta in una atmosfera temporaneamente
arricchita di ossigeno. A queste condizioni favorevoli viene così garantita la completa ossidazione persino
di sostanze termoresistenti. La mistura di questi prodotti di combustione così formati passa attraverso un
catalizzatore ossidativo formato da triossido di cromo (CrO3). Inoltre, per assicurare una completa
ossidazione, in fondo alla colonna di combustione si trova uno strato di circa 5-6 cm di ossido di cobalto
argentato. Questo secondo catalizzatore trattiene sostanze interferenti prodotte durante la combustione di
composti alogenati.
Figura 2. È rappresentato lo schema dell’analizzatore Nitrogen Analyzer 1500 series 2 (Carlo
Erba Instruments). 1. Autocampionatore; 2. Colonna di combustione; 3. Colonna di Riduzione; 4.
Colonna con filtro assorbente per H2O; 5. Colonna con setaccio molecolare; 6. TCD.
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Dopo questi passaggi i prodotti di combustione/ossidazione d’interesse sono CO2, N2, NOX e tracce di H2O.
Questi prodotti passano quindi in un secondo reattore (colonna di quarzo di riduzione contenente rame, fig.
2-3) mantenuto a 650±10˚C. L’eccesso di ossigeno viene rimosso perché reagisce con il rame ed inoltre a
questa temperatura gli ossidi d’azoto (NOX) sono ridotti ad azoto (N2) elementare che assieme al diossido di
carbonio (CO2) e ad H2O passa attraverso un filtro assorbente (fig. 2-4) formato da Perclorato di Magnesio
che rimuove tutto la H2O. Dopo il passaggio nel filtro, N2 e CO2, trasportati dal gas carrier, fluiscono
attraverso la colonna (fig. 2-5) verso il TCD (fig. 2-6) che genera un segnale elettrico proporzionale alla
concentrazione di N2 e in seguito uno alla concentrazione della CO2 presenti. I due gas (CO2 e N2) vengono
separati grazie ad una colonna con setaccio molecolare. Analizzando uno standard di composizione
conosciuta (nel nostro caso l’atropina standard o atropina solfato nei pesi di 1-2 mg) sotto le stesse
condizioni dei campioni è possibile quindi calibrare lo strumento e quantificare finalmente il contenuto di
azoto e carbonio.
Volendo fare solo misure di azoto si può anche immettere un secondo filtro tra la colonna di
perclorato di magnesio e la colonna con setaccio molecolare. Tale colonna contiene usualmente ascarite e
un filtro molecolare che assorbono la CO2.
La colonna di combustione contiene triossido di cromo e ossido di cobalto argentato come in fig. 3 1. Il triossido di cromo viene utilizzato a posto di altri ossidanti in quanto presenta caratteristiche chimicofisiche tali che:
- Inibisce la formazione di ossidi di azoto;
- È adatto per operazioni ad alte temperature e non reagisce chimicamente con la colonna in quarzo;
- Non assorbe azoto;
- Non turba le condizioni cromatografiche del sistema.
1)
2)
Figura 3. 1) La colonna di combustione. In giallo è visibile il punto della
combustione flash; 2) La colonna di riduzione.
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La colonna di riduzione, contenente rame (fig. 3-2), è di quarzo trasparente per permettere
l’ispezione visuale delle condizioni di rame. Infatti, l’esaurimento del rame (agente riducente) è visibile
dalla colorazione nerastra del rame (prima invece del caratteristico colore arancio/rame). In queste
condizioni il rame è da cambiare. Bisogna però usare rame speciale (codice No 338 35300).
Nella colonna di assorbimento va sostituito il perclorato di magnesio se si notano degli indurimenti
di questo il che indica che è saturo d’acqua.
Procedimento per campioni vegetali.
Sostanzialmente uguale al precedente fuorché per l’acidificazione che non è necessaria se si vuole
sapere solo il contenuto in azoto. Si passa quindi a pesare e chiudere i campioni triturati (mediante
macinatore, pestellamento in azoto liquido o simili) direttamente nelle capsule di stagno (no capsule di
argento se non si acidifica!). I pesi vanno da 10 a 20 mg circa.
Accensione della macchina.
i.
Accendere la macchina e il compressore sotto il banco;
ii.
Aprire i gas elio e ossigeno (attenzione: non fumare – presenza di ossigeno!);
iii.
Aprire la manopola STBY a “flow” e premere FURN STBY;
iv.
Aprire le valvole dei gas a valle avvitando le manopole nere;
v.
Controllare che il circuito di tubi e colonne sia chiuso ovvero che non ci siano perdite di gas. Questo
si verifica facilmente chiudendo la prima valvola di sfogo a sinistra con il tappo adatto e portando a
pressione la macchina fino a (150 kPa di Elio). Si riapre quindi velocemente la valvola e se la
lancetta scende vuol dire che ci sono perdite. Queste vanno ricercate allora mediante sapone da
spalmare sulle guarnizioni. Se si creano bolle questo è indice di perdita e in quel caso stringere
meglio quel particolare collegamento. Simili operazioni vanno effettuate anche per le altre due
valvole ma soltanto una volta che è stata raggiunta la temperatura (1020°C)! Portare ora i valori di
pressione per ogni manometro come nella tabella seguente per rispettare i flussi voluti (lo si fa
muniti di un flussimetro e di timer). Solitamente queste procedure vanno effettuate ad ogni cambio
di colonne.
Flusso gas carrier pari a 20 mL/13-15 secondi
Flusso gas riferimento pari a 10mL/20 secondi
Flusso gas comburente pari a 10mL/22-25 secondi;
vi.
Attendere 10 minuti;
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vii.
Inserire il filamento (FILL OFF) tenendo sempre presente che a filamento inserito devo avere il
passaggio dell’elio e devo avere la macchina a 1020°C;
viii.
Portare la macchina a regime facendo una o due (spesso anche venti!) corse a vuoto con campioni a
peso non noto.
Disattivazione della macchina.
Per metterla in stand by:
i.
Disinserire il filamento premendo FILL OFF e il pulsante STANDBY
ii.
Girare le valvola su STAND BY
iii.
Chiudere le bombole
iv.
Chiudere il compressore
Per spegnerla definitivamente:
i.
Come per il STAND BY e poi:
ii.
Spegnere la macchina con l’interrutore.
Operazioni principali (riassunto).
i.
Trituramento del campione;
ii.
Pesatura ed evventuale acidificazione;
iii.
Introduzione del campione nel CHN;
iv.
Reattore 1020˚C;
-
Reazione flash e contemporanea immissione di O2 per cui anche le sostanze più termoresistenti
vengono completamente ossidate;
v.
vi.
I gas passano nella colonna ossidante (CrO3 + Co);
-
CrO3 + O2 ossida tutto
-
Co = blocca le interferenze derivate dalla combustione di composti alogenati
Passaggio nella colonna riducente (Cu)
-
Cu blocca l’eccesso di O2
-
NOX si riduce a N2
vii.
Passaggio nella colonna anidra
viii.
Passaggio nella colonna con setaccio molecolare
-
ix.
Separazione di N2 e CO2
Analisi al TCD
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Caratteristiche tecniche specifiche.
Campione:
Range:
Riproducibilità:
Limite rilevabilità:
Accuratezza:
0,5 – 100 mg
0,01 – 100%
> + 0,1% valore assoluto
10 ppm
concentrazione
0,01
1,00
10,00
50,00
100,00
% deviazione
10
1
0,5
0,4
0,3
Protocollo.
-Preparazione.
1. Pesare il terreno in capsule di argento;
2. Caricare nel file excel per la conversione dei dati i pesi dei campioni;
3. Acidificare;
4. Asciugare a 40-50˚C Over Night;
5. Chiudere la capsula e immetterla in una capsula di stagno;
6. Compattare la capsula fino a farla diventare una pallina di dimensioni più ridotte possibili;
7. Preparare una capsula di argento vuota e riporla in una di stagno. Compattare (è il bianco) ;
8. Preparare una capsula di argento con atropina standard o atropina solfato e annotarsi il peso.
Chiuderla e riporla in una di stagno. Questo è lo standard. ATT.! L’atropina standard o atropina
solfato è molto tossica! Non inalare;
9. Nel creare il file AZUR (vedi giù) tenere l’ordine delle palline.
-Come far partire il CHN.
1. Accendere il CHN;
2. Aspettare che la temperatura raggiunga 1020 ˚C e nel frattempo preparare il lavoro sul programma
AZUR;
3. Premere <FIL OFF> in modo che il pulsantino sia fuori come quello a sinistra <FURN STBY>;
4. Far andare lo strumento a vuoto per due volte;
5. Caricare le palline (capsule) ;
6. Avviare il programma AZUR e caricare il file relativo;
7. Premere START sulla macchina;
8. Premere PLAY nel programma AZUR;
9. Quando parte l’analisi della decima pallina premere <STOP MAN> sul CHN;
10. Dal programma AZUR vai su “REPORT SOMMARIO” (a sinistra nella colonna arancione) ;
11. Copia le analisi effettuate con <ctrl C>
-
Dal foglio Azoto (N) copia la prima colonna (ANALISI) e incollala nel file Excel “Model for CHN
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Analysis.xls” nel foglio “CHN_ReportSummary” nelle colonne “Nitrogen”
-
Copia così anche i dati per il Carbonio nelle colonne “carbon” eccetto per la colonna “Samples”.
-Come preparare il lavoro sul programma AZUR.
1. Aprire il programma AZUR
-
File – nuovo – sequenza – premere OK nella nuova finestra
2. Aprire il programma Excel (o simili) dei propri dati o direttamente “CHN_ReportSummary” se lo si
usa
-
Foglio Sample_Data
-
Prendi con <ctrl C> le celle della colonna Samples
3. Torna ad AZUR
-
<ctrl V>
-
Vai su colonna “durata del”
-
Seleziona le celle corrispondenti
-
Clicca su una qualsiasi delle celle con il tasto destro del mouse
-
Clicca su seleziona
-
Scrivi 4.32
-
Premi OK
-
Vai su colonna “metodo di processo”
-
Seleziona le celle corrispondenti
-
Clicca su una qualsiasi delle celle con il tasto destro del mouse
-
Clicca su seleziona
-
Clicca su “METODO CHN”
-
Premi OK.
4. Chiudi – salva – salva come: nomefile_gg/mm/aaaa_A (poi a scalare B, C , D dipende da quante ne
fai in un giorno).
5. Quando si vuole finalmente sapere la %C e la %N esportare le misure dal file Azur e portarle nel
foglio Excel (o simili) per le conversioni dove automaticamente si convertono i dati in base allo
standard di atropina o atropina solfato (vedi il convertitore che ho preparato: “Model for CHN
Analysis.xls” – l’atropina standard e l’atropina solfato differiscono nelle percentuali di N e C per cui
nei calcoli è molto importante segnare il sale di atropina corretto altrimenti si possono fare errori
madornali).
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Riferimenti.
Carlo Erba Instruments. Nitrogen Analyzer Instruction Manual.
Dumas, JBA (1831) Procédés de l'analyse organique. Ann Chim Phys 247:198-213.
Kjeldahl, JZ (1883) A new method for the determination of nitrogen in organic bodies. Anal Chem 22:366.
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