DE10042498A1 - Polyasparaginsäure-Konzentrationsbestimmung mittels Fluorometrie - Google Patents
Polyasparaginsäure-Konzentrationsbestimmung mittels FluorometrieInfo
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Durchführung von Konzentrationsbestimmungen wässriger Lösungen von Polyasparaginsäure und/oder ihrer Salze.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Durchführung von Konzentra
tionsbestimmungen von Polyasparaginsäuren und/oder ihrer Salze in wässrigen
Systemen.
In der Wasserbehandlung ist die Beibehaltung eines konstanten Levels der einge
setzten Chemikalien von großer Bedeutung. Eine Unterdosierung eines Scale-
Inhibitors würde gegebenenfalls in einem Kühlwasserkreislauf eine Reduktion des
Wärmeübergangs durch Calciumsalzablagerungen nach sich ziehen. Die Einspeisung
von Frischwasser macht ein Wiedereinstellen der Behandlungschemikalien auf den
alten Wert und damit auch eine Konzentrationsbestimmung notwendig.
Die Analytik des Scale-Inhibitors wird je nach Substanz photometrisch oder titri
metrisch durchgeführt. Ökonomischer wäre ein physikalisches Verfahren, in dem ein
Meßparameter, der linear mit der Konzentration z. B. des Scale-Inhibitors geht, online
gemessen und durch eine Dosiereinrichtung auf einem konstanten Wert gehalten
wird.
In EP-A 0 485 882 wird die Verwendung eines mit einem Fluoreszenzmarker wie
z. B. Cumann oder seine Derivate markierten Polymers als Scale-Inhibitor beschrie
ben, wobei nach Korrelation der Fluoreszenzintensität mit der Konzentration ent
weder automatisch oder manuell diese auf einen optimalen Wert korrigiert wird.
EP-A 0 475 602 beschreibt ein Verfahren zur Fluoreszenzmarkiening von Polyacryl
säureestern oder -amiden durch Umamidierung mit fluoreszierenden Aminen wie
z. B. Tryptophan. In dem letzteren Fall beträgt der Einbau 76%, wobei 15 Mol %
Tryptophan verwendet wurden. Die Detektion konnte bis 1 ppm hinunter erfolgen.
In dem Patent US-A 4 813 973 wird die Herstellung von fluoreszenzmarkierten Poly
meren für Anwendungen im Bereich Flockungsmittel, Papierherstellung und Erdölbohrungen
beschrieben. Amidhaltige Polymere wie Polyacrylamid werden dabei mit
wasserlöslichen Farbstoffen wie 9-Xanthydrol in Essigsäure umgesetzt.
Thermische Polyasparaginsäure aus Maleinsäureanhydrid und Ammoniak wird in der
jüngsten Zeit verstärkt als biologisch abbaubare Alternative für Polyacrylate in vielen
Anwendungen eingesetzt. In einigen Fällen ist eine schnelle und spezifische Methode
zur Konzentrationsbestimmung gesucht, wie sie etwa von fluoreszenzmarkierten
Polyacrylsäuren bekannt ist.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung bestand darin auch für Polyasparaginsäuren
(PASP) ein Verfahren zur Konzentrationsbestimmung in wässrigen Systemen zu
entwickeln, das es erlaubt, die Konzentration an PASP in wässrigen Systemen
permanent zu überwachen, um somit während des Betriebes von Anlagen das Auf
treten unerwünschter Ablagerungen in Form anorganischer oder organischer Scales
zu verhindern und dabei eine Belastung des Gewässers durch übermässigen Eintrag
von PASPals Scale-Inhibitor zu verhindern. Die Überwachung des Scale-Inhibitors
sollte zudem an fließenden Wasserströmen funktionieren und online gemessen
werden können.
Die Fluorometrie ist eine weit verbreitete analytische Meßmethode, bei der eine Sub
stanz mit einer Lichtquelle (Xenon-Lampe) angeregt und die Intensität des
emittierten Fluoreszenzlichts als Funktion der Anregungs- und Emissionswellenlänge
gemessen wird. Sie wird unter anderem als schnelle, kostengünstige "Vor-Ort-
Analytik" eingesetzt. Für die Messung von Einträgen in Gewässer ist die Fluores
zenzspektroskopie eine anerkannte Meßmethodik. Dabei werden die zu detektie
renden Substanzen (Wirkstoffe in einer Formulierung) entweder chemisch mittels
eines Markers markiert oder als Gemisch mit einem zugesetzten Fluoreszenzmarker
identifiziert. Die Korrelationen des Fluoreszenzmarkers zum eigentlichen aktiven
Wirkstoff ist nicht immer ganz einfach. Probleme gibt es im unterschiedlichen Ab
bauverhalten auf thermischer und mikrobiologischer Seite. Auch spiegelt die
Belegung z. B. durch Komplexbildung und damit der passive Anteil des Wirkstoffes
kein direktes Verhältnis zum Marker. Daher müssen solche Systeme immer in
höheren Konzentrationen eingesetzt werden, als eigentlich nötig wäre. Denn eine
Unterdosierung eines Scale-Inhibitors würde gegebenenfalls in einem Kühlwasser
kreislauf eine Reduktion des Wärmeübergangs durch Calciumablagerungen an den
Übertragungsflächen nach sich ziehen.
Die thermischen Polyasparaginsäuren aus Maleinsäureanhydrid und Ammoniak
werden in der jüngsten Zeit verstärkt als biologisch abbaubare Alternative für
Polyacrylate in vielen Anwendungen eingesetzt. Gerade in der Wasserbehandlung
soll die thermischen Polyasparaginsäuren eine nicht unwesentliche Rolle in der
Komplexierung von Metallen und als Dispergiermittel einnehmen. Eine der positiven
physikalischen Eigenschaften der thermischen Polyasparaginsäuren ist die Fluor
eszenz. Durch sie sollte es möglich sein den eigentlichen aktiven Wirkstoff ohne
Umweg zu detektieren. Lineare Abhängigkeiten der Fluoreszenzintensität von der
Konzentration, dem Abbau (chemisch, physikalisch oder biologisch) oder der
Belegung als Dispergiermittel oder Komplexbildner wären dabei wünschenswert.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist daher ein Verfahren zur Durchführung
von Konzentrationsbestimmungen von Polyasparaginsäuren in wässrigen Systemen
mittels Fluorometrie.
Durch die Anwendung dieser Methode wird eine genaue Erfassung von Polyaspara
ginsäure Konzentrationen in wässrigen Systhemen sowie eine gleichmäßige
Dosierung von Produkten zur Wasserbehandlung ermöglicht. Die Anregungs- und
Emissionswellenlängen von Polyasparaginsäure sind bekannt und liegen für die
Excitation bei 336 nm und für die Emission bei 411 nm (siehe Fig. 1: Ex =
Excitationspeak Ex(max): 336 nm; Em = Emisionspeak Em(max): 411 nm).
Das erfindungsgemäße Verfahren ist geeignet zur Konzentrationsbestimmung der
PASP oder deren Salze aller bekannten Hersteller. Besonders geeignet ist das
erfindungsgemäße Verfahren zur Analyse von PASP oder deren Salze, die nach dem
Bayer-Verfahren gemäß der Schutzrechte EP-A 0 256 366, EP-A 0 604 813, EP-A 0 612 784,
EP-A 0 650 995, WO 94/03526 oder nach US-A 5 408 028, US-A 5 488 088
oder US-A 5 484 860 hergestellt werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist geeignet zur Konzentrationsbestimmung von
PASP oder deren Salze in wässrigen Systemen, bevorzugt in Aqua dest., Leitungs
wasser, Flußwasser sowie in industriellen Flüssigkeitsströmen, natürlichen Ab
wassersystemen, industriellen Abwassersystemen wie beispielsweise Lackierab
wasser, Bauwerksentwässerungssystemen und anderen Wassersystemen, wie bei
spielsweise Reiniger, Dispersionen und Formulierungen mit Polyasparaginsäuren auf
Wasserbasis, wo die Ablagerung von anorganischen oder organischen Scales
verhindert werden soll.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist geeignet, Polyasparaginsäuren und/oder ihre
Salze in wässrigen Systemen zu analysieren. Als Salze im Rahmen der vorliegenden
Erfindung kommen dabei die Alkali- oder Erdkalkalisalze der PASP infrage, bevor
zugt das Natriumsalz.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist geeignet, PASP-Konzentrationen über einen
weiten Konzentrationsbereich im jeweiligen wässrigen System zu bestimmen.
Bevorzugt wird das Verfahren im Bereich zwischen 0 bis 1000 ppm eingesetzt,
insbesondere bevorzugt im Bereich von 1 bis 100 ppm.
Fig. 2 zeigt die Abhängigkeit des Fluoreszenzsignals von der PASP Konzentration in
ppm in Form einer linearen Intensitätszunahme mit steigender Konzentration.
Insbesondere beim Einsatz der PASP in der industriellen Wasserbehandlung in Kühl
wassersystemen zeigt das erfindungsgemäße Verfahren im Bereich zwischen 10 bis
100 ppm seine Vorzüge.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur PASP-Konzentrationsbestimmung mittels
Fluormetrie ist geeignet, über einen weiten Temperaturbereich angewandt zu werden.
Der bevorzugte Anwendungsbereich liegt bei Temperaturen zwischen 0 und 70°C,
besonders bevorzugt bei Temperaturen zwischen 20 und 30°C.
Technisch wäre man in der Lage zu messende Wasserströme mittels Wärmetauscher
auf eine konstante Temperatur im Bereich von 20 bis 30°C, zu regeln, da die
Schwankungsbreite des Signals in diesem Bereich bei lediglich 5% liegt.
Fig. 3 zeigt die lineare Temperaturabhängigkeit der Fluoreszenzaktivität einer PASP-
Lösung (10 ppm), die von 70 auf 0°C abgekühlt und anschließend wieder auf 70°C
erwärmt wird, um Hysterese-Effekte auszuschließen. Diese konnten jedoch nicht
nachgewiesen werden. Mit zunehmender Temperatur fällt das Signal stetig monoton.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist geeignet zur Konzentrationsbestimmung von
PASP in wässrigen Lösungen über einen weiten pH-Bereich hinweg, bevorzugt 0 bis
13. Üblicherweise liegt der Schwankungsbereich des pH-Wertes in Kühlwasser
kreisläufen in Größenordnungen von 1,5 Einheiten im Neutralen zwischen pH 6,5
und pH 8, der von Flußwasser im Jahresmittel von ca. ±0,5 pH-Einheiten.
Fig. 4 gibt die Intensität über den gesamten pH-Wert-Bereich wieder. Die Schwan
kungen im angegebenen Bereich liegen in der Größenordnung von 5%.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann mit jedem geeigneten Fluoreszenzspektro
meter betrieben werden. Für die erfindungsgemäß bevorzugt eingesetzte PASP nach
dem Bayer-Verfahren wurde die Analytik und Auswertungen an einem
Fluoreszenzspektrometer des Typs AMINCO-Bowman® Series 2 (AB2) der Firma
Polytec GmbH mit der Software "AB2 Luminescence Spectrometer Version 5.0 Beta
1.45" durchgeführt. Die Anregung erfolgte durch eine 150 W Ozonfreie Xenon-
Lampe (Continiuous Wave). Zwei leistungsfähige Monochromatoren sorgten mit
einer Focusierlänge von 200 mm sowohl auf der Seite der Excitations als auch bei
der Emission für präzises Scannen und hohe Auflösung. Der Photomultiplier (PMT)
wandelt das optische in ein elektrisches Signal um, welches durch die Elektronik
verstärkt und ausgewertet wird.
Claims (5)
1. Verfahren zur Durchführung von Konzentrationsbestimmungen wässriger
Lösungen von Polyasparaginsäuren und/oder ihrer Salze, dadurch gekenn
zeichnet, dass dieses mittels Fluorometrie erfolgt.
2. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dieses in Aqua
dest., Leitungswasser, Flußwasser, industriellen Flüssigkeitsströmen, natür
lichen Abwassersystemen, industriellen Abwassersystemen, Bauwerksent
wässerungssystemen und anderen Wassersystemen zur Verhinderung anor
ganischer oder organischer Scales angewandt wird.
3. Verfahren gemäß der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass
Polyasparaginsäuren im Bereich 0 bis 1000 ppm fluorometrisch bestimmt
werden.
4. Verfahren gemäß der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass dieses
in einem Temperaturbereich von 0 bis 70°C angewandt wird.
5. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dieses im pH-
Bereich von 0 bis 14 angewandt wird.
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