Veränderungen an Aniontensiden unter Analysenbedingungen und im Vergleich von Colorimetrie und IR Spektroskopie

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    10-Aug-2016

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  • Fresenius Z. Anal. Chem. 294, 379-384 (1979) Fll~enius ZeRsghri[~ |ur

    9 by Springer-Verlag 1979

    Ver~inderungen an Aniontensiden unter Analysenbedingungen und im Vergleich yon Colorimetrie und IR Spektroskopie

    H. Hellmann

    Albert-Schweitzer-Str. 9, D-5400 Koblenz

    Changes of Anion Tensides under Analysis Conditions and Comparison of Results Obtained by Colorimetry and IR Spectroscopy

    Summary. IR spectroscopy is particularly well suited to detect changes in the molecules of tenside sulphonates. The paper examines the question whether or not, and where, a (reversible or irreversible) change in the tenside molecules detectable in surface waters and waste waters takes place in the course of the individual analytic operations. The examination result is then compared with the result obtained with the methylene blue method according to Longwell and Maniece.

    Zusammenfassung. Die IR-Spektroskopie ist besonders bef~higt, )knderungen an den Molekfilen von Tensid- sulfonaten nachzuweisen. Hier wird der Frage nachge- gangen, ob und gegebenenfalls wo im Laufe der analytischen Einzeloperationen eine (reversible oder irreversible) Ver/inderung der in Gew/issern und Ab- w/issern nachzuweisenden Tensidmolek/ile erfolgt. Zu- gleich wird das Untersuchungsergebnis mit dem Ergeb- nis nach der Methylenblau-Methode von Longwell u. Maniece verglichen.

    Key words: Analyse von Tensiden; Spektralphotome- trie, IR/Colorimetrie; Aniontenside, Methodenver- gleich

    1. Einfiihrung in die Thematik

    Man bestimmt Aniontenside (a-Tenside) in Abw/issern und Gewfissern iiblicherweise nach der Methylenblau- Methode [1], zweckm/il3ig in Verbindung mit einer vorgeschalteten Anreicherung durch Ausblasen [5]. Der letzte Schritt im Analysengang, die Bestimmung

    der Tenside selbst, kann auch - wie von uns vorge- schlagen - IR-spektroskopisch erfolgen [2].

    Die colorimetrische Bestimmung des a-Tensids fiber den MB-Komplex ftihrt zu analogen Ergebnissen wie die IR-Messung der CH2/CH3-Valenzschwingung , sofern man von ein- und demselben Tensid, z.B. dem Tetrapropylenbenzolsulfonat (TPS), ausgeht. So ist die Extinktion der CH2-Valenzschwingung bei 3,41- 3,42 g (2926- 2920 cm- 1) einer L6sung von z,B. 0,5 bis 0,05rag TPS/50ml CHC1 a der Extinktion des Blau- komplexes bei 650 nm direkt proportional. Beim Ver- gleich sind also immer dann keine Probleme zu erwar- ten, wenn ein bekanntes Tensid in der Wasserprobe vorliegt und die Eichkurven drauf abgestellt werden.

    In der Praxis ist dies jedoch anders. Neben den linearen Alkylbenzolsufonaten (ABS) mit Alkylketten- lfingen von 6 bis 9 C-Atomen werden seit einigen Jahren zunehmend lineare Alkansulfonate (AS) mit Ketten- l~ngen von 10 bis 18 C-Atomen in Waschmitteln einge- setzt, so dab man im Normalfall eine Mischung von Einzelverbindungen vor sich hat.

    Nunmehr erhebt sich (erstens) die Frage nach der zweckmfil3igen Eichung sowie der Vergleichbarkeit (und Richtigkeit) der Ergebnisse.

    Eine andere Aufgabe (zweitens) sehen wir im weite- ren Ausnutzen der 1R-Spektroskopie. Die in [2] vorge- schlagene Arbeitsweise ffihrt ja lediglich zur Konzen- trationsbestimmung, und zwar fiber den MB-Komplex. Wertvolle, an sich m6gliche Auskfinfte bezfiglich des Tensid-Typs (ABS oder AS) gehen dadurch verloren, dab die Extinktion von Molekfilschwingungen des Methylenblaus die fraglichen CH2/CH 3- und C=C- Schwingungen des Tensids zwischen 600 und 1800cm -1 fiberdeckt. Das MB mfil3te daher vor der IR-Messung abgespalten werden.

    Hierbei ist zunfichst zu kl~iren (drittens), ob beim Abtrennen des MB das Tensidmolekfil reversibel oder gar irreversibel verfindert wird bzw. welche Fehlerquel- len zu beachten sind..

    0016-1152/79/0294/0379/$01.20

  • 380 Fresenius Z. Anal, Chem., Band 294 (1979)

    2. Vergleich yon IR-Spektroskopie und Colorimetrie

    TabeUe 1. Umrechnungsfaktoren bei der IR-spektrometrischen Be- stimmung yon a-Tensiden fiber den CHz-Molekfilteil

    Bekanntlich bestehen die hier angesprochenen a-Tensi- de aus einem Kohlenwasserstoff (KW)-und einem Sulfonat-Molekfilteil. Nach [1] f/jhrt die Sulfonatgrup- pe nach der Salzbildung mit MB zur Ermittlung der Tensidkonzentration, w/ihrend der anhfingende KW- Molektilteil in einem Eichfaktor einbegriffen wird.

    Unstimmigkeiten sind dann zu erwarten, wenn das Molekulargewicht der zu bestimmenden Tenside gerin- ger oder- was der Regelfall sein dfirfte- gr6ger als das MG des TPS-Standards ist. Daher wird das MeBergeb- his h~iufig zu niedrig ausfallen. Andererseits kann ein zweifach sulfoniertes Tensidmolek/jl zwei Molektile MB binden und eine zu hohe Stoffkonzentration vortfiuschen.

    Kurz: Dem >>an sich>mittlere

  • H. Hellmann: Ver~inderungen an Aniontensiden unter Analysenbedingungen 381

    gungen (Auswertung fiber die CH2-Gruppen des Squa- lans) nur 30-40 % des Sollwertes].

    3. Veriinderung yon Aniontensiden im Analysengang

    3.1 Vor der Bindung an Methylenblau

    Man kann sieh vorstellen, dab beim Perkolieren und Eluieren an Ionenaustauschern oder beim Reinigen yon Extrakten auf Adsorbersfiulen oder -schichten neben den Verlusten auch Anderungen an empfindlichen Molekfilteilen- wie z.B. an der Sulfonatgruppe - vorkommen.

    Als eine besondere Art yon Ionenaustauschern wfihlten wir A1203, sauer (Akt. Sufe I, F irma Merck) und beluden es in Parallelversuchen mit jeweils 0,5 nag TPS in 11 Wasser untersehiedlicher Zusammensetzung (Tabelle 3).

    Nur nebenbei sei vermerkt, dab das TPS-Anion lediglich in votlentsalztem Wasser (Nr. 1) sowie in )~thylacetat gel6st (Nr.6)

    Tabelle 3. Verhalten von TPS gegenfiber A1203-sauer

    Zusammensetzung des Wassers

    Riickgewinnung in %"

    A-Perkolat B-Eluat b

    1. vollentsalzt 0 100 * 2. vollentsalzt 10 mg Zn ~ 15 ~ 85 3. vollentsalzt + HC1 - pH < 1 >80* 60" < 40 5. vollentsalzt + 100 g NaC| > 60*

  • 382 Fresenius Z. Anal. Chem., Band 294 (1979)

    2.5 WAVELENGTH

    5 6 MICRONS

    7 8 9 10 12 14 18 22 3550

    I00

    4000 3500 3000 2500 2000 1700 1400

    FREQUENCY (CM I)

    Abb. 2. Original-TPS. Auf KBr, Ordinatendehnung x 2,0

    1100 800 500

    30

    50

    40

    2O

    3 200

    WAVELENGTH MICRONS 2.5 3 4 5 6 7 8 9 10 12 14 18 22 3550

    100

    80

    1 t 0

    4000 3500 3000 2500 2000 17oo 14oo 11oo 800 500 200

    FREQUENCY (CM 1) Abb. 3. TPS-MB (TBS nach erfolgter Abspaltung des MB durch HCI erneut an MB gebunden). Auf KBr, Ordinatendehnung x 2,0

    Extinktion der asymmetrischen Valenzschwingung [v,~ (SO3)] der Sulfonatgruppe um 1200 cm-1 (8,3 g) ganz erheblich gegen die der gleichartigen Schwingungen der CHz/CH3-Gruppen um 2900 cm- 1 (3,4 Ix) ab, wfihrend gleichzeitig eine, zu mindest in dieser St/irke, unerwar- tete Esterschwingung (Carbonylbande) um 1720 cm-1 (5,8 g) erscheint.

    Das Besondere dieses Spektrogramms wird deutlich im Vergleich zu Abb. 2. Diese gibt das IR-Spektro- gramm des - nach Abschn. 4 - gereinigten TPS wieder, (zur Zuordnung der wichstigsten Banden s. [3]), und fiihrt vor Augen, wie das Spektrogramm in Abb. 1 ohne die eingetretenen Ver/inderungen ausgesehen h~itte.

    Die Ursache ffir den Extinktionsabfall der SOa- Schwingungen ist uns nicht bekannt. Wir vermuten, dab nach dem Ersatz des MB-Kations durch ein Proton

    mesomere Bindungsformen der SOa-Gruppe begtin- stigt werden, an denen auch die ))ack~-Form anteilig ist [3]. Erfahrensgem~iB/indern sich mit den Bindungsver- hgltnissen auch Intensit/it (und Lage) von Molektil- schwingungen.

    Eine Wiederholung der Versuche mit einem C14- C17-Paraffinsulfonat ffihrte zun~ichst zum gleichen Ergebnis. Abweichend vom TPS stellte sich jedoch dann heraus, (nach abermaliger Herstellung des MB- Komplexes), dab bei den AS keine bleibende Nnderung am Tensidteil eingetreten war: der ProzeB ist hier reversibel. Abbildung 3 ist nunmehr typisch f/ir die bleibenden Ver/inderungen an Tensiden des Typs ABS:

    1. Abschw/ichung der Extinktionen bei 1200 cm-1; 2. Verst~irkung der Bande bei 1720 cm- a ; 3.Aufgipfelung der Sulfonatschwingung bei 1180

    unter Abschw~ichung der Bandenextinktionen bei

  • H. Hellmann: Ver~inderungen an Aniontensiden unter Analysenbedingungen

    WAVELENGTH MICRONS 2.5 3 4 5 6 7 8 9 10

    1

    12 14 18 22 3550

    )0

    383

    i l l

    z

    u')

    z .< ev I - -

    4000 3500 3000 2500 2000 1700 1400 1100 800 500

    FREQUENCY (CM 1)

    Abb. 4. a-Tenside eines Kl/iranlagenablaufes (ABS und AS). Auf KBr, Ordinatendehnung x 3,4

    200

    1220cm -1 (die Lage dieser und anderer Banden im Bereich von 1600 bis 600 cm-1 bleibt unverfindert);

    4. zwischen 8,0 und 10 g erscheint ein betr~ichtlicher >>Untergrund~.

    Zusammenfassend 1/iBt sich sagen: bei der Spaltung des Tensid-MB-Komplexes durch Salzs/iure geht ein Tell des a-Tensids verloren (den man m6glicherweise durch mehrfaches Ausschtitteln der HC1-Phase mit CHC13 vermindern kann).

    Das IR-Spektrum der Sulfons/iuregruppe ist durch eine relativ geringe Extinktion der sonst starken SOs- Schwingungen gekennzeichnet. Im Falle der AS sind die nachgewiesenen Verfinderungen reversibel; bei den ABS jedoch 1/il3t sich der molekulare Zustand des Tensids vor der HC1-Behandlung nicht mehr restlos wiedergewinnen. Dieser letzte Punkt war Anlal3, das Tensid-MB-Salz schonender zu zerlegen. Nach [2] 16st man das a-Tensid yon Silicagel-Dtinnschichten oder -Sfiulenffillungen mit CH3OH/2 N NH 3 (4:1), w/ihrend das MB-Kation auf dem Adsorbens zurfick bleibt. Unter diesen Versuchsbedingungen wurden keine Ver- ~inderungen am Tensidmolektil beobachtet.

    In Abb. 4 sieht man das IR-Spektrum der a-Tenside eines Kl~iranlagenablaufes. Es soll als Gegenstfick zu Abb. 1, aber auch zu Abb. 2, dienen und wurde nach der zuletzt beschriebenen Variante gewonnen.

    Abbildung 4 hat mit Abb. 2 gemeinsam die etwa gleich grogen Extinktionen der CH2/CH 3- und SOa- Valenzschwingungen, was ja ftir Abb. 1 nicht zutrifft. Abbildung 4 dtirfte dann - im Gegensatz zu Abb. 2 - tiberwiegend unverzweigte Alkanketten aufweisen, wie die Bandenbereiche um 3,4 sowie von 6 ,5 - 7,5 ~t erken- hen lassen. Ferner handelt es (Abb.4) sich nicht um einen reinen ABS-Typ, da die typischen Aromatenban- den um 6,25, 9,95 und 12,0 (disubstituierter Benzolring)

    im Verhfiltnis zu Sulfonatbanden bei 8,3 und 9,6~t schw~icher sind, als sie sein sollten. Vermutlich sind ABS yon AS begleitet.

    Die Wiedergewinnungsrate von TPS - als Modell- substanz - bei dieser Form der Zerlegung des Tensid- MB-Komplexes auf Dfinnschichtadsorbentien lag um 85~, beim Eluieren des gleichen Tensids von Kieselgel in Glass/iulen um 75 ~. Zum Vergleich: beim Abl6sen des unzersetzten Komplexes mit CH3OH/2 N HC1 (4 : 1) yon Kieselgel nach [2] mfissen Verluste yon etwa 20 ~ (Platten) bzw. 23 ~ (S~iulen) in Kauf genom- men werden.

    Insgesamt gesehen bietet sich das Arbeiten mit Methanol-Ammoniak-Gemischen als schonende Form der Komplexspaltung an.

    4. Angaben zur Analytik

    Die beschriebenen Untersuchungen sollen primiir zur Absicherung der Analytik yon a-Tensiden in Wasser und Abwasser dienen. In [2] wurde die Anreicherung von Aniontensiden durch Ausblasen und (Jberffihren in Athylacetat nach [5] als beste uns bekannte Methode hervorgehoben. Nach dem Ausblasen folgt als weiterer Reinigungsschritt die Bindung des Tensids an MB [1]. Von diesem Komplex kann dann (a) colorimetrisch oder (b) IR-spektroskopisch die zugeh6rige Tensid- Konzentration nach Abschn. 2 ermittelt werden.

    Auskunft fiber die Struktur des a-Tensids, so wie sie im Zusammenhang mit Abb. 4 beschrieben wurde, erhfilt man nur nach dem Abtrennen des MB.

    Man trggt das blaue Konzentrat strichf6rmig auf Kieselgelplat- ten (0,25 ram, z.B. F-60 der Firma Merck) auf und entwickelt in ungesfittigter Kammer mit CH3OH/2N NH 3 (4:1) bis 4cm, dann nach dem Trocknen der Platten mit CHCI3/CHaOH (3 : 1) bis 7cm.

  • 384 Fresenius Z. Anal. Chem., Band 294 (1979)

    Bei beiden Operationen sollten 20-40 gg TPS als Referenzsubstanz an einer Seite mitlaufen. Die Platte wird anschliegend bis auf den der Referenzsubstanz zugeordneten Streifen abgedeckt und mit einer 0,2~oigen L6sung yon Rhodamin-B in Leitungswasser besprfiht. Nach unseren Erfahrungen werden die a-Tenside zwischen Rf 0,3 und 0,4 sichtbar. Diesen Streifen schabt man mit einem Spatel yon der Glasschicht, pulvert grob und ffillt das Absorbens in eine kleine Glass/iule oder einen Trichterhals, die unten mit einem Wattepfrop- fen versehen sin& Man eluiert zuerst mit 5 ml CHC13 - die verworfen werden - und dann mit 5 ml CHC13/CH3OH (1 : 1). Das Eluat wird in einem 10 ml fassenden Spitzk61bchen (14,5 mm Schliff) aufgefan- gen und durch Abblasen mit Luft oder Stickstoff vollst~indig vom L6sungsmittel befreit. Zweckm/iBig h~ingt man das K61bchen zum SchluB noch einige Minuten lang an ein Vakuum 1.

    Man 16st das a-Tensid wieder mit 20 - 50 gl CHC13 und tr~igt es anf einem KBr-PreBling, 13 mm Durchmesser, auf. Bei Mengen yon mehr als 50 gg kann dann mit entsprechender Ordinatendehnung das IR-Spektrum gefahren werden. Die Abb. 1 --4 wurden auf selbstge- fertigten KBr-PreBlingen mit dem IR-Gitterger/it 512 der Firma Perkin Elmer & Co aufgenommen.

    Wichtige Hinweise. Wasser - auch in Spuren - st6rt bei der IR- Messung und mug daher abwesend sein. Die fibliche Methode, den

    1 In gleicher Weise wurden auch die uns freundlicherweise yon der Firma CWH fibergebenen a-Tenside gereinigt, ohne dab der MB- Komplex gebildet wurde

    organischen Extrakt fiber Natriumsulfat zu filtrieren, ist jedoch kei- nesfalls brauchbar, da anorganische Salze den Tensid-MB-Komplex absorbieren, und insbesondere bei kleinen Mengen Totalverluste die Folgen sind. Wasser darf daher nur durch Abdunsten oder Abziehen im Vakuum entfernt werden!

    Diese Untersuchungen stehen im Zusammenhang eines vom Bundesministerium des Innern an der Bundesanstalt ffir Gew/isser- kunde gef6rderten Forschungsvorhabens: Analytische Bestimmung yon Waschmittelinhaltsstoffen sowie deren Abbau- und Zwischen- produkten.

    Literatur

    1. Deutsche Einheitsverfahren zur Wasser-, Abwasser- und Schlammuntersuchung, 3. Aufl. 1975. Weinheim/Bergstr. : Ver- lag Chemie 1971

    2. Hellmann, H. : Fresenius Z. Anal. Chem. 293, 359 (1978) 3. Hummel, D.: Analyse der Tenside. Miinchen: Carl Hanser 1962 4. Rfibelt, Chr. : Diss., Saarbrficken 1969 5. Wickbold, R. : Tenside/Detergents 8, 140-142 (1971)

    Eingegangen am 31. August 1978

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