Elemental Analysis of Aqueous Process Samples with Wavelength Dispersive X-ray Fluorescence Spectrometry

Abstract

Tämän pro gradu -työn kirjallisessa osassa perehdyttiin vesinäytteiden kvantitatiiviseen röntgenfluoresenssianalytiikkaan (XRF) liittyviin teemoihin. XRF on nopea, stabiili ja tarkka analyysimenetelmä, joka soveltuu useiden alkuaineiden mittaamiseen laajalla pitoisuusalueella. XRF-tekniikoilla on useita sovelluskohteita tutkimuksessa ja teollisuudessa. Kirjallisuuskatsauksen perusteella XRF-tekniikkaa ei yleisesti sovelleta vesinäytteiden mittaamiseen, ja useat tutkijat ovat hyödyntäneet näytteiden konsentrointia suoran nestefaasimittauksen sijaan. XRF-analytiikassa näytematriisin kemialliset ja fysikaaliset ominaisuudet vaikuttavat voimakkaasti mitattavaan signaaliin, ja matriisivaikutusten korjaamiseen on kehitetty lukuisia menetelmiä. Taustasäteilyn voimakas sironta on tyypillistä vesipohjaisilla näytteillä. Työn kokeellisessa osassa kehitettiin mittausmenetelmä vesipohjaisten prosessinäytteiden ja jätevesien mittaamiseen aallonpituus-dispersiivisellä XRF-tekniikalla (WDXRF). Kalibrointi tehtiin vesipohjaisilla standardiliuoksilla kymmenelle alkuaineelle (Na, Mg, Si, P, S, Cl, K, Ca, Mn, Fe). Näytteet mitattiin nestefaasissa käyttäen nestenäytteille tarkoitettuja näytekuppeja. Kalibroinnit olivat lineaarisia, ja määritysrajat asettuivat alkuaineesta riippuen 3,4–24,6 ppm tasolle. Menetelmän toimivuutta testattiin mittaamalla standardiliuoksia sekä näytteitä, joissa alkuaineiden pitoisuuksia oli kasvatettu lisäämällä standardiliuosta näytteeseen. XRF-menetelmän tuloksia verrattiin referenssimenetelmien tuloksiin. Saantoprosentit olivat natriumille 70–90 %, ja muille alkuaineille yleisesti 100–120 %. XRF-menetelmän tulokset olivat yleisesti suurempia kuin referenssimenetelmien tulokset, lukuun ottamatta natriumia. Tulosten suhteellinen hajonta XRF menetelmällä oli 2–16 %. Hajonta oli suurempaa natriumilla ja kloorilla kuin muilla alkuaineilla. Esikäsittelytesteihin valittiin kaksi erilaista näytetyyppiä, joista toinen oli öljy vedessä -emulsio ja toisessa oli kirkas vesifaasi. Esikäsittelyinä testattiin erotusta erotussuppilossa, suodatusta ja sentrifugointia. XRF-menetelmällä mitatut tulokset olivat lähellä referenssimenetelmien tuloksia molemmilla näytetyypeillä. Esikäsittelyillä ei ollut vaikutusta näytteistä mitattuihin alkuainepitoisuuksiin, eikä näytteen lämpötila vaikuttanut mittaukseen.

In the literature review of this Master’s thesis work, topics related to quantitative analysis of aqueous samples with x-ray fluorescence (XRF) techniques were covered. XRF techniques are fast, highly stable and accurate methods for analysing several elements in wide concentration ranges. The techniques have a variety of applications in industry and research. According to the literature, XRF techniques are less typically used for measuring aqueous samples, and many researchers have used preconcentration techniques to obtain sufficient detection limits. In XRF, the analyte signal is strongly affected by the physical and chemical properties of the sample matrix, and several matrix correction procedures have been developed. Strong background scattering is typical for aqueous matrices. In the experimental part of the work, a method for measuring aqueous process samples with wavelength dispersive XRF instrumentation (WDXRF) was developed. The method was calibrated with aqueous standard solutions, and it included 10 elements (Na, Mg, Si, P, S, Cl, K, Ca, Mn, Fe). The samples were measured directly as liquids using liquid sample cups. Calibrations were linear, and the limits of quantitation were between 3.4 – 24.6 ppm depending on the analyte. Method performance was tested with standard solutions and spiked samples, and the results were compared to the results from reference methods. Recoveries for sodium were 70 – 90% whereas for other elements the recoveries were 100 – 120%. Except for sodium, the results from XRF were generally higher than the results from reference methods. Relative standard deviation of results was 2 – 16%. Variance was greater for Na and Cl than for other elements. Sample pretreatment tests were performed for two typical sample types, one being an organic-in water emulsion and the other having a clear aqueous phase. Sample pretreatment by funnel separation, filtration and centrifugation was tested. For both sample types, the XRF results were close to the results from reference methods. The measured analyte concentrations were similar after each pretreatment procedure, and the results were not affected by the changes in the sample temperature.