Alternative Methods to RSK 175 Using Purge and Trap Concentration and Automated Headspace for the Analysis of Dissolved Gases in Drinking Water

Význam tématu

Hydraulické štěpení hornin (fracking) výrazně rozšířilo těžbu zemního plynu ze zdrojů typu břidlice či uhelných slojí. Obavy z úniku metanu a dalších uhlovodíků do pitné vody vedou k poptávce po rychlých a spolehlivých analytických metodách. Analýza rozpuštěných plynů v pitné vodě se tak stává klíčovým nástrojem pro monitorování kvality vody a minimalizaci environmentálních rizik.

Cíle a přehled studie

Cílem studie bylo porovnat a optimalizovat alternativní techniky k metodě RSK 175 pro stanovení metanu, ethanu, ethenu a propanu ve vodě. Testované přístupy zahrnovaly koncentraci pomocí purge and trap (P&T) a automatizovanou hlavu prostoru (headspace) s využitím plynné chromatografie s plaménovou ionizací (GC/FID). Studie hodnotila linearitu kalibrací, metody detekční limity, opakovatelnost a přenos vzorků.

Použitá metodika a instrumentace

Pro přípravu vzorků a analýzu byly použity tyto komponenty:

• Koncentrátor Stratum Purge and Trap (PTC) s autosamplerem AQUATek 100 – plně automatická příprava vzorků s chlazením na <10 °C a 5 mL objemem purge
• Automatizované headspace analyzátory HT3 a Versa – smyčková injekce 10 mL vzorku při 64 °C ekvilibraci
• GC/FID systém s kolónou Restek Rt-U-BOND (15 m×0,53 mm×20 µm), konstantní tlak 1,0 psi, program pece 35 °C na 4 min, nárůst 20 °C/min na 190 °C

Kalibrace probíhaly na vodných standardech při 0 °C, rozsahy 7,92 ppb–19,8 ppm (P&T) a 20 ppb–88 ppm (headspace).

Hlavní výsledky a diskuse

Obě metody dosáhly vynikajících parametrů:

• Linearity (r2) 0,995–1,000 pro všechny analyty
• Detekční limity: metan 0,4 ppb (P&T), 2 ppb (HS); ethene 31 ppb (P&T), 19–25 ppb (HS); ethane 21 ppb (P&T), 5–7 ppb (HS); propane 18 ppb (P&T), 4–6 ppb (HS)
• Přenos (carryover) u P&T < 0,04 %

Overlay chromatogramy prokázaly srovnatelnou citlivost a rozlišení mezi headspace systémy i P&T přístupem. Standardní odchylky (%RSD) byly ve většině případů nižší než 10 %, což indikuje vysokou stabilitu metod.

Přínosy a praktické využití metody

Automatizované postupy výrazně zvyšují propustnost laboratoře a minimalizují manuální zásahy. Metoda purge and trap eliminuje dodatečné úpravy vzorků a zamezuje chybám obsluhy. Headspace analýza zase zjednodušuje přepomoc a umožňuje simultánní vyhodnocení několika analyzů z jednoho vzorku.

Budoucí trendy a možnosti využití

Očekává se další integrace on-line monitorovacích systémů pro snadné nasazení v terénu a rozšíření stanovení na vyšší uhlovodíkové řady (C4–C6). Miniaturizace zařízení a vývoj pokročilých sorpčních materiálů pro P&T mohou dále zvýšit citlivost a snížit spotřebu plynu.

Závěr

Alternativní metody založené na purge and trap koncentraci a automatizované headspace analýze prokázaly výkonnost srovnatelnou či lepší než klasická metoda RSK 175. Díky plné automatizaci se zvyšuje efektivita, snižují se provozní náklady a riziko chyb obsluhy. Navržené postupy splňují požadavky současné legislativy a lze je doporučit pro rutinní monitoring rozpuštěných plynů v pitné vodě.

Reference

1. Kampbell D.H., Vandegrift S.A.: Analysis of Dissolved Methane, Ethane, and Ethylene in Ground Water by a Standard Gas Chromatographic Technique, Journal of Chromatographic Science 36, 253–256 (1998).
2. Pennsylvania Department of Environmental Protection: C1 to C3 Dissolved Gases via Headspace and GC/FID, Revision 5, únor 2011.
3. Energy Information Administration: Annual Energy Outlook 2009.
4. Tip of the Mitt Watershed Council: Natural Gas Drilling and Water.
5. Ohio Department of Natural Resources: The Facts about Hydraulic Fracturing.
6. United States Environmental Protection Agency: Hydraulic Fracturing.
7. Energy Information Administration: Review of Emerging Resources: U.S. Shale Gas and Shale Oil Plays.