Analytical Chemistry (Council of Physical Sciences)
40 %
Panel
Physics 1
Department or equivalent
Complex Fluids Department (Wigner Research Centre for Physics)
Participants
Bencs, László Cserfalvi, Tamás Horváth, Valentina
Starting date
2007-07-01
Closing date
2012-06-30
Funding (in million HUF)
2.263
FTE (full time equivalent)
16.12
state
closed project
Summary in Hungarian
Az atomizáció (katódporlás, semleges atomok keletkezése) vizsgálata elektrolitkatódos, atmoszférikus kisülésben (ELCAD-ban) Az ELCAD a természetes vizekben és szennyvizekben feloldott nehézfémek mérésére alkalmas új analitikai eljárás. Az ELCAD-ban az atomizáció (katódporlás, semleges atomok keletkezése) folyamatait kívánjuk vizsgálni atom- és molekula abszorpciós spektrometriával, króm és az As, B, Ba, Se nyomelemek esetében. A Cr emittált intenzitása az ELCAD-ban kicsi, habár az indirekt mérések (az ELCAD-ot mintabevívőként csatolva induktív csatolású plazma atom emissiós spektrometria (ICP-AES) detektorral) szerint jelentős mennyiségű Cr van jelen az ELCAD plazmában. Környezetvédelmi szempontból a Cr az egyik legmérgezőbb elem, míg a többi nyomelem oldatbeli közvetlen kimutatása biológiai szempontból fontos. A pályázat célja annak kiderítése, hogy ezen elemeknél milyen részecskék lépnek ki a katódból a katódporlás során és ezek milyen folyamatokban vesznek részt. Ennek alapján tisztázhatóak a kis, illetve nulla emittált intenzitások okai, illetve, megoldások kereshetőek az intenzitások növelésére, ha lehetséges.
Summary
Investigations of atomization processes (cathode sputtering and generation of neutral atoms) in an electrolyte cathode atmospheric glow discharge (ELCAD): The ELCAD is a new optical emission source directly (on site) applicable to the determination of the heavy metal content of natural and waste waters. The atomization processes of some heavy metals (e.g. Cr, Ba, Se, As) occuring in the ELCAD plasma (cathode sputtering, and generation of neutral atoms) are proposed to study by means of atomic and molecular absorption spectrometry techniques. Although our earlier measurements by using the ELCAD as an aerosol sample introduction device to inductively coupled plasma atomic emission spectrometry detection showed the presence of Cr at high concentrations in the ELCAD, but its emitted intensity was very low in this plasma. Moreover, zero intensity of several trace elements (As, B, Ba, and Se) could be detected in the ELCAD, even at their resonance lines. In environmental analyses, Cr is one of the most important elements, and the direct analysis of the other trace elements are vital in connection with biological systems. The aim of the present study is to clarify for these elements, which kind of particles leave the cathode due to the sputtering and the processes in which they take part after it . Thus, to find the reasons for the low and/or zero intensities of the analytes, and if it is possible, to develop some methods to increase their intensities in the ELCAD.
Final report
Results in Hungarian
Az ELCAD által emittált, rezonáns Cr-I 428 és 360 nm vonalak zérus intenzitásait a megfelelő állapotú Cr-atomok és OH gyökök közötti rezonáns energiakicserélő (REK) ütközések okozzák. Mivel ezek hatáskeresztmetszete nagyságrendekkel nagyobb, mint az elektronütközéseké, ezért képesek kiüríteni a két Cr-I rezonáns átmenet elektronütközéssel töltött felső nívóit. Így ezen átmenetek intenzitása zérus lesz, míg az (1) szerint a Cr-I 520,6 nm vonalé nő. Ez utóbbi mért intenzitásából az oldatbeli Cr-koncentráció meghatározható.
Az ElCAD emittált spektrumában és az ELCAD plazma atomabszorciós vizsgálatában, a =200-780 nm tartományban egyetlen atomi Ba és Se átmenetet nem tudtunk megfigyelni.
A katódporlás mértéke a kisülési áram lineáris függvénye, a porlási küszöb I=20 mA. I=80 mA esetén a porlás mértéke ~1000 mg/min. Ez, és az ElCAD plazmában mért a OH-309 nm és N2-337 nm eloszlások szerint, az ELCAD, a kisülés begyújtásánál használt gáztól függetlenül, egy önmaga által létrehozott, telített vízgőzben működik.
Kiértékeltük az ELCAD plazmára eddig közölt ne elektronsűrűség és TG gázhőmérséklet adatokat az alábbi feltételek szerint. 1.: a helyes TG érték az emittált OH 306-309 nm sávok intenzitásából kapható meg. 2.: TG jól megközelíti a Te elektronhőmérsékletet. 3.: az ne és a hozzátartozó TG értékeket a Saha-egyenlet ködfénykisülésekre érvényes, Engel-Brown közelítés határozza meg. A mi adatainkat kivéve, a közölt értékek a fenti feltételeket nem elégítik ki, ezért hibásak.
Results in English
The zero intensity of the resonant Cr-I 360 nm and 428.9 nm lines emitted by the ELCAD are caused by the resonant energy transfer (RET) collisions between the corresponding state of Cr-atoms and OH radicals. These RET collisions empty the upper levels of the both resonant Cr transitions and populate that of the Cr-I 520.6 nm line. The Cr-content of the solution can be determined from the measured intensity of the Cr-I 520.4-520.8 nm lines.
In the emitted spectrum of the ELCAD and the studies of the ELCAD plasma by the atomic absorption spectroscopy, any atomic lines of Ba and Se could not be observed.
The rate of the cathode sputtering is a linear function of the current (I), with a threshold of 20 mA. For I=80 mA, the rate of cathode sputtering is ~1000 mg/min. This and the intensity distribution of OH-309 nm and N2-337 nm bands measured in the ELCAD plasma show that the ELCAD plasma operates in a self-generated, saturated water vapor, independent of the type of the gas applied at the breakdown of the plasma.
We evaluated the ne electron density and TG gas temperature data published for the ELCAD by three conditions. 1.: The correct TG value can be obtained only from the emitted intensities of the OH 306-309 nm bands. 2.: TG is close to Te electron temperature. 3.: The corresponding TG and ne values are determined by the Engel-Brown approximation of the Saha-equation validating for glow discharges. The TG and the ne values satisfying these conditions are accurate only.
P.Mezei, T.Cserfalvi, P.Hartmann, L.Bencs: The effect of OH radicals on Cr-I spectral lines emitted by DC glow discharges, Spectrochimica Acta B, 2010
Zs.Ajtony, N.Szoboszlai, E.K.Suskó, P.Mezei, K.György, L.Bencs: Direct sample introduction of wines in graphite furnace atomic absorption spectrometry for simultaneous determination of arsenic, cadmium, copper and lead content, TALANTA 76 627-634 (2008), 2008
Mezei Pál: "Elektrolitkatódos atmoszférikus ködfény kisülés vizsgálata" MTA doktori Értekezés, http://mta.hu/cikkek/?node_id=25955, XI. Osztály. és MTA MTMT, 2012
Mezei P, Cserfalvi T, Bencs L, György K.: Elektrolitkatódos, atmoszférikus kisülés (ELCAD) vizsgálata atomabszorpciós spektroszkópiával (AAS), KVANTUMELEKTRONIKA 2008, VI.Szimpózium a hazai kvantumelektronikai kutatásokról, Szerk.: Ádám P, KissT, Varró S. ISBN: 978-963-06-5922-2; P-32, 2008
Cserfalvi T., Mezei P.: The radial emissitivity distribution of N2-333 nm and OH-306 nm bands in the electrolyte cathode atmospheric glow discharge (ELCAD), Colloqium Spectroscopic Internationale XXXVI, Aug.30-Sept.3 2009, Budapest, Hungary, Poster PW-85, CSI compact disc, ISBN:978-963-9319-97-4, 2010
Mezei P, Cserfalvi T, Bencs L, György K.: Investigation of the metal distributions in the plasma of the electrolyte cathode atmospheric glow discharge (ELCAD) by atomic absorption specroscopy (AAS), Colloqium Spectroscopic Internationale XXXVI, Aug.30-Sept.3 2009, Budapest, Hungary, Poster PW-86, CSI compact disc, ISBN:978-963-9319-97-4, 2010
Mezei P, Cserfalvi T,: The effect of the Oh radical on the occurrence of the Cr-i lines in the emitted spectrum of the ELCAD, Lecture on the EW-GDS Meeting, Aug.30-Sept3. 2009, Budapest, Hungary, CSI XXXVI-EW-GDS Meeting compact disc, ISBN:978-963-9319-97-4, 2010
Pál Mezei: " The investigation of the electrolyte cathode atmospheric glow discharge" dissertation for degree of Doctor of MTA, MTA MTMT, 2011
Events of the project
2013-01-22 14:33:44
Kutatóhely váltás
A kutatás helye megváltozott. Korábbi kutatóhely: SZFI - Lézerfizikai Osztály (MTA Wigner Fizikai Kutatóközpont), Új kutatóhely: SZFI - Komplex Folyadékok Osztály (MTA Wigner Fizikai Kutatóközpont).
