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Fast determination of gasoline related compounds in groundwater by differential ion mobility spectrometry

Liang, Feng

Groundwater can be contaminated when e.g. gasoline tanks leak. The analysis for gasoline related compounds in groundwater is generally done on lab using standard methods. Due to sampling and lab analysis, groundwater monitoring is time consuming and expensive. It is very important to develop methods to fast monitor before lab analysis. Although the technologies developed for rapid onsite analysis of gasoline contaminated groundwater exist in commercial market, they still face the technical limitation to distinguish the gasoline from complex matrices. Different ion mobility spectrometry (DMS) can separate different gasoline related compounds dependent on the mobilities of chemical compounds at high and low electric fields. Coupled to micro gas chromatography column, DMS can distinguish the target gasoline compounds from the complicated gasoline matrix and the surrounding environment in short time. In this work, a fast method based on GC-DMS for the detection of gasoline related compounds in groundwater has been developed. The gasoline related compounds benzene, toluene, ethylbenzene and xylene (BTEX) were selected as fingerprint substances. A short column MXT-5 was utilized for separating the target compounds (BTEX) in groundwater. The analysis time is less than 2 min. In order to improve the detection limits and the sensitivity, a krypton UV lamp is utilized as ionization source instead of 63Ni. After optimizing the operation condition, The detection limits of BTEX determined by GC-UV-DMS are 0,15 mg/L for toluene, 0,12 mg/L for ethylbenzene, 0,15 mg/L for m-xylene, 0,16 mg/L for p-xylene, 0,16 mg/L for o-xylene, respectively, which are 30 to 330 fold lower than those obtained by GC-63Ni-DMS. However, the detection limit of benzene is 0,08 mg/L, which is above the MCL recommended by WHO. Finally, the GC-UV-DMS is used to analyze the concentrations of BTEX in 17 real groundwater samples collected from contaminated sites. In comparison with the reference method, the results of EXT obtained by this GC-UV-DMS are in good agreement with those obtained by reference method. To simulate the on field condition, a simulation system is built up. Temperature and matrix components influence the diffusion of BTEX in groundwater. The results reveal that the method based on GC-UV-DMS is feasible to be applied as a fast system to monitor the groundwater.

Das Grundwasser kann z.B. durch auslaufende Benzintanks verunreinigt werden. Die Analyse der Benzininhaltsstoffe im Grundwasser wird in der Regel im Labor unter Verwendung von Standardverfahren durchgeführt. Die Pobenahme und Analyse im Labor ist zeitaufwendig und teuer. Daher ist es sehr wichtig, Methoden zur schnellen Vor-Ort Analyse zu entwickeln. Obwohl schon Technologien für die schnelle Vor-Ort- Analyse von Benzin kontaminiertem Grundwasser entwickelt wurden und auch schon kommerziell erhältlich sind, sind diese jedoch nicht in der Lage Benzin aus komplexen Matrices zu unterscheiden. Die Differential-Ionenmobilitätsspektrometrie (DMS) kann verschiedene Benzininhaltsstoffe abhängig von den Mobilitäten der chemischen Verbindungen bei hohen und niedrigen elektrischen Felder trennen. Wird die DMS mit einer Mikro-Gaschromatographiesäule gekoppelt, so können die Zielbenzinverbindungen aus der komplizierten Benzinmatrix und der Umgebung in kurzer Zeit unterschieden werden. In dieser Arbeit wurde ein schnelles Verfahren, basierend auf der GC -DMS zur Detektion von Benzinihaltsstoffen im Grundwasser entwickelt. Die Benzininhaltsstoffe Benzol, Toluol, Ethylbenzol und Xylol ( BTEX ) wurden als Fingerprint Substanzen ausgewählt. Eine kurze MXT -5 Säule wurde für die Trennung der Zielverbindungen ( BTEX ) im Grundwasser verwendet. Die Analysenzeit betrug weniger als 2 min. Um die Nachweisgrenzen und die Empfindlichkeit zu verbessern, wird eine UV-Lampe (Krypton) als lonisierungsquelle anstelle 63Ni verwendet. Nach der Optimierung der Messbedingungen konnten für BTEX mit GC- UV -DMS folgende Nachweisgrenzen ermittelt werden: 0,15 mg / L für Toluol, 0,12 mg / L für Ethylbenzol, 0,15 mg / l für m-Xylol , 0, 16 mg / L für p- Xylol, 0,16 mg /l o -Xylol. Diese ermittelten Werte sind 30 bis 330 -fach niedriger als die durch GC - 63Ni -DMS erhaltenen Daten. Allerdings ist die ermittelte Nachweisgrenze von Benzol mit 0,08 mg/ L oberhalb der MCL, die von der WHO empfohlen wird . Schließlich wurde die GC - UV -DMS verwendet um die Konzentrationen der BTEX in 17 Realgrundwasserproben zu analysieren. Im Vergleich mit dem Referenzverfahren, sind die Ergebnisse der EXT mit den GC - UV -DMS erhaltenen Ergebnisse in guter Übereinstimmung mit denen der Referenzmethode. Um die Feldbedingungen zu simulieren, wird ein Simulationssystem aufgebaut. Die Temperatur-und Matrixkomponenten beeinflussen die Diffusion von BTEX im Grundwasser. Die Ergebnisse zeigen, dass mit der auf GC - UV -DMS basierende Methode, ein schnelles Online Monitoring von Grundwasser möglich ist.

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Liang, Feng: Fast determination of gasoline related compounds in groundwater by differential ion mobility spectrometry. 2014.

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