Handschuhbox und Verunreinigungssensoren

Quelle: Tamara M. Powers, Department of Chemistry, Texas A & M Universität

Das Handschuhfach ermöglicht eine einfache, Luft und Feuchtigkeit empfindlich Feststoffen und Flüssigkeiten zu behandeln. Das Handschuhfach ist, was es klingt: eine Box mit Handschuhen befestigt an einer oder mehreren Seiten, die ermöglicht dem Benutzer, Manipulationen innerhalb der Glovebox unter inerter Atmosphäre durchführen.

Für Manipulationen unter inerter Atmosphäre können Chemiker zwischen Schlenk oder Hochvakuum-Techniken und einer Glovebox. Schlenk besonders Hochvakuum-Techniken bieten ein höheres Maß an Kontrolle über die Atmosphäre und eignen sich daher für Reaktionen, die stark Luft und Feuchtigkeit empfindlich sind. Das Handschuhfach bietet jedoch besseren Zugang für Manipulationen in inerter Atmosphäre. Wiegen, Reagenzien, Filtern von Reaktionen, Probenvorbereitung für Spektroskopie und Kristalle wachsen sind Beispiele für Routineeingriffe, die leichter in einer Glovebox versus vielfältige Schlenk/Vakuum durchgeführt werden. Fortschritte in der Glovebox Design haben seine Leistung, z. B. Reaktionen bei geringeren Temperaturen und Spektroskopie innerhalb der Glovebox erhöht.

Dieses Video demonstriert wie Gegenstände in und aus dem Handschuhfach und qualitativ eine gute Arbeitsumgebung zu gewährleisten. Grundlegende Manipulationen innerhalb einer Glovebox werden durch die Synthese von Natrium Benzophenon nachgewiesen werden.

Das Handschuhfach ermöglicht die Manipulation von Luft und Feuchtigkeit empfindlich Reagenzien und Reaktionen in ähnlicher Weise wie diejenigen, die auf der Tischplatte. Dies wird erreicht durch die Aufrechterhaltung inerten Atmosphäre in das Handschuhfach (< 1 ppm Sauerstoff und Feuchtigkeit), und der Benutzer, die Durchführung von Manipulationen durch Handschuhe auf der Seite der Glovebox. Das Schutzgas ist in der Regel Stickstoff, obwohl Argon und Helium sogar verwendet werden können. Eine einzige Glovebox bietet Platz für einen Benutzer oder zwei Handschuhe. Zwei Benutzer können Side-by-Side in einer doppelten Glovebox arbeiten, die insgesamt vier Handschuhe hat. Jedes Handschuhfach haben leicht unterschiedliche Konfigurationen und Kontrollen, abhängig von der Herstellerfirma. Die Grundsätze diskutiert hier können auf die gängigen Gloveboxen angewendet werden.

Die Hauptkammer:

Die Hauptkammer der Glovebox besteht aus einer Metall-Box (in der Regel aus rostfreiem Stahl) mit Polycarbonat-Fenster auf eine oder mehrere Seiten des Kastens (Abbildung 1). Butyl Handschuhe sind an den Fenstern, zulassend Manipulation innerhalb der Glovebox durch externe Benutzer ausgestattet. Die Box ist konstruiert, um gasdicht, werden die Integrität der Gasatmosphäre innerhalb des Kastens zu maximieren. In der Regel läuft es bei einem positiven Druck, so dass die Handschuhe out of the Box Stick. Jedoch kann beim Arbeiten mit extrem giftigen oder radioaktiven Materialien, die Box bei einem negativen Druck Risiken zu minimieren ausgeführt werden.

Abbildung 1. Das Handschuhfach, zeigt der Hauptkammer, die Handschuhe, das Control Panel und die Vorkammern groß/klein. Die Handschuhe durchhalten, wenn es bei positiven Druck ausgeführt wird.

Ist der Druck im Handschuhfach bleibt in der Regel zwischen ~ 3 und 6 Mbar über dem atmosphärischen Druck und wird über die Elektronik (Abbildung 2) geregelt. Die Benutzer kann zusätzliche Kontrolle durch Anheben oder Absenken des Drucks über einen Fußschalter haben. Der Druck erhöht durch mehr Gas in das System fließt, und über Evakuierung der Vakuumpumpe verringert.

Abbildung 2. Das Control Panel steuert den Druck, Zirkulation, Säuberung, Licht, Regeneration und das große Vorzimmer.

Moderne Boxen sind oft mit elektrischen Durchführungen passen, und so kann Spektroskopie im Feld ausgeführt werden, ohne das Spektrometer in die Box zu bringen. Coldwells und Gefrierschränke ermöglichen für Reaktionen und Lagerung von Chemikalien bei geringeren Temperaturen bzw.. Gas- und Vakuum-Anschlüsse sind jeweils für das Hinzufügen von sekundären Gase zu Experimenten und die Beseitigung von Lösungsmitteln aus Reaktionen möglich.

Eine Quelle der Verschmutzung ist vom Lösungsmittel, Reagenzien und Materialien in die Box gebracht. Wenn Lösungsmittel nicht richtig entgast und getrocknet sind, können sie Feuchtigkeit und Sauerstoff in die Atmosphäre der Glovebox hinzufügen. Darüber hinaus können sie mit reagieren und ruinieren den Katalysator verwendet, um die Atmosphäre inert zu halten. Ebenso müssen poröse Materialien wie Papier richtig getrocknet und vollständig in der Vorkammer, Kontamination zu minimieren Ausgasen durfte.

Die Handschuhe sind eine wichtige Quelle der Verschmutzung. Weil sie porös sind, strömt Luft in das Handschuhfach, auch bei einem positiven Druck. Die Rate der Kontamination hängt von der Handschuhmaterial und Dicke; Typische Werte für eine einzelne Glovebox (Box mit zwei Handschuhe) sind Verunreinigungen durch 59 ppm/h wenn gebräuchlich. ¹ dies natürlich wird davon ausgegangen, dass die Atmosphäre innerhalb der Box nicht kontinuierlich gereinigt oder ersetzt. Da Benutzer Hitze und Schweiß erzeugen, können Verunreinigungen bis 500 ppm/h Erhöhung wenn Feld verwendet wird. Darüber hinaus werden Löcher in die Handschuhe Luftaustausch mit Inertgas innerhalb der Box erhöht.

Um ein gutes Umfeld zu erhalten, ist es daher wichtig, eine Methode, um die Atmosphäre in den Kasten sauber zu halten haben!

Die Umwälzpumpe, Katalysator und Spülung:

Um das inerter Atmosphäre zu erhalten, wird das Inertgas (meist Stickstoff) von der Hauptkammer, Katalysator und zurück zu der Hauptkammer verteilt. Der Katalysator (Abbildung 3) besteht aus Molekularsieben und kupferhaltige Katalysator. Die Molekularsiebe adsorbieren Wasser und Lösungsmittel aus dem Gas, während der Kupfer Katalysator mit Sauerstoff reagiert. Die beiden Komponenten zusammenarbeiten, um inerter Atmosphäre zu pflegen, der frei von Feuchtigkeit und Sauerstoff ist. Großen Gloveboxen haben oft ein Fan in der Mitte der Kammer zu helfen, das Gas in die Kammer zu verteilen. Gasstrom durch den Katalysator erfolgt mit Thermostaten. Bei den Einlass und Auslass der Kammer sind Filter, zur Vermeidung einer Kontamination über kleine Partikel zu minimieren.

Abbildung 3. Der Katalysator-Container ist mit verbunden der Hauptkammer durch zwei Ventile, wodurch die Atmosphäre durch das Katalysatorbett zirkulieren.

Im Laufe der Zeit wird das Katalysator für das Handschuhfach deaktiviert (die Siebe gesättigt mit Feuchtigkeit/Lösungsmittel und/oder Kupfer Katalysator wird inaktiv), und muss erneut generiert werden, um niedrige oder Feuchtigkeit und Sauerstoff zu erhalten. Dies geschieht durch Regenerierung des Katalysators durch Erhitzen unter dem Strahl des Wasserstoff, Stickstoff (Formiergas) stabilisiert. Der Wasserstoff dient dazu, die Siebe alle Lösungsmittel und Wasser entziehen, und Kupfer Katalysator zu reduzieren, der in den Prozess Wasser freisetzt. Das Wasser und die freigegebene Lösungsmittel werden über eine Vakuumpumpe entfernt.

Der Kupfer Katalysator kann durch bestimmte Lösungsmittel und flüchtige Chemikalien vergiftet werden, und daher ist es wichtig, diese Verunreinigungen minimieren. Dazu gehören Äther Lösungsmittel, Alkohole, Amine (temporäre Poison), Halogene und schwefelhaltigen Verbindungen (permanente Gifte). Das Vorhandensein von Molekularsieben im Katalysator reduziert Kupfer Katalysator dieser Chemikalien ausgesetzt, aber im Laufe der Zeit das Kupfer kann deaktiviert werden, und die gesamte Katalysator Bett-Siebe und Kupfer-muss ersetzt werden.

Um Verunreinigungen des Katalysators mit unerwünschten Chemikalien zu minimieren, die wichtigsten Glovebox-Kammer aus der Katalysator isoliert werden (durch Deaktivieren der Zirkulation der Atmosphäre durch den Katalysator) als Chemikalien verwendet werden. Die Glovebox Kammer kann (im Wesentlichen die Atmosphäre durch eine frische Lieferung von Gas zu ersetzen) gelöscht werden, bevor der Verkehr wieder einschalten. Dadurch die Glovebox Atmosphäre keine Spur Lösungsmittel, enthält die Auswirkungen chemischer Reaktionen oder im NMR-Spektren angezeigt, wenn Proben innerhalb der Glovebox zubereitet werden können.Die Länge der Säuberung hängt davon ab, wieviel das inerter Atmosphäre muss ersetzt werden. Zum Beispiel nach ~ 5 x die Menge der Glovebox wurden durch frisches Gas vertrieben ~ 1 % von der alten Inertgas bleibt; Dies verringert sich auf 0,1 % mit 7 x die Volumenänderung. ¹ die Zeit wird durch den Durchfluss des Inertgases in die Kammer bestimmt werden.

Die Vorkammer:

Chemikalien und Lieferungen sind innerhalb und außerhalb der Glovebox über das Vorzimmer (Abbildung 4) gebracht. Dies ist eine versiegelte Fach, die verbindet das Handschuhfach nach außen, und kann mit einer Vakuumpumpe evakuiert und wieder gefüllt mit inerter Atmosphäre. Zur Minimierung von Verschmutzung von Luft, Benutzer läuft in der Regel 3 Zyklen der Säuberung/Füllung, mit der Zeit der Evakuierung abhängig von der Größe der Vorraum sowie Artikel in das Handschuhfach gebracht werden sollen. Elemente, die eine hohe Oberfläche und porösen müssen für eine längere Zeit darauf Verdrängung von Luft evakuiert werden.

Abbildung 4. Die großen und kleinen Vorkammern; Jede hat ihre eigenen Manometer und Ventil.

In der Regel der Anteil der Luft, die noch in der Kammer nach jedem Zyklus der Pumpen und Füllung ergibt sich aus Gleichung 1¹ wo ein_f = Anteil verbleibender Luft f ist die Vakuum-Druck (in Atmosphären) erreichbar, und n ist die Anzahl der Zyklen.

Ein_f = fⁿ (1)

So, nach 2 Zyklen, eine Pumpe, die 1 Torr (1,3 x 10^-3 atm) erreichen 1,7 ppm Luft (Edelgas) haben. Diese Zahl sinkt auf 2,2 ppb Luft (Edelgas) nach 3 Zyklen.

Das Kammervolumen und Saugvermögen hängt die Zeit, die es braucht, um die Kammer zu evakuieren. Dies kann approximiert werden durch die Gleichung 2,¹ wo t Zeit (min ist), V ist Volumen der Kammer (L), S ist das Saugvermögen des Vakuums (L/min), und P₁ und P₂ sind jeweils der erste und letzte Druck.

(2)

Während ältere Boxen haben manuelle Ventile öffnen und Schließen der Vakuum/Inertgas Einlass zu den Kammern, moderne Boxen machen verwenden von elektronischen Steuerungen, und der Prozess kann auch automatisiert werden.

Sensoren und Steuerungen:

Viele moderne Gloveboxen machen ein elektronisches Display und Touchpad verwenden, um die Gloveboxen ()Abbildung 2zu steuern). Drehen den Thermostaten, ein- und ausschalten, Spülung, öffnen und Schließen von Ventilen im Vorzimmer, etc., sind zum Beispiel leicht mit einem Knopfdruck angewendet. Die Anzeige kann auch überwachen Ebenen von Sauerstoff und Feuchtigkeit in das Handschuhfach wenn Sensoren installiert sind, die Gewährleistung einer inerten Umgebung erheblich erleichtert. Chemische Sensoren können jedoch ebenfalls verwendet werden. Diethylzinc werden im Bereich von niedrigen ppm Sauerstoff Rauchen und bildet eine weiße Rückstände in Gegenwart von Wasser. Natrium Benzophenon und die Ti(III) Metallocen-Katalysatoren synthetisiert im Schlenk Line Modul sind auch gemeinsame Indikatoren in das Handschuhfach, um sicherzustellen, dass die Atmosphäre frei von Feuchtigkeit und Sauerstoff ist. Natrium Benzophenon kann auch verwendet werden, um die Entfernung von Feuchtigkeit vom Lösungsmittel zu gewährleisten. Diese radikale Anzeige leuchtet lila blau dann farblos in Gegenwart von Feuchtigkeit und Sauerstoff.

1. bringen Gegenstände in das Handschuhfach

1. Stellen Sie sicher, dass die Ware gebracht werden, in Ofen getrocknet wurden (wenn Glaswaren), und dass Container geöffnet sind.
2. Überprüfen Sie das Vorzimmer-Protokoll um sicherzustellen, dass sie leer ist.
3. Füllen Sie das Vorzimmer, entweder manuell oder elektronisch. Einmal gefüllt mit 1 atm von Inertgas, schließen Sie das Einlassventil, die Kammer zu isolieren.
4. Öffnen Sie die Vorkammer nach außen zu, und legen Sie die Gegenstände in der Kammer.
5. Schließen Sie die Kammer und evakuieren Sie (manuell oder elektronisch).
6. Füllen Sie das Protokoll. In der Regel umfassen Benutzer, ihre Initialen, die Gegenstände und die Zeiten eines jeden Zyklus.
7. Nach das Druck Zifferblatt den Mindestdruck erreicht, verlassen Sie die Vorkammer unter dynamischen Vakuum für 5 min für einen kleinen Vorraum und 20 min für einen großen Vorraum.
8. Füllen Sie das Vorzimmer mit Inertgas; Benutzer werden in der Regel Hinterfüllung, ~ 0,75 atm, als das Einlassventil verbindet die Hauptkammer, die Vorkammer.
9. Evakuieren Sie, und notieren Sie sich die Zeit.
10. Wiederholen Sie die Schritte 1,8-1,9, so dass insgesamt das Vorzimmer wurde 3 X evakuiert.
11. Füllen Sie nach 3 Zyklen die Vorkammer mit Inertgas, und schließen Sie die Gaszufuhr einfügen.
12. Öffnen Sie das Vorzimmer von innen das Handschuhfach und bringen Sie die Elemente in der Vorkammer.
13. Die Vorkammer Tür schließen, und die Kammer zu evakuieren. Wenn das Handschuhfach im ruhenden Zustand befindet, sollte die Kammern unter dynamischen Vakuum überlassen werden.
14. Hinweis auf das Protokoll, dass das Verfahren abgeschlossen ist, damit andere Benutzer wissen, dass die Vorkammer kostenlos ist.

2. Entfernen von Elementen aus der Glovebox

1. Schauen Sie sich das Logbuch, den Status der Vorkammer zu sehen. Achten Sie darauf, dass es nicht in Gebrauch ist und die letzte Operation wurde ein Element in der Vorkammer zu bringen. Wenn der letzte Vorgang war ein Element heraus zu bringen, schnell füllen/evakuieren die Vorkammer 3 X mit Inertgas. Dadurch wird sichergestellt, keine Restluft vorliegt (Gleichung 1) Wenn Sie das Vorzimmer, das Handschuhfach öffnen.
2. Füllen Sie das Vorzimmer mit Inertgas, und schließen Sie das Ventil der Kammer der Inertgaszufuhr herstellen.
3. Öffnen Sie das Vorzimmer von innen das Handschuhfach.
4. Laden Sie die Elemente in die Kammer, und schließen Sie die Tür.
5. Von der Außenseite der das Handschuhfach die Vorkammer-Tür öffnen und Elemente entfernen.
6. Die Kammer zu evakuieren.
7. Beachten Sie, dass Elemente entfernt wurden und die Zeit auf das Logbuch.

3. ein gutes Arbeitsumfeld zu gewährleisten.

1. Die Testumgebung
   1. Schalten Sie den Thermostaten.
   2. Schalten Sie alle Fans in der wichtigsten Glovebox-Kammer.
   3. Öffnen Sie eine Flasche Diethylzinc Lösung in Hexanes (häufig 1,0 M).
   4. Vorsichtig schwenken die Flasche, um die Gasatmosphäre in der Flasche mit der Atmosphäre in das Feld ersetzen. Wenn Rauch entsteht aus der Flasche, ist dies ein Indiz dafür, dass O₂, Wasser oder einem Äther Lösungsmittel in der Atmosphäre vorhanden ist. Wenn die Atmosphäre gefährdet ist, sollte die Quelle von unerwünschten Verunreinigungen identifiziert werden.
   5. Schalten Sie die Bereinigung für 5 Minuten.
   6. Schalten Sie die Bereinigung aus und Thermostaten auf.
2. So dass die radikalen Anzeige
   1. Schalten Sie den Thermostaten.
   2. In das Handschuhfach 5 mg von Benzophenon Abwiegen und dies zu einem Funkeln 20-mL-Fläschchen zu übertragen.
   3. Wiegen Sie ~ 500-1.000 mg Natrium und auf das Funkeln Fläschchen übertragen. Verschließen Sie das Fläschchen.
   4. 20 mL trockener Tetrahydrofuran (THF) und eine Bar unter Rühren hinzufügen. Verschließen Sie das Fläschchen.
   5. Schalten Sie die Säuberung für mindestens 15 Minuten vor der Thermostat wieder auf.
   6. Lassen Sie die Reaktion rühren für 48 h, oder bis die Lösung verwandelt sich in eine dunkle, tiefschwarzen violette Lösung. Die Lösung sollte von farblos gehen zu blau, lila, und es gibt überschüssige Natrium an der Unterseite der Flasche sein sollte. Dies sollte eine Lösung mit geben ~ 1,4 mM radikal.
3. Testen Lösungsmittel mit dem di-radikal-Indikator
   Hinweis: Das neugebildete radikal kann verwendet werden, für O₂ und Wasser Verunreinigungen im Lösungsmittel zu testen.
   1. Wenn eine Äther Lösungsmittel zu testen, schalten Sie der Thermostat aus. Einige Gruppen erfordern, dass der Thermostat ausgeschaltet ist, vor dem Öffnen einer Chemikalie in das Feld ein.
   2. Geben Sie einen Tropfen der radikale Lösung, 10 mL des Lösungsmittels Test. Lösungsmittel, die mit der radikalen getestet werden können gehören THF, Diethylether, Benzol, Toluol, Hexanes und Pentan. Das radikal reagiert mit chlorierten Lösungsmittel, Pyridin und andere Lösungsmittel, die mit Alkalimetallen reagieren.
   3. Beobachten Sie die Farbe der Lösung über 1-2 min. Eine trockene Lösungsmittel wird die Farbe der Ketyl radikale auf unbestimmte Zeit zu halten. Die Probe sollte realistisch, die Farbe für mindestens 1-2 min. positiver Test halten, die Farben sind in Tabelle 1 unten gegeben.
   4. Schließen Sie alle Lösungsmittel Flaschen und schalten Sie der Säuberung für mindestens 15 min. Turn Thermostaten auf wieder.

Das Handschuhfach ist ein sehr praktisches Werkzeug für die Arbeit mit und Bearbeiten von Luft und Feuchtigkeit empfindlich Verbindungen. Die meisten Manipulationen, die auf die Benchtop getan werden kann, kann ohne weiteres in inerter Atmosphäre durchgeführt werden.

Das Handschuhfach lässt sich speichern Chemikalien, Reaktionen durchführen und spektroskopische Analyse ausführen. Gloveboxen sind vollständig anpassbar, so dass Kundenantrag können viele Add-ons für ihre Bedürfnisse zu erfüllen. Verschiedene Labors haben verschiedene Glovebox Benutzerrichtlinien; Daher ist es sehr wichtig zu verstehen, die Voraussetzungen für das Arbeiten in einer Glovebox bevor Sie irgendwelche Manipulationen durchführen.

1. Shriver, M. A. Drezdzon. The Manipulation of Air-Sensitive Compounds. John Wiley & Sons. USA. (1986).