En række organiske solventer kan danne eksplosive peroxider ved opbevaring. Peroxiddannelsen kan overvåges ved hjælp af teststrips- eller titanoxysulfatmetoden. Ved laborantuddannelsen i Slagelse blev metoderne afprøvet med henblik på at afgøre, hvilken metode der gav de mest retvisende resultater. Det gjorde titanoxysulfatmetoden.
Artiklen har været bragt i Dansk Kemi nr. 2, 2021 og kan læses uden illustrationer, strukturer og ligninger herunder.
Af Claus Hansen, Zealand, Sjællands Erhvervsakademi
En række kemikalier kan over tid danne eksplosive, organiske peroxider, hvis de er i berøring med O2. Især ethere og sekundære alkoholer er kendte peroxiddannere. Når flasker er anbrudt, så kemikaliet er kommet i berøring med luftens ilt, vil der potentielt ske peroxiddannelse.
I første omgang vil der dannes hydroperoxider (R-OOH), og derefter kan der gennem en kædereaktion evt. dannes peroxider, hvor begge oxygener er bundet til carbon (R-OO-R) [1]. Reaktionen kan forløbe videre til peroxidpolymerer [1,2].
Da peroxiddannelse i kemikalier har ført til eksplosioner og invaliderende skader, sørger alle besindige laboratorier for periodisk at måle peroxidniveauet i flaskerne, man har stående. Beredskabsstyrelsen anbefaler sådanne målinger én eller to gange årligt, afhængigt af typen af peroxiddanner.
To metoder til bestemmelse af peroxidindhold
Der findes flere målemetoder til bestemmelse af peroxidindholdet i kemikalier. Formentlig er teststrips det absolut mest udbredte, da de er nemmest at anvende. Stripsene baserer sig på en enzymkatalyseret farveudvikling, som kan sammenlignes med en medfølgende referenceskala.
Proceduren for måling i flygtige ethere er, at strippen dyppes kort i stoffet, som derefter får lov at dampe af i op til 30 sekunder. Derefter aktiveres farvereaktionen med en dråbe vand, hvorpå resultatet aflæses efter 15 sekunder. (Hvis de 15 sekunder overskrides væsentligt, vil farvereaktionen løbe videre og give for høje værdier. Kvalitativt set angives al farveudvikling inden for tre minutter at kunne tolkes som positiv reaktion for tilstedeværelse af peroxid).
Stripsene er imidlertid dårlige til at detektere polymere peroxider, som vil give ingen eller i bedste tilfælde ufuldstændig reaktion, således at indholdet undervurderes [3,4,5].
En anden metode er baseret på titanoxysulfat. Princippet er, at de organiske peroxider spaltes i sur væske, så der dannes hydrogenperoxid, som danner farvede komplekser med Ti(+4).
Man kan købe brugsklart reagens med titan(+4)sulfat i svovlsyre, men man må selv fremstille en referenceskala ud fra en standardrække af fortyndinger af hydrogenperoxid. Bortset fra dét er testen simpel; lige voluminer kemikalie og reagens blandes (whirlmixes), og efter to minutter aflæses farven. Farverne fremtræder stabile, så aflæsningen er ustresset. Enkelte stoffer har dog en tendens til at danne emulsion med reagenset, hvilket gør det sværere at erkende lave niveauer af peroxid.
Begge målemetoder er semikvantitative, idet der skønnes en værdi visuelt i forhold til en referenceskala. Springene på referenceskalaen er typisk en faktor 2,5/3,3/4 – så de skønnede værdier bliver ikke meget mere præcise end dette.
Beredskabsstyrelsen anbefaler på hjemmesiden http://www.peroxider.dk, at kemikalier kasseres, hvis peroxidindholdet overstiger, hvad der svarer til 1.000 mg H2O2 per liter (1.000 ppm). Som metode anbefaler hjemmesiden titanoxysulfatmetoden, hvis der ikke ”foreligger viden om, at enzymbaserede teststrimler giver korrekt resultat”. Samtidig har Beredskabsstyrelsen dog i interview anbefalet årlig kontrol med strips [6], og det er formodentlig den mest udbredte metode.
Baggrund for undersøgelsen
Ved laborantuddannelsen i Slagelse ved Zealand bemærkede vi påfaldende inkonsistente resultater ved måling med strips. Derfor har vi gennem forskellige forsøg prøvet at belyse pålideligheden af strip-metoden og sammenlignet med resultater fra titanoxysulfatmetoden.
De 2.-semesterstuderende udfører den periodiske kontrol af vore peroxiddannende kemikalier – derved lærer de om forsvarlig drift af kemikalielagre, og alle vore peroxiddannere testes to gange årligt. Kontrollen udføres med sticks fra Merck (MQuant 0,5-25 mg H2O2/L). Hvis et kemikalie ryger ud af skalaen, fortyndes det med diethylether (eller vand, hvis det er blandbart) og den ufortyndede peroxidkoncentration kan dermed bestemmes ved at gange testresultatet op med fortyndingsfaktoren.
Ved at opsamle måleresultater over tid for hver enkelt beholder, har vi fået data, der dels illustrerer udviklingen i peroxidniveau, men i høj grad også fortæller om usikkerhed ved testmetoden (forstået som lav præcision).
Problematiske afvigelser med strips-metoden
Den semikvantitative metode indebærer, at man må forvente afvigelser på en faktor 2 og eventuelt en faktor 4 mellem gentagne målinger. Imidlertid ses der afvigelser på >faktor 100 og endog >faktor 1.000 imellem hinanden følgende målinger. Stigning i måleværdier kan selvfølgelig tilskrives en tilsvarende stigning i peroxidniveau i flasken, men oftest er værdierne hoppende snarere end stigende.
Benzylalkohol gav meget variable – og til dels meget høje – måleværdier sammenlignet med de øvrige kemikalier. Det er tidligere beskrevet, at dette stof danner peroxider hurtigt sammenlignet med andre peroxiddannere [7]. På grund af de undertiden høje måleværdier, blev der udført yderligere forsøg med stoffet. Vi indførte nogle prøver bestående af benzylalkohol fortyndet med diethylether, som de studerende skulle måle som kontroller sammen med de øvrige prøver. De studerende kendte ikke kontrollernes sammensætning. Resultaterne fremgår af tabel 2. Hvis testmetoden var retvisende, skulle man finde forholdsmæssigt mindre peroxid i kontrollerne sammenlignet med den ufortyndede benzylalkohol. Det var imidlertid ikke, hvad der faktisk blev målt.
Det har været anbefalet, at ikke-flygtige kemikalier fortyndes ×4 med diethylether for at få retvisende måleværdier med strips [7]. Tabel 2 illustrerer, at dette ikke afhjælper problemerne med præcision. Det ses, at samme fortynding stadig måles med værdier, der afviger med op til en faktor 50 – eller op til en faktor 250, hvis man ser på tværs af fortyndingerne.
Under samme målinger blev den rene benzylalkohol målt til blot at indeholde 5 ppm peroxid – dermed er der en afvigelse på over faktor 500 mellem målingerne på det rene stof og målinger ud fra fortyndinger af stoffet.
Sammenlignende målinger
Der blev dernæst udført sammenlignende målinger med titanoxysulfat-metoden (målingerne blev udført af denne artikels forfatter). Målingerne for benzylalkohol gav et endnu højere niveau for peroxider end strips-metoden (tabel 1, sidste kolonne).
Stripsene virker som nævnt ikke ved polymere peroxider – og det kan forklare, hvorfor man finder højere peroxidniveauer med titanoxysulfat- end med strips-metoden. De meget variable målinger med stripsene forklares derimod ikke med dette ræsonnement.
Forfatteren målte selv benzylalkohol og tetrahydrofuran med strips lige inden målingerne med titanoxysulfat. For benzylalkohol-flaskerne oversteg de peroxidværdier, jeg anslog ud fra stripsenes farve ikke 25 ppm – men resultatet virkede noget upræcist, da farven stadig udviklede sig (man kunne anslå højere værdier ved at aflæse senere end de foreskrevne 15 sekunder – og man overvejer, om reaktionen kunne være så langsom for stoffet, at 15 sekunder var for kort tid). Desuden var testzonen ikke helt ensfarvet og i nogle tilfælde lidt mere grønlig end referenceskalaen, hvilket heller ikke giver følelsen af at arbejde helt præcist.
Titanoxysulfatmetoden
Dataene målt med strips udstiller problemer ved denne metode – men er titanoxysulfatmetoden så bedre? Ved gentagelse af målingerne er repeterbarheden1 umiddelbart rimelig god, inden for den margin, at en prøve for eksempel første gang måltes til 120 ppm og anden gang til 200 ppm – dvs. der kan være en usikkerhed i, hvor mellem standarderne 100 og 333 ppm prøven befinder sig; men det er konsekvent imellem, hvilke standarder den ligger.
Vi undersøgte, om spektrofotometriske målinger kunne erstatte visuelle; men det er øjensynligt ikke de samme komplekser, der dannes ved høje koncentrationer som ved lave, idet absorbansspektret ænder facon. Dvs. der ikke kan laves en kalibreringskurve ud over for de laveste standarder (≤ 100 ppm).
For at vurdere nøjagtigheden, blev der fremstillet kontroller af H2O2 på 33 og 333 ppm – begge både med vand, ethanol og ethylacetat som fortyndingsmedium. Fortyndingen i ethylacetat skulle simulere peroxiddannere, der danner et to-fasesystem med reagenset. Den ethanoliske fortynding skulle omvendt simulere, om peroxiddannere er blandbare med titanoxysulfat-reagenset – farvereaktionen kunne tænkes påvirket af, om mediet er vandigt eller kun halvt vandigt, figur 3.
De vandige kontroller passede med standardrækken. Den lave koncentration af de ethanoliske kontroller udviklede mindre farve end den tilsvarende vandige og ved den høje koncentration var der meget lidt forskel.
Kontrollerne i ethylacetat derimod, gav en noget større farveintensitet end de tilsvarende vandige, hvilket må tilskrives, at det farvede kompleks kun fordeles til vandfasen. Da det fordeles i et halvt så stort volumen, er det forventeligt, at det har dobbelt så høj koncentration. Derfor forventes måleresultater for stoffer, der ikke er blandbare med titanoxysulfatreagens at være en faktor to for høje.
Sammenfatning
Både teststrips- og titanoxysulfat-metoden skal betragtes som semikvantitative metoder og resultaterne fortolkes med dette forbehold. Målingerne med strips fører i flere tilfælde til meget variable målinger, hvoraf de laveste muligvis undervurderer peroxidindholdet.
Variabiliteten i vores data bliver givetvis større af, at målingerne er udført af mange forskellige operatører, som endnu ikke er færdiguddannede laboranter. Fordelingen af testopgaver mellem de studerende medfører, at én gruppe studerende typisk har testet for eksempel alle tre flasker benzylalkohol samtidig, hvilket kan forklare, at høje såvel som lave målinger typisk kommer ”i sæt” – det kunne tyde på, at variation i udførelse af målingerne påvirker resultatet. Man kan påstå, at studerende er et ”worst-case-scenario” med hensyn til operatør. Omvendt kan testmetoden dårligt betegnes som robust (i øvrigt vil ingen operatør være rutineret i en analyse, der foretages én gang årligt).
Det må anbefales at registrere data over tid, da variable data giver et fingerpeg om, at et kemikalium har opbygget højere peroxidniveauer. Laboratoriet bør i forvejen have en liste over, hvilke stoffer der skal testes periodisk, så det vil være nemt at tilknytte en tabel, hvor data opsamles.
Da testmetoderne baserer sig på skønnede aflæsninger, er det vigtigt, at operatøren ikke på forhånd kender seneste målinger – da det kan have en tendens til at påvirke ens skøn. Hvis resultaterne opnået med strips-metoden er inkonsistente, er det nærliggende at tjekke resultaterne med titanoxysulfatmetoden.
Under alle omstændigheder skal man holde fokus på, hvilke peroxidniveauer der er vigtige at skelne. Hvis peroxiddanneren påtænkes destilleret (eller afdampet), er det kritisk at kende til selv meget lave niveauer af peroxid.
I andre sammenhænge kan det være tilstrækkeligt at vide, om grænseniveauet nærmes. Beredskabsstyrelsens anbefalede kassationsgrænse er på 1.000 ppm. Dertil kommer 3.000-ppm-grænsen i ADR-reglerne, der skal overholdes, hvis stoffet skal transporters lovligt på offentlig vej [8].
Benzylalkoholen i flaske to viste foruroligende peroxidniveauer i forhold til sidstnævnte grænse.
Opsummering
Data fra peroxidmålinger bør opsamles over tid. Hvis målingerne med strips udviser sære variationer, bør man genmåle med titanoxysulfat-metoden.
De laborantstuderende på hold L56 til L63 takkes for deres medvirken i studiet.
1 Gentagelse af målingerne på en ny dag over for en ny standardkurve, men stadig udført af samme operatør med samme udstyr og reagenser. En mere præcis betegnelse vil derfor være intermediær præcision.
E-mail:
Claus Hansen: clha@zealand.dk
Referencer
1. Beredskabsstyrelsen: http://www.peroxider.dk (siden besøgt 2020.10.14).
2. Lewis, RJ: Sax’s dangerous properties of industrial materials, 9. udg., Van Nostrand Reinhold, New York, 1996.
3. Indigo Instruments: https://www.indigoinstruments.com/test_strips/disinfectants_sanitizers/hydrogen_peroxide/hydrogen-peroxide-test-strips-100ppm-33815.html#details (siden besøgt 2020.08.18).
4. Machenerey-Nagel: QUANTOFIX Peroxide 25 instruction. Düren, 2014.
5. Merck KGaA: MQuant™ Peroxide Test – Instructions for use. Darmstadt, 2018.
6. Lawætz, K: Kemikaliedestruktion: Hjælp – etiketten er faldet af! Laboranten 61 (7), 2017, 12-15.
7. Mirafzal, GA; Baumgarten, HE: Control of peroxidizable compounds: An addendum. Journal of Chemical Education 65 (9), 1988, A226-A229.
8. Færdselsstyrelsen: Europæisk konvention om international transport af farligt gods ad vej (ADR) (afsnit 2.2.3.2.1). 2019.
