The utility of metal-organic framework as cold trap sorbent for the thermal-desorption based analysis of gaseous pollutants

Abstract

Volatile organic compounds (VOCs) are harmful air pollutants that can exert detrimental effects on human health over long- and short-term basis. For the analysis of ambient VOCs, a pre-concentration step is essential for instrumental detection. In this context, we have investigated the applicability of metal organic compounds (MOFs) as a double-bed cold trap (with Tenax TA adsorbent) for their quantitation based on thermal desorption (TD)-gas chromatography (GC) system. As a first step, the applicability and selectivity of various MOFs as cold trap adsorbents were explored against four reduced sulfur compounds (i.e., hydrogen sulfide, methyl mercaptan, dimethyl sulfide, and dimethyl disulfide). The analysis of four RSCs has been made by pulsed discharge detector (PDD) interfaced with GC-TD. The performance of UiO66 (Zr-based MOF) as a cold trap sorbent provided excellent linearity and high sensitivity towards all four RSCs. The optimum conditions for adsorption and desorption of RSCs by TD system were assessed at -20℃ and 200℃, respectively. To broaden the scope of qualitative analysis of VOCs, a total of 18 VOCs (including reduced sulfur compounds, aldehydes, ketones, alcohols, acetates, and aromatic VOCs) were investigated further using the same TD/GC/PDD. This TD-GC/PDD system, equipped with UiO66 as cold trap sorbent material, provided high sensitivity for the detection of all 18 VOCs with good linearity (R2>0.95). As such, the proposed system has therefore been demonstrated as an effective tool for the TD-based analysis of various VOCs.|휘발성 유기 화합물 (VOCs)은 인체 건강에 장기 및 단기적으로 해로운 영향을 미치며 악취를 유발하는 것으로 잘 알려진 대표적인 유해 대기 오염 물질이다. 단일 분석에서 서로 다른 VOCs를 분석하는 것은 각 물질 별로 다양한 작용기와 분자 구조의 존재하기 때문에 어려움이 따른다. 또한 주변 대기와 같은 매트릭스에서 미량 수준의 존재하기 때문에 이러한 성분들을 정량화하기 위해서는 사전 농축 및 열 탈착 단계가 필요하다. 본 연구에서 우리는 열 탈착 (TD) 시스템 내에서 Tenax TA와 함께 충진된 콜드 트랩 내 흡착제로서의 금속 유기 화합물 (MOF)의 적용 가능성을 조사하였다. 첫 번째 단계로 4 가지 환원 황 화합물 (RSC; 황화수소, 메틸 메르캅탄, 디메틸 설파이드 및 디메틸 디설파이드)을 사용하여 콜드 트랩 흡착제로서 다양한 MOF의 적용 가능성을 살펴보고 각 대상 성분에 대한 감도를 확인하였다. 4 개의 RSC 분석은 열 탈착 (TD)-가스 크로마토그래피 (GC)/펄스 방전 검출기 (PDD)를 이용하여 진행되었다. 콜드 트랩 흡착제로서 UiO66 (Zr 기반 MOF)의 성능은 4 개의 모든 대상 RSC에 대해 우수한 선형성과 높은 감도를 나타냈다. 또한 콜드 트랩 내 RSC의 흡착 및 탈착을 위한 최적 조건은 각각 -20 ℃와 200 ℃로 결정되었다. VOC의 정성 분석 범위를 넓히기 위해 동일한 TD-GC/PDD 시스템을 이용하여 총 18 개의 VOC (환원 황 화합물, 알데히드, 케톤, 알코올, 아세테이트 및 방향족 VOC 포함)를 분석하였다. UiO66를 콜드 트랩 흡착제로 장착한 이 TD-GC/PDD 시스템은 모든 18 개의 VOCs에 대해 우수한 선형성 (R2> 0.95)을 보였으며 안정적이고 고감도 분석이 가능한 것으로 나타났다. 따라서 본 연구에서 제안된 시스템은 다양한 VOCs의 TD 기반 분석을 위한 효과적인 도구로서 입증되었다.