Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Хроматография (ХМА) (лекции)_.docx
Скачиваний:
31
Добавлен:
18.12.2018
Размер:
549.33 Кб
Скачать

Тема 4: Газожидкостная хроматография

Это такой вариант хроматографического метода, где подвижной фазой является газ-носитель. Неподвижная фаза – жидкость. В основе разделения лежит разность в коэффициентах распределения разделяемых веществ между газом-носителем и НЖФ.

Преимущества и недостатки метода:

  1. Симметричность хроматографических пиков, что обусловлено линейным характером изотермы распределения разделяемых веществ в широком диапазоне концентраций.

  2. Большая универсальность в отношении разнообразия веществ, которые поддаются разделению, что определяется большим выбором веществ, которые пригодны для использования в качестве неподвижных жидких фаз.

Основные условия, определяющие разделительную способность газожидкостной колонки являются:

  1. правильный выбор НЖФ, селективной по отношению к разделяемым компонентам;

  2. правильный выбор режима разделения - длинна колонки, температура колонки, скорость газоносителя и величина вводимой пробы смеси.

Недостатки газожидкостной хроматографии:

  1. Требуются методы нанесения НЖФ.

  2. НЖФ постепенно уносятся с твёрдого носителя, особенно при повышении температур, что приводит к дрейфу нулевой линии на хроматограмме и потере разделительной способности колонки.

Принципиальная схема газового хроматографа

На схеме:

  1. Источник газоносителя (балон с сжатым газом(

  2. Редукционный клапан – нужен для понижения давления газоносителя от того, которое в балоне.

  3. Панель подготовки газа – задание и поддержание постоянного расхода газоносителя.

  4. Устройство ввода жидких проб (испаритель).

  5. Хроматографическая колонка.

  6. Детектор.

  7. Регистратор (визуализация результатов)

  8. Электронные вычислительные блоки для управления температурой и регистрацией

Основными элементами являются: 5 – обеспечивает качественную характеристику разделения, 6 («глаза хроматографа»)

Хроматографические колонки

Представляют собой цилиндрические трубки различных размеров. Они различаются: «насадочные» - имеют внешний диаметр 2..4 мм. Преперативные колонки имеют диаметр от 10 до 100 мм. «Насадка» - твёрдый гранулированный материал, которым заправляется колонка. Бывают колонки микро насадочные, с диаметром 0,8..1 мм. Бывают капиллярные, имеющие внутренний диаметр колонки 0,5..0,25 мм.

Длинна колонок: насадочные и микро насадочные колонки имеют длину от 0,5 до 3 метров (при необходимости до 10 метров). Капиллярные колонки имеют длину 10..20 .. 100..200 метров. Колонки располагаются в термостатах хроматографа, и их надо определённым образом упаковать. Поэтому по форме колонки бывают: прямые, U – образные и W – образные. Чаще – спиральные.

Материал колонки: нержавеющая сталь, медь, стекло, кварцевое стекло, полимерные материалы (фторопласт), никель, металлическая с внутренним стеклянным покрытием, тантал. Основное требование к материала колонок такие: механическая прочность, термическая стойкость, коррозионная стойкость, инертность по отношению к НЖФ, к компонентам пробы и газ-носителю.

Заполнение колонок: перед заполнением колонка промывается и просушивается. Промывается водой, затем слабым раствором соляной кислоты, опять водой, потом ацетон и окончательно просушивается. Перед набивкой один конец колонки запыживается, затем колонки заполняются.

Колонки широкие и не длинные заполняются прямой засыпкой с постукиванием. Длинные колонки разворачиваются и засыпается подобным же образом. Спиральные колонки заполняются с помощью вакуума или давления. Очень длинные – с помощью специального устройства: через капиллярную колонку продавливается через давлением НЖФ или её раствор, и сбрасывается. При этом на внутренних стенках капиллярной колонки остаётся очень тонкий слой НЖФ. Толщина такой плёнки: 5*10-5см. После заполнения запыживается вход колонки, она устанавливается в хроматограф и тренируется.

Носители для газовой хроматографии. Сорбенты.

Лекция № 8 от 09.11.2011

Опоздал из-за сволочи-маршрутчика.

…для распределения жидкой фазы, поэтому носитель должен обладать следующими свойствами:

  1. Иметь значительную удельную поверхность, позволяющую наносить неподвижную жидкую фазу в виде тонкой плёнки, и не допускающей её перемещения. Удельная поверхность для носителей ГЖХ от 0,5 .. 10 м2/г, что меньше, чем у адсорбентов у газо-адсорбционной хроматографии. Наряду с удельной поверхностью характеристикой развитости поверхности является пористость. Высокая пористость необходима для предотвращения стекания неподвижной жидкой фазы с зёрен и практически установлено, что оптимальный размер пор 6 .. 9 микрон. Роль сорбентов в ГЖХ можно проиллюстрировать:

  2. Носитель должен обладать небольшой адсорбционной способностью по сравнению с разделяемым веществом.

  3. Твёрдый носитель должен быть химически инертным и должен обладать отсутствием католической активности по отношению к разделяемым веществам по отношению к жидкой фазе и газу-носителю. Иначе состав смеси на входе не будет соответствовать составу на выходе.

  4. Твёрдый носить должен обладать достаточной механической прочностью на истирание.

  5. Твёрдый носитель должен обладать способностью к равномерному заполнению колонки.

  6. Твёрдый носитель (ТН) должен быть термостабильным.

  7. Поверхность ТН должна хорошо смачиваться наносимой на неё жидкой фазой.

Размеры и формы зёрен носителя

Коэффициент вихревой диффузии А = 2λdp, где λ – мера неравномерности заполнения колонки. Его значение уменьшается в случаях:

  1. Если используются частицы правильной геометрической формы (сфера).

  2. Коэффициент λ можно уменьшить, если использовать частицы одного размера.

Уменьшение размеров зёрен dр ведёт к уменьшению ВЭТТ. Эффективность колонки при этом увеличивается, но оказывается, что коэффициент λ и размер зёрен связаны между собой, а именно более мелкие частицы труднее упаковать равномерно. Кроме того, с уменьшением размеров зёрен увеличивается перепад давления между входом и выходом из колонки (увеличивается гидравлическое сопротивление колонки). Учитывая свойства газов сжиматься, это ведёт к градиенту скорости газоносителя вдоль колонки.

Одинаковость размеров частиц твёрдого носителя обеспечивается узким гранулярным составом. Достичь этого можно, просеивая частицы твёрдого носителя через сита с очень близкими характеристиками отверстий. Для приготовления насадки берётся тот материал, который прошёл через верхние сита, имеющие большие отверстия и не прошёл через нижние сита, имеющие меньшие отверстия. Характеристика сит выражается либо в диаметрах отверстия, либо стороной квадрата, которая описывает это отверстие, либо в условных единицах, называемые «меш» или единицы «DIN». Меш определяется количеством отверстий на 1 погонный дюйм. Единицей DIN определяется количество отверстий на 1 см2.

Чаще используются сита с характеристиками по диаметру отверстия, а готовые товарные формы твёрдых носителей чаще в мешах. Различия между различными характеристиками сит приводится в специальных таблицах для стандартных сит. Пример: 40/60 меш соответствует 0,35/0,25 мм. 80/100 меш ~ 0,177/0,149 мм.

Для эффективной работы колонки также имеет значение отношение размера зерна к внутреннему диаметру колонки. Практика показывает, что хорошие результаты получаются при значении величины в 1/8. Но увеличение длины колонки требует увеличения зернения.

Если диаметр внутренней колонки больше 2,5 мм, а длина колонки – менее 2 метров, то рекомендуемые размеры – 0,16..0,18 мм. Если колонка длиной больше 2 метров, то зёрна – 0,17..0,25 мм.

Природа и виды твёрдых сорбентов

В основе твёрдых сорбентов используются неорганической природы. Из органических сорбентов следует отметить тефлон или фторопласт. Большая группа сорбентов изготавливается на основе диатомита – осадочная порода из панцирей одноклеточных диатомитовых водорослей. Химически – аморфных кремнезём с примесями металлов. Природный диатомит прокаливают при 900°, при этом получают краситель розового цвета – шамот (огнеупорный кирпич). Такой носитель обладает большой адсорбционной активностью, поэтому его спекают щелочными флюсами, понижая адсорбционную активность и получают носитель белого цвета.

Диатомитовые и другие носители встречаются под торговыми марками изготовителей: целит-С-22, целит-545, силухром, сферохром, порохром, цветохром, динохром, chromosorb A (P, W, G), Chromoton N, Chezasorb.

Активность носителя

Среди необходим свойств твёрдого носителя упоминались химическая инертность, отсутствие каталитической активности и малая адсорбционная способность. Однако исходные диатомитовые материалы не всегда удовлетворяют этим условиям. Даже будучи покрыты плёнкой НЖФ, влияние поверхности твёрдого носителя сказывается на качестве разделения. Поскольку разделяемое соединение не только растворяется в плёнке НЖФ, но и, проходя через неё, адсорбируется на поверхности твёрдого носителя. Поэтому ряд исследователей предлагают рассматривать процесс ГЖХ как газо-жидко-твёрдо-фазную хроматографию. Поэтому чтобы уменьшить влияние поверхности твёрдого носителя на характер разделения проводят дезактивационную обработку твёрдого носителя.

Промывка кислотой ТН используется тогда, когда используются неподвижные жидкие фазы, чувствительные к щелочным средам, особенно при повышенных температурах, особенно когда используются неподвижные жидкие фазы, являющиеся сложными эфирами. Носитель, промытый кислотой, обозначается Chromoton N AW.

Промывка щелочами используется тогда, когда твёрдый носитель используется для разделения соединений основного характера. Таковыми в органической химии являются амины, пиридины.

Дезактивация силанами (SiH4). Гидроксильные и окисные группы на поверхности силикагеля могут быть дезактивированы небольшими количествами жидкой фазы. Для этого поверхность твёрдого носителя необходимо обрабатывать диметил-дихлор силаном (ДМХС) для связывания водорода поверностно-гидроксильных групп. Для этих же целей можно использовать гекса-метил ди-силозан (ГМДС).

В том случае, если твёрдый носитель обратен ДМХС или ГМДС.

Лекция № 9 от 16.11.2011

Капиллярные колонки

Характеризуются большой длинной (10..20 .. 100..200 м), внутренним диаметром 0,5..0,25 мм и толщиной плёнки НЖФ 5*10-5см, а так же характеризуются высокой эффективностью разделения, что обеспечивается низкими значениями ВЭТТ (0,15..1,5 мм).

В результате колонка обеспечивает малое размытие пиков.

За счёт чего достигается высокая эффективность колонки:

  1. Вихревая диффузия (так как нету зёрен, и потому их диаметр = 0)

  2. Молекулярная диффузия уменьшается, так как колонка работает при скоростях до 100 см/с. Коэффициент извилистости путей = 1.

  3. Сопротивление массопередаче , для капиллярных колонок – 0,001 .. 0,01. Толщина плёнки для капиллярных колонок мала, что тоже приводит к уменьшению коэффициента массопередачи.

Таким образом, число ВЭТТ для такой колонки достигает значения 100 000 и даже миллионов при использовании циркуляционных схем.

С другой стороны, уравнение скорости движения концентрационной зоны:

где α – объёмная скорость потока газоносителя [л/мин], υ – объём газовой фазы в колонке на единицу её длинны, υa – объём адсорбента или неподвижной жидкой фазы на единицу длинны колонки, – зависимость концентрации сорбата в неподвижной фазе от его концентрации в газе-носителе (К).

Низкое значение фазового отношения β (так как va не значителен, и в пределе va -> 0, a v -> 1), то .

Таким образом, скорости движения концентрационных зон будут одинаковыми: .

Т.е. для капиллярной колонки характерно уменьшение сорбционной ёмкости и одновременно возрастание вклада времени удерживания собирающегося в суммарное значение времени удерживания каждого вещества. Все это приводит к селективности разделения (в 10 раз по сравнению с насадочными колонками), поэтому чёткость разделения компонентов на каждой тарелки капиллярной колонки оказывается весьма умеренной. В итоге при слабом разделении на каждой ТТ, но при очень большом числе их удаётся разделять сложные многокомпонентные смеси веществ с очень близкими свойствами. Получаем на хроматограмме очень сжатые пики, на которой практически отсутствуют неизбежные для насадочных хроматографических колонок уширения позже выходящих пиков.

Очень важным условием работы капиллярной колонки ввиду малого диаметра капилляра и незначительного количества жидкой фазы является величина пробы анализируемой смеси. При переходе от насадочных к капиллярным колонкам величина дозы может уменьшаться до 5000 раз. Получить такие малые дозы прямым путём невозможно, поэтому используются устройства – делители потока. Сопротивление сбора – 0,1..0,01 процента от сопротивления колонки, поэтому 99,99% введённой пробы сбрасывается, и в колонку поступает лишь писюлька.

Неподвижная жидкая фаза

Достигаемые результаты хроматографического разделения в первую очередь зависят от правильного выбора НЖФ, и от того, насколько селективно выбранная НЖФ реагирует с компонентами разделяемой смеси.

В обычных условиях НЖФ может быть жидкостью как подвижной, так и достаточно вязкой, имеющей консистенцию вазелина, или быть твёрдым веществом, как кристаллическим, так и парафин образным (аморфным).

Методы нанесения НЖФ

Суть всех методов нанесения НЖФ на поверхность твёрдого носителя заключается в пропитке твёрдого носителя раствором НЖФ в легкокипящих растворителях (ацетон, хлорафор, диэтиловый эфир) с последующем удалением растворителя.