Министерство науки и высшего образования Российской Федерации

Ф едеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования

«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ

ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Инженерная школа природных ресурсов

Направление подготовки 18.04.01 «Химическая технология»

Образовательная программа «Химическая инженерия»

ОТЧЕТЫ ПО ЛАБОРАТОРНЫМ РАБОТАМ № 4, 5, 6, 7, 8

Название работы

Разделение нефтяных фракций методом тонкослойной хроматографии Определение компонентного состава нефтяной фракции методом жидкостно-адсорбционной хроматографии Определение состава среднедистиллятных фракций методом высокоэффективной жидкостной хроматографии Определение группового химического состава фракций выкипающих более 300 °C методом жидкостно-адсорбционный хроматографии с градиентным вытеснением Применение ИК-спектроскопии для исследования нефтяных фракций

По дисциплине

Физико-химические методы анализа

Студент

Группа	ФИО	Подпись	Дата

Руководитель

Должность	ФИО	Ученая степень, звание	Подпись	Дата
Доцент	Назарова Г.Ю.	к.т.н.

Томск – 2025 г.

Разделение нефтяных фракций методом тонкослойной хроматографии Цель работы:

изучить влияние способа проведения и состава подвижной фазы на результаты хроматографирования в тонком слое сорбента различных нефтяных фракций.

Объекты:

вакуумный газойль и смесь остатков масляного производства.

Задачи:

1. Подготовить пластины для ТСХ.

2. Изучить влияние состава подвижной фазы на результаты хроматографирования смеси стандартных веществ и вакуумного газойля. Выбрать подвижные фазы для:

1) разделения ароматических углеводородов по цикличности;

2) четкого разделения ароматических углеводородов и смол (без наложения зон) с использованием стандартных веществ.

3. Рассчитать подвижность компонентов и оценить качественный состав по смеси стандартных веществ.

4. Сделать вывод о влиянии состава подвижной фазы на результаты хроматографирования смеси стандартных веществ и используемых нефтяных фракций. Обосновать выбор состава подвижной фазы, обеспечивающей разделение образцов на моно-, ди-, три- и тетраароматических углеводородов, без наложения зон и четкое обессмоливание фракций.

5. Выполнить ступенчатое элюирование компонентов указанных потоков и оценить качественный и количественный состав.

6. Сделать выводы о качественном и количественном составе нефтяных фракций способом ступенчатого элюирования.

1 Теоретическая часть

1. Общие сведения

ТСХ является простым в исполнении и быстрым методом разделения и идентификации очень малых количеств соединений, что обеспечивает высокую производительность метода по числу одновременно анализируемых проб с возможностью визуализации хроматографических зон (полос или пятен) бесцветных разделенных веществ путем обработки бумажного листа или тонкослойной пластинки разнообразными жидкими или газообразными реагентами (серная кислота, азотная кислота, растворы хлоридов сурьмы, пары брома и иода, аммиак, хлор и др,).

Применение тонкослойной хроматографии:

1 Доказательство присутствия ожидаемого вещества или его примеси, оценка хроматографической однородности в сопоставлении с известным веществом сравнения.

2 Идентификация вещества, подтверждение идентичности испытуемого вещества с известным веществом. При данных условиях для каждого соединения характерно определенное местонахождение на хроматограмме и определенное поведение при проявлении (окраска, флуоресценция). Идентификацию проводят непосредственным сравнением пятен известного и испытуемого вещества на одной хроматограмме или элюированием вещества из хроматограммы и

3 последующей идентификацией, например измерением соответствующего спектра.

1. Определение одного или более веществ в смеси, проводимое одним из следующих методов:

а) субъективной оценкой хроматограммы (например, с помощью калибровочной хроматограммы);

б) объективной оценкой хроматограммы;

в) последующим определением некоторых компонентов физико химическим методом (например, по элюировании вещества с хроматограммы его определяют спектрофотометрически).

4 Установление структуры органических соединений. Сочетанием реакций разложения с хроматографической идентификацией продуктов этих реакций можно установить структуру молекулы.

1.2 Основы хроматографического процесса в тонком слое сорбента

Хроматографический процесс в тонком слое сорбента обеспечивается передвижением подвижной фазы (элюента) посредством капиллярных сил, которые преобладают над гравитационными силами. Благодаря этим силам обеспечивается продвижение разделяемых компонентов смеси. Помимо этого, в ТСХ действуют и силы диффузии, влияющие на перемещение хроматографируемого вещества, как в продольном, так и в поперечном направлениях.

В результате передвижения элюента и смеси исследуемых веществ происходит разделение анализируемой смеси на компоненты, основанное на различной скорости их перемещения в слое сорбента. Как было отмечено, в планарной хроматографии движение элюента в пористом слое сорбента, находящегося на поверхности пластинки, вызвано действием капиллярных сил. Так, проникая в капиллярные полости слоя, элюент стремится уменьшить площадь своей поверхности, что сопровождается снижением его свободной энергии поверхности (Еm). Изменение энергии (∆Em) прямо пропорционально поверхностному натяжению, а также молярному объему элюента и обратно пропорционально радиусу капилляра r. При этом поступающий элюент сначала заполняет более узкие поры, а более крупные поры, находящиеся на пути его движения, остаются на какое-то время пустыми, однако и они также заполняются элюентом, выходящим (вытекающим) из более мелких пор.

При исследовании нефтяных фракций в качестве подвижной фазы применяют легко летучие органические растворители и процесс хроматографирования проводят в закрытом сосуде, называемом хроматографической камерой или даже закрытых пробирках. Камеры для хроматографирования представляют собой стеклянные емкости различного размера цилиндрической или прямоугольной формы с плоским дном и притертыми пришлифованными крышками или стеклом. Камеру предварительно насыщают парами подвижной фазы. Насыщение атмосферы камеры парами растворителя сильно влияет на результат разделения. Если атмосфера камеры не насыщена, то растворитель во время хроматографии испаряется из тонкого слоя сорбента, так что для того, чтобы он поднялся на определенное расстояние, нужно большее количество растворителя и время (Рисунок 1).

Рисунок 1 – Влияние атмосферы в камере на ТСХ

Если в камеру помещают фильтровальную бумагу, пропитанную элюентом, то пары растворителя вскоре распределяются равномерно в паровой фазе и камера будет насыщена. Скорость движения компонентов разделяемой смеси определяется соотношением времен движения (в токе элюента) и удерживания поверхностью за счет сорбции. При этом молекулы каждого из компонентов участвуют в многочисленных актах сорбции и десорбции. В конце процесса элюирования каждый из разделяемых компонентов смеси проходит соответствующее расстояние, хроматографической зоны.

Варианты элюирования:

▪ восходящий, определяемое положением центра;

▪ нисходящий (более быстрый, вниз под действием силы тяжести жидкости просачиваются значительно быстрее, чем поднимаются вверх под действием только капиллярных сил);

▪ горизонтальный;

▪ круговой;

▪ двумерный с поворотом пластинок на 90 и 180 градусов.

Важным преимуществом является возможность легкого осуществления двумерного процесса. В этом случае пятно исходной смеси наносят вблизи одного из углов квадратного листа пластины, и получают первичную хроматограмму. Затем поворачивают лист на 90 и проводят хроматографический процесс в перпендикулярном направлении (часто с другим составом подвижной фазы). При этом каждое пятно первичной хроматограммы разделяется на несколько пятен составляющих его компонентов. Это позволяет детально исследовать состав весьма сложных по составу смесей. Если исходная проба содержит несколько соединений, то после элюирования во втором направлении они должны располагаться по диагонали хроматограммы.

На качество разделения в планарной хроматографии влияют факторы, которые можно расположить в ряд по степени их значимости:

▪ сорбент;

▪ элюент;

▪ тип и предварительное насыщение камеры и слоя;

▪ средний диаметр частиц сорбента и их форма;

▪ стартовый размер (диаметр) пятна; ▪ расстояние от старта до нижнего края пластинки; ▪ относительная влажность воздуха лабораторного помещения;

▪ равномерность нанесения слоя;

▪ скорость элюирования;

▪ интервал величин Rf;

▪ температура в камере;

▪ объем растворителя в камере;

▪ толщина слоя и тип вещества, связывающего сорбент;

▪ микроповреждения слоя;

▪ направление элюирования;

▪ длина пути разделения;

▪ наличие примесей в элюенте.

1.3 Неподвижная фаза

Для проведения хроматографии в тонком слое необходима пластинка, покрытая тонким сорбентом. В качестве сорбента в пластинках чаще всего используются:

▪ модифицированный и немодифицированный силикагель;

▪ целлюлоза;

▪ оксид алюминия;

▪ оксид циркония;

▪ оксид титана;

▪ ионообменные смолы.

В ТСХ сорбент нанесен в виде слоя суспензии с последующим испарением жидкости на стеклянную, алюминиевую или полимерную (полиэтилентерефталат) основы (твердая подложка). В качестве связующих веществ может использоваться гипс (5-10 %), силиказоль, силикаты щелочных металлов, полиакриламид, полиакриловый эфир, крахмал.

Хроматографические пластинки могут содержать флуоресцентный индикатор для детектирования веществ, поглощающих в ультрафиолетовой области спектра при 254 и 365 нм: смесь силикатов цинка и магния; смесь сульфидов цинка и кадмия; вольфраматы щелочноземельных элементов. На эффективность разделения значительное влияние оказывают диаметр частиц, среднее распределение частиц по размерам и размер пор.

Чем меньше размер частиц и чем более узкое распределение частиц по размерам, тем выше эффективность разделения. Диаметр частицы стандартных силикагелей лежит в области от 5 до 40 мкм.

В зависимости от зернения сорбента ТСХ подразделяют на: ТСХ, если размер зерна лежит между 10 и 40 мкм, ВЭТСХ, если диаметр зерна составляет 3, 5, 7 или 10 мкм. Меньший диаметр зерна в ВЭТСХ способствует лучшей эффективности разделения. Большая поверхность означает более интенсивное взаимодействие между пробой и стационарной фазой и, вместе с тем, большую силу адсорбции, а потому и более сильное удерживание. Поверхность стандартных силикагелей составляет от 400 до 600 м2/г. Типичная величина объема пор – это 0,8 мл/г, типичная величина диаметра пор – 100 нм.

Аналитические ТСХ пластины как правило имеют размер частиц 5-20 или 5-17 мкм, пластины для высокоэффективной тонкослойной хроматографии содержат сорбент с диаметром частиц 8-12 или 5-7 мкм (Рисунок 2). При использовании высокоэффективная тонкослойная хроматографии, эффективность разделения увеличивается как вследствие увеличения площади раздела подвижной и неподвижной фазы за счет уменьшения диаметра частиц сорбента, так и благодаря большей однородности размеров этих частиц.

Рисунок 2 – Распределение частиц по размерам сорбента для ТСХ и ВЭТСХ

Подготовка пластин: для очистки, как правило, через пластинку один раз пропускают смесь хлороформ/метанол (1:1) или используемый в дальнейшем элюент, причем дают подняться фронту выше, чем это планируется для собственно разделения.

Адсорбция на поверхности сорбента деактивирующих соединений понижает его активность. Как правило, речь идет о полярных веществах. Деактивация обычных ТСХ пластинок обычно происходит вследствие адсорбции водяного пара из воздуха, когда полярные молекулы воды связываются с активными центрами сорбента и уменьшают его активную поверхность. Равновесие сорбции-десорбции воды из воздуха, которое зависит от относительной влажности воздуха, устанавливается за несколько минут. Так как подготовка пластинок и нанесение пробы, как правило, занимают больше времени, то активность сорбента после несения пробы определяется в основном относительной влажностью воздуха в лаборатории.

1.4 Подвижная фаза

Наряду с сорбентами и их активностью на разделение оказывает влияние выбор растворителя для элюирования. Элюент смывает разделяемые вещества с сорбента и переносит их дальше. Чем сильнее адсорбируется сам элюент, тем больше его вытесняющая сила. Если вещество обладает большим сродством к элюенту, чем к сорбенту, то оно элюируется ближе к фронту.

В основе хроматографического разделения лежит взаимодействие молекул компонентов разделяемой смеси с неподвижной и подвижной фазами. Элюенты, используемые в планарной, должны удовлетворять определенным требованиям:

▪ Высокая растворимость веществ.

▪ Растворитель или компоненты системы не должны быть ядовитыми или дефицитными.

▪ Состав подвижной фазы должен быть постоянным и легко воспроизводимым.

▪ Системы должна разделять вещества близкого строения.

▪ Индивидуальные компоненты подвижных фаз должны быть очищены.

▪ Подвижная фаза не должна вступать в химические реакции ни с сорбентом, ни с компонентами разделяемой смеси.

▪ Подвижная фаза должна быстро испаряться с поверхности хроматограммы после проведения разделения.

При выборе подвижной фазы в первом приближении рекомендуется использовать треугольник Шталя (Рисунок 3). Растворители характеризуются различной элюирующей силой (элюотропные ряды). Элюирующая сила растворителя является безразмерной величиной, зависящей только от вязкости и поверхностного натяжения растворителя.

Рисунок 3 – Треугольник Шталя

1.4 Способы нанесения проб

При правильно подобранной концентрации форма разделенных веществ такая же, как и форма нанесенной на линии старта. Если разделенные пятна имеют большие размеры, чем пятно на старте, то нанесенная концентрация слишком велика. Появление "хвостов", неправильная форма разделенных пятен на пластинке тоже может говорить о высокой концентрации, но может быть вызвана неправильно подобранной хроматографической системой, либо химическим взаимодействием разделяемых компонентов. Подбором количества нанесенного вещества и системы растворителей можно добиться полного разделения на одной пластинке до десяти компонентов в исследуемых веществах.

Нанесение растворов проводят либо микрошприцом, либо отградуированными капиллярами, тарфаретами, микродозаторами. Капилляр должен только касаться слоя сорбента, и проба вытекает из него под действием капиллярных сил. Растворенная проба наносится на линию старта, которая находится примерно на 1–2 см выше края пластинки. Стартовые пятна нужно делать как можно меньшего диаметра. Хроматографический слой нельзя нарушать при нанесении пробы.

Нанесение осуществляют двумя способами: в виде пятен 2 – 5 мм диаметром (1 – 2 мм на высокоэффективных пластинках) с промежутками между пятнами не менее 10 мм и в виде полос длиной 10 – 20 мм (5 – 10 мм на высокоэффективных пластинках) с промежутком между ними не менее 10 мм (Рисунок 4, а). Расстояния на стартовой линии от боковых краев пластинки до мест нанесения первой и последней проб должны составлять не менее 10 мм (Рисунок 4, б). В процессе нанесения проб недопустимо повреждение сорбента на линии старта.

(а) (б)

Рисунок 4 – Варианты нанесения пробы на пластину (а) и схема нанесения пробы на пластины ТСХ и ВЭТСХ (б)

Нанесение пробы в форме полоски обеспечивает наилучшее разделение, которое достижимо с помощью данной хроматографической системы. Недостатком является то, что на одну пластинку можно нанести только несколько полос.

Нужно избегать нанесения пробы частями, так как при каждом дополнительном нанесении предыдущая зона будет хроматографироваться. Тем не менее, если пробу все же нужно наносить в несколько приемов, то растворитель между отдельными нанесениями следует испарять. Оптимальный наносимый объем пробы составляет для нормальных пластинок с силикагельным покрытием около 0,5 мкл (максимально до 2 мкл).