6.5. Степень разделения и ее связь с параметрами

ХРОМАТОГРАФИЧЕСКОЙ КОЛОНКИ

Для оценки степени разделения компонентов можно использовать параметры хроматографической колонки. При этом общее уравнение для эффективности разделения имеет вид:

, (39)

которое позволяет установить влияние числа теоретических тарелок (n) и коэффициента емкости колонки для второго компонента (k₂) на величину степени разделения двух соединений.

С помощью этого уравнения можно рассчитать, какой эффективностью должна характеризоваться хроматографическая колонка для получения заданного значения степени разделения R_s при заданном значении емкости колонки по отношению ко второму компоненту k₂ и заданном значении относительного удерживания разделяемых компонентов .

Если в соотношении (39) число теоретических тарелок выразить через отношение длины колонки к высоте, эквивалентной теоретической тарелки , то поскольку в зафиксированных условиях процесса разделения большая часть параметров этого уравнения остается постоянными, величина степени разделения оказывается пропорциональной корню квадратному из длины хроматографической колонки.

Это соотношение показывает, что в первом приближении повысить эффективность процесса разделения можно простым увеличением длины колонки, при сохранении остальных параметров процесса разделения постоянными.

Первый сомножитель показывает, что достигаемое разделение пропорционально корню квадратному из числа теоретических тарелок n т.е. для увеличения разделения вдвое нужно увеличить эффективность колонки в 4 раза. Например, увеличить длину колонки в 4 раза, при этом время анализа увеличивается также в 4 раза.

Если α = 1, то R_S= 0, т.е. разделения нет независимо от числа теоретических колонок n. Однако из характера функции α в уравнении видно, что наибольшее изменение могут привести к заметному увеличению разделения, особенно для тех случаев, когда значения α близки к 1. Если за счет подбора условий разделения удается изменить α с 1,1 до 1,2, это приводит к улучшению разделения в два раза. Очевидно, что значимым членом является селективность системы.

Если емкость колонки (третий сомножитель) принимает значение k = 0, то R_S= 0, т.е. разделение отсутствует − оба разделяемых компонента элюируются как несорбируемые вещества (взаимодействия с НЖФ отсутствует). С ростом значения k степень разделения возрастает, при этом скорость анализа уменьшается.

Как правило, если эффективность колонки недостаточна, а скорость анализа − важный фактор, то идут следующим путем. Для увеличения эффективности используют колонку с более мелким по зернистости сорбентом, хотя при этом увеличивается и давление в колонке.

Следует отметить, что эффективность колонки меньше влияет на разделение, чем селективность и коэффициент емкости, тем не менее повышению эффективности придается большое значение.

Влияние условий анализа на эффективность разделения

Любая хроматографическая колонка может заметно изменять свои разделительные свойства при изменении условий анализа. Наибольшее влияние оказывают скорость потока газа-носителя и температура процесса разделения.

ВЛИЯНИЕ СКОРОСТИ ПОТОКА ГАЗА-НОСИТЕЛЯ НА ЭФФЕКТИВНОСТЬ НАСАДОЧНОЙ КОЛОНКИ В ВАРИАНТЕ ГАЗО-ЖИДКОСТНОЙ ХРОМАТОГРАФИИ

Эффективность насадочной хроматографической колонки и скорость потока газа-носителя () связаны между собой уравнением Ван-Деемтера:

, (40)

где h  высота, эквивалентная теоретической тарелке; d_p  диаметр частиц носителя;   коэффициент заполнения колонки, характеризующий степень плотности упаковки насадки в колонке; D_g  коэффициент диффузии хроматографируемого вещества в газовой фазе;   коэффициент извилистости пути потока газа-носителя; D_l  коэффициент диффузии хроматографируемого вещества в неподвижной жидкой фазе; d_f  эффективная толщина слоя неподвижной жидкой фазы на поверхности твердого носителя; k  коэффициент емкости колонки.

В общем виде уравнение Ван-Деемтера можно представить в следующей форме:

. (41)

Каждое из слагаемых уравнения (41) количественно представляет вклад различных параметров процесса разделения, приводящих к изменению профиля зоны исследуемого соединения в хроматографической колонке.

Первый член уравнения А отражает вклад вихревой диффузии и не зависит от скорости потока газа-носителя. Поэтому с уменьшением размера частиц твердого носителя d_p , при одной и той же величине степени упаковки насадки в колонке, высота, эквивалентная теоретической тарелке, уменьшается, эффективность колонки возрастает.

Графически вклад этого слагаемого изображается прямой, параллельной оси абсцисс, а величина отсекаемого на оси ординат отрезка определяется величиной диаметра частиц носителя неподвижной жидкой фазы.

Второй член уравнения отражает влияние процессадиффузии исследуемого соединения в газовой фазе на эффективность колонки. Коэффициент извилистости показывает влияние геометрического фактора насадки колонки. Чем меньше различаются между собой частицы сорбента по размеру и форме гранул, тем менее извилисты траектории, по которым должны двигаться молекулы разделяемых веществ в потоке газа-носителя.

Далее, высота, эквивалентная теоретической тарелке, возрастает пропорционально увеличению коэффициента диффузии вещества в газовой фазе D_g. Возможные пути управления величиной коэффициента диффузии – использование влияния температуры процесса разделения и природы газа-носителя. График вклада этого слагаемого изображается гиперболой.

Из третьего члена, , характеризующего влияние процессовдиффузии в неподвижной жидкой фазе, следует, что высота, эквивалентная теоретической тарелке, пропорциональна квадрату толщины жидкой пленки d_f. Эффективность колонки повышается, если содержание неподвижной жидкой фазы на носителе снижается.

Для более толстого слоя неподвижной жидкой фазы время, необходимое для диффузии хроматографируемого вещества через пленку неподвижной жидкой фазы и обратно, возрастает и приводит к расширению зоны и снижению эффективности колонки.

Коэффициент емкости колонки k обычно превышает единицу для большинства летучих соединений. Следовательно, значение уменьшается с увеличениемk.

График вклада этого, третьего, слагаемого представляет собой прямую, выходящую из начала координат.

Результирующая, с учётом вклада всех трёх слагаемых, изображается кривой (рис. 17).

Рис. 17. Зависимость высоты, эквивалентной теоретической тарелке, от скорости потока газа-носителя

Приведенная графическая зависимость позволяет, с одной стороны, установить численное значение оптимальной скорости газа-носителя и, с другой стороны, оценить величины вкладов каждого из процессов, описываемых слагаемыми уравнения Ван-Деемтера в величину высоты, эквивалентной теоретической тарелке, и, изменяя значение скорости потока газа-носителя, изменять величины этих вкладов.

Численное значение оптимальной скорости потока газа-носителя можно также определить из уравнения Ван-Деемтера по соотношению:

. (42)

Влияние природы газа-носителя на эффективность колонки представлено на рис. 18.

Рис. 18. Влияние природы газа-носителя на эффективность хроматографической колонки

Оптимальная практическая скорость изменяется в широкой области в зависимости от площади поперечного сечения колонки, температуры, толщины пленки неподвижной жидкой фазы, коэффициента емкости колонки и природы используемого газа-носителя.

В практической газовой хроматографии следует различать понятия линейная скорость потока газа-носителя и расход газа-носителя (объемная скорость потока газа-носителя). При работе, как правило, измеряется только расход газа-носителя. В теоретических рассуждениях употребляется понятие линейной скорости потока газа-носителя.

Расход газа-носителя (w) и линейная скорость потока газа-носителя (u) связаны соотношением:

, (43)

где d_l  величина внутреннего диаметра колонки;   коэффициент, величина которого для насадочных колонок составляет 0.450.50.

Связь между длиной колонки, ее диаметром, размером частиц сорбента и расходом газа-носителя иллюстрируется табл. 6.

Соблюдение приведенных в таблице условий способствует достижению максимальной эффективности хроматографической колонки.

Т а б л и ц а 6

Условия оптимального функционирования насадочных колонок

Диаметр колонки	Размер частиц (мм) в колонках длиной		Расход газа-носителя см3/мин
	до 3 м	более 3 м	N2	He или Н2
2 мм	0.110.12	0.120.18	815	1530
3 мм	0.110.12	0.120.18	1530	3060
4 мм	0.120.18	0.180.25	3060	60100

Для насадочных колонок оптимальная практическая скорость лежит в области менее 1м/мин.

Таким образом, эффективность насадочной хроматографической колонки улучшается, если:

• используются частицы носителя неподвижной жидкой фазы малого диаметра, равномерно заполняющие колонку;

• разделение проводится при наименьшей практически возможной температуре;

• содержание неподвижной жидкой фазы оптимальное;

• газ-носитель имеет большой молекулярный вес;

• скорость потока газа-носителя оптимальная.