авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ БИБЛИОТЕКА РОССИИ

КОНФЕРЕНЦИИ, КНИГИ, ПОСОБИЯ, НАУЧНЫЕ ИЗДАНИЯ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:   || 2 | 3 |
-- [ Страница 1 ] --

1

Аналитическая газовая и жидкостная хроматография

1. Основные этапы развития хроматографии и хроматографического при-

боростроения. Вклад отечественных ученых в развитие

хроматографии

Хроматография – это научная дисциплина, находящаяся на стыке хими-

ческих, физических и биологических наук, которая изучает различные явления,

происходящие в хроматографических процессах, связанных со структурой и свойствами участвующих в этих процессах веществ.

Как известно, открытие хроматографии принадлежит выдающемуся рус скому ученому М.С.Цвету (1903), который значительно углубил и расширил известные до него методы адсорбции и научно обосновал процессы хромато графирования во всех основных аспектах, включая и бумажную плоскостную хроматографию. Работы М.С.Цвета были связаны с разделением компонентов хлорофилла в колонке с адсорбентом в потоке жидкого растворителя. Это, в со ответствие с номенклатурой, вариант элюентной или проявительной жидкост ной хроматографии. До 1914 г. М.С. Цвет опубликовал несколько фундамен тальных работ по хроматографии. Дальнейшее развитие хроматографии было продолжено в 30-е голы. При этом обеспечивается переход от окрашенных мо лекул биологической природы к любым органическим молекулам, далее метод распространяется на неорганические газы, ионы неорганического и органиче ского происхождения, затем – на высокомолекулярные органические соедине ния, металлы и, наконец, на неорганические и органические структуры, вклю чая коллоидные частицы и микроорганизмы.

Аппаратурное оформление расширилось от наполненной сорбентом ко лонки круглого сечения, на сечения разнообразной конфигурации и на прове дение процессов на плоскости. Совокупность подвижных фаз охватывает не только жидкости, но и газы, пары и сверхкритические флюиды. Неподвижные фазы стали не только твердые адсорбенты, но также и жидкости, включая жид кие кристаллы и коллоидные системы. Причем элементарными актами могут быть различные сорбционные явления, включая не только адсорбцию, но и аб сорбцию, хемосорбцию и биосорбцию, а в последнее время хроматография во обще выходит за рамки использования сорбционных процессов. В связи с этим, по мере развития хроматографических процессов было предложено большое число частных определений хроматографии. Наиболее общее и полное опреде ление хроматографии дано М.С. Вигдергаузом (1984): «Хроматографическими называются процессы, основанные на перемещении вещества (газа, жидкости или совокупности надмолекулярных структур) вдоль пористого слоя или внут ри ограниченного пространства в потоке, вызванном действием движущих FД и тормозящих FТ сил, из которых по крайней мере одна имеет величину, завися щую от молекулярной структуры и физико-химических свойств вещества».

М. С. Вигдергауз является основателем кафедры общей химии и хромато графии в Самарском государственном университете (1981). Это единственная в России кафедра, в названии которой заложена наука – хроматография. Ежегод но кафедра выпускает более 30 специалистов. Основные направления исследо вания сотрудников кафедры и студентов: развитие теоретических и информа ционно-методических аспектов хроматографии, включая изучение влияния не идеальности хроматографической системы на термодинамические характери стики сорбции, разработка и развитие новых вариантов хроматографии, в том числе барохроматографии, многомерной хроматографии, хромато корреляционных методов, разработка компьютерно-хроматографических мето дов индивидуальной и групповой идентификации, изучение взаимосвязи «структура молекулы сорбата – хроматографическое удерживание», разработка новых методов качественной и количественной интерпретации хроматограмм, разработка и исследование новых неподвижных фаз и сорбентов, разработка различных методик анализа с использованием газовой хроматографии (ГХ), высокоэффективной жидкостной хроматографии (ВЭЖХ), тонкослойной хро матографии (ТСХ) и сверхкритической флюидной хроматографии (СКФХ).

Что может хроматография?

1. Экологические аспекты и прежде всего охрана окружающей среды:

анализ воды, воздуха, почвы. Определение вредных для здоровья ве ществ. Полный анализ компонентов атмосферы городов, рабочей зоны предприятий и жилых помещений.

2. Медицина: содержание кислорода и спирта в крови, анализ выдыхае мых человеком газов, а также продуктов гормональной деятельности, анализ различных лекарственных препаратов в фармакологии, анализы в судебной экспертизе и криминалистике, анализ ядов и наркотиков, допинговый контроль на спортивных соревнованиях.

3. Анализ пищевых продуктов и компонентов их запаха – овощи, фрук ты, молоко, чай, кофе, мясо, рыба, икра, вино, водка, коньяк и т.д.

4. Анализ содержимого одной клетки, выделение белков и вирусов, рас шифровка компонентов ДНК.

5. Нефтяная и химическая промышленность (углеводородные и неугле водородные компоненты нефти, нефтепродуктов, нефтяных и природ ных газов. Органические соединения, содержащие N, O, S, галогены и другие элементы);

6. Анализы в энергетике и геологоразведке;

7. Анализ атмосферы планет (Венера, Марс, лунный грунт);

8. Хроматографическое изучение адсорбции, растворения, диффузии и др. явлений, лежащих в основе хроматографических процессов;

9. Изучение миграции нефти и газа в недрах Земли, обусловленной про цессами хроматографии (FД – перепад давления в пластах, FТ – ад сорбция углеводородов глиной);

10. Распределение металлов в рудах, связанное с процессами ионной хро матографии, когда FД – диффузия ионов металла, а FТ – ионный обмен в гелях кремнезема и окиси алюминия, и множество других задач.

По образному выражению Российского ученого Александра Абрамовича Жуховицкого: «открытие хроматографии можно сравнить с созданием микро скопа, благодаря этому методу открывается неведомый мир компонентов слож ных природных и синтетических смесей».

Важными этапами развития хроматографии стали: открытие ТСХ (1938) – русские ученые: Измайлов, Шрайбер;

жидкостно-жидкостная (распределитель ная) хроматография (1941) – Мартин и Синж;

газовая распределительная хро матография (1952) Мартин и Джеймс. Они также создали теорию и аппаратуру ГЖХ и с этого времени методы ГХ получили наиболее интенсивное развитие.

Изучаются сорбционные процессы, развивается теория адсорбции, создаются высокоэффективные адсорбенты. Развивается теория ГХ, создаются приборы и методики разделения. Стали регулярными хроматографические конференции и симпозиумы, первый из которых состоялся в 1956 г. в Лондоне;

исключитель ное значение имело создание Голеем (1957) капиллярного варианта ГХ. Этому способствовала разработка малоинерционных и высокочувствительных детек торов: Мс Вильям – ПИД (1957) и серия ионизационных детекторов – Ловелок (конец 50-х начало 60-х). Порат и Флодин (1962) создали вариант эксклюзион ной ситовой хроматографии для разделения высокомолекулярных соединений;

С середины 70-х начинает интенсивно развиваться жидкостная хромато графия, а с середины 80-х использование флюидной хроматографии и полная компьютеризация всего хроматографического процесса.

Становление хроматографии в России связано с именами Чмутова, Кисе лева, Жуховицкого, Туркельтауба, Гольберта, Вяхирева, Рачинского и др. В это время выполняются фундаментальные работы в области теории хроматогра фии, включая теорию межмолекулярных взаимодействий в хроматографиче ской системе, работы А.В. Киселева в области ГАХ и ЖАХ, организуется про изводство отечественных полимерных сорбентов под руководством К.Н. Сако дынского, создаются новые варианты хроматографии – работы Жуховицкого и Туркельтауба (вакантная, ступенчатая, хроматография без газа-носителя, хро матермография, хромадистилляция и др.). Развитие отечественной хроматогра фии связано с работой Научного Совета по хроматографии АН СССР, первым председателем которого был член-корреспондент АН СССР К.В. Чмутов.

Определенный вклад в развитие хроматографии внесли ученые Поволжья:

1. Вяхирев Д.А. - заведовал кафедрой физической химии Горьковского госуниверситета. Одновременно с чешским ученым Янаком (1953) впервые использовал интегральный объемный детектор – азотометр, который лег в основу создания волюмометрического ГХ типа ХЛ-2;

создал и развил теорию вакуумной хроматографии;

разработал препа ративное выделение индивидуальных легких углеводородов для мет рологического обеспечения хроматографических приборов;

с 1963г в ГГУ открыта специализация по ГХ.

2. Айвазов Б.В. Башгосуниверситет г. Уфа – организовал чтение спец курсов и выполнение дипломных работ по хроматографии.

3. С конца 50-х начались конструкторские и методические разработки в Дзержинском НПО «Химавтоматика» (Яшин Я.И., Калмановский В.И.). Разработан ПИД и газовые хроматографы серии «Цвет», а также жидкостные и ионные хроматографы.

4. В 1976 г. в составе Научного Совета АН СССР по хроматографии было организовано Поволжское отделение, под председательством М.С. Вигдергауза, в которое вошли ведущие специалисты Н Новгорода, Дзержинска, Ярославля, Казани, Самары, Новокуйбышев ска, Саратова и др. городов Поволжья.

Основные этапы развития хроматографического приборостроения Первое сообщение о хроматографическом адсорбционным фракционато ре появилось в 1943 г. (США), а серийное производство лабораторных хрома тографов в США началось в 1955 г. с детектором по теплопроводности ДТП (катарометр), который является одним из распространенных дифференциаль ных детекторов и широко применяется в настоящее время.

Начало газохроматографического приборостроения в СССР относится к концу 40-х – началу 50-х годов и связано с аппаратурным оформлением мето дов, описанных в оригинальных работах Российских ученых Жуховицкого и Туркельтауба. Так, в 1949 г. разработан титриметрический хроматографический газоанализатор для определения углеводородов и СО в воздухе. Позже был вы пущен хроматограф ХТХГ-1 с термохимическим детектором (ДТХ) по теплоте сгорания для анализа Н2, СО и углеводородов С1-С4.

В 1958 г. ВНИИКАНефтегаз Минприбор совместно с ВНИИГНИ выпус кают крупную серию хроматографов ХТ-2 и ХТ-2М для анализа нефтяных и природных газов нефтепереработки с детектором ДТХ. Затем разрабатывается серия специализированных хроматографов с детекторами ДТХ и ДТП для ана лиза конкретных смесей в технологических потоках или в лабораториях нефте химических предприятий (ХТП-2, ХТП-2А, ХТП-2Б, ХТП-2В и т.д.). Серия ХТ была продолжена в 60-х годах.

ХТП-63 – промышленный, целевой хроматограф, аналитический блок ко торого с колонками и детектором выполнен во взрывозащищенном исполнении и снабжен пневматическим преобразователем для системы регулирования по хроматографическим сигналам.

ХТ-63 – универсальный лабораторный хроматограф с детекторами ДТП, пламенно-ионизационным детектором ПИД, детектором по плотности ДПЛ и аргоновым ионизационным детектором ArИД для веществ с температурой ки пения до 300°С.

ХТ-6 – целевой, лабораторный хроматограф для анализа углеводородных неуглеводородных газов с ультразвуковым детектором УЗД.

ХТ-4 – целевой, портативный для анализа продуктов сгорания с детекто ром ДТХ (Н2, СО, СН4 и С2-С4).

ХП-5 – целевой, промышленный во взрывозащищенном исполнении с УЗД и ДТХ для анализа углеводородных и неуглеводородных газов в нефтяной и нефтехимической промышленности.

ХТ-7 – универсальный, лабораторный со ступенчатым программировани ем температуры колонок до 500С со скоростью до 50С/мин с четырьмя детек торами (ДТП, ПИД, детектор электронного захвата ДЭЗ, ДПЛ).

ХТ-8 – переносной хроматограф с ДТП и ДТХ с тремя аналитическими насадочными колонками.

Следующая серия – ХЛ – конец 50-х, выпускает СКБАНН Миннефтехим прома одновременно с серией ХТ.

ХЛ-2 – лабораторный хроматограф с волюмометрическим детектором (азотометр) для анализа газов.

ХЛ-3 – с детектором ДТП изотермический режим для веществ с Ткип=180С.

ХЛ–4 – с детектором ДТП изотермический режим для веществ с Ткип=200 250С.

ХЛ-6 - с детектором ДТП изотермический режим для веществ с Ткип до 300С.

Серия была завершена прибором ХЛ-69 с тремя детекторами (ДТП, ДПЛ, ПИД) для анализа веществ с Ткип 350С.

Серия УХ – СКБ аналитического приборостроения Эстонской АН. Сере дина 60-х УХ-1 и УХ-2 (универсальный газовый хроматограф) блочного испол нения для веществ с Ткип=300С и Ткип=350С. Колонки выполнены в виде пло ских спиралей, прижатых с двух сторон к алюминиевым нагревателям.

Вырухром (1970) - Ткип 450С, блочная конструкция, универсальный, лабораторный газовый хроматограф с воздушным термостатом. Детекторы ДТП и ПИД.

Серия ЛХМ (ЛХМ-7, ЛХМ-72, ЛХМ-8, ЛХМ-80). Детекторы ДТП и ПИД для веществ с Ткип 350С. Разработка СКБ газовой хроматографии и СКБ ИОХ АН СССР. Завод изготовитель «Хроматограф». Серия завершилась выпуском многофункционального прибора ЛХМ-8 МД.

Серия Цвет – выпускается Дзержинским НПО «Химавтоматика». Начало 60-х годов – Цвет 16 (универсальный лабораторный газовый хроматограф) для анализа веществ с Ткип=350-400С. Комплектность детекторами ДТП, ПИД, ТИД (термоионный детектор), ДЭЗ, ДПЛ.

Цвет 100 (20 моделей) – различные по назначению и режиму анализа с различной комплектацией детекторами: ДТП, ПИД, ПФД (пламенно фотометрический детектор), ТИД, ДПР (постоянной скорости рекомбинации ионов). Дополнительное оборудование: пиролитическая приставка, устройство для концентрирования (обогатительное устройство) и др. Модели Цвет 122- обеспечивают программирование температуры от -50 до +400С. Остальные модели без криогенного оборудования.

Цвет 500 – аналитические цифровые хроматографы с микропроцессорной системой обработки – 5 детекторов, как в Цвет 100. Дополнительное оборудо вание: устройство АРП (анализ равновесного пара);

дифференцированный уси литель типа УД-1 и УД-2;

автоматические дозаторы газа и жидкости, обогати тельное устройство, микропроцессорная система автоматизации анализа САА 06. Температура колонки от -99 до +399С. Программирование температуры во всем диапазоне с максимальной скоростью 25С/мин.

Цвет 800 – универсальный лабораторный хроматограф с более совершен ной по сравнению с Цвет-500 системой ввода пробы в капиллярные колонки.

Переносные хроматографы для геологических экспедиций и поисковых партий, для определения утечек газа из газопроводов, контроля воздуха произ водственных помещений, а также загрязнений окружающей среды. Это газовые хроматографы ХПМ-2, ХПМ-4 с автономным питанием от батарей и встроен ного газового баллончика. Детекторы ДТП и ПИД. Микропроцессорная обра ботка сигналов. В модели ХПМ-5 дополнительно ДПР и АРП.

Жидкостный хроматограф серии Цвет 3000: микроколоночный жидкост ный хроматограф со спектрометрическим УФД;

Цвет 3001: с лазерным флюо рометрическим детектором;

Цвет 3110 и портитивный жидкостный хромато граф с электрометрическим детектором ХПЖ-1.

Ионные жидкостные хроматографы. Цвет 3006 – для анализа неорганиче ских и органических анионов, а также катионов щелочных и щелочно земельных металлов, солей аммония и др. Детектор кондуктометрический. Цвет 3007 для анализа минеральных удобрений. Переносной хроматограф ХПИ-1 с автономным питанием и микропроцессорной обработкой сигналов имеет те же возможности, что и Цвет 3006. ХПИ-2 имеет систему отбора газовых смесей и может быть использован для анализа кислых газов в промышленных выбросах.

Промышленные хроматографы серии Цвет во взрывозащищенном испол нении с ПИД типа РХ-1 и РХ-5.

Из других современных хроматографов следует отметить газовые хрома тографы типа «Кристалл», выпускаемые ЗАО «СКБ Хроматэк» г. Йошкар-Ола, а также жидкостные хроматографы серии «Миллихром» Орловского ПО «На учприбор». Из зарубежных приборов наибольшим спросом пользуются газовые и жидкостные хроматографы фирм: Hewlett Packard, Perkin-Elmer, Varian и др.

Серийные отечественные хроматографы по функциональным возможно стям в основном соответствуют среднему мировому уровню, но несколько ус тупают по уровню автоматизации и потреблению энергии, а также по массе и габаритам изделия.

В настоящее время наметились следующие тенденции развития хромато графии:

1. В области теории:

• исследование связи структуры исследуемых молекул и их удержи вания на различных сорбентах;

• многомерные варианты хроматографии (МС, ИКС, ГХ-ЖХ, не сколько колонок и др.);

• теоретическое моделирование и создание единой теории удержива ния для методов газовой, жидкостной и сверхкритической флюид ной хроматографии.

2. В области аппаратуры:

• повышение чувствительности и селективности хроматографических детекторов;

• повышение точности и воспроизводимости анализа, совершенство вание метрологического обеспечения хроматографических измере ний;

• уменьшение времени разделения и получение экспрессных анали зов за счет повышения эффективности и селективности хромато графических колонок (кварцевые капиллярные колонки с привиты ми фазами, новые методы полимеризации и модификации поверх ности колонок и т.д.);

• миниатюризация хроматографической аппаратуры, вплоть до соз дания приборов на основе кремниевой технологии на ЧИП-ах.

Развитие хроматографии с 1903 г. по настоящее время по публикациям в отечественной и зарубежной литературе в % показывает, что:

1. Жидкостная хроматография – 37,93%;

2. Газовая хроматография – 22,41%;

3. Плоскостная хроматография (бумажная и ТСХ) – 22,39%;

4. Электрохроматография и электрофорез – 17,27%.

Следует обратить внимание, что 14 крупных работ, выполненных с при менением хроматографии в области биологии и биохимии удостоены Нобелев скими премиями, а доля хроматографических методов среди известных анали тических методов составляет около 40%. Кроме того, сотни фирм во всем мире выпускают хроматографическую аппаратуру на несколько миллиардов долла ров США, т.е. это еще и мощная отрасль промышленного производства.

2. Аппаратурное оформление хроматографического процесса Рис. 1. Блок-схема хроматографа:

1 – источник подвижной фазы;

2 – узел ввода пробы (дозатор а/в);

3 – хроматографическая система разделения (колонка, термостат);

4 – система детектирования;

5 – система обработки результатов измерения.

Рис. 2. Хроматограмма:

1 – ввод пробы;

tM – время выхода несорбирующегося вещества;

tR – время удерживания сорбата.

В результате хроматографирования получают хроматограмму, которая яв ляется записанной во времени функцией концентрации сорбата в подвижной фазе на выходе колонки.

FD = f (u ) UC – линейная скорость движения хроматографической зоны ана FT лизируемого вещества;

dP K p U = – линейная скорость подвижной фазы по закону Дарси для на dx полненных сорбентом колонок и закону Пуазейля для полых длинных капилля ров при ламинарном потоке;

dP = F – движущая сила (локальное падение давления вдоль колонки);

dx D K P – коэффициент проницаемости колонки;

– вязкость подвижной фазы;

FT = f ( K O, K C, K 1,C ) – тормозящие силы, связанные с характером взаимодейст вия сорбатов с неподвижной фазой.

Рассмотрим два варианта процесса.

1. Жидкостная хроматография.

Подвижная фаза не сжимаема. Тогда измеренная на выходе колонки объ емная скорость подвижной фазы FC связана с линейной скоростью подвижной фазы U соотношением FC FC U= = AC, AM где AM=AC – часть площади сечения колонки, доступная для перемещения подвижной фазы;

dc AC = – площадь сечения колонки;

dC – диаметр колонки;

= VO VC – доля колонки, занятая подвижной фазой, равная отношению сво бодного объема колонки, доступного для подвижной фазы, к объему всей ко лонки.

1. Газовая хроматография.

Рис. 3. Газовая схема хроматографа:

L – длина колонки;

L1 – соединение узла ввода пробы с колонкой;

L2 – соединение колонки с детектором;

Pi, P0 – давление газа-носителя на входе и выходе колонки соответственно.

Подвижная фаза сжимаема. При этом в каждой точке системы будут на выходе устанавливаются свои определенные значения F и U, зависящие от P, V и T согласно уравнению состояния идеального сжимаемого газа при стационар ном режиме течения.

FPaTa UO = – линейная скорость газа-носителя на выходе колонки AC T P FP,T = FPaTa C a – средняя объемная скорость газа-носителя в колонке при T P a C усредненном по длине колонки давлении P = PO j32 и при температуре колонки 3 (Pi Po ) ТС ;

j = – коэффициент Джеймса и Мартина или фактор коррек 2 (Pi Po )3 ции на сжимаемость подвижной фазы. При использовании j32 сжимаемый элю ент как бы заменяется несжимаемым, имеющим постоянную объемную ско рость в колонке FP,T и постоянное давление P. В случае, если расходомер газа C T P носителя установлен на входе в колонку FP,TC = FPP,TP C P, где ТР и РР – тем T P P пература и давление газа в расходомере. Если Ра=РР, то T FP,T = FPa,Ta C j32 = FC j32, Ta C T где FC = FPa,Ta C – объемная скорость газа-носителя на выходе колонки при ТС Ta и Ра.

U = U O j32 – средняя по времени пребывания несорбирующегося вещества ли нейная скорость газа-носителя в колонке. На практике ее можно определить по L + L уравнению U =, а в методичке по номенклатуре и в хроматографиче tM L ской литературе сделано допущение, что U =, которое справедливо для tM очень длинных колонок, поэтому рассчитываемые с использованием tM и tR хроматографические величины, например, VM = t M FC, VR = t R FC, k i = t Ri t M и / другие имеют повышенную погрешность, т.к. в расчетах не учитывается влия ние внеколоночных соединений и объемов L. Это относится также и к жид костной хроматографии.

3. Основные теоретические аспекты газовой хроматографии Задачей теории газовой хроматографии является установление законов движения и размытия хроматографических зон, связанных с диффузионными процессами, зависимостью скорости движения зон от концентрации и медлен ностью процессов сорбции и десорбции в потоке подвижной фазы.

Известно, что в жидкостной хроматографии Vо=VM;

в газовой хромато графии Vо=VG, причем VG = VM j32, где VM – мертвый объем или объем несжи маемой подвижной фазы внутри хроматографической колонки;

VG – объем газа носителя (сжимаемой подвижной фазы) внутри хроматографической колонки.

Известно также, что часть площади сечения колонки, доступная для пе ремещения подвижной фазы AM = AC, причем для полой капиллярной колон ки величину свободного сечения можно рассчитать из ее геометрических раз dc d f меров с учетом толщины пленки неподвижной фазы (df). AM = 2,а F t j для наполненной колонки в газовой хроматографии AG = VG L = C M 3.

L Важной характеристикой при изучении течения является его режим, ко торый может быть ламинарным или турбулентным. Для полых капиллярных колонок турбулентный режим наступает при критерии Рейнольдса Re 2000. В слое зернистого материала турбулизация наступает значительно раньше, при Re 20 100. В реальных условиях хроматографирования при малых давлениях в колонке и малых скоростях подвижной фазы, разделение осуществляется, как правило, в ламинарном потоке.

d U, где d M = d C – гидравлический диаметр колонки;

U – Re = M средняя по времени пребывания несорбирующегося вещества линейная ско рость газа-носителя;

, - плотность и вязкость газа-носителя при TC и P.

3.1. Статика сорбции Известно, что в ГАХ элементарный акт сорбции сводится к адсорбции компонентов газовой смеси на поверхности адсорбента с последующей их де сорбцией, а в ГЖХ к абсорбции (растворению) компонентов газа неподвижной жидкой фазой, нанесенной на твердый носитель. В общем случае величина сорбции а зависит от температуры, давления газа, концентрации газа CG, при роды и структуры сорбата и сорбента и увеличивается с ростом поверхности сорбента. Зависимость сорбции от концентрации при Т=const описывается изо термой сорбции и при малых концентрациях aS=Kо CM – это линейная изотерма n + nM Генри, где K o = + 1K C = VR j32 L AC = S – общий коэффициент распре nM деления, равный отношению количества сорбата в единице объема колонки к VS количеству сорбата в единице объема подвижной фазы;

1 = – доля ко VC лонки, занятая неподвижной фазой. Для ГЖХ VS = VSS + VL – суммарный объем подвижной фазы;

VSS – объем твердого носителя;

VL – объем неподвижной жид кой фазы. Для ГАХ 1 = 1 ;

для ГЖХ 1 = VL VC и ( 1 + ) 1.

n V C K C = S M = S – константа распределения, равная отношению кон VS n M C M центрации сорбата в неподвижной фазе к концентрации сорбата в подвижной фазе, где nS и nM – количество сорбата в неподвижной фазе и подвижной фазах соответственно.

В ГЖХ с учетом законов Рауля и Дальтона используют константу Генри KН = i P - отношение парциального давления i-го компонента в идеаль x i xi ной газовой фазе к его мольной доле xi в жидкой фазе. Если Pi – в единицах давления, то KН – также в единицах давления. KН может быть безразмерной ве личиной в случае, когда Pi берется относительно PSt, т.е. Pr,i = i P P. Вели St чина KН – обратно пропорциональна удельному объему удерживания R T K H = T C, где МL – молярная масса неподвижной фазы.

Vg M L Для ГАХ используют константу Генри адсорбционного равновесия при малых заполнениях поверхности K1,C = lim GS Г, где ГGS – гиббсовская CG C G адсорбция вещества на поверхности адсорбента, моль/см2;

CG – концентрация, моль/см3. Размерность K1,C [cм]. Известно, что в ГАХ постулируется, что K1,C = lim (VST )CG 0, где VST - удельный объем удерживания при ТС и P.

3.2. Кинетика и динамика сорбции Разнообразные хроматографические процессы подчиняются ряду общих законов динамики сорбции. Уравнения, описывающие процессы динамики сорбции, являются дифференциальными уравнениями в частных производных первого и второго порядков, которые очень сложно поддаются решению в за конченной аналитической форме. Как правило, получают асимптотические ре шения при определенных граничных условиях. Уравнение динамики сорбции имеет вид:

2CM C M a x 2 = u x + t, Deff (1) t x t где х – длина слоя сорбента;

СМ – концентрация сорбата в подвижной фазе;

u – линейная скорость подвижной фазы;

Deff = Dпрод+Dвихр+Dвнутр+Dвнеш+Dстен – коэффициент эффективной диффузии сорбата в системе подвижной и непод вижной фаз;

a = C S 1 + C M – количество сорбата в единице объема сорбцион ного слоя.

Рассмотрим некоторые варианты решения уравнения (1) для условия рав новесной хроматографии, когда имеет место равновесное распределение сорба та между подвижной и неподвижной фазами.

3.2.1. Линейная идеальная хроматография CS = const ;

Deff = 0.

C M а б Рис. 4. Линейная идеальная хроматография:

а – хроматограмма;

б – изотерма сорбции.

KC(A)KC(B) uC=f(u) Решение (1) при таких граничных условиях позволяет получить u/ u/ u u uC = = = = (2) K O (K C 1 + ) K 1 + 1 k + C где u = u – истинная линейная скорость газа-носителя;

u / = FC AC – фиктив / t R tM n ная скорость газа-носителя;

k = = K C 1 = S – фактор удерживания, n tM M равный отношению времени пребывания молекул сорбата в неподвижной фазе ко времени пребывания сорбата в подвижной фазе.

3.2.2. Нелинейная идеальная хроматография CS const ;

Deff = 0.

C M При этом возможны два случая:

1. Выпуклая изотерма (1);

2. Вогнутая изотерма (2).

Рис. 5. Изотермы сорбции.

При выпуклой изотерме (1) области с малыми СG перемещаются медлен нее, чем с большими. Размытие фронта на слое и тыла в элюенте.

а б Рис. 6. Хроматограммы при выпуклой изотерме:

а – хроматограмма на слое сорбента;

б – хроматограмма элюата.

При вогнутой изотерме (2) происходит преимущественное размытие тыла на слое и фронта в элюенте, т.к. области с малыми CG перемещаются быстрее областей с большими СG.

а б Рис. 7. Хроматограммы при вогнутой изотерме:

а – хроматограмма на слое сорбента;

б – хроматограмма элюата.

Скорость движения uC(A) и uC(B) описывается уравнением (2) в точке мак симума пиков. Все остальные точки двигаются с отличными от (2) линейными скоростями, т.к. пики имеют асимметрию. Очевидно, что качество разделения хроматографических зон в условиях асимметрии ухудшается.

3.2.3. Линейная неидеальная хроматография CS = const ;

Deff 0.

C M Рассмотрим два случая.

1. Процесс проявления начальной узкой полосы.

а б Рис. 8. Хроматограммы линейной неидеальной хроматографии:

а – хроматограмма на слое сорбента;

б – хроматограмма элюата.

Величина пробы 0. При этом скорость движения центра хроматогра фической зоны (максимальная концентрация в пике) определяется по уравне u u = = нию (2) u иu, а распределение концентраций в мо C ( A) k + 1 C ( B) k + A B мент времени t в хроматографической зоне описывается уравнением, получае мом после приближенного решения общего уравнения динамики сорбции (1).

( x x 0 )2 (k +1) 4 Deff t c = c макс e (3) Уравнение (3) аналогично гауссовой зависимости вероятности распреде ления ошибок в математической статистике.

Рис. 9. Хроматограмма сорбата в элюате.

Вследствие действия различных диффузионных факторов (Deff) хромато графическая полоса при движении вдоль колонки постепенно расширяется. С одной стороны дисперсия полосы пропорциональна пройденному расстоянию хо, с другой – времени t, за которое полоса прошла некоторую часть колонки, 2 Deff t 2 Deff т.е. 2 = H xo = 2 Deff t. Коэффициент пропорциональности H = = xo u – называется высотой, эквивалентной теоретической тарелке (ВЭТТ) и связыва ет квадрат ширины хроматографической зоны (2) с пройденным ею расстояни ем хо по слою сорбента.

2. Процесс проявления широкой начальной полосы.

Рис. 10. Хроматограмма проявления широкой начальной полосы.

Величина пробы велика. При проявлении процесс деформации хромато графической зоны будет состоять из двух стадий. На первой стадии происходит размывание краев (фронта и тыла) зоны.

При этом Смакс=Со – исходная концентрация сорбата в пробе, и скорость перемещения согласно (2) соответствует области с концентрацией Co / 2. Все другие точки хроматографической зоны будут перемещаться с отличной от (2) скоростью. Вторая стадия начнется после того, как исчезнет в полосе область «плато», где Смакс=Со. Для этой стадии распределение концентраций описыва ется уравнением (3).

3.2.4. Нелинейная неидеальная хроматография CS const ;

Deff 0.

C M Рассуждения о процессе проявления хроматографической полосы анало гичные п. 3.2.3. Только добавляется еще асимметричное размытие полосы при выпуклой или вогнутой изотерме сорбции, как было показано в п. 3.2.2.

а б Изотерма 1 (выпуклая) а б Изотерма 2 (вогнутая) Рис. 11. Хроматограммы нелинейной, неидеальной хроматографии: а – на слое сорбента;

б – а элюате.

При этом скорость движения центра зоны с максимальной концентрацией сорбата с определенной погрешностью может быть определена по уравнению (2). Оценка распределения концентраций в хроматографической зоне осложня ется и для ее описания применяют метод моментов и другие математические приемы.

Природа процессов размывания зоны сорбата при ее перемещении явля ется случайной, поэтому элюционную кривую можно рассматривать как плот ность распределения вероятности случайной величины – времени появления молекул сорбата на выходе из колонки. Тогда статистические моменты случай ной функции, полученные после математических преобразований, описывают следующие характеристики хроматографической системы.

mо – площадь под элюционной кривой;

m1 – абсцисса центра тяжести элюционной кривой (m1tR);

m2 – характеризует разброс точек элюционной кривой относительно ее центра тяжести;

m3 – характеризует асимметрию элю ционной кривой;

m4 – характеризует степень заостренности (эксцесса) элюци онной кривой.

Задача существенно осложняется, если в хроматографической системе нарушается равновесное распределение сорбата между подвижной и непод вижной фазами, т.е. имеет место неравновесная хроматография, когда значи тельно увеличивается скорость подвижной фазы (u) и среднее давление в ко лонке ( P ). Значительный интерес к режиму неравновесной хроматографии проявляется при использовании экспрессных приемов разделения сложных смесей, особенно в экологии.

4. Уравнение высоты, эквивалентной теоретической тарелке ВЭТТ Коэффициент эффективной диффузии сорбата в подвижной фазе в соот ветствии с классическими работами Ван-Димтера (1956), Гиддингса (1965), Джонса (1961), Жуховицкого (1959), связан с факторами, определяющими раз мытие в заполненной сорбентом колонке соотношением:

= H = (A + Fu 2 ) + B + C1u + C 2 u1 / 2 + Eu, 2 Deff (4) u u 2 Deff где H = – высота, эквивалентная теоретической тарелке, характеризую u щая интенсивность размывания хроматографических зон;

A ~ 2 d p – вклад вихревой диффузии (Dвихр);

dp – диаметр зерна;

– коэффици ент неоднородности размеров зерна;

d – вклад диффузии в непродуваемые газовые полости внутрь зерна Fu 2 ~ p DM или поры (поперечная диффузия);

B ~ DM – вклад молекулярной или продольной диффузии (Dпрод);

– коэф u фициент извилистости насадки;

DM – коэффициент диффузии сорбата в под вижной фазе;

d f С1u ~ k – вклад скорости установления сорбционного равновесия k +1 DS (кинетический фактор) или внутридиффузионная массопередача;

DS – коэффи циент диффузии сорбата в неподвижной фазе;

df – толщина пленки неподвиж ной жидкой фазы;

k - доля молекул сорбата в неподвижной фазе;

k + d p С 2 u1 / 2 ~ 1 – вклад внешнедиффузионной массопередачи (Dвнеш) или k +1 DM кинетика доставки молекул сорбата к поверхности сорбента;

1 – доля мо k + лекул сорбата в подвижной фазе;

d – вклад стеночного эффекта в диффузионное размытие (Dстен) – Eu ~ p DM увеличение скорости газа вблизи стенок заполненных колонок или уменьшение для полых капиллярных колонок.

Сумма первых трех слагаемых уравнения (4) без учета Fu2 использована Ван-Димтером для описания процесса размытия полос в ГЖХ. Слагаемое Eu большее значение имеет для капиллярной хроматографии.

ВЭТТ (Н) вошла в хроматографический обиход из теории теоретических тарелок, предложенной Кейлемансом (1959) и Ван-Димтером. Эта теория осно вана на аналогии хроматографической системы с последовательностью дис кретных ступеней (тарелок), на которых устанавливается равновесие сорбата между подвижной и неподвижной фазами, используемой при расчете ректифи кационных колонн в нефтяной и нефтехимической промышленности.

Уравнение материального баланса теории теоретических тарелок:

(KCVL + VG ) dnGi dV = nG (i 1) nGi G Н – это длина участка колонки (слоя сорбента), отвечающая одной (еди ничной) ступени равновесия. Число теоретических тарелок N = L H. Чем больше N и меньше Н, тем более эффективна колонка. Теория теоретических тарелок формальна. Очевидно, что две колонки с одинаковыми N могут обеспе чить различное качество разделения в зависимости от селективности выбранно го сорбента.

5. Хроматограмма. Элюционные характеристики Рис. 12. Хроматограмма: 1 – нулевая линия;

2 – пик несорбирующегося вещества;

3 – пик исследуемого вещества (сорбата).

Хроматограмма – это зависимость, характеризующая расположение зон на слое сорбента (хроматограмма на слое) или в потоке подвижной фазы элю ента (хроматограмма элюата). Хроматограмма состоит из:

1. Нулевая линия (концентрация сорбата в подвижной фазе равна нулю);

2. Пик несорбирующегося вещества;

3. Пик исследуемого вещества (сорбата).

Пик ограничивается фронтом, соответствующим возрастанию концентра ции до максимальной и тылом, отвечающим убыванию концентрации сорбата в подвижной фазе. Расширение (размытие) полосы по мере элюирования харак теризуется шириной пика: wh – расстояние между точками пика на середине высоты;

wb – отрезок основания пика, отсекаемый двумя касательными в точках перегиба пика.

Размытие может быть симметричным или асимметричным.

w v = Т – коэффициент асимметрии. При wТ=wФ v=1 – линейная изотерма;

wФ при wТwФ v1 – выпуклая изотерма;

при wТwФ v1 – вогнутая изотерма.

h – высота пика, перпендикуляр, опущенный из максимума пика на про должение нулевой линии;

tM, lM и tR, lR – время или расстояние удерживания не сорбирующегося вещества (мертвое время) и сорбата.

При условии, что величина пробы пр H ( пр - ширина полосы пробы на слое сорбента), уравнение (3) с учетом (4) может быть записано при замене Deff и t через L и H в виде:

( ) пр H ( L x0 ) e C = C макс (5) 2 LH Откуда ширина полосы на слое + ( пр Н ) C макс = 2 x = 2 2 LH ln С мин C макс при пр H u, = 2, 0,5 = 2 2 LH ln 2.

С Ширина полосы на хроматограмме элюата wh (см);

h (c);

h (см3) wh = K 0 AC 0, 5 B FC, где В – скорость диаграммной ленты самописца;

w h = wh B ;

h = h FC = K 0 AC 0.5. (6) B 6. Величины удерживания В хроматографии применяют абсолютные (без стандартов), относитель ные (с одним стандартным веществом) и интерполяционные (с двумя и более стандартами) величины удерживания.

6.1. Абсолютные величины удерживания делят на первичные (непо средственно измеренные по хроматограмме) tR, lR;

tM, lM и рассчитанные на их основе VR = t R FC ;

VM = t M FC, где FC = FPa,TC.

Приведенные величины удерживания: t R = tR t M ;

VR/ = VR VM.

/ Исправленный (скорректированный) удерживаемый объем: VRo = VR j32.

VRo = LAC K o j32 связан с общим коэффициентом распределения Kо.

VN = VR/ j32 = LAC K C 1 j32 – чистый объем удерживания связан с константой распределения KC.

VRo и VN зависят от количества сорбента, что затрудняет сравнение ре зультатов исследования, поэтому используют удельный объем удерживания, который является характеристикой хроматографической системы подвижная фаза – сорбат – неподвижная фаза при TC=const и P.

VgT – это чистый объем удерживания, отнесенный к единице массы не подвижной фазы или единице поверхности адсорбента AS при TC и P.

V V VgT = N для ГЖХ и VST = N для ГАХ wL AS 6.2. Относительные величины удерживания.

t R ( i ) VR/ ( i ) / K k ri = / = / = C ( i ) = i t R ( st ) VR ( st ) K C ( st ) k st Точность определения относительных величин удерживания выше, чем абсолютных и не зависит от погрешности измерения скорости ПФ и количества НФ. Однако имеет место потеря информации об абсолютной величине удержи вания.

6.3. Интерполяционные величины удерживания получают с использо ванием двух или более стандартных веществ сравнения.

lg t / lg t Rz / I = 100 / Rx + z – логарифмический индекс удерживания Ко lg t R ( z +1) lg t Rz / вача (1958) – это безразмерный параметр, характеризующий удерживание сор бата в масштабе шкалы удерживания н-алканов, хроматографируемых в иден тичных изотермических условиях, где z и (z+1) – число атомов углерода в мо лекулах н- алканов, элюирующихся до и после исследуемого вещества х, т.е.

t/R(z+1) t/Rx t/Rz Или I равен помноженному на сто числу атомов углерода в мо лекуле такого гипотетического н-алкана, который имел бы одинаковое с иссле дуемым веществом приведенное время удерживания.

Ковач исходил из известной корреляционной зависимости, справедливой для любого гомологического ряда, в том числе и для н-алканов: lg tR = a + bz ;

/ замена z=I/100 делает возможным применение этой зависимости для любых веществ, принадлежащих к различным классам соединений.

t t J = Rx Rz + z – линейный индекс удерживания, предложенный М.С.

t R ( z +1) t Rz Вигдергаузом (1968). Он предложил более простое выражение, чем I, т.к. отсут ствует необходимость определения tМ и логарифма приведенного времени удерживания tR. J – безразмерная величина, равная числу атомов углерода та / кого гипотетического н-алкана, который имел бы одинаковое с веществом х время удерживания. tR(z+1) tRx tRz. (линейная зависимость между соседними гомологами, кусочно-линейная апроксимация).

lg VgT ( x ) lg VgT ( N ) I u = 100 + N – универсальный логарифмический lg VgT lg VgT ( N ) ( N +1 ) индекс удерживания. Предложен М.С. Вигдергаузом (1986). Он содержит ин формацию о сорбционной емкости неподвижной фазы и в отличие от I и J ха рактеризует положение максимума пика сорбата в промежутке между пиками гипотетических стандартов с фиксированными значениями сорбционных ха рактеристик, когда VgT для первого гипотетического стандарта (N=1) всегда не зависимо от НФ принимают равным 1 см3/г, а отношение приведенных времен / / t R ( N =2 ) t R ( N =3 ) =/ =... = 2 ). При удерживания соседних гомологов равным двум ( / t R ( N =1) t R ( N = 2 ) этом естественно сорбционные характеристики не изменяются при переходе от одной НФ к другой, т.е. имеет место уравнение для гипотетических стандартов:

VgT( N ) = 2 ( N 1) – удельный объем удерживания N-го гипотетического стандарта.

Построив зависимость lg VgT = f ( N ), можно определить Nx и Iux по значению lg VgT( x ) из хроматограммы сорбата на любой НФ.

Рис. 13. Зависимость lg VgT от универсального логарифмического индекса удерживания I u (N – номер гипотетического стандарта при N=1, VgT =1 см3/г).

7. Эффективность разделения. Число теоретических тарелок Эффективность разделения учитывают величиной отношения: lR/wh(см);

tR/h(c) или VR/wh(см3). Используя уравнение (6) для ширины пика с учетом что:

(LAc K o ) VR LAc K o VR L = = = или ;

(K o Ac ) 4 2 LHL ln 2 H 5, h K o Ac 0, 5 h V L = 5,545 R, N= w h H lR L = При lR=L, можно определить число теоретических тарелок N., wh 2 2 LH ln 2 l t откуда N = 5,545 R ;

или N = 5,545 R ;

w h h 2 2 lR tR VR/ / / = 5,545 = 5,45 = 5, – число эффективных теоре N eff w w h h h k + тических тарелок. Нетрудно показать, что N = N eff, где k – фактор k k k = N удерживания;

N eff, где – доля молекул в неподвижной фазе.

k + k + tR 2 tR tR tR N (tR ) = 5,545 = 5, a + bt = 5,545 a + bt = 5,545 b при h R R t R t R c использованием известной корелляционной зависимости h = a + bt R для близких по физико-химическим свойствам веществ.

/ lR N real = 5,545 – число реальных теоретических тарелок, где (wh wh(m ) ) wh(m) – полуширина пика несорбирующегося вещества. Определяется из коррел ляционной зависимости для близких по физико-химическим свойствам ве ществ: wh = a + bl R.

8. Критерии разделения и селективности / tR( A) k A • A/ B = / = – фактор разделения. Безразмерная величина, харак tR (B ) k B теризующая разделительную способность колонки к веществам А и В.

2(K o ( B ) K o ( A ) ) 2 (t R ( B ) t R ( A ) ) • K S,C = = – коэффициент селективности ко K o (B ) + K o ( A) tR (B ) + tR ( A ) лонки. Характеризует селективность при разделении компонентов А и В.

tR(B)tR(A).

2(K C ( B ) K C ( A ) ) 2(t / R ( B ) t / R ( A ) ) • KS = =/ – коэффициент селективности KC (B ) + KC ( A) t R ( B ) + t / R ( A) неподвижной фазы. Зависит от природы сорбента и температуры.

l l • RS = R ( B ) R ( A ) – разрешение пиков или степень разделения. RS свя wh ( B ) + wh ( A ) зана с KS,C и N соотношением:

RS = 0,212 K S,C N = 0,212 K S N eff (7) h2 hmin • = – Критерий разделения для не полностью разделенных h пиков. изменяется от нуля до 1. Причем когда =0 пики сливаются.

Рис. 14. Хроматограмма неподеленных пиков.

nk b RS • = – Критерий равномерности, введен М.С. Вигдергаузом t (1968), характеризующий разделение многокомпонентных смесей, где nk – чис ло пиков на хроматограмме;

b - основание наиболее узкого пика;

RS – разре шение для наихудшим образом разделяемых двух пиков;

t – время анализа (время выхода tR последнего компонента).

а б Рис. 15. Иллюстрация для критерия равномерности: а – идеальная хрома тограмма;

б – реальная хроматограмма.

В реальной хроматограмме имеются участки нулевой линии незанятые пиками (неид) 0 1 (ид.).

При переходе от двухкомпонентной смеси к многокомпонентной выбор оптимальных условий разделения существенно усложняется. Появляется новая переменная, которую грубо можно представить в виде изменения сорбционной емкости как функции порядкового номера пика на хроматограмме. Лучшим сорбентом считается тот, который обеспечивает равные критерии разделения между пиками.

= nK RS / t – коэффициент быстродействия. Это обобщенный критерий, характеризующий как качество, так и скорость разделения многокомпонентных смесей. Используя уравнение (7) и (2), получим: = 0,045 nk K S,C U / Ko H. Ве личина отвечает числу компонентов, разделяемых за единицу времени с RS – критерий, характеризующий способность колонки быстро разделять RS=1.

t бинарную смесь.

Влияние различных факторов на разделение веществ в газовой хромато графии 1. Газ-носитель В качестве подвижной фазы в газовой хроматографии используются, как правило, легкие инертные газы (азот, гелий, водород, воздух, аргон и др.), кото рые практически нерастворимы в НЖФ (ГЖХ) или практически несорбируются адсорбентом (ГАХ) и выполняют при обычных давлениях (менее 4,0-5, кгс/см2) только транспортные функции, различаясь лишь вязкостью и коэффи циентом диффузии сорбатов в газе-носителе.

• Азот: доступен, может использоваться в хроматографах с различными детекторами. DG в азоте примерно в 4 раза меньше, чем в водороде, что позво ляет получать более узкие пики, если лимитирующей стадией процесса являет ся продольная диффузия. Азот – безопасен. Недостаток – значительная, по сравнению с водородом, вязкость и низкая теплопроводность, которая не обес печивает высокой чувствительности ДТП.

• Воздух: удобно применять в промышленных хроматографах, рабо тающих на технологических установках. Он необходим при работе с ДТХ (тер мохимическим детектором). Недостаток – кислород воздуха может окислять НЖФ и сорбаты.

• Водород: имеет малую вязкость, что позволяет работать с длинными колонками. Он предпочтителен, когда размытие полосы определяется динами ческой диффузией или внешнедиффузионной массопередачей (слагаемые С2u1/ и Eu уравнения (4) ВЭТТ, DG велико в знаменателе). Чувствительность ДТП существенно выше, чем на азоте. Недостаток – повышенная взрывоопасность.

• Гелий: безопасен, теплопроводность чуть меньше водорода. Недоста ток – высокая стоимость.

• Аргон: применяют при работе с некоторыми ионизационными детек торами. Основные требования предъявляют к отсутствию вредных примесей.

Вязкость его несколько выше, чем у гелия и азота.

• Диоксид углерода: широко использовали с объемными интегральны ми детекторами (азотометр). В настоящее время применяется в сверхкритиче ской флюидной хроматографии (СКФХ).

1.1. Скорость потока газа-носителя Если в уравнении ВЭТТ (4) ограничиться только первыми тремя слагае мыми, как это сделано Ван-Димтером для ГЖХ, то зависимость Н от u будет B описываться гиперболой: H = A + + C1u. Из экспериментального графика Н u от u можно приближенно определить слагаемые A, B/u, C1u:

Рис. 16. Зависимость высоты, эквивалентной теоретической Н от линей ной скорости газа-носителя в колонке U.

B/u=(cd) – продольная диффузия наибольший вклад при малых u. Область 0 – I. Работать в этой области нецелесообразно.

A=(ab) – вихревая диффузия (не зависит от u и имеет место в насадочных колонках). Область I – II предпочтительная.

С1u=(ef) – внутреннедиффузионная массопередача наибольший вклад в области II – III. Здесь Н несколько увеличивается пропорционально возраста нию u. Процесс размытия определяется кинетикой перехода сорбата из газа (ПФ) в жидкость (НФ) и Н=А+С1u.

Минимум кривой Н от u отвечает величине H мин = A + 2 BC1. При этом uопт = B C1. В газовой хроматографии часто целесообразно работать с опти мальной практической скоростью газа-носителя uопсг ( uопт uопсг 9 A C ), когда до 90% вклада внутреннедиффузионной массопередачи в величину Н. Даль нейшее увеличение u уже не имеет смысла.

Давление газа-носителя 1.2.

Повышение давления в колонке вызывает повышение плотности и от ношения плотности газа к динамической вязкости. Влияние природы газа носителя на фазовое равновесие становится заметным даже при умеренных давлениях более 10 атм (1МПа). Например, при P =1МПа на капиллярной ко лонке со скваланом замена газа-носителя водорода на азот позволило увеличить коэффициент селективности трудноразделяемых пар компонентов 2,4 диметилпентан – бензол (1 и 2) и 3,3-диметилпентан – циклогексан (3 и 4).

Рис. 17. Хроматограмма на сквалане с различными подвижными фазами H и N2. Давление газа-носителя 1 МПа.

Это связано с зависимостью коэффициента распределения от второго ви риального коэффициента в уравнении газового состояния смеси сорбата с га зом-носителем:

K C = K C ( P 0 ) e P, где K C ( P 0 ) отвечает KC при Р0, получаемое экстраполяцией;

– коэффици ент, определяемый неидеальностью газовой фазы.

Таким образом, в отличие от традиционной газовой хроматографии, где природа и условия работы инертного газа влияют на размытие полос, но не на фазовое равновесие, рассмотренный вариант, а также предложенный М.С.Вигдергаузом в 1976 г. для составных колонок метод барохроматографии предусматривают использование инертных газов при таких давлениях, когда их характеристики могут быть описаны уравнениями состояния со вторыми и третьими вириальными коэффициентами и подвижные фазы приобретают ак тивные функции, а не только функции транспортирующего агента.

Другими вариантами могут быть:

• паровая хроматография (газ-носитель – пары органических и неор ганических веществ (например, вода) при температурах ниже критических и небольших давлениях. Роль подвижной фазы сводится к модифицированию сорбента. Используют также добавки к обычным газам-носителям с целью по лучения более симметричных пиков полярных сорбатов.


• сверхкритическая флюидная хроматография (СКФХ) – примене ние в качестве подвижных фаз различных веществ при температурах и давле ниях больше критических. Элюент в этом случае обладает высокой растворяю щей способностью, что позволяет увеличить летучесть исследуемых веществ на 3–4 порядка по сравнению с обычными условиями.

• плотностная хроматография. Здесь элюентами служат газы при дав лениях до 1,02,0 тыс. атм. Это позволяет вызвать движение по колонке ве ществ с молекулярными массами до 400 000 (повышение летучести приблизи тельно на 6 порядков).

Рассмотренные варианты хроматографии предусматривают повышение плотности подвижной фазы от газа до жидкости и являются промежуточными между газовой и жидкостной хроматографией.

2. Неподвижная жидкая фаза Правильный выбор неподвижной жидкой фазы и условий ее функциони рования в колонке есть основное средство достижения селективности разделе ния в ГЖХ.

По температурному пределу использования все неподвижные жидкие фа зы можно разделить на три группы: низкотемпературные (до 100°С), средне температурные (до 200°С) и высокотемпературные (до 350°С и выше).

Относительная или условная полярность неподвижной жидкой фазы ха рактеризуется величиной Р, рассчитываемой по формуле Роршнайдера:

q qx P = 1001 q q, V где q1 = lg B на полярной колонке с,/-оксидпирокинитрилом (стандартные V A V вещества В - бутадиен, А - бутан) принимается за Р=100%;

и q2 = lg B на не V A V полярной колонке со скваланом, Р=0%;

q x = lg B на колонке с исследуемой V A неподвижной жидкой фазой. По этой шкале все неподвижные жидкие фазы де лят на четыре группы: неполярные (Р=05%), слабополярные (Р=515%), сред неполярные (Р=1550%) и сильнополярные (Р=50100%).

Неподвижная жидкая фаза должна отвечать следующим требованиям:

1. Селективность;

2. Оптимальная сорбционная емкость;

3. Отсутствие химического взаимодействия с сорбатом, твердым носите лем, стенкой колонки и газом-носителем;

4. Низкое давление пара при рабочих температурах;

5. Малая вязкость;

6. Стабильность при эксплуатации.

Удерживание в ГЖХ В ГЖХ удерживание связано с константой Генри межфазового равнове RT сия жидкость-газ K H = T C. K H обратно пропорциональна VgT и характери Vg M L зует процесс десорбции. Кроме того, K H можно выразить как произведение K H = TC, P P o, где P o – давление насыщенного пара чистого сорбата, а T, P C коэффициент активности сорбата в нелетучем растворителе для бесконечно разбавленного раствора при ТС, P и отсутствии адсорбционных эффектов в не подвижной фазе.

Коэффициент активности в растворе неподвижной жидкой фазы зависит от характера межмолекулярных взаимодействий. Если один из компонентов системы сорбат-растворитель представляет неполярное соединение, то реализу ется дисперсионное взаимодействие. Откуда вытекают следующие закономер ности удерживания: сорбаты близкой молекулярной структуры элюируются в порядке роста их температур кипения;

ненасыщенные соединения элюируются раньше насыщенных с таким же числом углеродных атомов в молекулах;

уве личение степени разветвленности молекулы вызывает уменьшение удержива ния. При выборе неподвижной жидкой фазы следует учитывать, что неполяр ные вещества обычно лучше разделяются на колонке с неполярными непод вижными фазами. При разделении полярных соединений на неполярных непод вижных фазах они элюируются раньше парафинов с такими же температурами кипения. Это связано с малой сорбционной емкостью неполярных неподвиж ных жидких фаз по отношению к полярным сорбатам.

При анализе полярных веществ на полярных НЖФ могут реализоваться как диполь-дипольные, так и донорно-акцепторные взаимодействия, а также действие индукционных сил и образование водородных связей. Для иллюстра ции рассмотрим разделение углеводородов с шестью атомами углерода в моле куле на полярной колонке с ПЭГ и неполярной колонке со скваланом.

Рис. 18. Разделение углеводородов с шестью атомами углерода в молеку лах:

а – на колонке со скваланом;

б – на колонке с ПЭГ-20.

1 –гексан, Tb=63,5°C;

2 – гексан, Tb=68,7°C;

3 – бензол, Tb=80,1°C;

4 – циклогексан, Tb=80,8°C.

Некоторые закономерности селективного разделения методом ГЖХ Селективность НЖФ можно рассматривать как способность к разделе нию:

1. двух соединений, например близкокипящих изомеров (пара-мета се лективность);

2. компонентов одного гомологического ряда (соседние гомологи);

3. компонентов двух или более гомологических рядов.

/ t R ( A) Для первого случая используют фактор разделения A / B ( H ) = в виде / tR( B) / B PBo tR ( A) уравнения Херингтона (1957) A / B ( H ) = = o. После логарифмирования A PA / tR( B ) B o Po получим: lg A / B ( H ) = lg + lg Bo, где PAo, PBo – давление насыщенного пара;

o, A o PA A B – коэффициент активности сорбатов в бесконечно разбавленном растворе o НЖФ при ТС и P. Второе слагаемое определяется только природой сорбатов и температурой колонки. Природа НЖФ влияет на первое слагаемое и определя ется различными видами межмолекулярных взаимодействий.

/ t R ( Z +1) Для второго случая используют фактор разделения A / B ( Г ) = /. При tR( Z ) ТС=const для гомологов справедливо:

lg t R = a + bnC, / (8) где nC – число углеродных атомов в молекулах.

lg A / B ( Г ) = lg t R ( A ) lg t R ( B ), поэтому очевидно, что для соседних гомологов / / lg A / B ( Г ) = b. Эта величина увеличивается с уменьшением ТС и с переходом от неполярной к полярной фазе (реализуется вклад СН2 в удерживание).

В третьем случае используют фактор разделения или критерий Байера (1959):

/ t R ( A) A/ B ( Б ) = /, t R ( A) отношение приведенных удерживаемых объемов двух различных веществ (ре альных или гипотетических), принадлежащих к различным гомологическим ря дам, но имеющих одинаковые температуры кипения (или точнее одинаковые давления насыщенного пара при ТС).

Так как b=const для различных гомологических рядов (правило Ковача) и с учетом уравнения (8) lg A / B ( Б ) = a. Таким образом следует использовать та кую НЖФ, которая вызывает больший сдвиг корреляционных зависимостей, характеризующих один гомологический ряд относительно аналогичных прямых других гомологических рядов.

Рис. 19. Зависимость логарифма приведенного времени удерживания для различных гомологических рядом (1-4) от свойства сорбатов.

Выбор НЖФ, удовлетворяющих всем требованиям весьма затруднен, особенно в случае разделения веществ не двух, а более гомологических рядов.

Поэтому используют колонки с бинарными сорбентами и составные колонки, позволяющие тонко регулировать селективность и смещать пики на хромато грамме относительно друг друга. Известно, что общее удерживание t R,i = tR1,)i + tR2,i), где верхние индексы (1) и (2) относятся к первой и второй секци ( ( ям составной колонки. Аналогично рассчитывают другие величины удержива ния.

Классификация НЖФ Роршнайдер (1965) и Мак-Рейнольдс (1970) наряду с условной полярно стью Р предложили более обобщенную классификацию НЖФ с использовани ем разности индексов удерживания для стандартных веществ сравнения:

I = I НФ I Сквалан. Роршнайдер использовал пять тест стандартов при 100°С (числитель), а Мак-Рейнольдс десять при 120°С (практически используются также пять) (знаменатель): бензол – константа x = I x ;

этанол/бутанол – кон станта y = I y ;

бутанон/пентанон – z = I z ;

нитрометан/нитропентан – u = I u ;

пиридин – s = I s, где x, y, z, u, s – константы НЖФ (или факторы полярности НЖФ), которые изменяются от 0 до 10 – для констант Роршнайдера ( I 100 ) и от 0 до 1000 – для констант Мак-Рейнольдса.

Фактор х характеризует склонность НЖФ к дисперсионному взаимодей ствию, связан с удерживанием непредельных и ароматических углеводородов и является наиболее универсальной характеристикой полярности НЖФ;

величина y определяется склонностью НЖФ к образованию водородной связи и характе ризует «карбоксильную селективность»;

z относится к диполь-дипольному взаимодействию и характеризует «карбонильную селективность»;

u и s харак теризуют НЖФ соответственно как акцептора и донора электронов.

М.С.Вигдергауз (1982) предложил разделить НЖФ на 7 основных групп, исходя из соотношений между факторами полярности Роршнайдера и Мак Рейнольдса.

Порядок следо № Характер химического НФ вания факторов группы строения полярности x, y, z, s, u 150 Углеводороды и метилси- Апиезон L;

сква I ликоны лан;

SE- Трифторсиликоны II yszu OV-210 (QF-1) Полифениловые эфиры, Пента-, гексафени III yzsu фенилсиликоны ловый эфир Нитрилы, нитрилсилико IV zysu 1,2,3-трис-(2 ны цианэтокси)пропан;

XF- Полиэтиленгликоли, по- ПЭГ-20М V zsyu лиэфиры Полипропиленгликоли VI zsuy UKON LB- Полиспирты Диглицерин VII (s-u) Жидкокристаллические п,п-азоксифенетол;

VIII азоксиэфиры 4-метоки-4 этокиазоксибензол Из каждой группы может быть выделена предпочтительная НЖФ, удовле творяющая необходимым требованиям.

Количество НЖФ на твердом носителе Количество НЖФ на твердом носителе проявляется при разделении сле дующим образом:

1. 1 и df – определяют значение ВЭТТ (4);

2. 1 – влияет также на коэффициент селективности ks;

3. количество НЖФ определяет относительный вклад в удерживание ад сорбционных факторов: адсорбция на межфазной границе газ-НЖФ, константа Г адсорбции K GL = GL ;

адсорбция на межфазной границе НЖФ-твердый C G C G Г носитель, константа адсорбции K LS = LS [см]. Гиббсовская адсорбция Г C L C L – размерность [моль/см ];


С – концентрация [моль/см3].

Тогда в ГЖХ: VN = K CVL + K GL AGL + K C K LS ALS, где AGL и ALS – площади поверхности раздела фаз газ-НЖФ и НЖФ-твердый носитель в колонке. Во многих случаях имеет место не ГЖХ, а газо-жидко-твердофазная хроматогра фия. Особенно значительные вклады адсорбции при малом проценте пропитки W твердого носителя, П = L 100, где WL и WSS – массы жидкой фазы и твердого WSS носителя. Существенную роль играет также неравномерность покрытия жидкой фазой.

3. Твердый носитель Назначение твердого носителя в хроматографической колонке – обеспе чить наиболее эффективное использование НЖФ. В связи с этим твердый носи тель должен обладать:

1. Определенной удельной поверхностью (1–2 м2/г) и размером пор (6910-3 мм), позволяющими нанести жидкость в виде тонкой пленки и не допускающими ее перемещения под действием силы тяжести или по другим причинам;

2. Малой адсорбционной способностью по отношению к сорбатам;

3. Отсутствием каталитической активности и химической инертностью;

4. Механической прочностью и способностью к равномерному заполне нию колонки;

5. Стабильностью при ТС и смачиваемостью поверхности НЖФ.

Адсорбционная активность твердого носителя переводит процесс ГЖХ в режим ГЖТФ и влияет на величину удерживания за счет появления нелинейно сти изотермы сорбции.

Методы уменьшения адсорбционной активности:

1. Промывка кислотой или щелочью для удаления катионов металлов с поверхности твердого носителя (маркировка AW);

2. Обработка небольшим количеством полярной жидкости (модифици рование поверхности);

3. Химическая дезактивация – замещение водорода в поверхностном гидроксиле на алкилсиликоновый радикал (маркировка AW-DMCS или AW-HMDS);

4. Образование на поверхности твердого носителя защитного слоя, кото рый получают путем нанесения на твердый носитель слоя жидкой по лиэфирной смолы и последующего ее отверждения.

Размер зерен. Из уравнения ВЭТТ (4) слагаемые А и С2 связаны с dp.

Уменьшение dp уменьшает Н и увеличивает эффективность. Оптимальным для заполненных сорбентом колонок считают размер зерна 0,12-0,15 мм. При этом наибольшая эффективность достигается при однородных по размерам частицах твердого носителя (коэффициент в (4)). Обычно 80% ТН составляет основная фракция, 20% зерен имеют отличный от паспортных данных размер. Выпуска ют носители высокой эффективности (марка НР), в котором доля основной фракции составляет не менее 90%.

Плотность набивки. С увеличением плотности набивки возрастает отно шение 1, уменьшается фазовое отношение ( = VO VS – отношение объема подвижной фазы к объему неподвижной фазы в колонке) и повышается эффек тивность колонки согласно уравнению (4). Рекомендуется заполнять сорбентом выпрямленную колонку в вертикальном положении. Наибольшее распростра нение получили твердые носители типа Хромосорб, Целит (США), Хроматон (Чехия), Цветохром (РФ) и др. Основные свойства твердых носителей приведе ны в книге М.С.Вигдергауза (табл. 5. приложение).

4. Адсорбент Если в ГЖХ адсорбционная активность твердого носителя является вред ным фактором, то в ГАХ она является основным свойством сорбента, обеспе чивающим разделение компонентов смеси. Адсорбент должен обладать сле дующими свойствами:

1. Селективность;

2. Отсутствие каталитической или химической активности;

3. Линейность изотермы сорбции;

4. Механическая прочность.

По химической природе адсорбенты делят на три типа (классификация А.В.Киселева, МГУ, 1979):

1. Неспецифические, на поверхности которых нет каких-либо функцио нальных групп и ионов (графитированная сажа ГТС, уголь, неполяр ные пористые полимеры);

2. Имеющие на поверхности положительные заряды (гидроксилирован ная поверхность силикагеля, катионы молекулярных сит, катионы со лей);

3. Имеющие на поверхности связи или группы атомов с сосредоточенной электронной плотностью (некоторые полярные пористые полимеры, содержащие, например, нитрильные группы, а также привитые сор бенты).

По геометрической структуре поверхности адсорбенты делят на 4 типа:

1. Непористые адсорбенты (удельная поверхность колеблется от сотых долей до сотен м2/г). Это ГТС, аэросил (мелкозернистый диоксид кремния), кристаллы солей;

2. Однородно макропористые адсорбенты (удельная поверхность 25- м2/г, размер пор порядка сотен нм). Это силохромы;

3. Однородно тонкопористые адсорбенты (удельная поверхность порядка тысяч м2/г). Это молекулярные сита (цеолиты), углеродные молеку лярные сита и др.;

4. Неоднородно пористые адсорбенты. Это различные силикагели, со держащие как широкие, так и узкие поры.

Для уменьшения изотермы и снижения каталитической и химической ак тивности проводят модифицирование адсорбентов:

1. Обработка водой, кислотой, щелочью;

2. Связывание гидроксильных групп хлорсиланами, как и для твердого носителя;

3. Нанесение тонких слоев НЖФ на адсорбент;

4. Получение коллоидных систем, например, дисперсная фаза – аэросил, полимер, а дисперсионная среда – НЖФ (предложено М.С.Вигдергаузом (1983)). Достоинства: возможность регулирования селективности путем изме нения состава, а также ТС за счет фазовых переходов "золь-гель";

5. Нанесение пыли адсорбента на инертный твердый носитель (поверх ностно-пористые адсорбенты);

6. Привитые адсорбенты (нанесение на поверхность твердого носителя или адсорбента длинных алкильных цепей или различных функциональных групп, обеспечивающих необходимую селективность.

Основные свойства адсорбентов приведены в книге М.С. Вигдергауза.

(Табл.6. Приложение).

5. Объем пробы и условия ввода ее в колонку Рис. 20. Зависимость хроматографических характеристик от объема пробы:

Vпр Смакс а – зависимость = f ;

Wh Спр б – зависимость Wh = f Vпр.

Wh Концентрация в максимуме хроматографической зоны связана с объемом V C макс = f пр. При увеличении объема Vпр h сначала пробы соотношением Спр h остается постоянным, а затем пропорционально возрастает. Колонка считается не перегруженной, когда с увеличением Vпр, h=const, или как предложено Ван Димтером (1956) должно иметь место неравенство: Vпр0.2h. При этом C макс 0.2Cпр. В отдельных случаях эти требования могут быть расширены до Vпр0,5h и C макс 0.5Cпр.

Жуховицкий (1962) предложил новый вариант хроматографии – ступен чатую хроматографию. Он показал, что необходимым условием, при котором возможно получение ступеньки на хроматограмме, является, когда Vпр3,28h.

При этом C макс = Cпр и хроматограф не требует градуировки.

Рис. 21. Иллюстрация к ступенчатой хроматографии.

При анализе примесей, если Rs1 можно допустить некоторую перегруз ку колонки пробой для повышения Смакс (чувствительность метода повышает ся). Тогда общая ширина полосы может быть выражена h = h,C + h,пр, где h,С – ширина полосы без перегрузки;

h,пр – дополнительное увеличение полосы с 2 h,пр 1 = + увеличением Vпр. Откуда:, где Rs,0 – степень разделения при VR Rs Rs, отсутствии перегрузки (h=h,С).

Известны два способа ввода пробы в колонку:

1. Метод поршня, когда смесь подается в колонку без предварительного перемешивания с газом-носителем в дозаторе;

2. Экспоненциальный метод – смесь полностью перемешивается с газом носителем и концентрация компонента экспоненциально уменьшается от Спр до нуля.

Первый является более эффективным, однако полностью реализовать его сложно и наибольшее приближение дает впрыскивание пробы шприцом непо средственно на сорбент. Значительную роль при вводе пробы играет темпера тура дозатора и продолжительность ввода пробы.

Рис. 22. Иллюстрация влияния условий ввода пробы на форму элюционной кривой: а – влияние метода ввода пробы;

б – влияние времени ввода пробы;

1 ввод пробы поршнем;

2 – экспоненциальный ввод пробы;

3 – время ввода про бы 10 сек;

4 – время ввода пробы 20 сек;

5 – время ввода пробы 40 сек.

6. Материал, размеры и форма колонок 1. Материал колонки не должен быть каталитически активным по отно шению к сорбенту и сорбатам;

2. Сечение не должно изменяться при изменении ТС.

Обычно колонки изготавливают из стекла, кварца, нержавеющей стали, меди, алюминия и полимеров. Металлические колонки – прочные, легко термо статируются. Однако их внутреннюю поверхность следует тщательно очищать.

Медные и алюминиевые колонки следует использовать при анализе неполяр ных соединений, т.к. при анализе полярных сорбатов возможны адсорбционные и каталитические явления на поверхности этих металлов и их оксидах. Стек лянные колонки обладают наибольшими достоинствами несмотря на хруп кость. Обычно используют прямые, U и W-образные или спиральные колонки.

В последнее время наиболее широко используют кварцевые колонки.

Анализ литературных данных по частоте использования хроматографиче ских колонок показал, что:

1. Аналитические колонки, заполненные сорбентом с dC=2-6 мм состав ляют 32,2%.

2. Аналитические полые капиллярные колонки с dC2 мм – 67,4%.

3. Препаративные колонки с dC6 мм – 0,4%.

Т.е. большинство работ выполняется на полых капиллярных колонках.

7. Температура Температура является одним из основных факторов, определяющих се лективность сорбента, продолжительность разделения, а также размытие хро матографических зон. В газовой хроматографии используется изотермическая хроматография (ТС=const) и хроматография с программированием температуры колонки во время анализа.

Изотермическая хроматография Зависимость удерживания сорбатов от температуры достаточно сложна.

Однако в интервалах температур 20-30°С она может быть аппроксимирована линейным соотношением вида I = A + BTC, где I – логарифмический индекс B удерживания Ковача. Либо уравнением типа Антуана I = A +. Кроме то C + TC го, в работах Ковача (1965) показано, что I связан с дифференциальными стан дартными термодинамическими функциями сорбата (х) и н-алканов.

0 sp G x sp G z I = 100 + 100 z 0 sp G sp G z +1 z Рис. 23. Зависимость индекса удерживания сорбатов различных гомоло гических рядов от температуры. 1,2,3 – различные гомологические ряды сорбатов.

Пользуясь справочными данными н-алканов, по результатам хроматогра фирования, можно определить sp G x. С повышением ТС селективность НЖФ уменьшается для одного гомологического ряда. Для разных гомологических рядов наклон прямых I=f(TC) различен, что учитывают при подборе условий анализа и при групповой идентификации, когда измеряют I при двух темпера турах, отличающихся, например, на 10-20°С. I = I(T ) I(T ). I зависит от ха C1 C рактера межмолекулярного взаимодействия «сорбат-НЖФ». Дисперсионное взаимодействие практически не зависит от температуры. Для каждой НФ и раз личных гомологических рядов веществ можно получить величины I=const и сравнивать их с результатами хроматографического эксперимента.

М.С. Вигдергауз (1967) предложил регулировать селективность колонок, используя бинарные и полинарные сорбенты, составляющие которых имеют разные температуры фазовых переходов. Например, бинарный сорбент сква лан+ПЭГ при ТС56°С практически неполярен, т.к. ПЭГ находится в твердом состоянии и его влияние на удерживание мало. По мере увеличения ТС и пере хода ПЭГ в жидкое состояние селективность сорбента увеличивается к поляр ным сорбатам. Значительный интерес представляет использование в качестве НФ жидких кристаллов, так называемая газо-мезофазная хроматография, раз виваемая на каф. ОХХ под руководством проф. Л.А. Онучак. Здесь имеет место следующие фазовые переходы: твердый кристалл при малых ТС;

жидко кристаллический расплав (мезофаза) при больших ТС;

изотропная жидкость при более высоких ТС.

Жидко-кристаллические НЖФ обеспечивают возможность изменять по лярность по Мак-Рейнольдсу на 60 и более единиц при изменении ТС.

Программирование температуры Скорость перемещения хроматографической зоны зависит от K o, а K o = f (TC );

uC = u K o. Линейное программирование TR = TO + Rt t, где TR – тем пература удерживания сорбата;

То – начальная температура колонки;

t – время анализа;

Rt – скорость нагрева (прямые 1, 2, 3). При этом может быть реализо вана любая программа, в том числе ступенчатая с изотермическими участками (4).

Рис. 24. Иллюстрация различных методов программирования температуры колонки от времени разделения.

а – линейное программирование температуры;

б – ступенчатое программирование температуры;

1,2,3 – линейное программирование с разными скоростями нагрева;

Т1, Т2 - изотермические участки при ступенчатом программировании;

4 – цикл охлаждения колонки после анализа.

Достоинства:

1. Сокращается продолжительность разделения смесей, кипящих в ши роком интервале температур;

2. Получают более симметричные пики даже при нелинейной изотерме (например, выпуклой к оси ординат, когда тыл полосы элюируется при более высокой температуре, чем фронт);

3. Увеличивается концентрация компонентов в максимуме зоны (темпе K O (TO ) ратурное обогащение), т.к. при TO K O (T ) K O (T ), тогда C макс = CO, что K O (TR ) O R позволяет повысить чувствительность при анализе примесей.

При линейном программировании температуры константа распределения для гомологов пропорциональна числу углеродных атомов в молекулах и они практически равномерно распределены на хроматограмме.

Рис. 25. Хроматограммы разделения четырех последовательных гомологов н-алканов в зависимости от температурного режима колонки:

а – изотермический анализ;

б – линейное программирование температуры.

Недостатком программирования ТС является меньшая воспоизводимость при измерении хроматографических сигналов, чем при изотермическом режи ме. К хроматографии с программированием ТС относятся предложенные Жухо вицким и Туркельтаубом методы: хроматермография и теплодинамический ме тод. Хроматермографический режим использован в хроматографе ХТ-2. Одним из первых применений газовой хроматографии был анализ природных и попут ных газов на содержание углеводородов и неуглеводородов. В СССР широкое распространение анализ нефтяных газов получил после разработки хроматер мографии особенно на приборах ХТ-2М.

Аналитическое применение ГАХ и ГЖХ 1. Легкие газы. Для разделения О2 и N2 применяют молекулярные сита СаА (5). Порядок выхода легких газов на колонках с молекулярными ситами при обычных температурах (выше комнатной): Ne, He, (O2+Ar), N2, Kr, CH4, CO, Xe. Аргон и кислород разделяются на молекулярных ситах СаА при ТС =- 78°С. Недостатком молекулярных сит является необратимая адсорбция СО2 и более тяжелых углеводородных газов, что приводит к проведению анали за на нескольких колонках (многоступенчатые или многоколоночные схемы анализа).

2. Анализ углеводородных газов. Его можно осуществлять как в режиме ГЖХ с неполярными или среднеполярными НЖФ, так и в ГАХ с применением в качестве адсорбентов силикагеля, алюмогеля, полимерных сорбентов на ос нове стирола и дивинилбензола, например, полисорб-1.

3. Анализ углеводородных и неуглеводородных газов. Чаще всего при меняют полимерные сорбенты и модифицированные силикагели, а также раз личные полярные и неполярные НЖФ в режиме ГЖХ. Порядок выхода некото рых газов на полисорбе-1: Н2, (N2+O2), CH4, CO2, H2O, C2H4, C2H6, H2S, COS, C3H6, C3H8, CS2, SO2, C4H8, i-C4H10, C4H10.

4. Ароматические углеводороды (изомеры ксилола и этилбензол). Кол лоидная НЖФ, предложенная М.С. Вигдергаузом: бентон-245 – дисперсная фа за и дионилфталат (или вазелиновое масло) – дисперсионная среда. Порядок выхода: этилбензол, п-ксилол, м-ксилол, о-ксилол. Жидкокристаллическая НФ (азоксиэфиры): этилбензол, м-ксилол, п-ксилол, о-ксилол.

5. Спирты. НЖФ – полярные, в основном V и VI группы (ПЭГ, полипро пиленгликоль) с большим значением фактора полярности Роршнайдера-Мак Рейнольдса y. В режиме ГАХ применяют полимерные сорбенты и однородно макропористые адсорбенты типа силохром.

6. Альдегиды и кетоны. НЖФ – в основном II группы (фторированные силоксаны) с большим значением z, характеризующим карбонильную селек тивность.

7. Кислоты и эфиры. Легколетучие жирные кислоты можно определять непосредственно, либо в режиме реакционной хроматографии в виде эфиров.

Используют различные полярные и неполярные НЖФ, а также жидкокристал лические НЖФ.

8. Другие органические соединения. При анализе азотсодержащих со единений, главным образом содержащих аминные группы используют как не полярные и слабополярные (апиезон, сквалан, силиконы), так и полярные НЖФ (ПЭГ и др.). При анализе серосодержащих соединений применяют хроматогра фическую аппаратуру, обеспечивающую повышенную стойкость к коррозии, в качестве сорбентов среднеполярные и полярные НЖФ. В основном анализиру ют различные пестициды в окружающей среде, пищевых продуктах, биологи ческих объектах и др.

Капиллярная хроматография Уравнение ВЭТТ для капиллярной хроматографии, предложенное Голлем (1960) имеет вид:

2 Deff B H= = + C1u + C3u......,(8) u u где B u и C1u - учитывают вклады аналогично уравнению (4);

k dC - учитывает вклад динамической диффузии и внешней мас C3 u ~ k +1 DG сопередачи (вклад стеночного эффекта).

Рис. 26. а - Зависимость ВЭТТ от линейной скорости газа-носителя U;

б – зависимость ВЭТТ от молекулярной массы при U=const.

Для зависимости H = f (u ) в связи с отсутствием зерна и слагаемого А – вихревая диффузия, правая ветвь гиперболы апроксимируется к нулю. Для за висимости H = f (k ) для малых k = t R t M основную роль играет первое слагае / мое уравнения (8) B u, так как DG ~ 1 M, то Н уменьшается с ростом М, а сле довательно и с ростом k. При дальнейшем увеличении k, Н начинает увеличи ваться, вследствие увеличения слагаемых с С1 и С3 в уравнении (8) и проходит через максимум.

Для обеспечения высокой эффективности вязкость НЖФ для ГЖХ долж на быть низкой, т.к. DG ~ 1, то Н будет уменьшаться с уменьшением вязкости.

В капиллярной хроматографии 1( кап ) 1( нас ), поэтому для получения одинаковой селективности длина капиллярной колонки должна быть значи тельно больше заполненных сорбентом колонок. Наибольшее распространение в газовой хроматографии получили следующие капиллярные колонки по пуб ликациям в отечественной и зарубежной литературе.

По диаметру капилляра dC, мм По длине колонки L, м 0,1 0,1dC 0,2 0,2dC 0,3 0,53 0,75 10L20 20L30 30L40 40L50 7% 58% 24% 8% 3% 5% 21% 46% 2% 18% 8% В зарубежной практике к капиллярным колонкам применяют термин по лые трубчатые колонки или открытые трубчатые колонки. Они разделяются на трубки, внутренние стенки которых покрыты:

1. Жидкостью – WCOT;

2. Пористым слоем адсорбента – PLOT;

3. Слоем пористого ТН с нанесенным слоем НЖФ – SCOT.

Т.к. для капиллярных колонок характерны малые значения отношения 1 (в десятки раз меньшие, чем для заполненных сорбентом колонок), то это приводит к значительному уменьшению сорбционной емкости и увеличению вклада времени удерживания несорбирующегося вещества tM в суммарное зна чение удерживания сорбата tR. Поэтому в капиллярной хроматографии опреде ляют не число теоретических тарелок N, а число эффективных теоретических тарелок Neff или число реальных теоретических тарелок Nreal.

Быстродействие капиллярных колонок существенно выше, чем заполнен ных (~ в 10-20 раз), что предъявляет дополнительные требования к снижению инерционности детектора. Так, если на слое сорбента будут делиться два узких пика 1 и 2, то в элюате в детекторе из-за большой инерционности может про изойти их слияние 1+2.

Рис. 27. Влияние инерционности детектора на разделение веществ в ка пиллярной хроматографии:

а – хроматограмма на слое сорбента;

б – хроматограмма в элюате после детектирования.



Pages:   || 2 | 3 |
 





 
© 2013 www.libed.ru - «Бесплатная библиотека научно-практических конференций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.