Туркельтауб Ищенко.ВВЕДЕНИЕ В ХРОМАТОГРАФИЮ Часть 2

блока помещена спираль из металла с высоким

термическим сопротивлением. Через спираль

проходит постоянный ток, в результате чего она

нагревается. Если спираль обмывает чистый газноситель, спираль теряет постоянное количество теплоты и ее температура постоянна.

Рисунок 18. Схема ячейки по теплопроводности.

1 – вывод к источнику напряжения и мостовой схеме; 2

– блок детектора; 3 – нить катарометра. Стрелка указывает направление потока.

Если состав газа-носителя содержит примеси, то меняется теплопроводность газа и,

соответственно, температура спирали. Это

приводит к изменению сопротивления нити, которое измеряют с помощью моста Уитстона. При изменении состава газа, выходящего из колонки, сопротивление нитей меняется, равновесие нарушается и генерируется выходной сигнал. На

чувствительность катарометра сильно влияет

проводился при температурах указанных на рисунке, при скорости азота 25 мл/мин.

Начальная температура выбирается так, чтобы обеспечить разделение наиболее низкокипящих компонентов. Конечная температура определяется, как правило, исходя из верхнего температурного

предела неподвижной фазы. Скорость повышения

температуры подбирается так, чтобы обеспечить

Рисунок 13. Хроматограмма тяжелых нефтяных фракций методом капиллярной газовой хроматографии. Капиллярная колонка 4м, диаметром 0,6 мм. Неподвижная фаза: химически связанный диметилсиликоновый полимер. Программирование температуры от 30 до 430ºС. Скорость программирования уменьшалась от 15 до 5º/мин. (30 200ºС со скоростью 15º/мин; 200 300º – 10º/мин; 300 430º – 5 º/мин.)

разделение наибольшего числа пиков компонентов смеси за приемлемое время. После окончания анализа хроматограф выходит на первоначальный режим.

Кроме программирования температуры

разработан метод программирования скорости газа-

носителя, но он не получил столь широкого

распространения в газовой хроматографии.

Следует заметить, что в современных хроматографах все управление прибора передано

компьютеру, что позволяет осуществлять очень

сложные схемы изменения температуры и скорости газа-носителя.

Ярким примером высокотемпературной газовой хроматографии является анализ нефтей на очень коротких колонках, на которых удалось добиться

элюирования предельных углеводородов до С120

включительно с молекулярной массой до 1700 а.е.м. (рис. 13).

Для разделения таких сложных смесей требуются колонки с высокой эффективностью.

Самая высокоэффективная насадочная колонка

имеет эффективность 1 000 000 т.т. и длину 1220 м. Однако, давление на входе в эту колонку превышало 17,2 МПа. Чтобы уменьшить перепад давления по колонке, была предложена капиллярная колонка. В

капиллярной колонке (WCOT) внутренняя

поверхность капилляра покрыта пленкой жидкой фазы (wall-coated open tubular). Эти колонки имеют

высокую эффективность и низкое давление на входе. Так, при длине 270 м, диаметре 0,25 мм

эффективность такой колонки составляет 700 000 т.т. Однако адсорбционная активность стенок капилляра

оказалась очень высокой, поэтому капилляры из нержавеющей стали и меди заменили сперва на стеклянные, а затем на кварцевые. Другим недостатком капиллярной колонки является то, что лишь 1% ее объема занят жидкой фазой. (Для

5.3 Детекторы для газовой хроматографии

Детекторы реагируют на изменение состава

газового потока, выходящего из колонки. Сигнал

детектора поступает в компьютер (или записывается самописцем и обсчитывается интегратором).

Известно более 60 типов детекторов. Наиболее

распространены детектор по теплопроводности газа

(ДТП или катарометр), пламенно-ионизационный (ПИД), электронно-захватный (ДЭЗ). Технические характеристики некоторых современных детекторов приведены в таблице 5.

Таблица 5. Основные типы детекторов для ГХ

Ниже рассмотрен принцип действия некоторых из детекторов.

Катарометр. В полость металлического

Колонка 2 м, диаметром 4 мм заполнена порапаком Q. Температура 220º, скорость гелия 37 мл/мин. 1 – вода; 2 - метанол; 3 – этанол; 4 – ацетон; 5 – метилэтилкетон; 6 – тетрагидрофуран; 7 – диоксан; 8- диметилформамид.

Это порапак Q и полисорб 1. На сегодня известно

большое число подобных адсорбентов, которые

выпускаются различными фирмами.

На рис. 18 показана хроматограмма определения воды в растворителях.

Таблица 4. Основные адсорбенты для газовой хроматографии

этилвинилбензола сшитого с дивинилбензолом.

насадочных колонок – 10%.).

Рисунок 14. Хроматограмма разделения n-ксилола (1), m- ксилола (2) и o- ксилола (3) на капиллярной колонке длиной 50 м из нержавеющей стали с содержанием жидкой фазы – сквалана 5% (а), 10% (б) и 30% (в).

Это приводит к снижению фактора разделения. На

рис. 14 представлены три хроматограммы смеси o-, m- и n-ксилолов на капиллярной колонке с содержанием жидкой фазы – 5%, 10% и 30%.

Пример 2. Найти требуемое число теоретических тарелок n(Уравнение (20)), если Rs= 1.

Для а) капиллярной колонки: tR2 = 60 мин; tR1 = 50

Для увеличения объема жидкой фазы на стенки

капилляра наносят твердый носитель, пропитанный неподвижной фазой (support-coated) или слой твердого адсорбента (porous-layer).Такие колонки называют (SCOT) и (PLOT) соотвественно.

Кроме того, были предложены микронасадочные колонки, которые позволяли получить 40 000 т.т. на колонке длиной 15 м, диаметром 0,8 мм при давлении на входе 0,4 МПа.

При идентификации некоторых смесей можно воспользоваться литературными данными. Обычно используются относительные времена удерживания. Однако различные исследователи выбирают разные

стандарты. Чтобы унифицировать выбор, было

предложено взять в качестве стандарта целый гомологический ряд, а не отдельное вещество. Для

идентификации рекомендовано использовать индекс

удерживания (I), который вычисляется по следующей формуле:

соединением; Vz+1 - удерживаемый объем n-алкана,

выходящего из колонки сразу после анализируемого соединения; z - углеродное число n-алкана.

Пример 3. Вычислить индекс удерживания бензола для колонки с насадкой: 20% динонилфталата на носителе хромосорб W AW при температуре 100ºС.

Решение. В этих условиях приведенное время удерживания n-гексана будет равно 13,5 мин, n-

этанол; 4 – этилацетат; 5 – пропанол; 6 – изобутанол; 7 – уксусная кислота; амиловый и изоамиловый спирты.

Диаметр пор в молекулярных ситах определяется размером атома катиона. Сама структура — микропористая и размер пор близок к размерам малых молекул. Поэтому цеолиты пригодны для

разделения газов и самых легких углеводородов, а

также позволяют осуществлять групповое разделение линейных олефинов от изо- и циклических аналогов.

Цеолиты легко поглощают влагу и используются для

осушки газов.

Пористые полимерные сорбенты - наиболее распространенные сорбенты в газовой

хроматографии. Они используются для анализа

широкого круга веществ от газов до высококипящих соединений. Особенно широко они применяются при анализе водных растворов. В таблице 4 приведены только два наиболее распространенных у нас пористых полимера.

Рисунок 18. Определение воды в растворителях.

результате улучшается симметрия пиков.

Графитированная термическая сажа является

наиболее подходящим адсорбентом для разделения

геометрических изомеров. Осуществляется также модификация поверхности графитированной сажи (адсорбенты карбопак В и карбопак С) добавками микроколичеств кислот типа пикриновой, фосфорной или неподвижных фаз.

При использовании графитированной сажи реализуются наиболее существенные достоинства газоадсорбционной хроматографии по селективности

и эффективности. Кроме того, на этот сорбент можно

нанести небольшое количество неподвижной фазы. Структура кристалла цеолита 4А может быть

описана формулой Na12(Al2O3)12 (SiO)12 27H2O.

Рисунок 17. Анализ шотландского виски на карбопаке В + 5% карбовакса 20М. 1 – ацетальдегид; 2- метанол; 3 –

гептана - 16,5 мин, n-октана - 20,0 мин, а бензола -

17,5 мин. Величины индексов удерживания n- парафинов вычисляются по формуле I = 100 z. Эти значения не зависят от типа колонки и рабочих условий. Индекс удерживания n-гексан равен 600; n- гептана - 700; n-октана – 800. Индекс удерживания

бензола, вычисленный по уравнению (28) равен 733.

Существуют обширные справочные таблицы по

широкому кругу анализируемых соединений и

неподвижных фаз. На сегодня эффективность хроматографических колонок ограничена (для газовой хроматографии 1 000 000 т.т., для жидкостной 100 000

т.т.).

В связи с этим большое значение приобретает увеличение селективности разделения, что наряду с эффективностью является центральной проблемой теории и практики хроматографии.

Коэффициент селективности (фактор разделения)характеризует избирательность, способность к специфическим взаимодействиям (ориентационным, индукционным, дисперсионным, к образованию водородных связей).

где Pi – упругость пара анализируемого вещества,

i – коэффициент активности анализируемого

вещества.

Вслучае идеальных растворов, когда

отношением упругостей пара. При разделении изомеров или других веществ с близкими значениями давлений насыщенного пара селективность будет

определяться различием коэффициентов активности. Оценку селективности по функциональным

группам лучше проводить по графикам зависимости удерживаемого объема от числа атомов углерода в молекулах разделяемых веществ (рис.15). Из рисунка видно, увеличение удерживаемых объемов

соединений различных классов по отношению к n-

алканам (с одним и тем же числом атомов углерода в молекуле).

Рисунок 15. Зависимость lg VR от числа атомов углерода в молекуле (n), на метилсиликоновой фазе SE – 30*. 1 - спирты; 2 - эфиры; 3 – кетоны и альдегиды; 4 – ароматические углеводороды; 5 - алканы.

Еще более наглядно зависимость разности индексов удерживания I от природы функциональных групп представлена на рис.16.

370ºС. Однако это не мешает при анализе нефтей

использовать эту фазу короткое время при 430ºС.

5.2.Газоадсорбционная хроматография

Газоадсорбционная хроматография используется реже, чем газожидкостная из-за нелинейности

изотермы адсорбции.

К числу неорганических адсорбентов относят

силикагель, оксид алюминия, активный уголь,

графитированную сажу и молекулярные сита. В газовой хроматографии преимущественно используют широкопористые силикагели, которые получают из обычного силикагеля высокотемпературной обработкой (до 700—950°С) или гидротермальной обработкой с паром в автоклаве. Найден комплекс

приемов, который позволяет получать любую

разумную структуру силикагелевых адсорбентов как для газовой, так и для жидкостной хроматографии.

Вместе с тем оксид алюминия получают лишь в

нескольких модификациях, имеющих близкую к силикагелю удельную поверхность. Удерживание на силикагелях и на оксиде алюминия зависит от удельной поверхности, степени насыщения

поверхности водой, условий предварительной

термообработки, а также от свойств разделяемых соединений, в первую очередь их полярности,

наличия водородных связей и некоторых других свойств. Заслуживает внимания графитированная

сажа, получаемая нагреванием сажи в атмосфере инертного газа при 3000°С. Вследствие этого

удаляются все летучие примеси, происходит перекристаллизация углерода в кристаллы полиэдрической формы и поверхность становится почти свободной от ненасыщенных связей, электронных пар, свободных радикалов и ионов. В

селективно удерживают соединения олефинового

ряда в результате образования нестойких

комплексов. Для разделения орто-, мета- и пара-

изомеров применяются смеси обычной неподвижной фазы и модифицированной монтмориллонитовой глины бентон 34. Соли органических кислот такие, как стеарат цинка селективно удерживают амины, аминокислоты и спирты. Жидкие кристаллы, нематическая фаза которых сильнее удерживают,

например, паразамещенные бензолы по сравнению с

метаизомерами. Разделения оптических изомеров связано с использованием в качестве неподвижной

фазы оптически активных эфиров аминокислот.

(Более подробно это представлено в разделе лигандообменная хроматография.)

Большой объем данных по константам Мак-

Рейнольдса и Роршнейдера позволяет заменить

старые неподвижной фазы, приведенные в литературе, более новыми, с более высоким верхним температурным пределом.

Верхний температурный предел неподвижной

фазы определяется ее природой, а также требованиями проведения хроматографического

разделения. Что касается первого, то сегодня

наиболее термостойкими являются силиконы. Они представляют собой силоксановые жидкости или

каучуки с различными органическими радикалами. Принято считать, что стационарная фаза может

работать при указанной температуре, если при

«рабочей» скорости газа-носителя она за 500 часов (3 месяца) непрерывной работы потеряет не более 50% первоначального количества. К сожалению, даже для карборансилоксановой фазы верхний температурный предел при этих условиях составляет

Рисунок 16. Зависимость величины I (разности индексов удерживания) от структуры анализируемого соединения. Жидкая фаза – эмульфор О, температура колонки 130ºС. R - цепь n-парафина шестью или большим числом атомов углерода.*

Свойства, обуславливающие селективность за

счет взаимодействия молекул с функциональными группами, объединяют общим термином “полярность”.

Было предложено все фазы оценивать по относительной полярности. Так, при разделении бензола и циклогексана (бутана и бутадиена)

неподвижная фаза – сквалан имела полярность, равную нулю, а , ’- оксидипропионитрил, равную

100%. Полярность всех остальных жидких фаз находилась между этими фазами.

Однако скоро стало очевидно, что “относительная

полярность” зависит не только от полярности

неподвижной фазы, но и от природы анализируемого вещества. Поэтому вместо этих двух веществ стали

использовать пять, а затем и десять соединений. В

проспектах наиболее известных фирм, продающих неподвижные фазы, для оценки относительной полярности используются бензол, бутанол-1, пентанон-2, нитропропан, пиридин. Для каждой неподвижной фазы вычисляются индексы удерживания для этих пяти соединений. Величина

полярности неподвижной фазы определяется

Таблица 3. Наиболее распространенные жидкие фазы в ГЖХ

Ранее были вычислены индексы удерживания для бензола на колонке с динонилфталатом 733, а на колонке со скваланом 649. При этом ΔI=a·x

представляет собой меру полярности колонок с

динонилфталатом для углеводородов ароматического ряда.

Точно также определяются значения ΔI=b·y для бутанола 1, ΔI=c·z для пентанона-2, ΔI=d·u для нитропропана и ΔI=e·s для пиридина.

Полярность любой другой фазы определяется

подобным образом. Вычисляются индексы удерживания для бензола и для других четырех соединений. Из них вычитаются индексы удерживания, полученные на колонке со скваланом. Полученные значения складываются.

В таблицах монографий и проспектов, посвященных выбору селективных жидких фаз,

приведены значения разности индексов удерживания, которые и характеризуют полярность колонки. Сравнивая значения, приведенные в таблице 3 со значениями констант для , ’-оксидипропионитрила

(647, 857, 752, 1028, 915) можно сделать вывод, что полибисцианопропилсилоксан OV-275 не сильно уступает последнему по полярности. Точно также можно оценить полярность и других неподвижных

фаз, приведенных в таблице.

При разделении смеси очень близких по структуре

веществ, например, пространственных изомеров, принимают во внимание способность жидкой фазы к специфическим взаимодействиям.

К особо селективным жидким фазам следует отнести соли серебра. Нитрат и перхлорат серебра