4.19M

Категория:

Физика

Хроматография

1.

www.chromatec.ru
ХРОМАТОГРАФИЯ
ГАЗОАДСОРБЦИОННАЯ ХРОМАТОГРАФИЯ

Характеристика метода
Газоадсорбционная хроматография - метод разделения и анализа смесей газо- или парообразных
веществ, основанный на их различной адсорбции твёрдыми адсорбентами.
Метод ГАХ предложен в 1945-1948 гг. Эрикой Кремер (Австрия)
В основном используется для быстрого анализа атмосферного воздуха и легких газовых смесей (в химической
технологии). Определяют O2, N2, CO2, CO, H2S, SОx, NOx CH4. Тем же методом анализируют высококипящие
органические жидкости.

3.

4.

Требования к адсорбенту
Порошкообразное состояние (размер частиц до 1 мм)
Монодисперсность (например, фракция 10-15 мкм)
Высокая удельная поверхность (свыше 50 м2/г)
Механическая прочность частиц
Химическая инертность
Термостойкость
Наличие активных центров на поверхности

5.

Активные центры
Одновременно существуют разные активные центры, адсорбирующие из ПФ разные частицы.
• Силанольные группы (кислотные центры) для
нормально-фазовой хроматографии
OH
Si O
OH
OH
Si O
Si
O
O
Si
O
Si

6.

Активные центры
Одновременно существуют разные активные центры, адсорбирующие из ПФ разные частицы.
• Силанольные группы (кислотные центры)
OH
Si O
OH
OH
Si O
Si
O
O
Si
O
Si
Предварительная обработка адсорбента (прокаливание, промывка реагентами, радиационная прививка
и др.) приводит к доминированию тех или иных центров, то есть к получению адсорбента с заданными
свойствами!

7.

8.

Особенности метода
Преимущества:
• Возможность работы при высоких
температурах и давлениях;
• возможность направленной модификации
свойств адсорбента;
• селективность адсорбции (вплоть до
разделения изотопов и оптических
изомеров);
• проявление дополнительного эффекта –
разделение молекул по размерам.
Недостатки:
• Выбор адсорбентов ограничен, а их
свойства при повторном приготовлении
колонки плохо воспроизводимы и
теоретически не предсказуемы;
• Возможность необратимой сорбции и
химических превращений компонентов
пробы на активных центрах;
• Нелинейность изотерм адсорбции, ведущая
к искажению формы пиков и неполному
разделению компонентов.

9.

Классификация адсорбентов и адсорбатов

10.

Классификация адсорбатов
• Группа А: инертные газы, алканы.

11.

Классификация адсорбатов
• Группа А: инертные газы, алканы.
• Группа В: полярные молекулы с неподеленными
электронными парами или p- связями.
Молекулы группы В способны проявлять наряду с универсальным неспецифическим также специфическое
межмолекулярное взаимодействие.

12.

13.

Классификация адсорбатов
• Группа С: молекулы с локализованным положительным
зарядом (Li в молекуле LiCH3).
Взаимодействуют с молекулами группы А неспецифически, с молекулами группы В и друг с другом –
специфически.
• Группа D: диполи, ассоциаты.
Взаимодействие молекул группы с группой А неспецифическое (дисперсионное и отчасти индукционное).
Межмолекулярное взаимодействие молекул группы Д с молекулами групп В и С – специфическое.

14.

15.

16.

Классификация адсорбентов
Специфичность взаимодействия адсорбентов с молекулами разделяемых соединений связана прежде всего с
химией поверхности адсорбентов.
• 1
тип – неспецифические неполярные адсорбенты –
насыщенные углеводороды (кристаллические, полимерные),
химически инертные поверхности атомных решеток (в
частности, базисная грань графита).
• 2
тип – специфические адсорбенты с локализованными
на поверхности положительными зарядами или другими
электроно-акцепторными центрами.
• 3
тип – специфические адсорбенты, несущие на
поверхности отрицательные заряды: грани кристаллов,
образованные преимущественно анионами, или
поверхности пористых полимеров с выходящими наружу
нитрильными, карбонильными или эпоксигруппами.

17.

Классификация адсорбентов по их геометрической структуре

18.

Параметры сорбентов
• Удельная поверхность Sа: геометрическая площадь поверхности стенок пор, приходящихся на 1 грамм
адсорбента ();
• Удельный объем пор Vр: общий объем пор, приходящийся на 1 грамм адсорбента);
• Средний диаметр пор d50: диаметр, по отношению к которому поры с меньшим и большим диаметром
составляют половину общей пористости;
• Распределение пор по величине диаметра (функция распределения dVp / dd50).

19.

Размер пор
• Средний диаметр пор по порядку величины значительно больше размеров адсорбированной молекулы
- адсорбционное равновесие устанавливается очень быстро.

20.

21.

Размер пор
• Средний диаметр пор по порядку величины значительно больше размеров адсорбированной молекулы
- адсорбционное равновесие устанавливается очень быстро.
• Средний диаметр пор мало отличается от диаметра молекулы - скорость процесса адсорбции зависит от
размеров адсорбируемых молекул и формы пор адсорбента.
• микропористые адсорбенты, для которых величина d50 < 3 нм, а Sa >500 м2/г (высокий k);
• мезопористые адсорбенты с порами переходного диаметра от 3 до 200 нм;
• макропористые адсорбенты, для которых величина d50 > 200 нм, а Sa < 10 м2/г (быстрый массообмен);

22.

Неорганические сорбенты

23.

24.

25.

Углеродные сорбенты
• графитированная термическая сажа
непористый, инертный и устойчивый к высокой температуре адсорбент с физически и химически однородной
поверхностью.
Подходит для разделения структурных и стереоизомеров, которые на жидких неподвижных фазах можно
разделить лишь при очень высокой эффективности колонки.
• активированный уголь
неспецифические адсорбенты с сильно развитой пористой структурой, образованной главным образом макро- и
мезопорами различного диаметра.
Большая геометрическая и химическая неоднородность поверхности - регистрируемые на хроматограмме пики
даже низкокипящих газов обнаруживают асимметрию (“хвосты”).
• углеродные молекулярные сита
Незначительная полярность.
Неспецифические адсорбенты, для полярных веществ характерно малое время удерживания. Исключительно
чистая поверхность - разделение высокополярных соединений и выделение микропримесей при
программировании температуры. Первыми элюируются соединения с меньшим числом ненасыщенных связей.

26.

Углеродные сорбенты
• углеродные молекулярные сита
Незначительная полярность.
Неспецифические адсорбенты, для полярных веществ характерно малое время удерживания. Исключительно
чистая поверхность - разделение высокополярных соединений и выделение микропримесей при
программировании температуры. Первыми элюируются соединения с меньшим числом ненасыщенных связей.

27.

28.

29.

Кремниевая кислота
• Силикагель
Аморфный продукт конденсации поликремниевых кислот и характеризуется очень высокой величиной удельной
поверхности. Специфически адсорбирует молекулы с высокой электронной плотностью (спирты, эфиры, кетоны и
амины), а также неполярные молекулы с поляризующимися связями (ароматические соединения, олефины).
Адсорбционная активность силикагеля зависит от содержания в нем воды и снижается по нелинейному закону при
увеличении ее количества.
• Пористые стекла
Воспроизводимый диаметр пор с размером от диаметра молекулы до нескольких нанометров с абсолютно
одинаковым размером пор как на поверхности, так и внутри зерен. Процесс проникновения разделяемых молекул
внутрь зерна протекает сравнительно медленно, что замедляет массообмен.
• Цеолитовые молекулярные сита;
Кристаллические алюмосиликаты с трехмерной структурой из тетраэдров SiO4 и AlO4 с большой внутренней
удельной поверхностью. Строго регулярная система пор. Заполняющая пустоты гидратная вода слабо связана с
решеткой и удаляется при нагревании без заметного изменения структуры цеолита.
Поверхность образована ионами, которые несут значительные положительные и отрицательные заряды и придают
ей гидрофильность.

30.

Цеолитовые молекулярные сита
Цеолиты построены из чередующихся тетраэдров SiO4 и
АlO4, соединенных друг с другом вершинами.
Для цеолита А отношение Si/Al = 1.
Для цеолитов Χ, Υ оно меняется от 1,1 до 2,5.
Цеолиты относятся к специфическим адсорбентам, преимущественно
молекулы, непредельные и ароматические углеводороды.
адсорбирующим
полярные

31.

Органические сорбенты
Хроматография
Газожидкостная хроматография

32.

Характеристика метода
Газо-жидкостная хроматография используется для разделения «летучих» соединений, т.е. соединений с
молекулярной массой до 500.
Чувствительность метода: позволяет определить до 10-6 г количества соединения
Жидкая неподвижная фаза - высокомолекулярная нелетучая жидкость (силиконовые масла, углеводородные
смазки и высокомолекулярные полиэфиры)

33.

34.

Твердый носитель
Назначение твердого носителя – обеспечить наиболее эффективное использование неподвижной
жидкости.
Носитель должен обладать свойствами:
• значительной удельной поверхностью;
• малой адсорбционной способностью по отношению к разделяемым веществам;
• химической инертностью;
• достаточной механической прочностью;
• способностью к равномерному заполнению колонки;
• стабильностью при повышенных температурах;
• смачиваемостью поверхности неподвижной жидкостью.
Задачи твердого носителя:
• эффективное удерживание на своей поверхности неподвижной жидкой фазы в виде равномерного
тонкого слоя;
• обеспечение достаточно большой поверхности раздела между подвижной и неподвижной фазами.
Эффективность разделения зависит от:
• от однородности заполнения колонки насадкой;
• от особенностей геометрической структуры поверхности частиц твердого носителя;
• от величины адсорбционной активности твердого носителя.

35.

Твердый носитель
• Высокая пористость - жидкость не стекает с зерен.
• Поры должны быть широкими, узкие поры создают дополнительное сопротивление массопередаче.
Оптимальными для твердого носителя являются:
• удельная поверхность
0,5-2 м2/г ;
• величина зерна 0,15-0,30 мм;
• сферические частицы с d пор 0,5·10-3÷1,5·10-3 мм.

36.

37.

38.

Твердый носитель
Силикатные носители – чистые диатомитовые земли (кизельгур), или цеолит 545
Путем плавления, кальцинирования, просеивания, промывке в кислоте или щелочи и силанизации получают
Хромосорб W белый – наиболее инертный, используют для анализа полярных соединений.
Хромосорб Р розовый - более твердый и тяжелый материал, чем белый; его пористость выше.
Хромосорб G перламутровый, используют для анализа полярных соединений.
Хромосорб А розовый для препаративной хроматографии
Носители из графитированной сажи
Полимерные:
Полихром- 1, -2 (Россия), продукт полимеризации тетрафторэтилена, используется при анализе полярных
соединений;
Тефлон – 6 (США);
Полисорб- 1 (Россия), продукт сополимеризации стирола и дивинилбензола, чаще используют в ГАХ;
Хромосорб – 100, 110 (США)

39.

40.

Твердый носитель
Чтобы устранить или уменьшить активность твердых носителей применяют методы:
1. Химическое модифицирование:
а). Промывка минеральными кислотами
б). Промывка щелочами
в). Обработка силанами или хлорсиланами - дезактивация
гидроксильных групп на поверхности
г). Введение алкильных групп
д). Нанесение НЖФ с ее последующей полимеризацией на
поверхности носителя
2. Физическое модифицирование:
а). Насыщение анализируемым веществом
б). Нанесение других сильнополярных веществ
на поверхность
в). Нанесение слоя смолы
г). Покрытие благородным металлом

41.

Неподвижная жидкая фаза
Параметры
• химическая активность;
• давление паров и термостойкость;
• размеры молекул;
• вязкость;
• способность к образованию пленок;
• способность к растворению разделяемых соединений;

42.

Неподвижная жидкая фаза
1. Классификация НЖФ в зависимости от вида их функциональных групп:

43.

Неподвижная жидкая фаза
2. Классификация НЖФ по максимально допустимой рабочей температуре:
- органическая НЖФ до 200 0С;
- кремнийорганическая НЖФ до 350 0С.
Нижний температурный предел = температура плавления вещества + 5−10 оС
Верхний температурный предел = температура, при которой в течение трех месяцев непрерывного использования
потеря неподвижной жидкой фазы по массе составляет около 2 %.

44.

45.

Полярность жидких фаз
3. Метод классификации НЖФ по их условной хроматографической полярности, предложенный Роршнайдером:
неполярной неподвижной фазе, например, сквалану, приписывается значение условной полярности, равное 0;
высокополярной неподвижной фазе (β,β’–оксидипропионитрил) – 100.
Стандартные вещества: бутадиен (полярное) и бутан (неполярное).
Для других неподвижных фаз условная хроматографическая полярность
рассчитывается путем сравнения lgVотн на исследуемых и стандартных
неподвижных фазах.
где Рр − полярность неподвижной жидкой фазы;
VpRX, VpRH − удерживаемые объемы компонентов RX и RH на тестируемой фазе;
VnRX, VnRH − удерживаемые объемы компонентов RX и RH на стандартной
неполярной неподвижной жидкой фазе соответственно.

46.

Полярность жидких фаз

47.

48.

49.

Полярность жидких фаз
Классификация неподвижных жидких фаз по веществам-стандартам.
Бензол (a)- донорно-акцепторное взаимодействие
Этанол (b) (акцептор электронов) - образование водородных связей
Метилэтилкетон (c) (донор электронов) – образование водородных связей
Нитрометан (d) - донорно-акцепторное взаимодействие
Пиридин (e) - ориентационное взаимодействие
∆I = Iполярная – Iнеполярная = ax + by + cz + du + es
a, b, c, d, e характеризуют вещество
x, y, z, u, s характеризуют неподвижную жидкую фазу
величина y склонность НФ к образованию водородной связи, характеризует “карбоксильную” селективность;
фактор z склонность НФ к диполь-дипольному взаимодействию, характеризует “карбонильную селективность”;
факторы u и s характеризуют НФ как акцептор и донор электронов.

50.

Полярность жидких фаз

51.

52.

Полярность жидких фаз
Система классификации неподвижных жидких фаз
Роршнейдера позволяет:
• выявить взаимозаменяемые неподвижные жидкие
фазы;
• осуществить рациональный выбор неподвижной
жидкой фазы для разделения конкретной смеси
веществ.
Пример: выбор неподвижной жидкой фазы для
разделения смеси бензола, этанола и ацетона.
Обычный порядок выхода веществ – ацетон и сумма
этанола и бензола, в соответствии с tкип.
Нужна жидкая фаза с большим значением у
относительно констант х и z.

53.

Характеристики некоторых фаз

54.

Характеристики некоторых фаз
При выборе НЖФ надо учитывать правило “подобное растворяет подобное, а противоположное разделяет”.

55.

Характеристики некоторых фаз
Неполярные фазы
полидиметилсилоксан
аполан 87
CH3
H3C
Si
O
Si
CH3
CH3
O
Si
CH3
CH3
95%
5%
поли(5%-дифенил–95%-диметил)силоксан

56.

Характеристики некоторых фаз
Умереннополярные фазы
CN
CH3
H3C
Si
O
Si
CH3
CH3
O
Si
CH3
CH3
50%
50%
поли(50% - цианопропилфенил – 50%-диметил)силоксан

57.

Характеристики некоторых фаз
Полярные фазы
полиэтиленгликоль
Полиэтиленгликольсукцинат
1,2,3- трис(2-цианоэтокси)пропан

58.

Количество неподвижной фазы
5−40 г на 100 г твердого носителя
Для легкокипящих веществ 15−25%
Для тяжелых сорбатов 2−5%
С повышением содержания НЖФ у сорбентов:
повышается селективность;
уменьшается адсорбционный эффект (симметричные пики);
увеличивается емкость колонки.
С понижением содержания НЖФ у сорбентов :
эффективность разделения повышается;
с повышением температуры в меньшей степени увеличивается фон (меньше унос фазы);
возрастает скорость анализа;
возможность работы при более высоких температурах.

59.

Нанесение неподвижной фазы
Метод «испарения из чашечки»
Фильтрационный метод
Фронтальный метод
Приготовление сорбента в «кипящем слое» (противоточный метод)
Метод нанесения НЖФ в вакууме

60.

Неподвижная жидкая фаза
Выбор НФ осложняется наличием многообразных видов взаимодействий между молекулами НФ и разделяемых
веществ.
Основные типы взаимодействия:
• неспецифические дисперсионные взаимодействия, характерные для неполярных молекул (алканы, бензол);
• ориентационные взаимодействия между молекулами, обладающими постоянными дипольными моментами
(в частности, с образованием водородных связей);
• индуцированные взаимодействия между постоянным и наведенным диполями;
• химические взаимодействия с образованием комплексов с переносом заряда, например, между
ароматическим кольцом и ионом металла.

61.

Неподвижная жидкая фаза
В зависимости от объекта исследования селективность рассматривают в трех аспектах:
1. селективность как способность к разделению каких-либо двух компонентов (например, близкокипящих
изомеров);
2. селективность как способность к разделению компонентов одного гомологического ряда;
3. селективность как способность к разделению компонентов двух или нескольких гомологических рядов.
Для практического решения поставленной задачи обычно используют следующие способы:
• применение составных колонок, заполненных различными по полярности сорбентами;
нанесение на носитель одновременно двух различных НЖФ в определенном соотношении;
заполнение колонки смесью двух сорбентов.

62.

63.

Особенности ГЖХ
Основные преимущества:
• симметричные пики из-за линейной изотермы
сорбции;
• более 1000 коммерчески доступных фаз;
• количество неподвижной жидкой фазы легко
изменять;
• использование одной жидкой фазы для
препаративных и аналитических колонок;
• НЖФ достаточно доступны;
• НЖФ отличаются чистотой, стабильностью
свойств – высокая воспроизводимость.
Основным
недостатком
варианта
газожидкостной хроматографии является возможная
высокая
летучесть
и,
следовательно,
нестабильность жидких фаз, что затрудняет
анализ микропримесей, анализ при высоких
температурах, анализ с программированием
температуры.

64.

Как выбрать фазу в ГЖХ?
1. Наиболее важный параметр – полярность определяемых соединений (используется принцип «подобное
растворяется в подобном»
2. Температура кипения определяемых веществ – фаза не должна испаряться
3. Посмотреть таблицы с индексами удерживания (Ковача)
4. Каталоги, CD-ROM, интернет
5. Научная литература (более 100 000 публикаций)
6. Спросить у того, кто знает…

English Русский Правила