Н. И. Царев, В. И. Царев, И. Б. Катраковпрактическаягазоваяхроматография
 Скачать 1.41 Mb.
|
|
Носители из графитированной сажи находят применение при решении специальных аналитических задач (например, при разделении серосодержащих и кислых газов). Кроме природных материалов в качестве твердых носителей при- меняют полимерные материалы. Существует два типа полимерных твердых носителей: − полихром-1 или 2 (Россия), Тефлон-6 (США); − полисорб-1 (Россия), Хромосорб-100 − 110 (США). Оба эти сорбента обладают невысокой максимально допустимой рабочей температурой (220 и 170 ° С, соответственно), малой механиче- ской прочностью (особенно полихром-1, легкосминаемый) и высокой электризуемостью. Полисорб-1 — продукт сополимеризации стирола и дивинилбен- зола, типичный адсорбент (S уд = 250 м 2 /г). Этот тип носителя чаще всего используются в качестве адсорбентов в газово-адсорбционной хромато- графии (ГАХ). В ГЖХ используется редко, при этом оптимальное коли- чество НЖФ около 4% (монопленка). Надо полагать, что речь идет в дан- ном случае лишь о модификации сорбента. Полихром-1 — продукт полимеризации тетрафторэтилена, часто используется в ГЖХ при анализе высокополярных соединений (воды, кислот, гликолей и т.п.), поскольку неполярная поверхность его лишена адсорбционных центров и он не обладает каталитической активностью. К сожалению этот твердый носитель не дает высокоэффективных колонок (ВЭТТ около 3 мм), поскольку пористость его поверхности (S уд около 8 м 2 /г) обусловлена лишь мелкими, трещиновидными порами. Количест- во НЖФ, которое можно на него наносить, не превышает 10%. НЖФ на- носятся на него обычным способом. Однако заполнение колонки реко- мендуется проводить при охлаждении и сорбента и колонки до 0 ° С. При этом уменьшается электризуемость сорбента и слипаемость его частиц. Такие колонки имеют несколько большую эффективность. Преимуществом твердых носителей, приготовленных на основе тефлона, является его минимальная химическая реакционная способ- ность: он реагирует только с расплавленными щелочными металлами и с элементарным фтором и совершенно не обладает каталитической и ад- сорбционной активностью. Таким образом, он является лучшим носите- лем для разделения сильнополярных и реакционноспособных соедине- ний. Недостатками полимерных твердых носителей являются: 46 − плохая смачиваемость; − сильная электризуемость; − невысокая прочность; − низкая максимально допустимая рабочая температура (обычно не выше 165 − 200 ° С); − небольшое количество наносимой НЖФ (около 10%). Малой каталитической и адсорбционной активностью обладают так же многие сорта стеклянных микрошариков, применение которых возможно в качестве твердого носителя. Вследствие малой удельной по- верхности стеклянных шариков на них можно наносить лишь малые ко- личества неподвижной жидкой фазы. Максимальное количество НЖФ зависит от радиуса шариков, поверхностного натяжения и плотности не- подвижной жидкой фазы и находится в пределах 0,05 − 3%. Твердые вещества с удельной поверхностью 10 − 10 3 м 2 /г могут применяться в качестве твердых носителей и адсорбентов. Наиболее под- ходящими для газовой хроматографии адсорбентами являются такие, у которых удельная поверхность колеблется в пределах 60 − 400 м 2 /г. К ним относятся активные угли, силикагель, активный оксид алюминия, моле- кулярные сита и пористые полимеры. Данный вид твердых носителей используется в газо-адсорбционной хроматографии в качестве насадки. 2.4.2 Модифицирование твердых носителей Чтобы устранить или, по крайней мере, уменьшить присущую большинству твердых носителей нежелательную активность, применяют различные методы: 1. Химическое модифицирование твердых носителей: а) промывка минеральными кислотами (кипячение с НCl или Н 3 PO 4 ) используется для понижения каталитических свойств (маркиров- ка: хроматон-N-AW); применяют при анализе кислот; б) промывка щелочами позволяет нейтрализовать кислотные свой- ства поверхности (маркировка: хроматон-N-ABW); используют при ана- лизе основных соединений. в) обработка хлорсиланами или силазанами позволяет дезактиви- ровать высокоактивные гидроксильные группы на поверхности твердого носителя (маркировка: хроматон-N-AW-ДМХС); г) введение алкильных групп; д) нанесение НЖФ с последующей ее полимеризацией непосред- ственно на твердом носителе. 47 2. Физическое модифицирование твердых носителей: а) насыщение анализируемым веществом; б) нанесение других сильно полярных веществ на поверхность; в) нанесение слоя смолы; г) покрытие благородным металлом. Таким образом, для целей газо-жидкостной хроматографии приго- ден материал, который с самого начала или после модифицирования не- активен, обладая удельной поверхностью 1 − 2 м 2 /г, состоит из узких фракций в области величин зерна 0,15 − 0,30 мм и содержит устойчивые к нагреванию, по возможности правильные (сферические) частицы, не из- меняющие своей формы при механических воздействиях, с порами диа- метром от 0,5 ⋅ 10 -3 до 1,5 ⋅ 10 -3 мм. Свойства некоторых твердых носителей приведены в табл. 8. Таблица 8 − Свойства некоторых твердых носителей Торговое наименование Удельная поверхность, S уд , м 2 /г Максимальное содержание НЖФ, % Активность и прочие свойства Кизельгур 1 − 5 30 Возможны реакции с кислородсодержащими соединениями; для на- сыщенных спиртов воз- можно образование "хвостов"; оказывает высокое сопротивление потоку газа-носителя. Целит 545 0,45 30 То же Хромосорб-W 1 − 3 30 То же Стеклянные микрошарики 0,04 − 0,46 3 При содержании НЖФ выше 0,1% некоторые сорта не обладают ката- литической активностью, адсорбция отсутствует. Тефлон-6 0,44 − 0,64 8 Отсутствие каталитиче- ской и адсорбционной активности; применение до 180 ° С Силикагель, модифициро- ванный 9 60 Практически неактивен 48 2.4.3 Размер зерен сорбента Путем подбора размера зерен сорбента можно в несколько раз уве- личить эффективность колонки. Увеличение эффективности при умень- шении размера зерен объясняется уменшением размеров пустых полос- тей. Вследствие этого увеличивается неравномерность потока газа- носителя по сечению и путь внешней диффузии. Но чрезмерно мелкий сорбент увеличивает гидравлическое сопротивление, комкование и сли- пание частиц. Для сортировки носителя используют метод седиментации частиц или просеивание через сита. Для колонки диаметром 3 − 4 мм оптималь- ным считается размер частиц 0,1 − 0,2 мм (иногда мельче). Фракция долж- на быть более узкой, т.к. от этого зависит равномерность потока газа- носителя. 2.4.4 Плотность набивки колонки На четкость хроматографического разделения веществ влияет плотность набивки, от которой зависит гидравлическое сопротивление и доля свободного объема колонки. Универсальных рецептов нет. Плот- ность набивки должна быть такой, чтобы при оптимальной скорости по- тока газа-носителя давление на выходе было не слишком велико. Особое внимание необходимо уделять равномерности заполнения. 2.5 ХРОМАТОГРАФИЧЕСКИЕ КОЛОНКИ Хроматографическая колонка представляет собой трубку с фикси- рованной неподвижной жидкой фазой, через которую протекает подвиж- ная фаза. В зависимости от расположения неподвижной фазы колонки делятся на насадочные (набивные) и капиллярные (таблица 9). Таблица 9 − Типы хроматографических колонок Тип колонки Внутренний диаметр d k , мм Длина L k , м Объем V k , см 3 Насадочные 2,0 − 6,0 0,5 − 5,0 1,5 − 141 Микронасадочные 0,5 − 1,0 0,1 − 2,0 0,02 − 1,5 Капиллярные 0,05 − 0,5 10 − 200 0,02 − 39,2 49 2.5.1 Насадочные (набивные) колонки Насадочные колонки наполнены адсорбентом (система газ − адсорбент) или инертным твердым носителем, обработанным жидкой неподвижной фазой (система газ − жидкость). Материалом для насадочных колонок является нержавеющая сталь, никель, медь, алюминий, стекло или фторопласт. Металлические колонки отличаются прочностью. Их легко термо- статировать и перед использованием следует тщательно очищать (рас- твором соляной кислоты, органическими растворителями). Не всегда пригодны для анализа жирных кислот. Медные и алюминиевые колонки используют для анализа углево- дородов и других инертных соединений. При анализе полярных соедине- ний возможны адсорбционные и каталитические (как самого металла, так и их оксидов). Медные непригодны для разделения ацетилсодержащих смесей, а алюминиевые в случае использования молекулярных сит (в качестве адсорбента). Колонки из фторопласта (тефлона) используют для анализа корро- зионно-активных веществ и при выполнении анализов на содержание малых примесей высокополярных соединений (вода, аммиак и т.п.) при температуре более 90 − 100 ° С. Стеклянные колонки (пирексовские) используют при анализе по- лярных соединений. Достоинством колонки является возможность визу- ального наблюдения за состоянием насадки как в процессе набивки, так и в процессе анализа. Недостатком является хрупкость. Эффективность этих колонок зависит от размеров зерен насадки, от способа нанесения НЖФ на твердый носитель и от тщательности на- бивки трубки сорбентом. Микронасадочные колонки отличаются от насадочных только длинной и внутренним диаметром трубок (см. табл. 9). 2.5.2 Капиллярные колонки Капиллярные колонки имеют неподвижную фазу, твердую либо жидкую, нанесенную в виде тонкого слоя (толщиной максимум несколь- ко мкм) на внутреннюю стенку капилляра, остальное пространство оста- ется полой. Поток газа движется по такой колонке с большой линейной скоростью, не встречая значительного сопротивления. Несмотря на большую длину, для обеспечения необходимых расходов газа-носителя через капиллярную колонку оказывается достаточным примерно такое же входное давление, что и при работе с насадочными колонками. Капиллярные колонки делят на: 50 − открытые (незаполненные) (ООК) wall-coated open tubular columns (WCOT columns) классические; − открытые с пористым слоем (ОКК-ПС) porouslayer open tubular columns (PLOT columns); − открытые с твердым носителем (ОКК-ТН) support-coated open tubular columns (SCOT columns). Отличительной особенностью капиллярных колонок является очень высокая эффективность (до нескольких тысяч теоретических таре- лок на 1 м). ООК используют для разделения многокомпонентной сме- сей. Однако толщина пленки НЖФ (0,1 − 0,8 мкм) не позволяет достичь высокой емкости колонки при анализе концентрированных растворов. Нельзя разделить вещества с низкой молекулярной массой или инертных газов при обычных температурах (для этого используют ОКК-ПС и ООК- ТН). ОКК-ПС это капиллярные колонки, на внутренние стенки кото- рых нанесен слой адсорбента (Al 2 O 3 /KCl), молекулярные сита или порис- тые полимеры (порапак Q). К недостаткам этих колонок можно отнести меньшую эффективность по сравнению с ОКК-ТН, невысокую инерт- ность и снижение стабильности и воспроизводимости во времени. ОКК-ТН капиллярные колонки, на внутренних стенках которых нанесен слой носителя с НЖФ. Последняя наносится на твердый носи- тель, прикрепленный к стенке колонки. Основным достоинством являет- ся применение широкого ассортимента НЖФ. Эффективность работы капиллярной колонки в значительной мере определяется чистотой и однородностью внутренней поверхности капил- ляра. Капиллярные колонки изготавливают из нержавеющей стали, ме- ди, стекла или кварца и применяют в тех случаях, когда насадочные ко- лонки не позволяют достаточно хорошо разделять компоненты, либо ко- гда для хорошего разделения требуется слишком длительное время. Наиболее широкое распространение получили капилляры из стек- ла, позволяющие анализировать термически и каталитически неустойчи- вые, а также высокомолекулярные соединения. Стекла (натрий- кальциевые, боросиликатные) наиболее дешевы и доступны, к тому же инертнее и стабильнее, чем металлические. К недостаткам относят высо- кую остаточную адсорбционную активность (особенно по отношению к полярным соединениям) и низкую механическую прочность. Перечисленные выше недостатки для стеклянных колонок отсут- ствуют у кварцевых капиллярных колонок. Низкая остаточная адсорбци- онная активность достигается использованием химически чистого SiO 2 51 За счет нанесения на колонку после ее вытяжки внешнего защитного слоя (полиимидного лака, алюминиевого или золотого), предотвращается ста- тическая усталость колонки (гидролиз связи Si − O), влекущая за собой растрескивание и ломку капилляра. Если капилляры защищены поли- имидной пленкой, то при работе с ними нельзя превышать температуру 300 ° С. 2.5.3 Формы, установка и соединение колонок Колонку той или иной формы выбирают в соответствии с разме- рами термостата. Наиболее распространены U-, W-образные и спираль- ные колонки. В хроматографе колонки устанавливаются между дозатором и де- тектором. Концы колонок должны закрепляться в этих элементах хрома- тографа таким образом, чтобы полностью отсутствовало «мертвое про- странство», непродуваемое газом-носителем. Следовательно, в случае насадочной колонки игла микрошприца должна достигать насадки, а ко- нец капиллярной колонки должен при введении пробы находиться на расстоянии 10 − 15 мм от конца иглы. Выходной конец капиллярной ко- лонки вводится в горелку пламенно-ионизационного детектора непосред- ственно под форсунку или пропуская через нее на уровень среза пламени, а в случае электронно-захватного детектора — в пространство излучения. Чтобы не допустить утечку газа, колонки крепят в приборе накидными гайками и уплотняют бочкообразными, коническими, кольцевыми или другими прокладками. Металлические колонки можно уплотнять алюми- ниевыми прокладками или прокладками из нержавеющей стали, для стеклянных колонок рекомендуется применять пластиковые кольцевые прокладки (например, из витона или фторопласта), а при необходимости — из графита. Стеклянные и кварцевые капиллярные колонки уплотняют силиконовой резиной, кальрезом, веспелем и прессованной смесью гра- фита с фторопластом (графлок). У стандартных инжекторов имеется ввод для иглы, отделенный от атмосферы дисковой или цилиндрической прокладкой из силиконовой резины, которая хотя и не обладает такой упругостью, как натуральный каучук, но зато имеет более высокую свето- и термостойкость. Такие прокладки выпускаются нескольких типов: для обычных нужд и рабочих температур до 200 ° С; более упругие прокладки, обладающие большей стойкостью к прокалыванию: прокладки, применяемые при работе с про- граммируемой температурой в случае низкого содержания более летучих олигомеров и при максимальной температуре 250 − 300 ° С; наконец, для микроанализа рекомендуется силиконовая прокладка, покрытая политет- рафторэтиленовой пленкой. Для работы при высоких температурах (вы- 52 ше 300 ° С) применяют прокладки из эластомера типа политетрафторэти- лена (пиросеп S-1). Современные газовые хроматографы позволяют применять одно- временно две и более колонки. Колонки можно устанавливать либо па- раллельно, либо последовательно. В случае параллельного соединения можно получать большую информацию о качестве анализируемого ком- понента (если в каждой колонке разная неподвижная фаза). Колонки со- единяют последовательно при необходимости применения некоторых методик, согласно которым в процессе одного анализа требуется изме- нять направление потока газа-носителя и вспомогательного газа. Этой цели служит дополнительное оборудование, состоящее из многоходовых кранов или из сдвоенных тройников с подводимыми капиллярными или соленоидными клапанами. В этом случае можно применять метод обрат- ной промывки для быстрого удаления компонентов с большим временем удерживания, либо определять эти компоненты суммарно, либо выделять из всего хроматографического спектра только интересующий нас уча- сток. 2.5.4 Факторы, влияющие на эффективность колонки Диаметр и форма колонки Влияние диаметра набивных колонок на эффективность достаточ- но четко не выяснено. При аналитических исследованиях хорошим ком- промиссом являются трубки с внутренним диаметром 2 мм. Змеевиковые наполненные колонки могут иметь низкие характеристики, если отноше- ние диаметра трубки к диаметру змеевика мало. Этот эффект проявляется сильнее для колонок большого диаметра, однако в случае колонок с внутренним диаметром 1 − 3 мм и обычного диаметра змеевика им можно пренебречь. Характеристика капиллярных колонок является функцией квадрата внутреннего диаметра трубки. Поэтому малые внутренние диаметры, например 0,25 мм предпочтительнее, когда требуется высокая эффектив- ность. Длина колонки Минимальная длина колонки определяется числом тарелок, необ- ходимым для получения требуемой степени разделения. Максимальная длина зависит от объема термостата хроматографа и максимально допус- 53 тимого перепада давления, которое определяется используемым обору- дованием. Степень разделения возрастает как корень квадратный из длины колонки; таким образом, длину следует увеличивать в 4 раза, чтобы по- лучить в 2 раза большую степень разделения. Скорость проведения ана- лизов при фиксированной скорости газа-носителя пропорциональна дли- не колонки. Поэтому предпочтительна колонка минимальной длины, обеспечивающая разделение всех интересующих компонентов пробы. Газ-носитель Выбор газа-носителя зависит, главным образом, от нагрузки не- подвижной жидкой фазы, она же определяет оптимальный диапазон ско- ростей газов. Легкие газы-носители (водород, гелий) лучше применять для колонок с малым содержанием НЖФ, которые работают с высокими скоростями потока для быстрых аналитических разделений. Тяжелые газы-носители (азот, аргон) наиболее пригодны для колонок с высоким содержанием НЖФ, которые работают с оптимальной скоростью потока в препаративном режиме. |