Главная

Категории:

ДомЗдоровьеЗоологияИнформатикаИскусствоИскусствоКомпьютерыКулинарияМаркетингМатематикаМедицинаМенеджментОбразованиеПедагогикаПитомцыПрограммированиеПроизводствоПромышленностьПсихологияРазноеРелигияСоциологияСпортСтатистикаТранспортФизикаФилософияФинансыХимияХоббиЭкологияЭкономикаЭлектроника






Кондиционирование капиллярных колонок


Цель работы. Познакомиться с приемами нанесения неподвижной жидкой фазы на твердый носитель и техникой заполнения насадочной колонки. В процессе выполнения работы студенты знакомятся с приготовлением сорбентов тремя методами: испарением из чашечки, нанесение НЖФ в вакууме, нанесение НЖФ в кипящем слое.

Материалы, посуда, оборудование:

Твердые носители трех типов: белый диатомитовый, розовый диатомитовый и полимерный (по выбору преподавателя). Неподвижная жидкая фаза (по выбору преподавателя). Растворитель – ацетон или другой подходящий в зависимости от НЖФ.

Весы технические и аналитические. Мерные цилиндры на 10 и на 100 мл. Стеклянная воронка. Пипетки стеклянные. Сушильный шкаф. Чашка фарфоровая и шпатель. Вентилятор или фен. Воронка Бюхнера. Электронасос. Фильтровальная бумага. Колонка хроматографическая. Стеклянная и деревянная палочки. Конические и круглодонные колбы на 100 мл, эксикатор.

Общие сведения. Основной узел хроматографа - колонка, в которой непосредственно происходит разделение анализируемой пробы на компоненты. Основная задача хроматографической колонки состоит в том, чтобы разделить многокомпонентную анализируемую смесь на серию последовательно выходящих из колонки бинарных смесей, индивидуальный компонент-газ-носитель, которые затем используются в соответствии с назначением хроматографической колонки.

Аналитические колонки в зависимости от величины внутреннего диаметра, способа размещения неподвижной фазы и соответственно организации внутреннего пространства подразделяются следующим образом:

· насадочные колонки, характеризующиеся величиной внутреннего диаметра 2 - 5 мм;

· микронасадочные колонки с величиной внутреннего диаметра 1.0 -2.0 мм;

· макрокапиллярные колонки с величиной внутреннего диаметра 0.3 - 0.5 мм;

· микрокапиллярные колонки с величиной внутреннего диаметра 0.10 - 0.25 мм.

Основные требования, предъявляемые к материалу колонки следующие:

· материал колонки не должен быть химически активным или действовать каталитически по отношению к неподвижной фазе и разделяемым компонентам;

· должен обеспечивать возможность изготовления колонок необходимой формы;

· должен выдерживать нагревание до нужной температуры.

Из насадочных колонок наиболее удобны в изготовлении и эксплуатации металлические колонки из нержавеющей стали, меди, алюминия. В этом плане следует, однако, обязательно учитывать, что медь реагирует с ацетиленовыми углеводородами, катализирует разложение спиртов. Алюминиевые колонки, в свою очередь, непригодны для заполнения молекулярными ситами. Разделение хелатов металлов следует производить в основном на колонках из боросиликатного стекла.

Длина насадочных колонок обычно от 1 до 3 м, реже до 10 м. Форма колонок – прямая, U-образная, W-образная, спиральная. Длина и форма насадочных колонок определяется, как правило, размерами термостата колонок.

Рис. 1.3. Колонки для газо-жидкостной хроматографии: а - насадочная, б – тонкопленочный капилляр, в – тонкослойный капилляр
При изготовлении спиральных колонок следует учитывать, что диаметр витка спирали не должен быть чрезмерно маленьким, так как длина пути газа по внешней и внутренней поверхности трубки будет существенно различаться, и это вызывает дополнительное размывание зоны. Обычно отношение радиуса спирали к радиусу колонки составляет величину порядка 80.

При приготовлении насадок для насадочных хроматографических колонок, используемых в варианте газо-жидкостной хроматографии, носитель должен быть покрыт как можно более равномерной пленкой неподвижной жидкой фазы.

По характеру взаимодействия молекул неподвижной жидкой фазы с поверхностью твердого носителя следует различать физически связанные неподвижные жидкие фазы и химически связанные неподвижные жидкие фазы.

При физическом связывании хорошее смачивание носителя неподвижной жидкой фазой зависит от величины сил притяжения между жидкостью и поверхностью носителя, а также между молекулами самой жидкости.

Смачивание происходит только в том случае, если силы притяжения между жидкостью и поверхностью носителя больше сил притяжения между молекулами неподвижной жидкой фазы.

Следовательно, чтобы провести смачивание носителя, следует правильно подобрать пару: материал носителя – жидкость. Например, углеводороды плохо смачивают гидрофильные поверхности и хорошо носители с алкилсилильными группами на поверхности.

В большинстве случаев неподвижную жидкую фазу растворяют в подходящем растворителе, из которого она наносится в виде пленки на поверхность носителя.

Выбор растворителя определяется типом неподвижной жидкой фазы, кроме того, у растворителя должна быть низкая температура кипения и хорошая растворяющая способность.

Наиболее часто в качестве растворителей неподвижных жидких фаз используют диэтиловый эфир, петролейный эфир, метилэтилкетон, ацетон, хлороформ, метанол, тетрахлоруглерод, этанол, метанол, бензол или смеси этих растворителей.

Степень пропитки задается либо числом граммов неподвижной жидкости на 100 г носителя (массовый процент неподвижной жидкой фазы относительно массы носителя), либо числом граммов неподвижной жидкой фазы ко всей массе насадки колонки (массовый процент жидкой фазы относительно массы пропитанного носителя).

В практике газо-жидкостной хроматографии используются следующие основные методы пропитки:

· метод фильтрации;

· фронтальный метод;

· метод отгонки;

· пропитка в парах или распылением.

При использовании метода фильтрации неподвижную жидкую фазу растворяют в подходящем растворителе, добавляют носитель, перемешивают, после чего твердую фазу отфильтровывают и высушивают.

Методика позволяет получить насадки с различным содержанием неподвижной жидкой фазы. Особенно рекомендуется для получения насадок с содержанием неподвижной жидкой фазы менее 3 %.

По фронтальной методике через колонку, заполненную твердым носителем, равномерно пропускают раствор неподвижной жидкой фазы до тех пор, пока ее концентрация на выходе из колонки не сравняется с ее концентрацией на входе в колонку.

После этого при пропускании через колонку нагретого инертного газа растворитель неподвижной жидкой фазы полностью удаляется.

По такой методике неподвижная жидкая фаза очень равномерно наносится на носитель.

При использовании метода отгонки взвешенное необходимое количество неподвижной жидкой фазы растворяют в подходящем растворителе, добавляют к полученному раствору носитель и через некоторое время при осторожном перемешивании полностью отгоняют растворитель.

Большие количества носителя можно пропитывать способом распыления неподвижной жидкой фазы в кипящем слое.

Поскольку неподвижные жидкие фазы при повышенной температуре обладают заметным давлением паров, этим методом можно довести степень пропитки до 10 %.

При использовании этого способа поток инертного газа проходит через слой неподвижной жидкой фазы, находящийся при температуре на 20-50 оС выше максимальной рабочей температуры колонки.

Образовавшаяся смесь инертного газа и паров неподвижной жидкой фазы через стеклянный фильтр поступает в колонку, заполненную твердым носителем. Скорость газо-парового потока устанавливается такой, чтобы носитель находился в кипящем слое.

Степень пропитки регулируется длительностью процесса. Например, при 100 оС и скорости потока азота 1060 мл/мин за 15 минут достигается 3 % степень пропитки н-гексадеканом, за 75 минут в этих же условиях можно нанести 10 % н-гексадекана с хорошей воспроизводимостью.

При выборе количества неподвижной жидкой фазы следует исходить из его влияния на свойства насадки.

Содержание неподвижной жидкой фазы не должно быть чрезмерно высоким, так как в этом случае насадка становится липкой, частицы склеиваются и эффективность разделения снижается.

Максимальная загрузка жидкой фазы в значительной степени зависит от величины площади поверхности носителя и ее структуры. На активный силикагель можно нанести до 60 % жидкой фазы, и силикагель при этом останется еще не полностью смоченным. На стеклянные шарики нельзя наносить более 3 % неподвижной жидкой фазы от их массы, а для диатомитов предельное содержание неподвижной жидкой фазы составляет 20-30 %.

Относительно высокая степень пропитки имеет следующие преимущества:

· Остаточная адсорбционная активность твердого носителя мешает разделению в меньшей степени, чем при малом содержании неподвижной жидкой фазы.

· Масса вводимой пробы может быть относительно большой. Например, по 20 мг каждого компонента в колонке диаметром 6 мм при соотношении 25 г неподвижной жидкой фазы на 100 г диатомового носителя. Использование больших по объему проб позволяет использовать не очень чувствительные детекторы.

· Такие насадки хорошо воспроизводятся.

Однако высокая степень пропитки в обычных условиях работы может приводить к ряду следующих нежелательных явлений:

· число теоретических тарелок снижается, так как жидкая фаза заполняет большие поры твердого носителя (масляные лужи);

· высота, эквивалентная теоретической тарелке, сильно зависит от скорости потока газа-носителя, особенно при больших скоростях;

· увеличение массы неподвижной жидкой фазы приводит к увеличению длительности анализа (при постоянной температуре разделения);

· из колонки выходит достаточно большое количество паров неподвижной жидкой фазы, ухудшающих работу детектора.

Использование малых концентраций неподвижных жидких фаз характеризуется следующими преимуществами:

· эффективность колонки выше (толщина пленки входит в уравнение Ван-Деемтера);

· скорость разделения повышается;

· для разделения можно использовать более низкие температуры;

· из колонки выходит меньше паров неподвижной жидкой фазы;

· насадка получается более сыпучей и легко заполняет колонку.

Недостатками насадок с малым содержанием неподвижных жидких фаз являются:

· становится заметной остаточная адсорбционная активность твердого носителя;

· существенно снижается допустимая загрузка колонки пробой, из-за чего приходится снижать массу анализируемой пробы и использовать детекторы с высокой чувствительностью.

На практике предпочтительной является степень пропитки 5 % (не более 20 %).

Оптимальную величину степени пропитки можно установить следующим образом. Приготавливают насадку, содержащую 5 % неподвижной жидкой фазы и исследуют ее разделительную способность.

При этом следует исходить из того, что разделительная способность колонки зависит в основном от температуры процесса разделения, а не от количества неподвижной жидкой фазы.

Поэтому определяют для приготовленной колонки такую температуру, при которой наблюдается оптимальное разделение анализируемых компонентов. Если поддерживать эту температуру при разделении, то независимо от степени пропитки степень разделения должна сохраняться оптимальной.

В таком случае степень пропитки выбирают такой, чтобы получить желаемое время анализа.

 

Порядок выполнения работы: Предварительно рассчитывают геометрический объем хромато-графической колонки (V) заданных размеров по формуле:

V = pr2h (1.1)

Где r – внутренний диаметр колонки, h – длинна хроматографической колонки.

Объем твердого носителя должен превышать на 20-25% объем колонки. Вновь взвешивают и рассчитывают массу твердого носителя (г) и его насыпную плотность (г/см3). В том случае, если твердым носителем является розовый диатоми-товый, то количество НЖФ, по отношению к его весу, в данной работе должно быть 20%, для белого диатомитового — 10%, для полихрома — 5%

Вариант А: Метод «испарения из чашечки»

В мерный цилиндр (предварительно взвешенный на технических весах) засыпают порциями (по 2-3 г) выбранный твердый носитель. При этом следует время от времени постукивать цилиндр, чтобы утрамбовать твердый носитель.

В коническую колбу берут рассчитанное количество НЖФ и растворяют в подходящем растворителе и выливают этот раствор на твер­дый носитель, перенесенный в фарфоровую чашечку. Объем приготов­ленного раствора НЖФ должен быть такой, чтобы при смешивании с твердым носителем над поверхностью образовывался слой жидкости высотой 5 мм.

Равномерно (осторожно) периодически перемешивая шпателем образовавшуюся суспензию, испаряют растворитель на водяной бане. После того как насадка станет сыпучей и исчезнет запах растворителя, ее досушивают при температуре 70-100 °С в сушильном шкафу в течение 3-4 ч. Затем приготовленный сорбент охлаждают в эксикаторе.

 

Вариант Б: Приготовление сорбента в «кипящем слое» Необходимое количество твердого носителя помещают на фильтровальную бумагу в воронке Бюхнера. Стебель воронки соединяют резиновым шлангом (через склянку с концентрированной серной кислотой) с редуктором баллона со сжатым газом или с электронасосом.

Выливают на твердый носитель приготовленный раствор НЖФ (объем раствора должен на 20—25% превышать взятый объем твердого носителя) и регулируют расход газа, стремясь обеспечить умеренное «кипение» частиц твердого носителя в растворе НЖФ {осторожно!). После испарения растворителя сорбент досушивают в сушильном шкафу (см. вариант А).

 

Заполнение колонки. Предварительно промытую органическим растворителем и тщательно высушенную колонку (U- или W-образную металлическую или стеклянную) заполняют приготовленным сорбентом. При этом насыпают небольшими порциями через воронку, постукивая по трубке вакуумным шлангом. Можно применить специальный вибратор. Он обеспечивает быстрое и равномерное наполнение колонки сорбентом и повышает ее эффективность. Колонка считается заполненной, если в течение 5 мин «постукивания» уровень засыпанного сорбента не изменяется.

Заполнение спиральной колонки проводится с использованием вакуумного насоса. Один из концов промытой органическими растворителями и высушенной колонки закрывают тампоном из шнурового асбеста, стекловолокна или тонкой металлической сетки и подключают к водоструйному насосу. Колонку закрепляют в штативе таким образом, чтобы спиральные витки располагались горизонтально. К открытому концу колонки прикрепляют воронку для засыпания насадки. Создав разрежение, начинают осторожно присыпать отсеянную от пыли и комков насадку, одновременно постукивая по колонке деревянной палочкой для достижения более равномерного заполнения. О заполненности колонки судят по прекращению убыли насадки в воронке. Сняв воронку, закрывают открытый конец колонки тампоном, как описано выше. Свежезаполненная колонка нуждается в тренировке.

Сорбент перед заполнением взвешивают, оставшийся после запол­нения колонки также взвешивают. По разности определяют точное коли­чество сорбента, засыпанное в колонку. Количество сорбента в колонке можно рассчитать и как разность весов колонки с сорбентом и колонки пустой (перед заполнением). Открытые концы колонок закрывают стек­ловатой или пробками из металлической сетки.

 

Тренировка (кондиционирование) колонок Устанавливают свежезаполненную колонку в термостате хроматографа, не соединяя выход из колонки с детектором, и в течение 3—4 ч продувают колонку азотом, пропуская его со скоростью 40—60 мл/мин при ступенчатом или непрерывном (режим программирования) повышении температуры примерно от 75 °С до температуры на 20—30 °С выше предполагаемой рабочей (но не выше максимально допустимой для данной неподвижной фазы). Затем охлаждают колонку и соединяют ее выходной конец с детектором. Проверяют герметичность газовой линии прибора, выводят хроматограф на рабочий режим и проверяют стабильность нулевой линии на хроматограмме. Шумы и дрейф сигнала свидетельствуют о необходимости продолжить кондиционирование (при подготовке колонки к анализу следовых количеств компонентов пробы, регистрируемых на максимально чувствительных шкалах прибора, кондиционирование может продолжаться долго - десятки часов). Иногда, при работе с силиконовыми эластомерами, рабочие характеристики сорбента улучшаются, если свежеприготовленная колонка прогревается первые 8-10 ч в отсутствие газа-носителя.


 

Лабораторная работа № 2

Приготовление капиллярных колонок для ГЖХ

Цель работы: приготовление капиллярных коронок, определение качества приготовления, селективности НЖФ, оценка пригодности колонки для анализа конкретного объекта.

Учебной целью работы является овладение техникой приготовления необходимых растворов, подготовки поверхности капилляра к нанесению жидкой фазы, ознакомление с необходимым лабораторным оборудованием и методами оценки качества капиллярных колонок, использование теоретических знаний, полученных при изучении физической и органической химии и дисциплин специальности для обоснования выбора фаз и объяснения полученных результатов.

Для капиллярных хроматографических колонок особенности закрепления во внутреннем объеме колонки неподвижной фазы обусловлены свойствами внутренней поверхности капилляра.

Если для металлических и полиамидных капилляров внутренняя поверхность, вследствие ее шероховатости, хорошо смачивается неподвижной жидкой фазой, то для стеклянных, имеющих идеально гладкую внутреннюю поверхность, необходимо придать ей требуемую шероховатость. С этой целью применяют травление внутренней поверхности капилляра различными жидкими и газообразными реагентами или их растворами, нанесение слоя хлорида натрия, карбоната бария, графитированной сажи или диоксида кремния и травление поверхности плазмой.

Далее следует операция дезактивации внутренней поверхности колонки. В случае металлических капилляров она заключается в простой промывке органическими растворителями. В случае стеклянных капилляров необходимо заблокировать адсорбционные центры с повышенной активностью, в качестве которых, с одной стороны, могут выступать содержащиеся в стекле примеси, а с другой, содержащиеся в поверхностном слое стекла оксиды металлов, добавляемые на стадии его получения. Оксиды металлов способны проявлять свойства льюисовых кислот и способствуют адсорбции молекул с неподеленной парой электронов, например аминов и кетонов. Молекулы, содержащие p-электроны, например ароматические углеводороды и олефины, также взаимодействуют с льюисовскими кислотами. На этих активных центрах может также происходить и хемосорбия.

Дезактивацию внутренней поверхности стеклянных капилляров можно проводить с помощью поверхностно-активных веществ, образующих полимерные слои, вымыванием катионов металлов растворами минеральных кислот, а также силанизацией.

 

Ход работы:Сущность метода заключается в смачивании внутренней поверхности капилляра при пропускании через него определенного объема раствора жидкой фазы под действием повышенного давления инертного газа.

Приготовление капиллярных трубок для нанесения НЖФ на их внутреннюю поверхность

При подготовке поверхности капиллярной колонки первым этапом является ее очистка от масел и загрязнений, обусловленных условиями технического изготовления. Очистка капиллярной трубки осуществляется пропусканием определенного количества органических растворителей. Для продавливания растворителей служит специальное устройство. Капиллярная колонка устанавливается с помощью накидной гайки через резиновое уплотнение в патрон для импрегнирования капиллярных колонок таким образом, чтобы капилляр на 2-3 мм не доставал до дна сосуда с растворителем. Откручивая стакан, в сосуд с растворителем заливается необходимый растворитель и стакан устанавливается на место. Патрон с помощью гайки соединяется с редуктором, все резьбовые соединения герметизируются, в патрон подается гелий под давлением 0,5-105 Па.

Промывание капилляра растворителями осуществляется в определенной последовательности:

– очитка поверхности от масел проводится промывкой спирто-бензольной смесью (1:1) до тех пор, пока на фильтре, куда собирают капли растворителя после колонки, не перестанут оставаться масляные пятна;

– высушивание капилляра пропусканием сухого гелия в течение 1 ч;

– двух- трехкратная промывка порциями по 10 мл бензола;

– высушивание;

– однократная промывка раствором хромовой смеси лимонного цвета;

– трехкратная промывка дистиллированной водой;

– трехкратная промывка этиловым спиртом;

– высушивание сухим гелием в течение 12 ч;

–однократная промывка ацетоном, этилацетатом, хлороформом, бензолом, гексаном, растворителем, который будет использоваться для нанесения НЖФ.

После каждой промывки капилляр сушится в токе сухого чистого гелия в течение 1 ч. Все промывные растворы и растворители берутся порциями по 10 мл, скорость пропускания через капилляр устанавливает­ся такой, чтобы одна порция проходила через колонку за 2,5-3 ч. По окончании промывки капилляр тщательно высушивается пропусканием сухого инертного газа в течение 2-3 ч.

 

Нанесение неподвижной жидкой фазы на внутреннюю поверхность капилляра осуществляется или динамическим, или статическим способом при нормальном или повышенном давлении.

При использовании динамического способа от 2 до 15 витков капилляра заполняют прозрачным 2-20 %-ным раствором неподвижной жидкой фазы в подходящем растворителе и продавливают через колонку со скоростью 1-2 см/с. При этом на стенке капилляра расплывается пленка раствора, из которой при продувании инертного газа удаляется растворитель и на стенке капилляра остается тонкая пленка неподвижной фазы.

При использовании статического метода весь внутренний объем капилляра заполняется 0.2-1.0 %-ным раствором неподвижной жидкой фазы в подходящем растворителе. Затем один конец капилляра плотно закрывается, а открытый конец присоединяется к вакуум-насосу. Растворитель постепенно испаряется из раствора, а на стенке капилляра образуется пленка неподвижной жидкой фазы.

Пористый слой адсорбента или твердого носителя неподвижной жидкой фазы на внутренней поверхности капилляра можно создать путем смачивания этой поверхности суспензией адсорбента или носителя в подходящем растворителе с высокой плотностью и вязкостью.

При динамическом смачивании густую суспензию проталкивают по капилляру током инертного газа, при этом вследствие прилипания частиц к стенкам образуется пористый слой.

При статическом смачивании внутренний объем колонки заполняют суспензией, один конец герметизируют и испаряют растворитель.

 

Нанесение сквалана

Тщательно отфильтрованный 10%-ный раствор сквалана в диэти-ловом эфире наливают в сосуд для импрегнирования, устанавливают давление газа 0,2Т05 Па. Как только появится первая капля раствора на выходе капилляра, давление газа сбрасывают до 0,1-105 Па. После пропускания пробки раствора капилляр продувают гелием в течение суток. Меняют концы капиллярной колонки и при давлении 0,1 ТО5 Па продувают еще двое суток, непрерывно.

 

Нанесение апиезона

Нанесение апиезона проводится в термостате хроматографа при температуре 60°С. Отфильтрованный 5%-ный раствор апиезона в бензоле наливают в сосуд устройства для продавливания раствора через капилляр, помещают в стакан и нагревают термостат до 60°С, затем устанавливают давление газа на входе колонки 0,4-105 Па. Как только появится первая капля раствора на выходе капилляра, давление газа сбрасывают до 0,2-105 Па. После пропускания пробки раствора капилляр продувают газом в течение 12 ч, меняют концы колонки местами и продувают еще двое суток непрерывно.

По окончании смачивания капиллярную колонку сначала в тече­ние нескольких часов промывают гелием с такой объемной скоростью, с которой проводилось смачивание. Расход газа постепенно увеличивают от 0,01–0,05 до 1–1,5 мл/мин и продувают еще в течение суток.

Затем колонку помещают в термостат хроматографа, продувая по­стоянным потоком газа-носителя, нагревают со скоростью 1–2°С/мин до температуры 130°С и выдерживают в течение 24 ч.

По окончании нагревания колонку медленно охлаждают, не пре­кращая продувать ее газом-носителем, и она готова к работе.



Последнее изменение этой страницы: 2016-07-23

headinsider.info. Все права принадлежат авторам данных материалов.