Techniki Rozdzielania TCh II/II (sem. IX dla studiów zintegrowanych ) Warstwy porowate zasady

Podobne dokumenty
Technik sorpcji i chromatografii to także techniki przygotowania wsadu do rozdzielania / próbki do analizy

Bioreaktory z warstwą porowatą - z unieruchomionym

Techniki Rozdzielania TCh II/II (sem. IX dla studiów zintegrowanych ) -- Wykład II-gi + III-ci --

Techniki Rozdzielania Mieszanin

-- w części przypomnienie - Gdańsk 2010

RP WPROWADZENIE. M. Kamiński PG WCh Gdańsk Układy faz odwróconych RP-HPLC, RP-TLC gdy:

5. WYZNACZENIE KRZYWEJ VAN DEEMTER a I WSPÓŁCZYNNIKA ROZDZIELENIA DLA KOLUMNY CHROMATOGRAFICZNEJ

ROZDZIELENIE OD PODSTAW czyli wszystko (?) O KOLUMNIE CHROMATOGRAFICZNEJ

Cz. 5. Podstawy instrumentalizacji chromatografii. aparatura chromatograficzna w skali analitycznej i modelowej - -- w części przypomnienie -

Ślesin, 29 maja 2019 XXV Sympozjum Analityka od podstaw

CHROMATOGRAFIA W UKŁADACH FAZ ODWRÓCONYCH RP-HPLC

RP WPROWADZENIE. M. Kamioski PG WCh Gdaosk 2013

- Dyfuzja / Konwekcja / Wnikanie / Przenikanie - Masy -

Kolumnowa Chromatografia Cieczowa I. 1. Czym różni się (z punktu widzenia użytkownika) chromatografia gazowa od chromatografii cieczowej?

4. WYZNACZENIE IZOTERMY ADSORPCJI METODĄ ECP

Podstawy chromatografii i technik elektromigracyjnych / Zygfryd Witkiewicz, Joanna Kałużna-Czaplińska. wyd. 5, 4 dodr. Warszawa, 2015.

Zastosowanie chromatografii żelowej w skali preparatywnej do otrzymywania niskodyspersyjnych

TRM TECHNIKI i METODY, SORPCJI-DESORPCJI i CHROMATOGRAFII -- adsorpcji-desorpcji, absorpcji-desorpcji, wymiany jonowej, wykluczania sterycznego,

Inżynieria Chemiczna i Bio-Procesowa Techniki Rozdzielania Mieszanin. -- wykład podsumowujący --

Kontrola produktu leczniczego. Piotr Podsadni

GraŜyna Chwatko Zakład Chemii Środowiska

Podstawy chromatografii i technik elektromigracyjnych / Zygfryd Witkiewicz, Joanna Kałużna-Czaplińska. wyd. 6-1 w PWN. Warszawa, cop.

TECHNIKI i METODY SORPCJI DESORPCJI i CHROMATOGRAFII w układach ciało stałe ciecz / ciecz ciecz wewnątrz porów sorbentu

Pytania z Wysokosprawnej chromatografii cieczowej

Egzamin z Technik Rozdzielania Mieszanin - Termin III

Prof. dr hab. inż. M. Kamiński 2006/7 Katedra Chemii Analitycznej Wydział Chemiczny PG. Ćwiczenie: LC / GC. Instrukcja ogólna

Chromatografia cieczowa jako technika analityczna i technika otrzymywania substancji -- podstawy i główne g wne zasady stosowania

PORÓWNANIE FAZ STACJONARNYCH STOSOWANYCH W HPLC

Wpływ ilości modyfikatora na współczynnik retencji w technice wysokosprawnej chromatografii cieczowej

3. Jak zmienią się właściwości żelu krzemionkowego jako fazy stacjonarnej, jeśli zwiążemy go chemicznie z grupą n-oktadecylodimetylosililową?

Instrukcja do ćwiczeń laboratoryjnych

OPTYMALIZACJA EFEKTÓW ROZDZIELANIA W KOLUMNACH KAPILARNYCH DOBÓR PRĘDKOŚCI PRZEPŁYWU GAZU

Techniki immunochemiczne. opierają się na specyficznych oddziaływaniach między antygenami a przeciwciałami

HPLC? HPLC cz.1. Analiza chromatograficzna. Klasyfikacja metod chromatograficznych

4A. Chromatografia adsorpcyjna B. Chromatografia podziałowa C. Adsorpcyjne oczyszczanie gazów... 5

Chromatogramy Załącznik do instrukcji z Technik Rozdzielania Mieszanin

OZNACZENIE JAKOŚCIOWE I ILOŚCIOWE w HPLC

Kierunek studiów: Technologia Chemiczna, II-gi etap II-gi semestr. DODATEK do INSTRUKCJI ĆWICZEŃ LABORATORYJNYCH LC-1 i LC-2 -- TR - TCh II/II

Instrukcja do ćwiczeń laboratoryjnych

Operacje wymiany masy oraz wymiany ciepła i masy

Chromatografia. Chromatografia po co? Zastosowanie: Podstawowe rodzaje chromatografii. Chromatografia cienkowarstwowa - TLC

HPLC_UPLC_PLC. Aparatura / problemy z aparaturą / sposoby ich eliminacji, minimalizacji (bez detekcji) 2/9/2014

CHROMATOGRAFIA WYKLUCZANIA (dawniej żelowa GPC/SEC) prof. M. Kamiński WCh-PG Gdańsk, 2018

Zakres zastosowań chromatografii wykluczania

Fazą ruchomą może być gaz, ciecz lub ciecz w stanie nadkrytycznym, a fazą nieruchomą ciało stałe lub ciecz.

Chromatografia kolumnowa planarna

Instrukcja do ćwiczeń laboratoryjnych

Pytania z Chromatografii Cieczowej

WPŁYW ILOŚCI MODYFIKATORA NA WSPÓŁCZYNNIK RETENCJI W TECHNICE WYSOKOSPRAWNEJ CHROMATOGRAFII CIECZOWEJ

masy cząsteczkowej polimerów nisko i średnio polarnych, a także lipidów, fosfolipidów itp.. silanizowanyżel krzemionkowy

Ćwiczenie 1 Analiza jakościowa w chromatografii gazowej Wstęp

1. Część teoretyczna. Przepływ jednofazowy przez złoże nieruchome i ruchome

Techniki Rozdzielania i wzbogacania (w technologii chemicznej i pokrewnych, w przygotowaniu próbki do analizy i w analityce )

Dynamika bioreaktorów czas przebywania / dyspersja masy -

Znaczenie i zastosowania chromatografii oraz rodzaje technik chromatograficznych

Ćwiczenie 3: Wyznaczanie gęstości pozornej i porowatości złoża, przepływ gazu przez złoże suche, opory przepływu.

CHROMATOGRAFIA JONOWYMIENNA

CHROMATOGRAFIA CHROMATOGRAFIA GAZOWA

ĆWICZENIE 3: CHROMATOGRAFIA PLANARNA

Operacje wymiany masy oraz wymiany ciepła i masy. -- Rektyfikacja. INŻYNIERIA CHEMICZNA i BIO-PROCESOWA

OFERTA TEMATÓW PROJEKTÓW DYPLOMOWYCH (MAGISTERSKICH) do zrealizowania w Katedrze INŻYNIERII CHEMICZNEJ I PROCESOWEJ

Instrukcja ćwiczenia laboratoryjnego HPLC-2 Nowoczesne techniki analityczne

Jakościowe i ilościowe oznaczanie alkoholi techniką chromatografii gazowej

Chromatografia. Chromatografia po co? Zastosowanie: Optymalizacja eluentu. Chromatografia kolumnowa. oczyszczanie. wydzielanie. analiza jakościowa

SPECJALNE TECHNIKI ROZDZIELANIA W BIOTECHNOLOGII. Laboratorium nr1 CHROMATOGRAFIA ODDZIAŁYWAŃ HYDROFOBOWYCH

Prof. dr hab. inż. M. Kamiński aktualizacja : Techniki rozdzielania mieszanin w biotechnologii zagadnienia, pytania

Metody chromatograficzne w chemii i biotechnologii, wykład 6. Łukasz Berlicki

Rozdzielanie - wyodrębnianie frakcji eluatu,

Ilościowa analiza mieszaniny alkoholi techniką GC/FID

Adsorpcyjne oczyszczanie gazów z zanieczyszczeń związkami organicznymi

Rys. 1. Chromatogram i sposób pomiaru podstawowych wielkości chromatograficznych

POTWIERDZANIE TOŻSAMOSCI PRZY ZASTOSOWANIU RÓŻNYCH TECHNIK ANALITYCZNYCH

Strona 1 z 6. Wydział Chemii UJ, Chemia medyczna Podstawy Chemii - Laboratorium Rozdzielanie Substancji - Wprowadzenie

Metody chromatograficzne w chemii i biotechnologii, wykład 3. Łukasz Berlicki

Wysokosprawna chromatografia cieczowa instrukcja do ćwiczenia.

OD HPLC do UPLC. Prof. dr hab. inż. Agata Kot-Wasik. Katedra Chemii Analitycznej Wydział Chemiczny, Politechnika Gdańska

III r. EiP (Technologia Chemiczna)

KATEDRA INŻYNIERII CHEMICZNEJ I PROCESOWEJ INSTRUKCJE ĆWICZEŃ LABORATORYJNYCH

rodzajach chromatografii cieczowej w związku ze wszczętym na

Strona 1 z 6. Wydział Chemii Uniwersytetu Jagiellońskiego Podstawy Chemii - Laboratorium Rozdzielanie Substancji - Wprowadzenie

Wysokosprawna chromatografia cieczowa w analizie jakościowej i ilościowej

ZAKŁAD CHEMII ANALITYCZNEJ

CHROMATOGRAFIA BARWNIKÓW ROŚLINNYCH

PODSTAWY CHROMATOGRAFII GAZOWEJ

PREPARATYWNA I PROCESOWA CHROMATOGRAFIA CIECZOWA

Identyfikacja alkoholi techniką chromatografii gazowej

Ćwiczenie 26 KATALITYCZNE ODWODNIENIE HEPTANOLU

Ćwiczenie 12 KATALITYCZNE ODWODORNIENIE HEPTANU

Metody chromatograficzne w chemii i biotechnologii, wykład 5. Łukasz Berlicki

Jakościowa i ilościowa analiza mieszaniny alkoholi techniką chromatografii gazowej

1.Wstęp. Ćwiczenie nr 9 Zatężanie z wody związków organicznych techniką SPE (solid phase extraction)

. Cel ćwiczenia Celem ćwiczenia jest porównanie na drodze obserwacji wizualnej przepływu laminarnego i turbulentnego, oraz wyznaczenie krytycznej licz

MATERIAŁY DO ĆWICZEŃ LABORATORYJNYCH - CHROMATOGRAFIA JONOWA

1. MODELOWANIE I SYMULACJA PRACY PREPARATYWNEJ KOLUMNY CHROMATOGRAFICZNEJ I KOLUMNY ADSORPCYJNEJ PROGRAMEM Kolumna Chromatograficzna

Politechnika Gdaoska, Wydział Chemiczny, Katedra Inżynierii Chemicznej i Procesowej. TR - TCh II / II prezentacja wykładowa r. ak.

PP7: Wymiana jonowa i chromatografia jonowymienna oznaczanie kationów i anionów

Identyfikacja węglowodorów aromatycznych techniką GC-MS

Szczegółowy program, kwalifikacje i umiejętności studentów, "społeczne" znaczenie oraz wymagania do zaliczenia przedmiotu

MECHANIKA PŁYNÓW LABORATORIUM

chemia wykład 3 Przemiany fazowe

Transkrypt:

Techniki Rozdzielania TCh II/II (sem. IX dla studiów zintegrowanych ) Warstwy porowate zasady Przepływ płynu w rurociągach / warstwach porowatych - opory przepływu / dyspersja masy Adsorpcja i chromatografia jako techniki wzbogacania, oczyszczanie, rozdzielania, zasady ogólne / optymalizacja warunków operacyjnych - prof. M. Kamioski markamin@pg.gda.pl Tel. 601-40-18-24 Gdaosk 2017

TECHNIKI ROZDZIELANIA UKŁADY DWU-FAZOWE płyn: (Gaz (G)/Para (V)/Płyn nadkrytyczny(sf)) - Ciało stałe(s) w formie ziarnistej / monolitycznej warstwy porowatej, albo ciecz, lub ciecz generowana dynamicznie -- Charakterystyka -- -- Opory przepływu -- -- Zastosowania -- -- Dyspersja masy -- prof. M. Kamioski PG - Gdaosk - 2017

PRZEWODY RUROWE WARSTWY POROWATE \ Profil przepływu - powtórzenie Opór przepływu - powtórzenie Dyspersja masy podczas przepływu w: - rurociągach / kanałach nowy materiał - warstwach porowatych nowy materiał Zasady realizacji operacji sorpcji desorpcji : - wsadowo okresowo, w sposób półciągły, - elucyjnie w sposób okresowy, pół-ciągły, ciągły, izotermicznie, izokratycznie, gradientowo

WARSTWY POROWATE - ZIARNISTE / MONOLITYCZNE / FLUIDALNE - -- jednofazowy przepływ płynu przez warstwę porowatą - Przykłady zastosowań - Charakterystyka, wymagania - Parametry oraz sposoby opisu -- Parametrów ogólnych - ziarnistości, porowatości różnego typu, oporów przepływu, ściśliwości -- Sprawności - dyspersji masy (efektywnej dyfuzji), profilu przepływu -- Równowag sorpcyjnych, retencji, selektywności (wykluczanie steryczne, absorpcja, adsorpcja, - desorpcja w normalnych (NP) / odwróconych (RP) układach faz, wymiana jonowa, wykluczanie jonowe, wymiana ligandów, powinowactwo, oddziaływania hydrofobowe, ) w układach - płyn ciało stałe (G-S, L-S, SF - S) płyn ciecz (G-L, L-L, SF-L)

WARSTWY POROWATE Z warstwą porowatą mamy do czynienia m.in. w następujących operacjach jednostkowych: filtracji okresowej / ciągłej w aparatach kontaktowych (absorpcja - desorpcja, adsorpcja - desorpcja, rektyfikacja, chromatografia, wymiana jonowa, reaktory ze złożem porowatym, ) podczas suszenia / zamrażania / liofilizacji Tu rozpatrujemy operacje wymiany masy z zastosowaniem ziarnistych warstw porowatych o ziarnach wewnętrznie porowatych

WARSTWY POROWATE (ziarniste, elementowe, pakietowe) KOLUMNY WYPEŁNIONE (wypełnieniem ziarnistym, elementowym, pakietowym) REAKTORY z WYPEŁNIENIEM (ziarnistym warstwy: stacjonarne / fluidalne) -- sorpcja desorpcja (absorpcja, adsorpcja, wymiana jonowa, powinowactwo) -- chromatografia (wykluczania GPC/SEC, układy - NP, RP, (HIC) HILIC, IExch, IExcl, LExch, -- kataliza heterogeniczna (złoże stacjonarne / fluidalne) Parametry: wielkośd i kształt ziaren, rozkład granulometryczny, porowatośd - między- / wewnątrz-ziarnowa, średnica porów, rozkład wielkości porów - opór przepływu; - dyspersja masy; sprawnośd warstwy wypełnienia / kolumny; - kinetyka / dynamika ruchu / wymiany masy, - czas przebywania w reaktorze z wypełnieniem ziarnistym / fluidalnym,

WARSTWY POROWATE ZIARNISTE / MONOLITYCZNE -- przepływ jednofazowy -- -- Przykłady zastosowao -- Charakterystyka, wymagania -- Parametry oraz sposoby opisu: -- Ziarnistości, porowatości, oporów przepływu -- Sprawności - dyspersji masy (efektywnej dyfuzji)/profilu przepływu -- Efektów sterycznych, retencji, równowag sorpcyjnych -- Selektywności rozdzielania -- Rodzaje zastosowao warstw porowatych w układach płyn ciało stałe -- sorpcja desorpcja (absorpcja, adsorpcja, wymiana jonowa w układach płyn ciało stałe (G-S, L-S, SF - S) płyn ciecz (G-L, L-L, SF-L), -- w warunkach: wykluczania sterycznego, wymiany jonowej, normalnych / odwróconych układach faz, wykluczania jonowego, wymiany ligandów, powinowactwa, oddziaływao hydrofobowych,

ZIARNISTA / MONOLITYCZNA WARSTWA POROWATA PAKOWANEJ / MONOLITYCZNEJ KOLUMNY ADSORPCYJNEJ / CHROMATOGRAFICZNEJ Pojęcia / definicje : średnica ziaren (dp [m (μm)]), średnia średnica porów wewnątrz-ziarnowych (d [nm, A+), rozkład średnic / wielkości porów f(d), średnica kolumny (dc [m (mm)]), długośd warstwy wypełnienia kolumny (Lc [m (mm)]), liniowa prędkośd przepływu płynu (u [m/sek (mm/sek)]), lepkośd dynamiczna eluentu (η [Pa sek (cp)]), natężenie przepływu cieczy (eluentu) (w), (V) [m 3 /sek (ml/min)]), liczba Reynoldsa (Re[1]), porowatośd między-ziarnowa (ε m/z ), porowatośd wewnątrzziarnowa - (ε w/z ), porowatośd całkowita - (ε t ), opór przepływu ( P) [Pa (bar)], przepuszczalnośd kolumn (K - [m 2 ]), zredukowana przepuszczalnośd wypełnienia kolumny (Φ [1]), Zjawiska : wykluczanie molekularne (permeacja), adsorpcja polarna (NP), hydrofobowa (RP), hydrofilowa (HILIC), wymiana jonowa anionów (AExch)/ kationów (CExch), wymiana ligandów (LExch), wykluczanie jonowe (IExch), oddziaływao hydrofobowych (HIC),

Pojęcia porowatości -- stosunek przestrzeni zajętej przez płyn do całkowitej objętości ε m/z - porowatość między-ziarnowa (odniesiona do objętości złoża (kolumny)) ε w/z - porowatość wewnątrz-ziarnowa (odniesiona do sumy objętości ziaren w warstwie porowatej (wypełnieniu kolumny)) ε t - porowatość całkowita (odniesiona do objętości złoża (kolumny)) Dość łatwo można wykazać, że: ε t = ε m/z + (1- ε m/z ) ε w/z Np. dla ε m/z = 0.42 i ε w/z = 0.6 ε t = 0.768 V o = V c ε t objętość elucji trasera niesorbowanego, wnikającego do wszystkich porów w ziarnach wypełnienia dawniej - objętość martwa kolumny

Pojęcia średniej prędkości przepływu płynu przez warstwy porowate o wewnętrznie porowatej strukturze wypełnienia - Prędkośd (u) obliczana dla niewypełnionej kolumny (ε t =1) u =w / (Π (d c ) 2 /4) - Prędkośd (u ) obliczana z uwzględnieniem całkowitej porowatości wypełnienia kolumny (ε t ) - średnia prędkośd ruchu niesorbowanego trasera (obserwowana przez przezroczystą ścianę kolumny) u = u / ε t - Prędkośd (u ) obliczana z uwzględnieniem międzyziarnowej porowatości wypełnienia kolumny (ε m/z ) - średnia prędkośd ruchu niesorbowanego trasera niewnikającego do jakichkolwiek porów wewnętrznych (obserwowana przez przezroczystą ścianę kolumny) u = u / ε m/z - Prędkośd (u el ) elucji sorbowanego, lub częściowo wykluczanego trasera u el = L c /t el, gdzie t el czas elucji w/w trasera -- w przypadku trasera wykazującego retencję o współczynniku retencji k > 0 : t el = t o (1+k) ; k = (t el t o )/t o

Pojęcia różnych rodzajów średnich prędkości przepływu płynu przez wypełnienie porowate -- prędkość liczona na niewypełniony aparat / na pustą kolumnę - u (dotyczy absorpcji / rektyfikacji, ekstrakcji, wymienników ciepła reaktorów, ) -- prędkość międzyziarnowa u m/z (dotyczy adsorberów, kolumn chromatograficznych z wypełnieniem ziarnistym, monolitycznym, - rzadko wykorzystywana) -- prędkość całkowita u (dotyczy adsorberów, kolumn chromatograficznych z wypełnieniem ziarnistym, monolitycznym, - prędkość przepływu obserwowana przez przeźroczystą ścianę wypełnionej kolumny posiadającej ziarniste / monolityczne wypełnienie porowate wewnątrz ziaren / wewnątrz monolitycznej struktury złoża -- Należy zawsze zastanowić się jakiego rodzaju wartość prędkości przepływu płynu należy stosować w konkretnym przypadku!!!

Uwzględniając podane oznaczenia, można też napisać: gdzie : V o = V c ε t V m/z = V c ε m/z V c = S c L c = (Π (d c ) 2 /4) L c u = L c /t o V o - objętość martwa kolumny (objętość elucji trasera wnikającego do porów, niesorbowanego) V c - objętość wypełnienia kolumny V m/z objętość międzyziarnowa wypełnienia kolumny t o czas martwy (czas elucji trasera wnikającego do porów, niesorbowanego)

Wypełnienie ziarniste kolumny HPLC - warstwa porowata - kolumny HPLC / płytki TLC / adsorbera

Objętośd martwa (V o ) ziarnistej / monolitycznej warstwy porowatej -- objętośd elucji strefy niesorbowanego trasera, wnikającego do wszystkich porów -- V o = V c ε t Prędkośd przepływu eluentu (u) w ziarnistej/ monolitycznej warstwie porowatej -- obserwowana z zewnątrz prędkośd elucji strefy niesorbowanego trasera, wnikającego do wszystkich porów, przyjmowana jako średnia prędkośd ruchu eluentu w kolumnie -- u = w / (F c ε t ) V c objętość kolumny (wypełnienia kolumny) [m 3 ] ε t porowatość całkowita wypełnienia (warstwy porowatej) [1]; ε t często ok.0.75 w natężenie przepływu eluentu [m 3 /sek] ([ml/min]) F c pole przekroju poprzecznego wypełnienia kolumny [m 2 ] (π d c2 /4)

Przepuszczalnośd kolumny ( K ) (ziarnistej / monolitycznej warstwy porowatej) K = u L c η / ΔP - [m 2 ] Zredukowana przepuszczalność kolumny (warstwy porowatej) Φ obliczana na podstawie średniej wielkości ziaren wypełnienia d p [m] oraz przepuszczalności K Φ = (d p ) 2 / K - [1] L c - długość warstwy wypełnienia kolumny [m] η - lepkość dynamiczna eluentu [Pa sek] ΔP spadek ciśnienia w kolumnie (na długości warstwy porowatej) [Pa]

Równowaga sorpcji desorpcji izoterma Langmuire a

Metody postępowania Warunki elucji czołowej (tryb wsadowy), Warunki elucji impulsowej (tryb elucyjny) Warunki pracy okresowej Warunki pracy pół-ciągłej ( pseudo-ciągłej) Warunki pracy ciągłej -- z symulacją ruchu złoża (SMB Simulated Moving Bed) -- z rzeczywistym przemieszczaniem sorbentu

Przepływ jednofazowy przez warstwy porowate Operacje adsorpcji desorpcji, wymiany jonowej, katalizy, transportu

i wymiany jonowej A. Selecki, L. Gradoo, Podstawowe procesy przemysłu chemicznego, WNT 1985. W tym, ekstrakcja do fazy stałej (SPE) elucyjna chromatografia cieczowa (LC) / Gazowa (GC) / z nadkrytycznym płynem (SFC), jako eluentem w skali laboratoryjnej, semi-preparatywnej, preparatywnej oraz procesowej Ważne także : -- oczyszczanie wodoru do procesów rafineryjnych, -- odwadnianie etanolu, -- oczyszczanie wody z zastosowaniem wymiany jonowej / adsorpcji na węglu aktywnym

Technika czołowa Wykorzystywana w praktyce w warunkach SPE / adsorpcji desorpcji wykonywanej w trybie wsadowym, np., w celu oczyszczania powietrza, rozpuszczalników, wody itp., Eluent ze składnikami rozdzielanymi wprowadza się do kolumny w roztworze ; Najsłabiej sorbowane składniki wypływają z kolumny jako pierwsze; Są jedynym składnikiem / składnikami otrzymywanym / otrzymywanymi w czystej postaci (po rozdzieleniu od eluentu)

Schemat przebiegu elucji czołowej

Chromatogram elucji czołowej

Profil adsorbatu podczas operacji adsorpcji w złożu kolumny adsorpcyjnej

Hydrorafinacja olejów katalityczna kilkustopniowa hydrorafinacja na stacjonarnym złożu katalitycznym porowatym wypełnieniu - w celu produkcji oleju bazowego Parametry procesu Ilośd gazu wodorowego 5 Nm3/ m3 wsadu. Ciśnienie gazu wodorowego 3,8 MPa. Temperatura w reaktorze 220-300 C w zależności od typu wsadu.

Zasada pół-ciągłego ( pseudo-ciągłego ) użytkowania aparatury o okresowym działaniu Zasada wykorzystania układu dwóch aparatów (dwóch kolumn) o działaniu okresowym w operacjach wymiany masy o charakterze sorpcji de-sorpcji (adsorpcji, wymiany jonowej, absorpcji, chromatografii elucyjnej, ekstrakcji ługowania, ). W określonym czasie jedna z kolumn (aparatów) działa jako kolumna rozdzielcza, gdy w tym samym czasie, druga podlega regeneracji / rekondycjonowaniu; Następnie kolumna pierwsza zostaje włączona do działania, a druga podlega regeneracji rekondycjonowaniu.

Ta sama zasada ma miejsce w procesie demineralizacji wody z zastosowaniem wymieniaczy jonowych kationitu / anionitu oraz do regeneracji wymieniaczy jonowych

SPE SPE (Solide Phase Extraction) z elucją stopniową, albo wzbogacaniem i elucją

Technika elucyjna najczęściej prawie wyłącznie wykorzystywana w praktyce w chromatografii -- gazowej (Gas Chromatography GC / cieczowej Liquid Chromatography - LC) -- -- ekstrakcji do fazy stałej: SPE Solide Phase Ekstraction -- W technice tej, składniki mieszaniny rozdzielanej są wprowadzane do kolumny / na płytkę TLC - w postaci wąskiego lub pasma / punktowo i poruszają się wzdłuż kolumny, z szybkością określoną przez ich retencją oraz przez prędkośd przepływu eluentu (u); Jeżeli różnice energii sorpcji składników rozdzielanych są znaczne, albo kolumna jest dostatecznie długa, możliwe jest całkowite rozdzielenie wszystkich składników mieszaniny wprowadzonej do kolumny / na płytkę TLC; Często, zwłaszcza dla rozdzielania mieszanin o złożonym składzie należy stosowad tzw. elucję gradientową, tzn. programowane zmiany siły elucyjnej eluentu w f. czasu rozdzielania: Eluent, podawany w sposób ciągły do kolumny, wypływa z w mieszaninie z poszczególnymi składnikami rozdzielonymi i dla ich wydzielenia musi zostad od nich oddzielony, np. na drodze odparowania, liofilizacji, często po uprzednim wzbogaceniu frakcji eluatu w rozdzielane składniki

Klasyczna elucyjna technika kolumnowa (LC) 1) przygotowanie kolumny i wypełnienia, wypełnienie, kondycjonowanie, 2) dozowanie, elucja, detekcja, kolekcja frakcji, 3) re-kondycjonowanie, 2 ) dozowanie,,albo rozładowanie, 1 )

Chromatogram rozdzielania elucyjnego Chromatogram Wykres zależności stężenia (detektor stężeniowy), albo szybkości doprowadzania masy roztworu rozdzielonej substancji / grup substancji w eluacie wypływającym z kolumny do naczyoka detektora (instrumentu analitycznego pracującego w warunkach dynamicznych) w funkcji objętości elucji (dla stałego przepływu eluentu (w, u = const) w funkcji czasu)

ELUENT ELUAT, substancje rozdzielane

Widok pasm kilku składników ekstraktu acetonowego trawy przez szklaną ścianę kolumny HPLC typu CN, eluent heksan MTBE - THF; kolejnośd pasm - od dołu: feofityna - produkt rozkładu chlorofilu A i B, chlorofil A, chlorofil B, carotenoidy kierunek przepływu eluentu (od góry do dołu) Warunki rozdzielania Kolumna 150x3mm, Separon CN 5 um,eluent: heksan:mtbe:thf=55:8:6,4 (v/v/v), próbka 30 ul ekstraktu acetonowego z trawy, temperatura pokojowa Natężenie przepływu eluentu w=0.8 ml/min

Najczęściej HPLC Widok pasm rozdzielania kilku składników ekstraktu acetonowego trawy - przez szklaną ścianę kolumny HPLC typu CN (faza stacjonarna alkilonitryl związany na powierzchni porów wewnątrz ziaren żelu krzemionkowego, eluent heksan MTBE - THF; kolejność pasm - od dołu: caroteny, produkt rozkładu chlorofilu, chlorofil A, carotenoidy-i, chlorofil B, carotenoidy-ii carotenoidy II chlorofil B Tu NP HPLC warunki bezwodne! kierunek przepływu eluentu carotenoidy I chlorofil A Warunki rozdzielania Kolumna 150x3mm, Separon CN 5 um,eluent: heksan:mtbe:thf=55:8:6,4 (v/v/v), próbka 30 ul ekstraktu acetonowego z trawy, temperatura pokojowa produkt utleniania chlorofili Natężenie przepływu eluentu w=0.8 ml/min

Powiększanie skali rozdzielania techniką kolumnowej elucyjnej chromatografii cieczowej - Skala modelowa - Skala procesowa

WARUNKI MINIMALIZACJI DYSPERSJI Równomierna dystrybucja / kolekcja Równomierna promieniowa przepuszczalnośd - tłokowy profilu przepływu płynu w ziarnistej / monolitycznej warstwie porowatej - wypełnienia / reaktora ze złożem porowatym Poprawne użytkowanie, jednocześnie warunki konieczne dla minimalizacji dyspersji

Tłokowy profil przepływu w kolumnie sorpcji desorpcji i minimalna dyspersja - konieczne (!!!) w każdej skali rozdzielania / oczyszczania, także, w każdym reaktorze ze złożem porowatym Zapewnia : - właściwie zaprojektowany system dystrybucji / kolekcji - korzystne właściwości sorbentu, odpowiednia technologia formowania złoża (wypełniania kolumny) - poprawne użytkowanie kolumny Referat KIChiPr M. Kmaioski 24-11-2016

Ważne -- optymalna konstrukcja kolumny, zwłaszcza modułu dystrybucji / kolekcji na/z powierzchni wypełnienia -- poprawny sposób jej wypełnienia, tzn., stabilne złoże oraz poprawny profil przepływu eluentu w przekroju poprzecznym wypełnienia Zapewnienie tłokowego profilu przepływu płynu w ziarnistej / monolitycznej warstwie porowatej wypełnienia kolumny / reaktora ze złożem porowatym warunkiem koniecznym, ale nie warunkiem dostatecznym minimalizacji dyspersji

Elucja izokratyczna jedna pompa, bez programowania składu eluentu po stronie niskiego ciśnienia; Elucja gradientowa jedna pompa z zaworami proporcjonującymi, albo 2-4 pompy programowanie składu eluentu w funkcji czasu Uproszczony schemat układu aparatu HPLC 1 - zbiornik z eluentem lub tzw. niskociśnieniowy system gradientowy; 2 pompa lub kilka pomp; 3 - zawór dozujący, albo dozownik repetycyjny; 4 - pre-kolumna (kolumna ochronna); 5 kolumna rozdzielcza; 6 - termostat; 7 detektor; 8 rejestrator; 9 zbiornik na eluat albo kolektor frakcji

Testowanie dyspersji w warstwie porowatej kolumny wypełnionej?

Thin Layer Chromatography (TLC) Chromatografia cienkowarstwowa (planarna), odkryta jako bibułowa 1889 (PC - Paper Chromatography) Tu: wynik rozdzielania mieszaniny kilku nisko i średnio polarnych barwników na żelu krzemionkowym na płytce szklanej; Widad także, że na starcie pozostaje składnik / mieszanina polarnych składników ; Dla tych składników mieszaniny - eluent o zbyt niskiej sile elucyjnej

FAZA RUCHOMA

k= ( 1/Rf ) - 1 d c Rf 3 c d b a FAZA RUCHOMA Rf 1 Rf a d 2 b d

Transposition, example 1 Flush Chromatography In ideal conditions, transposition from TLC to Flash Chromatography should give such results Page 51

Technika rugowania (displacement) Składnik rugujący substancje (displacer) jest komponentem roztworu wsadu (próbki) dozowanej do kolumny w trybie elucyjnym; Powinien byd w znacznym stężeniu i łatwy do usunięcia z eluentu; Najsłabiej sorbowane składniki są eluowane / rozdzielane w trybie elucyjnym przed rugującym składnikiem dozowanej mieszaniny; Zastosowanie wystarczająco sprawnej kolumny umożliwia rozdzielanie wszystkich składników dozowanej do kolumny mieszaniny;

C Składnik rugujący (D) silniej oddziałuje z fazą stacjonarną niż składniki (B i A), a słabiej niż C

Podstawowe parametry opisu dyspersji w ziarnistych / monolitycznych warstwach porowatych i wzajemny związek między nimi W bogatej literaturze opisu dyspersji masy podczas przepływu płynu w warstwach porowatych mają miejsce dwa podejścia, prowadzące do odrębnych, wzajemnie powiązanych parametrów miary dyspersji. HETP (H) albo D eff W przypadku rejestracji przebiegu rozkładu stężenia niesorbowanego, albo sorbowanego trasera, przemieszczanego w złożu porowatym z prędkością u D eff = (µ 2 / M 12 ) u Lc stąd : H = D eff / u gdzie: u średnia prędkośd ruchu trasera; w przypadku sorpcji u = u 0 / (1+k) u 0 prędkośd średnia eluentu (u 0 =Lc/t 0 ); µ 2 - drugi moment centralny; M 1 -pierwszy moment zwykły krzywej rozkładu stężenia trasera

W warunkach sorpcji desorpcji oraz liniowości izotermy sorpcji można wykorzystad tzw. krzywą przebicia złoża przez niesorbowany, lub sorbowany traser i dokonad odpowiednich obliczeo na podstawie I-szej pochodnej poniższej krzywej. Korzystanie w obliczeniach HETP z pomiaru szerokości piku (w ½ wysokośści, albo przy podstawie) oraz z odległości retencji (1), jest uprawnione tylko dla pików gaussowskich; Dla pików traser o innym kształcie, niż gaussowki należy wykorzystywad momenty statystyczne. Celowe jest wyłączne korzystanie z momentów statystycznych dla obliczania HETP (!!!) H = Lc/5.54 (S 1/2 /l) 2 H = (µ 2 / M 12 ) Lc N = Lc/H

PROFIL PRZEPŁYWU PŁYNU w przestrzeni międzyziarnowej warstw porowatych w kapilarach międzyziarnowych / w przestrzeniach makro-porów / porów strukturalnych ziarnistych / monolitycznych warstw porowatych, w przestrzeniach wolnych - pakietowych wypełnieo kolumn, w kapilarach. A ruch laminarny (uwarstwiony); B ruch burzliwy (wirowy) Re<2300 Re>3000 (10 000) DYSPERSJA MASY podczas przepływu płynu przez : - przewody rurowe / kapilary transportowe - warstwy porowate ziarniste / pakietowe / monolityczne dominuje dyfuzja molekularna dominują opory przenoszenia masy mikro-wiry zmniejszają dyspersję

Referat KIChiPr M. Kamioski 24-11-2016

Dyspersja masy w warstwie porowatej miary dyspersji, związek z parametrami operacyjnymi / z profilem przepływu, u L D eff efektywny współczynnik dyfuzji *m 2 /sek] H wysokośd równoważna półce teoretycznej *m+ τ czas [sek] σ 2 L wariancja [m2 ] μ 2 L - drugi moment centralny [m 2 ] D eff H = σ 2 L 2 L / L M 1 - pierwszy moment zwykły (mediana) *sek] L M 2 1 Dyspersja trasera obserwowana w warstwie porowatej na dystansie L (po czasie τ) od powierzchni wprowadzenia w formie impulsu Dirac a u prędkośd przepływu (obserwowana(!)

Dyspersja osiowa (aksjalna) w warstwie porowatej Warunek otrzymywania oczekiwanej sprawności kolumny - poprawnie wypełniona oraz tłokowy profil przepływu 1. Badanie dyspersji na zasadzie pomiaru poprzez przeźroczystą ścianę kolumny z warstwą z warstwą porowatą 2. Badanie dyspersji na podstawie przebiegu sygnału detektora na wylocie z kolumny L HETP = μ 2L /M 1 L D eff = HETP/u ; u=lc/tr HETP = Lc μ 2 /M 1 2 HETP = 1/5.54 Lc (S 1/2 i / l ri ) 2

W przypadku rejestracji rozkładu trasera na wylocie z warstwy porowatej za pomocą dynamicznego detektora przepływowego o znikomej objętości martwej przepływowego naczyoka detekcyjnego, podane zależności opisujące dyspersję są słuszne tylko dla wypełnieo o wewnętrznie nieporowatych ziarnach, albo w przypadku ziaren porowatych wewnętrznie - gdy traser nie jest w stanie wnikad do porów wewnątrz-ziarnowych. W przeciwnych przypadkach do obliczania miary dyspersji należy zastosowad następujące zależności (dla momentów statystycznych wyznaczanych w tych samych jednostkach miar) : H= Lc (μ 2 / (M 1 ) 2 ) D eff = (µ 2 / M 12 ) u Lc H = D eff / u lub D eff = H u, natomiast, u = L c /t o gdzie : u [m/sek] prędkośd przemieszczania się trasera w warstwie porowatej między wlotem i wylotem z kolumny o długości L c [m], gdy tzw. czas martwy kolumny wynosi t o [sek] - czas elucji niesorbowanego trasera, wnikającego do wszystkich porów wewnątrz-ziarnowych Dla w przybliżeniu gaussowskich krzywych przebiegu rozkładu trasera ( pików ) można skorzystad z właściwości krzywej Gaussa. Otrzymujemy wówczas na podstawie szerokości kiu w ½ wysokości oraz dystansu elucji : H = Lc / 5.54 (S 1/2 /l) 2 oraz N = Lc / H

W warunkach sorpcji desorpcji oraz liniowości izotermy sorpcji można wykorzystad tzw. krzywą przebicia złoża przez niesorbowany, lub sorbowany traser i dokonad odpowiednich obliczeo na podstawie I-szej pochodnej poniższej krzywej. Korzystanie w obliczeniach HETP z pomiaru szerokości piku (w ½ wysokośści, albo przy podstawie) oraz z odległości retencji (1), jest uprawnione tylko dla pików gaussowskich; Dla pików traser o innym kształcie, niż gaussowki należy wykorzystywad momenty statystyczne. Celowe jest wyłączne korzystanie z momentów statystycznych dla obliczania HETP (!!!) H = Lc/5.54 (S 1/2 /l) 2 H = (µ 2 / M 12 ) Lc N = Lc/H

Podstawowe parametry opisu dyspersji w ziarnistych / monolitycznych warstwach porowatych i wzajemny związek między nimi W bogatej literaturze opisu dyspersji masy podczas przepływu płynu w warstwach porowatych mają miejsce dwa podejścia, prowadzące do odrębnych, wzajemnie powiązanych parametrów miary dyspersji. HETP (H) albo D eff W przypadku rejestracji przebiegu rozkładu stężenia niesorbowanego, albo sorbowanego trasera, przemieszczanego w złożu porowatym z prędkością u D eff = (µ 2 / M 12 ) u Lc stąd : H = D eff / u gdzie: u średnia prędkośd ruchu trasera; w przypadku sorpcji u = u 0 / (1+k) u 0 prędkośd średnia eluentu (u 0 =Lc/t 0 ); µ 2 - drugi moment centralny; M 1 -pierwszy moment zwykły krzywej rozkładu stężenia trasera

Obliczanie sprawności (H) porowatego wypełnienia kolumny, liczby półek teoretycznych (N) kolumny wypełnionej, asymetrii pików - na podstawie szerokości w ½ wysokości pików gaussowskich (S 1/2 ) oraz retencji (l) - na podstawie momentów statystycznych : μ 2 drugiego momentu centralnego oraz M 1 - pierwszego momentu zwykłego pików nie opisywanych krzywą Gaussa H N As L LC S ( 5,54 l C H 0,1 V o = V c ε t ; 5,54( b a 1/ l S 2 1/ 2 u ) ) 2 2 L C t 0 H= Lc (μ 2 / (M 1 ) 2 ) N= Lc/H = (M 1 ) 2 )/μ 2 Obliczanie / szacowanie - prędkości przepływu eluentu (u) objętości martwej kolumny (V o ), czasu martwego (t o, t M ) ε t = ok. 0.75-0.8 V c = t o = w / V o = w/(v c ε t ) = w / (F c L c ε t ) u = w / (Fc ε t )

DYSPERSJA MASY Zjawiska powodujące dyspersję Wiele zjawisk przyczynia się do dyspersji stref rozdzielanych substancji Wzrost dyspersji = spadek sprawności kolumny wzrasta H i spada N Im niższa wartość wysokości równoważnej półce teoretycznej (HETP, H), tym wyższa wartość liczby półek teoretycznych tym wyższa sprawność rozdzielania - także - kolumny

Dyspersja stref zjawisko niekorzystne, jednak, nieuniknione u - liniowa prędkośd fazy ruchomej u=lc/to Zjawiska powodujące dyspersję (najważniejsze dla uproszczenia) - Dyfuzja wirowa (A); - Dyfuzja molekularna (B); - Opory przenoszenia masy (C) 1. w fazie ruchomej (Cm), 2. w fazie stacjonarnej (Cs) Równanie Van Deemter a, H = B/u + A + Cu C = (Cm + Cs) u bardziej adekwatne dla LC równania: Knox a : h = B/v + A v 0.33 + Cv B=0.5; A=2 (1); C=0.1 (0.05) h=h/dp ν - tzw. zredukowana prędkośd przepływu eluentu (Pe) [1] D M współczynnik dyfuzji molekularnej substancji rozdzielanej w eluencie [m 2 /sek] d p średnica ziaren wypełnienia kolumny; wielkośd ziaren wypełnienia kolumny [m] v=udp/dm

Zależność dyspersji od warunków elucji i parametrów wypełnienia kolumny najprostsze, aktualne dla CGC w przypadku HPLC aktualne co do zasady H min A BC u opt B C H min A B C

Modification of the van Deemter Equation: the Giddings Equation Giddings realized that the eddy diffusion and resistance to mass transfer in the mobile phase must be treated dependently: H 5 i 1 1 A 1 1 C u 1 B u C u s C m u H e H = B/u + A + Cu C = (Cm + Cs) u

Particle size comparisons 300000 Test silice Si60 40-63 µm Test silice Si60 63-200 µm Test silice Si60 15-40 µm 250000 200000 150000 100000 50000 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 Page 70

Informacje niesione z chromatogramem i podstawowe zależności Rs -rozdzielczośd pików -zależnośd teoretyczna R S 1 4 1 k2 k 1 2 N 2 - zależnośd obliczeniowa t R czas retencji t M czas martwy kolumny retencja substancji niesorbowanej, wnikającej do porów wypełnienia kolumny k współczynnik retencji k t R t -współczynnik rozdzielenia k2 tr2 tm k1 tr 1 tm N-liczba półek teoretycznych N Rs=(t Rn+1 t Rn ) / ½(S n+1 + S n ) M t M t 5,54 w R h 2

(Rs) R-rozdzielczośd pików zależnośd teoretyczna R S 1 4 1 k k 2 2 1 N 2 selektywność współczynnik retencji sprawność Wpływa : rodzaj fazy stacjonarnej, skład fazy ruchomej, temperatura, ph, dodatek do eluentu substancji solwatujących / tworzących pary jonowe moc / siła elucyjna zastosowanego eluentu, w RP także: ph - dodatki cofające dysocjację elektrolityczną, dodatki solwatujące, zwłaszcza, jeśli zmieniają hydrofobowość średnica ziaren wypełnienia, prędkość przepływu eluentu i w mniejszym stopniu, ale nie bez znaczenia - lepkość fazy ruchomej oraz współczynnik dyfuzji, a więc, także temperatura

F. Steiner, THERMO FISHER SCIENTIFIC, Technical Informations

k opt = 0.5 5.0 (7.0)

Zapewnienie tłokowego profilu przepływu (a) płynu w ziarnistej / monolitycznej warstwie porowatej wypełnienia kolumny / reaktora ze złożem porowatym warunkiem koniecznym minimalizacji dyspersji Zróżnicowanie promieniowe u Jednakowy promieniowy rozkład u Najważniejsze znaczenie ma optymalna konstrukcja kolumny + poprawny profil przepływu eluentu w przekroju kolumny poprawny sposób wypełnienia kolumny (rozkładu porowatości międzyziarnowej / promieniowego ułożenia ziaren pod względem wielkości (tzw. autosegregacja ziaren pod wpływem wibracji)

WARUNKI MINIMALIZACJI DYSPERSJI Równomierna dystrybucja / kolekcja + równomierna przepuszczalnośd warstwy porowatej + poprawne użytkowanie -- warunkiem tłokowego profilu przepływu płynu w ziarnistej / monolitycznej warstwie porowatej - wypełnienia / reaktora ze złożem porowatym, jednocześnie - warunki konieczne dla minimalizacji dyspersji

WPŁYW DYSTRYBUCJI / KOLEKCJI -- łatwy do eliminacji -- Wpływ dystrybucji/kolekcji na profil przepływu płynu w warstwie porowatej

Przykłady poprawnych (w tym własnych) rozwiązao technicznych dystrybucji kolekcji

Nierównomierny rozkład wielkości ziaren wypełnienia i/lub porowatości międzyziarnowej - główna przyczyna nie-tłokowego profilu przepływu oraz podwyższonej dyspersji Przykłady wyników badao - Rozkład ziarnistości / porowatości międzyziarnowej oraz kształt stref barwnego trasera (przebieg profilu przepływu cieczy) w zależności od warunków wypełniania kolumn PLC / P- HPLC A-C kolumny PLC dc=52 mm, wypełniane techniką udarową - na sucho; D, D, E kolumny PLC dc=52 mm, wypełniane techniką zawiesinową - na mokro dp 1 22 μm - niezabarwione; dp 2 = 33 μm zabarwione; dp1 / dp2 = 1/1 v/v; Zakreskowanie oznacza jednolitą barwę przekroju wypełnienia

Przykłady wyników dla kolumn preparatywnych HPLC wypełnianych na mokro techniką zawiesinową

The uniformity of flow profile in the large scale column and bed structure stability is very much important in preparative or process chromatography Wet packed columns dp<25 um Dry packed columns dp>25 um