OPTYMALIZACJA EFEKTÓW ROZDZIELANIA W KOLUMNACH KAPILARNYCH DOBÓR PRĘDKOŚCI PRZEPŁYWU GAZU 1. WPROWADZENIE W czasie swej wędrówki wzdłuż kolumny pasmo chromatograficzne ulega poszerzeniu, co jest zjawiskiem niekorzystnym w osiąganiu dobrego rozdziału mieszaniny. Podstawą teorii kinetycznej opisującej znaczenie różnych czynników w powstawaniu zjawiska poszerzenia pasma chromatograficznego jest równanie van Deemtera. Wpływ na poszerzenie pasma mają takie parametry jak niejednorodność wypełnienia kolumny, rozmiar ziaren wypełnienia, współczynnik dyfuzji w fazie ciekłej i gazowej, grubość filmu fazy stacjonarnej itp. Równanie van Deemtera przedstawione poniżej ukazuje wpływ tych czynników na wysokość równoważną półce teoretycznej. Przez pojęcie półki teoretycznej rozumie się hipotetyczną objętość w kolumnie (fragment kolumny o hipotetycznej wysokości), w której zostaje osiągnięta równowaga między substancją chromatografowaną w fazie ruchomej i w fazie nieruchomej. Im więcej takich półek teoretycznych w kolumnie, a więc im mniejsza ich wysokość, tym więcej razy powtarzany zostaje proces ekstrakcyjny i tym lepsze są rezultaty rozdziału badanej mieszaniny. Równanie van Deemtera: H 2 γd k d G 8 f = 2λ d p + 2 + u [1] 2 2 u π (1 + k) D L gdzie: λ - parametr charakteryzujący niejednorodność wypełnienia kolumny, d p średnica ziaren wypełnienia, γ - opór wypełnienia zależny od współczynnika krętości porowatych kanalików, D G współczynnik dyfuzji w fazie ruchomej (w gazie), k współczynnik podziału, 1
d f grubość filmu ciekłej fazy stacjonarnej, D L współczynnik dyfuzji w cieczy stacjonarnej, u średnia liniowa prędkość przepływu gazu nośnego. Jeśli przyjąć parametry związane z wypełnieniem kolumny za stałe to można zapisać równanie 1 w uproszczonej postaci, przedstawiające zależność wysokości równoważnej półce teoretycznej od prędkości gazu nośnego: B H = A + + Cu [2] u gdzie: u liniowa prędkość gazu nośnego, A,B i C- wielkości stałe dla danej kolumny, fazy stacjonarnej, gazu nośnego i temperatury. Na rysunku 1 przedstawiono graficzny obraz równania van Deemtera. Rysunek 1. Graficzny obraz równania van Deemtera. Stała A zależy od wypełnienia i upakowania kolumny. Frakcja sitowa cząstek adsorbentu lub nośnika fazy ciekłej powinna być jak najwęższa, ziarno kuliste, a jego rozmiar mały. Im mniejsze ziarna tym mniejsza wartość A. 2
Stała B zależy od rodzaju gazu nośnego. Dyfuzja w fazie gazowej zależy od gęstości gazu. Im wyższa gęstość, tym niższa wartość dyfuzji, tym wyższa sprawność kolumny. Na rysunku 2 przedstawiono krzywe van Deemter'a wyznaczone dla trzech różnych gazów obojętnych stosowanych w chromatografii gazowej. Najniższą wysokość półki teoretycznej uzyskano dla azotu. Jednak wartość tę osiąga się przy stosunkowo niskiej prędkości liniowej. Zwiększanie prędkości azotu drastycznie podwyższa wysokość półki teoretycznej. Przy analizie chromatograficznej zależy analitykom na dokonaniu jak najlepszego rozdziału w jak najkrótszym czasie. Rysunek 2. Krzywe van Deemter'a dla różnych gazów nośnych. Korzystniej jest zatem niewiele stracić na ogólnej sprawności kolumny, a dzięki temu przeprowadzić szybciej rozdział, zwiększając prędkość liniową gazu. Dlatego najczęściej w chromatografii gazowej stosuje się jako fazę ruchomą hel albo wodór. Zwiększając prędkość liniową tych gazów zyskuje się możliwość szybszego rozdziału analizowanych substancji bez drastycznego obniżenia sprawności kolumny. Stała C zależy od współczynnika podziału substancji chromatografowanej między fazę stacjonarną i ruchomą oraz od grubości warstwy fazy stacjonarnej i wyznacza opór stawiany przenoszeniu masy. Grubość filmu fazy stacjonarnej powinna być mała. W chromatografii kapilarnej kolumny z cieńszą warstwą fazy ciekłej wykazują wyższe sprawności niż kolumny 3
pokryte większymi ilościami fazy stacjonarnej. Zmniejszenie ilości fazy ciekłej w kolumnie wpływa jednak na zmniejszenie pojemności kolumny. 2. CEL ĆWICZENIA Celem ćwiczenia jest optymalizacja rozdziału wybranej kolumny kapilarnej poprzez wyznaczenie prędkości liniowej fazy ruchomej w zależności od wysokości półki teoretycznej przy pomocy krzywej van Deemter'a. 3. ZAKRES MATERIAŁU WYMAGANY PRZED PRZYSTĄPIENIEM DO WYKONYWANIA ĆWICZENIA. Wykonującego ćwiczenie obowiązuje znajomość podstaw teoretycznych procesu chromatograficznego i znajomość podstawowych pojęć związanych z parametrami retencyjnymi. Aby sprawnie osiągnąć cel zaproponowanych badań student przystępujący do ćwiczenia powinien dobrze zapoznać się z opisem jego przebiegu. W uzyskaniu niezbędnych wiadomości może dopomóc następująca literatura: J. Nawrocki, I. Obst, Metody analizy zanieczyszczeń powietrza atmosferycznego i organicznych zanieczyszczeń wody pitnej, Wydawnictwo Naukowe UAM,, Poznań 1992. W. Szczepaniak, Metody instrumentalne w analizie chemicznej, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 1997. Z. Witkiewicz, Podstawy chromatografii, Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, Warszawa1995. 4. SPRZĘT I ODCZYNNIKI Ćwiczenie proponuje się wykonać na chromatografie gazowym: GC- 8000 firmy Fisons Instruments z detektorem wychwytu elektronów (ECD) i kolumną kapilarną: RTx-5, o długości 30 metrów i średnicy wewnętrznej 0.25 mm, z układem komputerowym zbierania i obróbki danych przy pomocy programu CSW 1.7. Gaz nośny hel. Substancja wzorcowa: mieszanina 2 oksymów uzyskanych po derywatyzacji odczynnikiem PFBOA (pentafluorobenzylohydroksylaminą) formaldehydu i acetonu (firmy Sigma). Program temperaturowy: 10 o C 100 o C (23 min) min 280 Pomiar prędkości przepływu gazu nośnego można wykonać przy pomocy szklanego przepływomierza instalując go na wylocie detektora. o C 4
5. SPOSÓB WYKONANIA ĆWICZENIA Dobór optymalnej prędkości liniowej helu dla badanej kolumny przeprowadzić w następujący sposób: A/ Zmieniać kolejno wartości przepływu gazu nośnego przy pomocy zaworu regulującego ciśnienie dopływającego helu do kolumny chromatograficznej. Zmiany przepływu nastawiać odczytując kolejne wielkości ciśnienia gazu w kpa na manometrze umieszczonym przy zaworze (opisanym "carrier gas"). Ciśnienie zmieniać od 40 do 160 kpa. Przy pomocy przepływomierza umieszczonego na wylocie gazu z detektora pomierzyć dla każdego ciśnienia gazu przepływ w ml/min, a następnie przepływ objętościowy przeliczyć na prędkość liniową. W czasie pomiarów azot przepływający przez detektor ECD (tzw make-up gas) musi być zamknięty, a grzanie detektora wyłączone. Dla ułatwienia obliczeń proponuje się skorzystanie z podanych poniżej zależności: objętość kolumny V = LA (L długość [cm], A przekrój poprzeczny [cm 2 ], A = πd 2 /4, d- średnica kolumny w [cm]), - przepływ gazu v = V/t M [ml/min], - liniowa prędkość gazu u = v/a lub u = L/t M [cm/s]. Uzyskane dane uporządkować według poniższej tabeli: Ciśnienie gazu [kpa] 40 60 80 100 120 140 160 Przepływ gazu [ml/min] Liniowa prędkość gazu [cm/s] B/ Dla wyznaczonych prędkości przepływu gazu nośnego zmierzyć czasy retencji badanych związków (formaldehydu i acetonu). Dla każdej prędkości przepływu gazu nośnego i dla każdego piku obliczyć wysokość półki teoretycznej korzystając z poniższego wzoru: gdzie: t R czas retencji danego składnika [min.], L w = 5,54 t 1/ 2h H [3] R 2 5
w 1 / 2h szerokość piku w połowie wysokości [min.], L długość kolumny [mm]. Uzyskane dane zapisać w tabeli: Prędkość liniowa gazu [cm/s] Czas retencji t R [min]: 1 składnik 2 składnik Wysokość półki teoretycznej H: 1 składnik 2 składnik Ilość półek/1m kolumny: 1 składnik 2 składnik C/ Wykreślić zależność wysokości półki teoretycznej od prędkości liniowej gazu (krzywą van Deemter'a). D/ Odczytać z wykresu prędkość liniową, przy której wysokość półki teoretycznej H osiąga minimum. 6. OPRACOWANIE WYNIKÓW 6.1. Wszystkie wykonane w ćwiczeniu pomiary oraz uzyskane wyniki obliczeniowe uporządkować według zaproponowanych w punktach 5A i 5B tabel, wydrukować potrzebne do obliczeń chromatogramy, sporządzić przy pomocy dostępnych programów komputerowych wykres zależności H = f(u). 6.2. Na podstawie analizy uzyskanych wyników oraz sporządzonej krzywej van Deemter'a przedyskutować dobór optymalnej prędkości gazu oraz ocenić wpływ zwiększania prędkości helu na rozdzielczość kolumny. 6