WYMIANA JONÓW, CHROMATOGRAFIA JONOWYMIENNA i JONOWA prof. Bogdan Zygmunt prof. Marian Kamiński
Wprowadzenie Wymiana jonowa jest operacją rozdzielania i oczyszczania stosowaną przez człowieka od bardzo dawna pod różnymi nazwami. W przyrodzie, proces wymiany jonowej często decyduje o składzie i jakości gleb. Najbardziej powszechne zastosowanie wymiany jonowej w technologii, to ciągle - demineralizacja wody kotłowej, a także wody dla reaktorów jądrowych i innych urządzeń wymagających stosowania wody całkowicie pozbawionej jonów. Proces wymiany jonów też stosowany do prekoncentracji i rozdzielania metali ziem rzadkich oraz transuranowców W energetyce wymiana jonowa zastępuje znacznie bardziej energochłonną destylację wody, szczególnie, dwustopniową. Ostatnio, jednak, wymiana jonowa jest coraz częściej zastępowana przez odwróconą osmozę (RO), a w wielkiej skali - przez elektroosmozę. Wysokosprawna chromatografia jonowymienna, zwana jonową, ma znacznie krótszą historię, począwszy od roku 1975.
Wymiana jonowa zarys historyczny Pierwsze wzmianki w Piśmie Świętym: Po wrzuceniu wskazanego przez Pana drzewa woda gorzka, niezdatna do picia, zmieniła smak i stała się zdatną do picia Thompson (1850): Opis adsorpcji jonowymiennej w zakresie filtracji roztworów soli metali alkalicznych i metali ziem alkalicznych przez gleby zawierające glinokrzemiany Folin i Bell (1917): naturalne wymieniacze jonowe zastosował do oznaczania jonów amonowych w moczu H. Small (lata 1950-te): wskazał na możliwość zastąpienia klasycznych metod oznaczania jonów metodami elucyjnej chromatografii jonowymiennej
Wymiana jonów praktyka dnia dzisiejszego -- Systemy periodyczne -- Systemy pseudo-ciągłe ---- z okresową regeneracją kolumny jonowymiennej -- Systemy o działaniu ciągłym, w tym, SMB ---- warunki elucyjne, bez konieczności okresowej regeneracji kolumny jonowymiennej
Chromatografia jonowymienna, to wymiana jonowa, wykonywana w sposób elucyjny, z zastosowaniem kolumny jonowymiennej. Retencja jonów w kolumnie opiera się na zjawisku równowagi wymiany jonowej Ma miejsce wiązanie przez sorbent (jonit) jonów i obecnych w roztworze cząstek obdarzonych ładunkiem elektrycznym; Jonit oddaje do roztworu inne jony o tym samym znaku Wymieniane jony, to najczęściej, OH -, H +, Na +, Cl -, ale także SO4 2-, CO3 2-, anionów kwasów karboksylowych, kationów amin i alkanolo-amin itp. Wymiana jonów to proces odwracalny i stechiometryczny. Istnieje możliwość regeneracji jonitu, tzn. utworzenie postaci pierwotnej jonitu.
Chromatografia jonowymienna fazą stacjonarną stałe jonity (anionity lub kationity), albo ich mieszaniny Anionit zasada na trwale związana z powierzchnią stałej substancji porowatej - grupa z ładunkiem dodatnim trwale związana z powierzchnią sorpcyjną, mobilne przeciw-jony mają ładunek ujemny i mogą ulegać wymianie przez inne aniony; Kationit - kwas związany z powierzchnią stałej substancji porowatej - grupa z ładunkiem ujemnym na trwale związana, mobilne przeciw-jony mają ładunek dodatni i mogą ulegać wymianie przez inne kationy; Jonity amfoteryczne wymiana, albo anionów, albo kationów (w zależności od ph) Jonity bipolarne jednocześnie - anionit i kationit
Jonity naturalne kationity glinokrzemianowe, głównie zeolity Na 2 O. CaO. Al 2 O 3. nsio 2. mh 2 O Jonity półsyntetyczne głównie węgle sulfonowane (Permutyt-H, Zecarb HJ, Wofatit-X) Jonity syntetyczne głównie żywice jonowymienne czyli wielkocząsteczkowe polimery organiczne nierozpuszczalne w wodzie i większości rozpuszczalników organicznych zawierające grupy funkcyjne zdolne do wymiany jonów w roztworze elektrolitów, m.in. żele krzemionkowe chemicznie modyfikowane grupami alkilo- lub arylosulfonowymi, karboksylowymi, alkilo-, albo arylo- amoniowymi lub -aminowymi; także sorpcja tychże na C18- chromatograia par jonowych (IPC).
Żywice kationo-wymienne w postaci pierwotnej, grupy kwasowe odszczepiające proton - H + wymienialny na inne kationy Grupy funkcyjne związane na powierzchni sorpcyjnej: -Sulfonowe: -SO 3 H mocny -Karboksylowe: -COOH średnio mocny, albo słaby -Amino-di-octanowe: -N(CH 2 COOH) 2 słaby -Fenolowe: -C 6 H 4 OH bardzo słaby -Fosfonowe: -PO 3 H 2 mocny -Fosfinowe: -PO 2 H słaby
Żywice aniono-wymienne grupy funkcyjne o charakterze zasadowym związane na powierzchni sorpcyjnej: -czwartorzędowe grupy amoniowe: -NR 3+, - N + (CH 3 ) 2 C 2 H 4 OH mocny -Aminy, amidy, protonowane aminy II i III rzędowe: -NH 2, =NH, -NR 2 H +, -NRH 2+ NH 3+ - średni, słaby, b. słaby -dialkilosulfoniowe: -SR 2 + - słaby do b. słaby
Żywice amfoteryczne równocześnie grupy funkcyjne o charakterze zasadowym i kwasowym -N(CH) 3+ i -COOH - inne kombinacje
week centers Sulfonowany kopolimer polistyrenu i diwinylobenzenu Inne grupy: ; -COOH: kopolimeryzacja kwasu akrylowego i diwinylobenzenu -NR 4 Cl: aminowanie kopolimeru polistyrenu i diwinylobenzenu (aminami trzeciorzędowymi)
Sposoby przygotowania żywic jonowymiennych
Żywica kationowymienna - mocny wymieniacz jonowy
Wysokosprawna chromatografia jonowymienna chromatografia jonowa (IC) lub wysokosprawna chromatografia jonowa (HPIC) Chromatografia jonowa (IC) wysokosprawne kolumny rozdzielające oraz (najczęściej) detekcja konduktometryczna po supresji jonów eluentu IC wprowadzona 1975 (Small, Stevens, Bauman)
Chromatografia jonowa (IC) Eluenty o małej sile jonowej: 0,1 1 mm Żywice rozdzielające o małej pojemności jonowej Konieczne tłumienie tła: supresja jonów eluentu, lub elektroniczna korekta tła dla bardzo małej siły jonowej eluentu! Uniwersalna detekcja konduktometryczna po supresji jonów eluentu Próg detekcji (LOD) ogranicza poziom przewodnictwa oznaczanych jonów Detektory przydatne w szczególnych przypadkach: UV- VIS (np. azotany -5 i -3, siarczki), RID (wyższe stężenia), ELD (reduktory)
Przykłady rozdzielań IC elucja izokratyczna
Chromatografia jonowa w warunkach elucji gradientowej - detektor konduktometryczny z tzw. auto-supresorem mikro-membranowym
Klasyczny aparat do chromatografii jonowymiennej Aparat do chromatografii jonowej z supresją jonów eluentu
Nowoczesny chromatograf jonowy, z supresorem jonów
Kolumny w chromatografii jonowej Generalnie niższa sprawność niż w niejonowej HPLC Mimo to z cząstkami rzędu 5 mm, nawet 7000-10 000 półek teoretycznych / m Wypełnienia całkowicie porowate grupy funkcyjne w przestrzeni całej matrycy Wypełnienia błonkowate grupy funkcyjne w porowatej warstewce jonitu na powierzchni nieprzepuszczalnych cząstek (ziaren) rdzenia cząstek
Właściwości jonitów całkowicie porowatych i błonkowatych Właściwość Jonit całkowicie porowaty Pojemność wymienna Duża Mała Skłonność do pęcznienia Duża Mała Rozdzielanie Dobre Słabe Wpływ innych substancji Mały Duży Wymagane stężenie eluentu Duże Małe Jonit błonkowaty Uzyskiwane piki Szerokie Wąskie
Wypełnienia kolumn w IC
Grupy funkcyjne na powierzchni Struktura pojedynczej cząstki wypełnienia (IonPac AS14) z warstwą anionowymienną: 9 mm; 55%; 52 meq/13 meq (2x250 mm); grupa alkiloamoniowa; hydrofobowość; średnia-wysoka
Rdzeń z kopolimeru etylowinylobenzenu (EVB) i divinylobenzenu (DVB) EVB sieciowany 55% DVB Grupy funkcyjne na powierzchni Całkowita zgodność z różnymi rozpuszczalnikami Z rdzeniem kowalencyjnie związana warstewka polimeru o właściwościach wymieniacza jonowego. Grubość warstewki wymieniacza jonowego mała i kontrolowana szybka wymiana masy i w konsekwencji wysoka sprawność Tego typu wypełnienia zdeformowane piki gaussowskie zaokrąglone wchodząca i schodząca część piku przy podstawie
Lateks z rdzeniem oddziaływania elektrostatyczne i van-der-waalsa Struktura żywicy anionowymiennej: sulfonowana powierzchniowo cząstka kopolimeru polistyrenu i diwinylobenzenu (5 mm, 25 mm) Całkowicie aminowana porowata cząstka lateksu (ok. 100 nm) czyli polimeru z polichlorku winylobenzylu lub polimetakrylanu
Trzy obszary ziaren wypełnienia: @ Obojętny i mechanicznie trwały rdzeń mechaniczna trwałość i umiarkowane opory @ Cienki film grup sulfonowych na rdzeniu Sulfonowani powierzchni rdzenia ogranicza dyfuzję indywiduów nieorganicznych do wnętrza rdzenia wykluczanie Donnana. Proces dyfuzji zdominowany przez grupy funkcyjne związane z kulkami lateksowymi @ Zewnętrzna warstwa kulek lateksowych z czwartorzędowymi grupami amoniowymi małe rozmiary to szybka dyfuzja i wysoka sprawność Grupy funkcyjne na powierzchni redukcja pęcznienia i kurczenia się Wysoka trwałość chemiczna wiązania jonowe trwałe nawet w 4M NaOH
Wypełnienia kationowymienne: @ Kopolimery styrenu i diwinylobenzenu powierzchnia sulfonowana poprzez reakcję ze stężonym H 2 SO 4 @ Pojemność 5-100 meq/g Dyfuzja całkowicie zdysocjowanych kationów Na +, K +, Mg 2+ do wnętrza rdzenia pomijalnie mała wysoka sprawność w porównaniu z całkowicie sulfonowanymi wypełnieniami Kopolimer EVB/DVB (8mm, 450m 2 ) w dużym stopniu usieciowany z kowalencyjnie związanym polimerem z grupami kationowymiennymi (-COOH) (500-1000nm) metale alkaliczne i ziem alkalicznych Mała powtarzalność aminowania brak wypełnień z warstewką sulfonowanych kulek lateksowych
Cząstka żywicy kationowymiennej (10mm): ziarna aminowanego lateksu (50 nm); ziarna całkowicie sulfonowanego lateksu (250 nm); dopiero w 1986 bo bezpośrednie aminowanie niepraktyczne
Lateksowe wypełnienia dają znacznie wyższą sprawność niewiele zmieniającą się ze wzrostem przepływu separacja Na +, NH 4+ i K + w ciągu 3 min Specjalne wypełnienie lateksowe w 1990 do jednoczesnej separacji metali alkalicznych i ziem alkalicznych CS10 @ Wysoce usieciowany kopolimer EVB i DVB (8,5 mm) @ W czasie polimeryzacji monowarstwa koloidalnych cząstek całkowicie aminowanego polimeru jest kowalencyjnie wiązana na powierzchni @ Warstwa ta kotwicą dla sulfonowanych kulek lateksowych (właściwy wymieniacz jonowy) @ Wysoka stabilność mechaniczna i chemiczna @ Eluent mieszanina kwasu 2,3-diaminopropionowego i HCl
76 nm 140 nm Czwartorzędowa grupa amoniowa Wytwarzanie wypełnień dwufunkcyjnych (CSA5A). CEC 20meq; AEC 40 meq (250x4 mm)
Retencja: Wymiana między jonami próbki i przeciwjonami występującymi na żywicy R-SO 3- H + + Me + R-SO 3- Me + + H + odwracalne R-NR 3+ (OH) - + A - RNR 3+ A - + OH - reakcje Gdy przeciwjon zastąpiony jonem analitu wówczas analit jest tymczasowo zatrzymany w kolumnie Różne anality różne powinowactwo i różny czas przebywania w fazie stacjonarnej i w kolumnie separacja
R-NR 3+ (HCO 3 ) - + A - RNR 3+ A - + HCO 3 - R-NR 3+ (HCO 3 ) - + B - RNR 3+ B - + HCO 3 - Stała równowagi czyli współczynnik selektywności K = [X - ] s. [HCO 3- ] m / [X - ] m. [HCO 3- ] s a i = f i.c i - stężenia małe c i zamiast a i Wyższa wartość K dłuższy czas retencji Masowy współczynnik podziału, D g = [X - ] s /[X - ] m Współczynnik retencji, k = D. (m ż )/(V s )
Inne mechanizmy retencji: Jony organiczne: oddziaływania hydrofobowe intensyfikowane wysoką siłą jonową fazy ruchomej Pewne sytuacje: wykluczanie - duże cząsteczki słabo penetrują pory wypełnienia gdzie występuje większość centrów aktywnych Wykluczanie jonów: potencjał Donnana jony z tym samym ładunkiem nie wchodzą do porów (separacja obdarzonych ładunkiem od obojętnych)
Kolejność elucji (wymywania) - zasady ogólne Czynniki zwiększające k ((K)-retencję): -Wzrost ładunku jonu / przeciw-jonu -Wzrost promienia jonowego i polaryzowalności jonu / przeciw-jonu -Wzrost oddziaływań hydrofobowych np. jony z pierścieniem aromatycznym silniej oddziaływają z żywicą polistyrenową dodatek modyfikatora organicznego może odwrócić kolejność elucji
Szeregi elucyjne w chromatografii jonwej (orientacyjnie): Kationy: Li + < H + < Na + < NH 4+ < K + < Cs + < Ag +, Cu 2+ < Cd 2+ < Ni 2+ < Ca 2+ < Sr 2+ < Pb 2+ < Ba 2+ Aniony: F < OH < acetate < formate < Cl < SCN < Br < I < NO 3 < SO 4 2 < citrate Aktualny szereg elucyjny charakterystyczny dla konkretnego wymieniacza - Dla wymieniaczy typu słaby kwas - preferowane jony H + - Dla wymieniaczy typu słaba zasada - preferowane jony OH - lub HCO 3 -
Wybór eluentu zasady ogólne Powinowactwo jonów eluentu i analitu porównywalne Wybór zależy od systemu detekcji - detekcja konduktometryczna po supresji jonów eluentu mała siła jonowa eluentu - detekcja konduktometryczna z elektroniczną kompensacją tła bardzo mała siła jonowa eluentu - inne sposoby detekcji (inne niż siła jonowa czynniki wyboru eluentu) - dotyczy detekcji: - potencjometrycznej, woltamperometrycznej, amperometrycznej, fluorescencyjnej, refraktometrycznej, spektrofotometrycznej UV i Vis bezpośredniej i pośredniej, a także - AAS, ICP-MS, ICP-AES, ICP-MS
Optymalizacja warunków rozdzielania: Konieczne dobranie optymalnych wartości / programu zmian wartości takich parametrów eluentu, jak: siła jonowa, ph, temperatura, natężenie przepływu, stężenie buforu, stężenie modyfikatora organicznego -- Siła jonowa kontrola retencji (wartości k) -- ph kontrola selektywności ph = pk a [ ionized ] [ non ionized ] -- Optymalne ph buforu ph = pk a (1 2) dla zasad ph = pk a + (1 2) dla kwasów przytrzymywane jedynie w postaci zdysocjowanej -- Zmiany temperatury zmiana retencji, a często selektywności Modyfikator organiczny dodatek ważny jeśli retencja jonów jest kontrolowana przez mechanizm faz odwróconych
Siła jonowa siła elucyjna wzrasta z siłą jonową; na selektywność mały wpływ; przeciw-jon eluentu kontroluje wielkość oddziaływania z fazą stacjonarną ph kontrola selektywności; wzrost ph: spadek retencji w chromatografii kationowymiennej i wzrost w anionowymiennej Dodatek modyfikatora organicznego do eluentu ważny jeśli retencja jest kontrolowana przez mechanizm faz odwróconych (dodatek modyfikatora organicznego powoduje też wzrost siły jonowej eluentu), zmiana modyfikatora to zmiana selektywności (jak w RP- HPLC); Obniżenie lepkości eluentu - polepszenie warunków wymiany masy
Natężenie przepływu eluentu wpływa silnie na sprawność rozdzielania stosuje się niższe prędkości przepływu eluentu, niż w innych odmianach HPLC - by zwiększyć rozdzielczość i poprawić kinetykę wymiany masy Rodzaj bufor siła elucyjna i selektywność zależna od przeciw-jonu soli buforu; sól buforu również wpływa na ph Wzrost temperatury - poprawia kinetykę wymiany masy i obniża lepkość fazy ruchomej
Supresor jonów eluentu zmniejszenie tła (sygnału detektora) pochodzącego od eluentu przez obniżenie przewodnictwa eluentu po opuszczeniu kolumny I. Stosowanie kolumny tłumienia (lata 80-te - przestarzały sposób, do którego obecnie się wraca) - konieczność okresowej regeneracji kolumny supresyjnej (można zautomatyzować); poszerzenie pasm (można zminimalizować dzięki wysokiej sprawności kolumny supresyjnej) Rozdzielanie anionów: Za kolumną aniono-wymienną, kolumna z silnym kationitem żywica H + + NaOH żywica Na + + H 2 O (eluent) Konwersja rozdzielanych anionów do kwasów żywica H + + M + + A - żywica M + + H + +A - (a) Rozdzielanie kationów Za kolumną kationo-wymienną, kolumna z silnym anionitem żywica OH - + HCl żywica Cl - + H 2 O (eluent) Konwersja rozdzielanych kationów do zasad żywica OH - + M + + Cl - Resin Cl - + M + + OH - (b)
Często stosowane eluenty w IC anionów z detekcją koduktometryczną poprzedzoną supresją jonów eluentu Eluent Jon eluentu Produkt supresji Siła elucyjna Na 2 B 4 O 7 B 4 O 7 2- H 3 BO 3 b.słaba NaOH OH - H 2 0 słaba NaHCO 3 HCO 3 - CO 2 + H 2 0 słaba NaHCO 3 /Na 2 CO 3 HCO 3- / CO 3 2- CO 2 + H 2 0 Dość silny H 2 NCH(R)C00H/ NaOH RNHCH(R )SO 3 H/ NaOH H 2 NCH(R)C00 - RNHCH(R )SO 3 - H 3 N + CH (R)COO - RNH 2+ CH( R )SO 3 - Na 2 CO 3 CO 3 2- CO 2 + H 2 0 silny Dość silny Dość silny
Eluenty w chromatografii jonowej kationów Wybór eluentu : Metale alkaliczne, jon amonowy, małocząsteczkowe aminy w zastosowaniu do mocnych kationitów; Kwasy mineralne (HCl, H 2 SO 4, HNO 3 ), albo NaOH lub NaHCO 3 w zastosowaniu do mocnych anionitów; Kwas metanosulfonowy tylko przy eletrolitycznie generowanym supresorze; Dla dwuwartościowych jonów rozcieńczone kwasy mineralne są za słabym eluentem (zbyt niskie stęenie H + ); Dla metali ziem alkalicznych mieszanina kwasu 2,3- diaminopropionowego i solnego; IC bez supresji mieszanina etylenodiaminy i alifatycznych kwasów di-karboksylowych.
UWAGI PRAKTYCZNE W IC wykorzystywać najwyżej 5% pojemności jonowej kolumny Stosować stałe ph a siłę elucyjną zmieniać poprzez siłę jonową Jeżeli analit ma fragmenty hydrofobowe a fazą stacjonarną jest organiczny kwas lub zasada lub faza stacjonarna opiera się na kopolimerze PS i DVB dodatek modyfikatora organicznego jest z reguły niezbędny, by zmniejszyć oddziaływania hydrofobowe Dodatek substancji przeciwgrzybowych NaN3, kwas kapronowy, fenol, krezol Płukać okresowo tłok i uszczelkę pompy, szczególnie gdy stosuje się bufory będące solami nieorganicznymi
ALTERNATYWNE SPOSOBY ROZDZIELANIA JONÓW Chromatografia par jonowych z zastosowaniem sorbentów C18, C8, C2. Przykłady substancji tworzących pary jonowe: kwasy alkilo-sulfonowe; zasady alkilo-amoniowe Cofanie dysocjacji kwasów i zasad układy faz odwróconych Wykluczanie jonowe rozdzielanie słabych kwasów i zasad Dodatek substancji przeciwgrzybowych NaN 3, kwas kapronowy, fenol, krezol
II. Supresory membranowe i auto-supresory jonów eluentu
Supresor MSM firmy Metrohm: trzy kolumny tłumienia; 1- regeneracja kwasem siarkowym; 2 przemywanie wodą dejonizowaną; 3 połączona z kolumną rozdzielającą (aktualnie pracująca). Mała pojemność mała siła jonowa eluentu; małe szumy w przypadku kolumn tłumienia
Ciągła regeneracja, eluent - 3 drogi, dwie: elektroliza jony do regeneracji, jedna do złoża supresji, 200mL, mała sprawność
Na 2 SO 4 do ścieków SO 4 2- Na + CO 3 2-, HCO3 Aniony X - w eluencie Na 2 CO 3 /NaHCO 3 Na + Na 2 SO 4 do ścieków SO 4 2- H 2 SO 4 H + do detektora H 2 CO 3 H + H 2 SO 4 Ścianka kapilary Włókno kationowymienne Włókno kationowymienne Ścianka kapilary
BaCl 2 do ścieków Cl - BaCl 2 do ścieków H + Ba 2+ Ba(OH) 2 do detektora H 2 O Kationy Y + w eluencie HCl Cl - Ba 2+ OH - OH - Ba(OH) 2 Ścianka kapilary Włókno anionowymienne Włókno anionowymienne Ścianka kapilary
H 2 0, O 2 do ścieków NaOH, H 2 do ścieków H 2 O do detektora Na +, X -, w H 2 O H 2 O Na +, X -, w eluencie NaOH H + OH - Na + OH - 4 H + + O 2 H 2 + 2 OH - 2 H 2 O 2 H 2 O Anoda Membrana kationowymienna Membrana kationowymienna Katoda
Reakcje zobojętniania w supresorze z autoregeneracją (CSRS)
Duży zakres liniowości (z 0,1 do 100 mg/l) bo MSA (H + ) całkowicie zdysocjow any Transport jonów w supresorze CSRS-S.C.: ES - supresor eluentu; AC konwertor analitu. Analit np. NH 4+ jako kwas metanosulfonowy w znikomym tle tego samego kwasu
Roztwór regenerujący (regenerant) pod ciśnieniem 5-10 psi z natężeniem 5-10 ml/min. Zużyty środek - do ścieków. Stężenie H2SO4 10 mmol/l w chromatografii izokratycznej,ale 2-krotnie większe w IC gradientowej
Wymieniacz jonowy Schemat supresora mikro-membranowego pracującego w systemie AutoRegen dla pracy ciągłej (kilkudniowej). Czas pracy = pojemność/(stężenie x natężenie przepływu) nawet do 30 dni dla anionów nieorganicznych
Regenerant jest wypierany przez eluat wypływający z celki konduktometrycznej dodatkowa pompa zbyteczna. Zbiorniki eluentu i regeneranta jednakowej objętości
Eluat z celki konduktometryczne jako źródło potrzebnej wody dejonizowanej. W supresorze przeciwjony wymieniane są na jony hydroniowe. Eluat z supresora to praktycznie dejonizowana woda (z wyjątkiem nielicznych jonów analitu). Stosowalny z czystymi eluentami wodnymi.
Supresor stanowi monolityczny wymieniacz jonowy. Złoże monolityczne pocięte w plastry i poprzedzielane przez krążki z otworami. Jony eluentu wymieniane są na jony regenerentu generowane na anodzie.