Применение газовой хроматографии для исследования углеводородных систем

Лекция 5 Применение газовой хроматографии для исследования углеводородных систем Впервые идею хроматографического метода высказал русский ученый-ботаник Михаил Семенович Цвет в использовании для разделения веществ их различную степень адсорбироваться на адсорбенте (избирательная адсорбция). В 1903 г. М. С. Цвет опуб­ликовал в трудах Варшавского общества естествоиспытателей статью, в которой сформулировал принцип нового метода и на­глядно показал возможность отделения зеленой части хлорофил­ловых пигментов листьев (хлорофиллинов) от желтой (ксанто-филлинов) и от оранжевой (каротина) с помощью адсорбентов. В более поздних работах М. С. Цвет значительно усовершенст­вовал свой метод и дал ему необходимое теоретическое и экспе­риментальное обоснование. Однако не всем исследователям уда­валось воспроизвести опыты М. С. Цвета при его жизни и вскоре этот метод был предан забвению. О его методе вспомнили через 27 лет после его открытия немецкие биохимики Кун, Ледерер и Винтерштейн, которые в 1930 г. успешно разделили каротин на отдельные изомеры, предсказанные Цветом. С этого времени хро­матография стала развиваться в самых разнообразных направле­ниях и со временем приобрела характер самостоятельной научно-технической дисциплины, претерпев, таким образом, второе рож­дение. Хроматографический метод, как показывает его название, пред­назначался для исследования окрашенных веществ. Однако уже на заре развития метода М. С. Цвет высказал предположение, что его метод применим не только к окрашенным, но и к бесцвет­ным веществам. Но первоначально применению хроматографии для разделения бесцветных веществ мешало отсутствие прибо­ров, с помощью которых можно было бы контролировать в ходе опыта процесс разделения,— детекторов. В настоящее время раз­работаны детекторы, позволяющие анализировать самые разно­образные соединения. В простейшем варианте метода Цвета исследуемый раствор окра­шенных веществ фильтруют под не­большим разрежением, создавае­мым водоструйным насосом, через стеклянную колонку, заполненную бесцветным адсорбентом, затем про­являют хроматограмму чистым рас­творителем. При правильно постав­ленном эксперименте вдоль колонки появляется ряд окрашенных попе­речных полос, содержащих разде­ленные компоненты исследуемой смеси. Проведение хроматографического опыта в таком простейшем ва­рианте видно из рис. 1. Современная хроматографическая установка включает раздели­тельную колонку, термостат, детек­тор, блоки управления и другие вспомогательные приспособления. Рис. 1. Хроматограмма хлорофилловых пигментов по М.С. Цвету Начиная с 1931 г. число публи­каций, посвященных применению хроматографии, с каждым годом увеличивалось, прежде всего в биохимии. Это можно объяснить тем, что биохимикам чаще приходит­ся исследовать термически неустойчивые биологически активные материалы и хроматография здесь оказалась наиболее эффектив­ным методом исследования их состава. Кроме того, все работы М. С. Цвета были опубликованы в биологической литературе, вследствие чего химикам его метод долгое время оставался неиз­вестным. Кроме хлорофилловых пигментов этим методом были ус­пешно разделены и выделены в чистом виде другие биологически активные вещества: витамины, ферменты, гормоны, энзимы, амино­кислоты, алкалоиды. Применение хроматографии в органической, неорганической и аналитической химии началось значительно позднее, чем в био­логии. Первые публикации, посвященные применению метода Цвета в неорганическом анализе, относятся к 1937 г. и принадле­жат Швабу и его сотрудникам. В этих работах приведена методика качественного анализа смесей некоторых катионов и анио­нов на стеклянной колонке с оксидом алюминия, причем техника проведения анализа почти не отличается от той, которую приме­нял Цвет. Значительные успехи в разделении и анализе неоргани­ческих веществ были достигнуты в 50-х годах, когда в практику хроматографии были введены в качестве адсорбентов ионообмен­ные смолы. Стимулом к этому послужила задача изучения ток­сичности радиоактивных продуктов расщепления урана и плутония при атомном взрыве и в атомном реакторе. Такими продуктами являются соединения редкоземельных элементов с примесью их радиоактивных изотопов. Применение хроматографии на ионо­обменных смолах в качестве адсорбентов позволило выделить почти все эти продукты и подробно изучить биологическую актив­ность и другие физико-химические свойства каждого продукта в отдельности, что сыграло большую роль в развитии атомной и ядерной техники. Кроме ионообменной хроматографии, для разделения и ана­лиза катионов и анионов советские ученые Е. Н. Гапон и Т. Б. Гапон в 1948 г. предложили осадочную хроматографию. В этом варианте метода Цвета формирование хроматограмм обусловлено не различием адсорбируемости или коэффициентов распределения, а процессом образования осадков и различием в их растворимости. Это и вызывает разделение тех ионов, которые вошли в состав осадков при реакции с реактивом-осадителем, нанесенным на сор­бент хроматографической колонки или на фильтровальную бумагу. Хроматографический анализ органических веществ развивался попутно с хроматографией неорганических веществ. В 1935— 1936 гг. появились первые сообщения об успешном применении метода Цвета в анализе синтетических красителей. Из жидкофазных вариантов хроматографии наиболее широкое применение в органической и биологической химии получила бумажная хрома­тография. Это тонкий микрометод, позволяющий разделять смеси нескольких десятков компонентов на полоске пористой бумаги, которая выполняет роль хроматографической колонки. Хроматограмма получается в виде пятен, окраска которых соответствует природной окраске разделяемых компонентов смеси. При анализе бесцветных веществ пятна проявляют, опрыскивая бумагу реак­тивом, образующим с разделяемыми компонентами окрашенные соединения. Например, при определении аминокислотного состава белков после их гидролиза бумагу опрыскивают раствором нингидрина, в результате чего на поверхности бумаги появляются пятна розового цвета, соответствующие индивидуальным амино­кислотам. Если разделяемые бесцветные вещества обладают способностью к флуоресценции, бумагу облучают уль­трафиолетовыми лучами (кварцевой или ртутной лампой) и тогда хроматограмма становится видимой. Этот случай можно наблю­дать при разделении смеси антрахинонов, пятна которых в ультрафиолетовом свете ртутной лампы окрашены в сине-фиолетовый цвет. Аналогичная картина разделения веществ (в основном органи­ческого происхождения) получается на стеклянной пластинке, покрытой слоем мелкодисперсного сорбента (оксида алюминия, силикагеля, целлюлозы, крахмала и др.). Это так называемая тонкослойная хроматография, получившая за последние годы широкое применение в химии и особенно в биохимии благо­даря значительно большей скорости выполнения анализа по сравнению с бумажной хроматографией. Кроме того, методом тонкослойной хроматографии можно разделять примерно на поря­док большие количества смесей без существенного ухудшения ка­чества разделения. Это преимущество позволяет применять тонко­слойную хроматографию как препаративный метод выделения индивидуальных продуктов из сложной смеси в чистом виде. Несмотря на широкие возможности применения, жидкофазная хроматография ни в колоночном, ни в бумажном, ни в тонко­слойном варианте не могла удовлетворить требования быстро развивающейся (в отмеченный период) науки и промышленности. Химическая промышленность синтетических материалов и пласт­масс, использующая в качестве сырья в основном смеси природ­ных газов, требовала эффективных методов анализа. Старые хи­мические методы анализа ни в коей мере не могли решить эту задачу, что и послужило толчком к развитию газовой хромато­графии, получившей широкое применение в контроле производства и научных исследованиях, особенно в нефтехимии. Однако и жидкофазная хроматография, особенно колоночная молекулярная, не потеряла своего значения. За последние годы наблюдается ее возрождение благодаря значительным успехам в области хроматографического приборостроения. Созданы совершенные жидкофазные хроматографы с высокочувствительными детекторами и автоматической записью хроматограммы, аналогично тому, как это происходит при анализе смесей на газовых хроматографах. В настоящее время высокоэффективная, высокоскоростная жидкостная хроматография широко применяется для анализа малолетучих высокомолекулярных и нетермостабильных соеди­нений. Это возрожденный открытый М. С. Цветом вариант моле­кулярной жидкостной хроматографии, модернизированный путем использования новых высокоэффективных сорбентов, высоких дав­лений на входе в колонку, высоких скоростей элюента и авто­матического детектирования. Лекция 7 Классификация методов хроматографии Хроматографический метод М. С. Цвета является универсальным методом разделения и анализа смесей веществ самой различной природы. Разнообразие конкретных задач привело к возникнове­нию множества вариантов метода. Классификация по признаку природы явлений, лежащих в ос­нове разделения (Е. Н. Гапон), подразделяет хроматографию на три основных вида: 1) адсорбционную; 2) распределительную; 3) осадочную. Как показывает название, в основе адсорбционной хромато­графии лежит адсорбция разделяемых веществ на твердой по­верхности выбранного адсорбента. Адсорбция обусловлена или физическими ван-дер-ваальсовыми силами межмолекулярного взаимодействия в системе адсорбат—адсорбент (молекулярная хроматография), или силами химического сродства, действующи­ми, например, в процессе реакции при обмене ионов разделяе­мых компонентов на поверхностные ионы применяемого ионооб­менного адсорбента (ионообменная хроматография). В обоих слу­чаях главным условием для осуществления разделения должно быть различие энергии адсорбции разделяемых веществ, что равносильно различию коэффициентов адсорбции. В основе распределительной хроматографии лежит раствори­мость разделяемых веществ в жидкости; главное условие для их разделения — различие в растворимости. Однако, поскольку разделение протекает на границе двух фаз, несмешивающихся между собой,— неподвижной (жидкости) и подвижной (жидкости идя газа), то правильнее сказать, что в данном случае процесс разделения определяется различием коэффициентов распределения разделяемых веществ между обеими фазами. Отсюда происходит и само название данного варианта хроматографии — распределительная. Природа сил межмолекулярного взаимодействия имеет тот же характер, что и в адсорбционной хроматографии. Но в первую очередь это ван-дер-ваальсовы силы. В основе осадочной хроматографии лежит образование нерастворимых соединений в результате химических реакций разделяемых веществ с реактивом-осадителем. ] Внутри каждого вида хроматографии по мере их развития возникали и продолжают возникать различные варианты или разновидности. Так, адсорбционная и распределительная хроматография может осуществляться на колонках, фильтровальной бумаге, тонком слое сорбента, нанесенном на стеклянную пластинку; колонки могут иметь различную форму и конструкцию. В зависимости от этих факторов различные варианты получают соответствующие названия: колоночная, бумажная, тонкослойная и т. д.. Классификация по агрегатному состоянию неподвижной и под­вижной фаз получила наибольшее распространение. Этой класси­фикации соответствует и определение хроматографии, данное из|вестным специалистом по газовой хроматографии А. Кейлемансом: «Хроматографией называется физико-химический метод разделения, при котором разделяемые компоненты распределены между двумя фазами, одной из которых является неподвижный слой с большой поверхностью, а другой — поток, фильтрующийся, через неподвижный слой». Неподвижная фаза может быть твердым телом, обладающим адсорбционными свойствами (адсорбционная хроматография), или жидкостью, нанесенной для создания большей поверхности обмена на границе раздела фаз на гранулированный инертный материал'— носитель (распределительная хроматография). Подвижная фаза может быть жидкостью, газом или паром. Соответственно, можно выделить четыре основных вида хроматографии: жидкостно-адсорбционная, газо-адсорбционная, жидкостно-жидкостная и газожидкостная. Эта классификация была рекомендована и получила одобрение на Первом международном симпозиуме по газовой хроматографии, состоявшемся в 1956 г. в Лондоне. Классификация на основе методики проведения анализа. Приведем подробную характеристику трех наи­более универсальных способов: 1) фронтального; 2) элюентного; 3) вытеснительного. Фронтальный способ наиболее прост по выполнению. Через хроматографическую колонку с сорбентом непрерывным потоком пропускают раствор исследуемой смеси веществ или газовую смесь. В результате сорбент насыщается компонентами смеси. Если компоненты различаются по сорбируемости, то соответственно этому они располагаются в колонке. Однако они разделяются не полностью. В чистом виде может быть выделен лишь первый, наиболее слабо сорбирующийся компонент, который движется вдоль слоя сорбента впереди остальных. За зоной первого ком­понента следует в непосредственном контакте зона, содержащая первый и второй компоненты. Третья зона содержит смесь пер­вого, второго и третьего компонентов и т. д. В некоторый момент времени сорбент насыщается и наступает «проскок», т. е. из ко­лонки начинает выходить первый, наиболее слабо сорбирующийся компонент. Если пропускать жидкость или газ, выходящие из колонки, через детектор концентраций и наносить показания его в течение всего опыта на график, то полученная выходная кривая будет иметь форму ступенчатой кривой, где число ступеней равно числу разделяемых компонентов смеси. Несмотря на простоту, фронтальный способ не нашел широкого применения в анализе, так как не дает полного разделения. Од­нако он весьма эффективен для препаративного выделения чис­того вещества из технического продукта при условии, конечно, что это вещество удерживается в колонке слабее всех других компонентов продукта. Типичные примеры фронтального способа: очистка воды пермутитами или другими ионообменными адсор­бентами, очистка воздуха активированными углями от отравляю­щих веществ в противогазах и вентиляционных фильтрах хими­ческих предприятий. С точки зрения химика-аналитика метод пригоден для предварительного качественного анализа неизвест­ной смеси и особенно для определения числа входящих в ее состав компонентов, что, например, делал М. С. Цвет при предваритель­ном исследовании состава хлорофилловых пигментов. Возможность применения фронтального способа для определе­ния количественного состава, как уже говорилось, ограничена из-за неполноты разделения. Классон (Швеция), разработавший теорию этого способа, предложил ряд формул для расчета коли­чественного состава сложной смеси, однако практическое приме­нение этих формул затрудняется необходимостью точного пред­варительного определения объемов удерживания и изотермы адсорбции отдельных компонентов. Необходимо также отметить, что этот способ может быть эффективен лишь в случае выпуклой и линейной формы изотермы адсорбции компонентов исследуемой смеси, так как лишь тогда получаются четкие крутые ступени на выходной кривой. Из этого следует, что для осуществления фрон­тального способа наиболее подходящими должны быть высокоак­тивные адсорбенты, например активированный уголь, силикагель. Элюентный (проявительный) способ выгодно отличается от фронтального тем, что он позволяет полностью разделить много­компонентную смесь. В отличие от фронтального способа в элюентном исследуемую смесь вводят в колонку в виде порции раствора или газа, а не непрерывно, как при фронтальном способе. После введения такой порции колонку промывают растворителем или газом-носителем (проявляют). На выходе из колонки детектор фиксирует непрерывно концентрацию компонентов, а связанный с ним регистрирующий прибор записывает выходную кривую в виде ряда пиков, число которых соответствует числу разделенных ком­понентов. Элюентный способ получил наиболее широкое применение, причем как в жидкофазной, так и в газовой хроматографии и не только с аналитической, но и с препаративной целью. Это объясняется тем, что при правильном выборе условий разделения (сорбента, температуры колонки, скорости потока проявителя, количества исследуемой смеси, вводимой в колонку, и др.) из колонки компоненты смеси выходят практически в чистом виде и их можно выделить для исследования другими методами, а качественный и количественный состав можно определить простым измерением объемов удерживания и площадей пиков. Вытеснительный способ отличается от фронтального и элюентного тем, что после введения пробы исследуемой смеси колонку промывают растворителем или газом-носителем, к которым добав­лено растворимое вещество (в жидкофазной хроматографии) или вещество в газообразном (парообразном) состоянии (в газовой хроматографии). Это вещество должно адсорбироваться сильнее любого из компонентов разделяемой смеси и называется вытес­нителем, так как оно, обладая наибольшей адсорбируемостью, вытесняет более слабо адсорбирующиеся компоненты. Благодаря эффекту адсорбционного вытеснения, открытому М. С. Цветом, происходит вытеснение компонентов из адсорбента в последова­тельности, соответствующей их адсорбируемости, и компоненты раз­деляются; при этом зоны компонентов движутся по слою адсор­бента с одинаковой скоростью, соприкасаясь между собой, по направлению к выходу из колонки. К моменту полного насыщения адсорбента вытеснителем де­тектор запишет ступенчатую выходную кривую, отличающуюся от фронтальной кривой тем, что каждая ступень соответствует чистому компоненту. Высота ступени характеризует компонент с качественной стороны, а длина ступени пропорциональна содер­жанию данного компонента в исследуемой смеси. Обязательным условием для хорошего разделения, в противоположность элюентному способу, является резко выраженная выпуклая форма изо­терм адсорбции разделяемых компонентов и вытеснителя. А это условие выполнимо лишь в случае применения высокоактивных адсорбентов: активированных углей (березового БАУ, каменно­угольного антрацита АГ-2, норита), силикагелей различных марок и др. Трудность выбора концентрации вытеснителя в проявителе, взаимная диффузия на границе зон, препятствующая получению на выходе из колонки достаточно чистых компонентов разделяе­мой смеси, а также длительность процесса разделения затрудняют использование этого способа в аналитических целях. Однако для препаративных целей способ не потерял значения, так как воз­можность применения таких высокоактивных и доступных адсорбентов, как активированные угли, позволяет достигать высокой производительности. Достоинством способа является также то, что зоны не размываются в отличие от элюентного способа. До конца 50-х годов промышленность не производила газовых и жидкостных хроматографов, и хроматографисты своими силами изготовляли и налаживали простейшие газо-хроматографические установки. Тем не менее первоначальные и наиболее оригиналь­ные открытия, как, например, открытие Мартином и Джеймсом газо-жидкостной хроматографии, были сделаны именно с примене­нием простейшей аппаратуры. Любая простейшая хроматографическая установка или хрома­тограф промышленного изготовления состоит из следующих ос­новных узлов: 1) источник газа-носителя с системой очистки, регулирования и измерения его потока через хроматографическую колонку; 2) узел ввода пробы в колонку; 3) хроматографическая колонка; 4) детектор с регистратором (визуальным или самопишущим); 5) интегратор, ЭВМ, дисплей. На рис.2. приведена принципиальная схема газового хро­матографа с детектором по теплопроводности (катарометром) и самописцем. Газ-носитель (азот, гелий, водород и др.) из баллона высокого давления 1 через редуктор 2 и вентиль тонкой регули­ровки 3 поступает в осушительную трубку 4, наполненную прока­ленным хлоридом кальция и молекулярными ситами для очистки газа-носителя от посторонних газов и паров. Затем, минуя мано­метр 5, он проходит через подогреватель 6 в ячейку катарометра 7 и узел ввода пробы 8. Захватив пробу анализируемой смеси в виде пара или газа, которую вводят в колонку через резиновую мембрану узла ввода пробы, газ-носитель направляется в хроматографическую колонку 9. В колонке анализируемая смесь разде­ляется 7 и узел ввода пробы 8. Захватив пробу анализируемой смеси в виде пара или газа, которую вводят в колонку через резиновую мембрану узла ввода пробы, газ-носитель направляется в хроматографическую колонку 9. В колонке анализируемая смесь разде­ляется на составные компоненты. Колонка и детектор термостатируются воздушным или водяным термостатом 10. По выходе из колонки газ-носитель вместе с вымываемыми из нее компонен­тами поступает в измерительную ячейку катарометра, а далее через реометр // или другой измеритель скорости потока направ­ляется в атмосферу. Хроматограмма записывается электронным потенциометром 12. Разделительная способность колонки зависит от целого ря­да факторов: от природы и количества неподвижной фазы, о т величины частиц адсорбента или носителя, их удельной повер­хности и размеров пор, от равномерности их набивки, от ди­ны и диаметра колонки, от температуры, от скорости потока газа-носителя и распределения давления газа вдоль колонки и от величины и скорости испарения введенной пробы. Универсальность газовой хроматографии потребовала разработки более универсальных хроматографов. Возросли также требования к чувствительности детекторов, особенно в связи с возникшей в начале 60-х годов проблемой анализа мономеров и Особо чистых веществ на содержание микропримесей. Резко возросла потребность в газовых хроматографах с широкими возможностями применения, что послужило толчком к развитию промышленного производства газовых хроматографов универсального типа как в нашей стране, так и за рубежом. Современный газовый хроматограф состоит из следующих основных частей. 1. Устройство подготовки пробы для хроматографического анализа (обогащение, концентрирование, пиролиз). 2. Баллон с газом-носителем или лабораторная линия со сжатым газом и газовая панель, включающая в себя очистку газа, установку расхода газа или давления, стабилизацию давления и измерение .этого давления или расхода газа. Очистка газа-носителя контролируется фоновым током — нулевой линией самописца: если есть дрейф и флуктуация ее после длительной продувки колонки, значит, загрязнен газ-носитель. 3. Устройство для ввода пробы и для ее испарения — дозатор-испаритель. 4. Хроматографическая колонка. 5. Термостат колонки, регулирующий нужную температуру и измеряющий ее. 6. Детектор, преобразующий изменение состава компонентов в электрический сигнал. 7. Измерительная схема, содержащая питание детектора, измерение и усиление сигнала. 8. Регистратор, записывающий в координатах время — сигнал результаты хроматографического анализа. Электронный интегратор, автоматически фиксирующий площадь пика и время его выхода, цифропечатающее устройство, дисплей.