Применение газовой хроматографии для исследования углеводородных систем. Основные хроматографические характеристики. Время удерживания и удерживаемый объем.

Лекция 9 ХИМИЯ НЕФТИ И ГАЗА Применение газовой хроматографии для исследования углеводородных систем Основные хроматографические характеристики Время удерживания и удерживаемый объем При газохроматографическом исследовании непосредственно измеряемой величиной является время удерживания данного компонента t, т.е. время, протекающее от момента ввода пробы в колонку до момента ее выхода из колонки, фиксируемого детектором. Если пик размывается, то обычно время удерживания отсчитывается до выхода максимума пика. А В С Д Е t Рис. 2.1. Характеристики хроматографических пиков (1 и 2): А - линия старта; n - нулевая линия хроматограммы; m -— линия электриче­ского нуля; М — пик несорбирующегося компонента. Не всегда все показатели являются одинаково важными для конкретной методики. Иногда решающим фактором является крите­рий разделения пиков, иногда - симметрия. Высота пика может оказаться решающим показателем при необходимости измерения пи­ков, близких к уровню шумов прибора. Ширина пика может иметь значение при использовании интегратора, когда ошибка, связанная с командой на начало и конец интегрирования определяет погреш­ность измерения широкого и низкого пика. Однако во всех случаях методика, предназначенная для коли­чественных измерений, должна быть охарактеризована определен­ными показателями, гарантирующими получение требуемой точно­сти при ее освоении. На показатели методики влияют условия разделения веществ в хроматографической колонке и условия детектирования и реги­страции сигнала. Рассмотрим вначале, как можно охарактеризо­вать показатели хроматографических методик и как влияют на них условия разделения. Рассматривая связь показателей и влияющих на них факторов, будем считать, что хроматографический пик пред­ставляет собой график зависимости концентрации компонента в газе-носителе от времени, записанный без всяких искажений. Кроме того, будем считать, что условия хроматографирования не оказы­вают влияния на детектор и систему регистрации. Рассмотрим основные элементы и параметры хроматограммы веществ (рис.1). На рис. 1 представлены эти элементы: точка А – время ввода вещества в колонку; вещество, не поглощаемое твердым телом или неподвижной фазой (и газ-носитель, вошедший в колонку вместе с пробой), выходит из колонки и детектора в момент М; отрезки времени АN1 и AN2 на хроматограмме, соответствующие появлению максимумов пиков компонентов смеси N1 и N2, и называются временами удерживания компонентов N1 (tR1) и N2 (tR2); tR - время удерживания; разность времен удерживания данного компонента и времени удерживания несорбирующегося компонента (tM) называется исправленным временем удерживания (tR1) и (tR2); tM — время удерживания несорби­рующегося компонента; tR1 = tR1 - tM и tR2 = tR2 - tM (1) h - высота пика в максимуме; y - уровень, на котором измеряется ширина пика; by — ширина пика, измерен­ная на уровне y. Ширину пика на уровне 0,5h (b0,5) обозначим символом «b» без индекса. Время удерживания зависит и от объемной скорости газа-носителя (w), поэтому обычно в качестве хроматографической характеристики компонента смеси вводят понятие удерживаемы объем (VR). Удерживаемый объем данного компонента (VR) представляет объем газа-носителя, прошедший через колонку и детектор за время, необходимое для выхода этого компонента. Вместо времени удерживания tR можно применять объем удер­живания VR, пропорциональный времени удерживания: VR = tR ∙ w (2) где w - объемная скорость газа-носителя. Исправленный удерживаемый объем данного компонента 1 и 2: VR1 = (tR1 - tM) ∙ w = tR1 ∙ w VR2 = (tR2 - tM) ∙ w = tR2 ∙ w (3) Величины удерживаемых объемов используются для идентификации компонентов смеси при газохроматографическом анализе. Часто для этой цели достаточно знать относительные величины удерживаемых объемов, представляющие отношение удерживаемого объема данного компонента к удерживаемому объему вещества, принятого за стандарт, полученному на той же колонке при тех же рабочих условиях. Определение упрощается тем, что можно непосредственно измерять расстояния, соответствующие удерживаемым объема компонентов на ленте потенциометра. Относительные удерживаемые объемы компонентов смеси не зависит от длины колонки, скорости потока и количества неподвижной фазы. Коэффициент асимметрии Если известна функция, описывающая кривую хроматографического пика, полное разделение, в принципе, не обязательно: площади, соответствующие пикам отдельных компонентов, могут быть най­дены аналитическим путем или с определенной точностью построе­ны графически. Поскольку в сложных смесях редко удается до­биться достаточно полного разделения компонентов, весьма жела­тельно, чтобы форма пиков была возможно ближе к гуассовской. Для кривых этого типа хорошо изучены способы определения точ­ного значения площади по небольшому числу линейных размеров пика. Практически эти способы с достаточной точностью примени­мы для любых симметричных хроматографических пиков. Поэтому обеспечение симметрии пиков столь же важно, как и обеспечение достаточной полноты разделения. С этой точки зрения важным по­казателем методики должен быть показатель, характеризующий симметрию пиков на хроматограмме. На реальных хроматограммах почти никогда не бывает абсо­лютно симметричных пиков. Учет асимметрии пиков имеет смысл прежде всего тогда, когда необходимо установить, насколько хоро­шо отработана методика анализа или насколько хорошо воспроизве­дена рекомендуемая методика. Для указанных целей необходимо измерять значение асимметрии. Эффективность разделения компонентов смеси Цель хроматографии - разделение за приемлимый промежуток времени компонентов смеси на отдельные пики по мере их выхода из колонки. Разделение двух соседних пиков характеризуется коэффициентом разделения R, который определяется по уравнению: R = (tR2 – tR1) / (b2 + b1) = ∆VR/(b2 + b1), (4) где b1 и b2 - ширины пиков на половине их высот для компонентов 1 и 2 смеси. Коэффициент разделения зависит от двух факторов – остроты пиков и расстояния между максимумами пиков. Эффективность (селективность) разделения компонентов смеси определяет ширину пика (размывание пика), она зависит от таких параметров колонки, как скорость газа-носителя, размера частиц адсорбента, диаметра колонки. Разделение пиков зависит от селективности колонки, которая определяется свойствами подвижной и неподвижной фаз). Понятие о теоретической тарелке заимствовано из теории перегонки и носит неопределенный характер по отношению к хроматографическому процессу. Тем не менее это не исключает применимости этого понятия для характеристики эффективности колонки. По существу при расчете числа теоретических тарелок по формуле производится сравнение ширины пика b с временем пребывания tR компонента в колонке. Очевидно, на эффективной колонке происходит небольшое размывание пиков, т.е. пики получаются узкими, также число тарелок пропорционально длине колонки. Для оценки разделительной способности колонки по аналогии с ректификацией применяют высоту эквивалентной теоретической тарелки (ВЭТТ), которая определяется как длина колонки L , деленная на число теоретических тарелок N. Число теоретических тарелок показывает, сколько раз должно устанавливаться равновесие между газовой и неподвижной фазами в идеальном ступенчатом процессе, эквивалентном по результатам работе идеальной колонки, чем больше число этих ступеней (тарелок), т.е. чем меньше ВЭТТ, тем лучше делит колонка. Эффективность колонки определяется числом теоретических тарелок N: N = 16(tR1/b0i)2 = 16(АД/СЕ)2 (5) Высота, эквивалентная теоретической тарелке (ВЭТТ или просто Н) является более предпочтительной мерой эффективности колонки, т.к. позволяет сравнивать колонки различной длины и она связана с величиной N следующим выражением: Н = L/N (6) Влияние скорости газа-носителя на эффективность колонки Эффективность хроматографического разделения зависит от линейной скорости газа-носителя. Эта зависимость описывается уравнением Ван-Димтера: Н = А + B/u + C∙u, (7) где Н - высота эквивалентной теоретической тарелки, u - линейная скорость газа-носителя, А - член, учитывающий влияние продольной молекулярной диффузии, В - член, учитывающий влияние процесса омывания зерен адсорбента, С - коэффициент, учитывающей кинетику массообмена между газом и неподвижной фазой. При малых скоростях потока размы­вание пиков, затрудняющее разделение, происходит главным об­разом за счет продольной диффузии, при больших скоростях за счет процессов массообмена. Зависимость Н от u представляет кривую с максимумом величины Н, следовательно, имеется некоторая оптимальная скорость газа, при которой значение Н становится наименьшим, т.е. эффективность колонки наибольшей. При этой скорости влияние как продольной диффузии, так и ки­нетики массообмена для данной колонки минимально. Поэтому прежде, чем приступить к хроматографическим измерениям, подбирают с помощью уравнения Ван-Димтера оптималь­ную для данной колонки и компонентов скорость газа-носителя. Лекция 10 Качественный и количественный хроматографический анализы Проведение качественного и количественного хроматографического анализа связано с обработкой проявительной хроматографии. Качественный анализ основан на сравнении времен удерживания или удерживаемых объемов известных соединений с соответствующими характеристиками, полученными для анализируемых неизвестных веществ. Когда рабочие условия поддерживаются постоянными на одной и той же колонке, время удерживания является характеристикой соединения. Чтобы исключить влияние некоторых колебаний условий анализа, можно применять относительное удерживание, которое определяется как отношение исправленного удерживаемого объема компонента к соответствующему показателю стандартного соединения. В качестве стандартов рекомендуют н-бутан, изооктан, бензол, ксилол, нафталин. На относительное удерживание не влияет длина колонки и количество жидкой фазы на носителе, но оно зависит от температуры и природы неподвижной фазы. Последнее обстоятельство – влияние природы неподвижной фазы на время удерживания –широко используется в качественном анализе. Установлено, что если определить удерживаемые объемы нескольких органических соединений на двух колонках с жидкой фазой разной полярности, то для каждого гомологического ряда соединений получится прямая линия, угловой коэффициент которой будет характерным для определенной функциональной группы. На практике часто применяют график относительных удерживаемых объемов на двух колонках – полярной и неполярной. Наклон прямой является величиной, характеристической для функциональных групп данного гомологического ряда. При идентификации органических веществ, содержащих одну и ту же функциональную группу, используют и полулогарифмическую зависимость. Если в хроматограф вводится смесь, содержащая несколько членов одного гомологического ряда, то lg t времени удерживания компонентов пропорционален некоторым свойствам, возрастающим в пределах гомологического ряда. Поэтому идентификация членов гомологического ряда может быть проведена на основании графиков зависимости lg t времени удерживания от числа атомов углерода, числа метильных групп, температуры кипения и т.д. Преимуществом метода является то, что для установления наклона прямой и таким образом, для идентификации других членов гомологического ряда требуется 2-3 соединения. Количественный анализ Количественный анализ основан на пропорциональности между количеством вещества в пробе и высотой или площадью соответствующего хроматографического пика. Наиболее критическим этапом с точки зрения внесения погрешности является определение площади хроматографического пика. Существует несколько способов связывания характеристик пика с количеством введенного вещества. Абсолютная калибровка Получают хроматограммы известных количеств извест­ных соединений и строят калибровочный график, на одной из осей которого откладывают площади пиков, а на другой — вес введенной пробы (рис. 48). Затем на хроматографическую колонку подают точное количество смеси неизвестного состава и площадь пика интересующего соединения сравни­вают с площадью пика стандарта. Содержание компонента, % Рис. 1. График абсолютной калибровки. Процентное содержание стандарта в исследуемой смеси можно определить либо по калибровочному графику, либо рассчитать по формуле: % В = SВ/К, где К — тангенс угла наклона прямой, полученной на ка­либровочном графике. Наряду с площадями в расчетах мо­гут быть также использованы высоты пиков. Недостатками описанного калибровочного метода явля­ется необходимость ввода точных количеств пробы, а так­же то, что сам процесс калибровки отнимает много времени. Кроме того, повышаются требования к детектору, чувстви­тельность которого должна оставаться постоянной от опыта к опыту для того, чтобы можно было проводить сравнение полученных результатов с калибровочным графиком. Внутренняя стандартизация Этот метод известен также под названием относительной, или косвенной, калибровки. Хроматографируют специаль­но приготовленные смеси с известным весовым соотноше­нием анализируемого вещества и стандарта. Измеряют пло­щади пиков. Затем строят график зависимости отношения площадей пиков от величины весового соотношения компо­нента и стандарта в смеси (рис. 49). 0 2 4 6 8 10 12 Вес компонента / Вес стандарта Рис. 2. График относительной калибровки При анализе смеси неизвестного состава к ней добавляют точное количество внутреннего стандарта и хроматографируют. Измеряют отношение площадей пиков и по калибро­вочному графику определяют весовое отношение интересу­ющего вещества к стандарту. Для определения количества какого-либо компонента смеси остается провести лишь не­большой расчет, так как количество добавленного стандар­та известно. К = qкомп./qст. Пример. К неизвестной смеси добавлено 5 мл раствора, содер­жащего вещество-стандарт в концентрации 100 мкг/мл. После хроматографирования этой смеси величина отношения площадей пиков составила 8. Поэтому, как видно из графика, приведенного на рис. 2, весовое отношение равно 7. Зная, что концентрация стандарта равна 100 мкг/мл, получим концентрацию компонента: 7 • 100 мкг/мл. Так как мы добавили 5 мл раствора стандарта, то общее количество неизвестного равно 5 (мл) • 700 (мкг/мл) = 3500 мкг или 3,5 мг. Достоинствами этого метода калибровки является то, что нет необходимости вводить точные количества пробы и знать коэффициенты чувствительности детектора или иметь их постоянными, так как любое изменение чувстви­тельности не окажет влияния на величину отношения пло­щадей. Основной недостаток этого метода связан с тем, что обычно трудно найти стандарт, который не мешал бы опре­делению интересующего вещества. Внутренний стандарт должен удовлетворять следующим требованиям: а). проявляться на хроматограмме в виде пика, хорошо отделенного от остальных пиков; б). отстоять на хроматограмме недалеко от веществ, представляющих интерес; в). иметь концентрацию, близкую к концентрации исследуемого компонента; г). иметь строение, близкое к строению исследуемого компонента. Метод нормализации площадей Метод применяют для нахождения процентного содержания всех компонентов в пробе. Он основан на том, что отношение площади пика А данного вещества к сумме площадей всех пиков хроматограммы, умноженное на 100, равно процентному содержанию, присутствующего в пробе вещества: % А1 = А1∙100 % /(А1 + А2 + Аi) Этот метод может быть использован для расчета весовых процентов при анализе близкокипящих соединений, соответствующих одному гомологическому ряду. Площади пиков компонентов в общем случае не прямо пропорциональны процентному содержанию, т. е. поправочные коэффициенты для разных соединений различны, в связи с этим необходимо их определение. Определив эти коэффициенты раз и навсегда, их можно использовать для расчета процентного состава смеси. В связи с тем, что разные детекторы работают по различному принципу, поправочные коэффициенты должны быть рассчитаны для каждого детектора. Расчет поправочных коэффициентов производится следующим образом. Приготавливают искусственную смесь веществ А, В, С, Д и снимают хроматограмму. Вес пробы W каждого введенного компонента известен. Измеряют площади пиков А и для каждого пика рассчитывают отношение A/W. Поправочный коэффициент f рассчитывают путем деления величины A/W, полученной для каждого пика, на эту же величину для бензола (эталона). Таким образом, если коэффициенты измерены относительно бензола, то поправочный коэффициент бензола принят, равным 1. При тех же параметрах детектора эти поправочные коэффициенты могут быть использованы для содержания компонентов B, C, D в процентах относительно бензола. На основании этих данных вес неизвестного компонента может быть рассчитан следующим образом: WB = WA ∙ AB/fB ∙ AA , где WB – вес неизвестного компонента В, WA – вес стандарта А, АВ – измеренная площадь пика компонента В, fB – поправочный коэффициент вещества В по отношению к веществу А, АА – измеренная площадь пика стандарта. Пример. Проанализирована смесь этилового спирта, гептана, бензола и этилацетата с использованием детектора по теплопроводности. Определить содержание каждого компонента в смеси в весовых процентах, если площади пиков равны 5,0; 9,0; 4,0; 7,0 см2 соответственно. Вещество Площадь пика, см2 Весовой поправочный коэффициент fi Этанол 5,0 0,64 Гептан 9,0 0,7 Бензол 4,0 0,78 Этилацетат 7,0 0,79 Умножаем площадь пика на весовой поправочный коэффициент: 5 ∙ 0,64 = 0,320; 9 ∙ 0,7 = 0,630; 4 ∙ 0,78 = 0,312; 7 ∙ 0,79 = 0,553; Сумма = 1,815. Проводим нормировку и получаем содержание в весовых процентах: 0,320/1,815 = 17,6; 0,630/1,815 = 34,7; 0,312/1,815 = 17,2; 0,553/1,815 = 30,5 %. Итак основным параметром пика является его площадь, в случае острых симметричных пиков вместо площади можно использовать высоту пика. Измерение высот пиков является более быстрым, чем расчет площадей, однако графики зависимости высоты пика от величины пробы имеют меньший диапазон линейности по сравнению с соответствующими графиками для площадей пиков. Высоту пиков измеряют обычно в мм как расстояние от «нулевой» линии потенциометра до максимума пика. Если наблюдается дрейф нулевой линии, то проводится линия, соединяющая начало и конец пика. Площади пиков меньше, чем высоты пиков зависят от условий эксперимента. В настоящее время они находят наиболее широкое применение. Площадь пика рассчитывается как высота пика, умноженная на ширину пика на половине его высоты: S = h ∙ b, где h – высота пика, b – ширина пика на половине высоты пика. В связи с тем, что обычные пики приближенно представляют собой треугольники, вычисление площадей пиков можно проводить, умножая высоту пика на ширину на половине высоты пика. Этот метод является быстрым и простым. Для симметричных пиков, имеющих достаточно большую ширину, получают хорошие результаты. Точность измерения может быть повышена за счет увеличения скорости диаграммной ленты потенциометра. Расчет по площади треугольника. Высота пика определяется расстоянием от нулевой линии до точки пересечения касательных. Основание пика берется равным отрезку, образованному при пересечении двух касательных с нулевой линией. Площадь пика рассчитывается как площадь треугольника по произведению половины основания на высоту: S = 1/2B∙h. Этот метод отнимает много времени, но позволяет получать точные результаты при условии, что пик имеет симметричную форму. Наиболее точный и быстрый метод определения площади хроматографического пика является преобразование площади хроматографического пика в электрический сигнал (по принципу электронного интегратора) и выводу его через соответствующий адаптер в компьютер, где по программе рассчитывается полный количественный состав сложных смесей. Основным преимуществом электронных «преобразователей» является их широкий линейный диапазон, так, например, могут быть зарегистрированы сигналы от 0 до 1400 мв и более. Переключения чувствительности не требуется даже в том случае, когда фиксируются пики, соответствующим компонентам с наибольшей и наименьшей концентрацией.