научная статья по теме ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ НА АНАЛИТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ НЕПРЕРЫВНОЙ ХРОМАТОМЕМБРАННОЙ ГАЗОВОЙ ЭКСТРАКЦИИ Химия

Текст научной статьи на тему «ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ НА АНАЛИТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ НЕПРЕРЫВНОЙ ХРОМАТОМЕМБРАННОЙ ГАЗОВОЙ ЭКСТРАКЦИИ»

ЖУРНАЛ АНАЛИТИЧЕСКОЙ ХИМИИ, 2015, том 70, № 1, с. 78-82

ОРИГИНАЛЬНЫЕ СТАТЬИ

УДК 543.544:541.123

ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ НА АНАЛИТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ НЕПРЕРЫВНОЙ ХРОМАТОМЕМБРАННОЙ ГАЗОВОЙ ЭКСТРАКЦИИ © 2015 г. О. В. Родинков1, Е. А. Смирнова, Л. Н. Москвин

Санкт-Петербургский государственный университет, химический факультет 198504 Санкт-Петербург, Петродворец, Университетский просп., 26 1Е-таИ: rodinkov@rambler.ru Поступила в редакцию 08.05.2013 г., после доработки 31.03.2014 г.

Проведена теоретическая и экспериментальная оценка влияния температуры на аналитические характеристики непрерывной хроматомембранной газовой экстракции летучих органических веществ из водных растворов с целью их последующего газохроматографического определения. Установлено, что повышение температуры до 80°С позволяет в несколько раз снизить пределы обнаружения аналитов и значительно увеличить быстродействие газоэкстракционной системы. Повторяемость результатов анализа не зависит от температуры при использовании в линии газа-экстрагента конденсатора водного пара.

Ключевые слова: газовая экстракция, парофазный анализ, хроматомембранный массообменный процесс, газовая хроматография.

Б01: 10.7868/80044450215010156

Способ получения информации о составе конденсированной фазы путем анализа контактирующего с ней газа-экстрагента (парофазный анализ) прочно вошел в аналитическую практику при газо-хроматографическом определении летучих органических веществ в водных растворах [1—5]. Результаты ранее выполненных исследований [7—10] показали, что одним из наиболее эффективных вариантов газовой экстракции является хроматомембранный. Условия, необходимые для реализации хроматомембранных массообменных процессов, подробно описаны ранее [7, 10], однако влияние температуры на аналитические возможности хроматомембранной газовой экстракции (ХМГЭ) не изучено. В свете тенденции к автоматизации химического анализа не менее актуальной задачей является повышение быстродействия в непрерывном варианте парофазного анализа на принципах ХМГЭ [11], что позволяет регистрировать мгновенные спонтанные изменения состава анализируемого объекта. Характеристикой быстродействия хроматомембранных ячеек (ХМЯ) является время, в течение которого концентрация экстрагируемого вещества в потоке газа-экстра-гента изменяется после изменения его концентрации в потоке водной пробы.

Цель данной работы — оценка влияния температуры на пределы обнаружения аналитов, на повторяемость (сходимость) результатов парофаз-

ного анализа и на быстродействие ХМЯ при осуществлении непрерывной ХМГЭ.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Газохроматографическое определение компонентов проводили с помощью лабораторного хроматографа Цвет 500 М с пламенно-ионизационным детектором. Аналитическая колонка из нержавеющей стали размером 150 х 0.3 см была заполнена хромосорбом-101 с размером частиц 0.16—0.22 мм. Условия газохроматографического определения: температура испарителя и детектора 210°С, температуру колонки варьировали в диапазоне от 160 до 200°С в зависимости от решаемой аналитической задачи. Газ-экстрагент, выходящий из ХМЯ, дозировали с помощью ручного необогреваемого крана-дозатора с объемом дозирующей петли 1.9 мл.

Хроматомембранный массообменный процесс осуществляли в ХМЯ собственного изготовления с бипористой матрицей из политетрафторэтилена цилиндрической формы (диаметр 16 мм, высота 20 мм). Методика изготовления бипори-стых матриц описана ранее [12]. Размер макропор в матрице составлял от 1 до 2 мм, микропор — от 10 до 30 мкм. Ввод газа-экстрагента в бипористую матрицу и вывод из нее осуществляли через микропористые политетрафторэтиленовые мембраны производства НПК "Экофлон" со средним

ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ НА АНАЛИТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

79

диаметром пор 0.5 мкм. Процесс ХМГЭ исследовали в варианте прямоточной схемы относительного перемещения фаз, при которой потоки жидкой и газовой фазы перемещаются в одном направлении, поскольку ранее показано, что она несущественно уступает другим схемам с точки зрения пределов обнаружения аналитов, но превосходит их по быстродействию [13]. Расходы газа-экстрагента и водной пробы через ХМЯ задавали с помощью дополнительных регуляторов расхода. Расход газа-экстрагента измеряли мыльно-пленочным расходомером, а расход жидкости — с помощью мерного цилиндра и секундомера. Исследуемую ХМЯ помещали в циркуляционный жидкостный термостат марки Е01Р ЕГ 200. Исследования проводили с использованием модельных водных растворов с известной концентрацией (се) тестовых веществ — ацетона, этилацетата и бензола, которые на несколько порядков различаются по коэффициентам распределения (К) в системе водная фаза—газовая фаза. При 25°С для ацетона, этилацетата и бензола значения К составляют 551, 150 и 4.0 соответственно [2], что позволяет делать обобщающие выводы.

Для исследования быстродействия ХМЯ через нее с заданным расходом последовательно пропускали потоки чистой дистиллированной воды и модельный водный раствор с известной концентрацией аналитов. В обоих случаях через ХМЯ одновременно пропускали поток газа-экстрагента и направляли его в хроматограф для регистрации изменения концентрации аналитов в потоке газа-экс-трагента во времени. Исследования проводили при четырех различных температурах термостата.

Для оценки влияния температуры на пределы обнаружения концентрации аналитов в потоке га-за-экстрагента регистрировали при каждой температуре и при разном соотношении расходов газовой и водной фаз через ХМЯ. Пределы обнаружения аналитов сш1п рассчитывали по формуле [14]

= 2ст(Сл/Аст),

где а — шум детектора, Нст — высота хроматогра-фического пика при анализе водного раствора с концентрацией аналита сст.

Правильность результатов анализа оценивали методом введено—найдено.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Как известно [2], изменение температуры приводит к значительному изменению коэффициента распределения в системе жидкость—газ К = сЕ/с0. Температурная зависимость коэффициентов распределения имеет вид:

Й/Й0 18

16

14

12

10

290

310

330

350 Т, К

1п К = (А/ВТ) — В,

(1)

Рис. 1. Зависимости относительных высот пиков от температуры; Л0 — высота пиков при 25°С, WQ = 4.5 мл/мин, №Е = 4 мл/мин; аналит (се, мг/л): 1 — этилацетат (50), 2 — ацетон (150), 3 — бензол (2).

где Т — температура, К; В — универсальная газо. 0,11 0,1 вая постоянная; А1 = ц{ — — разность стандартных химических потенциалов данного компонента в паре и жидкости. Величина В включает логарифмы отношения коэффициентов активности 1-го компонента в равновесных фазах и модулей перехода от мольных долей к молярным концентрациям.

В соответствии с выражением (1) при повышении температуры должно происходить уменьшение К и соответственно увеличение концентрации аналитов в газе-экстрагенте, приводящее к снижению их пределов обнаружения. В пределах линейной области зависимости сигнала детектора от концентрации аналита отношение высот пиков аналита на хроматограмме к/к0 при данной температуре и 25°С равно отношению соответствующих концентраций аналита в потоке газа-

1

2

8

6

3

4

2

0

Таблица 1. Пределы обнаружения (cmin, мкг/л) аналитов в зависимости от температуры при использовании непрерывной хроматомембранной газовой экстракции и их ПДК в воде хозяйственно-питьевого и культурно-бытового водопользования (ГН 2.1.5.1315-03)

Аналит Температура, °С ПДК, мкг/л

25 40 60 80

Ацетон 250 130 50 20 2200

Этилацетат 130 50 20 8 200

Бензол 7 3 2 2 10

экстрагента. Зависимости на рис. 1 иллюстрируют положительный эффект от повышения температуры, проявляющийся в росте концентрации аналитов в газовой фазе. Исходя из полученных данных, можно заключить, что изменение температуры от комнатной до 80°C позволяет снизить пределы об-

ln(h/ho)

Рис. 2. Зависимости логарифмов относительных высот пиков от температуры; Л0 — высота пиков при 25°С, = 4.5 мл/мин, = 4 мл/мин; аналит (с^ мг/л): 1 — этилацетат (50), 2 — ацетон (150), 3 — бензол (2).

наружения ацетона в 12 раз, этилацетата в 16, а бензола приблизительно в 4 раза (табл. 1).

Поскольку в нешироком температурном диапазоне величины Aj и В в выражении (1) практически не зависят от температуры, должно наблюдаться линейное увеличение lnKj с ростом обратной температуры (1/1) и, как следствие, линейное увеличение логарифма концентрации аналитов в газовой фазе (логарифма высоты пика на хромато-грамме) с ростом температуры. Зависимости, соответствующие теоретическим предсказаниям, получены для ацетона и этилацетата, но нарушаются в случае бензола (рис. 2). Это, по-видимому, связано с тем, что величина Aj бензола в выражении (1) зависит от температуры в исследуемом диапазоне.

Для оценки метрологических характеристик разработанной схемы проведена серия экспериментов по анализу модельных водных растворов с известной концентрацией (табл. 2). Для расчета результатов анализа использовали метод стандартных добавок, апробированный ранее при хроматомембранном парофазном анализе [15]. Результаты анализа рассчитывали по формуле:

c = шк/[(Нл - h)V],

где m — масса добавки определяемого компонента, h — высота его пика при анализе пробы, hK — высота пика при анализе пробы с добавкой, V — объем анализируемой пробы. Как видно из табл. 2, истинное значение попадает в доверительный интервал при доверительной вероятности P = 0.95.

Различия в газоэкстракционном поведении изучаемых аналитов проявились и в характере зависимостей высот пиков от соотношения расходов газа-экстрагента и водной пробы при различных температурах (рис. 3). Для ацетона и этилацетата в выбранном диапазоне соотношения расходов фаз реализуется режим равновесного насыщения потока газа-экстрагента [7, 10], при котором соотношение расходов мало влияет на концентрацию ана-литов в газовой фазе, в то время как для бензола этот режим не реализуется. В случае бензола повышение температуры приводит к увеличению влияния соотношения расходов фаз через ХМЯ

ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ НА АНАЛИТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

81

на концентрацию (высоту пика) аналита в потоке газа-экстрагента.

При повышении температуры значительное негативное влияние на

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком