научная статья по теме ВЫСОКОЭФФЕКТИВНАЯ ГАЗОВАЯ ХРОМАТОГРАФИЯ ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ НА МОНОЛИТНЫХ КАПИЛЛЯРНЫХ КОЛОНКАХ Химическая технология. Химическая промышленность

Текст научной статьи на тему «ВЫСОКОЭФФЕКТИВНАЯ ГАЗОВАЯ ХРОМАТОГРАФИЯ ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ НА МОНОЛИТНЫХ КАПИЛЛЯРНЫХ КОЛОНКАХ»

НЕФТЕХИМИЯ, 2012, том 52, № 6, с. 470-473

УДК 543.544

ВЫСОКОЭФФЕКТИВНАЯ ГАЗОВАЯ ХРОМАТОГРАФИЯ ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ НА МОНОЛИТНЫХ КАПИЛЛЯРНЫХ КОЛОНКАХ © 2012 г. А. А. Королев, В. Е. Ширяева, М. Е. Дианов, Т. П. Попова, А. А. Курганов

Институт нефтехимического синтеза им. А.В.Топчиева РАН E-mail: kurganov@ips.ac.ru Поступила в редакцию 30.03.2012 г.

Изучен новый тип высокоэффективных капиллярных колонок для газовой хроматографии — монолитные капиллярные колонки, отличающиеся высокой нагрузочной емкостью, высокой удельной эффективностью, хорошей дезактивацией стенок капилляра уже в процессе получения монолитной стационарной фазы. Показана возможность разделения при высоком давлении газа-носителя как газообразных, так и жидких проб. Изучено влияние программирования температуры на разделяющие свойства монолитных колонок и показано, что программирование температуры на монолитных колонках является удобным и эффективным фактором ускорения газохроматографического анализа многих классов соединений.

Для решения широкого круга современных аналитических задач требуется проведение скоростных и высокоэффективных газохроматогра-фических анализов, когда время анализа составляет минуту и менее. Разработка новых методов анализа, сочетающих высокую удельную эффективность и экспрессность разделения является актуальной проблемой современной аналитической химии.

Разделяющая способность хроматографиче-ской колонки обычно характеризуется кривой Ван-Деемтера, показывающей зависимость высоты, эквивалентной теоретической тарелке Н, от скорости потока подвижной фазы и:

H = A + B/u + Cu,

(1)

где Н — высота, эквивалентная теоретической тарелке, мм; и — линейная скорость потока подвижной фазы; А, В и С — коэффициенты, отражающие вклад в размывание пика: качества заполнения колонки сорбентом (А), диффузии сорбата в подвижной фазе (В) и кинетики массообмена между стационарной и подвижной фазой (С) [1]. В приведенном виде уравнение (1) применимо только в жидкостной хроматографии, где подвижная фаза практически несжимаема. В газовой хроматографии подвижная фаза сжимаема и коэффициенты уравнения Ван-Деемтера зависят от давления, что и было показано в работах многих исследователей [2—7]. В работах Скотта [2—4], Гиддингса [5, 6], Крамерса и других [7, 8] было теоретически рассмотрено влияние давления газа-носителя на эффективность хроматографиче-ской колонки в газовой хроматографии и внесе-

ны дополнения в уравнение Ван-Деемтера. Идея Скотта [2—4] о сильном влиянии относительного давления на эффективность колонок не получила экспериментального подтверждения [7—9]. Значительно больший эффект относительное давление оказывает на форму кривой Ван-Деемтера и величину оптимальной скорости потока газа-носителя. Это влияние связано с изменением коэффициентов диффузии сорбатов при изменении давления в системе, а это, в свою очередь, означает, что коэффициенты уравнения Ван-Деемтера не могут рассматриваться независящими от давления газа-носителя и должны интерпретироваться как зависимые переменные. Выражение для уравнения Ван-Деемтера расширенное Гиддингсом [5, 6] и уточненное Крамерсом [7, 8] для области давлений газа-носителя ниже атмосферного (вакуум), было нами исследовано для повышенных давлений газа-носителя [10]. Полученное в ходе исследований расширенное выражение для зависимости Ван-Деемтера, связывающее эффективность колонок в газовой хроматографии с давлением газа-носителя на входе в колонку и на выходе из колонки имеет вид:

,4 4W 2 2ч ,4 4ч

H = A (Pi - Р° ){Pi - P° ) + B (Pi - Po ) +

, 3 3ч 2

(Pi - Po)

' / 3 3ч2

(Pi - Po)

,4 4W 2 2ч 2 ,2 2ч 2

,r (Pi - Po )(Pi - Po ) , C (Pi - Po )

+ C1M T2 h '

(2)

, 3 3ч 2

(Pi - Po)

(P3 - pI)

где:

A1 = 9 X dc

1 4 c

ВЫСОКОЭФФЕКТИВНАЯ ГАЗОВАЯ ХРОМАТОГРАФИЯ ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ

471

B = 91.4-101 2Bn

cim =

9Bn®dr

(4)

(5)

10

C1S = cs '

(6)

16Хг|0

Щ

где: Ь — длина колонки; п — вязкость подвижной фазы; В0 — проницаемость колонки; X, у, ю и q — постоянные, зависящие от качества колонки и не зависящие от давления, d — эффективный диаметр колонки, ^ — коэффициент пропорциональности, связывающий коэффициент диффузии сорбата в подвижной фазе с давлением. Выражение 2 предсказывает, что минимальные значения ВЭТТ и, следовательно, наибольшая эффективность колонки достигаются в области высоких значений входного и выходного давлений, но низкого относительного давления.

Новый тип капиллярных колонок, обладающих структурой монолита, оказывает значительно более высокое сопротивление потоку подвижной фазы и, соответственно, требует применения повышенного давления газа-носителя. Логично было ожидать, что монолитные колонки будут обладать более высокой удельной эффективностью, чем классические полые капиллярные колонки, и в данном сообщении представлена экспериментальная проверка этого предположения.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Синтез монолитных колонок проводили в кварцевом капилляре с внутренним диаметром 100 мкм по разработанной и описанной нами методике [11]. Перед проведением полимеризации внутренняя поверхность капилляра подвергалась модифицированию триметоксисилилпропилмета-крилатом с целью ковалентного связывания монолита с поверхностью стенок капилляра. В качестве мономера использовали дивинилбензол, в качестве порообразователя — смесь додеканола-1 и толуола в соотношении 6.5 : 1 по объему. Соотношение мономер/порообразователь — 40/60. Инициатором радикальной полимеризации служил 2,2'-азодиизобутиронитрил в количестве 1% (вес) от массы мономера. Время полимеризации 1 ч при температуре 75оС. По окончании полимеризации колонку промывали метиловым спиртом для удаления порообразователя и непрореагировавшего мономера, затем высушивали в потоке гелия. Измерения проводили на газовом хроматографе "Шимадзу G-10" (Япония) с углекислым газом и азотом в качестве газов-носителей. Пробу вводи-

В

С

4

св Я

1-е

5

С

W

20

40 60

Время, сек

80

Рис.1. Разделение углеводородов С1 -С4 на монолитной колонке на основе поли-ДВБ: Колонка : 47,5 см х 0.1 мм, газ-носитель СО2 , давление 54 атм, температура 80°С,. Сорбаты: 1 — метан, 2 — этан, 3 — пропан, 4 — изо-бутан, 5 — н- бутан.

ли с помощью крана-дозатора, снабженного петлей объемом 2 мкл (Valco Inc., США). Деление потока газа-носителя устанавливали в соотношении 1 : 30. Сбор хроматографических данных проводили с использованием программы "Экохром" фирмы "Бойсофт" (Россия).

Стандартные смеси сорбатов готовили из индивидуальных соединений, имевших квалификацию ч.д.а. Газы, использовавшиеся в качестве подвижной фазы, имели чистоту не ниже "четырех девяток" и перед использованием их сушили, пропуская через колонку с молекулярными ситами.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Монолитные стационарные фазы оказывают значительно более высокое сопротивление потоку газа-носителя, нежели полые капиллярные колонки и поэтому эксплуатируются при повышенных давлениях, что, как известно, приводит к смещению оптимальной скорости потока газа-носителя в сторону меньших значений, и, в свою очередь, к увеличению продолжительности анализа [10]. Чтобы избежать этого осложнения было предложено два подхода. Во-первых, учитывая более высокую селективность разделения и удельную эффективность монолитных колонок, можно использовать колонки укороченной длины, если общее число теоретических тарелок колонки является достаточным для разделения анализируемой смеси. На рис. 1 показано разделение

2

3

8

1

4

6

5

4

2

0

472

КОРОЛЕВ и др.

мкВ 320 290 260 229 199 170 140 110 80 49 20 -15

1, 2 5

12

мВ

-9

-12 -15 -18 -21

24.3

/4

910

0 2 4 6 8 10 12 Время, мин

Рис. 2. Разделение смеси углеводородов на монолитной колонке на основе поли-ДВБ с программированием температуры. Колонка — 47.5 см х 0.1 мм, газ-носитель азот, давление 69 атм; начальная температура 120°С, подъем 10°/мин до 200°С. Сорбаты: 1 — метан, 2 — этан, 3 — пропан, 4 — изо-бутан, 5 — н-бутан, 6 — н-гексан, 7 — бензол, 8 — н-гептан, 9 — толуол, 10 — н-октан, 11 — этилбензол, 12 — п+м-ксилол, 13 — о-ксилол, 14 — н-нонан, 15 — н-декан.

стандартной смеси легких углеводородов Сх—С4 на монолитной колонке на основе полидивинил-бензола (поли-ДВБ). Анализ длится лишь немногим более 1 мин, а высокая селективность колонки по отношению к разделяемым сорбатам предполагает возможность быстрого разделения и более многокомпонентных смесей [12]. Это свойство монолитных колонок делает их перспективными для применения в двумерной ГХ, если их производительность, селективность, удельная эффективность и другие параметры будут соответствовать требованиям, предъявляемым к колонкам первого и второго измерения в двумерной газовой хроматографии.

Монолитные капиллярные колонки, используемые нами ранее для разделения смесей легких углеводородов [9—11], были испытаны при анализе модельных смесей, содержащих высококипящие углеводороды, сложные эфиры, кетоны, спирты и другие сорбаты [12]. Однако высшие углеводороды сильно удерживаются на монолитной колонке на основе поли-ДБВ и для их разделения было использовано программирование температуры (рис. 2). Этот прием широко используется в газо-

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 Время, мин

Рис. 3. Разделение смеси углеводородов и кетонов на монолитной колонке на основе поли-ДВБ. Колонка — 46 см х 0.05 мм, газ-носитель СО2, давление 76 атм, температура 80°С. Сорбаты: 1 — ацетон, 2 — этилацетат, 3 — метилэтилкетон, 4 — циклогексан, 5 — бензол, 6 — метилпропилкетон, 7 — толуол, 8 — этилбензол, 9 — п-ксилол, 10—м-ксилол, 11 — о-ксилол.

вой хроматографии для сокращения времени анализа. Как видно из рис. 2, все углеводороды нормального строения вплоть до н-декана могут быть проанализированы в этих условиях за 12 мин. с высокой селективностью. Интересно отметить, что критическая для газовой хроматографии пара сорбатов м-п-ксилолов, которую, как правило, не удается разделить на традиционных неполярных стационарных фазах и которая не делится на монолитной колонке на основе поли-ДВБ в условиях программирования температуры (см. рис. 2), может быть разделена почти полностью на колонке с тем же монолитом

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