Книга
← К списку книгЗагрузка разделов…
активнаАктивные записи участвуют в каталоге и синках. Неактивная книга скрыта, но не удалена из базы.
Книга
Глава 1
ОСНОВЫ ТЕОРИИ
В. Преториус “ К. де Клерк
V. Pretorius and К- de Clerk
Department of Physical and Theoretical Chemistry,University of Pretoria, Pretoria, South Africa
ВВЕДЕНИЕ
Цель теории препаративной газовой хроматографии — получить выражение, связывающее эффективность препаративного разделения с параметрами протекающего процесса, а также выяснить, каким образом эти параметры зависят от различных условий с тем, чтобы найти условия, при которых эффективность препаративного разделения максимальна. С практической точки зрения теория полезна только в том случае, когда параметры, выбранные для описания процесса, удобно контролировать в эксперименте.
Теоретические исследования имеют присущую им тенденцию быстро обрастать многочисленными математическими выражениями, которые, быть может, и умиляют теоретика, но не столь приятны для хроматографиста-практика. Поэтому прежде чем углубиться в теорию, имеет смысл качественно обсудить некоторые вопросы. После этого будет легче понять необходимые математические выкладки.“
В настоящее время математическая теория препаративной хроматографии в самом общем виде построена быть не может, да и, по-видимому, она была бы практически бесполезной вследствие своей громоздкости. Поэтому мы ограничимся здесь рассмотрением относительно простой модели, которая позволяет выяснить основные принципы, лежащие в основе метода. Во-первых, мы ограничимся колоночной хроматографией (метод непрерывной хроматографии обсуждается в гл. 10). Во-вторых, для описания эффективности разделения мы выберем относительно простой параметр, а именно массу данного компонента заданной чистоты, получаемого в результате разделения, в расчете на единицу времени. Теория процесса элюирования рассматривается в наиболее простых условиях： двухкомпонентная эквимолярная смесь, прямолинейная изотерма распределения, изотермический, изобарический режим работы колонки и т. д. Более сложные случаи более или менее качественно рассматриваются в разд. V как вариации этой простой модели. В разд. VI приведен краткий обзор методов фронтального анализа, при этом в качестве аналога используется процесс элюирования.
Ввиду того что во всех теориях препаративной хроматографии так или иначе используется понятие теоретической тарелки,
в дальнейшем ему уделяется довольно большое внимание (разд. II); особое внимание уделяется получению подходящего выражения, описывающего зависимость высоты, эквивалентной теоретической тарелке (ВЭТТ), от таких практически важных параметров, как, например, диаметр колонки.
Разд. III посвящен вопросам, связанным с вводом образцов в колонку, а в разд. IV подробно рассматривается препаративная проявительная хроматография для описанных выше простых условий.
Основной целью любого хроматографического процесса, включая и препаративную хроматографию, является разделение смеси веществ. В случае эквимолярной двухкомпонентной смеси чистоту разделенных компонентов можно охарактеризовать с помощью критерия разделения R [1——3], который определяется формулой
^Т， (LD
где Ах — расстояние между вершинами пиков, а о^ — полная дисперсия пика компонента, который первым выходит из колонки. Ве- личину А% можно выразить через термодинамические параметры процесса разделения [4]:
где ам измеряется в единицах длины; а = К』Кл — относительная летучесть; Кз^С^/С^ — коэффициент распределения концентрации /-го компонента; С^н — концентрация /-го компонента в неподвижной фазе;。加一концентрация /-го компонента в подвижной фазе; 力3 =從坦/從扣 ——коэффициент распределения массы (從加 и 從須一 массы /-го компонента в соответствующих фазах); / — длина колонки, и ——скорость потока газа-носителя (в данном рассмотрении сжимаемостью газа пренебрегают).
Полную дисперсию пика оПолн, измеряемую в колонке у ее выхода, можно представить [5] в виде суммы двух слагаемых
<3полн==(3к +^х,(1 -3)
где о：х — дисперсия зоны, измеренная в колонке у ее входа, и о： — дисперсия пика, обусловленная его расширением при прохождении через колонку. Величину о： обычно выражают [6] через высоту Н, эквивалентную теоретической тарелке, в виде
(1.4)(1.4)j —HI,
(1.4)
(1.4)
Пренебрежем пока изменениями давления, связанными со сжимаемостью газа, и будем считать, что величина Н достаточно хо- рошо описывается эмпирическим уравнением типа ван Деемтера [7—9], имеющим вид
(1.5)(1.5)Н=А+В1и+Си.
(1.5)
(1.5)
Коэффициенты А, В и С представляют собой сложные функции; они зависят, например, от геометрии фаз (более подробное обсуждение этого вопроса приведено в разд. II). Из выражений (1.4) и (1.5) видно, что о^ зависит от и и что для каждой данной колонки существует скорость 〃 = УВ/С, при которой величина о^ , а следо
вательно, и Н достигают минимума (рис. 1.1).
Ясно, что дисперсия пика образца на входе в колонку определяется объемом образца, способом его ввода в колонку и диаметром колонки. Масса образца просто связана с его объемом и концентрацией. Предположим, например, что " образец, содержащий два компонента Л и 5 в количествах гпа и тБ соответственно, введен в колонку таким образом, что в самом ее начале концентрация образца имеет гауссовское распределение с дисперсией о* (рнс. 1.2). Если предположить, что равновесие между фазами устанавливает-
Рис. 1.1. Зависимость величины ВЭТТ от скорости потока газа-носителя.Рис. 1.1. Зависимость величины ВЭТТ от скорости потока газа-носителя.ся мгновенно, то при вводе образца в колонку дисперсия его пика уменьшается в (力+1) раз по сравнению с дисперсией пика до колонки (разд. III). По мере движения образца вдоль колонки ширина его пика увеличивается, но, несмотря на это, происходит постепенное разделение компонентов, так как процесс разделения протекает быстрее, чем процесс расширения пика. Критерий разделения компонентов, выражаемый величиной R, постепенно увеличивается и наконец достигает требуемой величины. Для данной колонки наименьшая длина пути, проходимого образцом для получения заданной чистоты разделенных компонентов, получается при скорости газа-носителя, соответствующей минимальному значению величины Н.
Рис. 1.1. Зависимость величины ВЭТТ от скорости потока газа-носителя.
Рис. 1.1. Зависимость величины ВЭТТ от скорости потока газа-носителя.
Средняя массовая скорость выхода из колонки компонента 1
полной массы mi на единицу массы введенного в колонку образца (производительность) определяется выражением [10]
(L6)(L6)(恤一А/И1) "вых
(L6)
(L6)
&полн (1 + 財)
где А/zu — потеря массы образца при отборе фракций; 〃вых ——скорость потока газа-носителя на выходе из колонки; ^Полн — полная ширина хроматограммы на единицу массы образца внутри колонки у ее выхода. В разд. III показано, что величину ^Полн удобно выражать через значение величины оПолн на выходе из колонки, например
[^ПОЛН：==^аПОЛН) (L7) где 九——число.
Рис. 1.2. Сужение импульса пробы при входе в колонку./ — вход в колонку； 2 ——подвижная фаза; 3 —• неподвижная фаза.Рис. 1.2. Сужение импульса пробы при входе в колонку./ — вход в колонку； 2 ——подвижная фаза; 3 —• неподвижная фаза.
Рис. 1.2. Сужение импульса пробы при входе в колонку.
/ — вход в колонку； 2 ——подвижная фаза; 3 —• неподвижная фаза.
Рис. 1.2. Сужение импульса пробы при входе в колонку.
/ — вход в колонку； 2 ——подвижная фаза; 3 —• неподвижная фаза.
Ясно, что для увеличения £Вых можно увеличить член (mi —— —Am。в числителе [выражение (1.6)], или иВых, или то и другое вместе. Значение mi можно увеличить, увеличив объем и (или) концентрацию пробы, а значение аВыХ — подняв давление на входе в колонку. К сожалению, при всем этом увеличивается и знаменатель выражения (1.6), поскольку величина аПолн зависит от всех этих переменных:
Ь^олн=〃/+Тх •(1.8)
Этот вопрос следует рассмотреть подробнее. Во-первых, величина 力олн зависит от Пвых только в области значений иВЫх, превышающих обычно выбираемое значение, соответствующее минимуму величины Я. Во-вторых, аПОлн явно не зависит от концентрации, по крайней мере в линейной области. Однако при увеличении концентрации, когда ее значения выходят из линейной области, появляется явная зависимость аПолн от концентрации, связанная с искажениями хроматографического пика.
При заданных требованиях к чистоте разделенных компонентов увеличение оПОЛн можно осуществить только путем увеличения длины колонки. Это видно из выражения (1.2): для увеличения Оиолн при постоянном R необходимо увеличить /.
После приведенных рассуждений сама собой напрашивается более интересная постановка основной задачи препаративной хро* матографии. Если предположить, что увеличение эффективности препаративного разделения требует увеличения длины колонки, то эту задачу можно сформулировать так. Пусть длина колонки больше той, которая необходима для получения заданного разделения; как следует воспользоваться этой избыточной длиной для того, чтобы как можно больше увеличить эффективность разделения? Этот случай показан на рис. 1.3. Задача, таким образом, сводится к нахож-
1
R=lt5 Л>45
Рис. 1.3. Избыточная степень разделения, получающаяся, когда длина колонкипревышает величину /МИн-
дению наиболее эффективного способа использования насадки избыточной части колонки. Следует ли увеличивать ширину хроматографической полосы путем увеличения скорости потока газа в колонке, или путем увеличения объема пробы, или того и другого вместе? Этот вопрос усложняется тем, что скорость потока и объем образца — не единственные параметры, определяющие ширину полосы. Наиболее важный параметр — диаметр колонки dK. Увеличение величины £*вых за счет увеличения диаметра d^ имеет определенные преимущества, поскольку таким путем можно увеличить объем пробы без увеличения ширины хроматографической полосы на входе в колонку. Однако Н тоже зависит от dK> и это настолько усложняет дело, что точный учет всех необходимых факторов возможен лишь с помощью полного математического анализа всей задачи.
Тем не менее полезно качественно выяснить роль скорости газового потока и объема образца. Рассмотрим случай, когда колонка работает с высокой аналитической эффективностью, т. е. когда ширина оВх хроматографической полосы на входе в колонку пренебрежимо мала по сравнению с величиной ок, а рабочие параметры, в особенности иът таковы, что ок минимальна. Это означает, что колонка имеет наименьшую возможную длину для
требуемого разделения. Обозначим эту длину через /мин. Ясно, что эффективность препаративного разделения такой колонки очень низка. Известно, что для ее увеличения необходимо увеличить Длину колонки. Предположим, что это увеличение было сделано так, что оптимальные значения рабочих параметров не изменились; например, скорость газового потока осталась неизменной за счет
увеличения давления на входе в колонку. В результате этого появляется избыточная степень разделения, которую можно использовать для увеличения эффективности разделения. Если скорость
Рис. 1.4. Графики зависимости величины ВЭТТ и производительности колонки от скорости газового потока.Рис. 1.4. Графики зависимости величины ВЭТТ и производительности колонки от скорости газового потока.которой избыточная степень разделениякоторой избыточная степень разделениягазового потока поддерживается постоянной, то это увеличение эффективности можно осуществить путем увеличения объема вводимой в колонку про-- бы до тех пор, пока расстояние между пиками на хроматограмме не уменьшится до минимально допустимой величины. При этом, однако, остается открытым вопрос о том, является ли это увеличение эффективности оптимальным. Нельзя ли еще более увеличить эффективность путем одновременного увеличения скорости потока и объема вводимой пробы? Очевидно, что увеличение скорости ограничено выбранной длиной колонки, поскольку в конце концов будет достигнута такая скорость, при
Рис. 1.4. Графики зависимости величины ВЭТТ и производительности колонки от скорости газового потока.
Рис. 1.4. Графики зависимости величины ВЭТТ и производительности колонки от скорости газового потока.
которой избыточная степень разделения
которой избыточная степень разделения
亠сведется на нет из-за уве
личения величины о^=〃1, что в свою очередь заставит уменьшить
До нуля объем вводимой пробы. Ясно, что между значением скорости, оптимальным в смысле аналитической эффективности, и наибольшим значением скорости, ограниченным длиной колонки, заключено значение, оптимальное для препаративной хроматографии. Этот факт иллюстрирует рис. 1.4. По этому промежуточному значению скорости можно вычислить соответствующий ему объем вводимой пробы. Важно отметить, что значение скорости газового потока, оптимальное для препаративной хроматографии, возрастает при увеличении длины колонки, улучшая тем самым эффективность препаративного разделения.
и. ВЫСОТА, ЭКВИВАЛЕНТНАЯ ТЕОРЕТИЧЕСКОЙ ТАРЕЛКЕ
Цель этого параграфа — выбрать из приводящего в смущение множества выражений для высоты, эквивалентной теоретической тарелке (ВЭТТ), то, из которого была бы ясно видна роль параметров, определяющих эффективность препаративного разделения. Особо важный из этих параметров — радиус колонки.
Проведем рассмотрение, используя основы теории высоты локальной тарелки, эквивалентной теоретической тарелке Н(х). В случае постоянного давления величина Н(х) определяется следующим образом [11]:
Н ⑺=(х)Id〈X〉, (1.9)
е. представляет собой скорость изменения дисперсии распределения концентрации с изменением положения центра тяжести зоны 〈％〉. Эта величина связана с эффективным коэффициентом диффузии Сзфф，который входит в дифференциальное уравнение, описывающее прохождение хроматографической полосы с данным^ распределением концентрации вдоль оси колонки [12]:
(1.10)(1.10)ас(*)“ас(*). n 02c(*)
(1.10)
(1.10)
—^ — =Г+Т ―戒г э** —а/
Действуя на обе части этого уравнения оператором +8Д-e0
J (x—〈x〉ydx J C(x)dx
и вводя соответствующие граничные условия, получаем [12] 而"儿=2。3g，(1.n)
где о2 — дисперсия, определяемая как обычно: +8汁8
а2= J C(x) (% —〈х〉)2〃/ J C (x) dx.(1.12)
Аналогично применение оператора十8-[-ОО
J x dx / J C (x) dx
дает
当(1.13)
Из (1.9), (1.11) и (1.13) получаем, что
Обоснование заменн точного дифференциального уравнения, описывающего массопередачу в радиальных направлениях, уравнением (1.10) можно найти в различных работах, например [12—15]. Следует отметить, что процесс подчиняется уравнению (1.10) лишь спустя определенное время после ввода образца. Оценки этого времени были получены Тейлором [13, 16], Гиддингсом [17] и Ливен- шпилем [18]. Полученные ими значения хорошо согласуются друг с другом; Ливеншпиль пришел к выводу, что минимальное значение этого времени можно получить по формуле
/nepeX°x = O,O4(%/0R), (1.15)
где Qr ——коэффициент радиальной дисперсии, который при малых скоростях потока приближенно равен 0,6力蔽・ То, что это выражение имеет отношение к препаративной хроматографии, видно из наличия в нем величины du — диаметра колонки; действительное поведение функции Н на этом отрезке времени еще раз обсуждается ниже.
Если известна £)Эфф, то предельное выражение для Я(х) можно найти непосредственно из (1.14). Выяснилось, что величина С^фф представляет собой сумму трех величин
。3初=Т°м + Аас + ^Эфф, (1 • 16)
где Qm ——коэффициент обычной молекулярной диффузии, у ——коэффициент извилистости, вводимый для учета влияния насадки [19],. 力нас — дисперсия, обусловленная наличием насадки, а С%ф — дисперсия, обусловленная случайными переходами молекул (в радиальном направлении) между областями с различными значениями скорости потока. Эти переходы молекул происходят как в подвижной, так и в неподвижной фазах, и, как показано в работе [20], величину £>зфф можно представить в виде суммы двух слагаемых
0導中中Н^。時中(П，)+03中4)(H) (1。17)
каждое из которых соответствует переходам в одной из фаз. Аналогичным образом можно представить и величину Н(х):
Н(х)=Нп(х)+Нн(х), (1.18) где ”п(%) включает в себя высоты, эквивалентные теоретическим тарелкам, соответствующие первым двум слагаемым в (1.16). Другие составляющие величины Нп(先)обозначаются через "；(尤) и соответствуют дисперсии £>Эфф (п.). Эти другие составляющие найти наиболее трудно; их определяли различными методами, например используя неравновесную теорию Гиддингса [21], теорию случайных блужданий [22] и интегральный метод, развитый Арисом [20]. Из всех этих методов метод Ариса позволяет, пожалуй, наиболее полно понять факторы, которые определяют эти составляющие.
В качестве иллюстрации рассмотрим влияние подвижной фазы для капиллярной колонки. В этом случае [20]В качестве иллюстрации рассмотрим влияние подвижной фазы для капиллярной колонки. В этом случае [20]「22产 drr「22产 drr[〃（「'）—击[〃（「'）—击¥],(1-19)¥],(1-19)
В качестве иллюстрации рассмотрим влияние подвижной фазы для капиллярной колонки. В этом случае [20]
В качестве иллюстрации рассмотрим влияние подвижной фазы для капиллярной колонки. В этом случае [20]
「22产 drr
「22产 drr
[〃（「'）—击
[〃（「'）—击
¥
],(1-19)
¥
],(1-19)
где Qr(『)——локальное значение коэффициента радиальной дисперсии, u(rf)—закон изменения скорости в направлении радиуса (профиль скоростей). Выражение (1.19) представляет собой, по сути дела, интеграл Ариса, записанный в форме, которая удобна для сравнения его с выражением для Q；由ф , получаемым с помощью теории случайных блужданий [23]. Это последнее выражение имеет вид
где Л ——вероятностный множитель, Ax'——эффективная радиальная составляющая случайного перехода, Af — эффективное время случайного перехода, v —эффективная продольная составляющая скорости случайных блужданий. 、
В рассматриваемом случае случайное движение молекул вдоль оси колонки появляется в результате наложения на неоднородный поток газа (профиль скоростей) диффузии в направлении радиуса (т. е. случайного движения в радиальном направлении). Случайные переходы молекул между линиями потока, соответствующими различным скоростям, вызывают случайные отклонения величины массовой скорости потока газа от ее среднего значения. Подробное обсуждение этого вопроса можно найти в работе [24]. Здесь же достаточно привести несколько общих замечаний. Ясно, что в выражении (1.19) осуществляется суммирование по всем элементарным цилиндрическим слоям толщиной dr, которые оказывают сопротивление массопередаче в радиальном направлении. Для элементарного цилиндрического слоя радиуса г соответствующее выражение имеет вид
"°зФФ—]卜靑 ,
где
成=2% (г)(L2°)
(1.21)
ок
а А=]；頁вероятность пребывания молекулы в подвижной фазе. Видно, что эффективная скорость предсрйлает.хобой, усред-
2 Зак. № 570
ненное по вероятности 厂制厂^ отклонение скорости от средней величины u/\ + k\ для фиксированного г величина 产/г^ есть вероятность пребывания молекулы внутри цилиндра радиусом г, соосного с колонкой. Таким образом, v характеризует эффективное перемещение молекулы в единицу времени через слой dr; при этом предполагается, что молекула с одной и той же вероятностью может находиться в любой точке поперечного сечения подвижной фазы. dt характеризует время, необходимое для диффузии через слой dr всех молекул, содержащихся в плоскости поперечного сечения подвижной фазы.
Физический смысл интегралов Ариса можно описать лишь весьма приближенно; однако всегда полезно наглядно представить себе факторы, входящие в выражение для высоты, эквивалентной теоретической тарелке. В особенности это относится к величинам df и и. Грубо говоря, интегрирование по t дает время, которое возрастает с увеличением размеров колонки. Это можно объяснить тем, что при увеличении размеров колонки возрастают расстояния, вдоль которых диффундируют молекулы. Однако, несмотря на это, действительное значение Я(х) определяется эффективной скоростью, значение которой в свою очередь определяется профилем скоростей. В ажно отметить, что величину Я(х) всегда можно уменьшить путем увеличения коэффициента радиальной дисперсии DR(r).
Все эти аргументы используются ниже, при нахождении закона изменения скорости в плоскости поперечного сечения колонки с насадкой. Однако перед этим имеет смысл выписать рассмотренные выше выражения для двух случаев: капиллярной колонки и колонки с зернистой твердой насадкой.
А. КАПИЛЛЯРНЫЕ КОЛОНКИ
В случае ламинарного течения газа в капиллярной колонке для определения эффективности применимо уравнение Голея [25]. Для удобства запишем это уравнение в безразмерных переменных:
(х) + Ан(л),'(1.22)
гk
力п(х)=姦 +&"，(1-23)
ha(x)=CaRe,(1.24)
e г (1 + 6月 + 11々2) 5=[24(1 + 右厂
2(1-0)'
(1.26)
с 1 右 62(2 — °)2 丄 Sc“ "H = F" (1 + 右)2 (1 一0)5 Уh ，
(1.27)
где Re=2% u/vn ——число Рейнольдса, Scn=Vn/^n — число Шмидта для подвижной фазы, Sch = Vh/Z>h ——число Шмидта для неподвижной фазы, vn — кинематическая вязкость подвижной фазы, vH — кинематическая вязкость неподвижной фазы,
106
a 9 = d®/к*
Малые по величине члены, описывающие продольную (вдоль оси колонки) диффузию в неподвижной фазе, а также сопротивление массопередаче на поверхности раздела фаз, в этом уравнении отброшены.
При появлении турбулентности (Re 〜2100) происходят некоторые благоприятные для препаративной хроматографии изменения характера газового потока. Так, профиль скоростей становится более плоским, а радиальная дисперсия увеличивается благодаря образованию вихрей. В результате
“3
Scn;Z?
加
优
woo；o
S%； fe
WOOHOO
10001
w2
i/ШИ№
加7卜
101
10Z
w3
Рис. 1.5. Изменения приведенной вели- чины ВЭТТ при переходе от ламинарного течения к турбулентному.
WD0;D
приведенная высота, эквивалентная теоретической тарелке, уменьшается до значений меньших, чем те, которые дает уравнение (1.11) для той же самой скорости потока. Эти явления подробно исследовал Сматс [26] путем вычисления интегралов Ариса. Аппроксимируя результаты вычислений некоторой кривой, он получил выражение для величины ВЭТТ, справедливое в области 2300</?е<20 000. Результаты, полученные Сматсом, приве-
Дены на рис. 1.5.
Из рисунка видно, что при появлении турбулентности величина 九口 резко уменьшается. При этом неожиданно оказалось, что в условиях турбулентности 宣口 сильно зависит от 瓦
Б. НАСАДОЧНЫЕ КОЛОНКИ
Дисперсию хроматографической полосы в колонках с насадкой описать довольно трудно из-за сложности динамики потока
в таких системах. Влияние неподвижной фазы можно описать, предположив, следуя Гиддингсу [27], что для неподвижной фазы существует некоторая типичная или средняя конфигурация и эффективная толщина слоя. Вклад (в величину ВЭТТ) неподвижной фазы при этом можно записать в виде
L 4 (1+^)2 -Д^，L 4 (1+^)2 -Д^，(1.28)(1.28)
L 4 (1+^)2 -Д^，
L 4 (1+^)2 -Д^，
(1.28)
(1.28)
где аж ——толщина слоягде аж ——толщина слоянеподвижной жидкой фазы.неподвижной жидкой фазы.Рис. 1.6. График уравнения Эргуна в логарифмических координатах./ — уравнение Блейка—Козеии; 2 — уравнение Эргуиа； 3 — уравнение Берка—Плуммера.Рис. 1.6. График уравнения Эргуна в логарифмических координатах./ — уравнение Блейка—Козеии; 2 — уравнение Эргуиа； 3 — уравнение Берка—Плуммера.
где аж ——толщина слоя
где аж ——толщина слоя
неподвижной жидкой фазы.
неподвижной жидкой фазы.
Рис. 1.6. График уравнения Эргуна в логарифмических координатах.
/ — уравнение Блейка—Козеии; 2 — уравнение Эргуиа； 3 — уравнение Берка—Плуммера.
Рис. 1.6. График уравнения Эргуна в логарифмических координатах.
/ — уравнение Блейка—Козеии; 2 — уравнение Эргуиа； 3 — уравнение Берка—Плуммера.
Члены, соответствующие подвижной фазе, описать труднее, и они до сих пор являются предметом полемики. Эти члены тесно
связаны с динамикой потока, и поэтому последнюю стоит рассмотреть несколько подробнее. Хорошо известно [28], что течение газа в колонке с насадкой можно описать с помощью уравнения Эргуна, которое графически представлено на рис. 1.6. Изучение графика, изображенного на рис. 1.6, показывает, что грубо можно выделить три области, соответствующие трем типам потока: ламинарному, переходному и турбулентному. Ламинарный поток характеризуется стационарными линиями тока и существует в области значений числа Рейнольдса, не превышающих 5. Для насадочных колонок число Рейнольдса может быть определено по формуле
心期=牛"，(1.29)
которая соответствует случаю обтекания сферического тела диаметром d^ac жидкостью, текущей с относительной скоростью и [29].
Приближенные вычисления показывают, что при значениях R?nac冢 5 течение почти ламинарно и что завихрения за обтекаемыми частицами незначительны.
В переходной области при увеличении ReHac постепенно развивается картина турбулентного потока, а при Renae〜2000 турбулентные вихри образуются практически на любом препятствии. Для подтверждения этого сравним значения w, соответствующие началу образования турбулентного течения в насадочных и капиллярных колонках. Если 8 = 0,4, а /?^нас=2000, то скорость и вычисляется следующим образом:
3000^
При такой скорости потока турбулентность возникнет в капил- ляре диаметром
,2100、2 ,
4e=f— 亍 анае•
Порядок этой величины определенно совпадает с размером обтекаемых частиц. Такое совпадение позволяет предположить, что поток с обтеканием частиц напоминает поток через связку капилляров диаметром- dHac- Что касается потока в области переходных значений ReHac, то на этот счет существуют разные мнения [30а, 30b, 30с, 30dj, однако здесь этот вопрос не столь важен.
Кроме диффузии молекул в направлении оси колонки, члены, обусловленные влиянием подвижной фазы на величину ВЭТТ, определяются еще двумя механизмами: конечной скоростью перемещения молекул в поперечном направлении (т. е. из области с одной скоростью потока в область с другой скоростью), а также дисперсией, связанной со структурой насадки. Эти два фактора определяют соответственно член, пропорциональный величине скорости, и член, не зависящий от скорости. Лучше всего классифицировать различные члены по типам случайных блужданий. При этом по предложению Гиддингса [31] их можно объединить в следующие группы: трансканальные, трансчастичные, ближние трансканальные, дальние трансканальные, трансколоночные.
Наиболее важным с точки зрения препаративной хроматографии является трансколоночный член; он обсуждается отдельно. Влияние других механизмов более или менее подробно было изучено Гиддингсом [32] и Клерком [33] для модели случайных блужданий. Сматс [34] получил выражение для величины ВЭТТ в феноменологических переменных. При этом он использовал работы, связанные с интегралами Ариса, но не относящиеся к хроматографии. Подробности вычислений Сматса для данного обсуждения несущественны. Интересно то, что при увеличении времени наблюдений зависимость величин, из которых складывается величина ВЭТТ, от k ослабевает и в конце концов полностью исчезает. Это легко понять.
так как при увеличении вариаций потока до нескольких диаметров частиц величина О^ф屯 в выражении (1.14) уменьшается в (尼+ 1) раз. Однако наиболее замечательным является то, что, несмотря на сложность механизмов, лежащих в основе этого явления, Зависимость полной величины ВЭТТ от Кенае удивительно проста. Связано это в основном со свойствами коэффициента радиальной дисперсии Dr. Коэффициент Dr состоит из двух слагаемых: обычной молекулярной радиальной диффузии и дисперсии потока Dr：
' 以=(例十Dr)KW). (1.30)
Величина D： зависит от Кенае и в конце концов (при увеличении R^nac) становится прямо пропорциональной 7?^Нас- Это видно из табл. 1.1, в которой приведены полуэмпирические результаты, полученные Бишофом и Ливеншпилем [18] с помощью аппроксимации функции Q] функциями вида 4‘Re^ac， 「^е а —число- Из выражений (1.14) и (1.19) видно, что при этом сложные члены, входящие в выражение для величины ВЭТТ, сводятся к членам, которые практически постоянны при больших значениях Renae, а как раз такие значения Renae и характерны для препаративной хроматографии. Аналогичный, правда несколько менее общий, результат получил Гиддингс с помощью развитой им неравновесной тео-
Таблица 1.1
Зависимость величины ВЭТТ от диаметра колонки и природы газа-иосителя
Тазы (Sc= 1,5)
0,1 < №нас <0,940,48 (R，Hac)°‘"
0,94< R«Hac <150,52 (/?гнас)0'46
А'нас〉150,13 R，Hac
Жидкости (Sc=1000)
0,001 <№Hac< 4,80,013(№нас)0,83
4,8 <К«нас <3,750,001 Ren^
К«нас>37,50,13 /?^нас
Окончательное выражение для приведенной величины ВЭТТ можно представить в виде суммы четырех слагаемых
^насI S5 (1 — s) J №нас
+ [4 号可脸。 V F SC J &期十価.(L31)
Последнее слагаемое 论风——наиболее важное для препаративной хроматографии, поэтому его стоит обсудить подробно.
Как уже упоминалось выше, дисперсия в продольном направлении (вдоль оси колонки) обусловлена в основном разными скоростями потока на разных расстояниях от оси колонки и случайным движением молекул в радиальном направлении. Количественно это удобно выражать в виде интеграла Ариса, преобразованного применительно к данному случаю [36]:
u 2 f 片口 + 左⑺]Jf 2之工/_[_^<w>1 ・(1.32>
"к=-7^у) 2rD (г) |J Г2 匕 I 1+々(尸)」
0
Для описанной выше физической модели такое преобразование заключается в следующем: величина Л полагается равной 1, так как участвуют все молекулы, величина DR(r) уменьшается в [1 + + k (г)] раз, а вместо скорости подвижной фазы используется действительная локальная скорость 〃(尸，)/[1 工力(г')]. Результат усреднения локальной скорости по всему поперечному сечению колонки обозначен через (и). Таким образом, величина "к определяется типом зависимости скорости от радиуса. В качестве факторов^ определяющих эту зависимость, предлагалось рассматривать: 1) способы заполнения колонки насадкой, 2) температурные режимы и 3) неоднородность толщины слоя неподвижной фазы.
(1.33)(1.33)Наиболее трудно учесть влияние материала насадки. Гиддингс [37] предложил гипотезу распределения по размерам зерен, в соответствии с которой при засыпке насадки в колонку частицы больших размеров располагаются преимущественно у стенок колонки [38]. Он получил также выражение для hK с помощью неравновесной теории [39]:
(1.33)
(1.33)
九『а 96mM'
где G2 — постоянная.
Выражение (1.33) было получено в предположении, что скорость является квадратичной функцией радиуса. При этом неявно предполагается, что во всех происходящих явлениях наблюдается зависимость от радиуса, а это, конечно, не всегда так. Поэтому формулу (1.33) можно использовать лишь с соответствующими оговорками.
Дефекты насадки, которые, как выяснилось, присущи цилиндрическим колонкам с зернистой твердой насадкой, известны в литературе под названием стеночного эффекта [40, 45]. Этот эффект имеет две причины. Во-первых, любая поверхность, параллельная направлению потока, оказывает ему сопротивление за счет силы трения, пропорциональной площади поверхности. Поэтому поток в области между стенкой колонки и близлежащими к ней
частицами из-за большой площади поверхности стенки испытывает большее сопротивление, чем поток в слое насадки. Здесь поток взаимодействует с частицами, и его скорость в условиях идеальной насадки должна быть постоянной. Вторая причина связана с тем, что у стенки цилиндрической колонки невозможно избежать неплотной упаковки частиц насадки. Этот эффект проявляется тогда, когда частицы насадки круглые и образуют в цилиндрической колонке кубическую или шестигранную упаковку. Из рис. 1.7 ясно видно, что имеющееся при этом свободное пространство у стенки колонки зависит от угла между радиусами, проведенными касательно к частице, близлежащей к стенке колонки. Величина этого угла равна отношению диа метр а ч астицы к радиусу колонки, т. е.Поэтому следует ожидать, что максимальное отклонение скорости потока от ее среднего значения будет функцией величины р = 4цас/4с. Соответствующий профиль скоростей в плоскости поперечного сечения колонки показан на рис. 1.8. Предложенная модель лежит в основе работы [41], в коточастицами из-за большой площади поверхности стенки испытывает большее сопротивление, чем поток в слое насадки. Здесь поток взаимодействует с частицами, и его скорость в условиях идеальной насадки должна быть постоянной. Вторая причина связана с тем, что у стенки цилиндрической колонки невозможно избежать неплотной упаковки частиц насадки. Этот эффект проявляется тогда, когда частицы насадки круглые и образуют в цилиндрической колонке кубическую или шестигранную упаковку. Из рис. 1.7 ясно видно, что имеющееся при этом свободное пространство у стенки колонки зависит от угла между радиусами, проведенными касательно к частице, близлежащей к стенке колонки. Величина этого угла равна отношению диа метр а ч астицы к радиусу колонки, т. е.Поэтому следует ожидать, что максимальное отклонение скорости потока от ее среднего значения будет функцией величины р = 4цас/4с. Соответствующий профиль скоростей в плоскости поперечного сечения колонки показан на рис. 1.8. Предложенная модель лежит в основе работы [41], в котоРис. 1.7. Зависимость стеночного эффекта от отношения диаметров частицы и колонки.Рис. 1.7. Зависимость стеночного эффекта от отношения диаметров частицы и колонки.рой используются интегралы Ариса. В этой работе было получено следующее полуэмпирическое выражение для hK:
частицами из-за большой площади поверхности стенки испытывает большее сопротивление, чем поток в слое насадки. Здесь поток взаимодействует с частицами, и его скорость в условиях идеальной насадки должна быть постоянной. Вторая причина связана с тем, что у стенки цилиндрической колонки невозможно избежать неплотной упаковки частиц насадки. Этот эффект проявляется тогда, когда частицы насадки круглые и образуют в цилиндрической колонке кубическую или шестигранную упаковку. Из рис. 1.7 ясно видно, что имеющееся при этом свободное пространство у стенки колонки зависит от угла между радиусами, проведенными касательно к частице, близлежащей к стенке колонки. Величина этого угла равна отношению диа метр а ч астицы к радиусу колонки, т. е.
Поэтому следует ожидать, что максимальное отклонение скорости потока от ее среднего значения будет функцией величины р = 4цас/4с. Соответствующий профиль скоростей в плоскости поперечного сечения колонки показан на рис. 1.8. Предложенная модель лежит в основе работы [41], в кото
частицами из-за большой площади поверхности стенки испытывает большее сопротивление, чем поток в слое насадки. Здесь поток взаимодействует с частицами, и его скорость в условиях идеальной насадки должна быть постоянной. Вторая причина связана с тем, что у стенки цилиндрической колонки невозможно избежать неплотной упаковки частиц насадки. Этот эффект проявляется тогда, когда частицы насадки круглые и образуют в цилиндрической колонке кубическую или шестигранную упаковку. Из рис. 1.7 ясно видно, что имеющееся при этом свободное пространство у стенки колонки зависит от угла между радиусами, проведенными касательно к частице, близлежащей к стенке колонки. Величина этого угла равна отношению диа метр а ч астицы к радиусу колонки, т. е.
Поэтому следует ожидать, что максимальное отклонение скорости потока от ее среднего значения будет функцией величины р = 4цас/4с. Соответствующий профиль скоростей в плоскости поперечного сечения колонки показан на рис. 1.8. Предложенная модель лежит в основе работы [41], в кото
Рис. 1.7. Зависимость стеночного эффекта от отношения диаметров частицы и колонки.
Рис. 1.7. Зависимость стеночного эффекта от отношения диаметров частицы и колонки.
九к=(加/2р2£)欠)〃нас4，
加=(1/100) exp (-备).(1.34)
В соответствии с результатами, полученными в работе [41], с увеличением dK (при постоянном р) величина ВЭТТ сначала растет, потом достигает максимума при р~0,05 и затем уменьшается. [См. рис. 1.9, на котором представлены также и данные из литературы, не имеющей отношения к хроматографии (Е = 0) J Следует подчеркнуть, что эти результаты получены и для 力=0 и не обязательно соответствуют вогнутому профилю скоростей потока. Очевидна необходимость тщательного экспериментального изучения этих результатов. Интересно отметить, однако, что экспериментальное подтверждение изложенной выше гипотезы дают результаты, полученные Спенсером и Кучарским [42]. Неоднородности неподвижной фазы в плоскости поперечного сечения колонки могут оказывать значительное влияние на форму профиля скоростей потока, а следовательно, и на величину ВЭТТ. В этой связи могут иметь значение экспериментальные результаты, полученные Хьюпе [43]. Хьюпе обнаружил, что при увеличении плотности материала насадки профиль скоростей потока может стать выпуклым в противоположность
тому, что следует из зависимости k от / [左=К(Рн/%)]・ Удовлетворительного объяснения этого явления до сих пор не найдено.
Из других работ, посвященных теоретическому объяснению трансколоночных эффектов, можно указать работы Хиггинса и Смита [44), а также Хьютена с сотр. [45]. Опираясь на эти работы и используя интегралы Ариса, Рижндерс [46] получил следующее выражение:
^=2^(^«/^).(1.35)
из которого следует, что йк является возрастающей функцией квадрата радиуса колонки. Однако это не всегда так, поскольку в об-
Рис. 1.9. Зависимость приведенной величины ВЭТТ, обусловленной подвижной фазой, от ВеЛИЧИЙЫ р — ^нас/^к.Рис. 1.9. Зависимость приведенной величины ВЭТТ, обусловленной подвижной фазой, от ВеЛИЧИЙЫ р — ^нас/^к.Рис. 1.8. Профиль скоростей газового потока в насадочной колонке.Рис. 1.8. Профиль скоростей газового потока в насадочной колонке./ — направление потока; 2 —средняя скорость потока./ — направление потока; 2 —средняя скорость потока.У — данные по Кноксу [80]; 2 — теоретическая кри-вая.
Рис. 1.9. Зависимость приведенной величины ВЭТТ, обусловленной подвижной фазой, от ВеЛИЧИЙЫ р — ^нас/^к.
Рис. 1.9. Зависимость приведенной величины ВЭТТ, обусловленной подвижной фазой, от ВеЛИЧИЙЫ р — ^нас/^к.
Рис. 1.8. Профиль скоростей газового потока в насадочной колонке.
Рис. 1.8. Профиль скоростей газового потока в насадочной колонке.
/ — направление потока; 2 —средняя скорость потока.
/ — направление потока; 2 —средняя скорость потока.
щем случае профиль скоростей, а следовательно, и функция 駝 могут зависеть от р (а следовательно, и от г^. Эта зависимость может даже быть доминирующей, в результате чего Лк будет уменьшаться с увеличением 厂匕,как говорилось выше.
Хиггинс и Смит тоже получили выражение для йк, но они больше интересовались зависимостью эффективной радиальной дисперсии от структуры насадки, чем зависимостью 九衣 от формы профиля скоростей. Эту зависимость они получили полуэмпирически м путем. Большие подробности можно найти в цитируемой литературе.
Суммируя сказанное, можно утверждать, что вариации потока в поперечном сечении колонки существуют, но характер их функциональной зависимости от различных параметров, в особенности от dK (а, следовательно, и вид трансколоночного члена в выражении для величины ВЭТТ), окончательно еще не ясен. Основная трудность при этом заключается в том, чтобы отделить случайные вклады в величину ВЭТТ, соответствующие исправимым дефектам насадки, от вкладов, соответствующих неизбежным флуктуациям потока в поперечном сечении колонки. Очевидно то, что независимо ст природы этих флуктуаций величину соответствующих вкладов
Расстояние^ см
Рис. 1.10. Примеры явления《перехода》в колонках большого диаметра в соответствии с теорией Гиддингса. Тангенс угла наклона начальных участков кривых
/ — «обычные» вклады в величину ВЭТТ.
всегда можно уменьшить путем более интенсивного перемешивания потока в радиальном направлении. В литературе уже были описаны разнообразные системы перемешивания с «отбойными» перегородками [47—49], и нет сомнения в том, что их применение позволило в значительной степени увеличить эффективность препаративных хроматографических систем.
Еще один член, который требует обсуждения, связан с составляющей величины ВЭТТ, соответствующей начальному периоду времени, когда процесс еще не подчиняется уравнению (1.10). По утверждению Гиддингса [17] этот член имеет вид
"=以16, (1.36)
где
Q = Lu\U}
а Ди —максимальное изменение скорости потока. Позже [50] он ввел этот член в общее выражение для высоты теоретической тарелки, вытекающее из его сопряженной теории. При этом кривая зависимости величины В ЭТТ от скорости потока принимает вид, показанный на рис. 1.10. Однако имеющиеся экспериментальные данные [50] пока недостаточны для окончательного подтверждения зтих теоретических выводов, и необходима дальнейшая теоретическая и экспериментальная работа.
Гиддингс изучал также влияние флуктуаций температуры и эффекты, появляющиеся при сворачивании колонки в спираль [17]. Скорость переноса частиц в колонке в данной точке зависит от температуры в этой точке, поэтому флуктуации температуры в плоскости поперечного сечения колонки вносят дополнительный вклад в величину ВЭТТ. Гиддингс нашел, что соответствующий член приближенно выражается следующим образом:
'%(х)=*穿， (L37)
где ат^0,004, а ДТ —разность температур у стенки и на оси колонки. (Правильнее было бы вместо Ом написать DR.)
Для изогнутых колонок Гиддингс получил, что
忆“ (*)=普雪. (1.38)
В этом выражении учтено, что молекулы в потоке движутся с разными скоростями в зависимости от их удаления от центра изгиба. Ro — радиус изгиба, а аИЗг—- величина порядка 0,1.
Следует подчеркнуть, что приведенное выше обсуждение относится к локальной (в точке) величине ВЭТТ. В практических вычислениях (разд. IV) следует учитывать и влияние перепада давлений на колонке.
ЭФФЕКТЫ, СВЯЗАННЫЕ С ВВОДОМ ПРОБЫ
В колонку
В препаративной хроматографии используют пробы сравнительно больших величин, поэтому важное значение имеют эффекты, связанные с вводом проб в колонку. Основные вопросы здесь таковы: 1) что происходит при вводе пробы в колонку, 2) каково влияние формы (концентрационного профиля) и величины пробы на эффективность препаративного разделения и 3) какова роль концентрации вводимой пробы.
Если предположить, что факторы, определяющие величину ВЭТТ, пренебрежимо мало влияют на образец во время его ввода в колонку, а установление равновесия между фазами
происходит мгновенно, то процесс элюирования можно описать уравнением [51]
dCn — 我 况口
где Cn ——концентрация вещества в подвижной фазе. Решение уравнения (1.39) имеет вид
&=&(* —j + 3，；(1・40)
оно описывает движение хроматографической полосы со скоростью, равной 〃/(1+力)，без изменения ее формы, иными словами, каждый участок полосы движется с одной и той же скоростью 〃/(1十力). Из этого следует, что ширина «импульса» пробы внутри колонки уменьшается в (1 十力)раз по сравнению с его шириной в колонке с непроницаемой для образца неподвижной фазой. Легко показать, чт0 в этих условиях концентрация Сп образца в подвижной фазе становится равной Свх — концентрации образца снаружи колонки, а давление остается тем же, что и на входе в колонку. Следует ожидать того, что в случае образцов больших размеров факторы, определяющие величину ВЭТТ, будут вызывать деформацию переднего фронта «импульса» образца аналогично тому, как это происходит во фронтальном анализе [53].
Влияние величины пробы на процесс разделения явилось предметом многочисленных исследований [54—56]. К сожалению, в большинстве из них мерой эффективности препаративного раз- деления полагалась величина ВЭТТ, откуда следовало, что величину пробы нужно ограничивать некоторым максимальным объемом, так как в противном случае происходит ухудшение работы колонки. Подробное обсуждение этого вопроса приводят Сойер и Пернелл в работе [57]; в этой же работе они получили следующее выражение для максимального объема пробы (жидкой):
V»i < [еРвх〃а"2/?Та/(а— 1)] [тег«Мср/рср],(1.41)
где е — относительный объем, занятый газом, Рвх — давление на входе в колонку (предполагается, что при этом давлении образец существует в парообразном состоянии). Если образец разбавлен газом-носителем, то Рвх — среднее парциальное давление образца, "——длина аналитической колонки, необходимая для разделения Двух компонентов, Мср ——средний молекулярный вес образца, Рср — средняя плотность образца. Однако важна не только ширина каждой хроматографической полосы, но и количество компонента в ней. В упомянутых же выше исследованиях делается упор на недостатки, связанные с расширением полосы при вводе проб больших величин, но не учитывалось, что при больших величинах пробы получается большее количество разделенных компонентов.
Хаархоф [58] первым показал, что если в качестве критерия эффективности разделения трехкомпонентной смеси взять усредненную массу разделенных веществ, выходящих из колонки в единицу времени, то существует оптимальный объем вводимой в колонку пробы. Пример сравнения
проб различных объемов приве-〃443проб различных объемов приве-〃443ден на рис. 1.11.
проб различных объемов приве-
〃4
43
проб различных объемов приве-
〃4
43
Другой подход к этому вопросу исследовал де Клерк [59]. Он ввел объем пробы в основное выражение для зависимости эффективности препаративного разделения от параметров колонки с помощью эк- Бивалентного гауссовского & входного пика (ЭГП). ЭГП определяется как， гауссовское распределение концентрации, максимальное значение и площадь которого те же, что и для действительного распределения концентрации образца. Рассуждения при этом таковы. Для вычислений по формуле (1.6) требуется мера величины 加ноли. Поскольку величина о — мера ширины пика, то естественно и выбрать ее в качестве единицы измерения wn0aH. Однако если для гауссовских пиков существуют прямые методы измерения этой величины, то для пиков произвольной формы таких методов нет. Полная ширина хроматографической полосы дается выражением (1.8). В этом выражении величина g3 обусловленная колонкой,
'1 234 56789 10 ш W0'р'1 234 56789 10 ш W0'рРис. 1.11. Количество вещества 1 (тВЫх)ь которое можно получить за один цикл разделения, как функция величины 取= = WQ/p в случае разделения эквимолярной смеси с одинаковой шириной хроматографических пиков, п； =0,0001, П；= =0,01, R=2 [68].Рис. 1.11. Количество вещества 1 (тВЫх)ь которое можно получить за один цикл разделения, как функция величины 取= = WQ/p в случае разделения эквимолярной смеси с одинаковой шириной хроматографических пиков, п； =0,0001, П；= =0,01, R=2 [68].* соответствует отбору фракции в одной точке； —соответствует объему пробы w=l/j/2~ (этот критерий предложил Глюкауф [61], причем ои аналогичен критериям, предложенным Сойером и Пернеллом); максимум на графике соответствует отбору трех фракций.* соответствует отбору фракции в одной точке； —соответствует объему пробы w=l/j/2~ (этот критерий предложил Глюкауф [61], причем ои аналогичен критериям, предложенным Сойером и Пернеллом); максимум на графике соответствует отбору трех фракций.является гауссовской, а величинаявляется гауссовской, а величинао^х — Дисперсия импульса образца в колонке у ее входа — зависит от формы импульса. Отклонение формы пика на выходе из колонки от гауссовской определяется поэтому, во-первых, формой пика на входе и, во-вторых, отношением дисперсии пика на входе к дисперсии, обусловленной колонкой. Это отношение обозначают через F； таким образом,
'1 234 56789 10 ш W0'
р
'1 234 56789 10 ш W0'
р
Рис. 1.11. Количество вещества 1 (тВЫх)ь которое можно получить за один цикл разделения, как функция величины 取= = WQ/p в случае разделения эквимолярной смеси с одинаковой шириной хроматографических пиков, п； =0,0001, П；= =0,01, R=2 [68].
Рис. 1.11. Количество вещества 1 (тВЫх)ь которое можно получить за один цикл разделения, как функция величины 取= = WQ/p в случае разделения эквимолярной смеси с одинаковой шириной хроматографических пиков, п； =0,0001, П；= =0,01, R=2 [68].
* соответствует отбору фракции в одной точке； —соответствует объему пробы w=l/j/2~ (этот критерий предложил Глюкауф [61], причем ои аналогичен критериям, предложенным Сойером и Пернеллом); максимум на графике соответствует отбору трех фракций.
* соответствует отбору фракции в одной точке； —соответствует объему пробы w=l/j/2~ (этот критерий предложил Глюкауф [61], причем ои аналогичен критериям, предложенным Сойером и Пернеллом); максимум на графике соответствует отбору трех фракций.
является гауссовской, а величина
является гауссовской, а величина
Е=Ьвх/%・(L42)
Было показано [60], что если величина 占 находится в интервале 1,00——1,50, то ошибка, связанная с заменой действительного
второго момента входного пика дисперсией эквивалентного гауссовского пика (ЭГП), невелика. Это иллюстрирует рис. 1.12, где приведены действительные кривые распределений. Остается показать, конечно, что выбранные значения величины 自 имеют смысл для препаративной хроматографии. Это было сделано для случая, когда система работает при оптимальных значениях параметров газового потока в колонке. Обзор этих вопросов приведен в разд. IV.
Последний вопрос, который осталось обсудить здесь, связан с концентрацией образца. Хорошо известно [61], что искажения пиков появляются при работе в нелинейной части изотермы распределения и связаны с тем, что различным участкам хроматографической полосы соответствуют различные значения 力.Этот эффект
Рис. 1.12. Сравнение действительных кривых элюирования для прямоугольной пробы (сплошные линии) с кривыми элюирования для эквивалентной гауссовской пробы (пунктирные линии).Рис. 1.12. Сравнение действительных кривых элюирования для прямоугольной пробы (сплошные линии) с кривыми элюирования для эквивалентной гауссовской пробы (пунктирные линии).
Рис. 1.12. Сравнение действительных кривых элюирования для прямоугольной пробы (сплошные линии) с кривыми элюирования для эквивалентной гауссовской пробы (пунктирные линии).
Рис. 1.12. Сравнение действительных кривых элюирования для прямоугольной пробы (сплошные линии) с кривыми элюирования для эквивалентной гауссовской пробы (пунктирные линии).
изучали Сойер и Пернелл [62]. Они нашли, что предельный объем для растворов
-(1.43)
где X — мольная доля растворенного вещества в растворе, /ж// —— относительная длина той части колонки, в которую впрыскивают пробу, рнас ——плотность сложной насадки, wp ——относительный вес той части насадки, которая является растворителем, Мр — молекулярный вес растворителя. Нелинейность может соответствовать значениям X менее 1 мол. %, а линейный участок, как правило, не простирается дальше значений X, равных примерно 10 мол. %. Поскольку величина /ж// определяется ограничениями по объему, связанными со вводом пробы в колонку, а величина X ——нелинейностью, то выражение (1.43) позволяет однозначно определить объем жидкой пробы для ввода в колонку.
ПРОЦЕСС ЭЛЮИРОВАНИЯ
В основе приведенного ниже рассмотрения лежит упрощенная модель, предложенная де Клерком [63]. В этой модели предполагается, что: 1) разделяемая смесь состоит только из двух эквимо-
лярных компонентов, причем один из этих компонентов нужно выделить в чистом виде; 2) применима аппроксимация пика эквивалентным гауссовским пиком; 3) выделяются только двойные фракции; 4) поток газа-носителя в колонке ——ламинарный; 5) не используются ни программирование потока, ни программирование температуры; 6) концентрации разделяемых соединений находятся в области линейного участка изотермы распределения.
Первая задача заключается в том, чтобы получить аналитическое выражение для эффективности препаративного разделения, используя параметры, которые можно контролировать в эксперименте. Такими «практическими» параметрами являются обычно длина колонки и перепад давлений на колонке, поэтому имеет смысл попытаться оставить их в качестве рабочих параметров и по возможности исключить другие путем оптимизации. Для этой цели здесь используется определение эффективности препаративного разделения, данное в разд. I, однако далее будет ясно, что получаемые результаты согласуются со следующим, слегка измененным определением: эффективность препаративной колонки измеряется скоростью (по массе) выхода из нее вещества при заданных чистоте разделенных компонентов, длине колонки и перепаду давлений на ней.
А. ОСНОВНЫЕ УРАВНЕНИЯ В УПРОЩЕННОМ ВИДЕ
/. Вывод уравнения
Массовая скорость выхода («мгновенная» средняя производительность) из колонки компонента 1 (полная масса на единицу массы введенного в колонку образца) дается формулой (1.6)
F —-(恤一a女)"0 /. 44、 %°л!](1 +用)• If)
Эта формула применима также и для описания непрерывного выхода вещества из колонки, если, как это всюду ниже предполагается, образцы вводят в колонку один за другим (рис. 1.13). Теперь нужно переписать эту формулу в переменных, которые имеют практическое значение. В этом смысле наиболее сложными параметрами являются величины mi ——Ami и ^Полн*
Ясно, что наличие величины Ami может быть обусловлено двумя причинами: наложением хроматографической полосы компонента 1 на полосы других компонентов одной и той же пробы и наложением полос двух следующих друг за другом проб. Действительные значения Ami и 侬ноли зависят, конечно, от положения точек отбора фракций, а также от разделительной способности колонки. В общем случае о величинах Ami и ^Полн сказать что-либо трудно, поскольку в зависимости от числа компонентов в разделяемой смеси они могут принимать самые разные значения. Однако при изучении
влияния различных параметров на эффективность препаративной колонки достаточно рассмотреть случай эквимолярной двухкомпонентной смеси. По результатам, полученным для этого случая, можно делать оценки эффективности и для других случаев.
Вопрос о единицах измерения величины 加ноли уже рассматривался в разд. III. По сделанному выше предположению пик образца на входе можно аппроксимировать эквивалентным гауссовским пиком, а формы пиков на выходе близки к гауссовским, и в этом случае существует определенное соотношение между частотой и числом отрезков длины аПолн, укладывающихся между максимумами хроматографических пиков компонентов одной и той же пробы. (Здесь Оцолн — полная дисперсия первого пика на выходе.)
Рис. 1.13. Кривые элюирования для случая повторных вводов двухкомпонентной пробы.Рис. 1.13. Кривые элюирования для случая повторных вводов двухкомпонентной пробы./ — первая точка отбора; 2 — вторая точка отбора； 3 — третья точка отбора./ — первая точка отбора; 2 — вторая точка отбора； 3 — третья точка отбора.
Рис. 1.13. Кривые элюирования для случая повторных вводов двухкомпонентной пробы.
Рис. 1.13. Кривые элюирования для случая повторных вводов двухкомпонентной пробы.
/ — первая точка отбора; 2 — вторая точка отбора； 3 — третья точка отбора.
/ — первая точка отбора; 2 — вторая точка отбора； 3 — третья точка отбора.
Точно так же наложение хроматографических полос разных проб можно описать с помощью расстояния между ними, измеренного в единицах аПОлн- Так, например, в рассматриваемом здесь случае эквимолярной двухкомпонентной смеси расстояние между пиками, равное 4аПолн, означает присутствие в разделенном компоненте около 2% примесей, а расстояние, равное 6аПолн,——0,15% примесей. Ниже всюду предполагается, что периодичность ввода проб в колонку такова, что процент примесей, обусловленных наложением друг на друга пиков разных проб, пренебрежимо мал по сравнению с процентом примесей от наложения пиков, соответствующих одной и той же пробе. Для этого расстояние между хроматографическими полосами двух следующих друг за другом проб выбирается в два раза больше расстояния между соседними пиками одного и того же образца, т. е.
(1.45)(1.45)<^полн==(2^?Ч~^?) 4^полнх= 12/?^п0лн.
(1.45)
(1.45)
Теперь легко найти выражение для mi — Ami：
砌一А/П1 = (；П1 ⑵[l+erf (丿次)]・(1.46)
Массу mi можно связать с дисперсией эквивалентного гауссовского пика. Рассмотрим пробу формы «поршня», расположенную в удлинении колонки с непроницаемой неподвижной фазой:
— (1.47)
где Свх — концентрация компонента массы mi в объеме УВх при давлении на входе в колонку. Из определения ЭГП следует, что
叫Х=■/江％Х,(1.48)
где 侬вх — ширина 《поршня》 пробы в колонке у ее входа. Предполагается,. что продолжительность ввода пробы в колонку настолько мала, что можно пренебречь искажениями формы пика образца, вызываемыми факторами, влияющими на величину ВЭТТ. Если определить пористость как относительный объем ^асти колонки, не заполненной насадкой:
объем неподвижной фазы
полный объем, который можно заполнить насадкой
то выражение для mt можно записать в виде
(1.49)(1.50)(1.49)(1.50)^1(1 + 自)Свх冗Гк£ V^2冗 ^ВХ ,
(1.49)
(1.50)
(1.49)
(1.50)
где「к ——внутренний радиус колонки. Отсюда
—吸£/0x3%叫1+erf (偿R)]
в“х=24/?аполн
Остается выразить аПолн и авх через экспериментально контролируемые параметры. Это можно сделать с помощью критерия разделения, который для эквимолярных пиков имеет вид
D — расстояние между вершинами пиков八 t-1 ч
Общее выражение для R, в котором учитываются дисперсии вдоль оси колонки, можно записать в виде [64]
(а — 1)自叫[dx!u (х)]
R=-p—，(1 .52)
4(1 + 友)f [尸2(*)/&нх] ”(X)а* + Авх
.Lo」
где P(x)——давление в колонке на расстоянии % от ее входа, PBX — давление на входе в колонку,尸вых ——давление на выходе из колонки, р =Рвх/Рвых, а ——относительная летучесть (селективность
3 Зак. № 570
сорбента). Произведя интегрирование в уравнении (1.52) и разрешив его относительно Овх, получаем
(1.53)(1.53)
(1.53)
(1.53)
где величина
В=2 53 — 1)/з〃(р2_1)
представляет собой поправку на давление, связанную с авх, а Н обозначает величину В ЭТТ с учетом этой поправки. В конкретных вычислениях для этих величин используют специальные выражения.
Множитель в квадратных скобках в уравнении (1.53) равен ПРОСТО (Уполн, т. е.
полн— 4R(1 + 例)，BQ缉
где 6——поправка на давление^ определяемая выражением
(1.55)
О
Подставляя (1.53) и (1.54) в (1.50), получаем требуемое выражение ДЛЯ -^вых*
「了而СвхеьМвх ]16(1 +例)2R2"
КНх一[丽一一-必(a_ 1)2 /] X
Х[1+ег{(Г2/?)] = [/д] [Д] [/с].(1.56)
2・ Обсуждение
Анализируя выражение (1.56), можно сделать несколько интересных выводов. Особенно важно то, что можно сравнить роль переменных в данном случае и в случае аналитической колонки, а. Высота, эквивалентная теоретической тарелке (Я). Из выражения (1.56) нетрудно видеть, что в препаративной хроматографии величина Н имеет лишь второстепенное значение в противоположность ее доминирующему значению в аналитической хроматографии. Поэтому теории препаративной хроматографии, принимающие величину ВЭТТ в качестве критерия эффективности, следует рассматривать как несостоятельные.
б. Концентрация (Свх). Поскольку величина ЕвЫх прямо пропорциональна Свх, то следует использовать максимальную концентрацию. В линейной хроматографии этот максимум определяется ли-
нейным участком изотермы распределения. Это не означает, что работать в нелинейной области всегда плохо, так как определенная нелинейность допустима, если при этом получается выигрыш в массе. Действительно, предварительные теоретические исследования показывают, что при этом можно получить значительный выигрыш в эффективности препаративной колонки. Однако полностью этот вопрос еще не выяснен.
в. Коэффициент распределения концентраций (К). Замечания, которые были сделаны по отношению к величине ВЭТТ, относятся также и к величине К. На первый взгляд можно подумать, что увеличение К приведет к увеличению эффективности, поскольку при этом уменьшится ширина «входного импульса» пробы. Однако это увеличение сводится на нет уменьшением скорости потока на выходе из колонки так, что 氢 не зависит от К.
г. Длина колонки (/). Изучение выражения (1.56) показывает, что прежде, чем начать процесс препаративного разделения, нужно найти некоторую критическую длину &р колонки. Это должно соответствовать нулевомуЪбъему вводимой в колонку пробы, и, таким образом, /Кр должна быть равна длине аналитической колонки. Чтобы показать это, достаточно член в скобках выражения (1,56) приравнять нулю и разрешить полученное уравнение относительно I. В результате получим выражение
кркр16〃2〃(1 + 財)2(а — ])?盟16〃2〃(1 + 財)2(а — ])?盟(1.57)(1.57)
кр
кр
16〃2〃(1 + 財)2(а — ])?盟
16〃2〃(1 + 財)2(а — ])?盟
(1.57)
(1.57)
которое представляет собой, по сути дела, выражение для длины аналитической колонки. При увеличении I выще /Кр можно использовать пробы больших объемов, и ЕВых возрастает.
д. Скорость (ивх). Скорость входит в выражение (1.56) как явно, так и неявно (через Я), и влияния ее на эффективность в этих двух случаях противоположны. Это приводит к тому, что существует оптимальное значение скорости для препаративной хроматографии, причем оно выше соответствующего значения скорости для аналитической хроматографии. Это видно из того, что наименьшая критическая длина колонки /Кр. мин получается путем минимизации величины Я. Значение скорости, соответствующее минимуму Я,——типичная оптимальная скорость для аналитической хроматографии. Поэтому для любой I> ZKp. мин существует оптимальная для препаративной хроматографии скорость потока, значение которой тем больше соответствующего значения скорости для аналитической хроматографии, чем больше длина колонки.
е. Объем пробы, вводимой в колонку (Увх). Существование оптимальной скорости дает возможность проверить корректность использования в качестве аппроксимации эквивалентного гауссовского пика. Поскольку оптимальное значение скорости больше того, которое обеспечивает минимум величины ", то для достаточно
длинных колонок величину Н можно аппроксимировать следующим образом:
H=CiIbx,(1.58)
причем полное выражение для Н (неаплроксимированное) было взято в форме ван Деемтера.
В результате величину Евнх можно записать в виде
』第"卜(1.59)
где величина Е^ых не зависит от скорости, а влиянием давления пренебрегают. Выражение (1.59) является хорошей аппроксимаций, поскольку величина Н была выражена через скорость потока на входе в колонку [65]. Оптимальное значение скорости на входе можно теперь найти путем дифференцирования:
一居(* - I)2 /
拠х. от二今4(i + 电*R2c .(1 ・60)
Из (1.60) находим, что
6=嵐/"/)=0,5,(1.61)
т' е. g^0,7. Таким образом, импульс пробы на входе в колонку оказывается уже импульса на выходе из колонки, так что эквивалентный гауссовский пик представляется хорошей аппроксимацией при условии, что скорость потока оптимальна.
Выражение для объема вводимой в колонку пробы получается путем подстановки выражений (1.49) и (1.53) в выражение (1.47):
，匕х』(1+砧到鳳％?鲁『 — 〃/「•(1.62)
Ясно, что для определения величины Увх, кроме оптимальных значений I и 〃вх, требуется еще значение радиуса колонки.
ж. Радиус колонки (гк). Влияние радиуса оценить труднее, поскольку не совсем ясен характер зависимости величины Н от радиуса. Если Н явно зависит от радиуса, то роль радиуса представляется аналогичной роли переменной ивх. Однако в действительности все обстоит сложнее, так как величины ивх и гк связаны друг с другом уравнением для перепада давлений, поэтому рассмотрение вопроса об'оптимизации по радиусу мы отложим до более подробного рассмотрения капиллярных и насадочных колонок.
з. Критерий разделения (7?). Величина R входит во все три сомножителя выражения (1.56). Зависимость fc от R отражает тот факт, что увеличение R приводит к увеличению количества выходящего из колонка вещества и к соответствующему увеличению эффективности. Зависимость % от R показывает, что такое увеличе- нне эффективности достигается ценой увеличения длины колонки
(остальные переменные считаются постоянными). Наличие R в числителе величины Дд просто учитывает увеличение ширины пика образца (и, следовательно, уменьшение величины £Вых) при увеличении 7?. 。
и. Влияние концентрации неподвижной фазы. Влияние на эффективность препаративной колонки концентрации неподвижной фазы проявляется через переменные е, й и Я. Концентрация неподвижной фазы влияет на составляющие величины ВЭТТ, обусловленной как подвижной, так и неподвижной фазами, и это настолько затрудняет дело, что было признано целесообразным оценивать влияние концентрации неподвижной фазы в колонке численными методами. Результаты такой оценки приводятся в специальных работах по расчету капиллярных и насадочных колонок, причем интересным общим результатом является то, что существует оптимальная толщина слоя неподвижной фазы, которая слабо зависит от величины
к. Температура (Т). у Температура явно не входит в выражение (1.56), но сложным образом влияет на величину £Вых через несколько переменных. В настоящее время все еще нет исчерпывающего анализа этого влияния. Представляют интерес, однако, экспериментальные результаты, полученные Розе с сотр. [66]. Они нашли определенную температуру, оптимальную в смысле эффективности препаративного разделения, которая представляется независимой от скорости потока газа-носителя. Розе с сотрудниками объясняет это равновесием между разделением образца (разрешение обычно лучше при более низких температурах, что позволяет использовать образцы в больших количествах) и скоростью элюирования (повышение температуры уменьшает время удерживания).
Приведенная выше общая теория применяется далее к двум основным типам колонок, используемым в хроматографии: капиллярным колонкам и колонкам с зернистой твердой насадкой. Следует объяснить, почему, несмотря на характерную низкую емкость капиллярных колонок, они исследуются довольно подробно. Во-первых, в случае сложных разделений большое преимущество имеет прекрасная разделительная способность капиллярных колонок, а цх невысокая емкость не столь важна. Во-вторых, в таких колонках легче избежать трудностей, связанных с перепадом давлений. В самом деле, было показано [10], что по основным параметрам идеальная препаративная колонка есть нечто среднее между колонкой с зернистой твердой насадкой и капиллярной колонкой, иными словами, идеальной является такая колонка, в которой преимущества капиллярной колонки сочетаются с достаточной емкостью насадочной колонки. Динамика потока в капиллярных колонках и их математическое описание проще по сравнению с насадочными колонками, поэтому обсуждение естественно начать именно с них.
3. Эффективность препаративных капиллярных колонок
Для капиллярных колонок величина ВЭТТ описывается выражением (1.22), а выражение для эффективности разделения можно переписать в виде
£эых
=今国尸&7
(1.63)
где
尸一
大 М 2大Y口 (1 -
0) [l+erf(/2/?)]
(1-64)
48A
и
16(1 + 砧 2 R2
5«1)2 •
(1.65)
Если требуемая чистота разделенных компонентов задана путем фиксации величины R, то основными из оставшихся переменных являются Re,人,Z, р и 0. Эти. переменные связаны друг с другом уравнением Пуазейля
(1.66)(1.66)2 _ ] = — 8aMpLRe
(1.66)
(1.66)
поэтому только четыре из них являются независимыми. (Предполагается, что Рвых фиксировано.) Переменные Re, 9 и rK выбираются так, чтобы максимизировать эффективность, поэтому в качестве независимой переменной можно выбрать I или р. Однако в результате оптимизации по Re и гк получаются одинаковые выражения, поэтому в действительности оптимизация дает лишь две фиксированные переменные, например Re н 8, м незафиксированными остаются две переменные из* набора 人，р, /. Поскольку наиболее удобными являются переменные р и /, их и используют в качестве контролируемых параметров； а величину г« определяют по оптимальным значениям переменных R。и 6 из уравнения Пуазейля.
Оптимизацию по Re осуществить нетрудно, если предположить, что оптимальное значение Re настолько превышает значение Re для аналитической колонки, что Я может быть записано в виде H = CrKRe. При этом
1 8 - 1)2% Ь(1 一8)3 (戌一 1) аНх『川厶 (167) Ае°пт—I 24R2CQ + 岛)2 [丽欣]/( •)
При подстановке (1.67) в выражение для Е^м получаем
где7 一
Сз=О1(а—1)2.
Оптимизация по 0 более сложна, и ее осуществили численным методом. К счастью, оптимальное значение ЕВых не зависит от а, р и Z, но зависит от ^, уменьшаясь и становясь менее критическим при-увеличении К. Это иллюстрирует рис. 1.14.
Радиус, соответствующий оптимальному значению Евых, дается формулой
опт—[ 3 (1 _ 6)3 (р2 _ 1) рвых (1 + й)2 R^C J '1丄2‘丿
Приведенные выше выражения позволяют сделать несколько интересных выводов：
Эффективность препаративной колонки прямо пропорциональна ее длине. Поэтому колонки, которые слишком длинны для последовательного соединения их друг с другом, можно соединять параллельно без потери эффективности.
Величина 七^玄工 также прямо пропорциональна величине (а— 1)2, и путем введения переменной
а日x
можно существенно упростить вид получаемых выражений. .
Сама эффективность практически не зависит от перепада давлений на колонке. Это не означает, что давление не имеет никакого значения. В самом деле, из выражений (1.67) и (1.69) видно, что с помощью, давления можно поддерживать в нужных пределах величины параметров 人 и Re.
Значения величины £工川* были вычислены для различных значений величины К и следующих значений констант:、
vn=0,2, Scn=l, 7?=1,5, vH= 1,0, *5^=1000, р-п=0,0002.
При вычислениях величина 0 (опт.) была положена равной 0,01. Объем пробы на входе в колонку (при давлении 1 атм) был вычислен по выражению (1.62).
Результаты этих вычислений приведены на рис. 1.14——1.17. Для определения параметров колонки сначала подбирают подходящую неподвижную фазу. При этом фиксируется значение К, что в свою очередь позволяет с помощью первого графика выбрать величину 0. Следующий график позволяет определить длину колонки, которая требуется для обеспечения заданной скорости выхода вещества из колонки, а радиус колонки и объем вводимых в колонку образцов определяется соответственно по двум последним графикам. Перепад давлений выбирают так, чтобы обеспечить удобные значения параметров р и VBX.
Оценку величины выхода вещества из колонки находят, полагая Сп = 0,001 г/мл. При а= 1,1 и полной длине колонки 103—105 см
Рис. 1.14. Кривые зависимости эффективности препаративной газохроматической капиллярной незаполненной колонки от величины 6=&川/盛(ламинарное течение потока).
4 см
ю7
3 2 1 о-;2 切 加 加一切 勿 犷
3iu
Рис. 1.15. Зависимость величины Е"вых =Евнх/[Свх (сс—I)?] от длины колонки при различных значениях величины р для незаполненной капиллярной колонки (К=100).,
勿2 103加4加5 we加7 Z, слг -
Рис. 1.17. Зависимости объема пробы 丿вх = Ивх/(сс — I) (при давлении на входе в колонку) от длины препаративной капиллярной колонки при различных значениях величин 9, гк и и , (К=100).
эффективность находится в пределах 1,6——160 г в день. Таким образом, как и ожидалось, капиллярные колонки обеспечивают препаративное разделение в малом масштабе.
Эффективность препаративных насадочных колонок
Анализ эффективности насадочных колонок усложняется наличием неопределенностей в выражении для величины ВЭТТ, это следует принимать во внимание при рассмотрении представленных ниже численных результатов.
Для высоты, эквивалентной теоретической тарелке, принято выражение-
Н=А -|- (5//?^нас) -|-С/?^нас,(1.70)
где
Д =5б/Нас >
3=需■(匸7)"нае'
Т = 0,6,
С=Сп+Ск,
&=0,25(1£р 唸с "нас 部 SCh 卫卢，Ск=С；汽，
AХ(吋)
Для члена Ск принято эмпирическое выражение 0；尸设,в котором у ——согласующий параметр. Коэффициент Cj зависит по крайней мере от duac и Renae (через DR), но из-за наличия неопределенностей этот коэффициент аппроксимируют постоянной. Подходящим представляется значение Ск=0,01, которое и используют в вычислениях.
Выражение для эффективности препаративного разделения имеет вид• •
£皿=* =尸8@阪(1 一芈『\0-71)
где
戶 兀 У1^(1 — £)% [1 + erf (/2)?)]
1=24*с.
И
с 16(1 +々)2^2
5=依(二 1)2•
Приближенное выражение для е, в которое входит 0Нас, было получено в предположении, что в среднем каждая сферическая частица насадки имеет три точки контакта с соседними частицами и что в этих точках между частицами нет жидкой фазы. Если еще предположить, что частицы насадки непроницаемые, то получиме=e。一(1 - s0) [(1 +29нас)3 - 1]+6脸e (1 一包)(3+48睜)，где ео = О,4 — относительный объем, Занятый частицами насадки, не покрытыми жидкой фазой. В соответствии с этим выражением закупорка колонки наступает при 6нас = 0,2, что представляется правдоподобным. В случае абсолютно пористых частиц насадки величина е первоначально не зависит от 0Нас； зависимость же е от неподвижной фазы теоретически описать очень трудно. В данном обсуждении адекватной считается модель с непроницаемыми Частицами насадки.Газовый поток в колонке должен быть таким, чтобы удовлетворять уравнению для перепада давлений. Предполагается, что поток ламинарный, поэтому хорошей аппроксимацией является уравнение Блейка——Козени [67] с поправкой на сжимаемость газа:Приближенное выражение для е, в которое входит 0Нас, было получено в предположении, что в среднем каждая сферическая частица насадки имеет три точки контакта с соседними частицами и что в этих точках между частицами нет жидкой фазы. Если еще предположить, что частицы насадки непроницаемые, то получиме=e。一(1 - s0) [(1 +29нас)3 - 1]+6脸e (1 一包)(3+48睜)，где ео = О,4 — относительный объем, Занятый частицами насадки, не покрытыми жидкой фазой. В соответствии с этим выражением закупорка колонки наступает при 6нас = 0,2, что представляется правдоподобным. В случае абсолютно пористых частиц насадки величина е первоначально не зависит от 0Нас； зависимость же е от неподвижной фазы теоретически описать очень трудно. В данном обсуждении адекватной считается модель с непроницаемыми Частицами насадки.Газовый поток в колонке должен быть таким, чтобы удовлетворять уравнению для перепада давлений. Предполагается, что поток ламинарный, поэтому хорошей аппроксимацией является уравнение Блейка——Козени [67] с поправкой на сжимаемость газа:/==0长6皿,/==0长6皿,(1.72)(1.72)гдегде(р2 - 1) Рвых4се3300pgn(l _£)з~ •Если пренебречь поправками на давление в выражении для ве-(р2 - 1) Рвых4се3300pgn(l _£)з~ •Если пренебречь поправками на давление в выражении для ве-личины ВЭТТ, то величина Е^ых от давления.При этом, решая уравнения/ 鸿Ых、личины ВЭТТ, то величина Е^ых от давления.При этом, решая уравнения/ 鸿Ых、в форме (1.56) не будет зависетьв форме (1.56) не будет зависеть°“"нас 丿厶 ％，"на— ^нас，У°“"нас 丿厶 ％，"на— ^нас，У=0=0(1.73)(1.73)ИИ唱=0"к 〃‘ "нас，"нас，®нас* У唱=0"к 〃‘ "нас，"нас，®нас* У(1.74)(1.74)нетрудно найти оптимальные скорость потока и радиус колонки:нетрудно найти оптимальные скорость потока и радиус колонки:К«нас. оптК«нас. опт2(/- 61Л)2(/- 61Л)「к. опт「к. опт3QC2cH \1/у3QC2cH \1/у(1.73а)(1.73а)Ск (У — 2)Ск (У — 2)(1.74а)(1.74а)
Приближенное выражение для е, в которое входит 0Нас, было получено в предположении, что в среднем каждая сферическая частица насадки имеет три точки контакта с соседними частицами и что в этих точках между частицами нет жидкой фазы. Если еще предположить, что частицы насадки непроницаемые, то получим
е=e。一(1 - s0) [(1 +29нас)3 - 1]+6脸e (1 一包)(3+48睜)，
где ео = О,4 — относительный объем, Занятый частицами насадки, не покрытыми жидкой фазой. В соответствии с этим выражением закупорка колонки наступает при 6нас = 0,2, что представляется правдоподобным. В случае абсолютно пористых частиц насадки величина е первоначально не зависит от 0Нас； зависимость же е от неподвижной фазы теоретически описать очень трудно. В данном обсуждении адекватной считается модель с непроницаемыми Частицами насадки.
Газовый поток в колонке должен быть таким, чтобы удовлетворять уравнению для перепада давлений. Предполагается, что поток ламинарный, поэтому хорошей аппроксимацией является уравнение Блейка——Козени [67] с поправкой на сжимаемость газа:
Приближенное выражение для е, в которое входит 0Нас, было получено в предположении, что в среднем каждая сферическая частица насадки имеет три точки контакта с соседними частицами и что в этих точках между частицами нет жидкой фазы. Если еще предположить, что частицы насадки непроницаемые, то получим
е=e。一(1 - s0) [(1 +29нас)3 - 1]+6脸e (1 一包)(3+48睜)，
где ео = О,4 — относительный объем, Занятый частицами насадки, не покрытыми жидкой фазой. В соответствии с этим выражением закупорка колонки наступает при 6нас = 0,2, что представляется правдоподобным. В случае абсолютно пористых частиц насадки величина е первоначально не зависит от 0Нас； зависимость же е от неподвижной фазы теоретически описать очень трудно. В данном обсуждении адекватной считается модель с непроницаемыми Частицами насадки.
Газовый поток в колонке должен быть таким, чтобы удовлетворять уравнению для перепада давлений. Предполагается, что поток ламинарный, поэтому хорошей аппроксимацией является уравнение Блейка——Козени [67] с поправкой на сжимаемость газа:
/==0长6皿,
/==0长6皿,
(1.72)
(1.72)
где
где
(р2 - 1) Рвых4се3300pgn(l _£)з~ •
Если пренебречь поправками на давление в выражении для ве-
(р2 - 1) Рвых4се3300pgn(l _£)з~ •
Если пренебречь поправками на давление в выражении для ве-
личины ВЭТТ, то величина Е^ых от давления.
При этом, решая уравнения
/ 鸿Ых、
личины ВЭТТ, то величина Е^ых от давления.
При этом, решая уравнения
/ 鸿Ых、
в форме (1.56) не будет зависеть
в форме (1.56) не будет зависеть
°“"нас 丿厶 ％，"на— ^нас，У
°“"нас 丿厶 ％，"на— ^нас，У
=0
=0
(1.73)
(1.73)
И
И
唱=0
"к 〃‘ "нас，"нас，®нас* У
唱=0
"к 〃‘ "нас，"нас，®нас* У
(1.74)
(1.74)
нетрудно найти оптимальные скорость потока и радиус колонки:
нетрудно найти оптимальные скорость потока и радиус колонки:
К«нас. опт
К«нас. опт
2(/- 61Л)
2(/- 61Л)
「к. опт
「к. опт
3QC
2cH \1/у
3QC
2cH \1/у
(1.73а)
(1.73а)
Ск (У — 2)
Ск (У — 2)
(1.74а)
(1.74а)
Здесь важно отметить, что одновременно максимумы по /?енас и г^ могут и не достигаться, как, например, при yW2 в только что
рассмотренном случае . При вычислениях оказалось целесообразным подставить в выражение (1.72) величину /, определенную из уравнения (1.71). Последующая оптимизация по Re^ac при постоянном давлении дает
К^нас. оптК^нас. опт.3/ I / 9Л2前■十(飞原.3/ I / 9Л2前■十(飞原(1.75)(1.75)
К^нас. опт
К^нас. опт
.3/ I / 9Л2
前■十(飞原
.3/ I / 9Л2
前■十(飞原
(1.75)
(1.75)
Рис. 1.18. Зависимость величины Евнх (в условных единицах) от величины @нас=]на"к при использовании непористого носителя.Рис. 1.18. Зависимость величины Евнх (в условных единицах) от величины @нас=]на"к при использовании непористого носителя.
Рис. 1.18. Зависимость величины Евнх (в условных единицах) от величины @нас=]на"к при использовании непористого носителя.
Рис. 1.18. Зависимость величины Евнх (в условных единицах) от величины @нас=]на"к при использовании непористого носителя.
Из (1.75) можно найти величину давления
.(1.76).(1.76)Z + (Z2 + 4)'/
.(1.76)
.(1.76)
2
и
вых нас 5= зооонлп(1 — &
Зависимость ЕВых от 0Нас первоначально исследовали численными методами. Полученные при этом результаты представлены на рис. 1.18. Видно, что при увеличении бнас величина Евых сначала растет, затем достигает максимума и после этого должна уменьшаться и проходить через нуль, когда колонка закупоривается. В этих вычислениях использовали значение 0Нас, равное 0,01, затем при данном значении ReUac по выражению (1.76) вычислили ве-
личину р, по которой в свою очередь с помощью выражения (1.72) была вычислена величина /. Полученные таким образом значения соответствуют оптимальной скорости потока в колонке. Результаты вычислений представлены на рис. 1.19. Для того чтобы оценить действительный выход вещества из колонки (предполагается, что выполнены все введенные выше предположения), рассмотрим случай выделения компонента из двухкомпонентной смеси, для которой а = 1,1, а концентрация компонента в ней равна 0,001 г/мл. По по-
лученным выше уравнениям находим, что для колонки длиной 420 см с насадкой из шариков диаметром 0,01 см, при давлении на входе в колонку, равном 32 атм, и при последовательном вводе
проб объемом 108 мл (〜3 мл жидкости) производительность равна примерно 250 г в день. Такой малой производительности следовало ожидать, поскольку диаметр колонки был равен 1,0 см.
С увеличением rfHac эффективность колонки уменьшается, но при этом уменьшается и необходимый перепад давлений на ней, поэтому диаметр частиц насадки является важным параметром, определяющим связь между эффективностью и перепадом давлений на колонке. Перепад давлений зачастую является ограничивающим
ииРис. 1.19. Зависимость величин Е'вых, р,， =(dmac 〃/vn)[e/(l — 8)] для оптимизированной лонки.Рис. 1.19. Зависимость величин Е'вых, р,， =(dmac 〃/vn)[e/(l — 8)] для оптимизированной лонки.величины Пенасвеличины Пенаспрепаративной насадочной ко-препаративной насадочной ко-
и
и
Рис. 1.19. Зависимость величин Е'вых, р,， =(dmac 〃/vn)[e/(l — 8)] для оптимизированной лонки.
Рис. 1.19. Зависимость величин Е'вых, р,， =(dmac 〃/vn)[e/(l — 8)] для оптимизированной лонки.
величины Пенас
величины Пенас
препаративной насадочной ко-
препаративной насадочной ко-
фактором в практической работе с препаративными насадочными колонками, и приведенные результаты ясно показывают, что желательно искать такие материалы насадки, которые давали бы ту же эффективность, что и частицы, но оказывали бы меныйее солротив- ление потоку, например пеноматериалы или пористые пластины.
V. МОДИФИКАЦИИ УПРОЩЕННОЙ ТЕОРИИ
В данном разделе делается попытка избавиться от упрощающих предположений, которые лежали в основе изложенной выше теории. ,
МНОГОКОМПОНЕНТНЫЕ СМЕСИ
Наличие в смеси более чем двух компонентов всегда вызывает ^увеличение полной ширины хроматограммы, а следовательно, и уменьшение эффективности препаративного разделения. Если за-
дача заключается в выделении единственного компонента, то остаются те же оптимальные условия, что и в предыдущем случае (двухкомпонентной смеси), поскольку эти условия определяются ближайшим к данному соседним компонентом. Единственным основным отличием здесь является периодичность ввода.образцов в колонку. Однако область значений ^-компонента может стать настолько большой, что потребуется программирование температуры и газового потока. Теоретических исследований, касающихся эффективности препаративного разделения, в этих случаях не проводили. '
Б. НЕЭКВИМОЛЯРНЫЕ ПИКИ
Влияние неэквимолярных пиков удобно изучать по увеличению значения величины R, требуемого для поддержания заданной чистоты разделенных соединений. Соответствующего анализа, подобного анализу, проведенному в разд. IV, сделано еще не было, однако имеется графический метод, развитый Сэдом [68], который можно с успехом применить для этих целей.
МЕТОД ОТБОРА ТРЕХ ФРАКЦИЙ
Метод трех фракций является естественным расширением метода отбора двух фракций. Рассмотрим колонку для разделения двухкомпонентной смеси, работающую в оптимальном режиме. Ясно, что эффективность разделения можно увеличить, увеличивая объем вводимой пробы и одновременно устанавливая вместо одной две точки отбора фракций, чтобы обеспечить требуемую чистоту разделенных компонентов. При этом объем пробы проходит через оптимальное значение. Этот вопрос был подробно изучен Гордоном [69—73]; рис. 1.20 построен по полученным им данным. На этом рисунке показано увеличение эффективности, ожидаемое при использовании метода отбора трех фракций. Видно, что при высокой чистоте разделенных компонентов выигрыш в эффективности может быть большим, а при низкой чистоте — малым. Вопрос о том, будет ли такое увеличение эффективности оправданным ввиду дополнительных финансовых затрат на более сложное устройство для отбора фракций, а также для рециркуляции или удаления промежуточных фракций, требует специального рассмотрения в каждом отдельном случае.
Работа Гордона важна сама по себе, поскольку она представляет собой первый систематический анализ эффективности процесса препаративного разделения. Кроме того, результаты этой работы имеют вид, который позволяет непосредственно сравнивать их с результатами рассмотрения преггаративной хроматографии с помощью фронтального анализа [74]; имеет смысл поэтому привести здесь некоторые из основных результатов этой работы.
Первой задачей в исследований Гордона было найти выражение Для эффективности препаративного разделения при оптимальном объеме 取вводимой в колонку пробы:
旦叫(场黑)==」哼巫 1 - —ф° ,(1.77)
где
.『*=」36/册/例，
а г]^ ——доля примесей в даннома г]^ ——доля примесей в данномРис. L20. Значения отношения эффективностей, которые можно ожидать при отборе одной или двух фракций в зависимости от П1 (эквимолярная смесь,外【一 степень загрязненности первого компонента, обусловленная наложением хроматографических полос).Рис. L20. Значения отношения эффективностей, которые можно ожидать при отборе одной или двух фракций в зависимости от П1 (эквимолярная смесь,外【一 степень загрязненности первого компонента, обусловленная наложением хроматографических полос).компоненте.
а г]^ ——доля примесей в данном
а г]^ ——доля примесей в данном
Рис. L20. Значения отношения эффективностей, которые можно ожидать при отборе одной или двух фракций в зависимости от П1 (эквимолярная смесь,外【一 степень загрязненности первого компонента, обусловленная наложением хроматографических полос).
Рис. L20. Значения отношения эффективностей, которые можно ожидать при отборе одной или двух фракций в зависимости от П1 (эквимолярная смесь,外【一 степень загрязненности первого компонента, обусловленная наложением хроматографических полос).
Поражает сходство этого выражения с соответствующим выражением для упрощенной модели. Следует отметить, однако, что критерий разделения R~ в выражении (1.77) соответствует бесконечно малому объему пробы и этим отличается от величины R, определяемой выражением (1.1). Роль переменных, входящих в выражение (1.77), была изучена в следующих работах: 1) скорость потока в работе [70]; 2) диаметр колонки — [71]; 3) длина колонки и диаметр частиц насадки — [72]; 4) насадка и слой неподвижной жидкой фазы―[73].
В выражении для величины ВЭТТ, использованном в этих исследованиях, учитываются переходные эффекты, введенные Гиддинг- сом:
"=А+А，+8/〃вхРвх+(СдРвх+&)卫вх(L78)
ПрИ ①вх^^ (Wbx) тр И
А +3%хАх+ (CgAx+& + Cdd^ 曝
При 〃вх 久(〃вх)тр ,
где (〃вх)тр определяется как значение скорости, при котором два трансколоночных члена равны друг другу Ай1 = С^иъ^Р^
При оптимизации с использованием этих выражений появляются некоторые тонкости, значение которых трудно оценить на дан-
ном этапе из-за неопределенностей в величине трансколоночных вкладов. В данном обзоре на эти менее важные причины внимание не обращается* а рассматривается лишь общее влияние различных переменных.
' 1. Скорость газового потока
Общий вывод состоит в том, что при увеличении скорости потока газа в колонке эффективность препаративного разделения возрастает и в конце концов достигает максимума; причем значение скорости, соответствующее этому максимуму, является предельным значением, при котором еще может быть достигнута требуемая степень разделения. Существует и теоретическое значение оптимальной (в смысле максимума эффективности) скорости, но оно выше, чем первое. Этот результат отличается от того, который соответствует упрощенной модели с одной точкой отбора фракций, и объясняется, возможно, тем, что в методе трех фракций действительная длина колонки больше, а поэтому больше и оптимальное значение скорости газового потока.
* 2. Диаметр колонки
Роль диаметра колонки тесно связана с используемым выражением для величины ВЭТТ, что отражается и на результатах, полученных в данном исследовании. Показано, что при значении скорости потока газа в колонке, равном предельному значению, и при достаточно больших значениях а эффективность препаративного разделения линейно возрастает относительно квадрата диаметра колонки, тогда как при малых значениях а с увеличением диаметра эффективность достигает некоторого предельного значения. Это предельное значение соответствует hK = Cr^uf причем в этом случае диаметр колонки математически играет ту же роль, что и скорость потока. В случае больших значений а величина Н не зависит от г^ и поэтому результат очевиден.
Длина колонки
Было обнаружено, что при оптимальной скорости потока газа в колонке эффективность растет почти линейно с увеличением длины колонки. Это согласуется с результатами для упрощенной модели. Однако при увеличении длины колонки преходится все время увеличивать перепад давлений на ней, чтобы поддерживать требуемую скорость газового потока, и в этом случае увеличение эффективности ограничено практически максимально достижимым давлением. Можно, конечно, увеличивать диаметр частиц насадки, но это вновь приведет к потере эффективности.
Насадка и толщина слоя неподвижной жидкой фазы
Эти факторы изучал Гордон, и за подробностями читателю следует обратиться к работе [73]. В общих чертах было найдено, что следует использовать максимальное количество жидкости, которое может удерживаться на данном носителе; этот результат также согласуется с выводами, полученными при рассмотрении упрощенной модели. '
Г. ТУРБУЛЕНТНОЕ ТЕЧЕНИЕ
Этот вопрос не был исследован подробно, однако предварительное рассмотрение [10] показало, что турбулентное течение, по всей видимости, не дает существенных преимуществ, за исключением того, что при той же самой скорости потока вклад подвижной жидкой фазы в выражение для величины ВЭТТ меньше, чем в случае ламинарного течения. Помимо этого, существует большое число практических трудностей, а именно: чрезмерно длинные колонки, высокие давления на входе в колонку и отслаивание неподвижной фазы при высоких скоростях потока.
Д. НЕЛИНЕЙНОСТЬ
Рассмотрим препаративную колонку, работающую в условиях, оптимальных в смысле упрощенной модели. В этих условиях производительность колонки можно сделать еще больше, увеличив концентрацию вводимого в нее образца. Однако, когда значение концентрации достигает области, соответствующей нелинейному участку изотермы распределения, хроматографические пики становятся скошенными и для сохранения чистоты разделенных компонентов приходится увеличивать длину колонки. Вопрос при этом заключается в том, можно ли с выгодой использовать эту дополнительную длину колонки путем увеличения скорости потока и объема вводимой в колонку пробьт? Ответа на этот вопрос в общем случае еще не получено.
ТЕПЛОВЫЕ ЭФФЕКТЫ
В упрощенной модели предполагалось, что колонка работает в изотермическом режиме. Однако на практике это предположение не выполняется из-за совместного действия тепла, выделяющегося при растворении проб больших размеров, и ограниченной скорости теплопередачи через колонки большого диаметра. Температурные эффекты, связанные с прохождением растворенного вещества через теоретическую тарелку, изучены Скоттом [75]. Он обнаружил, что избыточное образование тепла возрастает с увеличением 1) скорости потока газа в колонке, 2) объема пробы и 3) с уменьшением
значений k. Важность первых двух факторов для препаративной хроматографии очевидна, а экспериментальные результаты, полученные Розе с сотр. [66], показывают, что эти эффекты оказывают вредное действие на работу колонки и что параметры, определяющие теплопередачу в препаративной колонке, могут иметь решающее значение при ее конструировании. Влияние тепловых эффектов на форму хроматографических пиков аналогично влиянию эффектов, связанных с нелинейностью, поскольку образование тепла при высоких концентрациях приводит к увеличению крутизны фронтов хроматографических пиков из-за ускорения движения хроматографических полос, имеющих более высокую локальную температуру.
(1.79)(1.79)При использовании программирования температуры важна также и разность температур между центром и стенкой колонки, которая зависит от сопротивления теплопередаче. Гиддингс [77] исследовал этот фактор и заключил, что его влияние можно описать с помощью введения дополнительного члена в выражение для величины ВЭТТ:
(1.79)
(1.79)
I 人丿一14,400尼20M
где В —скорость нагревания, а 〜0,004.
ФРОНТАЛЬНЫЙ АНАЛИЗ
Метод фронтального анализа в препаративной хроматографии отличается от метода элюирования тем, что в.первом колонка настолько перегружена, что на выходе из колонки отдельные хроматографические пики неразличимы; поэтому выделение самого первого из компонентов, выходящих из колонки, можно осуществить только по выходе передней части пика, тогда как в методе элюирования такое выделение возможно также и во время выхода тыловой части пика.
Чтобы избежать недоразумений, следует отметить, что пики с плоскими вершинами, характерные для фронтального анализа, можно получать двумя различными способами: с помощью одноступенчатого и двухступенчатого способов ввода пробы. Схематически эти способы показаны на рис. 1.21.
В соответствии со строгим определением фронтального анализа пробы непрерывно вводят в колонку до тех пор, пока не будет достигнута точка излома (рис. 1.21,8), после чего, прежде чем вводить следующую пробу, содержимое колонки полностью выдувают из нее. Использование этого метода в препаративной хроматографии подробно исследовал Кридж [78]; в ряде работ он провел сравнение своих результатов с результатами Гордона по методу
4 Зак. № 570
элюирования. Эффективность препаративного разделения во фронтальном анализе имеет вид
Е=Е=(步 вых)1 々X + £р(步 вых)1 々X + £р(1.80)(1.80)
Е=
Е=
(步 вых)1 々X + £р
(步 вых)1 々X + £р
(1.80)
(1.80)
степенью точности： записать с помощью соответствующего выражестепенью точности： записать с помощью соответствующего выражеРис. 1.21. Сравнение различных вариантов хроматографии, используемых в препаративных целях.Рис. 1.21. Сравнение различных вариантов хроматографии, используемых в препаративных целях.а — элюентный, 6 — фронтальный (двухступенча-тый); в — фронтальный (одноступенчатый).а — элюентный, 6 — фронтальный (двухступенча-тый); в — фронтальный (одноступенчатый).
степенью точности： записать с помощью соответствующего выраже
степенью точности： записать с помощью соответствующего выраже
Рис. 1.21. Сравнение различных вариантов хроматографии, используемых в препаративных целях.
Рис. 1.21. Сравнение различных вариантов хроматографии, используемых в препаративных целях.
а — элюентный, 6 — фронтальный (двухступенча-тый); в — фронтальный (одноступенчатый).
а — элюентный, 6 — фронтальный (двухступенча-тый); в — фронтальный (одноступенчатый).
где через % обозначено время, требующееся на выдувание из колонки сорбированных в ней веществ. Параметр /вх —время, в тече
ние которого разделяемую смесь непрерывно вводят в колонку. В случае разбавленного раствора величину (1.80) можно с хорошей
ния Гордона для метода элюирования при оптимальном объеме пробы [выражение (1.77)]:
E^\Vb~Va If(UZL).
Vb
(1・81)
To, что выражения (1.77) и (1.81) функционально аналогичны друг другу, позволяет ожидать практически
одинаковые оптимальные рабочие условия для обоих методов, что и имеет место на самом деле. Что касается производительности колонки,
то из всех выражений ясно, что в случае разбавленных образцов при последовательном их вводе можно получить большую эффективность разделения, чем ПРИ фронтальном анализе. Преимущество метода элюирования становится еще более очевидным при увеличении разности между удерживаемыми объемами разделяемых компонентов. Но не
исключена возможность того, что в некоторых случаях, когда используются образцы высокой концентрации, ситуация может быть противоположной, поскольку фронтальный анализ, как правило, менее чувствителен к нелинейным эффектам. Однако теоретические рассуждения в таких случаях становятся запутанными и сравнение обоих методов осуществить нелегко. Читатель, интересующийся явлениями, которые связаны с фронтальным анализом в препаративной хроматографии для образцов высоких концентраций, может обратиться к оригинальным работам Криджа [79].
Очевидным ограничением метода фронтального анализа с использованием одноступенчатого способа ввода пробы является то, что только самый первый из выходящих из колонки компонентов
может быть выделен в листом в^де. Естественным способом преодоления этой трудности представляется последовательное использование двухступенчатого способа ввода образцов (рис. 1.21,6); при этом чистота самого первого и самого последнего из выходящих из колонки компонентов обеспечивается отбором фракций в точках начала и конца хроматограммы. Соответствующие методы были развиты Рейли и сотрудниками, однако связь этих методов с методами элюирования (с помощью подходящим образом введенного понятия эффективности-) установлена не была. В свете результатов Криджа по применению одноступенчатого способа ввода проб не представляется вероятным, чтобы эти методы могли конкурировать с методом элюирования по крайней мере в случае разбавленных проб.
выводы
Основная задача препаративной хроматографии ——поднять производительность аналитических методов до желаемого уровня, и можно считать, что рассмотренные выше теоретические исследования показали ——хотя и в полуколичественном смысле — роль основных параметров, влияющих на этот процесс. Было показано, что при увеличении производительности колонки путем увеличения значений одного или нескольких параметров, например диаметра колонки, скорости потока и объема вводимого в колонку образца, всегда требуется увеличить длину колонки. Было показано, в частности, существование оптимума, связанного с одновременным увеличением скорости потока газа в колонке и объема вводимой в колонку пробы. При увеличении длины колонки и скорости потока газа в ней требуется увеличивать перепад давлений на колонке, причем на практике, возможно, удается найти удобный компромисс между длиной колонки и перепадом давлений на ней с помощью выбора подходящего диаметра частиц насадки (для насадочных колонок). Обычные капиллярные колонки, характеризующиеся малой емкостью, будут, по-видимому использоваться в препаративной хроматографии лишь для сложных разделений дорогих веществ. Следует, однако, ожидать, что будут созданы，материалы насадки нового типа, которые позволят объединить высокую проницаемость капиллярных колонок с высокой емкостью колонок с зернистой твердой насадкой. В этой связи особенно многообещающими представляются насадки из твердых'пеноматериалов ввиду их относительной дешевизны и возможности точного контроля их пористо' сти. Такие насадки значительно помогли бы преодолеть трудности, связанные с увеличением диаметра колонок. Но даже и теперь с этими трудностями можно эффективно бороться, применяя радиальные смесители. Благодаря этому оптимальные диаметры колонок будут, возможно, определять, исходя из соотношения между капитальными и эксплуатационными затратами.
В заключение следует подчеркнуть, что описанные выше результаты были получены на. основе упрощенного критерия — производительности колонки. На практике же производительность —— это один из параметров, хотя и немаловажный, определяющих конструкцию промышленной установки. Следует ожидать, что на практике критерием будет рентабельность при данной производительности, зависящей от степени спроса. Важно понять, кроме того, что Для полной оптимизации необходимо учитывать вспомогательное оборудование, и в особенности блок для очистки газа-носителя. Исходя из этого можно ожидать, что в будущей прикладной теории препаративной хроматографии существенное значение будет иметь теория исследования операций.
Однако многое остается сделать и в области фундаментальной теории, особенно в термодинамическом ее аспекте, который определяет выбор фаз, нелинейные и тепловые эффекты и многокомпонентные разделения; без полного понимания роли всех этих факторов невозможно до конца оценить потенциальные возможности препаративной хроматографии.
ОБОЗНАЧЕНИЯ
Л параметр [уравнение (1.5)]
Л1 площадь поперечного сечения колонки
4 параметр [уравнение (1.78)] а относительная летучесть «изг параметр [уравнение (1.38)] ат параметр [уравнение (1.37)] В параметр [уравнение (1.5)] В скорость нагревания [уравнение (1.5)] С параметр [уравнение (1.5)]
Сп вклад подвижной фазы в величину С
Сн вклад неподвижной фазы в величину С С(х) концентрация в точке х
Свх концентрация на входе в колонку
% концентрация /~го компонента в подвижной фазе
Сн； концентрация /-го компонента в неподвижной фазе
Cg параметр [уравнение (1.78)]
Q параметр [уравнение (1.78)]
■Ом коэффициент молекулярной диффузии
Dr коэффициент радиальной дисперсии
D], Dr, исключая DM
£>н коэффициент молекулярной диффузии в неподвижной фазе
,^эфф эффективный коэффициент продольной диффу
зии (коэффициент осевой дисперсии)
&к
&нас E
коэффициент продольной дисперсии, связанной со случайными переходами молекул между областями с разными значениями скорости газового потока (член, описывающий сопротивление массопередаче)
внутренний диаметр колонки
толщина слоя неподвижной жидкой фазы
£（%）
X 6 ы
е0喈
диаметр частиц насадки .
массовая скорость выхода i-го компонента во фронтальном анализе
массовая скорость выхода i-ro компонента в проявительной хроматографии при оптимальном объеме пробы (эквивалентный пик) в методе трех фракций
массовая скорость выхода i-ro компонента при элюировании в методе двух фракций
'Евнх Евнх
относительный мертвый объем колонки
относительный объем частиц насадки, не по* крытых слоем жидкой фазы
доля примесей в i-м компоненте при элюиро*
вании
параметр параметр параметрпараметр параметр параметруравнение (1.33)]уравнение (1.33)]параметрпараметр/(\/\ /|\ /|\ /|\ /|\/(\/\ /|\ /|\ /|\ /|\
параметр параметр параметр
параметр параметр параметр
уравнение (1.33)]
уравнение (1.33)]
параметр
параметр
/(\/\ /|\ /|\ /|\ /|\
/(\/\ /|\ /|\ /|\ /|\
эквивалентная доля примеси, обусловленная наложением хроматографических полос разных проб
эквивалентная доля примесей, обусловленная наложением хроматографических полос одной и той же пробы
уравнение (1.64)] уравнение (1.36)] уравнение (1.65)]
фактор лабиринта (извилистости)
высота, эквивалентная теоретической тарелке
(ВЭТТ)
локальная величина ВЭТТ
вклад подвижной фазы' в локальную величину ВЭТТ
вклад неподвижной фазы в локальную величину ВЭТТ
вклад в величину ВЭТТ, обусловленный тепловыми флуктуациями
вклад в величину ВЭТТ, обусловленный изги
бом КОЛОНКИV
вклад в величину ВЭТТ, обусловленный про
граммированием температуры
Л力и力нК = Сн1Сп К/ = &н/Cjnk = /Пн/ 优 и 左(г)а IЛ力и力нК = Сн1Сп К/ = &н/Cjnk = /Пн/ 优 и 左(г)а I^кр. минл(/72вых) 1Мр Мер mm； mHj mnj Am；^кр. минл(/72вых) 1Мр Мер mm； mHj mnj Am；*VnVHPBX P выхRRi*VnVHPBX P выхRRi
Л
力и
力н
К = Сн1Сп К/ = &н/Cjn
k = /Пн/ 优 и 左(г)
а I
Л
力и
力н
К = Сн1Сп К/ = &н/Cjn
k = /Пн/ 优 и 左(г)
а I
^кр. мин
л
(/72вых) 1
Мр Мер m
m； mHj mnj Am；
^кр. мин
л
(/72вых) 1
Мр Мер m
m； mHj mnj Am；
*Vn
VH
PBX P вых
R
Ri
*Vn
VH
PBX P вых
R
Ri
приведенная величина ВЭТТ. Для капиллярных колонок h = H/rKf для насадочных колонок Л = ЯМк
приведенная величина ВЭТТ для подвижной фазы
приведенная величина ВЭТТ для неподвижной фазы
коэффициент распределения концентрации коэффициент распределения, концентрации /-го компонента
коэффициент распределения массы
локальное значение k на расстоянии г от оси колонки
параметр [уравнение (1.37)]
длина колонки
длина колонки, необходимая для разделения пробы бесконечно малого объема (критическая длина)
минимальное значение /кр
относительная длина той части колонки, в которую впрыскивают пробу вероятностный множитель
количество вещества, выделяемого за один цикл во фронтальном анализе молекулярный вес растворителя
средний молекулярный вес образца параметр [уравнение (1.34)] полная масса /-го компонента в образце масса /-го компонента в неподвижной фазе масса /-го компонента в подвижной фазе масса /-го компонента, потерянная при отборе фракций вязкость
вязкость подвижной фазы
кинематическая вязкость подвижной фазы кинематическая вязкость неподвижной фазы давление на входе в колонку давление на выходе из колонки
Р = Рвх1 Рвых
критерий разделения (R = A%/4o)
критерий разделения для пробы бесконечно малого объема
радиальная координата (расстояние от оси колонки по радиусу)
внутренний радиус колонки
число Рейнольдса для капиллярной колонки
RenaeRenaedpu е" 1--ёdpu е" 1--ёчисло Рейнольдса для насадочной колонки
Renae
Renae
dpu е
" 1--ё
dpu е
" 1--ё
Ro радиус изгиба колонки р = duac/dx рср средняя плотность образца рнас плотность сложной насадки Sc = v/D число Шмидта
а2 второй момент (дисперсия) распределения концентрации
啤х дисперсия внутри колонки у ее входа полная
ПОЛЯК ВХ
<у2 дисперсия, обусловленная расширением зоны к в колонке
а2 полная дисперсия в колонке у ее выхода / время
/ле еход длительность переходного периода, необходимого для того, чтобы эффективная осевая дисперсия могла быть использована в качестве описывающего параметра
Af эффективное время случайного перехода 0 =%к/Гк
АТ разность температур на оси и у стенки колонки _ (1・37)I время удерживания фронта вещества при фронтальном анализе4х время, в течение которого смесь непрерывно вводится в колонку尸 11P время, затраченное на выдувание струей газа- носителя веществ, сорбированных в колонке, при фронтальном анализе (отсчитывается' с момента начала продувки)«вых линейная скорость потока газа-носителя на выходе из колонки〃вх линейная скорость потока газа-носителя наАТ разность температур на оси и у стенки колонки _ (1・37)I время удерживания фронта вещества при фронтальном анализе4х время, в течение которого смесь непрерывно вводится в колонку尸 11P время, затраченное на выдувание струей газа- носителя веществ, сорбированных в колонке, при фронтальном анализе (отсчитывается' с момента начала продувки)«вых линейная скорость потока газа-носителя на выходе из колонки〃вх линейная скорость потока газа-носителя на^нас == 4к/°нас
АТ разность температур на оси и у стенки колонки _ (1・37)
I время удерживания фронта вещества при фронтальном анализе
4х время, в течение которого смесь непрерывно вводится в колонку
尸 11P время, затраченное на выдувание струей газа- носителя веществ, сорбированных в колонке, при фронтальном анализе (отсчитывается' с момента начала продувки)
«вых линейная скорость потока газа-носителя на выходе из колонки
〃вх линейная скорость потока газа-носителя на
АТ разность температур на оси и у стенки колонки _ (1・37)
I время удерживания фронта вещества при фронтальном анализе
4х время, в течение которого смесь непрерывно вводится в колонку
尸 11P время, затраченное на выдувание струей газа- носителя веществ, сорбированных в колонке, при фронтальном анализе (отсчитывается' с момента начала продувки)
«вых линейная скорость потока газа-носителя на выходе из колонки
〃вх линейная скорость потока газа-носителя на
входе в колонку
Au максимальное изменение скорости
(ивх)тр скорость [уравнение (1.78)]
也〉скорость движения образца, усредненная по поперечному сечению колонки
V эффективное значение скорости случайного блуждания в направлении оси колонки
/ объем неподвижной фазы
% объем подвижной фазы
匕к объем жидкой пробы
Vr объем газообразной пробы при давлении на — входе в колонку вне колонки
У- удерживаемый объем фронта вещества во фронтальном анализе, т. е. полный объем жидкости (или газа), прошедший через колонку за время от / = 0 до / = /
於 эквивалентный объем образца в объеме элюата, измеряемый на выходе из колонки в течение времени ввода вещества в колонку
W^W^Ip
畛ит оптимальный эквивалентный объем образца на входе в колонку
Wokh полная ширина части хроматограммы, вырезанная при отборе фракции
wp часть полного веса насадки, присутствующей в качестве растворителя
х осевая координата
А% расстояние между центрами тяжести хроматографических пиков
А/ эффективная длина перехода вдоль оси колонки при случайном блуждании
X мольная доля растворенного вещества
у параметр [уравнение (1.70)]
z параметр [уравнение (1.76)]
W = Obx/Ok
、 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Ellerington Т., in Gas Chromatography 1958, D. H. Desty, ed., Butterworths, London, 1958, p. 199.
Jones W. L., Kieselbach R., Anal. Chem., 30, 1590 (1958).
in Gas Chromatography 1960, R. P. W. Scott, ed„ Butterworth, London, p. 423.
Giddings J. C., in Dynamics of Chromatography, Part I, Edward Arnold, London, 1965, p. 269.
Sternberg. J. C, in Advances in Chromatography, Vol. 2, J. G. Giddings and R. A. Keller, eds., Marcel Dekker, New York, 1966, Chapter 6.
See Ref. 4, p. 24.*
Van Deemter J. J., Zuiderweg' F. J” Klinhenberg 4, Chem. Eng. Sci., 5, 271 (1956).
Golay M. J. E, in Gas Chromatography I960, R. P. W. Scott, ed., Butterworths, London, 1960, p. 143.
Haarhoff P. C, Contributions to the Theory of Chromatography, D. Sc. Thesis, University of Pretoria, Pretoria, Soutli Africa, 1962, p. 182.
de Clerk K” Contributions to the Theory of Chromatography, D. Sc. Thesis, University of Pretoria, Pretoria, South Africa, 1966.'
Littlewood A. B,, Gas Chromatography, Academic Press, New York, 1962, p. 192.
Aris R., Proc. Roy. Soc. (London), A235, 67 (1956).
Taylor G. /., Proc. Roy. Soc. (London), A219, 186 (A53).
See Ref. 4, Chapter 3.
See Ref. 9, Chapter 3..
Taylor G. /., Proc. Roy. Soc. (London), A225, 473 (1954).
Giddings J. C, J. Gas Chromatog., 1, 12 (1963).
Bischoff К. B., Levenspiel 0., Chem. Eng. Sci., 17, 257 (1962).
Knox 上 H., McLaren L, Anal. Chem., 36, 1477 (1964).
i4ns R, Proc. Roy. Soc., A252, 538 (1959).
See Ref. 4, Chapter 4.
See Ref. 4, Chapter 2..
de. Clerk K・，Smuts T.取.，Pretorius 几 Separation Set, 1, 443 (1966)..
de Clerk K・，to be submitted for publication.-
Ettre L. S., Open Tubular Columns in Gas Chromatography, Plenum Press, New York, p. 13.
Pretorius V„ Smuts T.取.，Anal. Chem., 38, 274 (1966).
See Ref. 4, p. 180.
Bird R. B, Stewart E., Lighfoot E. M, Transport Phenomena, John Wiiey, New York, 1960, p. 198.
See Ref. 31, p. 193.
30a. Jolies K. A・，Hanratty T.丄，Chem. Eng. Sci., 21, 1185 (1966).
30b. Levich V. G, Physicochemical Hydrodynamic^, Prentice-Hall, Englewood Cliffs, New Jersey, 1962.
30c. Scheidegger A. E, The Physics of Flow through Porous Media, University of Toronto Press, Toronto, 19feo.
30d. Mickley H. S., Smith K・ 4, Korchak E /., Chem. Eng. Sci., 20, 237 (1965).
See Ref. 4, p. 42.
See Ref. 4, Chapter 2.'
See Ref. 10, Chapter 3.
Smuts T.取"A Fundamental Study of High Speed Chromatography, D. Sc. Thesis, University of Pretoria, South Africa, 1967, p. 89,
See Ref. 4, p. 52.'
de Clerk K., to be submitted for publication.
7. Giddings J. C, Faller E M, J. Cnromatog., 7, 255 (1962).
Higgins G. M, Smith J. F., in Gas Chromatography 1964, A. Goldup, ed„ Institute of Petroleum, London, 1965, p. 94.
Giddings J. C., J. Gas Chromatog., 1, 38 (1963).
Golay M., 2nd International Symposium ISA, June 1959, Preprints p. 5.
See Ref. 34, p. 77.
Spencer S.户.，Kucharski P., presented at 1966 Pittsburgh Conference F and M, Technical Paper № 37.
Нире К. P., Busch U., Witide K., in Advances in Chromatography, A. Zlatkis, ed., Preston Technical Abstracts Co., Evanston, Illinois, 1969, p. 107.
See Ref. 38.
Huyten F. H., Beersum 取.，Rijnders G.取.4, in Gas Chromatography I960, R. P. W. Scott, ed„ Butterworths, London, 1960.
Rijnders G 取.4, in Advances in Chromatography, 3, Marcel Dekker, New York, 1966, p. 215.
7. Bayer E, Нире K., Mack H., Anal. Chem., 35, 492 (1963).
Baddour R.户.，пат. США 3250058 (1966).
9. Reiser R.取.，J. Gas Chromatog., 4, 390 (1966).
Giddings J. C., J. Gas Chromatdg., 2, 290 (1964).
See Ref. 11, p. 19.
Reilly С. M, Hildebrand G. P., Ashley 丄取•，〃.，Anal. Chem., 34, 1198 (1962)-
de 取ef 取.几 Pretorius，，Anal. Chem., 32, 169 (I960).
Glueckauf E, Trans. Faraday Soc., 51, 34 (1955).
de Wet 屯 J., Pretorius V., Anal. Chem., 32, 1396 (I960).
Reed T. M, Walter J. F~ Cecil R. R., Dresdner R. D., Ind. Eng. Chem., 51, .271 (1959).
Sawyer P. T„ Purnell H., Anal. Chem., 36, 457 (1964).
Haarhoff Р С, van Berge Р. С., Pretorius V” Trans. Faraday Soc., 57, 1838 (1966).
See Ref. 10, p. 18.
■60. See Ref. 10, p. 20.
Glueckauf £., Trans. Faraday Soc., 51, 1540 (1955).
Sawyer 力.T., Purnell H., Anal. Chem., 36, 457 (1%4).
See Ref. 10, p. 111.
See Ref. 10, p. 107.
See Ref. 9, p. 89.
Rose A., Royer D. J., Henty R S., Separation Sci., 2, 257 (1967).
See Ref. 28, p. 200.
Said A. S., J. Gas Chromatog., 2, 60 (1964). Gordon S M, A Fundamental Study of Preparative Gas-Liquid Chromatography, D. Sc. Thesis, University of Pretoria, Pretoria, South Africa, 1964.
GordonS.M., Pretorius P” J. Gas. Chromatog., 2, 196 (1964).
GordonS.M., Krige G 工，Pretorius，，J. Gas Chromatog.,2,241(1964).
GordonS.M, Krige G.丄，Pretorius V., J. Gas Chromatog.,2,285(1964).
GordonS.M, Krige G.丄，Pretorius V., J. Gas Chromatog.,2,246(1964).
GordonS.M, K"ge S. J., Pretorius 几 J. Gas Chromatog., 3,87(1965).
Krige G. Л, Large-Scale Chromatography by Frontal Analysis, D. Sc. Thesis, University of Pretoria, Pretoria, South Africa, 1964.
Scott R. P.取.，Anal. Chern. 35, 481 (1963).
Rose A., Royer D J., Henly R. S., Separation Sci., 2, 257 (1967).
Giddings 上 C., J. Gas Chromatog., 1, 12 (1963).
Krige §. Л, Pretorius V., J. Gas Chromatog., 2, 115 (1964).
Krige G. J., Pretorius 匕 Anal. Chern., 37, 1186 (1965).
Knox 丄 Я., in Advances in Gas Chromatography, A., Zlatkis, L. Ettre, eds., Preston Technical Abstracts Co., Evanston, Illinois, 1966.
Глава 2
СИСТЕМЫ ВВОДА ПРОБ
К.-П. Хьюпе
К.-Р. Нире
Нире und Busch, Karlsruhe, BRD
ВВЕДЕНИЕ
В газохроматографические колонки нельзя вводить пробы сколь угодно больших размеров, так как при увеличении размера пробы уменьшается их разрешающая способность. Увеличение размеров колонки помогает в этом случае лишь до определенной степени. Поэтому при необходимости разделения больших количеств вещества приходится делить пробу на части и проводить их поочередное разделение. Препаративная газожидкостная хроматография (ГЖХ) представляет собой, таким образом, дискретный процесс. Для получения требуемого количества вещества в чистом виде необходимо повторно осуществлять такие этапы этого процесса, как ввод образца в хроматографическую систему, испарение, разделение и улавливание.
И. СИСТЕМЫ ВВОДА ОБРАЗЦОВ
Каждый новый цикл разделения начинается с ввода образца в колонку. Периодичность ввода определяется либо временем, либо появлением некоторой метки, такой, как определенный хроматографический пик. Так же как и в аналитической хроматографии, вводить пробы можно вручную с помощью шприца. Такой метод рекомендуется для ввода небольших проб, для разделения которых требуется небольшое число циклов процесса; возможность ручного ввода предусмотрена в любой установке для препаративного разделения. При необходимости проведения большего числа циклов этот этап, как, впрочем, и все остальные этапы этого процесса разделения, автоматизируют. Задача системы ввода — обеспечить по специальной команде перенос определенного количества вещества из сосуда, в котором оно хранится, в испаритель. При этом должны быть выполнены следующие требования, которые, с одной стороны, определяются спецификой хроматографического процесса, а с другой—соображениями практического порядка:
Количество вводимого образца должно быть таким, чтобы его можно было легко измерить. При этом, как правило, достаточна точность ± 10%, так как изменения количества вводимого образца в этих пределах не вызывают сколько-нибудь значительного
изменения критерия разделения. Обычный лабораторный прибор для ввода пробы должен обеспечивать объем вводимой пробы в пределах от 50 мкл до 10 мл. Нижняя граница этого диапазона определяется либо необходимостью использования небольших количеств исходной смеси, либо необходимостью использования узких колонок с целью получения большей эффективности. Такое количество образца, как правило, достаточно для большинства спектрометрических методов. С другой стороны, для очистки растворителей обычно требуются большие количества образца и низкая эффективность колонки.
Воспроизводимость результатов (например,- время удерживания, высоты хроматографических пиков) при повторных вводах •образца должна быть высокой. Расхождение результатов по возможности не должно превышать 1 %, и уж во всяком случае быть ниже 2%, учитывая возможные ошибки в величинах вводимых проб. Значения времени удерживания и высоты хроматографических пиков следует поддерживать постоянными, насколько это возможно, поскольку обычно по одному из этих параметров осуществляют контроль цикла разделения.
Конструкция прибора для ввода образцов должна быть такой, чтобы жидкий образец всегда находился в атмосфере газа-носителя и не подвергался воздействию внешнего воздуха и влаги. Следует предусмотреть также и возможность экранирования его от действия * света при разделении светочувствительных веществ. Необходимо, кроме того, устройство для охлаждения низкокипящих и для нагревания вязких жидкостей.
Геометрия устройства для ввода пробы должна быть несложной, а расстояние до испарителя — малым, чтобы в нем не было мертвого пространства, в котором часть образца задерживалась бы и не попадала в испаритель или попадала бы, но в промежутке между вводами. Кроме того, простая геометрия облегчает чистку устройства. -
Импульс вводимой пробы должен иметь резко очерченные передний и 尸 особенности тыловой фронты; введение пробы не должно быть капельным. Вводимое в испаритель, а затем и в колонку вещество должно быть как можно более концентрированным (см. разд. III). В промежутке между последовательными введениями пробы необходимо обеспечить полное отсоединение устройства ввода от испарителя, чтобы образец не попадал в него даже при непроизвольных флуктуациях давления, скорости потока газа-носителя и температуры. Утечки образца в подобных случаях, как правило, сводят на нет результаты, полученные в очередном цикле, и загрязняют уже собранные вещества.
Наконец, существенно, чтобы система ввода работала безотказно —требование, которое относится, естественно, и ко всем остальным частям хроматографа. Для разделения нужного количества вещества препаративный газовый хроматограф должен непре-
рывно работать в течение нескольких дней, а то и недель. Поскольку один испорченный щикл приводит к загрязнению уже разделенных и собранных компонентов, то при этом уничтожаются все полученные к этому времени результаты. Поэтому надежность является очень важным фактором.
Приведенные выше требования, которые следует принимать во внимание при выборе подходящего прибора для введения проб, не всегда легко выполнить, и они могут потребовать значительных расходов. В связи с этим на ранних стадиях развития препаративной газовой хроматографии (ГХ) возникло много проблем. Эти
I — прецизионный регулятор давления； 2 ——манометр; 3 ——трехходовой соленоидный. клапан; 4 — перепускной клапан； 5 — испаритель; 6 — колонка； 7 — сосуд с жидким образцом; 8 —до- зирующий капилляр； 9 — лнння для компенсации давления с ограничителем потока； 10 — регулятор давления； 11 — игольчатый клапан.
проблемы были в дальнейшем постепенно решены, и в настоящее время имеются несколько превосходных устройств для ввода проб, они либо описаны в литературе, либо имеются в продаже. Наиболее важные из них обсуждаются ниже.
Различные авторы [1——4] описали метод, в котором введение осуществляется за счет избыточного давления. Типичный пример такой системы [2] показан на рис. 2.1: жидкий образец находится в сосуде 7, который с помощью капиллярной трубки 8 соединен с испарителем 5 и колонкой 6. Сосуд с образцом через регулятор давления 10 и игольчатый клапан 11 имеет выход в атмосферу, причем через него лостоянно течет небольшой поток газа-носителя из колонки, который препятствует диффузии образца в обратном направлении. В исходном положении прибора газ-носитель попадает в испаритель через кран-регулятор /, трехходовый кран 3 и
перепускной клапан 4; манометр показывает давление на входе в колонку. При повороте трехходового крана газ-носитель вместо колонки начинает течь в сосуд с образцом. Давление в сосуде возрастает, а на входе в колонку падает. При этом из сосуда в испаритель подается определенное количество образца, которое зависит от установленного перепада давлений, времени открытия крана 3, а также от длины и диаметра капилляра 8. Введение образца прекращают путем поворота крана З в исходное положение. Образец, оставшийся в капилляре 8, выдувается обратно в сосуд с образцом. Когда давление на входе регулятора давления падает, сосуд с образцом автоматически дегазируется; это позволяет избежать возникновения перепада давлений между сосудом и испарителем. Перепускной клапан 4 не позволяет образцу выйти из испарителя через устройство для впуска холодного газа-носителя. Сосуд с образцом необходимо термостатировать, так как температура жидкости в нем
Рис. 2.2. Форма импульса дозируемой про&ы н-пентана (150 мкл) при автоматическом дозировании (сплошная линия) и ручном дозировании (штриховая линия).Рис. 2.2. Форма импульса дозируемой про&ы н-пентана (150 мкл) при автоматическом дозировании (сплошная линия) и ручном дозировании (штриховая линия).Дозирующий капилляр: длина 70 см, диаметр0,5 мм; температура камеры ввода 150 ℃; колонка:длина 2 м, диаметр около 0,96 см; насадка： носи-тель хромосорб W без жидкой фазы; скорость по-тока газа-носителя 95 мл/мин.Дозирующий капилляр: длина 70 см, диаметр0,5 мм; температура камеры ввода 150 ℃; колонка:длина 2 м, диаметр около 0,96 см; насадка： носи-тель хромосорб W без жидкой фазы; скорость по-тока газа-носителя 95 мл/мин.изменяется с изменением температуры окружающей среды; происходящее при этом изменение вязкости жидкости вызывает изменение количества впрыскиваемого образца в соответствии с законом Хагена—Пуа- ” зейля.
Рис. 2.2. Форма импульса дозируемой про&ы н-пентана (150 мкл) при автоматическом дозировании (сплошная линия) и ручном дозировании (штриховая линия).
Рис. 2.2. Форма импульса дозируемой про&ы н-пентана (150 мкл) при автоматическом дозировании (сплошная линия) и ручном дозировании (штриховая линия).
Дозирующий капилляр: длина 70 см, диаметр0,5 мм; температура камеры ввода 150 ℃; колонка:длина 2 м, диаметр около 0,96 см; насадка： носи-тель хромосорб W без жидкой фазы; скорость по-тока газа-носителя 95 мл/мин.
Дозирующий капилляр: длина 70 см, диаметр0,5 мм; температура камеры ввода 150 ℃; колонка:длина 2 м, диаметр около 0,96 см; насадка： носи-тель хромосорб W без жидкой фазы; скорость по-тока газа-носителя 95 мл/мин.
В приборе такого типа выполнены основные из приведенных выше требований. Конструкция его проста и потому почти абсолютно надежна.. Геометрия его не сложна и мертвое пространство мало. Как показал Дженш [2], такой прибор обеспечивает введение импульса пробы почти прямоугольной формы, лучше той, которая получается при ручном введении (рис. 2.2): Используя капилляры различного диаметра и длины, а также изменяя длительность такта (операции) -введения пробы (1—31 с), количество образца, вводимое с помощью такого устройства, можно варьировать в широких пределах — от 2 мкл до 5 мл. Воспроизводимость при этом всегда выше 2%. Недостаток этого метода в том, что количество введенного образца можно определить только путем сравнения высот хроматографических пиков, получающихся при введении с помощью такого устройства и ручном введении.
Ряд недостатков устройства связан с линией, соединяющей сосуд для образца с испарителем; несмотря на то что в этой линии постоянно течет поток газа-носителя, возможны внеочередные введения, вызванные большими изменениями давления в конце цикла программирования температуры или газового потока. Перекрытие дозирующего капилляра с помощью магнитного крана в лабораторных приборах нецелесообразно, так как при этом появляются относительно большие мертвые объемы.
Наряду с многими другими лабораторными применениями поршневого насоса его можно использовать и для ввода образцов. Головка цилиндра этого насоса с одной сторона соединена с сосудом для пробы (вход), а с другой — с испарителем или колонкой
/ — образец； 2 ——входной клапан; 3 — к колонке; 4 — пружина; 5 ——магнитный кран; 6 ——воздух； 7 ——выходное отверстие; 8 ——регулировочный винт; 9 — поршень; /0 — выходной клапан.
(выход) (рис. 2.3). Вход и выход управляются клапанами. В одну сторону поршень приводится в движение пружиной (такт всасывания), а в другую ——сжатым воздухом (такт ввода пробы). В течение такта всасывания образец всасывается в цилиндр, а во время такта ввода выталкивается в соединительную трубку к испарителю или к колонке. Ход поршня, а тем самым и объем вводимой пробы можно изменять с помощью регулировочного винта. В исходном состоянии трехходовый магнитный кран 5 находится в положении, показанном на рис. 2.3, при этом сжатый воздух удерживает .поршень внутри цилиндра. Когда с помощью электрического импульса происходит переключение магнитного крана, пружина продвигает поршень в крайнее правое положение и образец всасывается в цилиндр. При возвращении магнитного крана в исходное положение поршень продвигается влево и происходит введение образца.
Этот метод описан здесь в связи с его широкой распространенностью. К сожалению, он имеет несколько недостатков: возмож- н℃ть утечек [6], связанная с использованием в нем движущихся
77Рис. 2.4. Автоматический шприц.Рис. 2.4. Автоматический шприц./ — мотор; 2 — червяк; 3 — шпиндель; 4 — поршень： 5 — цилиндр; 6 — капилляр для введения пробы; 7 — соединительный капилляр./ — мотор; 2 — червяк; 3 — шпиндель; 4 — поршень： 5 — цилиндр; 6 — капилляр для введения пробы; 7 — соединительный капилляр.частей (поршень, клапаны); восприимчивость к загрязнению; относительно большое мертвое пространство; сложная геометрия, а отсюда и трудности, связанные с очисткой прибора и сменой образца. При использовании вязких образцов существует опасность неполного и невоспроизводимого заполнения цилиндра. Это относится и к низкокипящим веществам, которые частично испаряются во время такта всасывания, но этот недостаток можно преодолеть путем увеличения давления в сосуде с образцом. Если не продувать газом-носителем соединение между насосом и колонкой после такта ввода, то остатки образца могут вызывать расширение переднего фронта хроматографического пика. Можно указать лишь немногие преимущества на фоне этих недостатков: легкость регулирования в широких пределах объема вводимого образца и хорошая воспроизводимость ввода для веществ с малой вязкостью и малым давлением пара. Некоторые из недостатков этого метода можно исправить, заменив клапаны цилиндра трехходовыми кранами, которые, как правило, имеют меньшие зазоры, а также заменив такт всасывания образца в цилиндр вводом его туда с помощью газа-носителя. Это обеспечивает более надежное введение вязких и низкокипящих веществ.'
7
7
Рис. 2.4. Автоматический шприц.
Рис. 2.4. Автоматический шприц.
/ — мотор; 2 — червяк; 3 — шпиндель; 4 — поршень： 5 — цилиндр; 6 — капилляр для введения пробы; 7 — соединительный капилляр.
/ — мотор; 2 — червяк; 3 — шпиндель; 4 — поршень： 5 — цилиндр; 6 — капилляр для введения пробы; 7 — соединительный капилляр.
Прибор, показанный на рис. 2.4, напоминает шприц, который используют для ручного введения пробы [8]. В этом приборе мотор / через червячную передачу толкает поршень 4 в цилиндр 5,
который через капилляр 6 и тефлоновый капилляр 7 соединен с испарителем. Каждому определенному числу оборотов червяка 2 соответствует определенное количество образца, вводимое в испаритель. Затем капилляр 6 нагревают и тем самым удаляют из него остатки образца, которые могут вызвать расширение фронта хроматографического пика. Поршень изготовлен из тефлона, а цилиндр, который является одновременно и сосудом для образца ——из прецизионной стеклянной трубки с целью получения хорошей герметичности в месте прилегания поршня к стенкам цилиндра. В соответствии с данными, приведенными в паспорте прибора, он обеспечивает дозировку в пределах от 200 мкл до 2 мл. В основном этот прибор удовлетворяет всем требованиям надежности. Однако недостатком конструкции этого прибора является то, что испаритель невозможно отключить от сосуда с образцом, и то, что в нем
не предусмотрена продувка соединительного капилляра газом-носителем между тактами ввода.
Рис. 2.5. Автоматическое дозирующее устройство (см. текст).
На рис. 2.5 показан прибор, в конструкции которого отделению сосуда с образцом от испарителя уделено особое внимание. Этот
Рис. 2.6. Устройство для дозирования сжатых газов.
А 一 газ-носитель; 5 — газообразная разделяемая смесь.
/ 一 колонка; 2 н 3 — соленоидные клапаны; 4 — баллон с разделяемой смесью газов; 5 — ре-гулятор давления; 6 — датчик времени.
прибор представляет собой стеклянный сосуд, часть / которого служит в качестве сосуда для образца, а часть 2 — в качестве сосуда 5 Зак. № 570
для отмеренной дозы образца. В сосуд 2 вставлена трубка 3, котодля отмеренной дозы образца. В сосуд 2 вставлена трубка 3, которую можно передвигатьрую можно передвигатьудерживается в нужномудерживается в нужномЮЮ20304〃20304〃50605060Время, минВремя, минРис. 2.7. Хроматограмма коммерческого пропана (очистка пропана).Рис. 2.7. Хроматограмма коммерческого пропана (очистка пропана).Колонка： длина 4 м, диаметр 40 мм; насадка: 20% жидкой фазы SE-30 на носителе хромосорб Р (60— 80 меш); скорость подачн газа- носнтеля (азота) 1,2 мл/мнн, температура 25 °C； образец： продажный пропан (/ — метан, 2 — этан, 3 — пропан, 4 — н-бутан, 5 — изобутан); объем пробы на однн цикл 1,4 л (продолжительность ввода пробы 4 с, давление при введении пробы 1,5 атм, воспронзводимость введения 1%).Колонка： длина 4 м, диаметр 40 мм; насадка: 20% жидкой фазы SE-30 на носителе хромосорб Р (60— 80 меш); скорость подачн газа- носнтеля (азота) 1,2 мл/мнн, температура 25 °C； образец： продажный пропан (/ — метан, 2 — этан, 3 — пропан, 4 — н-бутан, 5 — изобутан); объем пробы на однн цикл 1,4 л (продолжительность ввода пробы 4 с, давление при введении пробы 1,5 атм, воспронзводимость введения 1%).в вертикальном направлении и которая
для отмеренной дозы образца. В сосуд 2 вставлена трубка 3, кото
для отмеренной дозы образца. В сосуд 2 вставлена трубка 3, кото
рую можно передвигать
рую можно передвигать
удерживается в нужном
удерживается в нужном
Ю
Ю
20
30
4〃
20
30
4〃
50
60
50
60
Время, мин
Время, мин
Рис. 2.7. Хроматограмма коммерческого пропана (очистка пропана).
Рис. 2.7. Хроматограмма коммерческого пропана (очистка пропана).
Колонка： длина 4 м, диаметр 40 мм; насадка: 20% жидкой фазы SE-30 на носителе хромосорб Р (60— 80 меш); скорость подачн газа- носнтеля (азота) 1,2 мл/мнн, температура 25 °C； образец： продажный пропан (/ — метан, 2 — этан, 3 — пропан, 4 — н-бутан, 5 — изобутан); объем пробы на однн цикл 1,4 л (продолжительность ввода пробы 4 с, давление при введении пробы 1,5 атм, воспронзводимость введения 1%).
Колонка： длина 4 м, диаметр 40 мм; насадка: 20% жидкой фазы SE-30 на носителе хромосорб Р (60— 80 меш); скорость подачн газа- носнтеля (азота) 1,2 мл/мнн, температура 25 °C； образец： продажный пропан (/ — метан, 2 — этан, 3 — пропан, 4 — н-бутан, 5 — изобутан); объем пробы на однн цикл 1,4 л (продолжительность ввода пробы 4 с, давление при введении пробы 1,5 атм, воспронзводимость введения 1%).
положении специальным герметизирующим приспособлением 4. Эта трубка присоединена к металлическому капилляру 6, который через гибкий тефлоновый капилляр присоединен к испарителю. К верхней части сосуда 2 присоединен гибкий шланг высокого давления 7, который в исходном положении закрыт магнитным клапаном & Вход магнитного клапана соединен со входом для газа-носителя. В этой точке можно установить давление на 0,1——0,5 атм выше давления в испарителе.
Весь прибор укреплен на оси мотора (точка А) и может поворачиваться в вертикальной плоскости. При наклоне прибора вправо (по часовой стрелке) на 45° жидкость из сосуда / течет в сосуд 2. По возвращении прибора в исходное вертикальное положение сосуд 2 оказывается заполненным жидкостью до уровня а. Затем открывается магнитный клапан, и поступающий газ-носитель вытесняет жидкость, заключенную между уровнями а и 6 через трубку 3 в испаритель. Изменяя положение трубки 3 (т. е. изменяя расстояние между уровнями а и Ь), можно изменять количество дозируемой жидкости. Для выбора нужного объема вводимой жидкости сосуд 2 сначала заполняют жидкостью до уровня а, а затем с помощью шприца отсасывают нужное количество жидкости. Нижний конец трубки 3 помещают затем у поверхности оставшейся в сосуде 2 жидкости (уровень 6). Используя сосуды различных размеров, можно дозировать таким образом объемы жидкости от 50 мкл до 10 мл. Для того чтобы не пропустить диффузии в ис
паритель паров исходного материала, в игольчатый клапан 10. Через этот клапан носителя из испарителя выходит наружу ипаритель паров исходного материала, в игольчатый клапан 10. Через этот клапан носителя из испарителя выходит наружу иприборе предусмотрен небольшой поток газа- препятствует диффузии
паритель паров исходного материала, в игольчатый клапан 10. Через этот клапан носителя из испарителя выходит наружу и
паритель паров исходного материала, в игольчатый клапан 10. Через этот клапан носителя из испарителя выходит наружу и
в испаритель. В отличие от поршневого насоса в этом приборе дозирующая и вводящая части отделены друг от друга.
Определенное количество жидкости сначала отмеряют волюметрическим методом, а затем пневматически вводят в испаритель; такой метод обеспечивает воспроизводимость с точностью более 1 %. При образовании вогнутого мениска на уровне b трубка 3 более не касается жидкости; благодаря этому обеспечивается полное отделение еще не введенной жидкости от испарителя и невозможность внепрограммных введений пробы. Несмотря на то что дозирующее
устройство перемещается при дозировании жидкости, сама жидкость не соприкасается с движущимися частями, и поэтому преимущества поршневого насоса (действительно, волюметрическое дозирование) сочетаются в этом приборе с преимуществами других систем (простая геометрия, нет движущихся частей и т. д.).Конструкция устройства для дозирования газов зависит от того, находится газ под давлением или нет. Для газов, находящихся под достаточно постоянным давлением, удовлетворительные результаты дает система, показанная на рис. 2.6. В этой системе в исход-устройство перемещается при дозировании жидкости, сама жидкость не соприкасается с движущимися частями, и поэтому преимущества поршневого насоса (действительно, волюметрическое дозирование) сочетаются в этом приборе с преимуществами других систем (простая геометрия, нет движущихся частей и т. д.).Конструкция устройства для дозирования газов зависит от того, находится газ под давлением или нет. Для газов, находящихся под достаточно постоянным давлением, удовлетворительные результаты дает система, показанная на рис. 2.6. В этой системе в исход-Л ^ШЛ ^Ш77в-「1& 5в-「1& 5Рис. 2.8. Устройство для дозирования газов приатмосферном давлении.4 — газ-носитель;Б — газообразная разделяемаясмесь./ — колонка; 2 н 3 — соленоидные клапаны； 4 — сосудс газом； 5 — насос； 6 — датчик времени.Рис. 2.8. Устройство для дозирования газов приатмосферном давлении.4 — газ-носитель;Б — газообразная разделяемаясмесь./ — колонка; 2 н 3 — соленоидные клапаны； 4 — сосудс газом； 5 — насос； 6 — датчик времени.
устройство перемещается при дозировании жидкости, сама жидкость не соприкасается с движущимися частями, и поэтому преимущества поршневого насоса (действительно, волюметрическое дозирование) сочетаются в этом приборе с преимуществами других систем (простая геометрия, нет движущихся частей и т. д.).
Конструкция устройства для дозирования газов зависит от того, находится газ под давлением или нет. Для газов, находящихся под достаточно постоянным давлением, удовлетворительные результаты дает система, показанная на рис. 2.6. В этой системе в исход-
устройство перемещается при дозировании жидкости, сама жидкость не соприкасается с движущимися частями, и поэтому преимущества поршневого насоса (действительно, волюметрическое дозирование) сочетаются в этом приборе с преимуществами других систем (простая геометрия, нет движущихся частей и т. д.).
Конструкция устройства для дозирования газов зависит от того, находится газ под давлением или нет. Для газов, находящихся под достаточно постоянным давлением, удовлетворительные результаты дает система, показанная на рис. 2.6. В этой системе в исход-
Л ^Ш
Л ^Ш
7
7
в-「1& 5
в-「1& 5
Рис. 2.8. Устройство для дозирования газов приатмосферном давлении.
4 — газ-носитель;Б — газообразная разделяемая
смесь.
/ — колонка; 2 н 3 — соленоидные клапаны； 4 — сосудс газом； 5 — насос； 6 — датчик времени.
Рис. 2.8. Устройство для дозирования газов приатмосферном давлении.
4 — газ-носитель;Б — газообразная разделяемая
смесь.
/ — колонка; 2 н 3 — соленоидные клапаны； 4 — сосудс газом； 5 — насос； 6 — датчик времени.
ном положении поток газа-носителя Л поступает в колонку 1 через магнитный клапан 2, кран 3 при этом закрыт. Разделяемая смесь газов находится в баллоне 4. С помощью регулятора 5 устанавливают нужное давление газа. Когда открывают кран 3 и закрывают клапан 2, смесь газов Б поступает в колонку. Дозируемое количество газа определяется установленным давлением и продолжительностью открытия кранов 2 и 3. Последняя устанавливается датчиком времени 6 и может задаваться в пределах от 0,1 до 99 с. Хроматограмма, полученная при очистке пропана с помощью такого устройства, показана на рис. 2.7.
Если газ находится при атмосферном давлении, то используют устройство, показанное на рис. 2.8. При открывании крана 3 одновременно включается насос 5, который отсасывает газ из сосуда 4. В этом устройстве лучше всего использовать насос мембранного типа.
ИСПАРЕНИЕ ЖИДКИХ ПРОБ
Помимо дозирования веществ, которые в нормальных условиях находятся в газообразном состоянии, описанные системы введения пробы используют и для жидкостей. В аналитической газожидкост- ной хроматографии (「氷X) жидкие образцы часто непосредственно в^^т в колонку с помощью шприца, однако в препаративной ^^^^ используют пробы больших объемов, и перед вводом в ко- ЛОНКУ их непременно переводят в паровую фазу, главным образом п0 следующим трем причинам. Во-первых, начальный участок ко- лонки, в который попадает образец после ввода, имеет теплоем- кость, недостаточную для нагревания образца от комнатной температуры до температуры колонки. Во-вторых, жидкое вещество очень трудно равномерно распределить в плоскости поперечного сечения колонки, это совершенно необходимо для получения рав- номерного распределения концентрации. С другой стороны, это сделать гораздо легче, если вещество уже находится в паровой фазе. В-третьих, жидкий образец, введенный в колонку, смывает жидкую фазу с носителя в начальном участке колонки и перено- сит ее в другие участки. В результате через некоторое время часть колонки оказывается лишенной жидкой фазы, а другая содержит слишком большое^ ее количество, и это неблагоприятно сказывается на разделительной способности колонки.
Однако удовлетворительные результаты были получены [11] и ПРИ введении в колонку жидкого образца, предварительно нагре- т°「° до температуры колонки. При этом необходимо прерывать по- ток газа-носителя на довольно продолжительное время, в течение которого в колонке устанавливается фазовое равновесие [12, 13]. Поэтому сомнительно, чтобы подобный метод мог быть универсальным и использоваться в длительных разделениях. Ввиду этого непосредственное введение жидких проб в колонку следует приме- нять только для проб небольших величин (<10 мкл) и только тогда, когда существует опасность химических изменений в образце в0 время его испарения. Это относится к высокомолекулярным био- химическим веществам или веществам, склонным к полимеризации. Во всех остальных случаях вещество сначала переводят в паровую фазу и затем уже вводят в колонку.
Требования к процессу испарения образца определяются раз- личными теоретическими [14—17] и практическими соображени- ями. Известно, что полная ширина хроматографической полосы в конце колонки складывается из ширины полосы в начале колонки сразу после впрыскивания пробы и ее расширения в течение хроматографического процесса, которое обусловлено процессами диффузии различного типа и конечной скоростью массопередачи [18]. Поэтому начальная ширина полосы должна быть как можно меньше. Если высота начального хроматографического пика опре- деляется как максимально возможная концентрация образца, то
идеальным для начала колонки является прямоугольный узкий пик как можно большей высоты. Площадь такого пика определяет величину пробы.
Ван Деемтер показал, что в области, определяемой неравенством
у 0,5% 昨
количество введенного образца не оказывает заметного влияния на дисперсию хроматографического пика компонента, выходящего из колонки (V — объем газа, использованного для переноса вещества через колонку,卜；口 ——удерживаемый объем,胃 ——число теоретических тарелок, характеризующее данную колонку).
Вне этой области наступает перегрузка колонки, которая сопровождается уменьшением ее эффективности, причем граничное значение V для среднего времени удерживания и колонки диаметром 20 мм и длиной 2 м соответствует пробам величиной 100—200 мг. На практике , как правило, используют большие значения V. Приведенное выше неравенство можно записать в единицах времени
t < 0,5/yJ1Aй,
где / — время введения в колонку объема газа с образцом, /；口 一 время удерживания для слабоудерживаемых соединений. Для приведенного выше примера величина / должна быть равна примерно 5—10 с. В первом приближении это и есть то время, в течение которого должно произойти испарение пробы.
Максимальная величина пробы существенно зависит от характеристик системы вещество — неподвижная фаза, которая характеризуется в первую очередь коэффициентом распределения. Чем больше растворимость образца (больше коэффициент распределения), тем большее его количество можно вводить в колонку. По закону Генри растворимость вещества пропорциональна парциальному давлению его пара над поверхностью растворителя. Поскольку в присутствии газа-носителя парциальное давление образца меньше, то наибольшая растворимость (а следовательно, и наибольший допустимый размер вводимой пробы) получается для образца, не разбавленного газом-носителем. Теоретическое и экспериментальное изучение [19] этого явления показало, что при
увеличении степени разбавления вводимой пробы эффективность колонки быстро падает.
На рис. 2.9 представлен график зависимости числа теоретических тарелок п от отношения К объема газа-носителя (с которым смешивается образец перед вводом в колонку) к объему образца в газовой фазе. Следует отметить, что меньшие количества вещества допускают весьма значительное разбавление (^ = 5).
ккРис. 2.9. Зависимость числа теорети-ческих тарелок от коэффициента раз-бавления К.Колонка; длина 230 см, диаметр 38,2 мм,температура 90 ℃; насадка: 30% жидкойфазы дибутил фталата на целнте; образец:толуол.Рис. 2.9. Зависимость числа теорети-ческих тарелок от коэффициента раз-бавления К.Колонка; длина 230 см, диаметр 38,2 мм,температура 90 ℃; насадка: 30% жидкойфазы дибутил фталата на целнте; образец:толуол.Несмотря на принятые выше упрощающие предположения, можно сделать следующие выводы: 1) для каждой колонки существует максимальная величина пробы, с превышением которой наступает перегрузка колонки; 2) предельную величину пробы можно связать с предельным интервалом времени, в течение которого должно произойти введение и испарение образца; 3) наилучшая форма для начального импульса пробы прямоугольная; 4) при вводе образца в колонку он не должен быть разбавлен газом-носителем; 5) значение перечисленных выше положений для оптимального введения пробы увеличивается с уменьшением растворимости образца в неподвижной фазе. Таким образом, процесс введения играет большую роль для веществ с малыми временами удерживания. В соответствии с этими результатами при конструировании испарителя следует предусмотреть возможность- передачи необходимого количества тепла для очень быстрого испарения пробы (малое
к
к
Рис. 2.9. Зависимость числа теорети-ческих тарелок от коэффициента раз-бавления К.
Колонка; длина 230 см, диаметр 38,2 мм,температура 90 ℃; насадка: 30% жидкойфазы дибутил фталата на целнте; образец:толуол.
Рис. 2.9. Зависимость числа теорети-ческих тарелок от коэффициента раз-бавления К.
Колонка; длина 230 см, диаметр 38,2 мм,температура 90 ℃; насадка: 30% жидкойфазы дибутил фталата на целнте; образец:толуол.
время испарения), причем во время испарения проба должна быть как можно меньше разбавлена газом-носителем (что, в частности, обеспечивается малым мертвым объемом, соответствующим количеству испаряемого образца). Это относится и к переносу образца из испарителя в колонку, причем форма входного импульса образца должна быть как можно ближе к прямоугольной. Ясно, что испарение должно быть полным, так как введение влажного пара имеет частично те же недостатки, что и введение жидкости.
Кроме того, что на практике эти требования можно выполнить лишь частично, быстрота испарения ограничена еще тем, что большое число веществ, для разделения которых используется препаративная газожидкостная хроматография (「水X), чувствительно к нагреванию, и в особенности к быстрому нагреванию. Поэтому приходится искать компромисс между быстротой и осторожностью нагревания пробы.
Из всех конструкций приборов, описанных в литературе и имеющихся в продаже, наибольшее признание получила конструкция, в которой образец вводится в нагретую камеру, заполненную подходящей насадкой [20—24]. Эту насадку нагревают до температуры примерно на 50 ℃ выше точки кипения наиболее высококипящего компонента, и она отдает часть своего тепла вводимому образцу. Другие способы нагревания образца, такие, как индуцированное нагревание или нагревание с помощью инфракрасного излучения, не обеспечивали нужного распределения температуры в испарителе; они были отвергнуты. Следует избегать образования в камере перегретых или переохлажденных зон.
Размеры испарителя определяются в большой мере его теплоемкостью [20]. Не обязательно, чтобы объем испарителя был равен объему парообразной пробы. Отношение объема пара к объему испарителя должно быть около’5%, причем это значение не является критическим [25, 26]. Частицы насадки должны быть небольшими (диаметром 0,5—1 мм) с тем, чтобы была больше площадь контакта образца с насадкой и меньше расстояния, на которых происходит теплопередача. Кроме того, частицы насадки должны обладать хорошей теплопроводностью. С этой точки зрения наиболее приемлемы медные, серебряные, а также стальные частицы сферической или какой-либо другой формы. Однако металлы могут оказывать каталитическое действие, поэтому обычно используют стеклянный бисер. Но и последний следует по возможности тщательнее дезактивировать. Дезактивированный стеклянный бисер имеется в продаже [27]. Для очень нестабильных веществ, таких, как стероиды, часто требуются испарители, целиком изготовленные из стекла, в которых исключены какие-либо контакты образца с металлическими поверхностями.
Наконец, необходимо обращать внимание на геометрию испарителя. Широко используемая конструкция испарителя показана на рис. 2.10. Л и Б ——входы для образца и газа-носителя, причем последний равномерно распределяется по поперечному сечению испарителя с помощью пластинки с отверстиями, установленной в крышке камеры. В — выход из испарителя, соединенный с колонкой. В точках /——9 установлены термопары, которые показывают изменения температуры в процессе испарения. Кривые изменения температуры в этих точках показаны на рис. 2.11. На этом рисунке сразу заметно, что температура в точке 2 значительно ниже температуры в остальных точках. Это понижение температуры вызвано потоком предварительно не подогретого газа-носителя. Сразу же после введения пробы температура в точках 2 и 5 быстро падает и возвращается к первоначальному значению только через 15 мин. В то же время температура в других точках изменяется незначительно. Эти результаты показывают несостоятельность часто высказываемого мнения о том, что сразу же после контакта с горячим стеклянным бисером 《облака》испаряющегося
образца распространяются по всему поперечному сечению испарителя. Ясно, что жидкость течет вниз кратчайшим путем и тепло, запасенное в стеклянном бисере, используется лишь в малой степени. Из-за малой теплопроводности стеклянного бисера равновесие температуры в радиальном направлении устанавливается очень медленно. Это приводит к тому, что проба приходит к колонке в виде широкой, очень разбавленной полосы с длинным хвостом, да к тому же и не полностью испаренной. Отсюда и плохое каче-
4 — испаряемое вещество； Б — газ-носитель； В — выходное отверстие； Г -— нагреватель./—9 — места расположения термопар; камера： длнна 20 см, диаметр 10 см; проба: 6 мл гексана.4 — испаряемое вещество； Б — газ-носитель； В — выходное отверстие； Г -— нагреватель./—9 — места расположения термопар; камера： длнна 20 см, диаметр 10 см; проба: 6 мл гексана.Время, %икВремя, %икРис. 2.11. Распределение температуры в испарительной камере, показанной на рис. 2,10./—9 — номера термопар.Рис. 2.11. Распределение температуры в испарительной камере, показанной на рис. 2,10./—9 — номера термопар.
4 — испаряемое вещество； Б — газ-носитель； В — выходное отверстие； Г -— нагреватель.
/—9 — места расположения термопар; камера： длнна 20 см, диаметр 10 см; проба: 6 мл гексана.
4 — испаряемое вещество； Б — газ-носитель； В — выходное отверстие； Г -— нагреватель.
/—9 — места расположения термопар; камера： длнна 20 см, диаметр 10 см; проба: 6 мл гексана.
Время, %ик
Время, %ик
Рис. 2.11. Распределение температуры в испарительной камере, показанной на рис. 2,10.
/—9 — номера термопар.
Рис. 2.11. Распределение температуры в испарительной камере, показанной на рис. 2,10.
/—9 — номера термопар.
с?во результатов хроматографического разделения. Причины неудовлетворительного ввода пробы в основном тривиальны и отмечались многими авторами [28—30]. Конструкция испарителя, показанная на рис. 2.10, заслуживает дальнейшего обсуждения, поскольку она фигурирует во многих опубликованных работах, и в особенности потому, что часто плохие результаты препаративного хроматографического разделения зависят от конструкции испарителя, а не колонки.
На рис. 2.12 показана схема испарителя, в котором была сделана попытка избавиться от отмеченных выше недостатков. Камера / этого испарителя заключена в рубашку 2 с нагревательным элементом. В камере находится металлическое тело 3 (из посеребренной меди), которое в холодном состоянии вынимается из ка-
ВВРис. 2.12. Испарительная камера.Рис. 2.12. Испарительная камера.меры, а в нагретом состоянии благодаря тепловому расширению образует плотный тепловой контакт с внутренними стенками камеры / (большая теплоемкость, хорошая теплопроводность), В металлическом теле 3 просверливают отверстия, размер которых зависит от того количества образца, которое требуется испарить. Эта отверстия заполняют материалом насадки (короткий путь теплопередачи, большая поверхность контакта). Снизу тело 3 упирается в конус, раскрыв (конусность) которого несколько меньше, чем раскрыв (конусность) нижней поверхности тела 3. В результате между обеими поверхностями остается зазор, через который свободно проходит газ-носитель с образцом и не проходит материал насадки. При этом отпадает необходимость в использовании решетки, которая часто является причиной закупорки колонки. Через слой насадки проходит предварительно подогретый газ-носитель, и устанавливается полное температурное равновесие. На входе для газа-носителя имеется клапан, который пропускает поток газа в испаритель и не пропускает испаренные вещества в обратном направлении. Крышка испарителя съемная, и это позволяет легко его очищать и извлекать из него металлическое тело.
В
В
Рис. 2.12. Испарительная камера.
Рис. 2.12. Испарительная камера.
Испарение веществ в основном потоке газа-носителя называется «динамическим испарением». Инструментально этот метод реализовать легко, однако он имеет тот недостаток, что поступающее в колонку испаренное вещество сильно разбавлено газом-носителем. Разбавление
ZI камера; 2 — нагревательный、 элемент; 3 — металлическое тело; 4 — перепускной клапан；5 — соленоидный клапан.Д —• испаряемое вещество; В —газ-носитель; В — выходное от-верстие.ZI камера; 2 — нагревательный、 элемент; 3 — металлическое тело; 4 — перепускной клапан；5 — соленоидный клапан.Д —• испаряемое вещество; В —газ-носитель; В — выходное от-верстие.можно уменьшить, пользуясь краном 5 (рис. 2.12), управляемым соленоидом, который запирает его на время процесса испарения. Перепускной клапан 4 (рис. 2.12) лишь предохраняет кран 5 от прямого попадания в него вещества.
ZI камера; 2 — нагревательный、 элемент; 3 — металлическое тело; 4 — перепускной клапан；
5 — соленоидный клапан.
Д —• испаряемое вещество; В —газ-носитель; В — выходное от-верстие.
ZI камера; 2 — нагревательный、 элемент; 3 — металлическое тело; 4 — перепускной клапан；
5 — соленоидный клапан.
Д —• испаряемое вещество; В —газ-носитель; В — выходное от-верстие.
Другой способ — так называемое «статическое испарение» [31, 32]. Испаритель при этом располагают в боковом отводе потока газа-носителя прямо перед колонкой. Вход и выход испарителя закрыты кранами. Образец вводят в испаритель через специальное отверстие и выжидают его испарения. После этого открывают краны, и поток газа-носителя выдувает парообразный образец в колонку. Как уже говорилось, этот способ дает однородный насыщенный пар, который при правильном управлении потоком газа-носителя можно ввести в колонку в виде лишь слегка
разбавленного импульса. Способ статического испарения мало используется в практике лабораторной препаративной ГЖХ. При* чины этому — большие затраты на оборудование и, в частности, необходимость использования автоматического клапана между испарителем и колонкой, т. е. в самом горячем месте системы.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Heilbronner E, Kovats E, Simon W.f Helv. Chern. Jentzsch D., J. Gas. Chromatog., 5, 226 (1967).
Boer J. Sci. Instr., 41, 365 (1964).
Frazer J.吃，Morris C.丄，University of California, ratory, TID-4500, 46th ed. (1965).
Anonymous, Varian Aerograph, Previews and Reviews, № 8, 10 (1968).
6. Atkinson E. P., Tuey G. A. A., in Gas Chromatography 1958, D. H. Desty, ed.「 Butterworths, London, 1959, p. 194.
Kauss 丄 Peters 丄，Euston С. B., Develop. Appl. Spectry., 2, 383 (1962). Anonymous, Nester/Faust, Sales Bulletin, № 867 (1967).
Hupe К.-P., Chromatographia, 1, 462 (1968).
Kirkland J. J., in Gas Chromatography, V. J. Coates, H. J. Noebels, I. S. Fu- gerson, eds., Academic Press, New York, 1958, p. 203.
Taft £. Booker J. пат. США 3366149 (1968).
Scott R. P.取.，Nature, 198, 782 (1963).
Hawker S 丄(discussion remarks), in Gas Chromatography, 1962, M. V. Swaay, ed., Butterworths, London, 1962, p. 65.
Rijnders G. W. A., in Advances in Chromatography, J. C. Giddings, R. A. Keller, eds.. Vol. 3, Marcel Dekker, New York, 1966.
Henley R. S., J. Am. Oil Chem. Soc„ 42, 673 (1965).
Henley R. S., Rose A., Sweeny R. E, Anal. Chern., 36, 744 (1964).
Sawyer D. T.t Purnell 〃.，Anal. Chem., 36； 457 (1964).
Van Deemter J.丄，Zuiderweg F. Chem. Eng. Sci., 5, 271 (1956).
de Wet W. /., Pretorius K, Anal. Chem., 32, 169 (I960).
Carel A. 8., Perkins G.f Anal. Chim. Acta, 34, 83 (1966).
Huyten F. H, s Beersum W.f Renders G. W. A., in Gas Chromatography 1960, R. P. W. Scott, ed., Butterworths, London, I960, p. 224.
Bayer E (discussion remarks), in Gas Chromatography I960, R. P. W. Scott, ed., Butterworths, London, I960, p. 236,
Bushong P. A., in Lectures on Gas Chromatography 1962, H. A. Szymanski, ed” Plenum Press, New York, 1963, p. 247.
Carel 4. B., Clement R. E, Perkins G., in Advances in Chromatography 1969, A. Zlatkis, ed., Preston Technical Abstracts Co., Evanston, Illinois, 1969.
Dixmier M.-B., Roz B., Guiochon G., Anal. Chim. Acta, 38, 73 (1967).
Eggert "., Diplomarbeit, Lehrstuhl fur Thermodynamik, 1964.
Corning Glass Works, Corning, New York, Chromatography Products Group. Rose 彳，Royer D. J., Henley R. S, Separation Sci., 2 (2), 211 (1967).
Sumantri R. 8., Chem. Eng. Department, Notebook 0101, Pennsylvania State University, University Park, Pennsylvania, p. 8.
Amy 丄酰，Baitinger W. E, in Lectures on Gas Chromatography 1962, H. A. Szymanski, ed., Plenum Press, New York, 1963, p. 19.
Bayer E, Hupe К.-P., Witsch H. &, Angew. Chem., 73, 525 (1961).
Modell M., Ryan 丄 M., пат. США 3352089 (1967).
Acta, 40, 2, 2410 (1957).
Lawrence Radiation Labo-
5.
10.
IL
12.
13.
14.
15.
16.
17.
18.
19.
20.
21.
22.
Gas Chromatography
23.
24.
25.
26.
27.
28.
29.
30.
31.
32.
список дополнительной литературы
Калмановский В. 〃,， Жуховицкий А. А., Газовая хроматография, Труды III Всесоюзной конференции по газовой хроматографии, изд. Дзержинского филиала ОКБА, Д., 1966, стр. 93.
Березкин В. Г., Горшунов О. 〃.，Ж①X, 42, 2587 (1968).
Глава 3
ТЕХНИКА ПРИМЕНЕНИЯ ПРЕПАРАТИВНЫХ КОЛОНОК
Р. Е. Пексар
R. Е. Pecsar
Varian Aerograph, Walnut Creek, California
ВВЕДЕНИЕ
Хроматография естественным образом подразделяется на два различных класса: аналитическую и препаративную хроматографию. Задача аналитической хроматографии ——получение качественной или количественной информации о составе смеси, а препаративной——выделение и сбор отдельных компонентов в чистом виде для дальнейшей идентификации, проведения химического синтеза, использования их в качестве эталонных веществ или для получения химических реактивов. Использование препаративной хроматографии для получения реактивов подробно обсуждается в последующих главах этой книги. В данной главе рассматриваются остальные из перечисленных выше применений препаративной хроматографии. Как правило, для этих целей требуются вещества в количествах, измеряемых самое большее граммами, и соответствующие разделения проводят в лабораторных масштабах на лабораторном оборудовании. Даже при необходимости осуществления высокой степени разделения требуемое количество вещества, как правило, можно собрать за непродолжительное время.
Центральное место в этом методе занимает разделительная колонка. При этом входное устройство хроматографа и детектор, как правило, аналогичны соответствующим устройствам, применяемым в аналитической хроматографии. Однако ввиду того, что в препаративной хроматографии используют большие пробы, размеры колонки должны быть увеличены по сравнению с колонками, применяемыми в аналитической хроматографии. Именно в этой области препаративная хроматография встречается с наибольшими трудностями и с этой областью связаны многие ее достижения. Если слишком сильно уменьшить эффективность колонки, то будут сведены на нет преимущества хроматографического метода и исследователь предпочтет другие методы, такие, как дистилляция. Подобным образом, если получать достаточное количество вещества в чистом виде за счет чрезмерного увеличения продолжительности разделения, будет утеряно второе важное преимущество хроматографического метода.
Из сказанного ясно, что даже в случае самой оптимальной препаративной колонки должен существовать компромисс между
такими параметрами, как скорость разделения, степень разделения компонентов и максимальная величина вводимой в колонку пробы [1]. Этот компромисс качественно иллюстрирует рис. 3.1. Улучшение любых двух из этих параметров можно осуществить лишь за счет ухудшения третьего. Иными словами, большой максимальный объем пробы и быстрое препаративное разделение можно обеспечить только для легко разделяемых смесей, а разделение большого количества трудно разделяемой смеси требует продолжительного времени.
В приведенном ниже обсуждении метода колоночной препаративной хроматографии рассматриваются лишь колонки лабораторного типа, т. е. те, диаметр которых не превышает примерно 10 см. Именно такие колонки выпускаются промышленностью и используются в лабораториях в настоящее время. По этой же причине рассматривается лишь периодический метод разделения, поскольку нет еще ни одной лабораторной установки для непрерывного разделения. Непрерывные и кольцевые хроматографические разделения проводят обычно с большими количествами вещества; они рассматриваются в других главах этой книги. Всюду ниже обсуждается проявительный метод, хотя многие из приведенных ниже выводов применимы и к фронтальной хроматографии. Следует отметить, что фронтальный анализ — это метод, который позволяет увеличить количество образца, пропускаемого через колонку. Наконец, рассматривается только газожидкостная хроматография (ГЖХ). Конечно, газоадсорбционную хроматографию можно применять в препаративных целях, однако имеется чрезвычайно мало опубликованных результатов таких применений.
Предполагается, что читатель этой главы знаком с основами газовой хроматографии (ГХ), и в особенности с основами колоночной хроматографии. Многие вопросы обсуждаются ниже на элементарном уровне, что, однако, не относится ко всему материалу. Читатели, не знакомые с основами метода, отсылаются к руководству [2], которое дает хорошее представление о методе и не перегружено математическими выкладками. Познакомиться с методом можно и по обзорам Рижндерса [3], Верзела [4] и Хьюпе [5]. Ссылки на эти работы часто встречаются в тексте этой главы.
СВЕДЕНИЯ ИЗ ТЕОРИИ
Развитие теории препаративной ГХ дано Преториусом в- гл. 1 этой книги. Цель этого раздела — дать интерпретацию теории и указать способы ее использования для получения хороших препаративных колонок.
А. УРАВНЕНИЕ ДЛЯ ВЕЛИЧИНЫ ВЭТТ
Для того чтобы охарактеризовать способность колонки к разделению данной смеси, вводят меру ее эффективности, называемую
числом теоретических тарелок. Это понятие пришло в хроматографию из методов лабораторной перегонки и найти ему аналогию в хроматографической колонке трудно. Если известны длина колонки и число теоретических тарелок, то можно вычислить отношение этих величин, которое называется высотой, эквивалентной теоретической тарелке, и обозначается обычно через ВЭТТ или h. Чем меньше величина ВЭТТ, тем, как правило, более эффективна колонка.
/• Стандартная форма уравнения
Большое число работ в области теории было посвящено описанию работы хроматографической колонки в терминах величины ВЭТТ. Наиболее широко применяемым является классическое уравнение Ван Деемтера
РИС' 32 Зависимость величины ВЭТТ от скорости газового потока.РИС' 32 Зависимость величины ВЭТТ от скорости газового потока.（3・D（3・D
РИС' 32 Зависимость величины ВЭТТ от скорости газового потока.
РИС' 32 Зависимость величины ВЭТТ от скорости газового потока.
（3・D
（3・D
В выражении для h （ВЭТТ） имеется член, прямо пропорциональный величине линейной скорости и газового потока, и член, обратно пропорциональный величине этой скорости, поэтому интуитивно можно заключить, что существует значение скорости, для которой величина ft достигает минимума. На рис. 3.2 графически показана зависимость величины Л от и и качественное влияние на эту зависимость коэффициентов Л, 5, Сг и Сж. Эти коэффициенты отнюдь не постоянны и зависят от большого числа хроматографических переменных. В расширенной форме выражение для величины ВЭТТ имеет вид
ь圖# 丄I В / 兑 \2 ^нас . 2々 4K
+ 3（1 +左）2 玄（3.2）
Член 2Azzнас связзн с расширением пики компонента, вызываемым нерегулярностями газового потока, которые появляются при
обтекании газовым потоком твердых частиц насадки. Второй член описывает продольную молекулярную диффузию в газовой фазе. При небольших скоростях газового потока этот член является определяющим, и для уменьшения величины h при этих скоростях желательно использовать «тяжелые» газы-носители. При большинстве скоростей, используемых на практике, продольная диффузия несущественна. Последние два члена представляют собой первичные вклады в величину ВЭТТ и обусловлены конечными скоростями массопередачи в подвижной и неподвижной фазах. Из выражения (3.2) можно заключить, что более эффективны колонки с малыми частицами насадки и с неподвижной фазой малой вязкости. Эти выводы верны с точки зрения теории, однако следует принимать во внимание и другие, практические соображения, которые обусловливают выбор условий.работы колонки. Эти соображения рассматриваются в последующих разделах.
Расширенная форма уравнения для препаративнойхроматографии
Уравнение Ван Деемтера дает адекватное описание работы стандартной хроматографической колонки. Препаративные же колонки, имеющие больший диаметр, описываются этим уравнением недостаточно точно. Это можно объяснить главным образом тем, что уравнение Ван Деемтера не учитывает всех факторов, которые обусловливают расширение хроматографических пиков и которые несущественны в обычной хроматографии. Подробное обсуждение десяти факторов, вызывающих увеличение величины ВЭТТ в колонках большого размера, приводит Гиддингс [6]. Наиболее значительный из этих факторов — неоднородность газового потока в плоскости поперечного сечения колонки. Причина этой неоднородности —— неравномерное распределение в плоскости поперечного сечения колонки частиц насадки разного размера: более крупные частицы располагаются ближе к стенкам колонки, и наоборот.
Такая неоднородность газового потока в сочетании с поперечной диффузией молекул газовой фазы являются главными причинами дополнительного по сравнению со стандартными колонками расширения хроматографических пиков. Теоретическому описанию дополнительных вкладов этого типа было посвящено большое число работ. Гиддингс [7] распространил свою общую неравновесную теорию на колонки большого размера. Хьютен и сотр. [3, 8] при рассмотрении расширения хроматографических пиков использовали свойство аддитивности дисперсий и получили дополнительный член, описывающий радиальную дисперсию. Наконец, Гиддингс и Смит [9] описали случайный процесс диффузии с помощью последовательности бесконечно малых, не коррелированных по фазе векторов. Несмотря на то что по сложности эти три метода существенно
отличаются друг от друга, все они дали дополнительный член в виде
(3.3)
Объединение выражений (3.2) и (3.3) дает выражение для величины ВЭТТ в расширенной форме, применимое для препаративной хроматографии:
+ 3（1；紛2式叶资（3。4）
Проверке выражения (3.4) были посвящены две работы. Гиддингс [10] изучил зависимость величины ВЭТТ от величины линейной скорости газа-носителя. Экстраполируя результаты измерений к нулевой величине пробы, он получил зависимость величины ВЭТТ от величины линейной скорости потока газа-носителя для аналитической колонки (диаметр около 0,6 см) и препаративной колонки (диаметр около 5 см). С помощью графиков зависимости h от и/£>ш и кросс-корреляций он определил, что значение коэффициента С в выражении (3.3) равно 0,8, что хорошо согласуется с предсказанным значением 0,75. Это значение величины С было получено как с гелием, так и с азотом в качестве газов-носителей, Харгроув и Сойер [11] провели сравнение аналитических колонок диаметром около 0,6 см с препаративными колонками диаметром около 2,5 см. При этом они измеряли и вычисляли теоретически величины членов, описывающих массопередачу. Теоретические вычисления предсказывают, что величины этих членов для препаративной колонки должны быть в шесть раз больше, чем для аналитической колонки, а результаты измерений показали, что они больше в 12 раз. Учитывая сложность теоретических вычислений, согласие с результатами эксперимента в данном случае, конечно, можно считать удовлетворительным.
Следует упомянуть еще одну работу в этой области. Это работа Хьюпе [12], в которой он с помощью статистического подхода получил выражение для дополнительного члена в уравнении Ван Деем- тера. Результирующее выражение в расширенной форме имеет вид
力=/+3/叶c叶g叶2,83备ь(3.5)
Профиль скоростей газового потока в колонке, соответствующий выражению (3.5), имеет несколько необычную форму, но вместе с тем это выражение дает очень хорошее согласие с экспериментом для самых разных препаративных колонок диаметром от 1,3 см
до 10 см. Однако это уравнение в какой-то мере является эмпирическим, что не способствует его развитию для применения к другим препаративным системам. В этих случаях исследователи предпочитают пользоваться уравнением (3.4).
Б. РАБОЧИЕ ПАРАМЕТРЫ
Как уже упоминалось при обсуждении уравнения Ван Деемтера, на эффективность колонки может влиять большое число параметров. Вполне очевидным было влияние размера частиц насадки, эффективной толщины слоя неподвижной фазы и скорости потока газа-носителя. Также ясной была и роль диаметра препаративной колонки. Менее очевидным, но тем не менее важным является значение длины колонки, объема пробы и способа ее ввода в колонку, природы твердого носителя и газа-носителя, а также температурного режима колонки. В аналитической ГХ эти факторы выбирают так, чтобы получить минимальное значение величины ВЭТТ. Часто подобную минимизацию можно осуществлять и в препаративной хроматографии, однако существует и другой подход, связанный с максимизацией полного количества вещества, проходящего через колонку в единицу времени. Ниже обсуждается выбор параметров в этих двух случаях оптимизации.
/. Оптимизация величины ВЭТТ
Чем меньше размер частиц насадки, тем меньше величина члена, описывающего диффузию за счет турбулентностей, и меньше величина сопротивления массопередаче в газовой фазе. Отсюда следует необходимость использования как можно более мелких частиц насадки. С другой стороны, при уменьшении размера частиц насадки увеличивается сопротивление колонки потоку газа. Поэтому процесс измельчения частиц насадки нельзя вести беспредельно. Дело в том* что при слишком мелких частицах сопротивление колонки потоку становится настолько большим, что для поддержания нужной скорости потока требуются давления, которые практически недостижимы. При работе с длинными колонками часто специально используют насадку крупного зернения с тем, чтобы уменьшить перепад давлений до приемлемого уровня. В то время как эффективность колонки прямо пропорциональна ее длине, величина ВЭТТ от длины колонки не зависит (13]. Однако по теории Гиддингса [6, 10] для коротких колонок большого диаметра такая зависимость существует, причем она практически исчезает при увеличении длины колонки. Граница между двумя этими областями определяется диаметром колонки.
Увеличение размера пробы при препаративном разделении определенно увеличивает величину ВЭТТ. Это связано со многими причинами, которые обсуждаются в последующих разделах данной
6 Зак. № 570
главы. Для компенсации этого эффекта (при использовании больших проб) часто увеличивают количество жидкой фазы по отношению к количеству материала насадки. Однако из выражения для величины ВЭТТ следует, что желателен тонкий слой неподвижной жидкой фазы, при котором меньше сопротивление массо- передаче в жидкой фазе, Поэтому здесь необходим компромисс. Если массопередача в газовой фазе ограничена, то умеренное увеличение количества жидкой фазы в колонке слабо влияет на эффективность, но позволяет значительно увеличить величину разделяемой пробы. Также критическим является и способ ввода пробы в колонку, причем наибольшие эффективности. получаются при импульсном вводе [14]. Плохая система введения пробы может существенно ухудшить работу колонки.
Выбор наилучшего газа-носителя в значительной степени определяется линейной скоростью газового потока. При малых скоростях, когда основной является продольная диффузия, желателен малый коэффициент диффузии и предпочтителен азот. При больших скоростях потока и более быстрых анализах, когда доминирует массопередача в газовой фазе, ситуация противоположна и предпочтителен гелий.
Наконец, влияние температуры на величину ВЭТТ является сложным и проблематичным. Для работы с большими пробами смесей веществ, кипящих в широком диапазоне температур, часто необходимо программирование температуры. Однако при использовании больших количеств материала насадки с малой теплопроводностью в колонке возникают большие градиенты температуры. Кроме того, при использовании проб больших величин градиенты температуры увеличиваются из-за тепловых эффектов, связанных с растворением образца в неподвижной фазе. На практике оптимальную температуру определяют экспериментально, причем небольшие изменения температуры часто могут оказывать существенное влияние на величину ВЭТТ.
Оптимизация условной производительности колонки
Ввиду того что цель препаративной газовой хроматографии一 выделение веществ в чистом виде, эффективность колонки можно определить как ее производительность, т. е. отношение величины пробы к продолжительности анализа. Основное исследование влияния различных параметров на производительность препаративной колонки выполнили Гордон и Преториус [15]. Они определили препаративную эффективность (производительность) Е как количество (в молях) данного вещества заданной чистоты, выходящего из колонки в единицу времени. Определенная таким образом препаративная эффективность предпочтительнее величины ВЭТТ, поскольку она менее чувствительна к изменениям объема пробы. Влияние на величину Е рабочих параметров зависит от трудности выполнения
данного разделения, которая обозначается через а ——коэффициент относительной летучести, отражающий селективность сорбента, или величину относительного удерживания. При а> 1,2, т. е. для достаточно простых разделений, зависимость величины Е от рабочих параметров во многом аналогична зависимости от этих параметров величины ВЭТТ, но при а<1,2 имеет место другая зависимость.
Пористый носитель, такой, как диатомитовые земли, всегда обеспечивает большую эффективность Е [16]. В случае простых разделений эффективность возрастает при уменьшении размера частиц насадки, но при этом, как и прежде, существует ограничивающий фактор ——практически достижимый перепад давлений. При более сложных разделениях препаративная эффективность не зависит от размера частиц [17]. Во всех случаях при увеличении длйны колонки препаративная эффективность Е возрастает с сопутствующим увеличением перепада давлений на колонке.
Как и прежде, объем пробы ——важный параметр и по отношению к величине Е, поскольку для каждого компонента смеси существует свой оптимальный объем для ввода в колонку. Однако с превышением этого оптимального объема эффективность уменьшается очень медленно. При работе с пробами больших величин в этом случае также увеличивают количество неподвижной фазы. Препаративная эффективность растет с увеличением количества жидкой фазы, но при этом существует предел, после которого такое увеличение дает весьма слабый эффект [16].
Наблюдалось интересное поведение величины Е при изменении диаметра колонки. Для легко разделяемых смесей препаративная эффективность примерно прямо пропорциональна квадрату диаметра колонки. При возрастании сложности смеси такая зависимость наблюдается лишь для колонок с диаметром не более 10 см. При дальнейшем увеличении диаметра колонки увеличения величины Е не происходит [18].
Так же как и прежде, существует и оптимальное по отношению к величине Е значение линейной скорости потока газа-носителя, причем 〃^!т>〃^пт， хотх на практике значения и^пт достичь трудно. При увеличении диаметра колонки оптимальное значение скорости уменьшается, а при фиксированном диаметре величина 鳴т Растет с увеличением длины колонки [19]. Как правило, при оптимизации производительности колонки по скорости газового потока возможна большая гибкость.
В. ВЗАИМОСВЯЗЬ МЕЖДУ ВЕЛИЧИНОЙ ВЭТТ,ДИАМЕТРОМ КОЛОНКИ И ПРИРОДОЙ ГАЗА-НОСИТЕЛЯ
Зависимость величины ВЭТТ от линейной скорости потока газа- носителя и диаметра колонки качественно обсуждалась в предыдущем разделе. В данном разделе приводятся количественные данные,
которые дают представление о величинах типичных параметров. Для сравнения в табл. 3.1 приведены скорости потоков гелия и азота. Приведенные значения скоростей используют на практике, и они не обязательнр соответствуют минимально возможному значению величины ВЭТТ. При этом заполнение колонок осуществляют обычными способами без использования каких-либо вспомогательных методов или приборов, позволяющих улучшить профиль скоростей газового потока в колонке. С помощью методов, которые обсуждаются ниже, величину ВЭТТ в колонках большого диаметра можно уменьшить даже на 30%.
- Таблица 3.1
Зависимость величины ВЭТТ от скорости потока, природы газа-носителя и диаметра -колонки
Диаметр колонки, см
Объемная скорость потока гелия, мл/мин
Объемная скорость потока азота, мл/мин
Минимальное значение величины ВЭТТ, мм
0,32
15
0,4
0,63
25
0,6
0,96
220
90
1,0
1,89
150
1,5
2,54—1,27 а
2100
1,7
10,16б
51 6
—
10000
3,0
•4,2
:См. работу [20].
6 См. работу [12].
Как следует из табл. 3.1, при увеличении диаметра колонки происходит уменьшение эффективности. Однако из этой же таблицы видно, что для колонок очень большого диаметра величина ВЭТТмин растет медленнее, чем увеличивается диаметр колонки. Значения величины ВЗТТ, равные 3——4 мм, являются все еще допустимыми, и на соответствующих колонках можно проводить довольно сложные разделения. Также нелинейно растет с увеличением диаметра колонки и скорость потока газа-носителя. Линейная зависимость между площадью поперечного сечения колонки и скоростью потока имеет место в колонках с диаметром, не превышающим 0,96 см, в колонках большего диаметра эта зависимость становится нелинейной.
Различный характер зависимостей величины ВЭТТ от скорости потока для разных газов-носителей обусловлен различиями коэффициентов диффузии для этих газов. Для данной колонки величины ВЭТТмин и ^опт зависят от природы газа-носителя. Чем больше молекулярный вес газа-носителя, тем, как правило, меньше зна-
чения этих величин. Для колонки диаметром около 0,32 см этот факт отражен на рис. 3.3. Из этого рисунка видно, что в такой колонке при использовании азота в качестве газа-носителя можно получить небольшое уменьшение величины ВЭТТмин. Однако для этого необходимо значительно уменьшить скорость газового потока. При использовании гелия в качестве газа-носителя скорость потока можно значительно увеличить, и при этом величина ВЭТТ лишь ненамного превысит оптимальное значение. Это позволит существенно ускорить анализ без потерь в степени разделения. К сожалению, для уменьшения денежных затрат часто приходится использовать дешевый азот, в особенности при работе с колонками
рис. 3.3. Сравнение эффективности колонки в случаях азота и гелия в качестве •газов-носителей.
большого диаметра, фигурирующими в табл. 3.1, и большими скоростями потока. С практической точки зрения величины проб, применяемые в этих колонках, мало зависят от природы газа-носителя, и поэтому используют тот газ-носитель, который более доступен.
IIL ВЕЛИЧИНА ПРОБЫ И СПОСОБВВОДА ЕЕ В КОЛОНКУ
Эффективность колонки заметно уменьшается при увеличении объема пробы. При использовании проб больших величин ширина хроматографической зоны возрастает в результате тепловых эффектов, связанных с растворением вещества в неподвижной фазе. Кроме этого, возрастает сопротивление массопередаче. Попытки увеличить емкость колонки путем введения в сорбент дополнительных количеств неподвижной фазы приводят лишь к увеличению ее сопротивления массопередаче. Каждому значению диаметра колонки соответствует определенная максимальная величина пробь!»
на практике эту величину обычно превышают, так что колонка работает в режиме перегрузки. В этих случаях, заботясь о чистоте разделенных компонентов, основное внимание уделяют часто максимизации производительности колонки.
А. ВЕЛИЧИНА ПРОБЫ
В препаративных колонках ограничения величины пробы обусловлены двумя факторами: объемом пробы и ее концентрацией [21]. Максимально допустимый объем пробы , при котором еще не происходит увеличения величины Л (ВЭТТ), равен
匕(3.6)
Для объемов пробы, не превышающих это значение, концентрация образца должна быть ниже 10 мол. % (лучше всего 1 мол. %), с тем чтобы изотерма распределения была линейной. При больших величинах пробы усиливается влияние тепловых эффектов, связанных с растворением вещества, изотерма распределения становится нелинейной и увеличивается значение ВЭТТ. Наиболее распространенный способ преодоления этих ограничений заключается в использовании повторных введений проб, которые удовлетворяют описанным выше условиям.
/. Максимально допустимая величина пробы
Большую работу по выяснению влияния величины пробы на работу колонки провел Верзел [22]. На рис. 3.4 для колонки диаметром около 0,96 см показано уменьшение эффективности при использовании проб больших величин. В области величин проб до 500 мкл эффективность уменьшается быстро с увеличением пробы, а вне этой области — медленно. Из этого же рисунка видно, что природа газа-носителя (водород, гелий, азот) чрезвычайно слабо влияет на работу препаративной колонки. Из рис. 3.5 видно, что подобное уменьшение эффективности происходит независимо от диаметра колонки. Соответствующая кривая для колонки диаметром около 2,54 см на этом рисунке аналогична кривой для колонки диаметром около 0,96 см, приведенной на рис. 3.4; колонке же диаметром около 7,6 см соответствует прямая горизонтальная линия и большее значение величины h (ВЭТТ) [23]. В результате можно заключить, что для проб объемом менее 7 мл лучшее разделение дает колонка диаметром около 2,54 см, а для проб большего объема предпочтительнее колонка диаметром около 7,6 см.
Для того чтобы в какой-то мере количественно выразить зависимость работы колонки от величины пробы, необходимо рассмотреть эффективность, которая требуется для обеспечения данного
разделения, в виде [24]разделения, в виде [24]Соответствующую зависимость можно записатьСоответствующую зависимость можно записатьРНС 3.4. влияние величины 噥嚷我聽賢蠶ть ра^ення для раззнхРНС 3.4. влияние величины 噥嚷我聽賢蠶ть ра^ення для раззнх(3.7)(3.7)Из этого выражения можно определитьИз этого выражения можно определитьи с помощью кривых, приведенных на рис. 3.4, максимально допустимую величину пробыи с помощью кривых, приведенных на рис. 3.4, максимально допустимую величину пробыРис. 3.5. Влияние величины пробы на эффективность разделения для Различных диаметров колонки [2о].Рис. 3.5. Влияние величины пробы на эффективность разделения для Различных диаметров колонки [2о]./ - диаметр колонки около 2,54 см; 2 - Диаметр колонки/ - диаметр колонки около 2,54 см; 2 - Диаметр колонки(3.8)(3.8)около 7,6 см.около 7,6 см.образом. По хро-образом. По хро-удерживания дляудерживания дляВыражения (3.7) и (3.8) используют следующим
разделения, в виде [24]
разделения, в виде [24]
Соответствующую зависимость можно записать
Соответствующую зависимость можно записать
РНС 3.4. влияние величины 噥嚷我聽賢蠶ть ра^ення для раззнх
РНС 3.4. влияние величины 噥嚷我聽賢蠶ть ра^ення для раззнх
(3.7)
(3.7)
Из этого выражения можно определить
Из этого выражения можно определить
и с помощью кривых, приведенных на рис. 3.4, максимально допустимую величину пробы
и с помощью кривых, приведенных на рис. 3.4, максимально допустимую величину пробы
Рис. 3.5. Влияние величины пробы на эффективность разделения для Различных диаметров колонки [2о].
Рис. 3.5. Влияние величины пробы на эффективность разделения для Различных диаметров колонки [2о].
/ - диаметр колонки около 2,54 см; 2 - Диаметр колонки
/ - диаметр колонки около 2,54 см; 2 - Диаметр колонки
(3.8)
(3.8)
около 7,6 см.
около 7,6 см.
образом. По хро-
образом. По хро-
удерживания для
удерживания для
матограмме вычисляют значение относительного 亠 пары наименее разделенных компонентов, которое всегда больше
единицы. Затем по величине относительного удерживания для заданного пика и неудерживаемого пика получают значение коэффициента распределения k. Наконец, принимая во внимание, что для практических целей достаточно принять значение критерия разделения R, равное единице, можно вычислить число теоретических тарелок. По определенному таким образом числу теоретических тарелок с помощью интерполяции кривых, подобных тем, которые лриведены на рис. 3.4, можно вычислить величину пробы S. Поскольку эта величина соответствует лишь одному компоненту наименее разделенной пары, то процентное содержание компонента этой пары, присутствующего в большем- количестве, ис- лользуют в качестве величины % для определения величины мдвп.
Рассмотрение приведенных выше соотношений показывает, что величина МДВП зависит от трех факторов: эффективности колонки, сложности разделения и продолжительности разделения. Сложность разделения выражается параметром а для наименее разделенной пары компонентов. Поскольку член, содержащий <х, быстро растет при приближении а к единице, то на практике следует использовать значения а, превышающие 1,1. Если значение а, полученное из хроматограммы, меньше 1,1, то следует заменить неподвижную фазу такой, которая обеспечивает большую селективность, т. е. лучшее разделение нужной пары компонентов, а следовательно, и большее значение а*. Эффективность колонки п используется для характеристики колонки в случае действительных величин используемых проб и представляет собой число теоретических тарелок для препаративной колонки. Использование числа теоретических тарелок в случаях очень малых проб, как, например, в аналитической хроматографии, здесь не имеет практического смысла. Последний из факторов — продолжительность разделения——связан с величиной коэффициента k. Если время удерживания компонентов мало, то значение k мало и объем пробы меньше. Рекомендуется работать в области значений /г от 3 до 10 [24].
Дальнейшее развитие описанного выше подхода принадлежит Бисону [26]. Поскольку для многих практически важных колонок зависимость величины 九(ВЭТТ) от величины пробы линейна, то ее можно записать в виде
(3.9)(3.9)力=mS-|-b,
(3.9)
(3.9)
где m ——тангенс угла наклона прямой, а Ь ——значение 九，соответствующее S = 0. Используя значение А=1 и пренебрегая зависи-
歩 Поэтому а можно рассматривать как характеристику селективности используемого сорбента. — Прим. ред.
мостью от 々 для относительно больших значений k, из выражений (3.7) и (3.9) можно получить
(3.10)(3.10)L (g- I)2ь
(3.10)
(3.10)
—16/иа2т
По этому выражению можно построить графики или таблицы за висимости величины S от а.
Перегрузка колонки
Перегрузка колонки наступает тогда, когда нарушены два ограничения (см. разд. III, А), определяющие максимально допустимую величину пробы, в результате чего падает эффективность колонки. В практике препаративной газовой хроматографии перегрузка колонки является скорее правилом, чем исключением. Изотермы распределения при этом нелинейны, при небольших перегрузках становятся растянутыми тыловые фронты пиков, а при больших перегрузках — и передние фронты. Однако первостепенное значение имеет чистота разделенных компонентов, и на неправильную форму пиков обращают мало внимания.
Гиддингс и Смит [9] определили пять различных типов перегрузки. Перегрузка, обусловленная конденсацией, происходит из-за быстрого испарения пробы во входном устройстве хроматографа и последующей ее конденсации в начальной части колонки. При этом увеличивается эффективная толщина слоя жидкости и создается сопротивление течению газа. Перегрузку этого типа можно уменьшить, если сделать давление пара образца ниже его парциального давления при температуре колонки. Перегрузка второго типа обсуждалась выше и связана со слишком большим объемом пробы, вводимой в колонку. В случае проб больших величин и хорошо сконструированных систем ввода перегрузка этого типа является доминирующей. Перегрузка, связанная с нелинейностью изотермы распределения, эквивалентна описанным выше эффектам, обусловленным высокой концентрацией вещества в неподвижной фазе. В системах с малой растворимостью и высокими коэффициентами активности перегрузка этого типа проявляется сильнее, и для того, чтобы уменьшить ее, требуются более разбавленные растворы. Для перегрузки этого типа характерны хроматографические пики с растянутыми передними фронтами. Перегрузке этого типа противодействует энтальпийная перегрузка. Она связана с теплотой растворения, которая выделяется при растворении вещества в жидкой фазе и вызывает повышение температуры. Эта теплота рассеивается в материале насадки колонки. Несмотря на то что этот эффект частично компенсирует перегрузку предыдущего типа, искажения формы пиков все же происходят. Наконец, существует значительный градиент температуры в направлении
радиуса колонки, связанный с рассеянием тепла через стенки колонки и обусловливающий еще один тип перегрузки. Особенно большое значение перегрузка этого типа может иметь в колонках большого диаметра; уменьшить ее можно путем тщательной теплоизоляции стенок колонки. Эта перегрузка еще сильнее уменьшает эффективность колонок большого диаметра. Следует помнить, что все описанные типы перегрузок связаны друг с другом и уменьшение одной из них может вызвать увеличение другой.
Б. ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ
Рассмотрение производительности колонки тесно связано с описанными выше эффектами перегрузки. Для смесей с малыми значениями параметра а необходимы высокоэффективные колонки и отсутствие перегрузки. С другой стороны, в большинстве случаев требуется разделить максимальное количество вещества за данный промежуток времени, и поэтому перегрузка колонки является правилом. В этом случае хроматографические пики двух наиболее трудноразделимых компонентов часто перекрываются, и для выделения этих компонентов используют метод, называемый методом «вырезания середины» [27, 28]. При этом фракции отбирают в трех участках хроматограммы, средний из которых приходится на область перекрытия пиков. Эту среднюю фракцию можно затем вновь подвергнуть разделению. Этот метод позволяет достичь большей производительности.
Другой метод, с помощью которого часто удается увеличить производительность, связан с использованием перекрывающихся вводов пробы. Если образец относительно чист и не содержит веществ, зоны которых выходят из колонки вслед за зонами целевых компонентов, и если между моментами введения пробы и выхода целевых компонентов проходит значительное время, то можно осуществлять многократные перекрывающиеся вводы проб. При этом сначала определяют интервал времени, в течение которого из колонки выходят все целевые компоненты. Этот интервал и устанавливают между моментами повторных вводов пробы. Если, например, этот интервал равен 10 мин, а время удерживания первого целевого пика равно 32 мин, то можно провести три повторных ввода. Так максимизируют производительность хроматографической колонки.
Исследуя действие перегрузки на производительность, Сойер и Пернелл {21] обратили внимание на следующие особенности: 1) количество вещества, проходящего через колонку, должно увеличиваться с увеличением площади поперечного сечения колонки; 2) легко разделяемые смеси (высокое значение параметра а) позволяют быстрее получить большие количества разделенных продуктов; 3) желательна работа при скоростях газового потока, больших Wqht； 4) чем сложнее состав образца, тем меньше производи-
тельность колонки; 5) значения коэффициента 々 выше 10 не дают преимущества.
В добавление к этим общим положениям отметим, что если давление на входе в колонку превышает 1 атм, то, поскольку концентрация разделяемых веществ ограниченна, для увеличения производительности колонки нужно увеличить содержание в ней жидкой фазы. Однако и при более низких давлениях, когда ограничивающим фактором является объем пробы, также желательно высокое содержание в колонке жидкой фазы, но целесообразно уменьшить температуру колонки.
Эти исследования подтвердили многие авторы. Как упоминалось выше, Верзел [24] не обнаружил улучшения при увеличении коэффициента k выше 10. При разделении обычных углеводородов Карел и сотр. [29] получили пропорциональное увеличение производительности при переходе от колонки диаметром около 0,96 см к колонке диаметром около 30 см. Розе и сотр. [30] наблюдали непрерывное увеличение производительности при увеличении скорости газового потока до 4 л/мин в колонке диаметром около 2,54 см. Однако при изменении температуры наблюдается отчетливый максимум производительности. Это явление может быть связано с переходом от перегрузки за счет концентрации к перегрузке за счет объема пробы. Хотя на практике нелегко определить способ контролирования перегрузки, изложенные выше соображения помогают существенно увеличить производительность колонки.
В. ТЕХНИКА ВВЕДЕНИЯ ПРОБЫ
В некоторых препаративных газовых хроматографах перенос образца из резервуара в инжектор осуществляется автоматически. Для этого обычно либо используют поршневой насос, либо отбирают пробу определенного объема из сосуда, в котором она содержится, с помощью давления. Однако в большинстве случаев лабораторных разделений в распоряжении исследователя имеется достаточное количество разделяемого материала и можно обойтись ручным вводом с помощью шприца. При этом существуют два способа: быстрое предварительное испарение образца и ввод непосредственно в колонку. С точки зрения теории предпочтительным является импульсное введение с предварительным быстрым испарением пробы. Однако практические соображения приводят часто к необходимости ввода пробы прямо в колонку. При увеличении объема пробы испаритель обычного типа не может за короткое время сообщить пробе количество тепла, достаточное для ее полного испарения. В результате зона образца на выходе из инжектора имеет примерно экспоненциальный характер. Применение давления в обратном направлении часто вызывает остановку потока. Все эти факторы приводят к тому, что хроматографическая полоса на входе в колонку расширяется больше, чем при введении пробы
непосредственно в начальный участок колонки, покрытый слоем неподвижной фазы.
Сравнение обоих методов введения для колонки диаметром около 0,96 см продемонстрировал Димик [31]. На рис. 3.6 показаны результаты разделения при использовании каждого из этих методов. В этом случае вновь ясно видно влияние способа ввода пробы на работу колонки. В случае предварительного испарения пробы происходят большие потери в степени разделения и заметное искажение формы хроматографических пиков. Верзел [4] тоже отмечал подобные нарушения в работе колонки при осторожном вводе декалина на силиконовое масло SE-30. Он предупреждал также о том, что при непосредственном введении пробы в колонку может про-
Рис. 3.6. Влияние способа ввода пробы шприцем на работу колонки [31]. а — ввод пробы (0,7 мл) непосредственно в колонку; 6 — быстрое предварительное испарение пробы (0,7 мл).
исходить смывание неподвижной жидкой фазы с носителя и что поэтому такое введение следует проводить с осторожностью. Еще один способ ввода, который применяют для проб очень больших величин, заключается в том, что газовый поток в хроматографе останавливают на время ввода. Таким способом ввод пробы в колонку легче осуществить, и хроматографические пики имеют достаточно хорошую форму.
Для того чтобы быстрее передавать тепло, необходимое для быстрого испарения пробы, и осуществить импульсное введение образца, многие исследователи делали попытки заполнить камеру испарителя материалом с высокой теплоемкостью, например стальной дробью. Этот материал нагревают обычным способом во время того, как в колонке идет процесс разделения. В обширном исследовании, посвященном препаративной газовой хроматографии, Розе и сотр. [32] рассматривали этот метод, а также и несколько других способов введения пробы с точки зрения получения максимальной производительности колонки. Кроме изучения способов введения пробы в пустые и заполненные полости для предварительного испарения образца, они рассмотрели также специальный метод ротационного распыления. При использовании обычного метода за-
полнение камеры испарителя стальной дробью давало лишь незначительное улучшение. С помощью же ротационного распыления при незаполненной камере была получена наибольшая производительность: 19,5 мл/ч на колонке диаметром около 5 см. Ротационное распыление осуществляют с помощью изогнутой иглы шприца со сплющенным концом. Этой иглой прокалывают мембрану входного устройства хроматографа и одновременно с вводом пробы поворачивают шприц на полный оборот, опрыскивая разделяемым образцом горячие стенки колонки. Как для ротационного, так и для обычного метода существует оптимальное время ввода. Слишком быстрое или слишком медленное введение уменьшает разрешение и производительность. Удовлетворительные результаты получаются при продолжительности ввода 1,5—3 мин.
Основное, что должно быть ясно из приведенного выше обсуждения, заключается в том, что способ введения, который часто считают маловажным фактором, оказывает существенное влияние на разделительную способность колонки и ее производительность.
Г. ГРАДИЕНТНЫЕ КОЛОНКИ
При введении образца непосредственно в колонку концентрация компонентов разделяемой смеси в начальном участке колонки чрезвычайно высока. Обычно при этом наступает перегрузка колонки. Чтобы избежать перегрузки и увеличить емкости колонки, используют градиент жидкой фазы. Начальный участок колонки имеет при этом высокое содержание жидкой фазы, в которой может раствориться образец. После установления нормальных концентраций жидкости и пара можно использовать обычное количество жидкой фазы. Таким образом, при удалении от входа в колонку относительное количество жидкой фазы на твердом носителе постепенно уменьшается. В конце колонки относительное количество жидкой фазы даже меньше обычно используемого количества. Уменьшение количества жидкой фазы с расстоянием от входа в колонку может по желанию быть линейным или нелинейным. Локке и Мелоун [33] получили примерно одинаковые эффективности для колонки с градиентом жидкой фазы и обычной колонки, но степень разделения в колонке с градиентом жидкой фазы была лучше. Однако дополнительные осложнения, связанные с трудоемкостью нанесения жидкой фазы, ставят под сомнение выигрыш в степени разделения.
На многосекционной колонке диаметром около 1,6 см фирмы 《Beckman》Дьюти [34] изучал эффективность, степень разделения и форму хроматографических пиков в обычных колонках и в колонках с линейным градиентом жидкой фазы. Многосекционные колонки состояли из 12 секций, соединенных тонкими трубками. В такнх колонках гораздо легче получить требуемую зависимость
изменения количества жидкой фазы с расстоянием от входа в колонку (градиент жидкой фазы). Полученные результаты в основном аналогичны результатам Локке. Эффективности были сравнимы в обоих случаях, а при увеличении пробы работа колонки с градиентом жидкой фазы ухудшалась гораздо медленнее, чем работа обычной колонки, и потому первая была более эффективной.
Престон [35] отмечал, что, как правило, колонки с градиентом жидкой фазы имеют увеличенное значение величины ВЭТТ, улучшить которое можно лишь ненамного. Однако в одном случае лучшие результаты были получены при использовании обратного закона изменения количества жидкой фазы с расстоянием от входа в колонку. Несмотря на то что этот метод выглядит заманчиво, из работ, имеющихся к настоящему времени, не следует его очевидное преимущество и, кроме того, используемые колонки сложнее в изготовлении.
IV. СПОСОБЫ УВЕЛИЧЕНИЯ МАСШТАБАХРОМАТОГРАФИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА
Предположения о потенциальных возможностях препаративной газовой хроматографии восходят еще ко времени возникновения самой газовой хроматографии. Многим исследователям виделись хроматографические процессы промышленного масштаба, в которых обрабатываются материалы в количествах, подобных тем, с которыми имеют дело современные химические заводы. Ограничения, которые препятствуют реализации этих предвидений, связаны с тем, что при увеличении размеров колонки происходит уменьшение ее эффективности. Лишь относительно недавно хроматография промышленного масштаба, о которой говорится ниже, стала реальностью.
Для увеличения емкости препаративной колонки были предложены четыре метода:
Увеличение длины колонки.
Использование нескольких колонок, работающих параллельно.
Циклическая автоматическая работа колонки.
Увеличение диаметра колонки.
Из-за практических ограничений, связанных с использованием первых двух методов, последние два стали особенно популярными. Несмотря на то что препаративная колонка работает обычно в условиях перегрузки, степень перегрузки можно уменьшить с помощью циклической работы колонки и увеличения ее диаметра. Эти же принципы используют и для увеличения производительности колонки до промышленного уровня, но при этом применяют вспо-
могательные методы для поддержания величины ВЭТТ на подходящем рабочем уровне, например устанавливают в колонке специальные вспомогательные элементы.
УВЕЛИЧЕНИЕ ДЛИНЫ КОЛОНКИ
В принципе емкость колонки по отношению к разделяемой смеси пропорциональна количеству содержащейся в ней неподвижной фазы. Для поддержания эффективности колонки на уровне, характерном для колонок нормального диаметра, и увеличения количества содержащейся в ней жидкой фазы необходимо увеличивать длину колонки. Этот факт экспериментально подтвердили де Вет и Преториус [36]. Однако увеличение длины не может быть беспредельным, поскольку при этом требуются все большие перепады давлений, обеспечить которые на практике не всегда возможно. Для уменьшения необходимого перепада давлений обычно используют насадку крупного зернения. Однако крупное зернение ——это не только частицы большего диаметра и хорошая проницаемость колонки, но и повышенное сопротивление массопередаче в газовой фазе. Поэтому необходим некоторый компромисс. Ранее было показано, что при увеличении длины препаративной колонки выше некоторого минимального значения величина ВЭТТ не изменяется [6, 8, 13, 37].
Другая проблема, связанная с увеличением длины колонки,— увеличенное время удерживания. При использовании узких и длинных колонок с целью увеличения емкости для трудно разделимой пары компонентов время анализа увеличивается, поскольку существует связь между емкостью, степенью разделения и скоростью газового потока. Большие времена пребывания компонента в колонке приводят обычно к дополнительному расширению его хроматографической полосы. Увеличение времени удерживания можно скомпенсировать тремя способами. Можно использовать меньшее количество жидкой фазы, однако это приводит к потере выигрыша в емкости. Помогают ускорить разделение и большие скорости газового потока. Несмотря на то что существует оптимальное значение скорости иОпт, оно не имеет существенного значения для проб больших размеров, используемых в препаративной хроматографии, причем при значительном увеличении скорости происходит лишь незначительное уменьшение эффективности. Наконец, время удерживания меньше, когда хроматограф работает при высоких температурах. По этой причине в препаративной хроматографии используют более высокие температуры, чем в аналитической хроматографии. При повышении температуры колонки следует следить за тем, чтобы пары неподвижной фазы, выходящие из колонки, не загрязняли собранные фракции. По этой причине в препаративной хроматографии можно использовать лишь весьма ограниченное число неподвижных фаз.
Из сказанного ясно, что увеличение емкости колонки путем увеличения ее длины всегда сопровождается изменениями многих других параметров. Вследствие этого данный метод применяют, как правило, лишь к трудноразделимым смесям, которые невозможно разделить каким-либо другим способом. Основным ограничением описанного метода является возрастание необходимого перепада давлений, что предъявляет более жесткие требования к конструкции хроматографа.
Б. СИСТЕМЫ ПАРАЛЛЕЛЬНЫХ КОЛОНОК
Использование нескольких параллельно работающих колонок с целью увеличения емкости имеет то преимущество, что каждая из этих колонок может иметь не слишком большие диаметр и
4 2 л Б в戈0P kueg asss^.4 2 л Б в戈0P kueg asss^.Рис. 3.7. Сравнение эффективностей одиночной колонки и системы параллельно работающих колонок (длина каждой колонки 1,8 м) [38].4 — одиночная колонка диаметром 0,64 см, скорость потока 0,1 л/мнн; 5 — одиночная колонка диаметром 1,6 см, скорость потока 1,25 л/мнн; В — восемь параллельных колонок диаметром 1,6 см каждая; скорость потока 10,0 л/мнн; смесь: 30% толуола, 30% бензола н этилбензола.Рис. 3.7. Сравнение эффективностей одиночной колонки и системы параллельно работающих колонок (длина каждой колонки 1,8 м) [38].4 — одиночная колонка диаметром 0,64 см, скорость потока 0,1 л/мнн; 5 — одиночная колонка диаметром 1,6 см, скорость потока 1,25 л/мнн; В — восемь параллельных колонок диаметром 1,6 см каждая; скорость потока 10,0 л/мнн; смесь: 30% толуола, 30% бензола н этилбензола.
4 2 л Б в戈0P kueg asss^.
4 2 л Б в戈0P kueg asss^.
Рис. 3.7. Сравнение эффективностей одиночной колонки и системы параллельно работающих колонок (длина каждой колонки 1,8 м) [38].
4 — одиночная колонка диаметром 0,64 см, скорость потока 0,1 л/мнн; 5 — одиночная колонка диаметром 1,6 см, скорость потока 1,25 л/мнн; В — восемь параллельных колонок диаметром 1,6 см каждая; скорость потока 10,0 л/мнн; смесь: 30% толуола, 30% бензола н этилбензола.
Рис. 3.7. Сравнение эффективностей одиночной колонки и системы параллельно работающих колонок (длина каждой колонки 1,8 м) [38].
4 — одиночная колонка диаметром 0,64 см, скорость потока 0,1 л/мнн; 5 — одиночная колонка диаметром 1,6 см, скорость потока 1,25 л/мнн; В — восемь параллельных колонок диаметром 1,6 см каждая; скорость потока 10,0 л/мнн; смесь: 30% толуола, 30% бензола н этилбензола.
длину. Полное количество используемой при этом жидкой фазы остается неизменным, а количество ее в каждой из колонок близко к тому, которое типично для аналитических колонок. На первый взгляд кажется, что этот подход позволяет разрешить все трудности, связанные с большими диаметрами и длинами препаративных колонок.
В первом промышленном препаративном газовом хроматографе использовались восемь параллельно работающих колонок диаметром около 1,6 см каждая [38]. В этом ^хроматографе применялась система рециркуляции газа, а колонки были заключены в оболочку с контролируемой температурой. Сравнительные характеристики этого хроматографа и одиночных колонок представлены на рис. 3.7.
Величина ВЭТТ для подобной составной колонки та же самая, что и для одиночной колонки эквивалентного диаметра, а емкость — в восемь раз больше. Максимальная емкость составной колонки равна примерно 20 мл. Для проб очень малых размеров минималь* ное значение величины ВЭТТ для этой колонки равно 2 мм [39].
Из-за сложности и трудоемкости балансировки колонок, работающих параллельно друг с другом, этот метод не получил широкого распространения. На входе в составную колонку газовый поток делится на несколько частей. Сопротивления, испытываемые каждым из полученных после деления потоков, должны быть одинаковы, так как в противном случае времена выхода разделенных компонентов из составляющих колонок отличаются друг от друга. Это приводит к увеличению ширины суммарного хроматографического пика и уменьшению степени разделения соседних пиков. Одновременный выход пиков из составляющих' колонок является основным, но не единственным признаком сбалансированной системы параллельно работающих колонок. Выражение для удерживаемого объема можно записать в виде
吟П=%+К 乙， (3.9)
Видно, что для получения одинакового удерживания во всех параллельно работающих колонках должны быть сбалансированы оба члена в выражении (3.9). Следует принимать во внимание как время пребывания вещества в жидкой фазе, так и время его прохождения в газовой фазе через колонку. Времена пребывания в жидкой фазе можнсг сделать одинаковыми, если поместить в каждую из колонок одно й то же количество насадки, покрытой слоем жидкой фазы. В этом случае балансировка сопротивлений колонок путем подбора обратных давлений с помощью небольших пробок (или другими способами) обеспечит 9Динаковые удерживаемые объемы во всех' составляющих колонках. Подобная регулировка, несомненно, выполнима, однако она требует большого опыта и применяется довольно редко.
РАБОТА С ПОВТОРЕНИЕМ ЦИКЛА
С увеличением объема пробы эффективность колонки падает очень быстро. Чтобы избежать этого, следует повторно проводить разделение малых проб до тех пор, пока не будет накоплено требуемое количество вещества в чистом виде. Если введение пробы и управление процессом производится вручную, то оператор быстро утомляется. Здесь-то и необходима автоматизация. При использовании проб малых объемов перегрузки сведены к минимуму и возможны более сложные разделения.
- Автоматизация работы колонки с повторением цикла связана со значительным усложнением конструкции препаративного газового хроматографа. В типичной автоматизированной установке
7 Зак. № 570 、
образец после предварительного подогрева или без него автоматически подается в инжектор. Такая подача обеспечивается пневматическим поршневым насосом или устройством, которое на фиксированное время повышает давление в резервуаре с образцом. После ввода автоматически выполняется программированный цикл операций. Вначале температура колонки поддерживается постоянной в течение времени выхода низкокипящих растворителей. Затем производится цикл разделения, причем температура программируется или остается постоянной. Каждый выходящий компонент детектируется и улавливается, после чего устройство для улавливания подготавливают к приему следующей фракции. После сбора всех нужных компонентов в конце температурной программы колонки можно предусмотреть изотермический режим с целью вывода из колонки каких-либо высококипящих веществ. После этого колонку охлаждают до исходного значения температуры и повторяют описанный цикл. Вся система работает автоматически, и после накопления достаточного количества разделенных продуктов ее выключают. Разделение в такой системе требует времени, но зато оно осуществляется при минимальном участии человека.
Как правило, автоматические хроматографы управляются датчиком времени или сигналом от хроматографического пика. В обоих случаях необходимо соблюдать некоторые предосторожности. При временном управлении (датчиком времени) устройством для отбора фракций необходима чрезвычайно высокая воспроизводимость времени удерживания. Любое изменение продолжительности цикла разделения или старение колонки означает изменение времени выхода компонентов и вызывает ошибочные переключения устройства для сбора фракций. Ввиду того что для каждой колонки существует определенная скорость выхода из нее паров жидкой фазы, количество жидкой фазы в колонке постоянно уменьшается и уменьшается время удерживания. Исправить этот недостаток можно либо путем введения соответствующей дополнительной программы автоматической компенсации, либо путем увеличения степени разделения, с целью получения «временных окон》для предотвращения перемешивания компонентов из-за наложения друг на друга соответствующих им хроматографических полос. Однако большинство разделений, проводимых на практике, сложны и требуют высоких температур, характеристики колонок при этом заметно изменяются, и поэтому автоматическое временное управление ими осуществить трудно.
При втором способе автоматического управления хроматографом для переключения устройства отбора фракций используется сигнал от хроматографического пика. В этом случае Изменения времен удерживания, вызываемые изменениями характеристик колонки или иными причинами, не приводят к ошибочным переключениям устройства для отбора фракций. Однако встает вопрос о том, какой величины сигналы следует использовать для управ-
ления этим устройством или, иначе, насколько должен отличаться полезный сигнал от шума? Еще один вопрос связан с тем, какова должна быть высота седловины между соседними пиками при недостаточной степени разделения, так чтобы соответствующие компоненты не улавливались в одном и том же цикле работы устройства и в то же время не пропускались малые пики. Эту задачу можно решить, используя более сложные детекторы, подобные детектору с интегрированием пиков. Несмотря на сложность метода с управлением по сигналу пика, он очень широко применяется в хроматографах, работающих с повторением циклов. При этом используются пробы меньших размеров, не возникает перегрузок колонки, больше эффективность разделения и в то же время получаются достаточные количества разделенных веществ, хотя и за счет некоторого проигрыша во времени.
Г. УВЕЛИЧЕНИЕ ПЛОЩАДИ ПОПЕРЕЧНОГО СЕЧЕНИЯ КОЛОНКИ
Последним из обсуждаемых здесь и в данный момент наиболее популярным методом увеличения производительности хроматографа является метод, связанный с увеличением диаметра колонки. Увеличение диаметра часто применяют в совокупности с методом повторения циклов, в особенности это относится к разделениям промышленного масштаба. Поскольку при этом нет необходимости в использовании длинных колонок, необходимый перепад давлений оказывается умеренным и легко обеспечивается имеющимся в настоящее время оборудованием. Увеличение диаметра колонки ——единственный способ действительного повышения допустимого размера пробы до любого требуемого уровня, и потому этот способ был наиболее тщательно исследован. Принципиальный его недостаток ——уменьшение эффективности колонки.
Основная причина этого уменьшения — трудность равномерного заполнения колонки материалом насадки. Насадка состоит из неодинаковых частиц, размеры которых заключены в некотором диапазоне, и вследствие этого может происходить их сегрегация. Сегрегация частиц насадки приводит к искажению профиля скоростей газового потока в колонке. В областях с менее плотной насадкой больше проницаемость, а следовательно, больше и скорость газового потока. В областях с более плотной насадкой, т. е. в областях, заполненных частицами малого размера, образец удерживается дольше, что приводит к увеличению ширины хроматографических пиков. Расширение пиков приводит к уменьшению эффективности и степени разделения.
Было предложено несколько путей преодоления этих недостатков. Один из них — использование при заполнении колонки трамбовки, вибрации и уплотнения. Насадку вводят при этом небольшими порциями и уплотняют вибрацией и с помощью трамбовок. Получаемые в результате колонки имеют высокую эффективность, 7*
однако воспроизводимость характеристик колонки при использовании этого метода не слишком высока. Еще один способ борьбы с искажением профиля 'скоростей — периодическое перемешиванйе газового потока через равные промежутки времени. При этом разрушается любой образовавшийся неравномерный профиль скоростей. Как правило, такое перемешивание потока осуществляют с помощью установленных внутри колонки перегородок, которые отклоняют поток в радиальном и продольном направлениях. Этот способ используют исключительно в колонках промышленного масштаба, при этом предъявляют меньшие требования к качеству заполнения колонки материалом насадки. По мере уменьшения диаметра колонок устанавливать в них перегородки становится все более трудно. Третий способ получения равномерного профиля скоростей газового потока, в колонке — псевдоожижение материала насадки при заполнении колонки. Для этого колонку заполняют насадкой, и -затем снизу вверх пропускают поток газа так, что насадка становится подвижной. После непродолжительного перемешивания газом насадка колонки имеет низкую плотность, причем частицы ее равномерно распределяются по радиусу. И хотя упаковка насадки при этом оказывается несколько нестабильной, газовый поток в такой колонке имеет равномерный профиль скоростей.
Описанные выше способы увеличения масштабов хроматографического процесса имеют те или иные ограничения, но отражают существующее состояние техники препаративной газовой хроматографии. Для увеличения производительности хроматографов можно использовать длинные колонки обычного диаметра или колонки большого диаметра и умеренной длины. В автоматических хроматографах, работающих с повторением циклов, часто пользуются увеличением и диаметра, и длины колонки.
СРАВНЕНИЕ ДЛИННЫХ И УЗКИХ КОЛОНОКС КОРОТКИМИ И ШИРОКИМИ
Обычный вопрос, полностью ответить на который нельзя еще и сегодня, звучит так. Что лучше для данного разделения: длинная и узкая колонка или короткая и широкая? Сейчас все чаще высказывается мнение о том, что вместо противопоставления таких колонок друг другу их следует рассматривать скорее как дополняющие друг друга и, прежде чем сделать выбор между ними, следует тщательно изучить требования к разделению. Колонки обоих типов позволяют получить требуемое количество вещества •в чистом виде. Больший диаметр колонки позволяет в препаративных разделениях увеличить размер вводимой пробы.
То же самое количество вещества дает- и длинная колонка обычного диаметра, работающая в автоматическом режиме с повторением циклов.
Основную роль в определении типа необходимой колонки играет коэффициент селективности (или сложности разделения) * а. Если смесь содержит трудноразделимые компоненты и а<1,15, то для разделения такой смеси требуется высокая эффективность, характерная для длинных и узких колонок, а - объем вводимой пробы необходимо уменьшить. Если же смесь легко разделима и а>1,15, то часто можно значительно увеличить количество выходящего из колонки вещества в единицу времени путем использования колонок большого диаметра. Однако существует множество смесей, разделение которых можно проводить на колонке любого из этих двух типов. Цель данного раздела ——обсудить преимущества и недостатки колонок каждого из этих типов и рассмотреть особенности их работы.
Верзел [13] показал, что при использовании длинных и узких колонок и проб препаративного размера изменения типа' газа-носителя, типа и количества жидкой фазы, а также размера частиц насадки вызывают небольшие изменения в эффективности. Поэтому с точки зрения материальных затрат в таких колонках выгодно использовать дешевые газ-носитель и материал насадки и небольшие количества жидкой фазы. Насадка крупного зернения не только дешевле, но и позволяет использовать меньший перепад давлений на колонке. То, что узкие колонки требуют меньших по абсолютной величине скоростей газового потока, позволяет несколько увеличить как эффективность колонки, так и эффективность улавливания разделенных компонентов. Малая скорость газового потока облегчает конденсацию разделенных веществ и уменьшает потери, связанные с увлечением их потоком газа-носителя и выдуванием из охлаждаемой ловушки. Важность программирования температуры колонки в аналитической хроматографии уже была показана; так же важно оно и в препаративной хроматографии. Программирование температуры увеличивает емкость колонки, уменьшает продолжительность разделения и часто позволяет увеличить величину коэффициента селективности. Программирование температуры и равномерный профиль скоростей газового потока в длинных и узких колонках обеспечить нетрудно. Узкая колонка прогревается быстро и равномерно. Это значительно улучшает воспроизводимость основных параметров разделения при повторении циклов.
Многие свойства коротких и широких колонок противоположны аналогичным характеристикам длинных и узких колонок. Большой диаметр позволяет получить большую производительность. Объем пробы для колонок диаметром около 10 см, как правило, находится в пределах 50——100 мл. При благоприятных условиях и больших значениях коэффициента селективности можно использовать и пробы объемом 200——300 мл. Для длинных колонок характерна
См. примечание к стр. 88.
0 丄
W q qq q S Й л и о Й я к Я н н S й н с S н в з S S g ё g § aoooow оу 口 W
§ 8 S g ? 2。^皆
™ й 33 ®5 5к §
®gои онл
芒曾旻^8 £
ro-sMHOIfoM moHBIUEdEIIadu ARSH &Ю2М
•8 G^a^G^
большая продолжительность разделения. Часто это означает также и низкую производительность, если только смесь не состоит из небольшого числа компонентов и не применяется метод перекрывающихся вводов проб. Для коротких широких колонок характерна малая продолжительность разделения, В совокупности с большой допустимой величиной пробы это позволяет получать производительности, приближающиеся к промышленному уровню. При выборе материалов для широких колонок' часто большую роль играют экономические соображения. При использовании в разных колонках одного и того же газа-носителя, одной и той же жидкой фазы и насадки затраты на единицу количества получаемых разделенных веществ, грубо говоря, одинаковы. Для короткой и широкой колонки требуется большое количество этих материалов, но она производит и большое количество разделенных веществ. Таким образом, затраты на единицу количества разделенных веществ растут не обязательно пропорционально затратам на насадку, жидкую фазу и газ-носитель. Несмотря на то что в коротких и широких колонках скорости газового потока высоки, продолжительность разделения в них мала и расход газа-носителя почти тот же. Существуют убедительные данные сравнения длинных узких колонок с короткими и широкими с точки зрения материальных затрат, но выбор той или иной колонки нельзя, конечно, осуществлять только по этому критерию [40, 41]. ■
При выборе колонки следует руководствоваться главным образом легкостью разделения данной смеси. Помочь в таком выборе может табл. 3.2 [40].. Для трудных разделений, характеризующихся малыми значениями а, лучше использовать длинные и узкие колонки, а для смесей с большим значением а ——короткие и широкие. Выбор граничного значения а=1,15, конечно, здесь произволен. При разделении смесей, состоящих из нескольких компонентов, кипящих в широком диапазоне температур, ощутимое преимущество дает программирование температуры колонки, особенно программирование с малой скоростью. Если в смеси содержится пара компонентов, близких по времени удерживания, то разделение этой смеси единственно возможно на длинной и узкой колонке с программированием температуры. Внимательное изучение табл. 3.2 показывает, что нельзя сделать категорического суждения о преимуществе колонки того или иного типа и что колонки разных типов могут дополнять друг друга и совместно обеспечивать требуемое разделение. Как правило, ни одна из колонок не является безусловно лучшей.
ТВЕРДЫЕ НОСИТЕЛИ
В препаративной хроматографии на твердый носитель обращают, как правило, значительно меньшее внимание, чем в аналитической хроматографии. Основная причина этому ——материальные
соображения. Еще одна причина связана с количеством наносимой на носитель жидкой фазы. Было показано, что емкость колонки прямо пропорциональна количеству содержащейся в ней жидкой фазы. Поэтому количество жидкой фазы в препаративной колонке велико: так, например, на хромосорб W наносят обычно 20—25% жидкой фазы. Большее количество жидкой фазы обеспечивает более полное покрытие всех пор и промежутков в твердом носителе, что уменьшает потенциальную возможность адсорбции на нем компонентов образца.
А. КЛАССИФИКАЦИЯ НОСИТЕЛЕЙ
В лабораторной хроматографии используется большое число твердых носителей: диатомитовые земли, стеклянный бисер, металлические частицы, .моющие порошки, керамические материалы и гранулированные полимеры. Эти материалы довольно дороги, но в обычной хроматографии они требуются в небольших количествах, и поэтому их стоимость практически не имеет значения. В препаративной же хроматографии диаметр колонок больше и требуются гораздо большие количества твердых носителей. Поэтому обычно используются лишь два первых из перечисленных выше материалов. Стеклянный бисер употребляют до сих пор только в колонках диаметром около 0,96 см.'
Диатомитовые земли
Носители из диатомитовых земель приготавливают из материала, который добывают в залежах морских диатомитов, главным производителем является корпорация «Johns-Manville». Диатомитовые земли составляют свыше 90% всех материалов, используемых в настоящее время в качестве твердых носителей. Диатомитовые^ земли семейства, известного под маркой 《хромосорб》, приготавливают из диатомита путем его кальцинирования и другой обработки. Ниже рассматриваются характеристики материалов типа хромосорб Р, W, G и А. Вопросы, связанные с изготовлением носителей, достаточно подробно обсуждаются в работе Оттенштейна [42] и в статье Хорвата [2] и лоэтому здесь не рассматриваются. Некоторые из основных характеристик каждого из этих материалов представлены в табл. 3.3.
Материал хромосорб Р получают в результате прокаливания огнеупорного кирпича, и он представляет собой относительно прочный носитель. Он имеет довольно высокую адсорбционную способность и полезен поэтому только при использовании больших количеств жидкой фазы, типичных для препаративной ГХ. Это сайый дешевый из носителей, и в этом его основное преимущество. Материал хромосорб W — это диатомит, подвергнутый термощелочной обработке, чем и объясняется его белый цвет. Этот
Таблица 3.3
Свойства носителей типа хромосорб
Хромосорб
W
G
А
Цвет
Розовый
Белый
Серо-белый
Розовый
Величина pH
6,5
8,5
8,5
7,1
Плотность при свободной засыпке, г/см3
0,38
0Д8
0,47
0,40
Плотность после уплотнения, г/см3
0,47
0,24
0,58
0,48
Удельная поверхность, м2/г
4,0
1,0
0,5
2,7
Удельная поверхность, м2/см3
1.9
0,3
0,3 -
1,3
материал характеризуется гораздо меньшей адсорбционной способностью, чём хромосорб Р, но он очень легко истирается. Даже с нанесенным на него большим количеством жидкой фазы он не выдерживает энергичной вибрации или трамбовки. Материал хромосорб G по адсорбционным свойствам очень близок к материалу хромосорб W, но несколько более инертен, чем последний. Он является наиболее прочным из хроматографических носителей. Ввиду того что хромосорб G имеет очень малую площадь поверхности, концентрация жидкой фазы на нем ограничена 5——10%. Материал хромосорб А был создан специально для препаративной хроматографии. Его прочность и емкость относительно жидкой фазы те же, что и у хромосорба Р, а адсорбционная способность существенно уменьшена. Естественно, что, имея большую площадь поверхности, этот материал не так инертен, как материалы хромосорб W или G, но свойства хромосорба А представляют собой удачный компромисс между свойствами хромосорбов Р и W.
Окончательный выбор материала носителя зависит часто от стабильности разделяемой смеси. Если компоненты этой смеси склонны к разложению, то наиболее важным фактором становится инертность носителя и при этом приходится до некоторой степени жертвовать его емкостью по отношению к жидкой фазе. Верзел [43] обнаружил, что в длинных и узких колонках на каталитически активных носителях при температуре разделения происходит разложение разделяемой смеси. При этом он использовал колонку длиной 75 м; большое время пребывания в ней разделяемой смеси создавало достаточную возможность для взаимодействия этой смеси с веществом носителя. По той же причине материал носителя, который наилучшим образом подходит для аналитической хроматографии, может оказаться не столь хорошим для препаративной хроматографии. Были оценены характеристики насадок
с материалами газ-хром Р, хромосорб W и анакром ABS в качестве носителей и жидкой фазой SE-30 по отношению к пробам таких величин, которые типичны для аналитической и препаративной хроматографий. Для проб, используемых в аналитической хроматографии (<10 мкл), колонки с материалом газ-хром Р в качестве насадки были эффективнее колонок с материалами хромосорб W или анакром ABS [13]. Однако для проб объемом более 50 мкл наилучшим оказался материал хромосорб W. Основываясь на приведенных выше соображениях, для разделения соединений, склонных к разложению, следует предпочесть материалы хромосорб W или хромосорб G, причем емкость последнего по отношению к жидкой фазе значительно меньше, чем первого.
Другие материалы
• Как упоминалось выше, кроме диатомитовых земель, лишь немногие из материалов насадок вследствие их дороговизны используют в препаративной хроматографии. Следует отметить два из них: стеклянный бисер и кусочки металлической проволоки.
Почти все разделения в колонках большого диаметра проводят в изотермическом режиме. Попытки программирования температуры таких колонок приводят обычно к невоспроизводимым результатам из-за появления градиентов температуры в плоскости поперечного сечения колонки. Диатомитовые земли — хорошие материалы для носителей, но они имеют слишком малую теплопроводность. Вследствие этого поток тепла от стенок колонки к ее оси очень мал, а градиент температуры велик. Для преодоления этой трудности Митцнер и Джонс [44] предложили в качестве носителя использовать кусочки проволоки из нержавеющей стали. (Металл имеет гораздо большую теплопроводность, чем диатомитовые земли, и поэтому при программировании температуры в колонке с металлическим носителем возникают меньшие градиенты температуры.) Эффективность колонки диаметром около 2 см с таким носителем (проволочки длиной около 0,6 см U-образной формы) при использовании проб малых величин оказалась в два раза больше эффективности такой же колонки с носителем хромосорб W. При использовании проб больших величин эффективности обеих колонок были примерно одинаковы.
Если разделяемая смесь очень нестабильна, то следует использовать менее активные носители. Верзел [24] провел сравнение стеклянного бисера и стеклянной ваты с материалом хромосорб G. Шарики стеклянного бисера имели диаметр 0,8 мм, а стеклянная вата состояла из прядей длиной около 5 мм. Ввести такую насадку в колонку было чрезвычайно трудно, и вся операция отнимала много времени. Оба эти материала химически мало активны по сравнению с материалом хромосорб G. По характеристике изменения эффективности с объемом пробы (в колонке диаметром около
0,96 см и жидкой фазой SE-30) носитель' из стеклянной ваты оказался сравнимым с материалом хромосорб G. Колонки со стеклянным бисером имели гораздо меньшую эффективность, чем колонки со стеклянной ватой и материалом хромосорб G, за исключением случаев, когда использовали пробы очень больших величин. К сожалению, колонки со стеклянной ватой имеют недопустимо высокое сопротивление потоку газа, и это приводит к большой продолжительности разделения. Вследствие этого при разделении очень нестабильных смесей на практике ограничиваются применением стеклянного бисера.
Б. РАЗМЕРЫ ЧАСТИЦ НОСИТЕЛЯ И НЕОДНОРОДНОСТЬЕГО ЗЕРНЕНИЯ
Перепад давлений
Расширенное уравнение Ван Деемтера показывает, что теоретически максимальная эффективность колонки получается при минимально возможном размере частиц насадки. Поэтому в принципе размер частиц носителя должен быть очень малым. На практике размер частиц ограничен снизу сопротивлением колонки потоку газа. В то время как перепад давлений на колонке обратно пропорционален квадрату диаметра частиц носителя, величина ВЭТТ обратно пропорциональна диаметру частиц только в первой степени. Поэтому любое увеличение эффективности, связанное с уменьшением размера частиц насадки, получается всегда только за счет значительного' увеличения сопротивления колонки потоку газа . '
Для самых высокоэффективных аналитических колонок наименьший диаметр частиц находится в пределах 105——125 мкм (измельчение 120—140 меш). Перепады давлений на таких колонках длиной около 1,5—3 м обычно не превышают нескольких атмосфер.. Однако перепад давлений растет и с увеличением длины колонки. Длина препаративной колонки диаметром около 0,96 см может достигать 34—68 м. При использовании в таких колонках частиц насадки малого размера с целью увеличения эффективности перепады давлений могут достигать сотен атмосфер. Ясно, что, несмотря на возможно высокую эффективность таких колонок, их трудно использовать в обычных хроматографах, имеющихся в продаже. Кроме того, в колонках с плотной насадкой меньше скорость газового потока и больше продолжительность разделения. Это наблюдалось на колонках с носителем из стеклянной ваты. В случае длинных и узких колонок, которые используются
для проведения трудных разделений, для обеспечения приемлемых перепадов давлений приходится использовать носители более крупного зернения. Наиболее часто в препаративной хроматографии используют насадки с частицами диаметром 250——590 мкм (измельчение 30——60 меш), а для очень длинных колонок используют и частицы диаметром 590—2000 мкм (измельчение 10—— 30 меш). При переходе, от носителя, измельченного до' 120— 140 мещ, к носителю, измельченному до 10—30 меш, можно ожидать почти стократного уменьшения перепада давлений на колонке. Таким образом, используя носители крупного зернения, можно обеспечить приемлемые перепады давлений и на длинных узких колонках.
'2. Эффективность
Теперь, после того как путем увеличения диаметра частиц насадки удалось обеспечить приемлемый перепад давлений на колонке, встает вопрос о том, насколько при этом пришлось пожертвовать ее эффективностью? В случае аналитической системы произойдет большое увеличение величины ВЭТТ. Однако в препаративной системе эта жертва относительно невелика. Причина этому ——гораздо большие величины проб, используемые в препаративной хроматографии. Роль диаметра частиц носителя и их распределение изучали многие исследователи [8, 45——47]. Общий вывод состоит в том, что по мере увеличения пробы размер частиц имеет все меньшее значение, причем все колонки дают примерно одну и ту же эффективность. Для материала хромосорб А [46] это иллюстрируется табл. 3.4.
Таблица 34
Влияние размера частиц насадки иа эффективность колонки [46]
Объем пробы изопропилбензола, мкл
Размер частиц, меш
30—40а
20-30а
10~20а
10—20б
25
12 416
7120
5024
4736
250
2 176
1944
2304•
2048
1250
496
416
560
496 ,
2500
240
256
229
208
5000
172
170
157
115
а Скорость потока газа-носителя 200 мл/мии..
6 Скорость потока газа-носителя 500 мл/мин.
Данные, представленные в табл. 3.4, получены на колонке диаметром около 0,96 см, содержащей 10% жидкой фазы SE-30. В качестве газа-носителя использовали водород. Совершенно ясно, что при малых объемах пробы насадка, состоящая из частиц
малого размера, дает большую эффективность, но по мере увеличения объема пробы этот выигрыш в эффективности становится незначительным. Подобным образом эффективность падает и при увеличении скорости газового потока выше значения 〃。口工.Верзел [48] показал, что аналогичным образом изменяется эффективность и при использовании в качестве носителей материалов хромосорб W и стерхамол (см. рис. 3.8). Материал стерхамол по своим свойствам очень напоминает материал хромосорб Р. Из рис. 3.8 видно
не только то, что при увеличении объема пробы эффективность перестает зависеть от размера частиц насадки, но и то, что как для аналитических, так и для препаративных разделений хромосорб W более эффективен, чем стерхамол. Дальнейшие исследования Спенсера и Куч а реки [45] подтвердили также, что при одном и том же размере частиц насадки хромосорб G более эффективен, чем хромосорб Р.
При рассмотрении роли размера частиц насадки мало внимания уделялось степени однородности зернения материала насадки. В своих теоретических исследованиях Гиддингс [10] пришел к выводу о том, что для минимизации величины ВЭТТ, необходим малый разброс
280024002000山 woo. 1200800400280024002000山 woo. 1200800400лонки от степени измельчения носителя и от величины пробы [4].лонки от степени измельчения носителя и от величины пробы [4].4 — хромосорб W, измельченный до 30—60 меш, и носитель типа хромосорб W, измельченный до 15—20 меш; 5 — носитель стерхамол.4 — хромосорб W, измельченный до 30—60 меш, и носитель типа хромосорб W, измельченный до 15—20 меш; 5 — носитель стерхамол.р азмеров ч астиц н асадки. Преимущества малого разброса (однородного зернения), в особенности для
2800
2400
2000
山 woo. 1200
800
400
2800
2400
2000
山 woo. 1200
800
400
лонки от степени измельчения носителя и от величины пробы [4].
лонки от степени измельчения носителя и от величины пробы [4].
4 — хромосорб W, измельченный до 30—60 меш, и носитель типа хромосорб W, измельченный до 15—20 меш; 5 — носитель стерхамол.
4 — хромосорб W, измельченный до 30—60 меш, и носитель типа хромосорб W, измельченный до 15—20 меш; 5 — носитель стерхамол.
широких и коротких колонок.широких и коротких колонок.становятся очевидными, если вспомнить рассмотренные выше причины уменьшения эффективности таких колонок. При заполнении таких колонок насадкой происходит расслоение частиц, в результате которого более крупные частицы располагаются у стенок колонки. Разброс (интервал) размеров частиц измельченного материала насадки в любом случае составляет н,е менее 20%. В случае обычного измельчения до 30—40 меш этот разброс составляет 140%. Чем меньше этот разброс, тем меньше потери в эффективности, обусловленные расслоением
широких и коротких колонок.
широких и коротких колонок.
частиц насадки. В идеальном случае, когда разброс размеров частиц насадки равен нулю, нет и потерь в эффективности. Таким образом, в препаративной хроматографии для обеспечения высокой эффективности и малых перепадов давлений на колонке желательно использовать насадки крупного зернения с малым разбросом размера частиц по диаметру.
В. ОБРАБОТКА ПОВЕРХНОСТИ НОСИТЕЛЯ
Имеется много различных способов уменьшения взаимодействия вещества разделяемой смеси с веществом носителя: обжиг, промывка носителя кислотой или щёлочью, силанизация и предварительное нанесение на носитель дезактивирующих агентов. Все эти способы обсуждаются в литературе по хроматографии [2, 42]. Самый лучший способ дезактивации активной поверхности носителя заключается в обильном нанесении на нее неподвижной фазы. В препаративной хроматографии это обычно и делают для увеличения емкости колонки по отношению к разделяемой смеси, и дезактивация носителя при этом достигается естественным образом. Однако в случаях, когда существует опасность разложения разделяемой смеси, приходится использовать специальные инертные носители, например стеклянный бисер. Попытки промывать носитель кислотой и силанизовать его не дали желаемых результатов. Некоторого, но весьма незначительного улучшения в этом направлении добился Верзел [24] путем силанизации материала хромосорб Р для использования его в качестве носителя при разделении компонентов масла хмеля. Диксмир и сотр. [20] промывали носитель хромосорб Р кислотой и силанизовали его, однако заметное улучшение его свойств они получили только после нанесения на него раствора едкого кали. Ввиду довольно незначительных улучшений свойств носителей, которые дает обработка их поверхности, а также больших затрат, связанных с такой обработкой, в препаративной хроматографии используют необработанные носители. .
Г. ЭКОНОМИЧЕСКИЕ СООБРАЖЕНИЯ
Любые попытки дать абсолютные экономические рекомендации приводят к данным, которые быстро устаревают. Поэтому ниже рассматриваются лишь относительные величины с целью показать преимущества использования определенных материалов. До сих пор в большинстве препаративных разделений, осуществляемых на колонках большого диаметра, в качестве носителей использовали диатомитовые земли, однако было бы очень желательно вместо диатомитовых земель иметь менее дорогой материал. Одним из очень дешевых заменителей диатомитовых земель является обычный песок. Он состоит в основном из кремния. Конечно, для приготовления песка с более или менее однородными по размеру части-
цами потребуется тщательная их сортировка, но при этом не следует забывать, что исходный материал очень дешев. Во многих областях имеется готовый песок, претерпевший естественную сортировку частиц в результате фильтрации сквозь него воды, а также приливов и отливов. Общим недостатком обычных способов сортировки частиц является то, что они обеспечивают лишь двумерную сортировку частиц (т. е. по двум размерам). Пример использования песка в качестве твердого носителя описал Преториус [49]. Разделение при этом проводили на колонке диаметром около 7,6 см, содержащей менее 1 % жидкой фазы. Размер частиц носителя в этом случае не имел большого значения и потери в эффективности не превышали 30%.
Подробное сравнение рабочих характеристик и стоимости различных твердых носителей провели Карел и Перкинс [41], а также Спенсер и Кучарски [45]. При разделении проб больших величин использование необработанного материала целит 545 (фирма 《Johns-Manville》)давало такую же эффективность (а в некоторых случаях и большую), как и хромосорб W. Целит 545, измельченный до 35—120 меш, в 500 раз дешевле хромосорба W [41]. Результаты сравнения различных материалов, полученные на колонке диаметром около 10 см. представлены в табл. 3.5 [45]. Как видно из этой таблицы, наилучшим с точки зрения стоимости и эффективности является целит 545. Однако из-за малого размера частиц при использовании 尹ого материала требуется большой перепад давлений на колонке. Кроме этого, существуют данные о его недопустимо высокой каталитической активности. Но при разделении неполярных смесей с использованием больших количеств жидкой фазы целит 545 дает хорошие результаты. С другой стороны, аналогичные результаты дают и материалы хромосорб Р и W, имеющие большой разброс частиц по размерам. Носители с малым разбросом частиц по размерам позволяют получить высокую эффективность колонки, но они очень дороги.
' Таблица 3.5
Характеристики материалов хроматографических носителей [45]
Материал
Степень измельчения, меш
Величина ВЭТТ,
Относительная стоимость
Хромосорб G
60—80
0,8
11,00
Хромосорб Р
60—80
0,8
8,00
Хромосорб Р
10—60
U
1,00
Хромосорб W
60—80
3,0
10,00
Хромосорб W
10—60
3,0
1,00
Целит 545
〜200
1,5
0,04
Наконец, проведем краткое сравнение носителей с обработанной и необработанной поверхностью, с тем чтобы показать, почему такую обработку не всегда применяют. Данные, приведенные в табл. 3.6, относятся к большинству используемых носителей, измельченных до 30—60 меш. Важно отметить, что силанизация увеличивает стоимость материала на 30—60%, а промывка кислотой——на 60—120%. Вместе с тем улучшения, получаемые в результате силанизации носителя и промывки его кислотой, незначительны или вовсе отсутствуют, а количества используемой в препаративной хроматографии жидкой фазы велики, поэтому целесообразность такой предварительной обработки носителей ничем не подтверждается.
Таблица 3.6
Относительная стоимость обработанных материалов носителей
Материал
Без обработки
Промытый кислотой
Силанизированный
Хромосорб Р
1,0
2,2
16
Хромосорб W
1,2
2,2
1,8
Хромосорб G
1,7
2,7
2,2
Хромосорб А
1,7
2,7
2,2
VH. НЕПОДВИЖНАЯ ФАЗА
Неподвижную фазу наносят на твердый носитель. Она может ,быть жидкой или твердой, но чаще используют жидкость. В колонке очень быстро устанавливается равновесие между неподвижной и газовой фазами; в зависимости от типа неподвижной фазы наблюдается то или иное разделение компонентов пробы. Выбором этой жидкости определяется разделительная способность колонки, которая зависит от относительного сродства неподвижной фазьг к каждому компоненту разделяемой смеси. Количественным выражением этого относительного сродства является коэффициент селективности
a=%働丿川1=长/&. (3.10)
(3.11)(3.11)В свою очередь коэффициенты распределения, входящие в выражение (3.10), с помощью теории термодинамики растворов можно выразить через коэффициенты активности компонентов в жидкой фазе и давление пара жидкой фазы. В результате выражение (3.10) примет вид
(3.11)
(3.11)
Коэффициент активности есть мера отклонения поведения раствора компонента в жидкой фазе от его идеального поведения. Если все компоненты разделяемой смеси образуют почти идеальные растворы в жидкой фазе, то все коэффициенты активности будут равны единице. При этом выполняется закон Рауля и происходит разделение по точкам кипения. Таким образом разделяют насыщенные углеводороды на колонке с жидкой фазой SE-30. Существуют и другие виды взаимодействия разделяемой смеси с жидкой фазой, однако их общее обсуждение не рассматривается в данной главе. Читатель, который интересуется практической сто- роной этого вопроса, может обратиться к книге Мак-Нейра и Бонелли [50]. Здесь же достаточно сказать, что хорошим руководством к выбору неподвижной жидкой фазы может быть известный принцип «подобное растворяет подобное». Так, при необходимости разделения смеси полярных веществ следует подыскивать жидкую фазу высокой полярности. То же самое относится и к смесям неполярных веществ. Этот общий подход достаточен для большинства препаративных хроматографических разделений.
Для того чтобы жидкая' фаза хорошо работала в хроматографической колонке, она должна удовлетворять ряду требований, в частности, она должна достаточно хорошо растворять каждый компонент разделяемой смеси. Для обеспечения высокой степени разделения компонентов смеси нужно, чтобы растворимости этих компонентов в жидкой фазе отличались друг от друга. Для того чтобы образец все время взаимодействовал с одной и той же жидкой фазой, необходима термическая устойчивость последней в диапазоне рабочих температур колонки. Кроме того, обязательна ее химическая инертность,, поскольку реакции между разделяемой смесью и жидкой фазой так же недопустимы, как и реакции между разделяемой смесью и материалом носителя. Наконец, для уменьшения сопротивления массопередаче в жидкой фазе желательно, чтобы жидкая фаза имела малую вязкость или высокую диффузионную способность. Из теории следует, что для увеличения эффективности следует иметь тонкий слой жидкой фазы на носителе. Однако это требование не может быть выполнено в препаративной хроматографии, и уменьшение эффективности за счет большой толщины слоя жидкой фазы приносится здесь в жертву увеличенной емкости колонки по отношению к количеству разделяемой смеси.
А. ТЕРМИЧЕСКАЯ УСТОЙЧИВОСТЬ ЖИДКОЙ ФАЗЫ
Термическая устойчивость жидкой фазы имеет два аспекта, и наиболее очевидный из них ——верхний предел температуры. Следует, однако, принимать во внимание и нижний предел, т. е. минимальную температуру, при которой еще возможно осуществить эффективное разделение. Для большинства жидких фаз нижний
8 'Зак. № 570
предел температуры, как правило, соответствует точке затвердевания. Однако для некоторых полимерных материалов, которые применяют в качестве жидких фаз в настоящее время, минимальная температура есть та, ниже которой происходит настолько резкое увеличение вязкости жидкой фазы, что сопротивление массо； передаче в жидкой фазе становится доминирующим и недопустимо возрастает величина ВЭТТ. Для обычных жидких фаз, применяемых в препаративной хроматографии, минимальная температура соответствует точке перехода от тверДой фазы к жидкой.
В наиболее общем виде верхний предел температуры определяется как температура, при которой неподвижная фаза перестает быть неподвижной. Выход из колонки паров жидкой фазы неизбежен, поскольку любое вещество имеет конечное давление пара. Следует стремиться к тому, чтобы колонка работала в таких условиях, при которых уменьшение количества содержащейся в ней жидкой фазы за любой конечный промежуток времени было бесконечна малым. При высокой скорости выхода из колонки паров жидкой фазы происходят нежелательные явления. Воспроизводимость времен удерживания от одного цикла разделения к другому становится малой, и это затрудняет автоматизацию процесса с управлением по времени. Еще хуже то, что собранные разделенные компоненты загрязняются жидкой фазой. Высокая чистота разделенных продуктов — преимущество газовой хроматографии, и это преимущество легко исчезает, вследствие появления следовых количеств жидкой фазы. Для того чтобы уменьшить выход из колонки паров жидкой фазы и загрязнение разделенных компонентов, препаративное разделение обычно проводят при температурах примерно на 50℃ ниже максимальной температуры, рекомендованной для данной жидкой фазы. Благодаря этому существенно уменьшается давление пара жидкой фазы и не нарушается стабильность колонки.
Помимо увеличения выхода из колонки паров жидкой фазы, повышенные температуры колонки могут вызывать и реакции разделяемой смеси с жидкой фазой. Основной тип происходящих при этом реакций ——окисление, которое может быть двух форм [23, 24]. Некоторые образцы, вводимые в колонку, находятся в восстановленном состоянии и весьма подвержены окислению жидкой фазой, особенно в случае более полярных жидких фаз. Естественно, что эта реакция стимулируется высокими температурами. В результате на хроматограмме появляются два пика, соответствующие одному и тому же компоненту, и это значительно затрудняет сбор и идентификацию разделенных веществ. Второй, более тонкий тип реакции — постепенное окисление самой жидкой фазы следовыми количествами воздуха, который попадает в колонку при впрыскивании в нее образцов или путем диффузии в направлении, противоположном направлению газового потока в колонке. Попадание в колонку очень малых количеств посторонних веществ, может
ТЕХНИКА ПРИМЕНЕНИЯ ПРЕПАРАТИВНЫХКОЛОНОК Ц5 в значительной степени нарушить порядок выхода из нее разделенных компонентов смеси. Все разделения, как правило, следует проводить при минимально возможных температурах, но, к сожалению, минимально возможная температура обычно совпадает с максимально допустимой температурой для жидкой фазы.
Б. СОРБЕНТЫ
Могут существовать два тапа сорбентов: жидкая фаза или твердая фаза. В аналитической хроматографии часто проводят разделения на твердых адсорбентах и других материалах, но в препаративной хроматографии твердые адсорбенты используют редко . Однако появился и третий тип сорбентов ——жидко-твердая фаза. Это — пористые полимерные материалы , которые завоевали широкое признание в аналитической хроматографии и начинают применяться также и в препаративной хроматографии.
/. Жидкие фазы
Число и разнообразие хроматографических жидких фаз огромно. Именно широкий выбор жидких фаз и стимулировал развитие аналитической ГХ. В препаративной же хроматографии большое количество материала, требующегося для изготовления Колонки, и высокая общая стоимость носителя и неподвижной фазы исключают возможность изготовления большого числа колонок для случайных применений. Для примера достаточно сказать, что для заполнения колонки длиной около 1,7 м и диаметром около 0,32 см требуется только 5 г материала хромосорб Р, а для заполнения колонки длиной около 68 м и диаметром около 0,96 см требуется около 1600 г того же материала. Интересно еще и то, что тщательный анализ огромного разнообразия жидких фаз показывает, что многие из них довольно аналогичны друг другу по химической структуре, полярности, области термической стабильности и другим важным свойствам. В действительности для большинства препаративных разделений достаточно использовать лишь немногие классы жидких фаз. Однако в некоторых случаях, когда значение коэффициента селективности меньше 1,10, необходимо
исследовать возможности применения и других жидких фаз, поскольку в этих случаях необходимое число теоретических тарелок становится очень большим и на практике не существует колонок, на которых можно было бы выполнить данное разделение.
Колонки бывают в основном двух типов: с полярной и неполярной жидкими фазами. Очень часто разделяемая смесь состоит из группы компонентов близкой полярности. Наиболее популярны жидкая фаза SE-30 (диметилсиликоновый каучук), которая неполярна и дает разделение по точкам кипения, и карбовакс 20М — или полимер этиленгликоля, который довольно полярен и используется для разделения спиртов, кетонов и других полярных соединений. Несмотря на то что полярность разделяемой смеси определяет выбор жидкой фазы по принципу «подобное растворяет подобное», имеются примеры разделения полярных смесей и на неполярных жидких фазах. Так Верзел [43] провел разделение кетонов, спиртов, эфиров, а также ароматических углеводородов на жидкой фазе SE-30. Однако при использовании проб малых размеров при этом наблюдались искажения формы хроматографических пиков, что указывало на протекание какой-то реакции между разделяемой смесью и жидкой фазой.
В своем обширном обзоре литературы Димик [31] привел список жидких фаз, наиболее часто применяемых в препаративной хроматографии. Этот список воспроизводится в табл. 3.7.
Таблица 3.7
Наиболее распростраиеииые в препаративной хроматографии жидкие фазы
Жидкая фаза
Верхний предел температуры, ℃
Основное применение
Карбовакс 20M
200
Полярные соединения, олефиновые соединения
SE-30
300
Углеводороды
DEGS'
150
Эфиры жирных кислот
QF-1 •
200
Ненасыщенные циклические соединения
Апиезон L
250
Ароматические соединения, терпены
Версамид 900
250
Азотсодержащие соединения
FFAP
225
Ароматические соединения, свободные жирные кислоты
Пористые полимеры
. С недавнего времени в аналитических разделениях стали широко применять, пористые полиароматические полимеры, поскольку они обеспечивают быстрое элюирование полярных мате-
риалов и симметричную форму хроматографических пиков. Шарики используемого при этом полимерного бисера изготавливают из материала, представляющего собой поперечно связанные стирол^ этилвинилбензол и дивинилбензол. Некоторые из новых материалов представляют собой сополимеры - с небольшими добавками очень полярных веществ. Для этих полимеров характерны большая площадь поверхности и тонкопористая структура. Пористые полимеры различных типов можно использовать при температурах до 250 ℃, причем этот предел в большей степени обусловлен их разложением, чем летучестью. Ввиду того что этот материал не испаряется и не вытекает из колонки, ожидается, что при его использовании не будет происходить загрязнения собранных разделенных компонентов. '
Используя колонку с сорбентом поропак Q, Букер [51] осуществил выделение пропиленкарбоната из раствора его в воде. Вода выходит из колонки раньше пропиленкарбоната, поэтому в этом разделении не существовало проблем, связанных с загрязнением выделенных фракций. Колонка имела длину около 1,66 м и диаметр около 0,96 см; разделение пробы объемом 4 мл занимало 53 мин. Емкость колонки таких размеров довольно высока, и это еще раз говорит о том, что пористые полимеры могут найти широ- кое применение в препаративных разделениях.
в. содержание жидкой фазы на носителе
В аналитической ГХ существует постоянная тенденция к использованию колонок с низким содержанием жидкой фазы, которые обеспечивают хорошую степень разделения и быстроту анализа. В случае разделения проб, объемы которых измеряются микролитрами, использование таких колонок не вызывает трудностей. В препаративной хроматографии основным является выделение веществ в чистом виде, и поэтому здесь приходится жертвовать либо скоростью, либо критерием разделения. Емкость колонки по отношению к разделяемой смеси увеличивается при увеличении содержания в колонке жидкой фазы. Однако при этом происходит увеличение продолжительности разделения и сопротивления массопередаче в жидкой фазе, и необходим некоторый компромисс. Практически любой твердый носитель имеет ограниченную емкость по отношению к количеству наносимой на него жидкой фазы. Эта емкость зависит от смачиваемости носителя данной жидкой фазой и площади его поверхности. Если поверхностное натяжение жидкой фазы относительно носителя велико, то она не заполняет поры носителя и поэтому на него можно нанести лишь небольшое ее количество. Носители с большой площадью поверхности имеют гораздо большую емкость по отношению к жидкой фазе. Так, например, на носитель хромосорб W можно нанести до 25—30% жидкой фазы, на носитель хромосорб
G ——5——10%, а на стеклянный бисер ——лишь 2——3%. Попытки увеличить содержание жидкой фазы на единицу массы носителя приводят к тому, что жидкость скапливается в точках соприкосновения зерен носителя.
При увеличении емкости колонки по отношению к разделяемой смеси путем увеличения содержания жидкой фазы происходит ухудшение степени разделения и наступает такой момент, когда для поддержания требуемой чистоты разделенных компонентов необходимо уменьшать величину пробы. Кроме этого, при увели-
Рис. 3.9. Влияние концентрации жидкой фазы в колонке на ее эффективность для различных величин пробы [13].
чении содержания в колонке жидкой фазы увеличивается и время пребывания в колонке компонентов разделяемой смеси. Отсюда —— чрезмерно продолжительные циклы разделения и уменьшение производительности колонки. Влияние концентрации жидкой фазы на эффективность колонки изучал Верзел [13]. Из выражения для величины ВЭТТ следует, что для уменьшения вклада в величину ВЭТТ, обусловленного жидкой фазой, желательно использовать тонкий слой жидкой фазы. Однако решающим фактором часто бывает массопередача в газовой фазе. Из рис. 3.9 видно, что для проб малых величин существует оптимальное значение концентрации жидкой фазы в колонке, с превышением которой эффективность колонки падает. Однако для проб препаративных величин
изменение концентрации жидкой фазы в пределах 10——35% ока* зывает очень малое влияние на эффективность колонки. Таким образом, высокие концентрации жидкой фазы не дают заметного увеличения эффективности колонки, не увеличивается при этом и максимально допустимая величина пробы, поэтому с целью уменьшения продолжительности разделения концентрацию жидкой фазы на носителе типа хромосорб W следует уменьшать до 10—15%. Аналогичные соображения применимы и к другимма* териалам носителей.
. Г. ПЕРЕРАСПРЕДЕЛЕНИЕ ЖИДКОЙ ФАЗЫ В КОЛОНКЕ
В аналитических или препаративных колонках, работающих в нормальных условиях, не происходит сколько-нибудь значительного перераспределения содержания жидкой фазы на носителе. Такое перераспределение происходит обычно в колонках, работающих с перегрузкой, а поскольку с перегрузкой работает большинство препаративных колонок, то это явление происходит гораздо чаще, чем кажется. Вследствие малой эффективности многих препаративных колонок отделение жидкой фазы от носителя часто остается незамеченным. При введении в колонку проб больших, величин, превышающих емкость колонки, концентрация компонентов разделяемой смеси в жидкой фазе оказывается очень высокой. При этом происходит не только растворение компонентов разделяемой смеси в жидкой фазе, но и заметное растворение в пробе* жидкой фазы. По мере прохождения компонентов смеси через- колонку происходит расширение хроматографической полосы и уменьшение локальной концентрации компонентов. Вследствие- этого уменьшается концентрация жидкой фазы, растворенной в разделяемой пробе, и она вновь осаждается на носителе. Весь этот процесс происходит на начальном участке колонки длиной около метра. В результате носитель в начальном участке колонки остается без жидкой фазы, а за этим участком образуется область с повышенной концентрацией жидкой фазы. Такое локальное повышение концентрации жидкой фазы приводит к расширению хроматографической полосы вследствие увеличения времени пребывания разделяемой смеси и уменьшению эффективности колонки. Носитель на начальном участке колонки, лишенный жидкой фазы, действует как перколяционный фильтр, через который проходит разделяемая смесь прежде, чем она попадет в область с носителем, покрытым жидкой фазой, где и происходит ее разделение.
Карел и Перкинс наблюдали перераспределение жидкой фазы на носителе с обеднением ее содержания на начальном участке колонки [41] для колонок диаметром около 10 см. Они извлекали насадку из начального участка колонки и вновь вводили ее в колонку лишь после тщательного перемешивания. Оказалось, что повторного нанесения жидкой фазы на носитель не требуется^
Поскольку при перемешивании происходит ее естественное перераспределение. Тщательные эксперименты по проверке того, происходит ли отделение (смыв) жидкой фазы от носителя в перегруженной колонке диаметром около 0,96 см или нет, и если происходит, то в какой степени, провел Верзел [46]. Для этого он, разделяя пробы ароматических углеводородов объемом 50 мкл, определил эффективность колонки, а после этого произвел 100 разделений проб объемом 5 мл каждая и- перед каждым разделением измерял эффективность колонки. Оказалось, что с учетом ошибок эксперимента чирло теоретических тарелок, соответствующее данной колонке, после этих разделений не уменьшилось. Начальное распределение жидкой фазы на носителе нисколько не изменилось. Однако Верзел отмечал, что в случае более растворимой неподвижной фазы процесс ее отделения от носителя может играть ^олцшую роль. Из работ, выполненных позже, с более эффективными колонками ясно видно, что перераспределение жидкой фазы :на носителе может уменьшать эффективность колонки на 2/з.
Аналогичные исследования проводили Миккельсен и сотр. [52], •однако полученные ими результаты для аналитических колонок диаметром около 0,32 см и препаративных колонок диаметром около 0,96 и 10 см значительно отличаются от результатов Вер- зела. В качестве сорбента они использовали карбовакс 20М, а в качестве разделяемого образца — метиловый эфир каприловбй кислоты. Для проб, объем которых не превышал некоторой критической величины, смыва жидкой фазы с носителя не происхо- лило, что устанавливали путем измерения эффективности колонки с помощью стандартных проб. При этом критические величины проб были равны примерно 1 мл для колонки диаметром около 0,96 &м и примерно 160 мл для колонки диаметром около 10 см. С превышением критической величины пробы происходило серьезное ухудшение работы колонки. Так, для проб объемом в пять раз больше критического эффективность колонки диаметром около 10 см падала на 30%, а эффективность колонки диаметром около ©,96 см ——на 70%. Повторные разделения проб величиной меньше критической не вызывали уменьшения эффективности. Для подтверждения этих результатов проводились эксперименты на секционных колонках. Выяснилось, что в первых секциях происходит уменьшение содержания жидкой фазы на носителе, в последующих секциях концентрация жидкой фазы выше нормальной, а к концу колонки концентрация жидкой фазы постепенно приближается к нормальной. Аналогичные эксперименты с пробами додекана дали те же результаты. В результате был сделан вывод 6 том, что основное влияние на эффективность колонки имеет область с повышенной концентрацией жидкой фазы, в которой резко возрастают сопротивление массопередаче и отрицательная роль диффузии, однако следует отметить также вредное каталитическое действие носителя, лишенного жидкой фазы.
Ввиду такой противоречивости- описанных выше результатов в лаборатории автора были предприняты попытки выяснить действительную ситуацию и определить условия, при которых явление перераспределения жидкой фазы на носителе играет заметную роль [53]. С помощью описанных выше методов изучалось перераспределение жидких фаз SE-30 и карбовакс 20М; в качестве образцов использовались цис- и транс-декалин (декагидронафталин), а также метиловый эфир капроновой кислоты. Эксперименты с колонками диаметром около 0,64 см подтвердили результаты, полученные Верзелем; в них не наблюдалось ухудшений эффективности из-за перераспределения жидкой фазы на носителе. Эти ако перименты проводили с полярными и неполярными образцами^ а также с высокой и низкой концентрациями жидкой фазы. Несмотря на то что после введения проб объемом 0,6 мл потерь в эффективности обнаружено не было, изучение насадки в секциях колонки показало, что на начальном участке колонки длиной около 35 см произошло перераспределение жидкой фазы. После этого были изготовлены новые колонки диаметром около 0,64 см, с жидкими фазами SE-30 и карбовакс 20М, эффективность которые характеризовалась величиной ВЭТТ, равной 0,6 мм. При использовании проб декалина объемом 1,6 мл в колонке с носителем карбовакс 20М потерь в эффективности обнаружено не было, а пробы метилового эфира капроновой кислоты объемом 2,5 мл уменьшали эффективность той же колонки на 85%. В последнем случае участок колонки с носителем, лишенным жидкой фазы в результате ее уноса, и с носителем с повышенным содержанием жидкой фазы простирался примерно на 70 см от начала колонки. Наконец, смыв жидкой фазы SE-30 вызывали как полярные, так и неполярные образцы, но для неполярных образцов этот эффект проявлялся сильнее. При разделении проб декалина и метилового эфира капроновой кислоты объемом 1,6 мл эффективность уменьшалась на 70 и 45% соответственно. Исследования с помощью секционных колонок, как и прежде, показали, что перераспределение жидкой фазы происходит в начальных участках колонки.
Из полученных результатов можно сделать следующие выводы. В колонках, работающих с перегрузкой, происходит перераспреде* ление жидкой фазы- на носителе вдоль колонки, что проявляется в уменьшении эффективности для высокоэффективных колонок. Не удалось обнаружить ясно выраженной критической величины пробы, с превышением которой начинается падение эффективности колонки; эффективность падала быстрее, когда увеличение пробы происходило вып!е уровня, типичного для аналитических колонок. При разделении на колонках диаметром около 0,64 и 0,96 см проб нормальных величин, которые не вызывают перегрузок, заметного перераспределения жидкой фазы на носителе не происходит. Ухудшение работы колонки, обусловленное этим
явлением, зависит не только от величины пробы, но и от относительной растворимости жидкой фазы в образце. Имеет значение также лрирода жидкой фазы и ее содержание в колонке. Потери в эффективности в большей степени определяются областью с повышенной концентрацией жидкой фазы или неравномерным ее распределением на носителе, чем взаимодействием образца с носителем, лишенным жидкой фазы. Поскольку неравномерное распределение жидкой фазы характерно только для начального участка колонки, при недопустимом ухудшении работы колонки этот недостаток нетрудно исправить. Для этой цели при работе ■с дорогостоящими колонками можно использовать дополнительные легкозаменяемые секции, устанавливаемые перед колонкой.
VHI. ПРИГОТОВЛЕНИЕ КОЛОНОК
Многие описанные ниже способы приготовления препаративных колонок аналогичны тем, которые используются при изготовлении аналитических колонок. То, что колонка предназначена для препаративных разделений, еще не означает, что она должна отличаться от аналитической колонки. Как и следовало ожидать, из тех же деталей и материалов, которые используют при изготовлении эффективных аналитических колонок, можно изготовить и эффективную препаративную колонку. Не существует ни каких-то особых секретов изготовления высококачественных колонок, ни определенного метода, который мог бы быть описан в этой книге. Изготовление колонок скорее искусство, чем наука, и потому каждый способ имеет своих приверженцев, в чьих руках он дает замечательные результаты, в то время как другие с его помощью получают колонки с посредственной эффективностью, потому что ничем нельзя заменить опыт, старание и любовь к своему делу.
ТРУБКИ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КОЛОНОК
Препаративные хроматографы, имеющиеся в продаже, могут работать с колонками с наружным диаметром 0,96, 1,26, 1,6, 1,86, 5, 6,3 и 10 см. Для приготовления лабораторных колонок наиболее часто используют трубки из нержавеющей стали, алюминия, бронзы, меди и стекла. Дороговизна нержавеющей стали во многих случаях препятствует изготовлению из нее ■ большого числа препаративных колонок. Так, например, только стоимость трубки из нержавеющей стали для изготовления колонки диаметром около 10 см и длиной около 2 м или колонки диаметром около 0,96 см и длиной около 100 м — 400—900 долларов. Излишне говорить о том, что колонки из таких трубок используют многократно, каждый раз извлекая из них насадку. Ввиду дороговизны нержавеющей стали колонки часто изготавливают из алюминия, хотя он и не столь инертен. Алюминий мягок, и это позволяет
без труда придавать колонке нужную форму и сворачивать ее в спираль. При использовании алюминия стоимость трубок для изготовления колонок (в описанном выше примере) уменьшается до 100 долларов. Бронза и медь дороже алюминия, их использование не дает преимуществ в работе колонки и увеличивает опасность каталитических реакций образцов с материалом колонки. При необходимости высокой инертности колонки ее следует изготавливать из стекла, однако стеклянные колонки диаметром около 0,96 см довольно хрупки и с ними трудно работать. С другой стороны, стеклянные трубки диаметром около 10 см очень прочны и их легко соединять друг с другом.
В любом случае прежде, чем заполнять трубку материалом насадки, ее необходимо промыть подходящим растворителем и продуть потоком чистого газа. Смазки и специальные вещества, используемые в промышленном изготовлении трубок, часто дают «ложные» хроматографические пики, а также могут взаимодействовать с разделяемой смесью. Лучше всего сначала заполнить трубку насадкой, а затем уже свертывать ее в Спираль. При этом меньше вероятность образования в колонке пробок или пустот и больше плотность, а следовательно, и эффективность заполненных колонок. 'Для того чтобы избежать эффектов, вознцкающйх в связи с разными скоростями газового потока у внутренней и наружной стенок спирали, диаметр спирали должен быть по меньшей мере в 10 раз больше диаметра колонки. Соединительные переходники на препаративных колонках также часто заполняют насадкой, чтобы не допустить перемешивания в них разделенных компонентов и образования мертвых объемов.
Б. НАНЕСЕНИЕ НЕПОДВИЖНОЙ ЖИДКОЙ ФАЗЫ (НЖФ)
НА НОСИТЕЛЬ
Используют два способа нанесения жидкой фазы на носитель: перед вводом насадки в колонку и после него. Первый способ более широко распространен, поскольку с его помощью можно приготовить гораздо большие количества насадки и, кроме того, при его использовании легко контролировать концентрацию жидкой фазы на носителе. При изготовлении насадок количества материалов всегда выражают в процентах по отношению к полной массе насадки ;' так, например, фраза 《20% жидкой фазы SE-30 на материале хромосорб W》означает, что на 80 г этого материала нанесено 20 г жидкой фазы SE-30 и в результате получено 100 г насадки. Для равномерного нанесения жидкой фазы на носитель ее следует растворить в подходящем растворителе очень малой вязкости. Чаще всего в качестве таких растворителей используют
хлористый метилен, ацетон, метанол и толуол. Все эти растворители имеют высокую летучесть и быстро испаряются после нанесения на носитель.
Для целей препаративной хроматографии рекомендуется приготавливать большиё порции насадки с тем, чтобы получить несколько колонок с одинаковыми характеристиками. После тщательного взвешивания жидкой фазы и носителя жидкость растворяют в растворителе до получения разбавленного раствора. Особое внимание следует обращать на чистоту используемого растворителя, так как следовые высококипящие примеси могут стать невоспроизводимой составной частью неподвижной фазы. Очень малые количества примесей заметно влияют на порядок выхода из колонки разделенных компонентов. Раствор жидкой фазы выливают на носитель и тщательно перемешивают полученную смесь. После этого смесь переносит в ротационный вакуумный испаритель, включают его на малые обороты и выжидают испарения летучего растворителя. Затем насадку сушат в печи в чаше с целью удаления из нее последних следов растворителя и получения насадки, которая не дает паров, вымываемых из колонки газом-носителем. Все используемые сосуды должны быть чистыми, лричем во избежание загрязнения приготовленной готовой насадки ее следует хранить в закрытом сосуде.
При заполнении колонки готовой насадкой возникает опасность ее дробления и появления в колонке областей с носителем без жидкой фазы. Чтобы избежать этого, жидкую фазу можно наносить на носитель, уже помещенный в колонку. Для этого НЖФ растворяют в растворителе и под давлением от баллона с газом пропускают полученный раствор через колонку, заполненную носителем. Поток газа, под давлением которого раствор проходит через колонку, удаляет из колонки избыточный раствор и летучий растворитель. Основным недостатком такого способа является то, что количество нанесенной на носитель жидкой фазы точно неизвестно. Этот способ нанесения жидкой фазы применяли Байер и сотр. [12] для колонок диаметром около 1,27 см. Плотность насадки и минимальное значение ВЭТТ при этом были близки к значениям, получаемым при приготовлении насадки перед вводом ее в колонку. Байер [28] обнаружил также, что нанесение жидкой фазы, кроме носителя, еще и на стенки колонки диаметром более 1,27 см позволяет увеличить эффективность колонки на 15%.
СПОСОБЫ ЗАПОЛНЕНИЯ КОЛОНКИ НАСАДКОЙ
В этом разделе рассматривается довольно большое число способов заполнения насадкой препаративных колонок. Этот этап изготовления колонки следует проводить очень тщательно, поскольку качество заполнения колонки существенно влияет на ее эффективность. Ввиду того что в препаративной хроматографии
используют пробы самых разных величин, длина и диаметр препаративных колонок могут изменяться в гораздо более широких пределах, чем аналитических. Чаще всего насадку просто засыпают в колонку и одновременно постукивают по ней, чтобы избежать слипания частиц. После этого колонку часто подвергают вибрациям в различных плоскостях, чтобы уплотнить насадку и получить большую эффективность, а затем досыпают насадку до заполнения колонки. Для удержания насадки внутри колонки ее закрывают с обоих концов небольшими сетчатыми перегородками. В колонках диаметром 2,5—10 см для этой цели используют специальные пластинки. Описываемые ниже способы могут показаться противоречащими друг другу, однако следует помнить, что один и тот же способ редко дает одинаково хорошие результаты в руках разных исследователей и для каждого типа колонок обычно существует свой предпочтительный способ заполнения насадкой.
Длинные и узкие колонки аналогичны аналитическим колонкам и, как правило, их заполняют описанным ^ыше способом; при этом не возникает особых затруднений. При использовании длинных колонок насадкой заполняют отдельные секции, которые затем соединяют друг с другом. В то время как эффективность колонок большого диаметра существенно возрастает с увеличением плотности насадки, в случае длинных и узких колонок это увеличение эффективности не столь велико [13]. Были приготовлены и изучены колонки длиной около 70 м со значением ВЭТТ, равным 1 мм. Н-а колонках такой большой длины существует значительный перепад давлений. На том конце колонки, который при ее заполнении насадкой находится снизу, плотность насадки больше, чем на верхнем конце. С этого конца с более плотной насадкой Верзел (24] рекомендует вводить пробы в . колонку: давление на входе в колонку выше, чем на выходе, и это позволит уменьшить продолжительность разделения.
С заполнением колонки насадкой связаны основные трудности при попытках приблизить эффективность коротких и широких колонок к эффективности, присущей аналитическим колонкам. В таких колонках имеет место как продольная, таки радиальная диффузия молекул, что приводит к дополнительному расширению хроматографической полосы. Однако в основном расширение полосы обусловлено разделением частиц насадки разного размера. При засыпке насадки в колонку более крупные ее частицы располагаются преимущественно у ее стенок, а более мелкие — у ее оси. Почему это происходит, не совсем ясно, но факт остается фактом. Предпринимались усилия с целью избежать такого разделения и тем самым увеличить эффективность колонки.
Ранние исследования показали, что эффективность остается высокой, если диаметр колонки находится в пределах 1,27—2,54 см [38]. При дальнейшем увеличении диаметра колонки соответствующее
ей число теоретических тарелок быстро падает. Хьютон и сотр. [8] исследовали способы заполнения насадкой колонок диаметром около 7,6 и 25,4 см. Они обнаружили заметное разделение частиц насадки, причем это разделение, сильно зависело от способа ввода насадки в колонку. Наилучшей в этом смысле оказалась насадка крупного зернения с малым разбросом размеров частиц. Увеличенную эффективность давали более плотные насадки, но при этом терялись преимущества, связанные с радиальной диффузией. Они изучали простую засыпку насадки в колонку, засыпку с постукиванием, вибрацией и одновременно с постукиванием и вибрацией, причем последний способ позволил изготовить колонку диаметром около 7,6 см и значением ВЭТТ, равным 2,5 мм. Было выяснено, что ощутимое влияние на эффективность оказывает и скорость, засыпки в колонку; так, например, при засыпке насадки со скоростью 20 г/мин с постукиванием было получено значение ВЭТТ, равное 2,0 мм. Байер [54] также пришел к выводу о том, что самые лучшие колонки получаются при медленной засыпке насадки с постукиванием. Улучшенное значение величины ВЭТТ, равное 1,8 мм для колонки диаметром около 3,8 см, было получено в результате покрытия стенок колонки огнеупорной глиной с последующей пропиткой ее жидкой фазой. Та- кая обработка стенок колонки позволила до некоторой степени нейтрализовать вредное действие происходящего при заполнении разделения частиц насадки.
Для более подробного изучения явления разделения частиц насадки Пипкер [55] смешал равные количества зеленого целита, измельченного до 20——40 меш, и красного целита, измельченного до 70—120 меш. В результате он получил возможность визуально наблюдать распределение частиц насадки в колонке при разных способах ее заполнения. Полученные им результаты показаны на рис. ЗЛО. Обычная вибрация воронки необходима для того, чтобы насадка, ссыпаясь в колонку, приводила к разделению частиц. При медленном заполнении колонки с постукиванием получилась неоднородная насадка с частицами малого размера, рас； положенными у оси колонки. При вибрации колонки с частотой 50 Гц и одновременном постукивании крупные частицы насадки располагались у стенок колонки, а мелкие — у ее оси. Другие способы вибрации с вращением давали очень похожее разделение частиц, причем мелкие частицы частично просеивались через крупные. Исследование Пипкера отчетливо показало трудности, связанные с получением однородной насадки с помощью различных комбинаций засыпки: постукивания и вибрации. 。
Фризоун [56] изучал различные способы заполнения насадкой колонки диаметром около 5 см. Сначала он изучал заполнение с вибрацией колонки, причем колонку при этом откачивали насосом. Этот способ оказался неудовлетворительным. Затем было испробовано заполнение колонки порциями насадки, примем каж-
дую порцию утрамбовывали специальной трамбовкой. Каждая порция насадки имела объем 250 мл; как и прежде, колонку откачивали. Порции вводили в колонку до ее заполнения. Этот способ также оказался неудовлетворительным. Третий способ заключался в заполнении колонки смесью насадки с гексаном, как это делается в жидкостной хроматографии. Но и при этом не получилось достаточно эффективной колонки. Наконец, приемлемые колонки были изготовлены с помощью смесителей потока.
Рис. 3.10. Разделение частиц насадки при различных способах заполнения ко-лонки [55].
а — вибрация； б — постукивание; в — вращение до получения однородной насадки； а ——виб-рация етенок (вибратор передвигают вниз по стенке колонки, в результате чего мелкие ча-стицы перемещаются вниз).
В каждом из описанных выше способов многое зависело от экспериментатора, производящего заполнение колонки насадкой, и поэтому воспроизводимость характеристик изготавливаемых колонок была невысокой. Для улучшения воспроизводимости Байер и сотр. [12] развили метод, в котором используется механическое встряхивание колонки на качающемся столе. Колонку закрепляли на столе вертикально с помощью стойки, и перед ударом она проходила расстояние 1 мм. Насадку засыпали в колонку и затем в течение часа ее подвергали механическому встряхиванию с частотой 50 Гц. После этого насадку уплотняли сжатым газом и вновь подвергали механическому встряхиванию в течение 10 мин. В результате для колонки диаметром около 1,27 см было получено значение ВЭТТ, равное 0,9 мм, с воспроизводимостью ±3%.
Хиггинс и Смит [9] разработали четыре различных способа заполнения колонки насадкой. Они пробовали засыпку с постукиванием, засыпку через малое отверстие (для двух разных отверстий) с последующей вибрацией колонки, а также засыпку, при которой насадка из воронки ссыпалась тонкой струйкой по стеклянной трубке, и непосредственно перед колонкой проходила через малое отверстие, которое непрерывно перемещали вверх с тем, чтобы оно находилось чуть выше уровня уже засыпанной насадки. При этом поверхность засыпанной насадки имела форму конуса и ссыпающиеся частицы скатывались вниз по его склонам. Применение этого способа к колонкам диаметром около 2,54 см давало поразительно малое значение ВЭТТ, равное 1,0 мм, ^причем это значение лучше того, которое Получается при засыпке насадки с встряхиванием колонки. Однако последний способ дает значение величины ВЭТТ, равное 1,1 мм, и поэтому дополнительные осложнения, связанные с использованием движущегося отверстия, ничем не оправданы. Эти результаты говорят о том, что способы заполнения колонки насадкой, в которых намеренно увличивается разделение частиц, не обязательно дают неэффективные колонки.
Сравнение медленной засыпки насадки в колонку с постукиванием и утрамбовкой насадки с помощью специальных трамбовок провел Хьюпе с сотр. [57]. Заполнение колонки диаметром около 10 см путем обычной засыпки с встряхиванием позволило получить величину ВЭТТ, равную 6 мм. Тщательный анализ показал, что максимум плотности насадки приходился при этом на ось колонки. После уплотнения областей насадки, удаленных от оси колонки, с помощью трамбовки конической формы значение величины ВЭТТ уменьшилось до 2,7 м. Радиальная диффузия не оказывала заметного влияния на установившийся профиль скоростей газового потока в колонке.
Альбрехт и Верзел [58] недавно разработали усовершенствованный способ заполнения насадкой колонок большого диаметра, который они назвали методом ВВД (встряхивание, вращение, давление) .В результате тщательного изучения влияния различных способов вибрации на распределение насадки в колонке они пришли к заключению, что засыпка, встряхивание и вибрация не только не. помогают уменьшить неоднородность распределения насадки в плоскости поперечного сечения колонки, а, напротив, являются причинами этой неоднородности. Они нашли, что наиболее эффективно встряхивание колонки в радиальном направлении. Поэтому они вращали колонку и одновременно с вращением встряхивали ее с большой частотой. Насадку добавляли в колонку небольшими порциями и в течение всего процесса заполнения колонка находилась под давлением. Применение этого способа к колонке диаметром около 7,6 см дало значение ВЭТТ, равное 1,2 мм. Для колонок такого размера это значение пока является наилучшим.
Приведенное выше обсуждение способов заполнения колонки насадкой показывает большую важность этого этапа изготовления колонки в препаративной хроматографии. Длинные и узкие колонки, которые по своим характеристикам близки к аналитическим колонкам, можно заполнить насадкой с высокой эффективностью и высокой воспроизводимостью характеристик. Однако в случае широких и коротких колонок воспроизводимое и высокоэффективное заполнение их насадкой обеспечить чрезвычайно трудно. Каждый из описанных выше способов давал прекрасные результаты в руках своего создателя. Но при сравнении эти ре-_ зультаты иногда противоречат друг другу. Выяснилось, что можно изготовить колонки большого диаметра, имеющие значение величины ВЭТТ порядка 2—3 мм. Способы механического ввода насадки, такие, как способ Байера с сотрудниками, а также способ Альбрехта и Верзела, позволяют надеяться на,то, что в будущем можно будет изготавливать насадочные колонки с воспроизводимыми характеристиками. Такие способы, конечно, необходимы, если иметь в виду развитие препаративной хроматографии промышленного масштаба.
Г. ПСЕВДООЖИЖЕНИЕ НАСАДКИ
Исключительно вредное влияние разделения частиц насадки на эффективность колонки подробно обсуждалось в предыдущем разделе. Гиллемин [59—62] предложил способ заполнения колонки насадкой, при которам исключается разделение частиц и который обеспечивает равномерное распределение насадки в колонке. В основе этого способа лежит псевдоожижение насадки после ввода ее 吕 колонку. При псевдоожижении тригональная упаковка частиц насадки переходит в тетраэдрическую. Благодаря этому уменьшается сопротивление колонки потоку газа и перепад давлений на ней. Псевдоожижение осуществляют следующим образом. После заполнения колонки насадкой ее ставят вертикально и сверху к ней присоединяют удлинительную трубку того же диаметра. Затем через колонку снизу вверх продувают газ. По мере увеличения потока продуваемого газа наступает момент, когда частицы на< садки начинают двигаться независимо друг от друга и не соприкасаясь друг с другом. В таком состоянии насадку выдерживают в течение 5 мин, и при этом происходит ее перемешивание. Затем поток газа постепенно уменьшают до тех пор, пока насадка не осядет. После этого колонка готова к употреблению.
С помощью описанного способа Гиллемин получил значение ВЭТТ, равное 1,6 мм, для колонки диаметром около 15 см. Однако такая колонка не совсем надежна, поскольку чрезвычайно пористая структура насадки, полученная в результате псевдоожижения, нестабильна и легко может разрушиться от вибрации или механического сотрясения. Исследования показали, что
9 Зак. № 570
в результате разрушения пористой структуры насадки и ее уплотнения может быть потеряно 15——30% первоначальной эффективности колонки.
3аинтересовавшись потенциальными возможностями этого ме
тода, авторы этой главы предприняли исследования процесса псевдоожижения. Для того чтобы иметь возможность наблюдать поведение частиц и их перемешивание при псевдоожижении, использовали стеклянные колонки диаметром около 10 см. В первых экспериментах было получено значение величины ВЭТТ, равное 3 мм, причем оно линейно убывало с увеличением объема пробы до 8 мл. Гиллемин использовал насадку из 20% жидкой фазы DC200 на носителе хромосорб Р, однако в наших исследованиях насадка из 5% жидкой фазы карбовакс 600 на носителе хромосорб G была столь же эффективна и метод позволил уменьшить величину ВЭТТ до 1,6 мм. При изучении влияния объема пробы было обнаружено, что носитель, измельченный до 80—100 меш, лучше носителя, измельченного до 60—70 меш, несмотря на то что в обоих случаях разбросы размеров частиц насадки были одинаковыми и равными 20%. Результаты, полученные при однократном псевдоожижении и многократном псевдоожижении на одной и той же колонке, были воспроизводимыми. Интересно то, что зф- фе;ктивность колонки с псевдоожиженной насадкой в 4 раза пре- в-ышала эффективность колонки с просто засыпанной в нее насадкой. После намеренного сотрясения колонки с целью вызвать разрушение пористой структуры псевдоожиженной насадки эффективность упала только на 25—30%, и даже после этого уменьшения она была значительно больше эффективности колонки с насадкой, не подвергнутой псевдоожижению. 'Уменьшение эффективности колонки с псевдоожиженной насадкой после ее сотрясения вызвано, по-видимому, уплотнением насадки в продольном направлении так, что при этом почти не происходит радиального пе: ремешивания частиц. Таким образом, выигрыш от псевдоожижения, состоящий в уменьшении степени разделения частиц насадки не исчезает и после нарушения первоначальной упаковки насадки.
Д. ФОРМА колонки
/. Колонки круглого сечения
Большинство хроматографических колонок имеет круглое поперечное сечение. Цилиндрические трубки наиболее дешевы в изготовлении. Однако для того, чтобы избежать разделения частиц насадки и тем самым увеличить эффективность колонки, используют колонки с другой формой поперечного сечения. Еще одна причина использования некруглых поперечных сечений связана с программированием температуры колонки. Ввиду того что насадка имеет плохую теплопроводность, предпринимаются различ^
ные попытки увеличить теплопередачу от стенок к оси колонки. На практике воспроизводимое программирование температуры колонки, не сопровождающееся возникновением в ней градиентов температуры, возможно лишь в длинных и узких колонках.
При изготовлении длинных и узких колонок большое внимание следует обращать на соединение отдельных секций, между собой. Изменения диаметра колонки вызывают расширение хроматографической полосы и уменьшение эффективности. Выше уже говорилось о том, что соединительные линии можно заполнять насадкой с тем, чтобы создать непрерывный переход от секции к секции. При соединении колонок большого диаметра могут быть выгодны трубки уменьшенного диаметра, способствующие разрушению профиля скоростей газового потока, обусловленных разделением частиц насадки..
Колонки с изменяющимся диаметром
Начальный участок колонки, где концентрация образца наиболее высока, часто оказывается перегруженным. Эту перегрузку можно несколько уменьшить, если использовать колонку, состоящую из последовательно соединенных между собой секций различного диаметра. Для этого к устройству для ввода проб присоединяют секцию большого диаметра, а к этой секции через соединительную линию подходящей длины подсоединяют секцию меньшего диаметра и большей эффективности. Подобную колонку, состоящую из двух секций диаметром около 0,96 и 0,64 см, использовал Уокер [63]. Было показано, что оптимальная скорость газового потока в колонке определяется как ее длиной, так и диаметром. Поэтому подбором длин и диаметров обеих секций можно сделать так, что им будет соответствовать одно и то же значение оптимальной скорости газового потока. Однако оказалось, что оптимальное значение скорости потока для колонки, составленной из таких сбалансированных секций, несколько выше. На подобных двухсекционных колонках при использовании проб больших размеров получили гораздо большую степень разделения следовых компонентов образца, чем на односекционных колонках.
Колонки с овальным поперечным сечением
В длинных и узких колонках диаметром около 2 см, свернутых в спираль для помещения их в термостат, скорость газового потока у внутренней стенки спирали часто оказывается, выше, чем скорость потока у наружной стенки. При этом уменьшается разделительная способность колонки. Кроме этого, при программировании температуры такой колонки в ней возникают градиенты температуры в направлении радиуса. Оба эти эффекта можно уменьшить, придавая овальную форму поперечному сечению колонки.
Этот способ предложил Тафт [64], он провел сравнение обычных колонок с овальными, имеющими отношение осей сечения, равное 1,5. Колонка диаметром около 2 см, которой придали овальную форму в поперечном сечении, давала гораздо более четкое разделение по сравнению с обычной колонкой как при программировании температуры, так и при работе с постоянной температурой. Овальные колонки с отношением осей 2 : 1 применял и Верзел. На овальной колонке размером 1,2X2,4 см в поперечном сечении и длиной 15 м он получил ту же степень разделения и емкость по отношению к разделяемой смеси, что и на круглой колонке диаметром 0,9 см и длиной 75 м [24]. Основным здесь является то, что эквивалентные объемы колонок не зависят от их конкретных длин и диаметров.
Коаксиальные колонки
Коаксиальные колонки позволяют избежать трудностей, связанных с неравномерностью профиля скоростей газового потока и градиентами температуры. Гиддингс и Фуллер [65] пришли к выводу, что коаксиальные колонки, состоящие из двух вложенных один в другой концентрических цилиндров, помогают бороться и с разделением частиц насадки. Гиддингс [66] показал, кроме того, что емкость коаксиальной колонки равна емкости обычной колонки, если произведение диаметра коаксиальной колонки на расстояние между стенками составляющих ее цилиндров равно квадрату радиуса обычной колонки.
Коаксиальные колонки давали очень хорошие экспериментальные. результаты. Так, Кишимото и Язумори [67] получили на коаксиальной колонке увеличение эффективности на 30% по сравнению с эквивалентной ей обычной круглой колонкой. Митцнер и Джонс [44] провели сравнение по критерию разделения и форме хроматографических пиков коаксиальной колонки диаметром около 2 см （фирмы 《Neste】 Faust》）с обычной колонкой того же диаметра. При малых величинах проб лучшей была коаксиальная колонка, а при пробах объемом 1 мл обе колонки были примерно одинаковы. Насадка в коаксиальной колонке заполняет пространство между стенками коаксиальных цилиндров, а нагревающая среда циркулирует как снаружи колонки, так и внутри ее малого цилиндра. В результате теплопередача происходит через обе металлические стенки колонки и при программировании температуры колонки градиенты температуры отсутствуют.
Колонки с внутренними ребрами
Уменьшить градиенты температуры в колонке можно и с помощью ребер, помещенных внутри колонки и направленных от стенок к ее оси. Благодаря этому не только увеличивается тепло-
передача к оси колонки, но и создаются участки с уменьшенной площадью поперечного сечения, которые помогают исправить неравномерность профиля скоростей газового потока в колонке. Важным свойством этих в некотором смысле независимых участков является то, что элемент насадки у оси колонки не имеет физической границы и благодаря этому между такими элементами возможен свободный обмен путем диффузии. Конструктивные особенности таких колонок рассматривал Райт [68]. Он предположил, что их эффективность может быть в четыре раза больше эффективности обычных колонок. Экспериментальных подтверждений этого предположения, к сожалению, нет.
Райзер [47] изучал колонки с внутренними ребрами, имеющие диаметр около 3,68 и 7,5 см. Эти колонки изготавливали путем сварки друг с другом восьми отрезков металлического уголка (таким образом, в поперечном сечении такая колонка имеет форму восьмиконечной звезды). Наибольшая степень разделения получалась, когда насадку засыпали в такую колонку при одновременном постукивании по ней. В зависимости от производительности колонки с внутренними ребрами давали увеличение эффективности на 30—70% по сравнению с обычными колонками. Это увеличение эффективности в таких колонках приписывают лучшему рассеянию тепла, выделяющегося при растворении образца в жидкой фазе, и более равномерным профилям скоростей газового потока. Медленное программирование температуры такой колонки давало хорошие результаты, однако при быстром программировании все же наблюдалась разность между температурами циркулирующего воздуха в термостате и у оси колонки. Изучали колонки, изготовленные из алюминия и нержавеющей стали, причем эффективность алюминиевдй колонки была на 20% больше эффективности стальной колонки. Минимальное значение ВЭТТ было равно 3,0 мм — для колонки диаметром около 7,5 см и 1,8 мм — для колонки диаметром около 3,8 см.
6・ Лепестковая колонка
Колонка с поперечным сечением в форме четырехлистника очень напоминает колонку с внутренними ребрами, но отличается от последней способом изготовления. При конструировании этой колонки ставилась цель уменьшить градиенты температуры, возникающие при программировании температуры, и разделение частиц насадки. Она состоит из пяти расположенных параллельно друг другу и сваренных по образующим сегментов цилиндрических колонок. Полная площадь поперечного сечения этих колонок была эквивалентна площади поперечного сечения стандартной колонки диаметром около 3,2 см [69]. Несмотря на то что существовала заметная разность температур между внутренней частью колонки и циркулирующим воздухом, в самой колонке при
скоростях программирования температуры ниже 15℃/мин градиенты температуры отсутствовали. С увеличением размера пробы эффективность такой колонки падала гораздо медленнее, чем эффективность обычной колонки. Критерий разделения пары цис- и транс-декалин на этой колонке был значительно выше, чем на колонке круглого сечения.
Колонка с внутренними стержнями
Для уменьшения разделения частиц насадки вместо изготовления колонок со специальной формой поперечного, сечения дешевле вставить стержни из твердого материала в обычную колонку. Такие колонки со стержнями изучал Диксмир с сотр. [70]. Стержни диаметром около 0,32 см равномерно размещали вдоль колонки вокруг ее оси. В колонку диаметром около 1,9 см помещали четыре стержня, а для колонки диаметром около 3,8 см требовалось 1,3 стержней. В самой большой из изготовленных колонок, имеющей диаметр около 10 см, было 80 стержней. Заполнение этих колонок насадкой осуществляли описанным выше способом с использованием качающегося стола. Обычная колонка диаметром около 3,8 см имела значение величины ВЭТТ, равное 3 мм, а та же колонка с помещенными внутри нее стержнями — 2 мм. Такая разница в значениях величины ВЭТТ сохранялась для проб объемом до 3 мл. Стержни из меди, бронзы и кварца давали примерно одинаковые результаты. Несмотря на то что соответствующие эксперименты проводили при постоянной температуре колонки, следует ожидать того, что программирование температуры колонки вызовет появление градиентов температуры.
ПЕРЕХОДНЫЕ КОНУСЫ НА ВХОДЕ В КОЛОНКУИ НА ВЫХОДЕ ИЗ НЕЕ
Профили скоростей газового потока в колонках большого диаметра не являются плоскими. Основная причина этому ——неравномерное распределение частиц, насадки разного размера в плоскости поперечного сечения колонки. Более крупные частицы, расположенные преимущественно у стенок колонки, оказывают меньшее сопротивление газовому потоку, чем частицы более мелкие, расположенные ближе к оси колонки. Однако подобное разделение частиц насадки — не единственная причина неоднородности профиля скоростей газового потока в колонке. Значительная роль в этом принадлежит и способу ввода пробы в колонку. Дело в том, что первоначально установившийся профиль на входе в колонку, как правило, проходит через всю колонку без изменений. Из-за того, что трубка, соединяющая колонку с устройством для ввода проб, относительно узка, проба, поступающая в колонку, оказывается распределенной лишь на небольшой части площади попе-
речного сечения колонки. Дальнейшее же распределение пробы по всей площади поперечного сечения колонки происходит за счет радиальной диффузии и хаотического движения газового потока по извилистым каналам в слое насадки.
Для того чтобы обеспечить распределение пробы по всей площади поперечного сечения, в начале колонки у ее входа следует устанавливать специальные конусы. Эти конусы обеспечивают постепенный переход от узкой соединительной трубки к широкой колонке и распределяют пробу по всей площади поперечного сечения колонки до ее контакта с неподвижной фазой. Аналогичный конус на выходе из колонки создает дополнительную область, в которой происходит выравнивание профиля скоростей газового потока перед отбором фракций. При этом выбор подходящего конуса для установки на выходе из колонки имеет гораздо большее значение, чем выбор конуса для установки на входе в колонку.
Конусы на входе в колонку и на выходе из нее, как правило, улучшали работу колонки. Гиддингс получил теоретическую формулировку вкладов в величину ВЭТТ, обусловленных введением таких конусов, и предложил для выравнивания профилей скоростей потока, типичных для колонок большого диаметра, применять колонки, составленные из обращенных друг к другу вершинами конусов [6]. В вопросе о том, следует или нет заполнять эти конусы насадкой, мнения исследователей расходятся. Для колонок диаметром около 7,5 см угол при вершине конуса не играет роли; а в результате заполнения насадкой конуса на выходе из колонки Хьютен и сотр. [8] получили увеличение эффективности на 40%. Степень же заполнения насадкой конуса на входе в колонку не влияет на ее эффективность. Для колонки диаметром около 25 см частичное заполнение насадкой конуса на входе в колонку дало значение величины ВЭТТ 2,2 мм, а конус без насадки, так же как и конус, целиком заполненный насадкой,——меньшие значения.
Харгроув и Сойер [11] провели сравнение обычной колонки (диаметр около 2,5 см) и той же колонки с установленным на ее входе конусом, не заполненным насадкой. Для обычной колонки минимальное значение величины ВЭТТ 2 мм, а для колонки с конусом—1,7 мм, т. е. на 15% меньше. Сравнения этого результата с результатом для конуса, заполненного насадкой, в работе [11] не приводится. Колонки диаметром около 2,5 см с конусами, заполненными и не заполненными насадкой, изучали также Розе и сотр. (32]. Конусы с насадкой определенно улучшали работу колонки, но еще больший выигрыш получался в -том случае, когда температура конуса на входе в колонку была на 60 ℃ выше температуры колонки. Средняя производительность колонки без конуса на ее входе была равна 4 мл/ч, а колонки с заполненным и нагретым конусом на ее входе—12,0 мл/ч. Для еще большего увеличения эффективности колонки Диксмир и сотр. [20]
установили на коническом входе в колонку пористые металлические пискн для сглаживания входных профилей. Применение этого способа к колонке диаметром около 3,8 см позволило уменьшить величину ВЭТТ с 2,7 до 1,6 мм без каких-либо других изменений в колонке. 一
Ж. РАСПРЕДЕЛИТЕЛИ ГАЗОВОГО ПОТОКА
После сглаживания концентрациоиного профиля пробы на входе в колонку с помощью конусов для колонок большого диаметра остается еще одна проблема, связанная с неравномерностью профиля скоростей газового потока, обусловленной разделением частиц насадки. За исключением некоторых отдельных случаев, попытки уменьшения этого разделения путем использования специальных способов заполнения колонки насадкой были безуспешными. Кроме того, эти способы не обеспечивают достаточной воспроизводимости характеристик колонки. Разделение частиц вызывает неравномерность профиля скоростей газового потока в колонке, а тем самым и расширение хроматографической полосы, и если бы найти способ периодического перемешивания потока, то можно было бы поднять производительность колонки без больших потерь в ее эффективности. Именно такой подход и обеспечил возможность создания препаративной хроматографии промышленного масштаба. Этот же подход используют и в лабораторной препаративной хроматографии. Ниже приведено краткое его описание.
/. Гомогенизаторы потока
Наиболее популярным в настоящее время способом для перераспределения газового потока в колонке является использование восстановителя однородности потока, созданного Карелом и Перкинсом [41]. Восстановитель состоит из трех скрепленных вместе пластин и помещается в тех областях, где профиль скоростей газового потока становится явно неравномерным. Первая пластина представляет собой пористый металлический диск с порами диаметром 20 мкм. После сглаживания профиля скоростей потока на первом диске поток попадает на вторую пластину. Вторая пластина имеет одно отверстие в центре, и при прохождении сквозь отверстие -газового потока происходит его полное перемешивание и выравнивание профиля скоростей. Третья пластина ——такая же, как и первая, и предназначена для распределения потока по всей площади поперечного сечения колонки. Расстояние между соседними тройками таких пластин в колонке не является слишком критическим; например, в колонке диаметром около 10 см такие восстановители однородности газового потока устанавливают примерно через каждые 50 см и, как правило, получают при этом значение величины ВЭТТ, равное 2 мм.
Верзел [72] изучал восстановление однородности газового потока в колонке с помощью набора из четырех колец. Первое кольцо имело набор отверстий, расположенных на определенном расстоянии от центра, с помощью которых поток стягивался к оси колонки. Второе кольцо имело единственное отверстие в центре, проходя сквозь которое поток перемешивался и выравнивался профиль скоростей. На третьем кольце со многими равномерно расположенными по нему отверстиями начиналось распределение потока по всей площади поперечного сечения колонки. Завершалось это распределение на четвертом кольце с тонкими порами. Максимальное значение величины ВЭТТ, полученное с помощью таких колец на колонке диаметром около 7,5 мм, было равно 3,3 мм.
Даже при использовании гомогенизаторов газового потока большой выигрыш в эффективности может дать правильный выбор твердого носителя и способа заполнения колонки насадкой. Так, Спенсер и Кучарски [45] пришли к выводу о том, что простая засыпка насадки в колонку не дает хороших результатов и для получения максимальной эффективности насадку следует вводить в колонку небольшими аликвотными порциями объемом 200 мл и при этом встряхивать колонку на вибрирующем столе. В зависимости от материала твердого носителя на колонке диаметром около 10 см получали значения величины ВЭТТ в пределах 0,8— 1,7 мм. Насадки с малым разбросом размеров частиц давали меньшие значения этой величины, но при их использовании требовались большие перепады давлений на колонке. Очень плохим носителем оказался хромосорб W, при применении которого были получены значения ВЭТТ около 3 мм.
Применение внутренних перегородок
Перегородки применялись для распределения газового потока исключительно в промышленных хроматографических колонках, и о них упоминается здесь лишь для обсуждения. На ранних стадиях развития промышленной химической технологии диски и перегородки в форме диафрагменного смесителя с промежуточной перегородкой использовали для обеспечения хорошего контакта в жидкой фазе и для перемешивания в жидко-жидкостных абсорбционных и экстракционных колонках. Баду [73] применил этот же подход в газохроматографических колонках диаметром около 10 см и выше. Он устанавливал в колонке на определенных расстояниях друг от друга диски с диаметром меньшим, чем диаметр колонки, и кольцевые перегородки с отверстием в центре. Диск отклоняет поток к стенкам колонки, а следующая за ним перегородка—к ее оси. Это предотвращает каналообразование, которое в обычных условиях происходит из-за разделения частиц насадки. При заполнении колонки насадкой ее просто засыпают
в промежутки между перегородками, и потому вся процедура заполнения отнимает немного времени. Данных по эффективности перегородок в колонках диаметром около 10 см фактически нет, поскольку основное внимание уделяется их применению в колонках диаметром свыше 34 см.
Применение шайб
В лабораторных колонках применяются только кольцевые перегородки с отверстием в центре (шайбы). В колонках малого диаметра газовый поток, проходя сквозь такие шайбы, попеременно отклоняется то к стенкам, то к оси колонки. Изучалось влияние двух видов таких шайб на форму профиля скоростей.
Ами и сотр. [74] описали применение шайб, имеющих центральное отверстие диаметром 2 мм и расположенных в колонке на равных расстояниях друг от друга. При использовании проб объемом 5 мл такая колонка с шайбами имела значение величины ВЭТТ в два раза меньшее, чем колонка без шайб. Увеличение эффективности колонок большого диаметра с помощью шайб получили также Байер с сотр. [12]. В колонке диаметром около 10 см они поместили шайбы через каждые 10 см и получили при этом значение величины ВЭТТ, равное 2 мм.
В приведенных выше примерах использовались шайбы из твердого материала, которые отклоняли газовый поток в колонке, вызывая этим его перемешивание и выравнивание профилей его скоростей. Ввиду того что более крупные частицы насадки располагаются преимущественно у стенок колонки, газовый поток в этой области испытывает меньшее сопротивление и имеет большую скорость. В связи с этим участок хроматографической полосы у стенки колонки опережает в своем движении участок этой же полосы, расположенный ближе к оси колонки. Для уменьшения этого эффекта ближе к стенкам колонки можно ввести дополнительное количество неподвижной фазы. Фризоун [56] осуществил это с помощью так называемых химических шайб. Эти шайбы изготавливали из фильтровальной бумаги^ пропитывали жидкой фазой, причем диаметр отверстий шайб, помещенных в колонке, постепенно уменьшался в направлении движения газового потока. Такие шайбы увеличивали время удерживания веществ у стенок колонки. В колонке диаметром около 5 см с такими шайбами эффективность, изм-еренная на ее оси с помощью специального зонда, была равна эффективности у ее стенок. Аналогичные шайбы пытался использовать и Верзел [75], но он не получил достаточно хороших результатов. Он изучал плоские, конические и полукониче- ские шайбы с одинаковыми и постепенно суживающимися отверстиями, расположенные в колонке на различных расстояниях друг от друга. Однако ни в одном из этих случаев не была получена
эффективность больше той, которая соответствует обычной колонке. Поэтому на данном этапе преимущество химических шайб весьма сомнительно.
кондиционирование колонки
После заполнения колонки насадкой и придания ей нужной формы ее необходимо подвергнуть термокондиционированию. Даже после тщательного приготовления насадки с использованием ротационного вакуумного испарителя и последующей сушки ее в сушильном шкафу в ней могут оставаться следы растворителя и других материалов, которые, выходя из колонки, вызывают временной дрейф выходного хроматографического сигнала. Кроме того, многие неподвижные фазы не являются чистыми веществами, а представляют собой смеси веществ или полимеров различной структуры, и компоненты этих смесей, имеющие меньший молекулярный вес, могут иметь довольно большое давление пара. Подобные примеси и другие вещества можно удалить из колонки путем выдерживания ее при температуре несколько более высокой, чем ее рабочая температура.
Для предотвращения загрязнения детектора выход из колонки при этом, как правило, оставляют открытым в окружающую среду. Во время кондиционирования колонки через нее продувают небольшой ток газа-носителя. Это препятствует попаданию в колонку через ее выходное отверстие воздуха и других веществ, могущих вступать в реакцию с жидкой фазой. Для кондиционирования обычно выбирают температуру, на 25 ℃ превышающую рабочую температуру колонки. Если в дальнейшем намереваются программировать температуру колонки, то температуру кондиционирования выбирают на 25 ℃ выше максимальной температуры программы. Как правило, кондиционирование проводят в течение нояи, т. е. в продолжение 8—16 ч. При использовании в препаративных газохроматографических колонках нелетучих жидких фаз кондиционирование проводят до тех пор, пока выходной сигнал, электрически сбалансированный на регистрирующем устройстве, не будет испытывать дрейфа в продолжение нескольких часов. Кондиционирование колонки очень важно для последующего ее использования в режиме программирования температуры, поскольку без кондиционирования увеличение температуры вызывает дрейф сигнала, что в значительной степени затрудняет сбор разделенных компонентов.
IX. ХАРАКТЕРИСТИКИ И РЕЖИМЫ РАБОТЫ КОЛОНОК
Характеристики газохроматографических колонок очень зависят от скорости потока газа-носителя и температуры колонки. В колонках большого диаметра, используемых в препаративной
хроматографии, большое влияние на профиль скоростей газового потока и распределение температуры в колонке оказывает способ заполнения колонки насадкой и конфигурация слоя насадки. Еще один важный фактор ——способ ввода пробы в колонку, так как профили зон, образующиеся на входе в колонку, проходят через нее без существенных изменений. Все эти эффекты имеют место я в аналитических, а также в узких и длинных препаративных ко- лонках, но лишь в незначительной степени, и поэтому ими обычно пренебрегают. Однако в случае широких и коротких колонок профили скоростей газового потока оказывают заметное влияние на работу колонки и их следует принимать во внимание.
КОНЦЕНТРАЦИОННЫЕ ПРОФИЛИ И ПРОФИЛИ СКОРОСТЕЙГАЗОВОГО ПОТОКА
При заполнении насадкой колонок большого диаметра происходит явно выраженное разделение частиц насадки, которое заключается в том, что более крупные частицы концентрируются преимущественно у стенок колонки, а менее крупные ——у ее оси. В результате плотность насадки у оси колонки оказывается выше, чем у ее стенок. Ранее при обсуждении способов заполнения колонки насадкой отмечалось, что попытки исправить это положение с помощью трамбовок специальной формы, как правило, не дают улучшения работы колонки. Даже и без учета разделения частиц насадки ее плотность в различных точках поперечного сечения колонки может быть неодинаковой, что также приводит к появлению неравномерных концентрационных профилей и профилей скоростей газового потока. В результате в области с более пористой насадкой (как правило, у стенок колонки) газовый поток имеет повышенную скорость, и это приводит к расширению хроматографических полос и уменьшению критерия разделения и эффективности. Борьбу с этими эффектами ведут путем использования специальных способов заполнения колонки насадкой, псевдоожижения насадки, конусов, устанавливаемых на входе в колонку и на выходе из нее, а также распределителей газового потока. Специальная форма колонки также оказывает положительное влияние.
Хьютен с сотр. [8] изучал отмеченные выше эффекты в колонке диаметром около 7,5 см. В газ-носитель добавляли аммиак, что не влияло на установление в колонке характерного для нее профиля скоростей газового потока, поскольку аммиак не адсорбируется насадкой. Затем перед слоем насадки вплотную к нему устанав2 ливали секцию колонки с насадкой, содержащей ортофосфор- ную кислоту, и пропускали через систему смесь газа-носителя с аммиаком до установления стационарного режима. После этого делали кольцевые срезы насадки из добавленной секции и титровали их для определения содержания аммиака. Почти во всех случаях профили имели радиальную симметрию с максимальной скоростью
у стенки колонки. Форма профилей не зависела от длины колонки и скорости потока газа-носителя. В неплотных насадках профиль скоростей потока у оси колонки был почти плоским, а при увеличении плотности насадки форма профилей становилась почти параболической. При увеличении плотности насадки увеличивалась и эффективность колонки. И это несмотря на то, что в более плотной насадке меньше радиальная диффузия молекул, благодаря которой обычно происходит выравнивание профилей скоростей потока. По измеренным значениям ВЭТТ на оси колонки и у ее стенок установили, что при оптимальной скорости газового потока в колонке значение ВЭТТ у стенок колонки было примерно на 30% выше, чем у ее оси. Значение ВЭТТ у стенок колонки увеличива-. лось пропорционально увеличению линейной скорости газового потока, а значение ВЭТТ у оси колонки оставалось при этом неизменным. Отсюда следует, что фракции, выходящие из колонки в различных концентрических слоях газового потока, нужно улавливать отдельно друг от друга, причем фракции из наружного слоя потока следует заново хроматографировать.
Байер и сотр. [12] изучали те же эффекты в колонках большего диаметра и получили аналогичные результаты. Образование профилей скоростей они объяснили наличием градиента пористости насадки в плоскости поперечного сечения колонки. Для выравнивания профилей скоростей потока они устанавливали в колонке специальные шайбы. Фризоун [56] изучал профили скоростей в колонке диаметром около 5 см. Колонку насыщали гексаном, который затем испаряли в вакууме. После этого в колонке образовывался профиль скоростей параболической формы； эффективность колонки у ее оси была гораздо выше эффективности у стенок. При введении в колонку химических шайб, пропитанных неподвижной фазой, эффективности в различных точках поперечного сечения колонки стали примерно одинаковыми. Остроумный эксперимент по количественному определению степени разделения частиц насадки осуществили Гиддингс и Фуллер [65]. Сначала они засыпали в колонку диаметром около 5 см насадку через трубочку, расположенную вдоль оси колонки. Затем в колонку заливали горячий раствор желатины и выжидали его затвердевания. Затвердевшую насадку вынимали из колонки, делали с нее кольцевые срезы и определяли зависимость среднего размера частиц от радиуса кольцевого среза. Соответствующие результаты для носителя хромосорб W, измельченного до 80—100 меш, приведены в табл. 3.8.
При заполнении колонки II насадку просто засыпали в нее, а колонку I при этом еще и слегка встряхивали. Как видно из табл. 3.8, размеры частиц в центральной части колонки примерно одинаковы, а с приближением к стенкам колонки они быстро увеличиваются. Встряхивание колонки во время ее заполнения насадкой мало влияет на характер распределения, но дает большее число мелких частиц. Сопротивление газовому потоку, обусловленное
таким распределением частиц насадки, согласуется с результатами Хьютена и сотрудников по измерению профиля скоростей.
Концентрационные профили изучали Розе и сотр. [76] на колонках диаметром около 2,5 см с использованием как адсорбирующихся, так и неадсорбирующихся образцов. В случае неадсор- бирующихся образцов концентрационный профиль в основном совпадает с описанными выше профилями скоростей газового потока. При использовании проб малых объемов в различных рабочих условиях градиенты концентрации были пренебрежимо малы. При использовании проб, объемы которых вызывают перегрузку колонки, радиальные градиенты концентрации были, как правило, небольшими, но зависели от способа нагревания колонки. Обычный конвекционный воздушный подогрев не вызывал появления концентрационных профилей. Концентрационный профиль сильно зависел от способа ввода пробы в колонку, причем равномерный профиль получался только при использовании описанного выше метода с ротационным распылением пробы. Быстрое введение пробы и испарение давали крайне неудовлетворительные результаты.
Таблица 3.8
Распределение частиц насадки вдоль радиуса колонки в зависимости от их размеров [65]
Колонка
Расстояние от оси КОЛОНКИ, см
Диаметр частиц насадки, мм
I
0,0
0,154土0,027
0,5
0,157+0,032
1,。
0,154+0,033
1,5
0,166 4 0,030
2,0
0,172 4 0,036
II
0,0
0,145+0,035
0,5
0,146 4 0,037
1,。
0,154+0,028
1,5
0,163+0,029
2,。
0,174+0,032
Разнообразные способы заполнения насадкой колонки диаметром около 10 см изучали Хьюпе и сотр. [57], причем они получили результаты весьма отличные от тех, которые приведены выше. Применяя псевдоожижение или засыпку насадки при одновременном встряхивании колонки и добавляя насадку небольшими аликвотными порциями, они получили более плотную насадку у стенок
колонки, а не у ее оси. Это естественно привело к появлению выпуклого параболического концентрационного профиля, характерного для ламинарного течения, вместо отмеченного другими исследователями вогнутого параболического профиля. Выравнивая плотность насадки в различных точках с помощью трамбовок различной формы, они смогли уменьшить кривизну профиля, но не полностью его выровнять. В результате большая часть градиентов концентрации была обусловлена входными профилями зоны, без изменений проходящей через колонку. В колонках большого диа-. метра профили, характерные для ламинарного течения, наблюдал и Милли [77]. Эти профили сглаживали с помощью дисковых перегородок. В этом случае, как и прежде, основной причиной возникновения концентрационного профиля считался способ введения пробы.
Альбрехт и Верзел [58] изучали концентрационные профили в колонках диаметром около 7,5 см с помощью индикатора. Колонки, заполненные насадкой путем простой засыпки или засыпки со встряхиванием колонки, дают чрезвычайно несимметричные концентрационные профили. Форма профиля зависит от того, с какого конца колонки в нее засыпают насадку. Часто во время прохождения пробы через колонку выпуклый профиль сменялся вогнутым. Существенно плоские концентрационные профили были получены при вводе насадки в колонку методом ВВД (см. выше). Небольшое торможение или ускорение потока происходит лишь у стенок колонки. Уменьшению концентрационных профилей способствует радиальная диффузия, но при использовании метода ВВД' она оказывается ненужной. Способ ввода пробы в колонку оказывал определенное влияние на форму концентрационного профиля на входе в колонку.
Б. НЕСИММЕТРИЧНОСТЬ ХРОМАТОГРАФИЧЕСКИХ ПИКОВ
Одним из наиболее досадных факторов в препаративной хроматографии является несимметричность формы хроматографических пиков. Обычно в аналитических разделениях наблюдается допустимое расширение . тыловых фронтов хроматографических пиков, обусловленное адсорбцией образца на твердом носителе. Однако в препаративной хроматографии при разделении может происходить расширение как заднего, так и переднего фронтов пика. Если колонка обеспечивает достаточную степень разделения, то подобное искажение формы хроматографических пиков практически не мешает сбору разделенных компонентов. Но в “некоторых автоматических хроматографах, работающих с повторением циклов и управляемых по сигналу хроматографического пика, искажения формы пиков могут вызвать ложные переключения и потерю синхронизации. В большинстве случаев, однако, нежелание получить асимметричные пики объясняется привычкой к наблюдению
гауссовских пиков. По этой причине много усилий было затрачено на получение симметричных хроматографических пиков.
Расширение передних фронтов хроматографических пиков вызывается в основном перегрузкой колонки и связанной с ней нелинейностью изотерм распределения компонентов разделяемой смеси. Благодаря высокой концентрации жидкой фазы в препаративных колонках адсорбция образца на твердом носителе в них невелика, и расширение задних фронтов хроматографических пиков происходит в основном за счет тепловых эффектов и изменений давления, связанных с прохождением разделяемых веществ через колонку. Эти эффекты теоретически и экспериментально изучал Скотт [1, 78, 79]. При сорбции образца в неподвижной фазе выделяется теплота растворения. Затем при десорбции образца происходит поглощение тепла. В результате температура передней границы хроматографической полосы оказывается выше температуры колонки, а температура задней границы ——ниже. Элюирование более холодной задней яасти хроматографической полосы происходит медленнее, и в результате задний фронт соответствующего хроматографического пика оказывается расширенным. Примерно так же, но в меньшей степени проявляются и эффекты, связанные с давлением. При программировании температуры в пределах интервала точек кипения компонентов разделяемой смеси пики компонентов, выходящие из колонки первыми, высокосимметричны, а более тяжелые компоненты, которые дольше находятся в колонке при низких температурах, вызывают перегрузку колонки и дают хроматографические пики с расширенными передними фронтами. Несимметричность хроматографических пиков, обусловленная тепловыми эффектами и эффектами, связанными с давлением, больше при больших скоростях газового потока. Поэтому одновременное увеличение в течение одного цикла разделения температуры и скорости газового потока приведет к тому, что несимметричность вследствие тепловых эффектов скомпенсирует несимметричность из-за перегрузки колонки, и результирующая форма пиков будет близка к гауссовской. На самом деле при этом происходит одновременное расширение переднего и заднего фронтов хроматографического пика. Иа практике при разделении сложной смеси такие симметричные, но слишком расширенные хроматографические пики вызовут уменьшение степени разделения.
ТЕМПЕРАТУРНЫЕ ПРОФИЛИ
Роль тепловых эффектов, возникающих при прохождении пробы через колонку, заметно возрастает при использовании проб препаративных размеров. Ввиду того что материал насадки ——плохой проводник тепла, в плоскости поперечного сечения колонки существуют значительные градиенты температуры. Для колонки диаметром около 2,5 см и пробы объемом 5 мл градиент темпера-
ТЕХНИКА ПРИМЕНЕНИЯ ПРЕПАРАТИВНЫХ КОЛОНОК 145 туры во время- формирования хроматографического пика может достигать 25 ℃ [71]. Для борьбы с такими градиентами и связанным с ними расширением хроматографических пиков, как правило, следует использовать длинные и узкие колонки или колонки, в конструкции которых предусмотрена повышенная скорость, теплопередачи.
Чрезвычайно подробное исследование градиентов температуры в колонках диаметром около 3,8 см провели Хьюпе и Байер [80].
100官80¥ 6020100官80¥ 6020Рнс. 3.11. Температурные профили при различных скоростях нагревания ко 'лонкн [80].Рнс. 3.11. Температурные профили при различных скоростях нагревания ко 'лонкн [80].а —5 °амнн; 6 — 10 ℃/мин； в — 15 ℃/мин.а —5 °амнн; 6 — 10 ℃/мин； в — 15 ℃/мин.
100
官80
¥ 60
20
100
官80
¥ 60
20
Рнс. 3.11. Температурные профили при различных скоростях нагревания ко 'лонкн [80].
Рнс. 3.11. Температурные профили при различных скоростях нагревания ко 'лонкн [80].
а —5 °амнн; 6 — 10 ℃/мин； в — 15 ℃/мин.
а —5 °амнн; 6 — 10 ℃/мин； в — 15 ℃/мин.
Вначале они теоретически получили выражение для распределения температуры в колонке. После этого было измерено распределение температуры в колонке с носителем из диатомитовой земли — кизельгура. Полученные в результате градиенты температуры для скоростей нагревания, равных 5, 10 и 15 ℃/мин, представлены на рис. 3.11. Термопары для измерения температуры помещали при этом соответственно на расстояниях 0,0; 3,5; 7,0; 10,5 и 19 мм от оси колонки, как показано на рис. 3.11. Из этого рисунка видно, что чем больше скорость нагревания колонки^ тем больше разность температур между осью колонки и ее стенками. Экспериментальные результаты находились в очень хорошем согласии с теоретическими выводами. Для носителей с меньшей
Ю Зак. № 570
теплопроводностью градиенты температуры были бы еще больше. Изменение скорости газового потока в 4 раза не влияло на распределение температуры в колонке. Значение ВЭТТ для колонки с градиентами температуры было в 8 раз больше, чем для анало- гичной колонки без градиентов температуры при большой скорости ее нагревания.
Питерс и Юстон [81] изучали температурные профили в колонке диаметром около 2,5 см во время прохождения через нее пробы разделяемой смеси. Режим работы колонки не был ни адиабатическим, ни изотермическим, и в каждой точке происходило сна- чала повышение, затем понижение температуры на 3—5 ℃, после чего температура возвращалась к своему первоначальному значе- нию. Подобные изменения температуры были наибольшими у оси колонки и постепенно уменьшались при удалении от нее. При программировании температуры колонки изменения температуры у оси колонки запаздывали по сравнению с изменениями ее у стенок примерно на 1 мин.
Радиальные и продольные градиенты температуры в колонках диаметром около 2,5 см изучали Розе с сотр. [76]. Эти градиенты сильно зависели от способа нагревания колонки. Наибольшие продольные градиенты в колонке диаметром около 1 м составляли 4——6℃. Радиальные градиенты уменьшались по мере удаления введенной пробы от входа в колонку. При использовании проб больших величин изменения температуры в начальной части колонки у ее оси составляли около 35 ℃, а у стенок — около 10 ℃, причем эти изменения сильно зависели от способа ввода пробы.
г. ПРОГРАММИРОВАНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ КОЛОНКИ
Преимущества программирования температуры в ГХ —уменьшение продолжительности разделения и большая симметричность хроматографических пиков. Помимо этого, в препаративной хроматографии благодаря программированию температуры может увеличиться емкость колонки по отношению к разделяемой смеси. При изотермической работе колонки значительное расширение хроматографической полосы происходит из-за того, что для вве- дення проб больших размеров требуется определенное время. При программировании температуры колонки, начиная с малых температур, этот эффект существенно меньше благодаря замедленному начальному движению компонентов разделяемой смеси [80].
Как уже говорилось в предыдущем разделе, при программиро- вании температуры широких и коротких колонок возникают боль- шие градиенты температуры от оси колонки к ее стенкам. Эти градиенты способствуют расширению хроматографической полосы и уменьшению эффективности разделения. В случае сложных сме- сей необходимость программирования температуры колонки ощу- щается особенно остро. С другой стороны, в этом случае для раз-
деления требуется максимальное число теоретических тарелок и потери в эффективности недопустимы. Лучшую теплопередачу обеспечивают коаксиальные колонки и колонки с внутренними ребрами. Однако если металлическая стенка колонки нагревается или теплоизолирована недостаточно хорошо, то она действует как сток тепла и увеличивает градиент температуры. Но и в специальных колонках при быстром программировании температуры появляются градиенты температуры в плоскости поперечного сечения колонки. Так, в колонках диаметром около 3,8 см с ребрами заметные градиенты температуры существовали при скоростях программирования температуры выше 1 ℃/мин [47]. Более равномер-
Рис. 3」2. Влияние медленного программирования температуры на препаративное разделение смеси алкилбензолов Сц—Си..Рис. 3」2. Влияние медленного программирования температуры на препаративное разделение смеси алкилбензолов Сц—Си..
Рис. 3」2. Влияние медленного программирования температуры на препаративное разделение смеси алкилбензолов Сц—Си..
Рис. 3」2. Влияние медленного программирования температуры на препаративное разделение смеси алкилбензолов Сц—Си..
Объем пробы 75 мкл. Колонка: длина около 60 м, диаметр около 0,96 см; насадка: 5% жидкой фазы SE-30 на носителе хромосорб G, с размером частиц 30—40 меш. Температуру программировали от 140 до 290 °C со скоростью 0,5 ℃/мин.f
/ — фенилтетрадеканы; 2 — фенилтридеканы； 3 — фенилдодеканы, 4 — фенилуидеканы.
ное распределение температуры в колонке могут дать носители из металлических порошков или кусочков металла различной формы.
С практической точки зрения высокую степень разделения при использовании программирования температуры можно получить только в узких и длинных колонках. Программирование температуры рекомендуется при разделении смесей с большим числом компонентов. Сложные препаративные разделения характеризуются большой продолжительностью, поэтому для их реализации обычно используют медленное программирование температуры со скоростями порядка 0,5——2 ℃/мин [25].,
Пример такого разделения показан на рис. 3.12. Оно проводилось на колонке длиной около 66 м и диаметром около 0,96 см, содержащей 5% жидкой фазы SE-30 на носителе хромосорб G, измельченном до 30—40 меш. В качестве газа-носителя использовали азот, разделяли смеси алкилбензолов, содержащих от 11 до 10*
14 атомов углерода в молекуле. Температуру программировали от 140 до 290 ℃ со скоростью 0,5 ℃/мин. Значение величины ВЭТТ для этой колонки было равно 1,0 мм. Наблюдаемая степень разделения была примерно эквивалентной степени разделения, получаемой на капиллярной колонке длиной около 66 м и диаметром около 0,05 см с жидкой фазой SF-96. .
Такую высокую степень разделения получили, конечно, за счет уменьшения скорости разделения. В то время как разделение на капиллярной колонке отнимало 1 ч, препаративное разделение отнимало 7,5 ч. Препаративное разделение данной смеси без медленного программирования температуры колонки, характеризовалось гораздо меньшей степенью разделения.
Д. НАГРЕВАНИЕ КОЛОНКИ
Было ясно показано, что температура оказывает важное влияние на характеристики и работу колонки. Чем более однородна по температуре среда, в которой находится колонка, тем более воспроизводимы получаемые результаты. Наиболее точно контроль за температурой колонки можно осуществить, если поместить ее в резервуар с жидкостью, температура которой поддерживается строго постоянной. Однако, учитывая большое число колонок, используемых в препаративной хроматографии, можно сказать, что практическая возможность такого контроля сомнительна. Кроме того, при использовании такого резервуара возможно лишь очень медленное программирование температуры колонки. Поэтому на практике применяют методы, которые позволяют быстрее менять температуру колонки и достаточно просты в эксплуатации. Были изучены два способа: прямое нагревание колонки с помощью электрического нагревательного элемента и конвекционное нагревание циркулирующим воздухом. Особенно широкое применение нашел второй метод.
Электрическое нагревание колонки применяли Хьюпе и Байер [80] при изучении градиентов температуры в колонках большого диаметра. При этом они прямо по стенкам колонки пропускали большие электрические токи. Распределение температуры в колонке получалось равномерным, а режим колонки — изотермическим. Для такого нагревания не требуется переделывать колонку' и ее можно легко вынуть из хроматографа. Кроме того, при непосредственном нагревании стенок колонки потери тепла невелики, и в результате экономится электрическая энергия и материал теплоизоляции. Градиенты температуры в колонке при этом не превышали 1 ℃.
Розе и сотр. [32, 76] нагревали колонку циркулирующим воздухом и электрически с помощью нихромовой, спирали. Продольные градиенты температуры в колонке при нагревании ее воздухом, как правило, не превышали 2 ℃, а при нагревании электрической
спиралью возникали линейные градиенты температуры около 5℃ и выше. При термостатировании колонки с помощью конвекционного потока воздуха концентрационные и температурные профили сглаживались. При нагревании колонки циркулирующим воздухом градиенты концентрации не были заметны даже при пере* грузке колонки образцом, а при электрическом нагревании с по* мощью спирали возникали значительные градиенты концентрации. Радиальные градиенты температуры в начальном участке колонки^ обусловленные прохождением компонентов смеси, были одного и. того же порядка для обоих способов нагревания колонки, но абсолютные изменения температуры при нагревании спиралью вдвое- превышали изменения, возникающие при нагревании циркулирующим воздухом. Отсюда можно сделать вывод о том, что лучшие результаты дает нагревание колонки циркулирующим воздухом.
ОБОЗНАЧЕНИЯ
А член уравнения Ван Деемтера, описывающий вих- 「ревую диффузию
b свободный член в выражении для величины пробы
В член уравнения Ван Деемтера, описывающий молекулярную диффузию
С препаративный член в уравнении Ван Деемтера
Сг член в уравнении Ван Деемтера, описывающий мае- сопередачу в газовой фазе
Сж член в уравнении Ван Деемтера, описывающий массопер ед ачу в жидкой фазе толщина слоя жидкой фазы f t/нас диаметр частиц насадки
力г коэффициент молекулярной диффузии в газовой фазе Рж коэффициент молекулярной диффузии в жидкой фазе- Е производительность препаративного разделения h высота, эквивалентная теоретической тарелке (ВЭТТ).
九преп величина ВЭТТ для препаративной хроматографии ВЭТТмин минимальное значение величины ВЭТТ
k коэффициент извлечения К коэффициент распределения Кг коэффициент распределения для i-ro компонента.
L длина колонки
m коэффициент [уравнение (3,9)]
МДВП максимально допустимая величина пробы /г число теоретических тарелок р? давление пара i-ro компонента г радиус колонки R "критерий разделения ・ S величина пробы
5 (n) величина пробы, соответствующая данному числу теоретических тарелок,
и линейная скорость потока газа-носителя
^Еопт значение линейной скорости потока газа-носителя при Е ~Е опт
и^опт значение линейной скорости потока газа-носителя при 九=ft-ОПТ
ИПр объем пробы
Vr объем газовой фазы в колонке
Кк объем жидкой фазы в колонке
Иуд удерживаемый объем
Ууд z удерживаемый объем для г-го компонента
% мольная доля компонента, присутствующего в большем количестве в смеси двух компонентов
а относительный удерживаемый объем
у коэффициент извилистости
■ уг коэффициент активности i-го компонента
九 показатель неоднородности насадки
СПИСОК ЛИТЕРА ТУРЫ
Scott R. Р.Scott R. Р.34-5 67-&34-5 67-&9.10.11.12.13.14.15.16.17.18.19.20.21.22.23.24.9.10.11.12.13.14.15.16.17.18.19.20.21.22.23.24.Nin Gas Chromatography 1964, A. Goldup, ed,, Institute of Petro-, leum, London, 1965, p. 25.Horvath C.} in The Practice of Gas Chromatography, L. S. Ettre, A. Zlatkis, eds., Interscience, New York, 1967, p. 129.Rijnders G. W. 4, in Advances in Chromatography, Vol. 3, J. C. Giddings, R. A. Keller, eds., Marcel Dekker, New York, 1966, p. 215.Verzele M., in Progress in Separation and Purification, Vol. 1, E. S. Perry, ed., Interscience, New York, 1968, p. 83.Hupe К.-P., Chromatographia, 1, 462 (1968).Giddings J C, J. Gas Chromatog., 1 (1), 12 (1963).Giddings J. C, J. Gas Chromatog., 1 (4),, 38 (1963).Huyten F. H., van Beersum N., Rijnders G. W. A., in Gas Chromatography 1960, R. P. W. Scott, ed., ButteFworths, London, 1960, p. 224.Higgins G. M. C., Smith J. E, in Gas Chromatography 1964, A. Goldup, ed., Institute of Petroleum, London, 1965, p. 94.Giddings 丄 C., J. Gas Chromatog., 2, 290 (1964).Hargrove G. L, Sawyer D Г, Anal. Chem., 38, 1634 (1966).Bayer E„ Hupe K・ R, Mack H„ Anal. Chem., 35, 492 (1963).Verzele M., Bouche /., DeBruyne 4, Verstappe M., J. Chromatog., (1965).Nin Gas Chromatography 1964, A. Goldup, ed,, Institute of Petro-, leum, London, 1965, p. 25.Horvath C.} in The Practice of Gas Chromatography, L. S. Ettre, A. Zlatkis, eds., Interscience, New York, 1967, p. 129.Rijnders G. W. 4, in Advances in Chromatography, Vol. 3, J. C. Giddings, R. A. Keller, eds., Marcel Dekker, New York, 1966, p. 215.Verzele M., in Progress in Separation and Purification, Vol. 1, E. S. Perry, ed., Interscience, New York, 1968, p. 83.Hupe К.-P., Chromatographia, 1, 462 (1968).Giddings J C, J. Gas Chromatog., 1 (1), 12 (1963).Giddings J. C, J. Gas Chromatog., 1 (4),, 38 (1963).Huyten F. H., van Beersum N., Rijnders G. W. A., in Gas Chromatography 1960, R. P. W. Scott, ed., ButteFworths, London, 1960, p. 224.Higgins G. M. C., Smith J. E, in Gas Chromatography 1964, A. Goldup, ed., Institute of Petroleum, London, 1965, p. 94.Giddings 丄 C., J. Gas Chromatog., 2, 290 (1964).Hargrove G. L, Sawyer D Г, Anal. Chem., 38, 1634 (1966).Bayer E„ Hupe K・ R, Mack H„ Anal. Chem., 35, 492 (1963).Verzele M., Bouche /., DeBruyne 4, Verstappe M., J. Chromatog., (1965).18, 25318, 253deWei W. Z., Pretorius V., Anal. Chern., 32, 169 (I960).Gordon S. M., Pretorius 优.，J. Gas Chromatog., 2, 196 (1964).c '5. M.t K%ge G. /., Pretorius，，J. Gas Chromafog., 3, 875. M., Krige G.丄，Pretorius V., J. Gas Chromatog., 2, 246S. M, Krige G J・，Pretorius K, J. Gas Chromatog., 2, 285 .,S. M.r KHge G. J., .Pretorius 丿，J. Gas Chromatog., 2, 241 (1964).AL, Roz A, Taboureau『.，Guiochon G., Methodes Physiques d'Analyse (GAMS), 5, 250 (1969).Sawyer'D. T., Purnell //., Anal. Chem., 36, 457 (1964).Verzele M., J. Chromatog., 15, 482 (1964).Versele M., Planta Medica Suppl., 38 (1967).Verzele M., J. Gas Chromatog., 4, 180 (1966).deWei W. Z., Pretorius V., Anal. Chern., 32, 169 (I960).Gordon S. M., Pretorius 优.，J. Gas Chromatog., 2, 196 (1964).c '5. M.t K%ge G. /., Pretorius，，J. Gas Chromafog., 3, 875. M., Krige G.丄，Pretorius V., J. Gas Chromatog., 2, 246S. M, Krige G J・，Pretorius K, J. Gas Chromatog., 2, 285 .,S. M.r KHge G. J., .Pretorius 丿，J. Gas Chromatog., 2, 241 (1964).AL, Roz A, Taboureau『.，Guiochon G., Methodes Physiques d'Analyse (GAMS), 5, 250 (1969).Sawyer'D. T., Purnell //., Anal. Chem., 36, 457 (1964).Verzele M., J. Chromatog., 15, 482 (1964).Versele M., Planta Medica Suppl., 38 (1967).Verzele M., J. Gas Chromatog., 4, 180 (1966).Gordon Gordon Gordon Gordon DixmierGordon Gordon Gordon Gordon Dixmier(1965).(1964).(1964).(1965).(1964).(1964).
Scott R. Р.
Scott R. Р.
34-5 67-&
34-5 67-&
9.
10.
11.
12.
13.
14.
15.
16.
17.
18.
19.
20.
21.
22.
23.
24.
9.
10.
11.
12.
13.
14.
15.
16.
17.
18.
19.
20.
21.
22.
23.
24.
Nin Gas Chromatography 1964, A. Goldup, ed,, Institute of Petro-, leum, London, 1965, p. 25.
Horvath C.} in The Practice of Gas Chromatography, L. S. Ettre, A. Zlatkis, eds., Interscience, New York, 1967, p. 129.
Rijnders G. W. 4, in Advances in Chromatography, Vol. 3, J. C. Giddings, R. A. Keller, eds., Marcel Dekker, New York, 1966, p. 215.
Verzele M., in Progress in Separation and Purification, Vol. 1, E. S. Perry, ed., Interscience, New York, 1968, p. 83.
Hupe К.-P., Chromatographia, 1, 462 (1968).
Giddings J C, J. Gas Chromatog., 1 (1), 12 (1963).
Giddings J. C, J. Gas Chromatog., 1 (4),, 38 (1963).
Huyten F. H., van Beersum N., Rijnders G. W. A., in Gas Chromatography 1960, R. P. W. Scott, ed., ButteFworths, London, 1960, p. 224.
Higgins G. M. C., Smith J. E, in Gas Chromatography 1964, A. Goldup, ed., Institute of Petroleum, London, 1965, p. 94.
Giddings 丄 C., J. Gas Chromatog., 2, 290 (1964).
Hargrove G. L, Sawyer D Г, Anal. Chem., 38, 1634 (1966).
Bayer E„ Hupe K・ R, Mack H„ Anal. Chem., 35, 492 (1963).
Verzele M., Bouche /., DeBruyne 4, Verstappe M., J. Chromatog., (1965).
Nin Gas Chromatography 1964, A. Goldup, ed,, Institute of Petro-, leum, London, 1965, p. 25.
Horvath C.} in The Practice of Gas Chromatography, L. S. Ettre, A. Zlatkis, eds., Interscience, New York, 1967, p. 129.
Rijnders G. W. 4, in Advances in Chromatography, Vol. 3, J. C. Giddings, R. A. Keller, eds., Marcel Dekker, New York, 1966, p. 215.
Verzele M., in Progress in Separation and Purification, Vol. 1, E. S. Perry, ed., Interscience, New York, 1968, p. 83.
Hupe К.-P., Chromatographia, 1, 462 (1968).
Giddings J C, J. Gas Chromatog., 1 (1), 12 (1963).
Giddings J. C, J. Gas Chromatog., 1 (4),, 38 (1963).
Huyten F. H., van Beersum N., Rijnders G. W. A., in Gas Chromatography 1960, R. P. W. Scott, ed., ButteFworths, London, 1960, p. 224.
Higgins G. M. C., Smith J. E, in Gas Chromatography 1964, A. Goldup, ed., Institute of Petroleum, London, 1965, p. 94.
Giddings 丄 C., J. Gas Chromatog., 2, 290 (1964).
Hargrove G. L, Sawyer D Г, Anal. Chem., 38, 1634 (1966).
Bayer E„ Hupe K・ R, Mack H„ Anal. Chem., 35, 492 (1963).
Verzele M., Bouche /., DeBruyne 4, Verstappe M., J. Chromatog., (1965).
18, 253
18, 253
deWei W. Z., Pretorius V., Anal. Chern., 32, 169 (I960).
Gordon S. M., Pretorius 优.，J. Gas Chromatog., 2, 196 (1964).
c '5. M.t K%ge G. /., Pretorius，，J. Gas Chromafog., 3, 87
5. M., Krige G.丄，Pretorius V., J. Gas Chromatog., 2, 246
S. M, Krige G J・，Pretorius K, J. Gas Chromatog., 2, 285 .,
S. M.r KHge G. J., .Pretorius 丿，J. Gas Chromatog., 2, 241 (1964).
AL, Roz A, Taboureau『.，Guiochon G., Methodes Physiques d'Analyse (GAMS), 5, 250 (1969).
Sawyer'D. T., Purnell //., Anal. Chem., 36, 457 (1964).
Verzele M., J. Chromatog., 15, 482 (1964).
Versele M., Planta Medica Suppl., 38 (1967).
Verzele M., J. Gas Chromatog., 4, 180 (1966).
deWei W. Z., Pretorius V., Anal. Chern., 32, 169 (I960).
Gordon S. M., Pretorius 优.，J. Gas Chromatog., 2, 196 (1964).
c '5. M.t K%ge G. /., Pretorius，，J. Gas Chromafog., 3, 87
5. M., Krige G.丄，Pretorius V., J. Gas Chromatog., 2, 246
S. M, Krige G J・，Pretorius K, J. Gas Chromatog., 2, 285 .,
S. M.r KHge G. J., .Pretorius 丿，J. Gas Chromatog., 2, 241 (1964).
AL, Roz A, Taboureau『.，Guiochon G., Methodes Physiques d'Analyse (GAMS), 5, 250 (1969).
Sawyer'D. T., Purnell //., Anal. Chem., 36, 457 (1964).
Verzele M., J. Chromatog., 15, 482 (1964).
Versele M., Planta Medica Suppl., 38 (1967).
Verzele M., J. Gas Chromatog., 4, 180 (1966).
Gordon Gordon Gordon Gordon Dixmier
Gordon Gordon Gordon Gordon Dixmier
(1965).
(1964).
(1964).
(1965).
(1964).
(1964).
Verzele М.., Verstappe M., J. Chromatog., 26, 485 (1967).
Beeson L H.} Booker 丄，paper presented at the Chicago Gas Chromatography Discussion Group Meeting, Chicago, Illinois, October 1967.
Haarhoff P. C, Van Berge P. C, Pretorius V., Trans. Faraday Soc., 57, 1838 (1961)..
Bayer E, J. Chem. Educ., 41, A755 (1964).
Carel A. B., Clement R. E., Perkins &, J. Chromatog., Sci., 7, 218 (1969).
Rose A., Royer D. /., Henly A. S., Separation Sci., 2, 257 (1967).
Dimick К. P., Gas Chromatography Preparative Separations, Varian Aerograph, Walnut Creek, California, 1966.
Rose 4, Royer D. J., Henly R. S., Separation Sci., 2, 211 (1967).
Locke D. d., Meloan С. E, Anal. Chem., 36, 2234 (1964).
Duty R. C, J. Gas Chromatog., 6, 193 (1968).
Preston S. T., Preparative Gas Chromatography Discussion Group, Fifth International Symposium on Advances in Chromatography, Las Vegas, Nevada, January 1969.
deWet W. /., Pretorius V.,, Anal. Chem., 32, 1396 (I960).
Peurifoy P. V., Ogilvie Z L.? Dvoretzky /., J. Chromatog., 5, 418 (1961).
Johns 7., Burnell M. R., Carle D. IF., in Gas Chromatography, H. J. Noebels,. R. F., Wall, N. Brenner, eds., Academic Press, New York, 1961, p. 207.
Johns T., in Gas Chromatography I960, R. P. W. Scott, ed., Butterworths, London, 1960, p. 242.
Facts and Methods, 6 (5), F & M Scientific, Division of Hewlett-Packard, Avondale, Pennsylvania, 1965.
Carel A.反，Perkins G., Anal. Chim. Acta, 34, 83 (1966).
Ottenstein D. M., J. Gas Chromatog., 1 (4), 11 (1963)..
Verzele M., J. Gas Chromatog., 3, 186 (1965).
Mitzner В. M., Jones IF. V” J. Gas Chromatog., 3, 294 (1965).
Spencer S. E, Kucharski P., Hewlett-Packard Tech. Paper 37, Hewlett-Packard^ Avondale, Pennsylvania, 1966.
Verzele M” Verstappe M., J. Chromatog., 19, 504 (1965).
Reiser R.值，J. Gas Chromatog., 4, 390 (1966).
Verzele M., Proc. Chromatog. Symp. Belg. Soc. Pharm. Sci. Brussels, Septem- ber 1964.
Pretorius V., paper presented at the 2nd International Symposium on Advances- in Gas Chromatography, Houston, Texas, March 1964.
Мак-Нейр 几 Бонелли Э., Введение в газовую хроматографию, «Мир», М., 、1970.
Booker J.f Previews and Reviews, Varian Aerograph, Walnut Creek, California, October 1967.
Mikkelsen L., Debbrecht F.丄，Martin A. J., J. Gas Chromatog., 4, 263 (1964).
Beeson 丄 H., submitted for publication,
Bayer E, in Gas Chromatography 1960, R. P. W. Scott, ed., Butterworths, London, 1960, p. 236.
Pypker /., in Gas Chromatography 1960, R. P. W. Scott, ed., Butterworths^ London, 1960, p. 240.
Frisone G.几 J. Chromatog., 6, 97 (1961).
Hupe К-P., Busch U., Winde K., J. Chromatog. Sci., 7, 1 (1969).
Albrecht 丄，Verzele M, J. Chromatog. Sci., 8, 586 (1970).
Guillemin C.厶，J. Chromatog., 12, 163 (1963)..
Guillemin C. L., J. Gas Chromatog., 4, 104 (1966).
Guillemin C. L., Wetroff G., пат. США 3248856 (May 3, 1966).
Guillemin C. L, J. Chromatog., 30, 222 (1967).
Walker 丄 Q., Anal. Chem., 40, 226 (1968).
Taft E M., Aerograph Tech. Bull. W116, Varian Aerograph, Walnut Creek,. California, 1964.
Giddings 丄 C., Fuller E M, J. Chromatog,, 7, 255 (1962).
Giddings 丄 C., Anal. Chem., 34, 37 (1962).
Kishimoto K・，Yasumori Y„ Japan Analyst, 12, 125 (1963).
>68. Wright 丄 L, J. Gas Chromatog., 1 (11), 10 (1963).
Carlo Erba Short Notes, Scientific Instruments Division, Carlo Erba, Milan, Italy, 2—66.
Dixmier Al. B., Roz A, Guiochon G., Anal. Chim. Acta, 38, 73 (1967).
Debbrecht 尸.工，Hewlett-Packard Tech. Paper 28, Hewlett-Packard, Avondale, Pennsylvania, 1965.
Verzele M., University of Ghent； Belgium, personal communication, 1967.
Baddour R.尸.，пат. США 3250058 (May 10, 1966).
Amy 丄眩，Brand L, Baitinger W.t paper presented at the 12th Pittsburgh Conference on Analytical Chemistry and Applied Spectroscopy, Pittsburg, Pennsylvania, February, 1961.
Verzele M., J. Chromatog., 9, 116 (1962).
Rose 4, Royer D.几 Henly R. 5., Separation Sci., 2, 229 (1967).
МИН К E., Estonian Academy of Science, U. S.' S. R., personal communication, 1969.
Scott R. P.呪，Anal. Chem., 35, 481 (1963).
Scott R. P. Г., Nature, 198, 782 (May 25, 1963).
Hupe К.-P., Bayer E., in Gas Chromatography 1964, A. Goldup, ed., Institute of Petroleum, London, 1965, p. 62.
Peters J., Euston C.頁，Anal. Chem., 37, 657 (1965).
СПИСОК ДОПОЛНИТЕЛЬНОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
Киселев А. В., Яшин Я. . И., Газоадсорбционная хроматография, изд-во «Наука», М., 1967..
Зельвенский В. Ю., Кандидатская диссертация. Физико-химичесКий институт им. Л. Я- Карпова, М., 1970.
Сакодынский К. И., Волков С. А., Препаративная газовая хроматография, изд-во «Химия», М., 1972.
Колесникова Р. Д., Егельская Л. П., Препаративная газовая хроматография легких углеводородов, изд-во «Химия», М., 1970.
«86. Березкин В. Г., в кн.《Успехи хроматографии», изд-во《Наука》，М., 1972, стр. 215.
Глава 4
СИСТЕМЫ СБОРА РАЗДЕЛЕННЫХ КОМПОНЕНТОВ
К.-П. Хьюпе
К.-Р. Нире
Нире und Busch, Karlsruhe, BRD
ВВЕДЕНИЕ
Кроме разделения смеси, задача препаративного газового хроматографа заключается также и в том, чтобы собрать разделенные компоненты в специальных сосудах, где их можно отделить от газа-носителя. Лежащие в основе этого физические процессы относительно несложны, однако при практической их реализации возникает ряд технических трудностей, которые до настоящего времени полностью не преодолены. С этим связано большое число различных подходов к сбору разделенных компонентов, используемых в хроматографах, выпускаемых -различными фирмами, и несметное число публикаций по этому вопросу.
ОТБОР ФРАКЦИЙ
Первая задача заключается в том, чтобы направить элюат из колонки в один из нескольких сосудов для отбора фракций. Этот процесс должен быть синхронизирован с течением процесса разде- ления так, чтобы при выходе данного компонента колонка была соединена с одним и тем же сосудом для улавливания. Эта часть всей хроматографической системы должна удовлетворять следующим требованиям:
Надежная работа без механических неисправностей или утечек. Это требование проще всего выполнить в системе без механических. движущихся частей, изготовленной из материалов, подобранных с учетом термической устойчивости и совместимости с веществами, выходящими из колонки.
Отсутствие преждевременной конденсации соединений и неподвижной фазы в охлажденных частях системы. Для выполнения этого требования необходимо иметь возможность термостатирования системы при температурах по крайней мере до 400 ℃. Термическое разложение соединений в этой части системы менее вероятно, чем в испарителе, поскольку эти соединения в значительной степени разбавлены газом-носителем (их концентрация равна нескольким процентам) и быстро проходят через ее узкие соединительные трубки (в течение миллисекунд). По этим причинам число столкновений молекул со стенками трубок невелико. Вследствие этого нет необходимости обычно изготавливать эту
зии. полностью исключить ханических клапанов, и взии. полностью исключить ханических клапанов, и вРис. 4.1. Вращающийся распределительный кран (см. описание в тексте).Рис. 4.1. Вращающийся распределительный кран (см. описание в тексте).
зии. полностью исключить ханических клапанов, и в
зии. полностью исключить ханических клапанов, и в
Рис. 4.1. Вращающийся распределительный кран (см. описание в тексте).
Рис. 4.1. Вращающийся распределительный кран (см. описание в тексте).
часть системы из стекла даже при разделении очень нестабильных веществ. Если конструктивные особенности не позволяют нагревать соединительные трубки, то необходимо, чтобы они были прямыми и однородными по диаметру, поскольку возникающие в противном случае турбулентности потока могут вызывать конденсацию проходящих по трубкам соединений.
Отсутствие перемешивания уже разделенных компонентов вследствие нарушения требований 1 и 2 или в результате диффу- гдиффузию можно лишь с помощью ме-
связи с их использованием возникают затруднения, отмеченные в пунктах 1 и 2. О преодолении этих затруднений говорится ниже.
При смене сборников для улавливания разделенных компонентов по возможности не должны изменяться давление и скорость газового потока, так как в противном случае изменяет、 ся и сигнал хроматографического детектора, что может вызывать неправильные переключения сборников. Изменений давления полностью избежать никогда не удается, поэтому в любом случае на время переключения детектор необходимо пневматически отключать от остальной части системы.
Важность соблюдения этих требований зависит, естественно, от природы и свойств хроматографируемых веществ. Так, например, едва ли можно ожидать конденсации газообразных проб и потому для них не обязательно выполнение требований, связанных с конденсацией разделенных компонентов смеси. Однако существенным в этом случае является высокая скорость диффузии. При разделении высококипящих веществ ситуация противоположна. Большинство систем пробоотбора, описанных в литературе, предназначены для специальных применений.
На рис. 4.1 показан вращающийся распределительный кран, который часто используют для отбора фракций. Элюат из колонки входит в точке А в неподвижный корпус 3 этого крана и через один из вертикальных каналов, имеющихся в этом корпусе, его можно направить в любой из сосудов 4. Соединение между А и Б осуществляется через радиальный желоб в тефлоновом уплотнителе 2. Этот уплотнитель жестко прикреплен к телу /, которое может поворачиваться мотором. При использовании, например, восьми сосудов 4 минимальный угол поворота тела 7 для смены сосудов равен 45°. Между каждой парой сосудов для улавливания разделенных компонентов необходим еще один сборник для от-
бора промежуточной фракции, поэтому для сбора основных компонентов можно использовать лишь половину из общего числа имеющихся сборников 4. Пружина 5 прижимает тело 1 к корпусу 3, причем их соприкасающиеся поверхности должны быть тщательно обработаны [1]. Для большей 乂
герметичности поверхностям придают коническую форму [2].
Затруднения, отмеченные выше в пунктах 1 и 2, связаны с наличием трущихся поверхностей; они особенно проявляются при температурах выше 200 ℃. То же самое относится и к случаю, когда вместо вращающегося р а сп р еде л ител ь - ного крана используют несколько соленоидных клапанов (рис. 4.2), расположенных по окружности или по прямой [3—6]. Однако используемые
Рис. 4.2. Устройство для отбора фракций.Рис. 4.2. Устройство для отбора фракций./ — распределитель; 2 — соленоидные, клапаны;3—сборники для улавливания разделенных компонентов.Л — вещества, выходящие из колонки; Б — отверстия для выхода газа-носнтеля./ — распределитель; 2 — соленоидные, клапаны;3—сборники для улавливания разделенных компонентов.Л — вещества, выходящие из колонки; Б — отверстия для выхода газа-носнтеля.Рис. 4.3. Вращающееся устройство для отбора фракций.Рис. 4.3. Вращающееся устройство для отбора фракций.2 — вращающаяся пластина； 2 — сборники для улавливания разделенных компонентов;3 — уплотнение.Л — вещества, выходящие н4 колонки; Б — отверстия для выхода газа-носителя.2 — вращающаяся пластина； 2 — сборники для улавливания разделенных компонентов;3 — уплотнение.Л — вещества, выходящие н4 колонки; Б — отверстия для выхода газа-носителя.в этих клапанах уплотнители из витона имеют недостаточную теплостойкость. Тефлон здесь непригоден из-за своей тенденции к текучести. Неудовлетворительной оказалась и комбинация корунд——
Рис. 4.2. Устройство для отбора фракций.
Рис. 4.2. Устройство для отбора фракций.
/ — распределитель; 2 — соленоидные, клапаны;
3—сборники для улавливания разделенных компонентов.
Л — вещества, выходящие из колонки; Б — отверстия для выхода газа-носнтеля.
/ — распределитель; 2 — соленоидные, клапаны;
3—сборники для улавливания разделенных компонентов.
Л — вещества, выходящие из колонки; Б — отверстия для выхода газа-носнтеля.
Рис. 4.3. Вращающееся устройство для отбора фракций.
Рис. 4.3. Вращающееся устройство для отбора фракций.
2 — вращающаяся пластина； 2 — сборники для улавливания разделенных компонентов;
3 — уплотнение.
Л — вещества, выходящие н4 колонки; Б — отверстия для выхода газа-носителя.
2 — вращающаяся пластина； 2 — сборники для улавливания разделенных компонентов;
3 — уплотнение.
Л — вещества, выходящие н4 колонки; Б — отверстия для выхода газа-носителя.
сталь. Электрическая часть соленоидного клапана должна быть отнесена как можно дальше от самого клапана, поскольку она не может работать при температурах выше 100 ℃. Это неудобство можно преодолеть, переключая клапан с помощью сжатого воздуха [7], что, однако, совсем не дешево.
Требования к теплостойкости уплотнителей можно уменьшить, если разместить их у входа в сосуд для сбора разделенных
компонентов, подальше от горячей зоны. Соответствующее устройство показано на рис. 4.3. Сосуды для улавливания разделенных компонентов закреплены на вращающемся столе и по очереди подсоединяются к выходу из колонки. Помимо вращения, стол с сосудами может опускаться и подниматься. Во время поворота стол опущен, а при его поднятии происходит плотное соединение выхода колонки с нужным сборником. Это устройство дорого, и, кроме того, оно не отвечает требованию надежности 1. Кроме того, вследствие вращения сосудов невозможно собрать или отвести выходящий из них газ-носитель, что совершенно необходимо при разделении ■ ядовитых или
сильно пахнущих веществ.
Рис. 4.4. Устройство для отбора фракций с вспомогательным газовым потоком.Рис. 4.4. Устройство для отбора фракций с вспомогательным газовым потоком./ ——распределитель; 2 ——сборники для улавливания разделенных компонентов; 3 ——соленоидный клапан： 4 — вещества» выходящие из колонки； Б — отверстие для выхода газа-носителя; В — вспомогательный газовый поток./ ——распределитель; 2 ——сборники для улавливания разделенных компонентов; 3 ——соленоидный клапан： 4 — вещества» выходящие из колонки； Б — отверстие для выхода газа-носителя; В — вспомогательный газовый поток.В таких случаях лучше использовать устройство, в котором клапаны расположены на выходе сборников для улавливания разделенных компонентов [8—11] и которое показано на рис. 44 В этом устройстве элюат попадает в сборники через распределитель. На выходе каждого из сборников установлен соленоидный клапан. Элюат всегда поступает в тот сосуд, z клапан которого открыт. Чтобы предотвра-
Рис. 4.4. Устройство для отбора фракций с вспомогательным газовым потоком.
Рис. 4.4. Устройство для отбора фракций с вспомогательным газовым потоком.
/ ——распределитель; 2 ——сборники для улавливания разделенных компонентов; 3 ——соленоидный клапан： 4 — вещества» выходящие из колонки； Б — отверстие для выхода газа-носителя; В — вспомогательный газовый поток.
/ ——распределитель; 2 ——сборники для улавливания разделенных компонентов; 3 ——соленоидный клапан： 4 — вещества» выходящие из колонки； Б — отверстие для выхода газа-носителя; В — вспомогательный газовый поток.
тить диффузию элюата в остальные сосуды, через распределитель в направлении, противоположном направлению основного потока, продувают небольшой поток газа-носителя (со скоростью около 5 мл/мин). Преимуществом такого устройства является то, что в его горячих зонах нет движущихся частей, уплотнения соленоидных клапанов находятся в контакте только с холодным газом- носителем и нет необходимости .улавливать промежуточные фракции. Между сосудолг и соленоидным клапаном можно поместить трубку с адсорбентом； в результате вещества, не уловленные в сосуде, не будут попадать в соленоидный клапан. Вместо соленоидных клапанов в этом устройстве можно использовать вращающиеся краны (12].
СБОРНИКИ ДЛЯ УЛАВЛИВАНИЯ РАЗДЕЛЕННЫХКОМПОНЕНТОВ
Сборники для разделенных компонентов или охлаждаемые ловушки представляют собой конечный пункт движения веществ че-
рез газовый хроматограф. Основным требованием при этом является высокий выход улавливаемых веществ. Неполное выделение вещества из смеси с газом-носителем по меньшей мере неэкономично и увеличивает продолжительность разделения в целом. Разделению часто подвергают смеси, которые были получены в результате трудоемкого химического синтеза, такие смеси, особенно когда они имеются в малом количестве, представляют собой большую ценность для химика. При выборе метода разделения таких смесей вопрос об эффективности улавливания разделенных компонентов имеет решающее значение. С точки зрения препаративной хроматографии самый лучший метод разделения не имеет смысла, если он не заканчивается достаточно эффективным улавливанием це
левых компонентов.
Выделение веществ из их смеси с газом-носителем представляет Собой комбинацию процессов тепло- и мас- сопередачи. Тепло отбирается у элюата для того, чтобы охладить разделенные компоненты до температуры ниже температуры их насыщения (точки росы) и вызвать их конденсацию на стенках сосуда. Таким образом, в сосуде имеет место не процесс конденса
ции в чистом виде, а выпадение росы Рис. 4.5. Кривые охлаждения, из атмосферы инертного газа и паров
разделенных компонентов. Часто при этом происходит образование тумана и выпадение кристалликов льда (аэрозолей). Аэрозоли часто обладают высоким поверхностным натяжением и имеют электрический заряд на поверхности. Это препятствует слиянию' мелких капель жидкости в большие капли. Существующий в сосуде градиент давления пара не влияет на образующиеся частицы, и в результате конденсация оказывается гораздо более затрудненной по сравнению с конденсацией вещества в форме молекулярного пара. Поэтому охлаждение потока элюата следует осуществлять так, чтобы не происходило образование аэрозолей, а это не всегда легко сделать. Вопросы, связанные с описанными явлениями, нетрудно рассмотреть теоретически [13—15].
Смесь разделенных компонентов с газом-носителем, выходящая
из колонки, находится в перегретом состоянии и, протекая через сосуд для улавливания, переходит в состояние, которое в идеальном случае определяется температурой стенок сосуда и давлением насыщающего пара компонента в смеси с газом-носителем. Сплошная 力иния на рис. 4.5 изображает зависимость р"=尸(Т〃) давления насыщенного пара улавливаемого компонента от температуры. Точки слева от этой кривой соответствуют перенасыщению смеси этим компонентом, а точки справа — неполному насыщению. Точки 1 и 2 — соответственно начало и конец процесса конденсации. Если
давление пара компонента или его концентрация превышают соответствующее равновесное значение, то фазовая точка процесса попадает в область перенасыщения и происходит образование тумана. Чтобы не допустить этого, необходимо знать факторы, влияющие на переход смеси из состояния 1 в состояние 2. Иными словами, нужно знать вид функции p=f(T) или c = f(T), а следовательно, и производной dc/dT. Эта производная имеет смысл отношения скоростей массопередачи и теплопередачи, которое опреде* ляется так называемым числом Льюиса 8. При некоторых упрощающих предположениях справедливо следующее выражение:
de 1 (с 一 Сет)
или ■
(с —%) = (Т—%)"‘， (4.2>
где с и Т — соответственно концентрация и температура в некоторой точке смеси, а Сет и Тст ——соответствующие значения этих параметров у стенок сосуда для улавливания компонентов- в предпо* ложении, что они соответствуют насыщенной смеси. В результате из уравнения (4.2) следует, что при е<1 функция c = f(T) соответствует кривой а на рис. 4.5, которая лежит в области перегрева смеси; образования тумана при этом не происходит. При е~ 1 функция c=f(T) соответствует кривой 6, которая лишь немного заходит в область перенасыщения; образование тумана при этом маловероятно. При е> 1 функция c = f(T) соответствует кривой в на рис. 4.5, которая лежит в области перенасыщения. При этом вполне вероятно образование тумана. Следовательно, чем больше значение величины е, тем больше вероятность образования тумана.
В каждом конкретном случае взаимное расположение описанных выше кривых охлаждения смеси и давления насыщающего пара естественно зависит от конкретных условий, поэтому сделанные выше выводы следует рассматривать лишь как качественные.
Значение параметра е существенно зависит от условий течения смеси и свойств составляющих ее компонентов. В случае ламинарного течения
£лам=。/。 (4.3)
где а —коэффициент температуропроводности [а=(九/у)Ср； 九 —— коэффициент теплопроводности, 丫 ——удельный вес, ср ——удельная теплоемкость], D — коэффициент диффузии. Теперь можно эмпирически установить простую связь между отношением a/D и отношением молекулярных весов компонента (т0 и газа-носителя (烧2). В первом приближении [13]
a^D=Y т^т2, (4.4)
Отсюда следует важный вывод о том, что, чем больше отношение молекулярных весов компонента и газа-носителя^ тем больше величина е. Это подтверждается известной из опыта большой тенденцией к образованию тумана у веществ с большим молекулярным весом и соответствующей малой тенденцией у веществ с малым молекулярным весом. С другой стороны, чем меньше молекулярный вес газа-носителя, тем больше величина е. Поэтому, например, для того, чтобы избежать образования тумана, водороду следует предпочитать азот [16]. Еще более предпочтителен в- этом смысле углекислый газ. Значения отношения a/Q (для давления 1 атм и температуры 0 ℃) для небольших количеств бензола и газов-носителей Н2} № и СО? соответственно равны 4,9, 2,6 и 0,028.
В случае турбулентного течения выражение для числа Льюиса имеет вид
%урб=3汇' (4・5)
тде а ——коэффициент теплопередачи, о ——коэффициент массопере- Дзчй (для компонента), у ——удельный вес, ср ——удельная тепло- ■емкость. Для полностью развившейся турбулентности, а следовательно для больших значений числа Рейнольдса, еТуРб = 1- Тепло- и массопередача при ламинарном течении происходят путем соударения молекул, а при турбулентном течении ——путем индуцирован- но访 конвекции, и поэтому £турб=1. Турбулентное течение очень редко имеет место в сборниках для улавливания разделенных компонентов, применяемых в лабораторной препаративной газожидкостной хроматографии. Обычно здесь наблюдается ламинарное течение. Вихри, которые часто образуются в нижней части сосуда, не следует принимать за турбулентность.
Из основных законов термодинамики, тепло- и массопередачи, ■а также из приведенного выше обсуждения можно вывести ряд рекомендаций, касающихся правильного конструирования сборников Для разделенных компонентов и их применения.
Сборник должен иметь по возможности большую площадь поверхности, соответствующую количеству конденсата, для обеспечения лучшего контакта с элюатом. Однако слишком большая площадь поверхности нежелательна, так как вещество будет конденсироваться на ней в виде слишком тонкой пленки. Форма сосуда должна быть такой, чтобы конденсат собирался в нижней его части и его можно было извлечь оттуда с помощью шприца. Эффектив- ность сборников различной формы изучал Верзел [16]; он пришел к выводу о том, что лучшее улавливание обеспечивает сосуд, форма которого показана на рис. 4.6, Д.
Температура стенок сосуда (температура охлаждающей бани) должна быть значительно ниже температуры конденсации собираемого вещества, так как разность этих температур обеспечи- вает необходимую теплопередачу, охлаждение и конденсацию.
В зависимости от температуры конденсации вещества в качестве охлаждающих сред используют лед, смесь сухого льда с ацетоном
Рис. 4.6. Сборники для улавливания разделенных компонентов.Рис. 4.6. Сборники для улавливания разделенных компонентов.
Рис. 4.6. Сборники для улавливания разделенных компонентов.
Рис. 4.6. Сборники для улавливания разделенных компонентов.
или спиртом, жидкий воздух или с очень малым молекулярным весомили спиртом, жидкий воздух или с очень малым молекулярным весомРис. 4.7. Зависимость степени выделения г от разности температур А/ элюата и охлаждающей бани.Рис. 4.7. Зависимость степени выделения г от разности температур А/ элюата и охлаждающей бани.Вещество — 200 мкл эфира, температура колонки70 ℃, газ-иоситель — водород.Вещество — 200 мкл эфира, температура колонки70 ℃, газ-иоситель — водород.
или спиртом, жидкий воздух или с очень малым молекулярным весом
или спиртом, жидкий воздух или с очень малым молекулярным весом
Рис. 4.7. Зависимость степени выделения г от разности температур А/ элюата и охлаждающей бани.
Рис. 4.7. Зависимость степени выделения г от разности температур А/ элюата и охлаждающей бани.
Вещество — 200 мкл эфира, температура колонки70 ℃, газ-иоситель — водород.
Вещество — 200 мкл эфира, температура колонки70 ℃, газ-иоситель — водород.
жидкий азот. Для веществ и малым значением числа е, имеющих небольшую тенденцию к образованию тумана, разность температур конденсации и охлаждающей бани можно выбрать очень большой. На рис. 4.7 показан рост степени выделения с увеличением этой разности температур. Следует отметить, что тепло- и массопередача происходят примерно с одной и той же скоростью. В связи с этим при разделении смесей, состоящих из компонентов, кипящих в широком диапазоне температур, рекомендуется использовать несколько сборников для улавливания, имеющих разные темпера- туры.
Степень выделения компонентов из смеси с газом- носителем увеличивается
при увеличении концентрации компонентов в газе-носителе, росте температуры колонки [16] и уменьшении давления в сосуде для улавливания [17]. Это утверждение, однако, имеет мало практиче-
Рис. 4.8. Влияние температуры и концентрации элюата на процесс его охлаждения.Рис. 4.8. Влияние температуры и концентрации элюата на процесс его охлаждения.Рис. 4.9. Процесс охлаждения в присутствии адсорбента.Рис. 4.9. Процесс охлаждения в присутствии адсорбента.Л — начальная фазовая точка; Б — конечная фазовая точка- (в отсутствие адсорбента); 5] — конечная фазовая точка (в присутствии адсорбента).Л — начальная фазовая точка; Б — конечная фазовая точка- (в отсутствие адсорбента); 5] — конечная фазовая точка (в присутствии адсорбента).ского смысла, поскольку все эти параметры в хроматографическом процессе нельзя изменять произвольно. В любом случае высокая концентрация вещества в газе-ноеителе не является благоприятной с точки зрения образования тумана, поскольку в этом случае фазовая точка быстрее попадает в область перегрева (см. рис. 4.8); однако повышенная температура колонки оказывает благоприятное влияние. (Кривые, показанные на рис. 4.8, и приведенные ниже цифры имеют лишь качественный смысл. Действительные кривые, как отмечалось выше, зависят от характеристик газового потока и от свойств разделяемой смеси. Последние могут претерпевать локальные изменения, поэтому кривые охлаждения соответствуют их средним значениям.)
Рис. 4.8. Влияние температуры и концентрации элюата на процесс его охлаждения.
Рис. 4.8. Влияние температуры и концентрации элюата на процесс его охлаждения.
Рис. 4.9. Процесс охлаждения в присутствии адсорбента.
Рис. 4.9. Процесс охлаждения в присутствии адсорбента.
Л — начальная фазовая точка; Б — конечная фазовая точка- (в отсутствие адсорбента); 5] — конечная фазовая точка (в присутствии адсорбента).
Л — начальная фазовая точка; Б — конечная фазовая точка- (в отсутствие адсорбента); 5] — конечная фазовая точка (в присутствии адсорбента).
Л —начальная фазовая точка； Лi — начальная фазовая Точка для повышенной температуры; 力2 — начальная фазовая точка для повышенной концентрации; Б — конечная фазовая точка для условий у стенки сосуда.
Значительное увеличение степени выделения компонентов из смеси с газом-носителем дает полное или частичное заполнение сосуда для улавливания адсорбентом. При этом точка, конденсации смещается с равновесной кривой в область ненасыщения (рис. 4.9). Большая разность парциальных давлений компонента в элюате и у поверхности адсорбента улучшает массопередачу; кроме этого, за счет более тесного контакта обоих сред улучшается и теплопередача.
В качестве таких адсорбентов используют окись алюминия [18], силикагель [19], молекулярные сита [20], активированный уголь [21] и бромистый калий [22——24], причём последний одновременно используют в последующем инфракрасном спектральном анализе уловленных компонентов. Кроме этого, используют спекшиеся материалы, сита, а также таблетки из стеклянного, металлического или полимерного волокна [25——28]. При использовании этих материалов большую роль играет увеличение теплообмена, так как их
11 Зак. № 570
адсорбционная способность мала. Кроме адсорбентов, используют и жидкости. При этом пригодны такие растворители, которые не оказывают мешающего действия при дальнейшем использовании разделенных веществ и которые поэтому не обязательно удалять из этих веществ, или такие, которые легко удалить путем их отгонки. Элюат либо пробулькивает через такие растворители [29, 30], либо их замораживают в форме сит, на которых вещество адсорбируется,.как на фильтре [31]. Для этой же цели можно использовать и колонки с насадкой, покрытой жидкой фазой [22, 33——35], или без нее [32]. При достаточно низкой температуре вещество удерживается в такой колонке до тех пор, пока не завершится процесс разделения. После этого колонку слегка подогревают и с помощью небольшого потока газа-носителя выдувают удержанные в ней вещества в охлажденный сосуд для улавливания. В литературе описаны также различные устройства для переноса разделенных веществ в спектрометры ЯМР, инфракрасные, ультрафиолетовые и масс-спектрометры, а также в гдзовые хроматографы с целью их дальнейшего анализа. Были созданы устройства, пригодные, в частности, для инфракрасного анализа, которые используют для улавливания хроматографически разделенных веществ и которые одновременно являются оптическими ячейками в спектрометре [36, 37]. Вновь следует подчеркнуть, что трудности упомянутых выше методов, применение которых не всегда приводит к успеху, связаны с последующим не всегда достаточно успешным отделением вещества от адсорбента путем перегонки, экстракции, —элюирования или центрифугирования. За исключением тех случаев, когда при дальнейшем использовании разделенных веществ адсорбент не оказывает мешающего действия, задачу отделения вещества от адсорбента можно считать полностью решенной только тогда, когда вещество получено в чистом виде.
Хорошие результаты при выделении из смеси с газом-носителем веществ с очень высоким молекулярным весом, таких, как стероиды и алкалоиды, дает способ, в котором осуществляется конденсация как самих веществ, так и газа-носителя. Если в качестве газа-носителя используют аргон- (точка кипения ——186 ℃), то охлаждение сосуда для улавливания компонентов в этом случае осуществляют жидким азотом (точка кипения ——196 ℃) [38]. При этом конденсации не мешает сопротивление, оказываемое диффузии молекул конденсируемого вещества газом-носителем. Объем элюата уменьшается в результате конденсации примерно в 1000 раз, поэтому можно использовать сосуды обычного размера. При конденсации элюата давление в сосуде понижается. Для того чтобы не допустить всасывания в сосуд воздуха, температуру на его выходе поддерживают ниже точки кипения азота. Затем осуществляют испарение аргона, которое должно быть очень медленным, так как быстро испаряющийся аргон может увлекать молекулы выделяемого вещества. Испарение аргона рекомендуется проводить в сосуде
с жидким кислородом (точка кипения ——183 ℃) [39]. Этот способ полной конденсации можно применять и в том случае, когда в качестве газа-носителя используется углекислый газ. Как и прежде, охлаждающим агентом может быть жидкий азот [40].
Аналогичные результаты получаются при смешивании элюата, поступающего в сосуд для улавливания, с парами легко конденсирующихся веществ (воды, ацетона и т. д.). Эти вещества облегчают переход улавливаемого компонента из газовой фазы на стенки сосуда. Джонс и Ричи [41], которые и рекомендовали этот способ, собрали с его помощью ароматические амины для последующего анализа методом ультрафиолетовой спектроскопии. При этом отношение объема пара, добавленного в элюат, к объему содержащегося в нем улавливаемого вещества было равно 1000: 1.
Если в качестве газа-носителя используют углекислый газ, то улавливание летучих разделенных веществ можно осуществить следующим образом. Элюат, выходящий из колонки, пропускают через гидроокись калия, которая поглощает углекислый газ, в то время как улавливаемое вещество собирается над ней.
Этот способ дал хорошие результаты при улавливании углеводородов С2—■С4 [42] и инсектицидов [43], но его можно применять только для -улавливания веществ, которые не реагируют с гидроокисью калия.
Если выделение хроматографически разделенных веществ из их смеси с газом-носителем сопровождается образованием тумана, то этого можно избежать с помощью чисто термических методов. В основе всех этих методов лежит уравнение (4.2), и все они связаны с поддержанием молекул улавливаемого вещества в перегретом состоянии вплоть до их окончательного контакта со стенкми сосуда.
Выше уже отмечалось, что обычно газовый поток в сосуде для улавливания разделенных веществ ламинарный и распределение температуры в плоскости поперечного сечения сосуда имеет параболическую форму. Когда теплопередача опережает массопередачу (е> 1), локальная концентрация поднимается выше значения, соответствующего насыщению, и образуется туман. Вероятность, этого больше для точки, расположенной дальше от стенки сосуда, поэтому образование тумана и начинается у оси сосуда. Учитывая это, Колборн и Эдисон [44] впервые сконструировали устройство для конденсации, вдоль оси которого помещен нагревательный элемент и стенки которого охлаждаются. Кривая охлаждения, полу- □абман с помощью такого устройства, лежит в области перегрева (рис. 4.10). При использовании в ГЖХ этого устройства его внутреннюю часть можно нагревать воздухом [45] или электрически [46], как показано на рис. 4.11. Элюат из колонки течет по спирали между двумя стенками, причем внутренняя стенка нагревается электрическим нагревателем, а наружная стенка охлаждается. Температура внутренней стенки .равна 150—200 ℃. При использовании
сухого льда в качестве охлаждающего агента для этилового эфира капроновой кислоты и лимонена получили степень выделения, равную 95%. Описанный эффект часто объясняют тем, что образованию тумана препятствует турбулентное течение, обусловленное существованием разности температур между серединой и стенками сосуда. Правильность такого объяснения
сомнительна.
Выше было показано, что образование тумана всегда происходит при слишком быстром охлаждении элюата, когда теплопередача опережает массопередачу.. Перепад температур между выходом из колонки и сосудом для улавливания часто составляет несколько сот градусов на расстоянии всего лишь в несколько сантиметров. Это неизбежно должно приводить к образованию тумана в смесях, для которых е> 1. Однако при медленном охлаждении с ма-
Рис. 4.10. Процесс охлаждения при помещении нагревательного элемента вдоль оси сосуда для улавливания.Рис. 4.10. Процесс охлаждения при помещении нагревательного элемента вдоль оси сосуда для улавливания.А — начальная фазовая точка; 5 — конечная фазовая точка; / — обычное охлаждение (с образованием тумана); 2 — охлаждение при помещении нагревательного элемента вдоль оси сосуда.
Рис. 4.10. Процесс охлаждения при помещении нагревательного элемента вдоль оси сосуда для улавливания.
Рис. 4.10. Процесс охлаждения при помещении нагревательного элемента вдоль оси сосуда для улавливания.
Рис. 4.11. Сборник для улавливания с нагревательным элементом вдоль его оси.Рис. 4.11. Сборник для улавливания с нагревательным элементом вдоль его оси./ — нагревательный элемент 50 Вт; 2 — холодная стенка; 3 — нагретая стенка; 4—спираль из стеклянного стержня диаметром 3 мм; 5—ко аксиальный зазор./ — нагревательный элемент 50 Вт; 2 — холодная стенка; 3 — нагретая стенка; 4—спираль из стеклянного стержня диаметром 3 мм; 5—ко аксиальный зазор.лыми градиентами температуры кривая охлаждения до момента наступления конденсации, как и прежде, проходит в области перегрева. При очень малых градиентах температуры кривая охлаждения может проходить очень близко к кривой насыщения (рис. 4.12). Устройство для улавливания, в котором используется этот принцип, показано на рис. 4.13. В этом устройстве элюат течет через металлическую трубку, которая имеет тепловой контакт с выходным устройством хроматографа А и которая обеспечивает постепенный переход от температуры на выходе из колонки к темпера-
Рис. 4.11. Сборник для улавливания с нагревательным элементом вдоль его оси.
Рис. 4.11. Сборник для улавливания с нагревательным элементом вдоль его оси.
/ — нагревательный элемент 50 Вт; 2 — холодная стенка; 3 — нагретая стенка; 4—спираль из стеклянного стержня диаметром 3 мм; 5—ко аксиальный зазор.
/ — нагревательный элемент 50 Вт; 2 — холодная стенка; 3 — нагретая стенка; 4—спираль из стеклянного стержня диаметром 3 мм; 5—ко аксиальный зазор.
туре сосуда для улавливания. Капли сконденсировавшегося вещества падают из трубки в охлаждаемый сосуд 5, а газ-носитель выходит наружу через кольцевой зазор В, который способствует также поддержанию нужного градиента температуры. Для цис- и транс- декалинов с применением этого устройства была получена степень выделения, равная 99% [47]. Такие же хорошие результаты были получены при выделении с помощью этого устройства эфиров длинноцепочечных жирных кислот, но при этом нужный градиент температуры поддерживали с помощью специальной печи [48]. Очень простые, но эффективные способы поддержания требуемых гради-
Рис. 4.12. Процесс охлаждения при наличии градиента температуры в направлении движения газового потока. ,Рис. 4.12. Процесс охлаждения при наличии градиента температуры в направлении движения газового потока. ,А — начальная фазовая точка; 5 — конечная фазовая точка; 7 — обычное охлаждение . (с образованием тумана)； 2 — охлаждение при наличии градиента температуры.
Рис. 4.12. Процесс охлаждения при наличии градиента температуры в направлении движения газового потока. ,
Рис. 4.12. Процесс охлаждения при наличии градиента температуры в направлении движения газового потока. ,
Рис. 4.13. Сосуд для улавливания с градиентом температуры.Рис. 4.13. Сосуд для улавливания с градиентом температуры.ентов температуры описали Тераниши и сотр. [49], а также Браунли и Сильверштейн [50].
Рис. 4.13. Сосуд для улавливания с градиентом температуры.
Рис. 4.13. Сосуд для улавливания с градиентом температуры.
Даниэльс [51] описал устройство для улавливания, в котором элюат течет через горизонтально расположенную стеклянную спираль, нижняя часть которой погружена в горячее масло, а верхняя охлаждается струей воздуха. Разность температур между верхней и нижней частями спирали равна примерно 100 ℃. Проходя по спирали, элюат попеременно нагревается и охлаждается, и туман, образующийся в холодной части спирали, исчезает при прохождении элюата по ее нагретой части. График, соответствующий происходящему при этом процессу охлаждения элюата, изображен на рис. 4.14. Для метилового эфира олеиновой кислоты и р-ионона этот способ дает степень выделения, равную 95%.
Если методы, предназначенные для предотвращения образования тумана, не дают желаемых результатов или по тем или иным
причинам не могут быть применены, можно попытаться отделить туман от газа-носителя. О связанных с этим трудностях уже говорилось выше. *
Центробежные силы, возникающие при движении элюата по спирали, недостаточны для того, чтобы вызвать отделение тумана от газа-носителя. Капельки тумана очень малы и имеют малую массу, и потому их поведение очень напоминает поведение молекул газа. Однако центробежное отделение тумана от газа-носителя все же возможно при использовании центрифуги со скоростью вра-
Рис, 4.14. Процесс охлажденияс попеременным охлаждениеми нагреванием.
А — начальная фазовая точка; Б —конечная фазовая точка.
Рис. 4.15, Устройство для электростатического осаждения тумана.Рис. 4.15, Устройство для электростатического осаждения тумана./ — электрод высокогонапряжения../ — электрод высокогонапряжения..щения порядка 7000 об/мин [52]. Кроме высокой степени отделения, этот способ имеет еще и то преимущество, что сконденсировавшееся вещество собирается в очень малом объеме. Однако из-за высокой стоимости центрифуг их редко применяют на практике.
Рис. 4.15, Устройство для электростатического осаждения тумана.
Рис. 4.15, Устройство для электростатического осаждения тумана.
/ — электрод высокогонапряжения..
/ — электрод высокогонапряжения..
Наконец, туман можно пропустить через электрическое поле, где его частицы приобретут электрический заряд и осядут на стенках сосуда [53——57]. Устройство для улавливания, работающее на этом принципе, показано на рис. 4.15; электрическое поле в этом устройстве образуется между двумя электродами, одним из которых является прямой провод, идущий вдоль спирали, а другой намотан на нее. Первый электрод заземлен, а второй подсоединен к источнику переменного напряжения. Напряжение можно непрерывно менять от 0 до 20 кВ, и его увеличивают постепенно до тех пор, пока
туман не исчезнет. При слишком высоком напряжении может происходить разложение веществ, находящихся в спирали. В этом смысле лучше и безопаснее для оператора использовать постоянный ток, однако он дает меньшую степень выделения [55].
IV. ДЕТЕКТИРОВАНИЕ
Детектор препаративного хроматографа предназначен вместе с регистрирующим устройством для непрерывной регистрации хроматограмм и, кроме того, для получения сигналов, использующихся для автоматического управления хроматографом. В связи с этим он должен удовлетворять следующим требованиям:
Иметь стабильную нулевую линию, положение которой не зависит от изменений температуры, давления и скорости газового потока. Изменения температуры могут происходить вследствие флуктуаций или при программировании температуры. Изменения давления и скорости газового потока неизбежны при смене сосудов для улавливания разделенных компонентов или при введении проб.
Разделение часто заключается в очистке смеси газов от очень малых примесей (несколько миллионных долей), поэтому к детектору предъявляют требования очень высокой чувствительности. Необходимо, кроме того, иметь возможность проверки чистоты уловленных веществ.
Препаративные разделения осуществляют, как правило, на колонках, работающих в условиях перегрузки, и концентрация вещества в пределах одной хроматографической полосы может изменяться в широких пределах. Поэтому желательно, чтобы характеристика детектора была линейной в широком диапазоне подобно тому, как это имеет место в аналитических детекторах. Нелинейность характеристики детектора приводит к искажению формы хроматографических пиков, и в результате он показывает худшее разделение, чем то, которое имело место на самом деле.
Концентрация неподвижной фазы в препаративных колонках, как правило, велика, причем эта фаза постоянно испаряется и вытекает из колонки. Поэтому детектор должен быть нечувствителен к загрязнениям и в любом случае легко очищаемым.
Можно перечислить и другие требования, но они лишь показывают, что неправильно считать, как это часто делается, будто любой самый плохой детектор вполне подходит для препаративной ГЖХ. В принципе все детекторы для ГЖХ могут быть использованы в- препаративной ГЖХ. Однако за редким исключением наиболее широкое распространение получили катарометр и пламенноионизационный детектор (ПИД).
' Катарометр больше популярен, поскольку он имеет простую конструкцию и позволяет детектировать самые разнообразные вещества. К сожалению, при использовании азота в качестве газа-носителя (азот часто применяется в препаративной хроматографии
в целях экономии затрат) в катарометре происходит инверсия хроматографических пиков. Кроме того, катарометр чувствителен к изменениям температуры, давления и скорости газового потока, и попытки его стабилизации часто сводят на нет все его преимущества.
Катарометр можно включать как в основной поток элюата из колонки, так и в поток, отводимый от основного с помощью делителя потока. При включении катарометра в основной поток требуется правильно соединять его с линиями, в которых течет элюат. На рис. 4.16, Б показан самый неудачный, но наиболее часто применяемый способ подключения катарометра; способ 4,16, А лучше, а способ 4.16, В — оптимальный, однако при его использовании тре-
подсоединения катарометра.подсоединения катарометра.
подсоединения катарометра.
подсоединения катарометра.
буется полностью улавливать разделенные вещества в охлаждаемых ловушках. Как правило, для такого подключения катарометра используют чисто диффузионные ячейки. При использовании проточных ячеек для предотвращения образования турбулентностей на нагревательных проводах рекомендуется применять кольцевые отражатели [3] и стеклянный бисер [59].
При включении катарометра в отводном потоке элюата в его измерительную ячейку с помощью делителя потока отводят небольшую часть основного потока элюата из колонки (рис. 4.17). Скорости газовых потоков в измерительную и сравнительную ячейки катарометра (5——50 мл/мин) зависят от его геометрии и их регулируют с помощью игольчатых клапанов. Для выравнивания температур обоих потоков перед катарометром их приводят в тепловой контакт друг с другом. Ограничительный капилляр 3 пневматически изолирует катарометр от выходного устройства 4; это позволяет значительно уменьшить влияние* на катарометр изменений давления в колонке, особенно при улавливании нестабильных веществ.
Для того чтобы не было ошибок в измерениях, концентрация вещества в части потока, отводимой в катарометр, должна всегда
быть той же, что и концентрация в основном потоке. Это предъявляет определенные требования к делителю потока. Подходящий делитель схематически показан на рис. 4.18. Конец капилляра, через который в делитель поступает основной поток элюата, расположен
Рис. 4.17. Катарометр в отводном потоке.Рис. 4.17. Катарометр в отводном потоке.
Рис. 4.17. Катарометр в отводном потоке.
Рис. 4.17. Катарометр в отводном потоке.
ЛЛРис. 4.18. Схема делителя потока.Рис. 4.18. Схема делителя потока.4 ——газовый поток нз колонки; Б — газовый поток в детектор; В — газовый поток в выходное устройство.4 ——газовый поток нз колонки; Б — газовый поток в детектор; В — газовый поток в выходное устройство.детектора к изменениям в шидетектора к изменениям в ши
Л
Л
Рис. 4.18. Схема делителя потока.
Рис. 4.18. Схема делителя потока.
4 ——газовый поток нз колонки; Б — газовый поток в детектор; В — газовый поток в выходное устройство.
4 ——газовый поток нз колонки; Б — газовый поток в детектор; В — газовый поток в выходное устройство.
детектора к изменениям в ши
детектора к изменениям в ши
]—поток газа нз колонки; 2 — делитель потока; 3 — капилляр—ограничитель потока; 4 — выходное устройство; 5 — игольчатый клапан для потока в измерительную ячейку； 6 — игольчатый клапан для потока в сравнительную ячейку； 7 — теплообменник; 8 — катарометр； 9 — поток газа в сравнительную ячейку.
строго против отверстия, через которое из делителя выходит поток в измерительную ячейку катарометра. При этом вряд ли возможны кратковременные изменения концентрации, поскольку выходное от
верстие делителя является, по сути дела, продолжением входного
капилляра. Основная часть потока поворачивается в делителе на 180° и направляется к выходному устройству хроматографа.
В то время как на ранних стадиях развития препаратив-
ной газовой хроматографии катарометр использовали почти во всех случаях, в последние годы большую популярность приобрел ПИД. Это связано
с нечувствительностью этого
роком диапазоне температуры,роком диапазоне температуры,давления и скорости газового по
роком диапазоне температуры,
роком диапазоне температуры,
тока, независимостью его характеристик от природы газа-носителя, широкого диапазона линейности' его характеристик, высокой чувствительностью, которая сочетается с малым потреблением элюата (1—5% полного потока), и малым временем его прогревания. К недостаткам ПИД следует отнести то, что для него требуются потоки
воздуха и водорода, имеющие строго заданные объемные скорости, а также то, что он обеспечивает детектирование лишь таких веществ, молекулы которых образуют ионы при сгорании в водородном пламени. ПИД можно использовать лишь с делителем потока типа того, который показан на рис. 4.18.
Можно использовать и газохроматографические детекторы других типов, например детектор по сечению ионизации [60], р-иониза- ционный детектор [8], аргонный ионизационный детектор [61] и адсорбционный детектор [62]. Однако их применяют лишь в тех случаях, когда не могут быть использованы ни катарометр, ни ПИД.
СПИСОК ЛИТЕРА ТУРЫ
Atkinson £. D, 7иеу О. А.尸.，in Gas Chromatography 1958, D. H. Desty, ed., Butterworths, London, 1958, p. 270.
Anonymous, Nester/Faust, Sales Bulletin № 867 (1967).
Sakodynskij & /., Wolkow S. 4, Brashnikow W. W.} Shaworonkow M M.f in Gas Chromatography 1963, H. P. Angele, H. G. Struppe, eds., Akademie— Verlag, Berlin, 1963, p. 164.
Kirkland 丄 J., in Gas Chromatography, V. J. Coates, H. J. Noebels, L S. Fu- gerson, eds., Academic Press, New York, 1958, p. 203.
Bushong P. 4, in Lectures on Gas Chromatography 1962, H. A. Szymanski, ed., Plenum Press, New York, 1963, p. 247.
Bayer E, Hupe K「P., Witsch H. &, Angew. Chem., 73, 525 (1961).
Kaiser R, Chromatographie in der Gasphase, 1. Teil, Bibliographisches Institute, Mannheim, 1960, p. 159.
Heilbronner E., Kovats £., Simon 呪，Helv. Chim. Acta, 40 (2), 2410 (1957).
Blom L. (discussion remarks), in Gas Chromatography 1958, D. H. Desty, ed., Butterworths, London, 1958, p. 284.
Hupe K「P・, Busch U.} Kuhn W., J. Gas Chromatog., 92 (1965)..
Hupe K」P., Chromatographia, 1, 57 (1968).'
Kauss 丄疝，Peters 工，Euston C.左，Develop. Appl. Spectry, 2, 383 (1962).
Hausen H., Angew. Chem. B, 20, 177 (1948).
KUnkenberg A. (discussion remarks), in Vapor Phase Chromatography, D. H. Desty, ed., Butterworths, London, 1957, p. 211.
Rijnders G. W. 4, in Advances in Chromatography, Vol. 3, J. C. Giddings, R. A. Keller, eds., Marcel Decker, New York, 1966, p. 215.
Versele М.г J. Chromatog., 13, 377 (1964).-
Kuischke 氏 О, in Vapour Phase Chromatography, D. H. Desty, ed., Butterworths, London, 1957, p. 96.
Ambrose D, Collerson R. A., Nature, 177, 84 (1956).
Widmark R, Widmark &, Acta Chem. Scand, 16, 575 (1962).
Cartwright M, Heywood A., Analyst, 91, 337 (1966).
Drew С. M., Johnson 丄 H_ J. Chromatog., 9, 264 (1962).
Howlett M D, D, Welti D, Analyst, 91, 291 (1966).
Kubeczka K.-H.、Naturwissenschaften, 52, 429 (1965).-
Leggon H. W.} Anal. Chim. Acta, 33, 83 (1966).
Carle A. 8, Perkins G, Anal. Chim. Acta, 34, 83 (1966).
Haslam /., Jeffs A. R, Willis H. 4, Analyst, 86, 44 1961).
Hajra A. Radin ^. S., J. Lipid Res., 3, 131 (1962).
Thomas 尸.丄，Dwyer 丄 L.t J. Chromatog., 13, 366 (1964).
Hardy R., Keay 丄 M, J. Chromatog., 17, 177 (1965).
Neiswender D. D., J. Gas Chromatog., 4, 426"(1966).
Witte К» Dissinger O., Anal. Chem., 236, 119 (1968).
Sheares D. 4, Stone В. C, McGugan 取.4, Analyst, 88, 147 (1966).
Кетр 吃，Range D, Chern. Ind. (London), 418 (1965).
Fowlis /. 4, Welti D., Analyst, 92, 639 (1967).
Burl B. 4, Beroza AL, Ruth 丄 M.f J. Gas Chromatog., 6, 286 (1968).
Beroza M, J. Gas Chromatog., 2, 330 (1964).
Ballinger 丄 T., Bartels T. T.} Taylor 丄 H., J. Gas Chromatog., 6, 295 (1968).
Fates H. AT, Haahti £. D. A., Luukkainen T., Vandenheuvel W.丄 4, Horning E. C., Anal. Biochem., 4, 296 (1962).
Swoboda P. A. T., Nature, 199, 31 (1963).
Hornstein /., Crow R, Anal. Chem., 37, 170 (1965).
Jones 丄 H., Ritchie C. D, J. Assos. Offic. Agr. Chem., 41, 753 (1958).
Hachenberg. H., Brennstoff-Chem., 43, 9 (1962).
Bache C. A.} Lisk D. /., J. Chromatog. Sei., 7, 296 (1969).
Colburn A. A Edison A. G., Ind. Eng. Chem., 33, 457 (1941).
Stevens R. K, Mold 丄 D., /. Chromatog., 10, 398 (1965).
Teranishi R., Corse 丄取Day 丄 C, Jennings W. &, J. Chromatog., 9, 244 (1962).
Guiochon G, Dixmier M. 8, Ron 8, Taboureau 丄，in Gas Chromatography 1968, H. G. Struppe, ed., Akademie—Verlag, Berlin, 1968, p. 261.
Schlenk H.* Sand D. M, Anal. Chem., 34, 1676 (1962).
Teranishi 反，Flath R. 4, Mon T. R.f Stevens ^. L, J. Gas Chromatog., 3, 206 (1965).
Brownlee R. &, Silverstein R., Anal. Chem., 40, 2077 (1968).
Daniels H. W. R., Chern. Ind. (London), 1078 (1963).
Wehrli A., Kovats £, J. Chromatog., 3, 313 (I960).
Thomson A. E, J. Chromatog., 6, 454 (1961).
Ross W. D., Moon 丄 E, Evers R. L., J. Gas Chromatog., 341 ,(1964).
Borka L, Privett O. S., J. Am. Oil Chem. Soc., 42, 459A (1965).
Fish D. W., Crosby D. G, J. Chromatog., 37, 307 (1968).
Bloomer 丄 L, Eder W. R., J. Gas Chromatog., 6, 448 (1968).
Anonymous, Dr. Hupe Apparatebau, Technical Bulletin 8, 68 (1968).
Models M, Anal. Chem., 40, 1444 (1968).-
Lovelock 丄 E, Anal. Chem., 33, 162 (1961).
Welti D., Wilkins T., J. Chromatog., 3, 591 (I960).
Hupe H.-Р., Lecture 5, Colloquium on Gas Chromatography, October 4, 1963. Miinchen.
Глава 5
АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОЦЕССА ПРЕПАРАТИВНОГОХРОМАТОГРАФИЧЕСКОГО РАЗДЕЛЕНИЯ
Ю. Буш
U. Busch
Нире und Birgch, Karlsruhe, BRD
ПРИЧИНЫ АВТОМАТИЗАЦИИ
Как уже говорилось в гл. 1 этой книги, в большинстве препаративных газохроматографических разделений используют повторение рабочих циклов. В каждом из циклов совершается одна и та же последовательность рабочих операций, и поэтому весь процесс целесообразно автоматизировать. В результате автоматизации исключаются ошибки, связанные с работой оператора, и значительно уменьшаются эксплуатационные расходы, связанные с постоянным контролем за работой устройств. Большое значение в смысле экономии затрат имеет возможность круглосуточной работы. Преимущества автоматизации полностью проявляются лишь в том случае, когда она настолько эффективна, что при выборе условий для данного разделения нет необходимости каждый раз специально анализировать работу автоматической системы. В результате автоматизации не должна ухудшаться чистота разделенных веществ, и, кроме того, интервал времени между следующими друг за другом циклами должен быть как можно меньшим.
П. АВТОМАТИЗИРУЕМЫЕ ОПЕРАЦИИ И СПОСОБЫАВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ
Автоматическое управление циклом хроматогра'фического разделения включает в себя следующие операцйи: 1) введение пробы (дозирование); 2) открывание и закрывание охлаждаемых ловушек (программирование отбора фракций).
Кроме этих основных операций, имеются следующие вспомогательные операции: 3) задержка начала программированного разделения фракций; 4) изменение температуры колонки (программирование температуры); 5) изменение скорости газового потока (программирование газового потока); 6) коррекция нулевой линии детектора； 7) остановка процесса после выполнения заданного числа циклов разделения. Программирование температуры колонки и скорости газового потока подробно описаны в гл. 6 этой книги.
Соответствующие автоматические системы можно разделить на две группы:
Системы с управлением по времени (система без обратной связи).
Системы с управлением по времени и концентрации (системы с обратной связью).
АВТОМАТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ С УПРАВЛЕНИЕМ
ПО ВРЕМЕНИ
Время удерживания является параметром, по которому возможна качественная идентификация разделенных веществ в аналитической хроматографии, и на его основе можно осуществить автоматическое управление по времени операциями введения проб, а также операциями открывания и закрывания охлаждаемых ло-
Рис. 5.1. Схема управления по времени.
/ — пуск; 2 — возврат； 3 — часовой механизм； 4 — счетчик; 5 — датчики моментов времени; 6 — элементы с двумя состояниями; 7 — устройство для ввода пробы； V), 厶一клапаны ловушек..
вушек [1, 2]. Такое управление можно осуществить с помощью очень простой системы (рис. 5.1). В этой системе имеется счетчик импульсов, которые вырабатываются генератором импульсов. Через определенные промежутки времени этот счетчик открывает и за-- крывает клапаны, через которые осуществляется выполнение той или иной операции. Перед началом работы счетчик устанавливают в нулевое положение. По истечении первого интервала времени /3 счетчик дает команду на устройство для введения проб, и начинается дозирование пробы.
Затем в момент /^ открывается первая охлаждаемая ловушка (Vi), а в момент /1Ь она закрывается. Далее в соответствии с временами удерживания целевых компонентов разделяемой смеси открываются и закрываются другие ловушки, а по истечении времени %з с момента начала работы счетчик возвращается в нулевое положение, и можно начинать следующий цикл разделения. Моменты /3, Ла, fib и т. д. определяют по калибровочной хроматограмме,
получаемой предварительно, как показало на рис. 5.2. Преимуществом такой системы является.то, что после получения калибровочной хроматограммы уже не нужно регистрировать хроматографические пики. Недостаток этой системы в том, что она очень чувствительна к изменениям времен удерживания компонентов разделяемой смеси. С этим можно бороться путем увеличения степени разделения настолько, чтобы хроматографические пики стали не только полностью разделенными, но между ними существовало еще и не-
Рис. 5.2. Контрольная хроматограмма для управления по времени. Все интервалы времени отсчитываются от момента начала программы.
f3 — время задержки, ^1а—^ь — интервал отбора фракции 1;^2а—^26 — иитервал отбора
фракции 2; t3a—t3[> — интервал отбора фракции 3.
которое расстояние. Однако при таком увеличении степени разделения препаративная колонка используется далеко не оптимальным образом. В общем можно утверждать, что автоматическое управление по времени налагает трудновыполнимые требования по отношению к стабильности времен удерживания разделяемых веществ (см. ниже разд. IX.Б).
АВТОМАТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ С УПРАВЛЕНИЕМПО ВРЕМЕНИ И КОНЦЕНТРАЦИИ
Недостатков автоматического управления по времени можно избежать, если открывание и закрывание охлаждаемых ловушек осуществлять по сигналу детектора, а для остальных операций использовать управление по времени. Был предложен ряд принципов по-
строения соответствующих автоматических систем [3——7]; ниже рассматриваются лишь некоторые из них. Для управления можно использовать не только сам сигнал детектора, но и его производную.
АВТОМАТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА С ОДНИМ ПОРОГОМ
Для простых разделений с полностью разделимыми компонентами смеси достаточна система, в которой открывание охлаждаемой ловушки происходит при превышении концентрацией вещества в элюате некоторого порогового значения с§. Когда концентрация опускается ниже порогового уровня, ловушка закрывается. Если концентрация вещества в элюате вторично превышает порог с$, то открывается вторая ловушка, и т. д. (рис. 5.3). Для того чтобы ра-
Рис. 5:3, Контрольная программа для выйРис. 5:3, Контрольная программа для выйуправления с одним порогом.点一порого- уровень.управления с одним порогом.点一порого- уровень.
Рис. 5:3, Контрольная программа для вый
Рис. 5:3, Контрольная программа для вый
управления с одним порогом.点一порого- уровень.
управления с одним порогом.点一порого- уровень.
бота системы не зависела от числа компонентов, содержащихся в разделяемой смеси, в системе- необходимо предусмотреть устройство, которое возвращает систему в исходное положение после элюирования всех компонентов, присутствующих в данной разделяемой смеси. По команде от этого же устройства можно осуществлять и введение пробы в колонку; при этом для операции введения не требуется управления по времени. Выработку команды при прохождении концентрации, через пороговый уровень можно осуществлять различными способами. Самый простой способ ——это установить микровыключатель на самописец, причем самописец, как правило, желательно иметь для контроля за автоматическим выполнением последовательности операций цикла разделения. В качестве микровыключателей можно использовать обычные электрические контакты, но, учитывая то, что атмосфера в помещении лаборатории часто способствует коррозии, используют магнитные язычковые реле или фотоэлектрические выключатели. Если сигнал детектора непрерывно не регистрируют, то можно использовать зеркальный гальванометр в комбинации с фотоэлементами [5]. Точность
установки выключателя и воспроизводимость точки переключения должна составлять около 2% по отношению к диапазону измеряемой величины.
Блок-схема подобной автоматической системы с одним порогом показана на рис. 5.4. В этой системе сигнал детектора газового хроматографа А подается на самописец с установленным на нем микровыключателем 5. Сигнал от этого микровыключателя подается на управляющее устройство В. Число улавливаемых компонентов разделяемой смеси задается преселектором Г, в котором вырабатывается сигнал окончания цикла разделения.'Охлаждаемые ловушки Т1... 7\ открываются и закрываются клапанами V^ ..., 丫击
Рис, 5.4. Блок-схема автоматической системы управления с одним порогом.
Д — газовый хроматограф; £ — микровыключатель, установленный на еамопнсце; В — управляющее устройство; Г — преселектор, задающий конец программы： Д — реле времени для ввода пробы； Е — устройство для ввода пробы; Ж — кнопка пуска; 3 — кнопка ручного ввода пробы.
Через реле Д в конце цикла разделения подается команда на устройство £ для введения проб. Включают систему путем нажатия кнопки Ж. Для осуществления контрольного разделения ввод пробы можно осуществить путем нажатия кнопки 3.
Б. ПРИМЕР КОНСТРУКЦИИ АВТОМАТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫС ОДНИМ ПОРОГОМ
В этом разделе описывается схема автоматического устройства, которое можно использовать в случае, когда краны охлаждаемых ловушек управляются соленоидами. Предполагается, что кран ловушки для отбора промежуточных фракций открыт, когда через соответствующий соленоид ток не идет, и закрыт, когда через него проходит ток, а краны ловушек для сбора чистых веществ работают противоположным образом. Преимуществом такого подключения соленоидов является то, что при отключении электрического тока ловушки для отбора промежуточных фракций откроются наверняка.
Для работы управляющего устройства необходим переключатель, который отключается на короткое время, в течение которого сигнал детектора проходит через заранее заданный уровень. Таким переключателем, например, может быть язычковое реле, которое управляется магнитом, связанным с пером самописца, или фотосопротивление, поток света на которое прерывается в момент прохождения между ним и источником света заслонки, скрепленной с пе-
АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОЦЕССА ПРЕПАРАТИВНОГО РАЗДЕЛЕНИЯ 177 ром самописца. Такое фотосопротивление включает и выключает реле, соединенное с ним последовательно.
В схеме устройства, показанной на рис. 5.5, имеется шаговый искатель S по меньшей мере на.2п+1 положений (п ——возможное число компонентов в разделяемой смеси), и четыре реле, одно из которых (Т) срабатывает с задержкой, примерно равной 0,1——0,2 с. Эта задержка обеспечивается RC-цепочкой.
Описание работы устройства, схема которого приведена на рис. 5.5, начнем с предположения о том, что шаговый искатель находится в положении 0. При этом через обмотку реле Б течет ток, а все остальные реле и обмотка Л шагового искателя отключены.
Рис. 5.5. Схема автоматического устройства для управления с порогом.
А — двигательная обмотка шагового искателя; В, В, Г н Д — реле; б, в, г к д — контакты соответствующих реле； Е ——переключатель, задающий момент окончания цикла; S ——шаговый искатель; 匕)，％,,.., 匕一соленоидные клапаны; г — микровыключатель;力一кнопка пуска.
При нажатии кнопки / устройство для ввода пробы получает управляющий импульс и происходит введение пробы. Когда появляется первый хроматографический пик и сигнал детектора проходит через пороговое значение, на шаговый искатель через контакты г поступает управляющий импульс и искатель переходит в положение 1. В этом положении через соленоид Vi идет ток, поскольку контакты б? реле В нормально замкнутые, а само реле В отключено, и происходит улавливание соответствующего компонента в ловушке /. Когда в конце выхода первого компонента сигнал детектора становится ниже порогового значения, на шаговый искатель поступает еще один импульс и переводит его в положение 2. Таким образом, каждому хроматографическому пику соответствуют два перехода шагового искателя. Конец цикла задается переключателем Е. Так, например, если этот переключатель поставить в положение е3, то после закрытия ловушки 3 сработает реле В. После этого попере-
12 Зак. № 570
менно с интервалом околох0,1 с начнут срабатывать реле Г и Д. При этом на шаговый искатель будет поступать последовательность импульсов, в результате чего его ротор совершит полный оборот и вернется в начальное положение 0. При этом движении шагового искателя все ловушки закрыты, поскольку разомкнуты контакты 6? реле В. Когда искатель приходит в свое конечное положение, подается команда на устройство для ввода проб и начинается новый цикл. '
Когда искатель приходит в положение 0, включается реле Е, размыкаются его контакты d, выключаются реле В, Г и Д и шаговый искатель останавливается. Далее весь цикл повторяется.
АВТОМАТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ С НЕСКОЛЬКИМИ ПОРОГАМИ
В случае сложных разделений автоматическое управление с одним порогом становится неэффективным. Если разделяемая смесь, кроме пары не полностью разделенных компонентов, содержит еще
^уд2Дуд1 = 1,05 (^ д — время удерживания); M=。,5 Mи, М+М'=0,78 Л1(и, Af2=0,5 М02,此‘+^㈢ =0,78Mo2； Moi = MO2 — величина введенной пробы; R4 — степень чистоты; л=3000; 7?訂=95%;
R；I=96,8%; Rq?=94%； R；2=96,2%・
и небольшое количество третьего компонента, то для автоматического улавливания в одном цикле всех трех компонентов необходимы пороги различной величины. Более того, для получения максимально высокой эффективности улавливания необходимо, чтобы уровни сигналов для открывания и закрывания различных ловушек не зависели друг от друга (рис. 5.6). Для сравнения на рис. 5.6 приведены значения выходов и чистоты улавливаемых компонентов.
Кроме того, при использовании автоматического управления с несколькими порогами должна существовать возможность отбора нескольких фракций из кажущейся однородной хроматографической полосы. Это требуется, например, в случае, когда- нет возможности увеличить разделительную способность хроматографа и получить вместо одной две хроматографические полосы. Пример та-
кого случая приведен на рис. 5.7, где число теоретических тарелок п = 3000, отношение коэффициентов распределения компонентов равно 1,025, отношение количеств компонентов равно 1 :2. Для фракций /——4, отмеченных на этом рисунке, получены следующие фракции, характеризующиеся определенным выходом и чистотой (см. табл. 5.1).
Выход определяется как отношение количества уловленного вещества к количеству того же вещества, введенного в колонку,
рис 5 7. Отбор фракций в случае неоднородного хроматографического пика
Таблица 5.1
Фракции квазиоднородного хроматографического пика
Номер фракции
Выход, %
Чистота, %
1
20,3
54,3
2
15,7
68,7
3
8,9
79,0
4
3,6
85,7
Сумма фракций
1—4
48,5
63,5
в предположении, что в ловушке происходит полное его улавливание. Если чистота собранных фракций недостаточна, то их можно подвергнуть повторному хроматографическому разделению.
Г. ОШИБКИ ПРИ ОТБОРЕ ХРОМАТОГРАФИЧЕСКИХ ЗОНПРИ АВТОМАТИЧЕСКОМ УПРАВЛЕНИИ С ПОРОГОМ
В большинстве из имеющихся в настоящее время устройств, в которых не применяются поворотные краны, предусмотрено улавливание не более шести фракций. Для автоматической работы
12*
такого устройства при разделении смесей, содержащих более шести компонентов, необходимы два счетчика: для счета хроматогра-
Рис. 5.8. Управление с порогами при сборе индизндуальных веществ,
Cj. . . с4—пороговые уровни. Цифры в точках пересечения порогового уровня с хроматографическими пиками показывают, сколько раз значение концентрации проходило через пороговый уровень, прежде чем открылась охлаждаемая ловушка.
фических пиков, выходящих из колонки, и для своевременного открывания охлаждаемых ловушек. Управление кранами ловушек.
Рис. 5.9а. Сдвиг границы отбора фракции при изменении объема вводимой пробы.
Рнс. 5.96. Нарушения программы, вызванные изменениями величины пробы.
осуществляется при этом не только по моментам прохождения сигнала детектора через пороговый уровень, но по числу таких про-
хождений (рис. 5.8). Автоматическое управление можно считать достаточно гибким и применимым почти к любым задачам разделения, если оно обеспечивает пропуск четырех хроматографических пиков между любой парой пиков или позволяет улавливать до четырех компонентов в одной и той же охлаждаемой ловушке.
Такое управление можно осуществить различными способами. Программирование соответствующего автоматического устройства можно осуществлять с помощью дополнительных переключателей,, коммутаций на специальной панели, перфокарт или другими способами. Подробное описание этих способов выходит за рамки данной главы. Единственное условие, которое следует принимать во внимание при выборе порогового уровня, заключается в том, чтобы крутизна концентрационной кривой в точке пересечения ее с порогом не была слишком малой, так чтобы положение точки переключения крана клапана ловушки не зависело от неизбежных флуктуаций величины вводимой пробы. На рис. 5.9а и 5.96 показано в увеличенном виде влияние изменений объема пробы на положение точки переключения для случаев горизонтального участка на концентрационной кривой и последовательности слабо выраженных минимума и максимума.
Д. КОМБИНАЦИЯ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯПО ВРЕМЕНИ С УПРАВЛЕНИЕМ ПО ПОРОГУ
Комбинация автоматического управления по времени с управлением по порогу [3] лишена недостатков управления по порогу, от-
Рис, 5.10. Комбинация автоматического управления по времени с управлением； по порогу.
cs — уровень срабатывания реле времени. Ль 62 — временные открытия- охлаждаемых лову
шек； Gi, £22 — временные задержки закрытия охлаждаемых ловушек.
меченных в разд. IV, Г и связанных с наличием на концентрационной кривой плоских участков и чередующихся слабо выраженных минимумов и максимумов. В этом способе управления при достижении сигналом детектора порогового уровня происходит не-
открывание клапана соответствующей ловушки, а включение некоторого датчика времени, который и открывает клапан по истечении заданного интервала времени /п. Продолжительность улавливания регулируется вторым датчиком времени. Работу соответствующего автоматического устройства для пиков, изображенных на рис. 5.9, демонстрирует рис. 5.10. Изменения времен удерживания оказывают в этом случае лишь небольшое влияние на чистоту собранных фракций.
ЗАДЕРЖКА НАЧАЛА АВТОМАТИЧЕСКОГООТБОРА ФРАКЦИЙ
При наличии в разделяемой смеси растворителей или других летучих веществ пороговое автоматическое управление связано иногда с некоторыми трудностями, обусловленными тем, что состав образца может измениться за время проведения большого числа
Рис. 5.11. Задержка начала автоматической программы.
4 момент ввода пробы; Z3 — временная задержка начала отбора фракций; cs — пороговый уровень (цифры означают число прохождений значения концентрации через пороговый уровень до момента открытия данной ловушки); S — момент начала отбора фракций.
циклов разделения. Это происходит, например, при использовании дозирующих устройств, в которых через образец постоянно течет небольшой поток газа-носителя, в результате чего легкие компоненты постепенно улетучиваются. Соответствующие этому изменению хроматограммы показаны на рис. 5.11. В начале цикла разделения пороговый уровень пересекают сигналы, соответствующие двум растворителям, а позже — сигнал лишь одного растворителя.
Избавиться от этого можно путем задержки момента начала отбора фракций. При этом в течение заданного начального интервала времени t^ пересечения порогового уровня концентрационной кривой не регистрируют и изменения в этой части хроматограммы не влияют на последующую работу автоматического устройства.
КОРРЕКЦИЯ НУЛЕВОЙ ЛИНИИ
Для того чтобы сигнал детектора можно было использовать для управления отбором фракций, он должен иметь устойчивую нулевую линию, которая позволяла бы получать фиксированную последовательность команд переключения клапанов ловушек. При использовании ПИД с низкой чувствительностью это условие выполняется. При использовании катарометра устойчивость нулевой линии зависит от величины потока газа-носителя, температуры детектора и окружающей среды. В зависимости от конструкции катарометра и условий его работы могут встретиться различные случаи. Часто возникает дрейф нулевой линии, который может нарушить автоматическое выполнение заданной последовательности циклов, как, например, при работе устройства в ночное время без наблюдения оператора. По этой причине в автоматической системе с катарометром необходимо предусмотреть устройство для автоматической коррекции положения нулевой линии. Необходимо иметь возможность производить такую коррекцию в любой точке программы автоматического управления, возможно даже непосредственно перед началом программы. Автоматическая коррекция нулевой линии детектора может оказаться необходимой и при использовании ПИД, как, например, при выделении из смеси и улавливании небольших примесей. В этих случаях примеси должен соответствовать на хроматограмме достаточно большой пик, а для этого требуется детектор большой чувствительности. В то же время для получения достаточного количества разделенных веществ может потребоваться проведение большого числа циклов разделения в течение нескольких дней. Если при этом температура колонки близка к ее верхнему пределу, то за эти несколько дней за счет испарения изменится концентрация содержащейся в ней неподвижной фазы и изменится положение нулевой линии детектора. Полностью этого нельзя избежать даже путем длительного прогревания колонки перед выполнением разделения, а автоматическая коррекция положения нулевой линии происходит практически мгновенно. Автоматическое устройство должно осуществлять коррекцию изменений положения нулевой линии, превышающих 1 % полного отклонения пера самописца.
ОГРАНИЧЕНИЕ ЧИСЛА ЦИКЛОВ РАЗДЕЛЕНИЯ
При автоматическом управлении процессом отбора фракций по сигналу детектора необходимо вводить каждый раз одно и то же количество разделяемой смеси. Дозирующее устройство обеспечивает выполнение этого условия лишь при наличии достаточного количества этой смеси. Уменьшение имеющегося количества смеси приводит к уменьшению размера вводимых проб, из-за чего может нарушиться последовательность открытия клапанов ловушек и произойти загрязнение уже собранных фракций. Для того чтобы
избежать этого, следует предусмотреть возможность прекращения введения проб после выполнения заданного числа циклов разделения. С этой целью можно использовать простые механические счетчики, которые через заданное число циклов подают команду на выключение дозирующего устройства.
УМЕНЬШЕНИЕ ПРОДОЛЖИТЕЛЬНОСТИЦИКЛА РАЗДЕЛЕНИЯ
В предыдущих разделах обсуждались различные автоматические управляющие устройства и был рассмотрен- вопрос о выборе управляющих параметров, обеспечивающих оптимальное разделение. Общее требование заключается в том, чтобы оператор затрачивал как можно меньше времени на получение заданного,количества разделенных веществ. Для этого необходимо как можно быстрее проводить отдельные циклы разделения, не проигрывая при этом в чистоте требуемых разделенных компонентов. Вполне допустимо, например, частичное наложение друг на друга хроматограмм, полученных в соседних циклах разделения, если, конечно, в месте такого наложения не производится отбор фракций. На рис. 5.12, а показан пример разделения, в котором введение пробы для начала следующего цикла разделения производится сразу по ■окончании улавливания последнего компонента в предыдущем цикле. На рис. 5.12, 6 демонстрируется уменьшение продолжительности цикла за счет повышения частоты ввода пробы так, что вслед за элюированием последнего разделенного компонента одного цикла сразу же происходит элюирование первого компонента следующего цикла. На рис. 5.12, е показано максимальное уменьшение продолжительности цикла разделения, когда элюирование перового компонент-a одного цикла начинается сразу после улавливания целевого компонента предыдущего цикла. Во всех этих случаях в программу автоматического управления необходимо включить сдвиг /3 момента введения пробы. Здесь предполагается, что используется простой способ автоматического управления, в котором сигнал об окончании очередного цикла задерживается на время /3 с помощью реле времени и затем используется для включения дозирующего устройства. Нетрудно видеть, что минимально возможную продолжительность цикла разделения невозможно получить путем уменьшения до нуля задержки /3. Для выбора величины % необходимо в начале программы перед окончанием первого цикла jpазделения ввести вторую пробу, вручную включив дозирующее устройство. После этого для задержки /3 выбирается значение, лишь ненамного меньшее значения 忆 Таким образом, выбираемую задержку /3 можно использовать не в следующем цикле, а лишь через один цикл. Величина /3 есть интервал времени, в продолжение которого сбор фракций должен быть приостановлен с тем, ”что6ь1 не произошло улавливания компонентов, которым соответст-
Рис. 5.12.
а — пример разделения с
fl — временная задержка момента ввода
различными продолжительностями циклов. | момент ввода пробы;
после окончания предыдущего цикла；
з *
мениая задержка момента начала отбора фракций после окончания цикла; tz — продолжй-гельиость цикла;, б — уменьшенная продолжительность цикла; е — минимальная продолжи-тельность цикла разделения; а — продолжительность цикла разделения предварительноочищенной пробы.
вуют хроматографические пики / н 2 [8]. Этот пример показывает также, что продолжительность препаративного разделения зависит не только от времен удерживания компонентов разделяемой смеси, но и от продолжительности элюирования /э- Во всех случаях разделений, требующих проведения большого числа циклов, следует избегать наличия в разделяемой смеси высоко- и низкокипящих примесей. На рис. 5.12, г иллюстрируется возможность еще большего уменьшения продолжительности цикла разделения при отсутствии в смеси соединений, отвечающих хроматографическим пикам 1 и 2.
Уэ1 — продолжительность элюирования веществ, которым соответствуют пики / и 2； % — проУэ1 — продолжительность элюирования веществ, которым соответствуют пики / и 2； % — продолжительность элюирования веществ, которым соответствуют пики 3 н 4;должительность элюирования веществ, которым соответствуют пики 3 н 4;между пиками 2 и 3.между пиками 2 и 3.
Уэ1 — продолжительность элюирования веществ, которым соответствуют пики / и 2； % — про
Уэ1 — продолжительность элюирования веществ, которым соответствуют пики / и 2； % — про
должительность элюирования веществ, которым соответствуют пики 3 н 4;
должительность элюирования веществ, которым соответствуют пики 3 н 4;
между пиками 2 и 3.
между пиками 2 и 3.
£口 一 расстояние
В некоторых случаях получаются хроматограммы, в которых относительно велики расстояния между соседними группами хроматографических пиков (рис. 5.13). Такова, например, хроматограмма разделения смеси, которую необходимо растворять в растворителе, поскольку при комнатной температуре она находится в твердом состоянии. Если интервал /п между двумя соседними группами хроматографических пиков меньше суммы продолжительностей их элюирования, т. е.
, /11<& + %2 =力，
то оба соответствующих цикла разделения можно объединить друг с другом и уменьшить время разделения наполовину. Соответствующие хроматограммы показаны на рис. 5.13.
Если условие fnV% не выполнено, то имеет смысл изменить параметры процесса разделения, как-то: уменьшить температуру колонки, слегка увеличить времена удерживания и тем самым обеспечить возможность объединения циклов, т. е. экономию времени.
ВЫБОР ГРАНИЦ ОТБОРА ФРАКЦИЙ
Цель газожидкостного хроматографического разделения — выделение из смеси ее компонентов с заданной степенью чистоты. Требуемая степень чистоты компонентов определяется их дальнейшим использованием и может поэтому изменяться в широких пределах. Так, например, при выделении из смеси примеси, концентрация которой составляет лишь несколько миллионных долей, может быть достаточна чистота порядка 50%. С другой стороны, при химических определениях радиоактивных веществ может потребоваться чистота, превышающая 99,995%. Таким образом, выбор границ (интервала) отбора фракций зависит от конкретного случая, а не определяется какими-то общими правилами.
А. ПОЛНОСТЬЮ РАЗДЕЛЕННЫЕ ХРОМАТОГРАФИЧЕСКИЕ ПИКИ
В случае полного разделения компонентов смеси выбор границ отбора фракций не представляет труда. При высоте порогового уровня, соответствующей от-
Рис, 5.14, Чистота веществ, которым соответствуют полностью разделенные пики.Рис, 5.14, Чистота веществ, которым соответствуют полностью разделенные пики.cl = 0,015 Со； cs=0,1 со, где с0 — высота пика..cl = 0,015 Со； cs=0,1 со, где с0 — высота пика..крыванию и закрыванию клапанов охлаждаемых ловушек, равной 10% высоты хроматографического пика, улавливается до 97% разделенных компонентов. Нужно стараться не опускать уровень ниже этого значения с тем, чтобы дрейф нулевой линии детектора и ошибки управляющих устройств не оказывали большого влияния на положение границ отбора фракций. С математи-
Рис, 5.14, Чистота веществ, которым соответствуют полностью разделенные пики.
Рис, 5.14, Чистота веществ, которым соответствуют полностью разделенные пики.
cl = 0,015 Со； cs=0,1 со, где с0 — высота пика..
cl = 0,015 Со； cs=0,1 со, где с0 — высота пика..
ческой точки зрения полностью разделенных хром атогр афиче-- ских пиков не существует, так как гауссовская функция уменьшается до нуля лишь асимптотически. На практике хроматографиче
ские пики можно считать полностью разделенными, если высота седловины между ними не превышает 3% высоты пика, если, конечно, колонка при этом не перегружена и пики、имеют симметричную форму.
Компенсационные самописцы, -используемые для записи хроматограмм, имеют точность 0,25% и вполне могут регистрировать отклонения от нулевой линии, равные 2,5% полной шкалы. Два
хроматографических пика одинаковой высоты, имеющих высоту седловины между ними, равную 1,5% высоты пика, позволяют получить соответствующие разделенные компоненты с чистотой, равной примерно 99,995%, если границы отбора фракций при этом соответствуют уровню, имеющему высоту, равную 10% высоты пика (рис. 5.14). Если высоты хроматографических пиков неодинаковы, то чистота меньшего пика уменьшается пропорционально росту высоты большего пика.
Б. НЕ ПОЛНОСТЬЮ РАЗДЕЛЕННЫЕ ХРОМАТОГРАФИЧЕСКИЕ ПИКИ
В случае не полностью разделенных хроматографических пиков границы отбора фракций выбирать труднее. При. этом степень чистоты отбираемых фракций зависит от следующих трех факторов: 1) отношения времен удерживания; 2) ширины пика; 3) отношения количеств соответствующих компонентов.
Из-за большого числа возможных комбинаций значений этих параметров трудно указать характеристические формы пиков, которые позволили бы без труда оценить чистоту отбираемых фракций. Выбор положения границ отбора фракций можно осуществлять на основе следующих трех общих методов:
Использования оценок, опирающихся на опыт исследователя.
Вычислений, основанных на использовании аналитической хроматограммы и определении числа теоретических тарелок для применяемой колонки.
Аналитического определения чистоты фракций, полученных в первом цикле разделения.
Оценка чистоты отбираемых фракций
На рис. 5.15, а—в показаны пары перекрывающихся хроматографических пиков с различными отношениями количеств соответствующих им компонентов, но с одинаковыми отношениями времен удерживания. Для каждой пары сравниваются две границы отбора фракций (1,02 /УД1 и 1,01 方用 для первого пика и 0,98 /уд2 и 0,99 /УД2 для второго), где /уд ——время удерживания. Графики, приведенные на этих рисунках, соответствуют уравнению Кайзера [9]
с=с° • ехр {(-я/2) [(^-/Уд)2/4д])>
где п = 3000. В правой части каждого рисунка указано отношение времен удерживания компонентов разделяемой смеси. Значения чистоты отбираемых фракций приведены в табл. 5.2, причем следует заметить, что эти значения соответствуют только симметричным хроматографическим пикам и неперегруженной колонке. Для границ отбора фракций, находящихся в точках 0,98 /уд2 и 1,02 /ущ,
^уЗ 10,98%32 tgit 2
a99比侬2
4
Рис. 5.15. Не полностью разделенные хроматографические
Отношение количеств соответствующих компонентов смесн zn=Mi : Mz； / — m 3 一加=2; 4 - m=4.
ПИКИ.
=1: 2 — m = 1,33:
Таблица 5.2
Рис. 5.15, а
'уд2/'уд1 = 1，°6
Рис, 5.15, 6
，уд2/'уд1 =1)05
Рис. 5.15, в ^уд2/^уд1 — Г 仇
Отношение количеств
Номер
Чистота, %
компонентов
фракции
Границы отбора фракций
0,99
0,98
0,99
0,98
0,99
0,98
1：1
1
99,6
98,3
97,9
94,2
92,8
81,4
2
99,7
98,5
98,2
94,8
93,5
81,5
4:3
1
99,7
98,7
98,4
95,6
95,6
86,0
2
99,6
98,0
97,6
93,0
93,4
81,7
2:1
1
99,8
99,1
98,9
97,1
96,4
90,7
2
99,4
97,0
96,4
89,5
87,0
71,0
4:1
1
99,9
99,6
99,5
98,5
98,2
95,3
2
98,8
93,2
92,9
79,0
74,0
42,0
выход соответствующих компонентов равен 86%, а для границ в точках 0,99 /уд2 и 1,01 /УД1 ■—70% по отношению к первоначальному количеству компонентов в разделяемой пробе.
Значения, приведенные в табл. 5.2, показывают также и изменения чистоты фракций при использовании чисто временного автоматического управления процессом их отбора. Дело в том, что в приведенном примере изменение границ отбора фракций с 0,99 /уд на 0,98 /уД соответствует изменению температуры колонки всего лишь на 0,3 ℃, что при рабочей температуре колонки, равной 70 ℃, вызывает изменение времен удерживания компонентов смеси на 1%.
Вычисление степени чистоты фракций
При заданных границах отбора фракций степень их чистоты можно вычислить с помощью приведенного выше уравнения для формы хроматографических пиков:
с(/)=с°ехр {(—川2) [« — /уД)2関」}.
Точные результаты получаются при этом, если форма хроматографических пиков не искажена из-за перегрузки колонки. Для вычислений необходимы значения следующих параметров: высоты хроматографических пиков Qi и 宾2, числа п теоретических тарелок для данной колонки, времен удерживания /УД1 и /уд2 для обоих разделенных компонентов. В случае перекрывания пиков времена ^уд1 и /УД2 точно определить невозможно. В связи с этим возникает
необходимость точного определения отношения /Уд1//Уд2 с помощью колонки с большим числом теоретических тарелок, й в остальном аналогичной данной колонке. Если /п и 厶2 ——границы отбора фракции для хроматографического пика 1, а /21 и 为2 — для пика 2, то чистоту (в процентах) отбираемых фракций можно вычислить с помощью уравнений
/?п1 = 1ОО(Л421/Л411) = 1ООЦ 3(/) Q ⑺山，
'j (/)成/ ! c2 (/) dt .
Рис. 5.16. Сдвиг по времени между максимумом хроматографического пика и серединой интервала отбора фракции.Рис. 5.16. Сдвиг по времени между максимумом хроматографического пика и серединой интервала отбора фракции.
Рис. 5.16. Сдвиг по времени между максимумом хроматографического пика и серединой интервала отбора фракции.
Рис. 5.16. Сдвиг по времени между максимумом хроматографического пика и серединой интервала отбора фракции.
Значения интеграла [c(t)dt как интеграла вероятности табулированы. Однако с хорошей степенью точности это значение можно аппроксимировать значением соответствующей интегральной суммы с шагом А/ разбиения отрезка интегрирования, удовлетворяющим неравенству
(см. рис. 5.16).(см. рис. 5.16).А/<ОД/уд]/(6//г)А/<ОД/уд]/(6//г)
(см. рис. 5.16).
(см. рис. 5.16).
А/<ОД/уд]/(6//г)
А/<ОД/уд]/(6//г)
Экспериментальное определение чистотысобранных фракций
При необходимости разделения большого количества смеси веществ и получения заданной чистоты отобранных фракций рекомендуется по окончании одного или нескольких циклов разделения провести определение чистоты собранных фракций путем получения аналитической хроматограммы. Только так можно убедиться в том, что данная программа автоматического управления хроматографом обеспечивает требуемую чистоту каждой отдельной фракции.
УВЕЛИЧЕНИЕ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИЗА СЧЕТ ПЕРЕГРУЗКИ КОЛОНКИ
При увеличении объема разделяемой пробы до некоторого верхнего предела происходит лишь небольшое увеличение эффективности колонки. С превышением этого предела эффективность заметно уменьшается. Однако можно показать [10, 11], что, несмотря на такое уменьшение эффективности колонки, средний выход разделенных веществ из нее, рассчитанный на единицу^ремени, увеличивается, а чистота этих веществ остается неизменной. Происходящую при этом деформацию формы пиков трудна предсказать, поэтому оптимальный (в смысле максимума выхода разделенных продуктов) объем вводимой пробы для каждого цикла разделения приходится определять экспериментально. Следует обметить, что при перегрузке происходит не только расширение хроматографических пиков, но и увеличение времен удерживания компонентов разделяемой смеси. При определении оптимальной величины пробы следует принимать во внимание не только количество разделенных веществ, получаемых в одном цикле разделения, но и продолжительность каждого цикла.
ПЕРЕДАЧА СИГНАЛА ДЕТЕКТОРАНА УПРАВЛЯЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО
При автоматическом управлении с порогом в управляющем устройстве производится сравнение поступающего в него сигнала детектора с заданным порогом. Результат этого сравнения должен быть воспроизводимым с точностью не менее 1 %. Точность установки значений самих порогов должна быть не менее 1% по отношению к полному отклонению пера самописца при записи контрольной хроматограммы. При использовании катарометра эти требования можно выполнить лишь с помощью довольно сложной электрической аппаратуры. В этом случае максимальная амплитуда сигнала детектора в области его наибольшей чувствительности равна всего лишь 0,5 или 1 мВ. 1 % от этой величины составляет всего лишь 5 мкВ, и регистрация таких сигналов возможна лишь с помощью, высококачественных усилителей. Трудности, кроме того, могут возникнуть и в результате параллельного подключения к источнику сигнала компенсационного самописца и дифференциаль-
ного усилителя. По этим причинам для передачи сигнала детектора лучше использовать компенсационный самописец. Этот самописец необходим в любом случае для получения контрольной хромато- гр а：ммы. Кроме того, он позволяет непрерывно проверять, пройдены пороговые уровни или нет. Целесообразно связать перо самописца с дополнительным потенциометром, причем это можно сделать в большинстве самописцев различных типов, в то время как лишь в некоторых из них удается установить достаточное число микровыключателей. -
При использовании ПИД в ионизационном усилителе можно предусмотреть второй выход с достаточно 'большим выходным сигналом (1 В или больше) для управляющего устройства. При использовании электронного управляющего устройства кратковременные флуктуации в линии могут исказить управляющий сигнал и нарушить выполнение программы автоматического управления. Это может случиться и при появлении «всплесков» сигнала детектора, когда в нем сгорают небольшие пылинки. Влияние таких помех можно исключить, если уменьшить скорость отклика управляющего устройства настолько, чтобы флуктуации сигнала, превышающие пороговый уровень и имеющие длительность менее 0,1 с, не вызывали переключений в этом устройстве.
ХП. НАДЕЖНОСТЬ УПРАВЛЯЮЩЕГО УСТРОЙСТВА
Недостаточно надежная работа управляющего устройства может свести на нет преимущества автоматизации препаративного газожидкостного хроматографа. Управляющее устройство может включать в себя до 1500 деталей, одна треть из которых ——полупроводниковые элементы. По одним только значениям опасности отказов элементов системы невозможно вычислить ее надежность, поскольку, как правило, не бывают точно известны условия работы этих элементов. Для того чтобы дать представление о величине надежности управляющего устройства, допустим, что для каждого из 500 его полупроводниковых элементов опасность отказов равна Ю~6 ч. В результате для совокупности всех этих элементов получаем время безотказной работы, равное 2000 часов, или 3 месяцам, при условии непрерывной работы всего устройства. Принятое выше значение опасности отказов примерно соответствует действительности для транзисторов в пластмассовой оболочке, работающих с неполной нагрузкой, причем это значение увеличивается с увеличением продолжительности их работы. Температура окружающей среды по-разному может влиять на надежность управляющего устройства. Слишком сильное повышение температуры может вызвать немедленные отказы или уменьшить продолжительность жизни элементов, подверженных старению. Поэтому управляющее устройство не следует располагать слишком близко к источникам тепла.
XIII. СТАБИЛЬНОСТЬ ПАРАМЕТРОВ ПРОЦЕССА РАЗДЕЛЕНИЯ
Эффективность автоматического управления процессом разделения зависит от того, насколько точно циклы разделения повторяют друг друга. При использовании управления по времени необходимо следить за постоянством времен удерживания компонентов разделяемой смеси; при управлении с порогом допустимы лишь очень незначительные флуктуации размера вводимых проб. В последнем случае допустимы большие изменения времен удерживания при условии, однако, что они не вызывают чрезмерных изменений формы хроматографических пиков.
Основным требованием для эффективного автоматического управления является точность установки температуры колонки и давления газа-носителя, а также то, что эти параметры не должны зависеть от изменений внешних условий, таких, как температура окружающей среды, напряжение источников питания и давление газа-носителя на входе в колонку. Помимо этого, должна быть постоянной чувствительность детектора. Для катарометра это означает продолжительную стабильность электрического тока в мостовой схеме, а для ПИД ——стабильность делителя газового потока и вспомогательных потоков.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ、
123-4-5-6-7-&9-°-123-4-5-6-7-&9-°-Ambrose D、, Collerson R. R., Nature, 177, 84 (1956).
123-4-5-6-7-&9-°-
123-4-5-6-7-&9-°-
Atkinson E. P, Tuey G. P. 4, in Gas Chromatography, D. H. Desty, ed., Butterworths, London, 1958.
Heilbronner E R, Kovats E, Simon W., Helv. Chim. Acta, 40, 2410 (1957). Sideman S., Gilladi /., in Gas Chromatography, U. Brenner, ed., Academic Press, New York, 1962, p. 339.
Wiegleb H., Prinzler //., Chem, Tech., 15, 98 (1963).
Boer H., J. Sci. Instr., 41, 365 (1964).
Hupe K.-R, Busch U., Kuhn 步.，J. Gas Chromatog., 3, 92 (1965).
Dimick K. A, Taft E. M., J. Gas Chromatog., 1 (3), 7 (1963).
Kaiser R, in Gas Chromatographic in der Gaspnase, Part I, Bibliographisches Institut, Mannheim, 1960, p. 40.
Haarhoff P. C., van Berge P. C., Pretorius K., J. South African Chem. Inst., 9, 82 (1961).
Bayer E., Wits ch H. G., Z. Anal. Chem., 170, 278 (1959).
Глава 6
ПРОГРАММИРОВАНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ КОЛОНКИИ ПОТОКА ГАЗА-НОСИТЕЛЯ
Р. Кайзер
R. Kaiser
Institut fiir Chromatographie, Durkheim, BRD
I. ВВЕДЕНИЕ
Исследования в области препаративной хроматографии и ее применений были связаны почти исключительно с работой хроматографической колонки в условиях постоянных температуры и скорости газового потока. Подробно эти вопросы обсуждаются в других главах этой книги.
Преимущества программирования температуры колонки и/или газового потока в ней получили широкое признание в аналитической газовой хроматографии (ГХ), и, несомненно, можно ожидать успешного использования этих методов и в препаративной хроматографии.
А. ПРОГРАММИРОВАНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ
Преимущества
Осуществляется оптимальное разделение любой пары компонентов разделяемой смеси. Для любой пары веществ всегда существует оптимальная температура их разделения в данной разделительной системе. Для оптимального разделения смеси, содержащей более двух компонентов, таких температур несколько. Поэтому во время разделения такой смеси температуру колонки следует постепенно увеличивать в некоторых заданных пределах. В результате разделение каждой пары компонентов смеси происходит при оптимальной температуре.
При линейном программировании температуры колонки вещества с различными значениями индексов удерживания при выходе из колонки имеют максимально возможную среднюю концентрацию. Это дает большие выходы при отборе фракций и часто обеспечивает большую чистоту этих фракций. Уменьшается средняя ширина хроматографического пика, а следовательно, уменьшается и время, в течение которого соответствующая хроматографическая полоса должна быть переведена в охлаждаемую ловушку. В результате уменьшается количество примесей, которые вносятся в ловушку газовым потоком.
При программировании температуры колонка работает при максимальной температуре лишь в течение того времени, которое строго необходимо для проведения заданного разделения за кратчайшее время. Это резко увеличивает срок службы колонки по сравнению с тем, когда она постоянно работает при максимальной температуре. При повышении температуры экспоненциально увели- 'читается окислительное и термическое разложение неподвижной фазы и возрастает скорость ее испарения.
Недостатки
Программирование температуры колонки быстро теряет всю свою полезность и даже становится вредным, если нагревание колонки не является квазиоднороднььм. Любое, даже самое незначительное изменение температуры колонки связано с появлением в ней градиента температуры. Если такой градиент намного превышает градиент температуры, связанный с растворением вещества в неподвижной фазе, то разделение двух близких по временам удерживания компонентов смеси ухудшается. Уменьшается также и средняя концентрация разделенных компонентов в подвижной фазе. Улучшается (уменьшается) лишь максимальное время элюирования.
При выборе максимальной скорости Л (℃/мин) нагревания пре- -паративной газохроматографической колонки необходимо строго учитывать диаметр колонки, ее теплопроводность и удельную теплоемкость; в препаративной хроматографии величина 无 не определяется только длиной колонки, летучестью жидкой фазы и спецификой данного разделения, как это имеет место в аналитической ГХ.
Оборудование для программирования температуры больших препаративных колонок дорого. К неподвижной фазе необходимо подводить относительно большое количество тепла потоком нагретого воздуха. После окончания цикла программирования температуры должно происходить как можно более быстрое охлаждение колонки.
Необходимо тщательно сопоставлять друг с другом затраты, с одной стороны, и возможный выигрыш во времени, величине выхода разделенных компонентов и их чистоте ——с другой. Диапазон температур, в котором программирование дает выигрыш, уменьшается с увеличением размеров колонки, особенно ее поперечных размеров. Чем меньше теплопроводность колонки и чем больше удельная теплоемкость насадки, тем меньше максимально допустимая скорость ее нагревания.
Программирование температуры дает выигрыш лишь тогда, когда его применяют со специально для этого изготовленными колонками. Особенно непригодной для программирования температуры может оказаться насадка колонки из-за типа используемого
в ней носителя или хроматографически активной фазы. При этом имеет значение и форма колонки.
Прежде чем применять программирование температуры в препаративном хроматографе, необходимо тщательно взвесить все доводы 《за» и《против».
Б. ЛОКАЛЬНОЕ ПРОГРАММИРОВАНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ
От недостатков программирования температуры препаративных колонок большого диаметра (более 10 мм) можно избавиться (а иногда сделать их даже очень полезными), если имеется возможность программировать температуру только начального участка колонки, например на длине 30—60 см, или установить на этом участке постоянный градиент температуры в направлении движения газового потока (рис. 6.10). Этот метод имеет большое значение во всех задачах обогащения, и особенно в препаративной ГЖХ нестабильных веществ, и подробно обсуждается в данной главе (см. также работу [17]). Он позволяет осуществлять эффективное обогащение и разделение веществ, чувствительных к нагреванию, а также разделение родственных веществ. Короткие секции препаративных колонок длиной не более 60 см нетрудно изготовить так, чтобы с их помощью можно было полностью использовать преимущества программирования температуры и постоянных градиентов температуры и в значительной степени избавиться от их недостатков. Локальное программирование температуры можно осуществлять не только на начальном участке колонки. Во многих случаях трудных разделений большой эффект дает установление градиента температуры в конце колонки. В этом случае увеличивается степень разделения, а также чистота и концентрация разделенных компонентов, собранных в охлаждаемых ловушках.
В. ПРОГРАММИРОВАНИЕ ГАЗОВОГО ПОТОКА В КОЛОНКЕ
Еще один способ увеличения степени разделения и уменьшения продолжительности разделения заключается в программировании газового потока или давления газа-носителя.
/. Преимущества -
Для программирования газового потока не требуется специального дорогого оборудования. Изменения потока происходят быстро; например, давление газа можно увеличить линейно или скачками в 2 или даже в 10 раз, и это значительно уменьшает продолжительность элюирования любого вещества. Если, например, давление газа линейно увеличивается с 2 до 18 атм за 6 мин, то в результате этого время удерживания компонента уменьшается с* 30 до 6 мин. Кроме того, можно быстро изменить направление
газового потока на обратное. Это дает возможность обратной продувки колонки для ее очистки или для того, чтобы не допустить попадания в ловушки нежелательных веществ. Важное практическое значение имеет частичная обратная продувка колонки, когда продувают лишь часть колонки, а элюирование разделенных веществ при этом не прекращается. Особое преимущество в препаративной хроматографии имеет метод переключения колонок, который в большинстве практических случаев может заменить собой программирование температуры всей колонки. До последнего времени этот метод редко применяли в препаративной ГЖХ, хотя именно в ней он наиболее эффективен. При использовании способа переключения колонок, предложенного Динсом [1, 2], становятся ненужными механические системы реверсирования газового потока, применение которых часто связано с различными трудностями.
Оборудование, требующееся для программирования газового потока, обратной продуйки колонки, отбора промежуточных фракций и многоступенчатых разделений, включает в себя лишь регуляторы давления, сопротивления газовому потоку и/или клапаны, которые работают при комнатной температуре. Все эти элементы можно установить вне термостатируемого пространства. Градиенты давления, которые возникают при изменениях газового потока, действуют практически только в направлении потока и безвредны по сравнению с градиентами температуры, которые обычно лежат в плоскости поперечного сечения колонки. Вряд ли градиенты давления влияют на степень разделения компонентов, близких по временам удерживания.
Скорость испарения неподвижной фазы экспоненциально увеличивается с ростом температуры и лишь линейно ——с ростом скорости газового потока. Поэтому при правильно выбранном сорбенте изменения газового потока не влияют или влияют незначительно на срок службы неподвижной фазы. '
.Хроматограф, в котором специально не было предусмотрено программирование газового потока, можно легко и без больших затрат переоборудовать для этой цели.
Недостатки
За исключением случаев обратной продувки колонки и переключения колонок существенные изменения в ее поведении, подобные, например, тем, которые происходят при программировании ее температуры, возможны лишь при резких изменениях скорости газового потока. Программирование давления может приводить к тем же результатам, что и линейное программирование температуры, лишь при экспоненциальном увеличении скорости газового потока. При этом велик расход газа-носителя, экспоненциально падает концентрация улавливаемых разделенных компонентов и может происходить постепенное уменьшение эффективности ко-
лонки, особенно когда неподвижная фаза неравномерно распределена в слое насадки. Действительная скорость при программировании потока всегда в большей или меньшей степени превышает оптимальное значение* скорости, при котором эффективность колонки максимальна.
При использовании обоих методов программирования следует учитывать все факторы, которые позволяют избежать недостатков этих методов.
Г. ОПТИМАЛЬНАЯ КОМБИНАЦИЯ МЕТОДОВПРОГРАММИРОВАНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ И ГАЗОВОГО ПОТОКА
Из всего сказанного выше следует, что:
Программирование температуры следует проводить только на коротком участке колонки, например на начальном участке длиной около 30——60 см или на участке той же длины в конце колонки. Этот метод ценен для оптимального дозирования (введения). проб, эффективного обогащения и для препаративного газожидкостного разделения химически активных веществ и веществ, чувствительных к нагреванию.
Для обогащения пробы или для осторожного непрерывного ее дозирования требуется интенсивное охлаждение начального участка колонки длиной 30——60 см до температур порядка ——180 ℃.
Для оптимального развития начального участка хроматограммы в той части колонки, температура которой постоянна, требуется быстрое программирование температуры начального участка колонки со скоростями выше 7 ℃/мин.
Необходимо существование градиента температуры в направлении движения газового потока в колонке. На практике при условии однородности насадки это можно осуществить лишь на коротком участке колонки, но большего и не требуется.
Вместо программирования температуры остальной части колонки лучше разделить ее на две части с разными насадками и проводить программированное переключение этих частей. Это обеспечивает получение максимально чистых разделенных компонентов за кратчайшее время. ■
Частичная обратная продувка препаративной колонки 'обеспечивает лучшую ее регенерацию и отнимает меньше времени, чем регенерация колонки путем ее нагревания.
Гораздо эффективнее разделять частично перекрывающиеся хроматографические пики (например, небольшой пик на хвосте основного пика) путем отбора промежуточных фракций в ходе разделения, чем путем отбора только основных фракций. Последний способ всегда дает примеси, а первый .обеспечивает хорошее или полное разделение.
При использовании способа пневматического переключения (способ Флюидика и Динса) программирование газового потока и переключение колонок не дают загрязнений, которые неизбежны при использовании других способов.
' Комбинированное применение программирования температуры колонки и газового потока связано с использованием низких температур, переключениями колонок, обеспечением градиента температуры в направлении движения газового потока в колонке и требует специального оборудования. Но зато оно обеспечивает выполнение почти всех перечисленных выше требований и позволяет за кратчайшее время получить максимально чистые разделенные вещества с максимально возможным выходом и с максимально возможной производительностью колонки. Естественно, что стоимость необходимого для этого оборудования довольно высока. В настоящее время хроматографов с подобным оборудованием в продаже пока нет.
П. ПРОГРАММИРОВАНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ КОЛОНКИ
А. ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ
1. Нагревание неподвижной фазы
Ввиду крайне малой удельной теплоемкости газа-носителя можно считать, что нагревание неподвижной фазы, происходит за счет потока тепла от стенок колонки. Теплопроводность твердых носителей, которые обычно применяются в препаративной ГХ, очень мала, а их удельная теплоемкость может быть значительной, поэтому при любых изменениях температуры стенок колонки в ней появляются градиенты температуры, перпендикулярные направлению движения газового потока. Гиддингс [3] предложил простой способ вычисления таких градиентов. В случае малых времен удерживания и для широких колонок этот способ неприменим. Обширные исследования распределения температуры в препаративных ГЖХ-колонках большого диаметра в случае программирования их температуры провели Хьюпе с сотр. [4]. Основным уравнением при этом является известное уравнение теплопроводности Фурье [5]♦
界用(6.1)
где V — оператор Лапласа.
В цилиндрических координатах применительно к колонке это уравнение имеет вид
дт _ / al 、再■十 7д7)，
где Т ——температура (℃), Z — время (мин), а ——температуропроводность (см?, мин-】),г — радиальная координата (см).
Граничные условия имеют вид: Z = 0, Т = 7о (начальная температура) для 0《广VR,产=R (внутренне访 радиус колонки), Т = Тст (температура стенок колонки), TG^ = To+hZ (Л — скорость нагревания).
Решение уравнения (6.2) можно записать в виде
(0.3)(0.3)Т= Го+也[Z —Т= Го+也[Z —(々 —「2) 4а(々 —「2) 4аРис. 6.1. Экспериментально полученные зависимости температуры от времени в различных точках насадочной колонки.Рис. 6.1. Экспериментально полученные зависимости температуры от времени в различных точках насадочной колонки.а — у етеики, 6—е——в объеме колонки, d — у осн колонки; для трех значений скорости нагревания колонки: 5, 10 и 15 ℃/мии. Внутренний диаметр колонки 38 мм, носитель — целит [4].а — у етеики, 6—е——в объеме колонки, d — у осн колонки; для трех значений скорости нагревания колонки: 5, 10 и 15 ℃/мии. Внутренний диаметр колонки 38 мм, носитель — целит [4].2九/?2、^ 丿0 (餘r/K)—a (%/Rf Zk衣屈厶(久)i2九/?2、^ 丿0 (餘r/K)—a (%/Rf Zk衣屈厶(久)i
(0.3)
(0.3)
Т= Го+也[Z —
Т= Го+也[Z —
(々 —「2) 4а
(々 —「2) 4а
Рис. 6.1. Экспериментально полученные зависимости температуры от времени в различных точках насадочной колонки.
Рис. 6.1. Экспериментально полученные зависимости температуры от времени в различных точках насадочной колонки.
а — у етеики, 6—е——в объеме колонки, d — у осн колонки; для трех значений скорости нагревания колонки: 5, 10 и 15 ℃/мии. Внутренний диаметр колонки 38 мм, носитель — целит [4].
а — у етеики, 6—е——в объеме колонки, d — у осн колонки; для трех значений скорости нагревания колонки: 5, 10 и 15 ℃/мии. Внутренний диаметр колонки 38 мм, носитель — целит [4].
2九/?2、^ 丿0 (餘r/K)—a (%/Rf Z
k衣屈厶(久)i
2九/?2、^ 丿0 (餘r/K)—a (%/Rf Z
k衣屈厶(久)i
Здесь /о — функция Бесселя, 0 ——положение ее нуля, а /1 = /о- Значения 70, рп и Ji можно найти в таблицах специальных функций (см., например, [7]). Выражение (6.3) можно упростить и записать в следующем виде:
a7=(论后/4a)(1-l,109ef 8%¥)， (6.4) где Л — скорость нагревания (℃/мин), 〃 ——коэффициент температуропроводности (см2 • мин'1), R — внутренний радиус колонки (см), Z — время, отсчитываемое от начала нагревания (мин), АТ —— разность температур между стенками (г=А) и осью колонки
(r=0). Было показано, что при Z> 1 мин значения разности температур АТ, полученные из выражения (6.4) и экспериментально, отличаются друг от друга не более чем на 0,5%.
Чем меньше теплопроводность колонки, больше скорость ее нагревания и диаметр, тем больше должна быть разность температур АТ между ее осью и стенками. Как видно из рис. 6.1, величина АТ может быть удивительно большой.
При нагревании колонки с внутренним диаметром всего лишь 38 мм и с носителем из кизельгура (а = 0,2235 см • мин-1) в течение 5 мин со скоростью 10 ℃/мин между ее осью и стенками появляется разность температур в 30 ℃. А поскольку при увеличении температуры колонки на 30° С в два раза увеличивается скорость продвижения в ней вещества, то через 5 мин после введения пробы вещество у стенок колонки будет продвигаться вдоль нее в 2 раза быстрее, чем у ее оси. Колонки же диаметром 38 мм ни в каком смысле не являются наиболее эффективными для препаративных разделений. Неравномерность распределения температуры в колонке экспоненциально зависит от ее диаметра, поэтому не удивительно, что в другом эксперименте (диаметр колонки 60 мм; скорость нагревания 10 ℃/мин; носитель — кизельгур, а = 0,2235 см2Х Хмин-1; 2=10 мин) разность температур между стенками и осью колонки оказалась равной 74 ℃.
入(100 ℃)
d
7
с
а
Кизельгур
Огнеупорный кирпич ..
0,0113
0,0109
0,1—0,2
0Д-0,2
0,253 0,45
0,20
0,28
0,223 0,0865
где 九一коэффициент теплопроводности для температуры 100 ℃ [кал/(см ■ мин • ℃)]; d — размер частиц носителя (мм); у — удельный вес (г/см3); с ——удельная теплоемкость для температуры 100° С
[кал/(г-℃)]; а 一 коэффициент температуропроводности для температуры 100 ℃ (см2/мин).
Большое влияние свойств твердого носителя на распределение температуры в колонке очевидно. Качественное и количественное представление о влиянии скорости нагревания на распределение температуры в колонке дают рис. 6.3 (распределение температуры для различных скоростей нагревания колонки) и рис. 6.4 (зависимость распределения температуры в колонке от ее
7；℃7；℃Рис. 62 Зависимость теплопроводности двух носителей от температуры [4]. / — кизельгур; 2 — огнеупорный кирпич.Рис. 62 Зависимость теплопроводности двух носителей от температуры [4]. / — кизельгур; 2 — огнеупорный кирпич.диаметра). Распределение
7；℃
7；℃
Рис. 62 Зависимость теплопроводности двух носителей от температуры [4]. / — кизельгур; 2 — огнеупорный кирпич.
Рис. 62 Зависимость теплопроводности двух носителей от температуры [4]. / — кизельгур; 2 — огнеупорный кирпич.
температуры в колонке не становится более однородным при программировании по линейному закону скачкообразно или непре-
рывно. .
Еще один эффект, который следует учитывать, связан с влиянием на распределение температуры в препаративной колонке теплоты адсорбции вещества; в некоторой степени этот эффект имеет место и при изотермической работе препаративной ГЖХ-колонки, но при программировании температуры происходит наложение обоих эффектов. Только после этого можно обсуждать полное влияние тепловых эффектов на степень разделения, времена удерживания и концентрацию вещества в хроматографической полосе.
До сих пор предполагалось, что насадка равномерно распределена в плоскости поперечного сечения колонки и имеет одну и ту же плотность и теплопроводность во всех точках этого сечения. Однако на практике это не так.
В приведенных выше рассуждениях не учитывалось влияние подвижной фазы, хотя в действительности она играет заметную
начала програмированняВремя, MUHтемпературы [4].начала програмированняВремя, MUHтемпературы [4].^ ^ ^ ^0。1^ ^ ^ ^0。12020iO15iO15О5О5
начала програмировання
Время, MUHтемпературы [4].
начала програмировання
Время, MUHтемпературы [4].
^ ^ ^ ^0。1
^ ^ ^ ^0。1
20
20
iO15
iO15
О5
О5
Время t мин
Рис. 6.4. Распределение температуры в препаративных колонках различного диа-метра при нагревании колонки со скоростью 10 ℃ через 0, 5, 10 и 15 мин посленачала программирования температуры.
Диаметр колонки： а — 60 мм, 6 — 38 мм, в — 20 мм, г — 10 мм； носитель ——целит [4].
ПРОГРАММИРОВАНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ КОЛОНКИ 205 роль в образовании неравномерного распределения температуры в колонке; диффузия молекул подвижной фазы в направлении, перпендикулярном оси колонки, очень невелика.
Термическая и механическая неоднородностьнеподвижной фазы
Изучая двумерные концентрационные профили вещества в хроматографической полосе, проходящей через препаративную колонку, Хьюпе и сотр. [8] установили, что хроматографическая полоса движется быстрее на участках колонки с более плотной насадкой. Этот результат полностью противоречит распространенным представлениям. Они установили, кроме того, что ни радиальная диффузия вещества, ни теплопередача в радиальном направлении не достаточны для того, чтобы предотвратить расширение фронтов хроматографических пиков в препаративной колонке. Даже при использовании специальных способов заполнения колонки насадкой, предложенных Гиллемином [9] и Спенсером [10], неоднородность насадки в колонках диаметром более 6 см оказывается настолько значительной, что, например, через 7 мин после начала разделения скорости движения вещества в разных точках поперечного сечения колонки могут различаться на 17%. Когда же полагают, например, что у оси колонки хроматографическая полоса движется слишком быстро и механически уплотняют насадку в этой области, то разность скоростей в плоскости поперечного сечения колонки в действительности возрастает при этом до 33%.
Таким образом, неоднородность насадки в плоскости поперечного сечения препаративной насадочной колонки обычно настолько велика, что скорости движения вещества у оси колонки и у ее стенок отличаются друг от друга на 15——20%. Плотность насадки в значительной мере определяет ее теплопроводность, поэтому разная плотность насадки в разных точках поперечного селения колонки означает и разную ее теплопроводность в этих точках. Чем больше плотность заполнения колонки насадкой, тем большие разности температур возникают в ней при программировании температуры. Следовательно, за счет более плотной насадки у оси колонки можно до некоторой степени скомпенсировать влияние пониженной температуры в этой области. Или, иными словами, препаративная колонка, заполненная насадкой с применением специальных способов (с большей плотностью насадки у- ее стенок), вполне эффективно работает при постоянной температуре. При программировании же температуры колонки в зависимости от тепловых свойств ее сорбента она может работать гораздо хуже, чем колонка с насадкой, неоднородной в плоскости поперечного сечения (более плотной у ее оси). Или еще проще: препаративные колонки, эффективные в изотермическом режиме, могут оказаться гораздо менее эффективными при программировании их
температуры; отметим, что малоэффективные колонки мало теряют в эффективности при программировании температуры. Этим можно объяснить появление в литературе противоречивых суждений о преимуществах и недостатках программирования температуры в препаративной ГХ.
Б. ВЛИЯНИЕ ПРОГРАММИРОВАНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ КОЛОНКИНА ПАРАМЕТРЫ ПРОЦЕССА РАЗДЕЛЕНИЯ
Время удерживания
Кажущееся время удерживания последнего из улавливаемых разделенных компонентов смеси является важным параметром препаративной хроматографии, поскольку оно определяет наименьшую возможную продолжительность цикла разделения, а следовательно, и производительность хроматографа. Однако интерес представляют лишь такие хроматографические параметры, как приведенное время удерживания (^уд) и соответствующий ему удельный удерживаемый объем. Вычисление величины Гуд в условиях программирования температуры проводят, опираясь на работу Сэда [11], в которой используются результаты, полученные Хэбгудом и Харрисом [12]. Имеет смысл привести здесь фундаментальное уравнение Харриса и Хебгуда [13]
уд
〃複=『(〃〃％),一 (6.6)
Tn
где h ——скорость нагревания (℃/мин);
尸о ——скорость газового потока на выходе из колонки, приведенная к нормальной температуре; Т ——температура в абсолютной шкале; %耳——удерживаемый объем;
Туа ——температура удерживания (в абсолютной шкале), температура колонки, при которой концентрация пика достигает максимума; 7° ——начальная температура;
j — поправка, обусловленная градиентом давления / = = (3/2)[(/2-1)/(/3-1)]；
р‘ ——отношение давлений на входе в колонку и на выходе из нее. '
Относительно уравнения (6.6) авторы работы [1,3] утверждают, что оно «.. .имеет фундаментальное значение для понимания газовой хроматографии с программированием температуры. Из него ясно видно, что для каждого соединения, и для любой начальной температуры можно ввести характеристическую температуру удерживания, определяемую величиной h/jF0. Заметим, что отношение скорости нагревания к скорости газового потока является более важным параметром, чем каждый из них в отдельности; более того, это отношение можно получить из зависимости удерживаемых
объемов от температуры в заданном диапазоне температур для
изотермического режима работы колонки».
В этом рассуждении предполагается, что внутри колонки нет температуры. Однако такое предположение не отвечает …~ в препаративных колонках
градиентов 一 действительности. Мы знаем уже,
что
могут существовать значительные радиальные градиенты температуры. Действительное значение градиента температуры может значительно превышать теоретическое значение. Так, например, в приводимых ниже условиях (взятые из работы Эггерта [14]) эти значения могут различаться на 38%.
2468 加
к、10
55
Q
7
必
20
加 40
2,2 2,4 2万 2,8 3 3,2 3,4 ^О'3
^действ
^вычисл
2
6.6.
工20
*72
j 8
4
46810
hr ℃/^ин
Различия между вы-
к 28
W 24
^действ
Рис.
Рис. 6.5. Зависимость чистого времени удерживания от абсолютной температуры колонки для трех углеводородов. Внутренний диаметр препаративной колонки 38 мм. Колонка работает в изотермическом режиме [14].
“1 — н-гептаи; 2—允-гексан; 3 —允-пентан.
численными значениями чистых времен удерживания и экспериментальными значениями для препаративных колонок, работающих с программированием температуры (скорость программирования 1, 2,… ..10 ℃/мин) [14].
м, диаметр 38 мм, насад-
Эти условия таковы: длина колонки 2
ка ——20% динонилфталата на огнеупорном кирпиче, температура газа 20 ℃v давление газа 760 мм рт. ст., скорость газового потока 1000 мл/мин (обе величины измерены при температуре 20℃), То = ЗОО К, ТуД=329 К (это действительное значение 力川；вычисленное значение 7了工 соответствует измеренному времени удержива-
ния и равно 339 К).
В этом примере максимальная разность температур между стенками и осью колонки была равна 30,2 ℃. Из приведенных данных видно, что целесообразно потратить некоторое время на вычисление исправленного времени удерживания. Влияние температуры на величину исправленного времени удерживания описывается формулой
点=(々尸)紹"/竺 (6.7)
где Л——постоянный коэффициент (мл/г); F ——скорость газового потока (мл/мин); Н — постоянная величина (ккал/моль); R — универсальная газовая постоянная [кал/(моль'℃)]. Выражение (6.7) можно записать и в следующем виде:
log 尸4=@+®Т), (6.8)
где а и Ь — постоянные, а Т ——абсолютная температура (рис. 6.5).
Чем меньше известно о неоднородности плотности и теплопроводности насадки в колонке, тем меньше ценность выражений (6.7) и (6.8) для колонок с программируемой температурой, поскольку становится невозможным вычислить зависимость кажущихся времен удерживания от скорости газового потока и скорости нагревания колонки (при измеренных коэффициенте теплопроводности и влиянии подвижной фазы). Если не учитывать влияние температурных профилей, в препаративной колонке, то можно получить большую ошибку при вычислении времен удерживания; так, например, при вычислениях по данным из работы [14] вычисленное значение может на 100%, или в два раза, отличаться от действительного значения, полученного в результате измерений. Такие ошибки тем больше, чем плотнее насадка колонки, выше скорость ее нагревания, больше время удерживания и больше неоднородность на- садки (рис. 6.6).
Разрешающая способность
Под эффективностью хроматографической колонки понимают, как правило, число соответствующих ей теоретических тарелок или величину ВЭТТ.
Для наших целей более полезно следующее уравнение [16] (см. также рис. 6.7):
(6.9)(6.9)7Z=(100/A/) — l・
(6.9)
(6.9)
Число разделений (празд)
Это число показывает, сколько веществ одинаковой концентрации, значения времен удерживания которых расположены в промежутке между значениями времен удерживания двух гомологов,
различающихся только одной группой СН2, можно разделить на данной колонке при условии, что. высоты седловин между хроматографическими пиками этих компонентов веществ не превышают 1,5% высоты пика. В более точной формулировке величина TZ есть число хроматографических пиков, которые можно расположить' между пиками соседних членов ряда н-алканов так, чтобы расстояния между этими пиками были равны 4,6а (о ——стандартное отклонение) (при этом высота седловины между соседними пиками равна 1,5% высоты пика). Это определение иллюстрируется на рис. 6.7.
Эта величина наглядна, ее легко измерить и-она применима к изотермической и изобарической'ГХ, ГХ с линейным программи-
Ри& 6.7. Иллюстрация к определению величины ^разд.
рованием температуры, а также ГХ с линейным и экспоненциальным программированием газового потока. Для измерения этой величины в колонку вводят два соседних в ряду н-алкана. Индексы удерживания компонентов разделяемой смеси расположены между значениями индексов для этих я-алканов. Рассмотрим следующий пример.
Пусть значения индексов удерживания разделяемых веществ находятся в интервале 750——1490. Наиболее трудно разделить два вещества с индексами удерживания 1220 и 1235. Из выражения (6.9) получаем
77 一 1°° 1 一 100 [ 1°° [〜U 7
, 1235— 1220 I = F
Отсюда следует, что данное разделение можно выполнить лишь с помощью колонки, которая в интервале значений индексов удерживания от 1200 до 1300 характеризуется числом разделений не менее 5,7. Это нетрудно проверить. Для этого в колонку вспрыскивают смесь нормальных углеводородов алифатического ряда от
14 Зак. № 570 、
н-гептан.а до н-пентадекана и измеряют число разделений в интервале значений индексов удерживания от я-додекана до я-тридекана (1200——1300). Формула для необходимых вычислений имеет простой вид [16]:
12—137^一12—137^一12-13А/12^0,5 + 1訪(),512-13А/12^0,5 + 1訪(),51,1,(6.10)(6.10)
12—137^一
12—137^一
12-13А/
12^0,5 + 1訪(),5
12-13А/
12^0,5 + 1訪(),5
1,
1,
(6.10)
(6.10)
где 12-13厶/ — разность во временах удерживания я-алканов С】з и Ci2 (измеряется по хроматограмме как расстояние (в мм) между максимумами соответствующих пиков), 12bo,5 — ширина хроматографического пика н-алкана С12 (измеряется на уровне половины высоты пика, мм), 13^0,5 — ширина хроматографического пика н-алкана Ci3 (измеряется в мм на уровне половины высоты пика) (рис. 6.7). Выражение (6.10) не является формулой для вычисления степени разделения я-алканов. В нем скорее предполагается постоянное разрешение компонентов, которыё по временам удерживания расположены между двумя н-алканами с расстоянием между соответствующими хроматографическими пиками, равным 4,6 и. Это означает, что расстояние между соседними хроматографическими пиками в 2,3 раза больше ширины пика на уровне 60,7% его высоты, причем ширина пика на этом уровне равна 2сг, где сг — стандартное отклонение (см., например, [6]).
Такое определение эффективности имеет смысл и позволяет вычислять эффективность на практике с помощью простой формулы (6.10). Как в препаративных разделениях, так и в количественных анализах оно обеспечивает наилучший компромисс между затратами и получаемыми результатами.
Эффективность колонки как число разделений
В случае равномерно нагреваемых аналитических колонок число разделений медленно убывает с повышением температуры. В случае препаративных колонок это число, а следовательно, и разрешающая способность колонки убывают быстро, как показано на рис. 6.8, однако не столь быстро, как убывает число теоретических тарелок или возрастает величина ВЭТТ с увеличением скорости нагревания колонки [13].
Несмотря на то что при программировании температуры колонки неоднородность насадки в препаративных колонках приводит к значительному увеличению продолжительности разделения, степень разделения уменьшается не столь существенно. Поэтому программирование температуры препаративной газохроматографической колонки в этом случае выглядит не столь бесполезным, как в случае определения эффективности колонки как неопределенного значения числа теоретических тарелок или .величины ВЭТТ.
проераммированне температурь】проераммированне температурь】Рис. 6.8. Уменьшение эффективности препаративной колонки (типа описанной в работе [14]) с увеличением скорости ее нагревания для двух интервалов значений индексов удерживания: 7 — 500—600 (верхний график) и /=600—700 (нижний график). При скорости нагревания h~ 1 °С/мин все еще можно разделить 4—5 хроматографических пика в области значений индексов удерживания 600——700 между пиками для н-гексана и н-геп- тана; при скорости нагревания 5,5 °С/мин можно разделить лишь два пика. Иными словами, при скорости нагревания 1 ℃/мин можно полна стью разделить вещества, котором、 'соответствует разность значений их индексов удерживания Д/= —100/(Пра3д-|-1) & 15; при скорости нагревания 5,5° С/мин можно разделить лишь вещества со значением М* 33 (перепечатано с небольшими изменениями из работы [14]).
проераммированне температурь】
проераммированне температурь】
а=сп //2п+2； 点+] 屋，% 电аз广瓦 f L %,5 十 *0,5
колонкиколонки211211Индекс удерживания
колонки
колонки
211
211
"L ^7 (击"徐)"L ^7 (击"徐)(6.11)(6.11)Использование выражения (6.9) предполагает знание значений индекса удерживания в условиях программирования температуры колонки. В соответствии с результатами, полученными Харрисом и Хебгудом [13], изменения значения индекса удерживания, обусловленные программированием температуры, описываются выражением
"L ^7 (击"徐)
"L ^7 (击"徐)
(6.11)
(6.11)
гдегдеЛ ——скорость нагревания колонки (°С/мин); R ——универсальная газовая постоянная [кал/(моль* ℃)];
где
где
АН，——значение величины Н [см. (6.7)] для удерживаемых объемов при температуре колонки;
То ——начальная температура колонки; 尸(丁上——скорость газового потока с поправкой на градиент давления для температуры, равной 70;
（几）（几）丿м (几)——мертвый объем колонки при начальной температуре с поправкой на градиент давления, приведенный к нормальной температуре.
（几）
（几）
Емкость колонки
Миккельсон [15] отмечал, что, как правило, препаративные колонки работают в условиях перегрузки. Решающую роль при этом играет правильный выбор температуры колонки. Конечно, емкость колонки зависит и от многих других факторов, которые не обсуж-
Рис. 6.9. Рост емкости препаративных колонок с увеличением температуры. Ёмкость растет до тех пор, пока увеличивается растворимость вещества в неподвижной фазе. Показаны хроматографические пики метилового эфира каприловой кислоты, полученные на перегруженной колонке с насадкой из 20% жидкой фазы карбовакс 20М на носителе хромосорб Р при температурах 150 и 190 ℃ (перепечатано с небольшими изменениями из работы [15]).
даются здесь. Однако, как видно из рис. 6*9, программирование температуры позволяет полностью избежать трудностей, связанных с перегрузкой колонки.
В. ВЫВОДЫ
Подытожим теперь известные к настоящему времени факты, касающиеся программирования температуры препаративной колонки, включив сюда и некоторые результаты из книги Харриса и Хебгуда [13], которые еще не обсуждались выше.
При программировании температуры колонки увеличивается вязкость газа-носителя. В результате при постоянном давлении на входе в колонку скорость газового потока в колонке уменьшается пропорционально абсолютной температуре в степени 1,7. Аналогично перепад давлений на колонке, необходимый для поддержания в ней заданной скорости газового потока, увеличивается «пропорционально абсолютной температуре в степени 1,7».
«Логарифм чистого удерживаемого объема обратно пропорционален температуре. Значения коэффициентов диффузии в газовой фазе увеличиваются пропорционально температуре в степени 1,8- Так же сильно зависят от температуры и значения коэффициентов диффузии в жидкой фазе. Отсюда следует, что при любой фиксированной температуре невозможно выбрать такие параметры газового потока, которые обеспечили бы максимальную эффективность разделения одновременно для всех разделяемых веществ. Как правило, с повышением температуры колонки ее эффективность должна увеличиваться».
Обычно применяемые неподвижные фазы имеют малую теплопроводность. Вследствие этого даже при самом медленном изменении температуры колонки в ней появляются заметные радиальные градиенты температуры. Это приводит к уменьшению разрешающей способности колонки и к значительному уменьшению скорости движения вещества у оси колонки по сравнению со скоростью у ее стенок. Особенно заметно этот эффект проявляется в колонках диаметром более 10 мм. Преимущества программирования температуры настолько уменьшаются в обычных цилиндрических колонках большого диаметра, что на практике для таких колонок лучше использовать изотермический режим работы.
Рис. 6.10. Комбинация градиента температур [17] и программирования газового потока в препаративных колонках (см. также работы [1, 1а и 2]). Препаративная колонка состоит из плоской секции / и цилиндрических секций 2, 3, 4 и 5. Газ-носитель непрерывно поступает в иее через испаритель И, а разделяемая смесь подается насосом Н. Секция / — очень холодная, но в каждом цикле разделения ее . подогревают, пропуская через рубашку А подогретое силиконовое масло. Температура силиконового масла, поступающего в рубашку, постепенно возрастает. С помощью вспомогательного газового потока можно подключить секцию 4 или 5. Этим секциям можно придать ту же форму, что и форма секции /; при этом в них будут образовываться области значительно повышенной концентрации. Для обратной продувки секции 2 открывают клапаны г н <3 и подают газ через клапан 6. С помощью такого устройства можно реализовать любые методы программирования температуры и газового потока.
Для того чтобы получить выгоду в результате программирования температуры, от цилиндрических колонок следует отказаться. При программировании температуры плоской колонки прямоугольного сечения в ней возникают гораздо меньшие неоднородности распределения температуры, чем в цилиндрической колонке с той же площадью поперечного сечения. (Пример: цилиндрическая колонка диаметром 9 см соответствует в этом смысле колонке с поперечными размерами 3x20 см.) Такая колонка может быть длиной всего в несколько десятков сантиметров, например в 60 см, и использоваться в качестве предварительной колонки, причем перед введением пробы эту колонку охлаждают до низкой температуры, а затем после введения быстро нагревают до максимально возможной температуры (например, со скоростью 7—8 ℃/мин). Это решает проблему быстрого испарения пробы и обогащения газообразных примесей (например, тех, которые часто дают неизвестные пики на хроматограмме). С помощью подобной колонки с быстро
программируемой температурой можно осуществлять сложные препаративные разделения аналитического характера, представляющие интерес с точки зрения анализа и получения веществ в чистом виде. Такие колонки могут работать и с постоянным градиентом температуры (Кайзер [16]), давая большой выигрыш при обогащении и дозировании разбавленных проб. Этот способ позволяет даже проводить непрерывный ввод разделяемой смеси в препаративную колонку и испарять ее в наилучших практически достижимых условиях： Остальная часть колонки работает непрерывно и в изотермическом режиме. Упомянутые выше градиенты температуры действуют здесь как в направлении оси колонки, так и направлении ее радиуса. Продольный градиент оказывает полезное влияние на работу колонки, а радиальный ——очень*вредное. В этом ■случае помогает устройство, показанное на рис. 6.10. Изготовить такое устройство не просто, но вполне возможно.
ПРОГРАММИРОВАНИЕ ГАЗОВОГО ПОТОКА.ПРОГРАММИРОВАНИЕ ДАВЛЕНИЯ ГАЗА
А. ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ
В работе Келли и Уокера [18] содержится обзор основных вопросов, связанных с программированием давления газа в препаративной колонке. Обзор этот основан на результатах, изложенных в работах Пернелла [19], Скотта [20], Златкиса с сотр. [21], Халаша с сотр. [22, 23], Вергнуда [24], Мэйзора с сотр. [25, 26], Коста Нэто с сотр. [27] и Гиошона [28].
Основным является уравнение, описывающее течение потока газа через насадочную колонку [29]:
却(絹](6.12)
где с ——зависит от вязкости газа и проницаемости колонки, р — давление,
2 ——расстояние точки на оси колонки, отсчитываемое от конца колонки,
f — время.
В общем виде уравнение (6.12) неразрешимо.
Для колонки, работающей в изобарическом режиме 0р/0力=0, приближенное решение уравнения (6.12) имеет вид
加(2)=(2//)(限一脸х)+脸X,(6.131
где L ——длина колонки, рВх ——давление на ее входе (z = L), рВых — давление на выходе из колонки (之=0).
Далее Келли и Уокер предположили, что при программировании давления газа в колонке (dp/dt = Q) уравновешивание давления
происходит настолько быстро, что не возникает заметных изменений давления на входе в колонку, т. е. не появляется дополнительного градиента давления, который определялся бы только увеличением рВх на Входе в колонку. Конечно, это упрощающее предположение в случае препаративных ГХ-колонок не соответствует действительности, особенно когда вследствие неудачной конструкции входных и выходных отверстий нескольких секций колонки они оказывают дополнительное сопротивление газовому потоку. На практике измеряемое значение времени удерживания больше значения, получаемого в результате вычислений. Больше и действительное значение исправленного времени удерживания, и поэтому действительная эффективность колонки оказывается меньше той, которая была вычислена .в предположении быстро устанавливающегося равновесного давления. Однако возникающий дополнительный градиент давления, зависящий от скорости повышения давления, оказывает гораздо менее вредное влияние на работу препаративной колонки, чем градиент температуры, возникающий при программировании ее температуры.
Окончательно Келли и Уокер приводят уравнение для программирования давления к следующему виду
(6.14)(6.14)2Po (P；-ap；aJ ■
(6.14)
(6.14)
где
^уд 4£2[(%/Ро)3 — 1]
■分=丁=友而'[(R/Po)2—1F
г ——скорость повышения давления (атм/мин), ро ——начальное давление (в абсолютных атмосферах), Ps~Ps\Pq, ps ——величина постоянного давления на входе в колонку, которому соответствует время удерживания вещества /, равное ts (изобарический режим); р^ач^Рнач/ро — давление, с которого начинается программирование давления; а ——коэффициент уменьшения времени удерживания за счет программирования давления (/уд = /5а; а《1); /уд ——действительное время удерживания при программировании давления; с —— величина, зависящая от вязкости газа и проницаемости колонки; L ——длина колонки, ki = t^. //м-
Б. ПРИМЕНЕНИЯ ПРОГРАММИРОВАНИЯ ДАВЛЕНИЯ
С помощью уравнения (6.14) можно вычислить скорость программирования давления газа в колонке, необходимую для получения заданного уменьшения времени удерживания. Рассмотрим численный пример, в котором требуется уменьшить время
удерживания на 80%. В этом примере 厶=30 мин, а=0,2} т, е.требуемое время удерживания /уд=6 мин, рвх = 2 атм, ро= 1 атм. Получаем
2,1 [(2/1)— 0,2 (2/1)] си -1г= о".-0,2.3； =2,8 а™ • мнн 1.
При программировании давления с такой скоростью через 6 мин давление увеличится от 2 до 19 атм, а время удерживания уменьшится в 5 раз. Скорость газового потока в колонке возрастет при этом в 81 раз и соответственно уменьшится концентрация выходящих из колонки разделенных веществ. Таким образом, за пятикратное уменьшение продолжительности разделения приходится платить немалую цену, а именно: 1) повышается расход газа-носителя; 2) возникает необходимость увеличения мощности охлаждающих ловушек; 3) уменьшается выход разделенных веществ (поскольку при увеличении скорости газового потока неизбежны потери в выделении разделенных веществ из их смеси с газом-носителем) ;4) наблюдается небольшое уменьшение эффективности колонки.
Уменьшение эффективности в этом случае незначительно по сравнению с уменьшением эффективности в результате использования для ускорения процесса разделения программирования температуры колонки. Эксперименты Келли и Уокера [18] показали, что при использовании программирования давления с целью уменьшения времени удерживания на 60% уменьшение эффективности колонки, понимаемой как число разделений 7Z, незначительно. Этот результат противоречит наблюдавшемуся теми же авторами увеличению числа разделений при программировании давления (правда, этот результат имел лишь качественный характер). В、то же время последний' результат находится в согласий с результатами, полученными Гордоном с сотр. [31]. Эти авторы наблюдали увеличение разделительной способности колонки с увеличением давления на ее входе. Подобно тому как это имеет место в случае аналитических колонок, в данном случае в области высоких давлений, а следовательно и высоких скоростей газового потока, существует оптимальное значение давления и скорости.
в. выводы
Программирование давления в препаративной ГХ дает значительный выигрыш в продолжительности разделения. Вычисление этого выигрыша не представляет труда. Соответствующие потери в эффективности колонки оказываются меньше, чем этого можно было бы ожидать. Однако цена такого уменьшения продолжительности разделения очень велика. Так, например, расход газа-носителя растет пропорционально квадрату получаемого выигрыша во времени.
Отсюда следует, что программирование давления на всей длине колонки имеет смысл лищь в исключительных случаях. Однако всегда возможно эффективно программировать давление на коротких участках колонки. Особые преимущества имеет способ уменьшения продолжительности разделения с использованием переключения колонок. Этот способ еще не нашел широкого применения в препаративной ГХ, хотя в нем сочетаются все преимущества программирования давления и температуры. Хорошие результаты дает устройство для переключения аналитических колонок, сконструированное Динсом [1, 2]. В этом устройстве нет механических движущихся частей и все переключения осуществляются пневматически с помощью Т-образных элементов. Наиболее эффективна комбинация локального программирования температуры и/или программирования давления с переключением колонок, отбором промежуточных фракций и обратной продувкой колонок (см. разд. I). Некоторые рекомендации, касающиеся конструкции соответствующего устройства, показаны на рис. 6.10.
СПИСОК ЛИТЕРА ТУРЫ
Deans D. R., J. Gas Chromatog., 4, 34 (1966).
la. Deans D. R., J. Chromatog., 18, 477 (1965).
Deans D R., Chromatographia, 1, 18 (1968).■
Giddings J. C, Anal. Chem., 34, 722 (1962).
Hupe К.-P., Bohnisch 跖，Quitt "., Chem. Ing, Tech., 37, 146 (1965).
Nesselmann K., Angewandte Thermodynamik, Springer-Verlag, Berlin, 1950, p. 260,
Batde B., Partielle Differentialgleichungen, Leipzig, 1962.
Jahnke-Emde O., Tafeln hoherer Funktionen, Leipzig, 1960.
Hupe К.-P., Busch U., Winde K., Advances in Chromatography 1969, A. Zlat- 'kis, ed., Preston Technical Abstracts Co., Evanston, Illinois, 1969, p. 107.
Guillemin G 厶，Advances in Gas Chromatography 1965, A. Zlatkis, L. S. Et- tre, eds., Preston Technical Abstracts Co., Evanston, Illinois, 1965.
Spencer S., private communication, to K--P. Hupe, see Ref. 8.
Said A. S., Ga& Chromatography 1962, O* Brenner, O. Callen, O. Weiss, eds., Academic Press, New York, 1962, p. 84.
Habgood H.跖，Harris 取.E., Anal. Chem., 32, 450 (I960).
Harris 必.E, Habgood H. »., Programmed Temperature Gas Chromatography, John Wiley, New- York, 1966, p. 53.
Eggert H., Diplomarbeit, Technische Hochschule Karlsruhe, Lehrstuhl fiir Thermodynamik, 1964, p. 37,
Mikkelsen L.f Advances in Chromatography, J. C. Giddings, R. A. Keller, eds., Vol. 2, Marcel Dekker, New York, 1966, p. 352.
Kaiser R., Chromatographie in der Gasphase, Band II, Kapillar-Chromatogra- phie, Bibliographisches Institute, Mannheim, 1966, p. 47; Raiser R., Z. Anal. Chem, 189, 1 (1962).
Kaiser R., Chromatographia, 1, 199 (1968).
Kelley J. D, Walker J. Q., J. Chromatog. Sci., 7, 117 (1969).
Purnell H., Gas Chromatography, John Wiley, New York, 1962, p. 387.
Scott R. P.杯.，Gas Chromatography 1964, A. Goldup, ed., The Institute of Petroleum, London, 1965, p. 25.
Zlatkis 4, Fenimore D. C., Ettre L. S., Purcell 7. E, J. Gas Chromatog., 3, 75 (1965).
Нaldsz Л； Holdinghausen F., Advances in Gas Chromatography 1967 A Ziat- kis, ed., Preston Technical Abstracts Co., Evanston, Illinois, 1967 p 23
Haldsz /., Dellinger G., Z. Anal. Chem., 228, 321 (1967)； 229, 14 (1967)
Vergnaud 丄 M, J, Chromatog,, 19, 495 (1965).
Mazor L, Takacs 丄，J. Gas Chromatdg,/34, 322 (1966).
Mazor L, Takdcs 丄，J. Chromatog., 34, 157 (1968); 36, 18 (1968).
?? g^sM Neto C, Koffer 丄 T., de Alencar 丄弘 J. Chromatog., 15, 301 (1964).
UuiQchon G.} Chromatography Reviews, Vol, 8, M. Lederer, ed., Elsevier, New York, 1966, p. 1,
Carman P. C., Flow of Gases through Porous Media, Academic Press New York, 1956, p. 5.'
James A. T.s Martin A.丄 P., Biochem. J., 50, 679 (1952).
3L Gordon S. M, Krige GJ., Pretorius R., J, Gas Chroiriatog., 2, 241 (1964).
Глава 7
ПРИМЕНЕНИЕ ПРЕПАРАТИВНОЙГАЗОВОЙ ХРОМАТОГРАФИИ
В ОРГАНИЧЕСКОЙ ХИМИИ
М. Верзел
М. Verzele宀
Laboratory of Organic Chemistry, StateUniversity of Ghent, Belgium
ВВЕДЕНИЕ
Для органической химии возможность осуществления препаративного газохроматографического разделения имеет, пожалуй, большее значение, чем для всех остальных областей химии. В лаборатории автора в препаративных целях проводится почти половина всех газохроматографических разделений. Проводимое разделение можно характеризовать тем количеством данного вещества, которое требуется получить. Наиболее распространено разделение относительно простых смесей, в которых требуемые количества разделенных компонентов измеряются миллиграммами и которое осуществляют с целью дальнейшего анализа разделенных веществ при помощи спектроскопии в ультрафиолетовой, видимой или инфракрасной областях спектра, масс-спектроскопии или спектроскопии ДМР. Многие проблемы препаративной хроматографии смесей органических веществ связаны с другой задачей, когда требуется получить несколько большие количества этих веществ (±50 мг) или когда разделяемая смесь состоит из большого числа компонентов. Наконец, иногда возникает необходимость получения еще больших количеств разделенных веществ в чистом виде (миллилитр), и это также требует применения специальных методов.
ОБЩИЕ СООБРАЖЕНИЯ
Если требуемое разделение невозможно выполнить с помощью имеющихся колонок, то обычно прибегают к увеличению длины наиболее подходящей из них. Это часто помогает, если задача разделения не слишком сложна. В некоторых не особенно больших пределах эффективность колонки (число теоретических тарелок) действительно линейно зависит от длины колонки.
В нашем изложении предполагается, что независимо от типа используемого хроматографического детектора размер пробы можно сделать настолько малым, что он не будет оказывать заметного влияния на эффективность колонки. Эффективность колонки, обычно выражаемая числом теоретических тарелок на один метр длины колонки, может несколько изменяться в зависимости от типа и концентрации неподвижной фазы, природы разделяемых
веществ, свойств материала твердого носителя и, конечно, от способа нанесения на носитель неподвижной фазы, а также от опыта оператора; однако обычно она достаточно постоянна и может меняться лишь в два раза, например от 1000 и 2000 теоретических тарелок на метр.
Наиболее важным различием между аналитической и препаративной ГХ является то, что в последней используют- пробы настолько больших размеров, что они могут влиять на эффективность колонки и изменять число теоретических тарелок в 10——20 раз. Эта зависимость эффективности от размера пробы должна учитываться в препаративной ГХ наряду с параметрами, обычными для аналитической ГХ. Поэтому для правильного описания процесса препаративного ГХ-разделения необходимо знать эффективность используемой колонки во всем диапазоне возможных значений размера пробы. Эти значения эффективности весьма различны, и для проб малых размеров они могут быть так же велики, как и значение эффективности для аналитической колонки. При использовании проб больших размеров происходит расширение хроматографических полос и эффективность колонки уменьшается. Можно ввести понятие эффективности препаративного разделения, или «числа препаративных теоретических тарелок», и обозначить соответствующую величину через п!. Примеры значений величины /г' приведены в табл. 7.1. Полезность подобных таблиц станет ясна из дальнейшего.
Таблица 7.1
Значения величины 出 для спиральной колонки (6 мх9 мм) типа «Аэрограф 700》“
Объем пробы, мкл
Значение величины 〃'
10
50
100
200
500
2340
1380
710
400
190
а Насадка： 25% жидкой фазы SE-30 на материале хромо- сорб с размером частиц 30—60 меш. Газ-носитель — водород, скорость потока 200 мл/мии, температура 145° С, данные получены для проб кумола.
НЕКОТОРЫЕ СВЕДЕНИЯ ИЗ ТЕОРИИ
При увеличении объема пробы двухкомпонентной смеси, которая делится при малых величинах пробы, наблюдается все большее наложение друг на друга соответствующих хроматографических
пиков. Существует, таким образом, некоторый предельный объем пробы, при котором еще возможно ее разделение за один цикл. Это предельное значение называется максимально допустимой величиной пробы (МДВП).
Величина эта зависит от следующих факторов:
Трудности разделения, или близости обоих пиков друг К другу, или коэффициента а {^^1^ )•
Эффективности колонки, или в данном случае величины к'.
Времени цикла разделения, которое лучше всего выражать через коэффициент распределения k (от времени цикла разделения МДВП зависит в несколько меньшей степени, чем от двух предыдущих параметров).
В аналитической ГХ параметры а,孔 и 也 связаны друг с другом следующим выражением:
n=16[a/(a-l)]2(l+V(7.1)
С помощью этого выражения при данных значениях а и 狗 определяют длину колонки, необходимую для обеспечения разделения с расстоянием между соседними хроматографическими пиками, равным 4сг, где о — стандартное отклонение. Если значение k не слишком мало, как это и бывает в насадочных колонках (например, 左〉3), то выражение (7.1) можно записать в следующем упрощенном виде:.
n=16[a/(a-l)]2.(7.2)
Теперь с помощью выражения (7.2) можно найти величину МДВП для данной колонки. Делается это следующим образом. По результатам разделения на аналитической газохроматографической колонке для данной смеси определяют значение коэффициента а и с помощью выражения (7.2) вычисляют число теоретических тарелок, необходимое для достижения заданного разделения. Обратимся к примеру. Значение коэффициента а для разделения смеси транс- и ^uc-декалина на колонке с жидкой фазой SE-30 равно примерно 1,25, и, следовательно, для этого разделения требуется 400 теоретических тарелок. Из табл. 7.1 видно, что эффективности в 400 теоретических тарелок соответствует величина пробы равная 200 мкл. Поэтому в разделяемой смеси декалинов не должно содержаться больше, чем по 200 мкл каждого изомера. Для данной колонки величина МДВП для смеси декалинов 1 : 1 равна, таким образом, 400 мкл. Эти данные подтвердились в эксперименте, и по каждому из компонентов смеси получалось примерно по 400 теоретических тарелок. В общем случае сложной смеси МДВП определяется парой компонентов с наименьшим значением параметра а. Причем для этих двух компонентов оценивается количество х (в процентах по отношению к сумме обоих компонентов) компо-
нента, присутствующего в большем количестве. После этого МДВП Для данной сложной смеси можно вычислить при помощи следующей формулы:
МДВП=1005п7%, (7.3)
где S// ——величина пробы одного вещества, которой соответствует значение величины пх для данной колонки, равное значению величины п, определяемому выражением (7.2).
КОЛОНКИ
Для разделения больших количеств смеси веществ необходимо увеличить объем колонки. Это можно сделать путем увеличения диаметра колонки, ее длины или того и другого вместе. Наиболее предпочтительный вариант такого увеличения можно определить по данным, представленным в табл. 7.2. Из этой таблицы следует, что в препаративной ГХ следует избегать значений а, меньших 1,1, так как при использовании проб больших величин просто невозможно обеспечить необходимые при этом 2000 или более теоретических тарелок. Видно также, что имеет смысл испробовать несколько различных неподвижных фаз и выбрать ту из них, которая дает большее значение а, поскольку даже небольшое увеличение этого коэффициента заметно упрощает разделение.
Таблица 7,2
Число теорет^еских тарелок, необходимых для разделения смесей с различными значениями коэффициента а
Значение коэффициента
Число п'
Значение коэффициента
Число 〃‘
1,03
17 496
1,13
1,221
1,05
7 056
1,15
940
1,07
3 745
1,20
576
1,08
2 915
1,25
400
1,09
2 342
1,30
300,
1,10
1936
1,40
195
1,11
1632
1,50
144
1,12
1384
.2,00
64
Для колонки любого типа число соответствующих ей теоретических тарелок уменьшается с увеличением объема разделяемой пробы. В колонках малого диаметра это уменьшение происходит быстро, так как быстро наступает их перегрузка, но для проб ма-
лых объемов эффективность таких колонок велика. Пример такого рода можно найти в табл. 7.1. Для того чтобы обеспечить большое число теоретических тарелок при разделении проб больших объемов, необходимо соответственно увеличить длину колонки. С помощью длинных и узких колонок можно решить целый ряд задач разделения, хотя для каждого конкретного случая требуется подбирать свой объем пробы.
Опасность перегрузки в колонках большого диаметра меньше, и в широком диапазоне значений объема проб число теоретических тарелок для таких колонок изменяется относительно медленно. Однако это число само по себе может быть недостаточно большим даже для проб самого малого объема. Так, например, число теоретических тарелок для колонок диаметром 5——10 см обычно измеряется несколькими сотнями на метр. Такие колонки обеспечивают разделение проб больших объемов, но только относительно простых смесей (с большими значениями коэффициента а).. Несмотря на то что разделению на колонках большого диаметра уделяют большое внимание во многих лабораториях, по этому вопросу опубликовано мало работ. Скорее всего это объясняется тем, что получаемые результаты не оправдывают возлагавшихся на них надежд.
Большая универсальность длинных колонок малого диаметра — важный аргумент в пользу их применения в органической химии.
С применением колонок большого диаметра связана возможность решения увлекательных задач. Раньше основные усилия в области использования колонок большого диаметра были направлены в основном на получение более равномерного заполнения колонки насадкой, однако в исследованиях последнего времени большее внимание уделяется вопросу однородности газового потока [1, 2]. Опубликованные хроматограммы, полученные на колонках длиной 2 м и диаметром 10 см [3], показывают, что для проб объемом 1 мл эти колонки имеют около 600 теоретических тарелок. Такая малая эффективность является плохой рекомендацией для применения препаративных колонок в исследовательских лабораториях. Усугубляется это еще и тем, что на практике это значение эффективности очень трудно воспроизвести. Поэтому почти все коммерческие хроматографы, в которых предусмотрена работа с колонками большого диаметра, используют на практике с длинными и узкими колонками. Недавно опубликована работа [4], в которой описывается газохроматографическое разделение в полупромышленном масштабе на колонках диаметром около 34 см; расчеты по хроматограммам дали эффективность порядка 50——150
теоретических тарелок на метр. Такая эффективность достаточна лишь для осуществления простых разделений. Проблема, связанная с уменьшением числа теоретических тарелок при увеличении диаметра колонки, довольно интересна. Основная причина падения эффективности заключается в том, что в колонках большого диаметра радиальная диффузия не обеспечивает такого перемешивания газового потока, в результате которого сглаживаются установившиеся профили скоростей и концентраций. Это подтверждается уменьшением' оптимального значения скорости газового потока с увеличением диаметра колонки, а также теми различиями в работе колонки, которые наблюдаются при использовании в качестве газа-носителя азота и водорода. Дело в том, что в колонках малого диаметра (4 мм и ниже) азот дает лучшее разделение, чем гелий или водород, потому что для любого газа-носителя радиальная диффузия в таких колонках достаточна для сглаживания профилей скоростей газового потока. Поэтому более важную^ роль играет продольная диффузия, а, как известно, при использовании азота она происходит в меньшей степени, поэтому с азотом и получается лучшее разделение.
'В случае же колонок промежуточного диаметра (5——20 мм) радиальная диффузия молекул в азоте уже не обеспечивает достаточного перемешивания газового потока в колонке. Для водорода это не так, и поэтому использование водорода позволяет получить несколько лучшее разделение в таких колонках {5]. При дальнейшем увеличении диаметра колонки радиальная диффузия перестает играть роль, и с азотом вновь получаются лучшие результаты, чем с водородом. Так, в колонке диаметром 9 см использование азота дает на 10——20% большее число теоретических тарелок, чем в случае водорода [6]. Размеры колонки следует выбирать так, чтобы она обеспечивала достаточно хорошие результаты при решении большого числа задач. Не следует изготавливать колонку специально для решения лишь данной задачи, лучше подобрать такие ее размеры, чтобы она обеспечивала получение достаточно хороших результатов для различных задач, разделения. Это особенно важно в условиях исследовательской лаборатории. В этом смысле, как уже говорилось выше, целесообразнее использовать длинные и уз- кие колонки. В пользу таких колонок говорят и доводы, связанные со сбором разделенных веществ. В тех лабораториях, в которых разделенные вещества получают для их идентификации и химического анализа, достаточно получить эти вещества в количествах от 1 мкл до 1 мл. Для того чтобы было легче работать с такими количествами веществ, их лучше собирать в небольшие ловушки, поскольку при использовании устройств для улавливания больших объемов неизбежны потери этих веществ. Скорость газового потока в ловушках для улавливания проб малого объема должна быть небольшой, иначе не получится хорошего выделения разделенных веществ из их смеси с газом-носителем.
Для эффективного улавливания некоторых веществ допустимы массовые скорости газового потока в ловушках до 1 л/мин, для других же веществ могут потребоваться существенно меньшие скорости, порядка 25 мл/мин [7]. Ясно, что скорости газового потока в колонках большого диаметра гораздо выше этих значений, даже несмотря на то, что в таких колонках допустимы большие вариации скорости потока, поскольку в этом случае оптимальная скорость потока не имеет ясно выраженного максимума эффективности.
ВОПРОСЫ ПРАКТИЧЕСКОГО ПРИМЕНЕНИЯПРЕПАРАТИВНОЙ ГХ
Подробно вопросы практического применения препаративной ГХ обсуждались в предыдущих главах этой книги. Поэтому в этом параграфе описываются лишь те методы, которые дали наилучшие результаты в нашей лаборатории. Подробности читатель может найти в работах [5, 7—9].
Предпочтительным является способ прямого ввода пробы в колонку. При введении больших проб летучих веществ (500 мкл и выше) может сильно повыситься давление в колонке. Следует избегать обратной подачи части пробы в холодные соединительные линии, предназначенные для ввода в колонку газа-носителя. Обычно для этого используют специальные перепускные клапаны, однако в лаборатории автора лучше работали обычные игольчатые клапаны. Непосредственно перед вводом пробы такой клапан закрывается, а через 1 мин после ввода пробы открывается. На хроматограммах, получаемых для колонок большого диаметра, наличие этого клапана дает едва заметный сигнал на нулевой линии.
Колонку можно изготавливать из нержавеющей стали или из стекла, причем стекло предпочтительнее. Форма колонки не играет особой роли. Для того чтобы уменьшить перепад давлений на колонке, не следует слишком уплотнять помещенную в нее насадку, причем, если насадку вводят в колонку, которой уже придана окончательная форма (например, колонка уже свернута в спираль), то насадку следует вводить с того конца колонки, который будет присоединен к детектору [8].
Препаративные газохроматографические разделения проводят при несколько больших температурах, чем аналитические разделения, поэтому применяемый носитель должен быть высокого качества, промыт кислотой и силанизирован. Дело в том, что повышенные температуры способствуют разложению разделяемых веществ и с этим связана основная трудность в области препаративной хроматографии. С другой стороны, ввиду того что оптимальное значение скорости газового потока для препаративной колонки уменьшается не пропорционально увеличению диаметра колонки, 15 Зак. № 570
повышенные температуры необходимы для того, чтобы обеспечить прохождение вещества через колонку за приемлемое время. Действительно, если для капиллярной колонки диаметром 0,2 мм оптимальна скорость газового потока, равная 1 мл/мин, то для насадочной колонки диаметром 2 мм оптимальная скорость равна не 100, а лишь 20 мл/мин. Для колонки диаметром 2 см оптимальна скорость, равная лишь 200——400 мл/мин, а для колонки диаметром 10 см ——примерно 5 л/мин. Линейная же экстраполяция приведенных данных дала бы для колонки диаметром 10 см оптимальную скорость, равную примерно 50 л/мин. При рассмотренных выше относительно малых скоростях газового потока небольшое увеличение рабочей температуры колонки является вполне естественным способом уменьшения чрезмерно больших времен удерживания. Для уменьшения разложения разделяемых веществ при таких повышенных температурах необходимо применять высококачественные носители. Материал носителя может катализировать реакции дегидроксилирования, дегидрогалогенирования и другие даже при очень низких температурах. Этих реакций можно избежать путем нанесения на носитель большого количества жидкой фазы, но при этом значительно возрастут времена удерживания, и для их уменьшения придется еще больше увеличить температуру колонки. Часто бывает лучше покрывать носитель тонким слоем жидкой фазы и получать относительно малые значения коэффициентов распределения при низких температурах, а каталитическое влияние носителя уменьшать путем промывки его кислотой и силанизирования. Можно рекомендовать концентрацию жидкой фазы, равную 1—5 г на 100 мл носителя. В случае носителя хромосорб W, имеющего плотность 0,22, это эквивалентно концентрации жидкой фазы 5—25% (по весу); а для менее активного носителя хромосорб G, имеющего плотность 0,55, —примерно 2—10% (по весу).
Степень зернения носителя находится в соответствии с длиной колонки: 60——80 меш — для колонок длиной до 3 м, 30——50 меш для колонок длиной до Юми 30—40 меш — для колонок длиной до 20 м.
ПРИМЕРЫ ПРЕПАРАТИВНОГОГАЗОХРОМАТИЧЕСКОГО РАЗДЕЛЕНИЯ
Как отмечалось в первом параграфе этой главы, существует несколько различных методов препаративного разделения.
ПРОСТЫЕ СМЕСИ. РАЗДЕЛЕНИЕ МИКРОКОДИЧЕСТВВЕЩЕСТВ
При проведении неизвестной реакции за исчезновением реагентов и образованием новых соединений лучше всего следить с помощью тонкослойной хроматографии (ТСХ) или газовой хроматографии (ГХ). При этом предпочитают обычно метод ГХ. Большая
скорость анализа с помощью ГХ позволяет быстро найти оптимальные условия протекания реакции. При не слишком малых значениях коэффициентов распределения k исходные вещества, легко идентифицировать по их временам удерживания (температура должна быть достаточно низкой ——с игнорированием этого положения часто связаны ошибки начинающих исследователей). Вновь образующиеся соединения необходимо идентифицировать. Сейчас для этого достаточно собрать несколько миллиграммов этих соеди-
Рис. 7.1. Хроматограмма реакционной смеси, полученной из камфоры.
Колонка, свернутая в спираль: длина 3 м, диаметр 5 мм. Насадка: 5 г ходкой ф^зм QF] на 100 мл носителя хромосорб W с размером частиц. 60—80 меш. Хроматограф типа «Аэрограф А-35О-Б» с катарометром. Скорость потока газа-носнтеля (водорода) 60 мл/мин, температура 'колонки 125 ℃; объем пробы 100 мкл.
нений и провести их спектрометрический анализ. Повторяя одно и то же разделение несколько раз, можно собрать такое количество разделенных соединений, которое достаточно даже для ЯМР- анализа. Это легко сделать с помощью очень простого газового хроматографа с катарометром и колонкой длиной 1—3 м и диаметром 4—6 мм. Даже удивительно, сколь многие смеси можно разделять на таких колонках. Пример подобного разделения показан на рис. 7.1. В органической химии часто синтезируют ряд родственных соединений, которые используют для сравнительного анализа, в качестве эталонных веществ в масс-, ЯМР- или инфракрасной спектроскопии, для определения конформационных равновесий по
15*
отношению к небольшим структурным изменениям или для других целей.
Смеси этих соединений относительно просты и для указанных применений требуются лишь очень небольшие их количества. Раньше, когда еще не было препаративной ГХ, из-за трудностей, связанных с очисткой этих соединений, приходилось приготавливать каждое из них в количестве, измеряемом миллилитрами. Это
Рнс. 7.2. Хроматограмма смеси, полученной путем восстановления вещества; соот-ветствующего первому меченному хроматографическому пику.
.Колонка, свернутая в спираль: длина 2 м, диаметр 5 мм. Насадка: 5 г жидкой фазы окисн политетраметилена (ПТМ) на 100 мл носителя хромосорб W с размером частиц 60—80 мет. Хроматограф типа «Аэрограф 90 Р» с катарометром. Скорость потока газа-носителя (водорода) 30 мп/мнн, температура 195 ℃. Объем пробы смеси, полученной путем восстановления метилциклопентенднона, 3 мкл. Следовые количества веществ； уловленные в небольших трубочках, были достаточны для анализа методом масс-спектрометрии.
отнимало много времени. Теперь имеется возможность проводить реакции с несколькими миллиграммами исходных веществ и вводить всю реакционную смесь в колонку для препаративной ГХ. Выход веществ при этом не играет роли, если получаются достаточные их количества, поэтому трудности, связанные с такими исследованиями, значительно уменьшились. Пример такого разделения с последующим масс-спектрометрическим анализом показан на рис. 7.2. В этом случае требуются небольшие количества раз-
деленных веществ, поэтому можно использовать колонку, длина которой типична для аналитической ГХ. Еще один пример разделения приведен на рис. 7.3. В' этом случае разделенные вещества использовали для изучения конформационных равновесий [11], и их структуру приходилось устанавливать с помощью спектроскопии ЯМР. В связи с этим требовались большие количества этих веществ, чем в предыдущем примере. Разделяемую смесь получили из циклооктадиена с помощью реакции Принса.
Сбор разделенных веществ в примерах, показанных на рис, 7Л—7.3, и в других аналогичных разделениях можно осуществлять простейшим способом. Ча-сн осон
сто для этого достаточно лишь2
подсоединить к выходному отверстию колонки стеклянную трубочку (длиной 5—10 см, диаметром 2 мм) на время выхода нужного компонента разделяемой
Рис. 7.3. Хроматограмма реакционной смеси, полученной из циклогептена с помощью реакции Принса.Рис. 7.3. Хроматограмма реакционной смеси, полученной из циклогептена с помощью реакции Принса.Колонка, свернутая в спираль: длина 6 м, диаметр 5 мм. Насадка: 5 г жидкой фазы SE-30 иа 100 мл носителя хромосорб W с размером частиц 60—80 меш. Хроматограф типа «Аэрограф 90 Р» с катарометром. Скорость потока газа-носителя (водорода) 35 мл/мин, температура 185 ℃. Объем пробы 45 мкл.Колонка, свернутая в спираль: длина 6 м, диаметр 5 мм. Насадка: 5 г жидкой фазы SE-30 иа 100 мл носителя хромосорб W с размером частиц 60—80 меш. Хроматограф типа «Аэрограф 90 Р» с катарометром. Скорость потока газа-носителя (водорода) 35 мл/мин, температура 185 ℃. Объем пробы 45 мкл.смеси. Нетрудно заметить происходящую в трубке конденсацию этого компонента. Как только в трубочке появится некоторое количество конденсата, ее можно извлечь из хроматографа и подсоединить к нагреваемому входному устройству масс-спектрометра. Для ЯМР-анализа необходимо собрать целую каплю конденсата. Если этого нельзя сделать в течение одного цикла разделения, то весь процесс повторяют до тех пор, пока в трубочке не соберется достаточное количество конденсата.
Рис. 7.3. Хроматограмма реакционной смеси, полученной из циклогептена с помощью реакции Принса.
Рис. 7.3. Хроматограмма реакционной смеси, полученной из циклогептена с помощью реакции Принса.
Колонка, свернутая в спираль: длина 6 м, диаметр 5 мм. Насадка: 5 г жидкой фазы SE-30 иа 100 мл носителя хромосорб W с размером частиц 60—80 меш. Хроматограф типа «Аэрограф 90 Р» с катарометром. Скорость потока газа-носителя (водорода) 35 мл/мин, температура 185 ℃. Объем пробы 45 мкл.
Колонка, свернутая в спираль: длина 6 м, диаметр 5 мм. Насадка: 5 г жидкой фазы SE-30 иа 100 мл носителя хромосорб W с размером частиц 60—80 меш. Хроматограф типа «Аэрограф 90 Р» с катарометром. Скорость потока газа-носителя (водорода) 35 мл/мин, температура 185 ℃. Объем пробы 45 мкл.
При этом важно, конечно, чтобы температура колонки в месте подсоединения к ней ловушки для разделенных веществ была не
ниже рабочей температуры колонки, так как в противном случае будет происходить преждевременная конденсация разделенных веществ (до сосуда) и их перемешивание. Поэтому рекомендуется проверять чистоту собранных веществ с помощью аналитической ГХ.ниже рабочей температуры колонки, так как в противном случае будет происходить преждевременная конденсация разделенных веществ (до сосуда) и их перемешивание. Поэтому рекомендуется проверять чистоту собранных веществ с помощью аналитической ГХ.При необходимости сосуд для улавливания нетрудно охлаждать (температура сосуда должна быть примерно на 150 ℃ ниже рабочей температуры колонки). Для этого можно использовать ловушки, показанные, на рис. 7.4, охлаждаемые Жидким азотом. На рис. 7.4, Л ловушкой служит небольшая пробирка (длиной 7 см, диаметром 7 мм). Газ-носитель выходит из нее через прорезь в
ниже рабочей температуры колонки, так как в противном случае будет происходить преждевременная конденсация разделенных веществ (до сосуда) и их перемешивание. Поэтому рекомендуется проверять чистоту собранных веществ с помощью аналитической ГХ.
ниже рабочей температуры колонки, так как в противном случае будет происходить преждевременная конденсация разделенных веществ (до сосуда) и их перемешивание. Поэтому рекомендуется проверять чистоту собранных веществ с помощью аналитической ГХ.
пробке. Для сбора несколько большего количества вещества можно применять ловушку, показанную на рис. 7.4, 6.
Иногда сбор разделенных веществ затрудняется из-за образования в ловушке аэрозолей. Обычно
Рис. 7.4. Охлаждаемые ловушки для веществ, разделенных с помощью препаративной ГХ.Рис. 7.4. Охлаждаемые ловушки для веществ, разделенных с помощью препаративной ГХ.это происходит при улавливании очень высококипящих или легко кристаллизующихся веществ. В этом случае улавливание веществ лучше всего осуществлять путем их адсорбции на крупнозернистом высушенном силикагеле. Такой способ оказался эффективным, например, при улавливании веществ, имеющих структуры 1, 2 и 3 (см. рис. 7.5). В этом случае проводили пять циклов разделения проб 50%-ной сме
Рис. 7.4. Охлаждаемые ловушки для веществ, разделенных с помощью препаративной ГХ.
Рис. 7.4. Охлаждаемые ловушки для веществ, разделенных с помощью препаративной ГХ.
Рис. 7.5.Рис. 7.5.Колонка стеклянная, свернутая в спираль: длина 3 м, диаметр 9 мм. Насадка: 5 г жидкой фазы версамид на 100 мл носителя хромосорб W, размер частиц 30—60 меш. Хроматограф типа «Аэрограф Автопреп 700» с катарометром. Скорость потока газа-носителя (водорода) 150 мл/мин, температура 230 ℃. Объем пробы 150 мкл. Улавливание на силикагеле.'Колонка стеклянная, свернутая в спираль: длина 3 м, диаметр 9 мм. Насадка: 5 г жидкой фазы версамид на 100 мл носителя хромосорб W, размер частиц 30—60 меш. Хроматограф типа «Аэрограф Автопреп 700» с катарометром. Скорость потока газа-носителя (водорода) 150 мл/мин, температура 230 ℃. Объем пробы 150 мкл. Улавливание на силикагеле.'си объемом по 150 мкл и, пропускали поток, выходящий из колонки через ловушки (стеклянные трубки размером 12X40 мм), подсоединенные к выходному отверстию
Рис. 7.5.
Рис. 7.5.
Колонка стеклянная, свернутая в спираль: длина 3 м, диаметр 9 мм. Насадка: 5 г жидкой фазы версамид на 100 мл носителя хромосорб W, размер частиц 30—60 меш. Хроматограф типа «Аэрограф Автопреп 700» с катарометром. Скорость потока газа-носителя (водорода) 150 мл/мин, температура 230 ℃. Объем пробы 150 мкл. Улавливание на силикагеле.'
Колонка стеклянная, свернутая в спираль: длина 3 м, диаметр 9 мм. Насадка: 5 г жидкой фазы версамид на 100 мл носителя хромосорб W, размер частиц 30—60 меш. Хроматограф типа «Аэрограф Автопреп 700» с катарометром. Скорость потока газа-носителя (водорода) 150 мл/мин, температура 230 ℃. Объем пробы 150 мкл. Улавливание на силикагеле.'
колонки и содержащие каждая по 2 г силикагеля, промытого кислотой и растворителем. Выход веществ при улавливании был
равен 50%. Все три трубочки для улавливания были предварительно промыты эфиром. После испарения растворителя в них осталось 133 мг вещества /, 78 мг вещества 2 и 173 мг вещества 3 соответственно. Вещество 2 является изомером по отношению к веществу 3, но структура его неизвестна. Улавливание было количественным. Трубки с силикагелем можно использовать повторно.
Препаративное газохроматографическое разделение высококипя- щих веществ возможно также лишь на колонках малого диаметра. При этом необходимы высокие скорости потока газа-носителя, которые в колонках большого диаметра приведут к потерям эф-
Рис. 7.6. Смесь соединений дитерпенового ряда, полученная путем димеризации мирцена методом Дильса—Альдера.
Колонка стеклянная, свернутая в спираль： длина 3 м, диаметр 5 мм. Насадка: 5 г жидкой фазы апиезон на .носителе хромосорб W с размером частиц 60—80 меш. Хроматограф типа «Аэрограф А-350-Б» с катарометром. Скорость потока газа-носителя (водорода) 300 мл/мин, температура 250 ℃; объем пробы 20 мкл, значение параметра а— 1,15. Для жидкой фазы SE-30 значение параметра а равно всего лишь
фективности. Пример такого разделения показан на рис. 7.6. В этом случае разделяли смесь двух димеров мирцена Дильса—Альдера, получаемую при нагревании мирцена [13]. Диаметр колонки был равен 5 мм, ее температура 250 ℃, в качестве газа-носителя использовали водород, который продували через колонку в количестве 300 мл/мин.
Б. ТРУДНЫЕ РАЗДЕЛЕНИЯ. СЛОЖНЫЕ СМЕСИ.
РАЗДЕЛЕНИЕ ПОЛУМИКРОКОЛИЧЕСТВ ВЕЩЕСТВ
Препаративное разделение смесей со слишком малыми значениями коэффициента разделения а (а<1,10) на аналитических колонках осуществить невозможно. В этих случаях необходимо повысить эффективность колонки, и, как говорилось выше, лучше всего это делать путем увеличения ее длины. Хорошие результаты дает колонка длиной 10—20 м и диаметром 1——2 см. В табл. 7.3 приведена зависимость числа теоретических тарелок от объема пробы для. такой колонки, заполненной носителем хромосррб W с размером частиц 30—60 меш.
Объем пробы, мклЗначение величины п'107270503240100170020010405004801000、240Объем пробы, мклЗначение величины п'107270503240100170020010405004801000、240Рис. 7.8. Хроматограмма смеси дейтерированных стереоизомеров диметоксициклогексана.Колонка стеклянная, свернутая в спираль: длина 20 м, диаметр 9 мм. Насадка: 5 г жидкой фазы QF-1 на 100 мл носителя хромосорб G с размером частиц 30—40 меш. Скорость потока газа-носителя (водорода) 300 мл/мнн, температура 140 ℃. Объем пробы .50 мкл.Рис. 7.8. Хроматограмма смеси дейтерированных стереоизомеров диметоксициклогексана.Колонка стеклянная, свернутая в спираль: длина 20 м, диаметр 9 мм. Насадка: 5 г жидкой фазы QF-1 на 100 мл носителя хромосорб G с размером частиц 30—40 меш. Скорость потока газа-носителя (водорода) 300 мл/мнн, температура 140 ℃. Объем пробы .50 мкл.Рис. 79 Хроматограмма смеси стереоизомеров дитиана.Рис. 79 Хроматограмма смеси стереоизомеров дитиана.
Объем пробы, мкл
Значение величины п'
10
7270
50
3240
100
1700
200
1040
500
480
1000、
240
Объем пробы, мкл
Значение величины п'
10
7270
50
3240
100
1700
200
1040
500
480
1000、
240
Рис. 7.8. Хроматограмма смеси дейтерированных стереоизомеров диметоксициклогексана.
Колонка стеклянная, свернутая в спираль: длина 20 м, диаметр 9 мм. Насадка: 5 г жидкой фазы QF-1 на 100 мл носителя хромосорб G с размером частиц 30—40 меш. Скорость потока газа-носителя (водорода) 300 мл/мнн, температура 140 ℃. Объем пробы .50 мкл.
Рис. 7.8. Хроматограмма смеси дейтерированных стереоизомеров диметоксициклогексана.
Колонка стеклянная, свернутая в спираль: длина 20 м, диаметр 9 мм. Насадка: 5 г жидкой фазы QF-1 на 100 мл носителя хромосорб G с размером частиц 30—40 меш. Скорость потока газа-носителя (водорода) 300 мл/мнн, температура 140 ℃. Объем пробы .50 мкл.
Рис. 79 Хроматограмма смеси стереоизомеров дитиана.
Рис. 79 Хроматограмма смеси стереоизомеров дитиана.
На таких колонках действительно можно разделять смеси с небольшими значениями коэффициента а. Пример подобного разделения показан на рис. 7.7. Значение коэффициента разделения а для второго и третьего хроматографических пиков равно всего
Рис. 7.7. Хроматограмма смеси диастереомеров этилдиоксадекалана.
Колонка стеклянная, свернутая в спираль: длина 20 м, диаметр 9 мм. Насадка: 5 г жидкойфазы QF-1 на 100 мл носителя хромосорб W с размером частиц 30—60 меш. Хроматографтипа «Аэрограф Автопреп 700» с катарометром. Скорость потока газа-носнтеля (водорода)150 мл/мин, температура 165 ℃. Объем пробы 100 мкл.
Таблица 7.3
Значения величины п‘ для спиральной колонкиразмером 20 Mx9 MM
Сорбент: 5 г жнДкой фазы SE-30 на 100 мл носителя хромосорб W с размером частиц 30—60 меш. Температура колонки 180 ℃. Смесь гране-декалинов.
Колонка та же, что и на рис. 7.7. Скорость потока газа-носителя (водорода) 450 мл/мин,температура 130 ℃. Повторное (многократное) введение проб объемом 100 мкл.
Рис. 7.10. Хроматограмма смеси диастереомеров тиоксана.
Колонка та же, что и на рис. 7.7. Насадка: 5 г жидкой фазы полиоксибутилена на 100 мл носителя хромосорб W с размером частиц 30-— 60 меш. Скорость потока газа-носителя (водорода) 200 мл/мин, температура 200 ℃. Объем про吵 метнлнзопропнлтиоксаиа 300 мкл. Значение коэффициента разделения для двух главных компонентов равно 1,14, Вторую пробу ввели до того, как закончилось вымывание первой пробы.
Рис. 7.11.
Колонка та же, что н на рнс. 7.7. Насадка: 5 г жидкой фазы SE-30 на 100 мл носителя хро- мосорб G с размером частиц 30—40 меш. Скорость потока газа-носнтеля (водорода) 300 мл/мнн, температура 130 ℃. Объем пробы 350 мкл. Значение коэффициента разделения для двух последних пиков 1,10. Число теоретических тарелок по отношению к последнему пику 2000.
Рис, 7.12. Хроматограмма смеси четырех диастереомеров триметилфенилди-оксолана.
Колонка та же, что н на рис. 7.7. Насадка： 5 г жидкой фазы SE-30 на 100 мл носителя хро-мосорб W с размером частиц 30—60 меш. Скорость потока газа-носителя (водорода) 200 мл/мин,температура 210 °C. Объем пробы диастереомеров дноксолана 500 мкл. Значения коэффи-циента разделения для последних пиков 1,16 и 1,10.
Колонка та же, что и на рнс. 7.7. Насадка: 5 г жидкой фазы полнокснбутнлена на 100' мл носителя хромосорб W с размером частиц 30—60 меш. Скорость потока газа-иоснтеля (водорода) 200 мл/мин, температура 180 ℃. Объем пробы в каждом цикле 1,8 мл. а=1,4.
лишь 1,08. Объем разделяемых проб был 100 мкл смеси. Расчет по хроматограмме показал, что число теоретических тарелок колонки равно 3000—4000.
Рис. 7.14. Хроматограмма синтетической смеси тиоксана и дитиана.
Колонка стеклянная, свернутая в спираль: длина 2Q м, диаметр 9 мм. Насадка: 5 г жидкой фазы QF-1 на 100 мл носителя хромосорб G с размером частиц 30—40 ме?ш. Скорость потока газа-носителя (водорода) 450 мл/мнн, температура 145 ℃. Объем пробы 100 мкл.
В случаях разделения сложных смесей малые значения коэффициента а неизбежны, и разделение таких смесей также следует проводить на более длинных колонках. Хотя сложные смеси в боль-
Рис. 7.15.
Колонка та же, что н на рнс. 7.14. Скорость потока газа-носнтеля (водорода) 350 мл/мнн. Объем пробы синтетической смеси изомеров тноксана н дитнана 150 мкл.
шинстве своем имеют природное происхождение, но встречаются и смеси синтетической природы. Ясно, что более длинные колонки обеспечивают разделение больших количеств простых смесей.
На рис. 7.8——7.13 показаны примеры разделения простых смесей,причем объем пробы увеличивается с увеличением значения коэф- J
Рнс. 7.16. Хроматограмма природной смеси спиртов хмелевого масла.Колонка та же, что и на рнс. 7.14. Насадка: 5 г жидкой фазы полиокснбутнлена на 100 млносителя газхром Р с размером частиц 30—60 меш. Скорость потока газа-носнтеля (водорода)250 мл/мнн, температура 170 С. Объем пробы 200 мкл. Разделенные вещества можно былоидентифицировать спектрометрическимн методами (см. работу (I3J).
Рис. 7.17. Смесь метиловых эфиров кислот, выделенных из хмелевого масла.
Колонка та же, что н на рнс. кацни
7.16. Температура 180 °C. Объем пробы 300 мкл. Об ипентнфн- разделенных веществ см. работу [13].
7口 мин
Рнс. 7.18. Хроматограмма реакционной смеси озонолиза тетрагидрогумулона.
肥л”ка та же, что и на рис. 7.16. Температура 190 七.Объем пробы 350 мкл. Интеоегнмм ^F吃优吃需F присутствие на хроматограмме пика оксикнслоты, содержащей нензменеи- ный хиральныи “ентр. Благодаря этому удалось определить абсолютную конфнХр^цию молекулы (—)-тетрагндрогумулона.. . у
фициента а. На рис. 7.14—7.18 показаны примеры разделения сложных синтетических и природных смесей.
В. ПРОБЫ БОЛЬШИХ ОБЪЕМОВ
Для разделения еще больших количеств смеси можно использовать те же методы, но с колонками большего диаметра. Наилучшими с практической точки зрения представляются колонки длиной 20 м и диаметром около 2 см. При свертывании колонки в Ъпираль
Рис. 7.19. Хроматограмма смеси транс- и 4〃с-нзомеров .бициклических кетонов.
Колонка алюминиевая, свернутая в<спнраль: длина 21 м, диаметр 20 мм. Насадка: 5 г жнд- кЬй фазы карбовакс 20М на 100 мл носителя хримосерб с размером частиц 20~~30 меш. Скорость потока газа-носителя (водорода) 600 мл/мин, температура 200 ℃. Объем пробы 2 мл. Структуру, показанную на рисунке, определили с помощью спектрометрического анализа.
рекомендуется придать овальную форму ее поперечному сечению [8]. Примеры разделения на таких колонках показаны на рис. 7.18, 7.19 и 7.21. Очевидно, что с помощью колонки такого типа можно
Рис. 7.20. Хроматограмма смеси, полученной из циклогексана с помощью реакции Принса.
Колонка стеклянная, свернутая в спираль: длина 20 м, диаметр 20 мм. Насадка: 5 г жидкой фазы SE-30 на 100 мл носителя хромосорб G с размером частиц 30―40 меш. Скорость потока газа-носнтеля (водорода) 300 мл/мин, температура 180 ℃. Объем пробы 2 мл. Структуры, показанные на рисунке, определили с помощью спектрометрического анализа.
разделять большие количества простых смесей. Эти же колонки можно использовать и для разделения или обогащения примесей. Так, в одном случае удалось выделить дихлорэтан из смеси его с соединением CDCI3, в которой он присутствовал в количестве 0,1 %. В другом случае примеси еще меньшей концентрации сначала концентрировали путем ввода в колонку проб объемом
20 мл и сбора первого миллилитра вещества, выходящего из колонки. После этого можно было провести обычное препаративное разделение смеси, обогащенной примесями.
70мин
СООС2Н5 СООСоН.
соос2н5 соос2H5
Рис. 7.21.
Колонка та же, что и на рис. 7.20. Скорость потока газа-носителя (водорода) 400 мл/мин, температура 195 ℃. Объем пробы 7 мл. а=1,6. Ясно, что можно было разделить гораздо большие пробы данной смеси, однако в результате синтеза получили только 7 мл смесн.
VII. РАЗЛИЧНЫЕ ИНТЕРЕСНЫЕ ПРОБЛЕМЫ
А. ПРИМЕНЕНИЕ СТЕКЛЯННОГО БИСЕРА
Тяжелые фракции эфирных масел обычно содержат высоко- кипящие вещества, например дитерпены. Высококипящие вещества очень трудно разделять с помощью препаративной ГХ. Стероиды можно с успехом разделять с помощью аналитической ГХ, однако с увеличением объема пробы осуществить такое разделение становится все более трудно. Об этой трудности уже упоминалось в начале этой главы. Дело здесь не только в недостаточной термической стабильности вещества, но и в том, что при больших значениях коэффициента распределения k все большую роль играют эффекты, связанные с адсорбцией разделенных веществ на носителе, которые вызывают дополнительное размывание хроматографических полос. Если уменьшить адсорбцию, то можно улучшить качество газохроматографического препаративного разделения высококипящих соединений. Такое улучшение наступает, когда в качестве носителя используют стеклянные шарики. Примером этому служит хроматографическое разделение жасминового эфирного масла. Сначала это разделение проводили на колонке с носителем хромосорб W. Полученная при этом хроматограмма приведена на рис. 7.22, а. На этой хроматограмме видно недостаточное разделение тяжелой фракции. Разделение той же самой смеси на носителе из стеклянных шариков дало хроматограмму, показанную на рис. 7.22, б. В этом случае степень разделения высококипящих
•BITOBW OJOHdHeG sssfi^^ BWXEdJOIBWOdx 7'z°'sd
•ЗВО5ЫМeOHeomH ① 9ITHOEH ① 9 ^s^ffl .d ①sHduEH -s^abQSMBOOQ ^ ХНЦ *ss«&OHrtsoaM XH① 9。 ，mBd。KHH ① EDIT 90 KlTN 3IO«f aaA-s^ ・Bd ①。=9 OJOHHK50.W ОЛЕаоЕННВКИЭ ЧЙ 喧 E 卢 OBS wm 搗 ^^ ^ 二— g .mow 0106 nREh wodQWEEd。9§owodx KQHQOH ЧЙ 00IB4山 S 历 твф 总涌囁 •弓工w 090du W&9O .CHHKOSOU ыч««ы^ао§ок①.LBEB-HHW/。。寸 йлвиоаоми Ou pgой-^ Ho HlfEnodHWWBdJ -odu ымхо§м Adhed①IINQJ •HHK/Ifw ogh ^soaoss w§^aoox>««£ BMOJOII qxuodox。HAU 0 'дим «Кын «зядывяадсоак фвсгюнвпоах -ss ml assrtarf- -w 二 вннпТТ 八qlfEdHU。а кяь^хаоии
«кяххкчмово вннокоу
а1 во S4rtttoaassrta^仓 Z $BdJodv HEHd
веществ выше и колонка обеспечила проявление большего числа веществ.
При разделении таких сложных смесей рекомендуется программировать температуру колонки. Это не только дает возможность разделять смеси веществ, кипящих в широком диапазоне температур, но и уменьшает ширину хроматографических пиков по сравнению с тем случаем, когда колонка работает в изотермическом режиме. Разделительные возможности колонки при этом заметно возрастают. Другие примеры приведены в работе [12].
Рис. 7.23. Хроматограмма смеси, полученной путем щелочной обработки дихлррметилизобутилкетона.
В веществах, соответствующих трем последним пикам, содержится хлор. Колонка стеклянная, с овальным поперечным сечением, свернутая в спираль： длина 20 м, диаметр 20 мм. Насадка: 2 г жидкой фазы карбовакс 20М на 100 мл стеклянного бисера с диаметром шариков 0,8 мм. Хроматограф изготовили в условиях лаборатории. Скорость потока газа-иосителя (водорода) 600 мл/мии, температура 150 ℃.
Объем пробы 2 мл.
Препаративное разделение высококипящих спиртов и галогенсодержащих соединений также затруднительно вследствие каталитического разложения их носителем. Применение стеклянного бисера позволяет разрешить эту проблему наилучшим способом (см. рис. 7.23).
Б. ВНЕКОЛОНОЧНЫЕ КАТАЛИТИЧЕСКИЕ ЭФФЕКТЫ
Изменения состава разделяемой смеси в результате термических реакций или реакций, катализируемых носителем, могут происходить в устройстве для ввода проб или в самой колонке. Бороться с этим трудно. Некоторые вещества легко разлагаются или изомеризуются. Изомеризация может происходить и в детекторе. Автор [7——9] проводил разделение транс- и z{Z/c-2,4-диметилдиоксолана на колонке с насадкой, состоящей из жидкой фазы карбовакс 20М, нанесенной на носитель хромосорб G (коэффициент разделения а был равен 1,08), и получил нормальные результаты. Однако состав уловленных веществ оказался тем же, что и состав исходного материала. Причиной этого была изомеризация разделенных веществ в детекторе с нитью накала, загрязненном кислотой. После промывки детектора тетралином, бикарбонатом, водой и ацетоном и удаления загрязнений удалось осуществить хорошее разделение той же смеси.
АВТОМАТИЗИРОВАННЫЙ ОТБОР ФРАКЦИЙ '
Очень часто для получения достаточного количества разделенных веществ требуется несколько раз повторять один и тот же цикл разделения. В связи с этим большие усилия были затрачены на автоматизацию процесса сбора разделенных веществ. К сожалению, такая автоматизация возможна лишь в случае относительно простых разделений, выполняемых с помощью обычных методов. Смеси же, используемые в исследовательских лабораториях, часто настолько ценны, что потери разделенных веществ, происходящие при переключении автоматического устройства для отбора фракций, совершенно недопустимы. Успешная автоматизация возможна лишь в случае абсолютно стабильной нулевой линии детектора. Обычно такие нулевые линии получают лишь на хроматограммах, специально предназначенных для публикации (sic). Программирование температуры колонки егце больше затрудняет дело. Рассмотрим, например, хроматограмму разделения эфирного масла, приведенную на рис. 7.22. Если пороговый уровень переключения устройства для отбора фракций установить на уровне, равном 5% полного отклонения пера самописца (это не такой уж высокий уровень), то будет утеряна возможность отбора малых хроматографических пиков. Можно установить разные уровни для разных пиков, но это очевидно можно сделать лишь после тщательного хроматографирования данной смеси. В этом случае с точки зрения исследовательской лаборатории задача уже окажется решенной. Поэтому автоматизация действительно нужна лишь в тех случаях, когда необходимо многократное повторение одних и тех же разделений.
По этой причине все разделения, рассмотренные в этой главе, проводились вручную или с использованием полуавтоматического устройства для отбора фракций.
,СПИСОК ЛИТЕРА ТУРЫ
Debbrecht 尸.，F and M Company Tech. Paper № 28 (1966).
Chem. Eng. News, 43, 46 (1965); Chem. Week, March 20 (1965).
Facts Methods, 6, № B, F and M Company (1965).
Carel 4, Clement /?.； Perkings G., J. Chromatog. Science, 7, 218 (1969).
Verzele M.t J. Chromatog., 15, 482 (1964).
Albrecht 丄，Verzele M., J. Chromatog. Science, 8, 586 (1970).
Verzele M.f J. Chromatog., 13, 377 (1963).
Verzele M., J. Gas Chromatog., 4, 180 (1966).
Verzele AL, J, Chromatog., 19, 504 (1965).
Vandewalle Af. and co-workers, unpublished results, this laboratory (1969). 11. Anteunis M. and co-workers, unbublished results (1969).
Verzele M, Verstappe M, J. Chromatog., 26, 4B5 (1967).
Lammens H., Verzele M., Bull. Soc. Chim. Beiges, 77, 497 (1968).
16 Зак. № 570
Глава 8
ПРИМЕНЕНИЕ ПРЕПАРАТИВНОЙ ГАЗОВОЙХРОМАТОГРАФИИ ПРИ ИССЛЕДОВАНИИ ВЕЩЕСТВ,ОПРЕДЕЛЯЮЩИХ ВКУС И ЗАПАХ
К. Мерритт
С. Merritt
Pioneering Research Laboratory.
U. S. Army Natick Laboratories, Natick, Massachusetts
ВВЕДЕНИЕ
Газовую хроматографию (ГХ) широко используют для разделе- ння смесей очень летучих веществ, которые встречаются при исследовании компонентов пищевых продуктов, определяющих их вкус и запах. Причина этого очевидна. В некоторых случаях требуется разделять смеси, содержащие несколько сот компонентов, причем сами эти компоненты могут состоять из веществ с широким разнообразием функциональных групп и с самой разной летучестью. Кроме того, концентрации компонентов смеси могут отличаться друг от друга в несколько тысяч раз.
Разделение в этой области исследований усложняется и трудностями, связанными с выделением из пищевых продуктов компонентов» определяющих вкус и запах, и с последующим их детектированием и индентификацией. Совокупность всех этих трудностей дает представление о задачах, стоящих в этой области анализа примесей.
Исследователи, занимающиеся препаративной хроматографией,, тяготеют к 'колонкам большого диаметра и пробам больших объемов» однако исследователь, работающий в области анализа компонентов пищевых продуктов, определяющих вкус и запах, не может позволить себе такой роскоши. Дело в том, что в пищевых продуктах концентрации веществ, представляющих интерес для исследователя, могут быть меньше одной миллиардной доли, и поэтому только крайне малые количества этих веществ доступны для анализа даже после выделения их и концентрирования. Тем не менее газохроматографическое разделение подобных смесей должно обеспечивать высокую чистоту разделенных фракций, поскольку в дальнейшем, как правило, требуется их идентификация с помощью какого-либо вспомогательного метода. Именно степенью выполнения этого требования и характеризуется большинство препаративных газохроматографических разделений в этой области.
Выделение веществ, определяющих вкус и запах, их концентрирование и приготовление проб этих веществ для газохроматографического разделения могут оказывать такое же влияние на весь анализ, как и сам процесс разделения. Кроме того, результаты анализа не имеют смысла без окончательной идентификации этих
веществ и оценки их вкладов в запах или вкус пищевого продукта. Поэтому все эти вопросы рассматриваются в данной главе наряду с самим процессом препаративного разделения.
Почти все исследователи согласны с тем, что вкус и запах пищи каким-то образом связан с природой летучих органических соединений, которые в громадном изобилии и разнообразии содержатся в большинстве пищевых продуктов. Знание химического состава этих соединений может помочь в понимании природы вкусов и запахов, в управлении ими или в сохранении их при обработке или хранении пищевых продуктов.
Однако при анализе компонентов, определяющих вкус и запах пищевых продуктов, исследователи пользуются самыми разными методами. В основном здесь можно выделить два подхода. В одних случаях требуется знание состава всех летучих соединений, которые можно выделить из пищевых продуктов, и этому соответствует так называемый метод «полного ^анализа летучих компонентов». В других случаях считается, что большее отношение к вкусовым и зап аховым характеристикам пищевых продуктов имеют компоненты, пары которых находятся в равновесном состоянии над соответствующим пищевым продуктом. Этот метод предусматривает непосредственный анализ пара над пищевым продуктом. Каждый из этих двух подходов имеет свои преимущества и недостатки, и преследуют они в общем различные цели.
При исследовании веществ, определяющих запах и вкус, значение придают лишь летучим компонентам пищевых продуктов, причем интересуются лишь теми из них, которые обеспечивают концентрацию пара, превышающую порог чувствительности соответствующих органов чувств. Все эти параметры в настоящее время весьма неопределенны, если вообще известны, причем в большинстве случаев их значения относительны и зависят от различных условий, в которых производят измерения. Полный анализ летучих компонентов дает состав всех летучих компонентов данного пищевого продукта, и эту информацию исследователь может использовать в дальнейшем для выбора тех компонентов, которые имеют отношение к данной изучаемой проблеме. Однако описание состава компонентов, даваемое этим методом, зависит от способов выделения этих компонентов и их детектирования, а также от физического состояния и полного состава самого исследуемого пищевого продукта. На природу и количество окончательно идентифицируемых летучих веществ может влиять относительное содержание в данном пищевом продукте белков, жиров и углеводов, относительное содержание в нем жидкости, его влажность, а также его физическая структура. Преодолеть эти трудности как раз и удается непосредственным анализом пара пищевого продукта, который основан на предположении о том, что все эти факторы имеют самое непосредственное отношение к природе вкуса и запаха. Имеются недостатки и в этом методе, поскольку также трудно связать состав пара
продукта с вкусовыми и запаховыми ощущениями. Часто применяют оба метода, и при этом исследователь получает информацию как об относительном содержании в продукте вкусовых и запаховых компонентов, так и об их возможных вкладах в запах и вкус этого продукта.
Связь химического состава пищевого продукта ,с производимыми им органолептическими ощущениями имеет огромное значение в-исследовании вкусовых и запаховых веществ, однако обсуждение этого вопроса выходит за рамки этой главы. Основное внимание обращается в данном случае на вид и качество результатов анализа. Читатель, интересующийся вопросами, связанными с действием вкусовых и запаховых веществ на органы чувств, может обратиться к периодической литературе [1—6] и убедиться в том, что этим вопросам уделяется в ней должное внимание.
IL МЕТОДЫ ВЫДЕЛЕНИЯ И КОНЦЕНТРИРОВАНИЯВЕЩЕСТВ, ОПРЕДЕЛЯЮЩИХ ВКУС И ЗАПАХ
Существуют два критерия, которые имеют решающее значение в любом анализе веществ, определяющих вкус и запах. Сам факт присутствия некоторого вещества даже в самых ничтожных количествах может иметь большое значение, поэтому при анализе нужно использовать лишь такие методы, которые не дают примесей и в которых не происходит потери анализируемых веществ. Даже перед выделением нужных веществ может потребоваться такая обработка пищевого продукта, как нарезка, перемалывание, прессовка или центрифугирование. Такие операции лучше всего проводить в замкнутых объемах при температурах ниже температуры окружающей среды, которые можно обеспечить, применяя сухой лед или жидкий азот. Только при этом можно быть уверенным, что нет потерь летучих веществ и не происходит каких-либо химических или ферментативных побочных реакций, которые могут изменить состав продукта.
Анализируемые пищевые продукты могут иметь самый разный состав, поэтому выделение нужных веществ может потребовать применения самых разнообразных методов. На первом этапе могут потребоваться различные способы экстракции, адсорбции и т. д. Однако наиболее важным параметром является летучесть, и в конце концов приходится осуществлять выделение летучих веществ из нелетучих, поэтому, как правило, по возможности следует начинать с перегонки.
Интересное исследование различных способов выделения, провел Вюрман [3]. Систематизируя методы выделения, описанные . в 234 случайно выбранных работах, относящихся к периоду с 1960 и。1967 г., он обнаружил, что в 78% из них первым шагом была перегонка. Более того, внимательное изучение этих"работ показало, что в некоторых из них использовались продукты, уже полученные
в результате перегонки, такие, как спиртные напитки, фруктовые эссенции, эфирные масла и т. д., и для которых дистилляция уже не нужна. В 60% этих работ применялось экстрагирование, но во многих случаях это был только предварительный этап, за которым следовала перегонка с целью выделения летучих веществ и растворителя.
Способы перегонки могут быть • самыми различными [7—9]. Большинство из них можно распределить по категориям, приведенным в табл. 8.1. Нет возможности описать здесь все огромное разнообразие специальных способов перегонки, применяемых в настоящее время. Схемы некоторых типичных конструкций соответствующих аппаратов изображены на рис. 8.1—8.4. Большое число способов описывается в обзорах текущей литературы по этому вопросу [1—4]. Существует однако несколько общих важных факторов, которые влияют на результаты анализа. Среди этих факторов на-
Рис. 8.1. Аппарат для непрерывной перегонки с водяным паром [3].Рис. 8.1. Аппарат для непрерывной перегонки с водяным паром [3].7 — смесь продукта с разбавителем; 2 — водяной пар; 3 — откачивание для вывода продукта; 4 — выход водяного пара.7 — смесь продукта с разбавителем; 2 — водяной пар; 3 — откачивание для вывода продукта; 4 — выход водяного пара.иболее существенны величина пробы, рабочая температура, давление, тип используемой системы (открытая- система или замкнутая), а также то, применяется для перегонки водяной пар или нет.
Рис. 8.1. Аппарат для непрерывной перегонки с водяным паром [3].
Рис. 8.1. Аппарат для непрерывной перегонки с водяным паром [3].
7 — смесь продукта с разбавителем; 2 — водяной пар; 3 — откачивание для вывода продукта; 4 — выход водяного пара.
7 — смесь продукта с разбавителем; 2 — водяной пар; 3 — откачивание для вывода продукта; 4 — выход водяного пара.
Величина пробы, а следовательно, и размер устройства в значительной степени зависит от природы анализируе
мого пищевого продукта и, возможно, в конечном счете от того количества веществ, определяющих вкус и запах, которые требуются для их детектирования и идентификаций. На практике исследования веществ, определяющих вкус и запах, проводили с количествами пищевых продуктов от нескольких тонн до нескольких граммов. Естественно, что по мере того, как становятся все более эффективными методы выделения, концентрирования и разделения и более чувствительными методы детектирования и идентификации, появляется возможность использовать для анализа все меньшие количества исходного материала.
Выбор между открытыми или замкнутыми системами довольно очевиден. В замкнутой системе исключена всякая возможность потери летучих веществ. Однако весьма эффективные на первый взгляд замкнутые системы перегонки были полностью отвергнуты. До сих пор эти системы применяли в основном для обработки небольших проб пищевых продуктов, и это само по себе в какой-то степени свидетельствует об их эффективности. Широкого примене
ния эти системы не нашли скореения эти системы не нашли скореевсего из-за конструктивных трудностей, связанных с использованием проб больших размеров. Преимущества перегонки в замкнутых системах, особенно при низких давлениях, подробно описаны ниже.
ния эти системы не нашли скорее
ния эти системы не нашли скорее
При выборе рабочих температуры и давления процесса перегонки исследователь часто сталкивается с дилеммой. С учетом летуче-
Рис. 8.2. Аппарат для перегонки с сухим паром [3].
/ — генератор водяного пара; 2 — нагреватель пара (130 ℃); 3 — нагревание продукта (110—115 ℃).
Таблица 8.1
Способы перегонки, применяемые прн исследовании веществ,определяющих запах и вкус [3]
Открытая система, одна тарелка, полная перегонка
При атмосферном давлении
При пониженном давлении («перегонка под вакуумом》)一
Дегазация в высоком вакууме и десорбирование (жиров и высококипящих растворителей)
Открытая многоступенчатая система, перегонка с фракционированием
При атмосферном давлении
При пониженном давлении
Открытая система с водяным паром
При атмосферном давлении
Щи пониженном давлении («перегонка под вакуумом с водяным паром》) Открытая или замкнутая система с извлечением потоком воздуха или инертного газа
Замкнутая система перегонки
При атмосферном давлении
В высоком вакууме («низкотемпературная сублимация»)
сти веществ следует выбирать высокую температуру и низкое давление, однако не следует забывать и об опасности образования побочных веществ. При слишком высокой температуре может про-
ОО
О
О
Рис. 8.3. Аппарат для перегонки (с водяным паром при пониженном давлении)и одновременного концентрирования дистиллята [8].
исходить термическое разложение нужных веществ. В других случаях, когда возможны ферментативные реакции, лучше использо-
Рис. 8.4. Схема аппарата для перегонки с углекислым газом летучих веществ н& жиров и масел [9].Рис. 8.4. Схема аппарата для перегонки с углекислым газом летучих веществ н& жиров и масел [9].
Рис. 8.4. Схема аппарата для перегонки с углекислым газом летучих веществ н& жиров и масел [9].
Рис. 8.4. Схема аппарата для перегонки с углекислым газом летучих веществ н& жиров и масел [9].
1 — сосуд, содержащий 500—750 г углекислоты и 10—20 мл (С2H5)2? ^ — проба жира илкмасла (100—250 г); 3 — пробка; 4 ■— тефлоновое соединение； 5 — трубка U-образиой формысодержащая 10 мл (С2H5)2°; 6 — жидкий воздух или азот; 7 — водяная баня 40—60 С.
вать повышенные температуры, при которых происходит подавление этих реакций. В любом случае обычная перегонка при атмосферном давлении позволяет получить смеси летучих веществ, которые
больше характеризуют приготовленные пищевые продукты, чем сырые. Представляется очевидным, что почти всегда желательно использовать низкие давления, что в свою очередь позволяет проводить перегонку при более низких температурах. /
Последний вопрос, который необходимо решить при выборе способа перегонки, связан с использованием водяного пара. Обычно пар используют при перегонке продуктов, содержащих воду, таких, как различные напитки, фруктовые соки и тому подобное. Этот метод позволяет поддерживать постоянным объем продукта, подвергаемого перегонке, и предотвратить связанные с потерей в нем воды изменения концентрации соли, температуры Сосуда, в котором он находится, и т. д. Пар отводит от продукта выделяющиеся из него летучие вещества, и это позволяет проводить перегонку до тех пор, пока не будут выделены все вещества, определяющие вкус и запах. Основным недостатком при этом является высокая рабочая температура. Для преодоления этого недостатка перегонку иногда проводят при пониженном давлении, однако в вакуумной системе трудно собрать конденсат, не теряя при этом низкокипящие компоненты. В любой перегонке с использованием водяного пара или в простой перегонке имеющего воду продукта в дистилляте вместе с зап аховыми и вкусовыми веществами собирается большое количество воды. Для удаления этого избытка воды приходится проводить последующее концентрирование дистиллята. Часто пар используют и для повышения летучести высококипящих компонентов жиров и масел, но ввод в систему воды может вызвать при этом дополнительные трудности, связанные с последующим концентрированием.
Несмотря на то что открытые системы для перегонки, большие и малые, широко применяются в исследованиях веществ, определяющих вкус и запах, для них также характерны трудности, связанные с образованием посторонних примесей и потерей нужных веществ. По мере того как эти недостатки становятся все более очевидными, популярность этих систем падает. Многие исследователи применяли различные методы извлечения потоком газа в открытых и замкнутых системах для перегонки со сбором летучих веществ в ловушках, охлаждаемых сухим льдом или жидким азотом. В качестве увлекающих газов обычно используют азот, гелий и другие инертные газы. Однако применение этого метода связано с двумя основными трудностями. Выделение летучего вещества зависит главным образом от парциального давления этого вещества в газовой фазе, и если давление пара мало или растворимость этого вещества в растворителе пищевого продукта (воде или другой жидкости) велика, то выделение может потребовать большого времени. Если не довести выделение до конца, то изменятся относи^ тельные количества высоко- и низкокипящих веществ. Большое значение имеет при этом и эффективность улавливания веществ, особенно в открытых системах. Нужно очень тщательно следить за
ГХ В НСС』ЕПОВ?ННН ВЕЩЕСТВ, ОПРЕДЕЛЯЮЩИХ ВКУС 以 ЗАПАХ 249 тем, чтобы не происходило загрязнения собираемых веществ примесями из потока извлекающего газа. На рис. 8.5 показана схема устройства, которое успешно применяли для выделения веществ, определяющих вкус и запах, из различных пищевых продуктов, таких, как кукурузное масло, яблочный сок, вино, креветки и хрустящий картофель. В "общем способ извлечения потоком газа лучше применять для выделения сбора веществ при непосредственном анализе пара продукта, чем при полном анализе летучих компонентов продукта.
Замкнутые системы (методы с использованием высокого вакуума [11—13])имеют несколько недостатков, характерных для обычного
Рис. 8.5. Замкнутая система для сбора увлекаемых потоком газа летучих веществ, определяющих вкус и запах [10].
экстрагирования, перегонки или извлечения потоком газа. В этих системах не происходит потерь конденсата, а выделение зависит в основном от времени и температуры. Благодаря использованию очень высокого вакуума (10-3 мм рт. ст.) рабочие температуры весьма умеренны. В случае веществ с высокими точками кипения ( — 300 ℃) достаточно температуры 50 ℃. В настоящее время этот метод применяют в основном лишь в лабораторных масштабах с пробами пищевых продуктов, не превышающими нескольких килограммов. По-видимому, по мере того как преимущества этого метода будут находить все более широкое признание, появятся и устройства для обработки больших количеств пищевых продуктов. Кроме выделения летучих органических веществ из пищевых продуктов, метод перегонки в высоком вакууме при температуре окружающей среды (иногда называемый методом «вакуумной сублимации») может обеспечить и выделение веществ, определяющих вкус и запах, из таких разбавителей, как вода или углекислый газ.
Рис. 8.6. Схема замкнутой системы Для перегонки под вакуумом.Рис. 8.6. Схема замкнутой системы Для перегонки под вакуумом./ — образец; 2 — приемный сосуд; 3 — к вакуумному насосу; 4 — манометр./ — образец; 2 — приемный сосуд; 3 — к вакуумному насосу; 4 — манометр.температуре —196 С. Сбор летучих соединений продолжают до тех пор, пока давление в системе не упадет до своего первоначального значения или пока в ней не установится некоторое равновесное давление. Обычно нет необходимости проводить выделение летучих веществ до полного истощения пищевого продукта, поскольку основная их масса переходит во вторую колбу относительно быстро. Скорость выделения летучих веществ велика в начальный период, а затем асимптотически уменьшается до нуля. Если следовые количества этих веществ, выделяющиеся в конце процесса, не нужны (что чаще бывает при качественном, а не при количественном анализе), то выделение можно прекратить в тот момент, когда соберется требуемое количество летучих веществ. Зависи- процесса выделения во времени, потемпературе —196 С. Сбор летучих соединений продолжают до тех пор, пока давление в системе не упадет до своего первоначального значения или пока в ней не установится некоторое равновесное давление. Обычно нет необходимости проводить выделение летучих веществ до полного истощения пищевого продукта, поскольку основная их масса переходит во вторую колбу относительно быстро. Скорость выделения летучих веществ велика в начальный период, а затем асимптотически уменьшается до нуля. Если следовые количества этих веществ, выделяющиеся в конце процесса, не нужны (что чаще бывает при качественном, а не при количественном анализе), то выделение можно прекратить в тот момент, когда соберется требуемое количество летучих веществ. Зависи- процесса выделения во времени, по
Рис. 8.6. Схема замкнутой системы Для перегонки под вакуумом.
Рис. 8.6. Схема замкнутой системы Для перегонки под вакуумом.
/ — образец; 2 — приемный сосуд; 3 — к вакуумному насосу; 4 — манометр.
/ — образец; 2 — приемный сосуд; 3 — к вакуумному насосу; 4 — манометр.
температуре —196 С. Сбор летучих соединений продолжают до тех пор, пока давление в системе не упадет до своего первоначального значения или пока в ней не установится некоторое равновесное давление. Обычно нет необходимости проводить выделение летучих веществ до полного истощения пищевого продукта, поскольку основная их масса переходит во вторую колбу относительно быстро. Скорость выделения летучих веществ велика в начальный период, а затем асимптотически уменьшается до нуля. Если следовые количества этих веществ, выделяющиеся в конце процесса, не нужны (что чаще бывает при качественном, а не при количественном анализе), то выделение можно прекратить в тот момент, когда соберется требуемое количество летучих веществ. Зависи- процесса выделения во времени, по
температуре —196 С. Сбор летучих соединений продолжают до тех пор, пока давление в системе не упадет до своего первоначального значения или пока в ней не установится некоторое равновесное давление. Обычно нет необходимости проводить выделение летучих веществ до полного истощения пищевого продукта, поскольку основная их масса переходит во вторую колбу относительно быстро. Скорость выделения летучих веществ велика в начальный период, а затем асимптотически уменьшается до нуля. Если следовые количества этих веществ, выделяющиеся в конце процесса, не нужны (что чаще бывает при качественном, а не при количественном анализе), то выделение можно прекратить в тот момент, когда соберется требуемое количество летучих веществ. Зависи- процесса выделения во времени, по
Схема типичной простой замкнутой системы с высоким вакуумом показана на рис. 8.6. Пищевой продукт, замороженный при температуре жидкого азота, помещают в колбу, откачанную для удаления из нее воздуха и других неконденсирующихся газов. (Если эти газы требуются для анализа, то их можно собрать способом, описанным ниже при рассмотрении метода непосредственного анализа паров пищевого продукта.) После этого колбу отключают от вакуумной системы, пищевой продукт начинает оттаивать и выделяющиеся из него летучие вещества конденсируются во второй колбе, находящейся при
мости, характеризующие ход
казаны на рис. 8.7.
Выделение из конденсата разбавителей можно осуществить по схеме, приведенной на рис. 8.8. При этом конденсат охлаждают сухим льдом до температуры —80 ℃, и пар, находящийся в равновесии с твердой фазой, конденсируется в приемном сосуде при температуре —196 °C. Конденсат попеременно замораживают и оттаивают и сбор пара осуществляют до полного исчезновения остаточного давления над твердой фазой (〜10一3 мм рт. ст.). При температуре —80 ℃ в основном происходит разделение воды и' веществ, которые при этой температуре более летучи, чем вода. Полу
чающиеся в результате этого относительные количества некоторых типичных веществ приведены в табл. 8.2. Нельзя достичь полного выделения веществ, давление пара которых близко к давлению
пара воды или таких, которые имеют пониженное парциальное дав-
Таблица 8.2
Распределение компонентов в водном коидеисате。 после вакуумной сублимации при температуре —80 ℃
Компонент'
Относительное количество компонента в ловушке, охлаждаемой жидким ~азотом, %
Относительное количество компонента в ловушке, охлаждаемой сухим льдом, %
Сероводород
100
0
Метилмеркаптан
100
0
Этаналь
100
0
Пропаналь
100
0
Диэтиловый эфир
100
0
Ацетон
100
0
Пентан•
100
0
Гексан
100
0
Бензол
100
0
Гептан
98,4
1,6
Этанол
59,1
40,9
Толуол
51,8
48,2
Октан'
17,9
82,1
Декан
0
100
Гексаналь
0
100
Гептанон-2
0
100
Нонанон-2
0
100
Бензальдегид
0
100
Вода
0
100
ление в газовой фазе, вследствие растворимости в воде. Поэтому такие вещества, как толуол или этанол, распределены по двум фракциям. При качественном анализе это не вызывает никаких трудностей, а при количественном ——требует лишь определения соответствующего компонента в каждой фракции.
Если разбавителем является углекислый газ, то его отделение от менее летучих веществ можно также осуществить с помощью вакуумной сублимации при температуре —140 ℃. Это выделение иллюстрируют хроматограммы, показанные на рис. 8.9. Следует заметить, что на полученной с помощью ПИД хроматограмме фракции из ловушки, охлаждаемой жидким азотом, хроматографический пик углекислого газа отсутствует. Поэтому для детектирования или
ж ^ ^WXJVnnHHDda ^s^saES^ ^ SSSB-4ж ^ ^WXJVnnHHDda ^s^saES^ ^ SSSB-42468 何 1214Время, у2468 何 1214Время, уРис. 8.7. Влияние продолжительности улавливания на процесс конденсации. Ординаты соответствуют фракциям, полученным по схеме, приведенной на рис. 8.8 [И].Рис. 8.7. Влияние продолжительности улавливания на процесс конденсации. Ординаты соответствуют фракциям, полученным по схеме, приведенной на рис. 8.8 [И].сту*о) з^оад zaQPO 9 6 3 ww • ^<^ Nou §ys^ § SSSB^.сту*о) з^оад zaQPO 9 6 3 ww • ^<^ Nou §ys^ § SSSB^.Рис.Рис.полного конденсата [11].полного конденсата [11].1 — центральная фракция; 2 — полный конденсат минус фракция Н2О; 3 — полный конденсат； 4 — фракция Н2О； 5 — фракция1 — центральная фракция; 2 — полный конденсат минус фракция Н2О; 3 — полный конденсат； 4 — фракция Н2О； 5 — фракцияФракция СО2Фракция СО23°0/^кин3°0/^кин
ж ^ ^
WXJVnnHHDda ^s^saES^ ^ SSSB-4
ж ^ ^
WXJVnnHHDda ^s^saES^ ^ SSSB-4
2468 何 1214
Время, у
2468 何 1214
Время, у
Рис. 8.7. Влияние продолжительности улавливания на процесс конденсации. Ординаты соответствуют фракциям, полученным по схеме, приведенной на рис. 8.8 [И].
Рис. 8.7. Влияние продолжительности улавливания на процесс конденсации. Ординаты соответствуют фракциям, полученным по схеме, приведенной на рис. 8.8 [И].
ст
у*о) з^оад zaQPO 9 6 3 ww • ^<^ Nou §ys^ § SSSB^.
ст
у*о) з^оад zaQPO 9 6 3 ww • ^<^ Nou §ys^ § SSSB^.
Рис.
Рис.
полного конденсата [11].
полного конденсата [11].
1 — центральная фракция; 2 — полный конденсат минус фракция Н2О; 3 — полный конденсат； 4 — фракция Н2О； 5 — фракция
1 — центральная фракция; 2 — полный конденсат минус фракция Н2О; 3 — полный конденсат； 4 — фракция Н2О； 5 — фракция
Фракция СО2
Фракция СО2
3°0/^кин
3°0/^кин
идентификации компонентов этой фракции с помощью ГХ или соединенного с хроматографом масс-спектрометра отделять углекислый газ не обязательно. Однако для других методов детектирова-
ння или идентификации такое отделение может потребоваться. Ме- тЬд вакуумной сублимации применяли как концентрационный метод для отделения летучих веществ, определяющих вкус и запах, от других разбавителей. Так, например, Витфилд и Шир тон [15] с помощью вакуумной сублимации при температуре —90 ℃ и давлении 5-10~4 мм рт. ст.； выделили 95% этанола, содержащегося в
конденсате, полученном из замороженных персиков.
Вакуумные способы перегонки можно реализовывать на различном оборудовании, причем чаще всего используют стеклянное оборудование. Размеры соответствующих устройств определяются главдым образом объемами
жидких фаз, содержащихся в твердых фазах. Конденсация газов лучше всего происходит в ло- вушках малого объема. (Очень важно иметь в виду то, что сосуды
должны выдерживать высокие давления, которые иногда возникают
при оттаивании конденсата.) На рис. 8.10 приведена фотография типичной установки для выделения в вакууме, на которой видну устройства для улавливания и выделения.
Часто бывает желательно провести анализ пара пищевого продукта, не нарушая его состав. Наиболее просто это сделать, отбирая порции этого пара шприцем [16—20]. Однако при этом концентрация нужных веществ всегда оказывается очень малой из-за
7℃/мин
Центральная фракция
("6邮0g-140 u -№е)
-170”35-65-25060Z2J
Температура, ℃
030^90
Вре-^я, мин
Рис. 8.9. Хроматограммы фракций СО2 и центральной фракции, полученных в ре-зультате перегонки летучих веществ из облученного говяжьего мяса. Температуруколонки программировали в области низких температур [14].
того, что одновременно с ними в шприц всасывается большое количество воздуха. Замкнутые вакуумные системы позволяют отобрать порцию этого пара, удалить из нее разбавитель и, если требуется, собрать весь образующийся конденсат. Типичный прибор для отбора проб пара показан на рис. 8.11. Пищевой продукт помещают в этом приборе в закрытую колбу. Для анализа летучих компонентов этого продукта колбу подсоединяют к вакуумной системе с помощью соединительных трубок. Затем весь прибор, включая и спиральные трубочки (〃，IB、1С) для отбора проб пара, откачивают до давления около 10-4 мм рт. ст. и отключают
от вакуумной системы. После этого с помощью небольшого железного бруска, передвигаемого магнитом, разбивают тонкостенный шарик 2 с продуктом на верхнем конце колбы, пары продукта расширяются и заполняют все три дозирующие трубочки, образуя три аликвотные пробы.
Полученную пробу пара можно перевести в колонку газового хроматографа потоком газа-носителя или можно предварительно удалить из нее такие разбавители, как воздух, углекислый газ или вода, с помощью описанного выше способа фракционирования.
Рис, 8.10. Фотография аппарата для перегонки под вакуумом (слева) и аппарата для перегонки с помощью вакуумной сублимации (справа) [11].
Когда проба охлаждена жидким азотом до температуры —196 °С\ можно провести анализ содержащихся в ней несконденсировав- шихся газов. После этого полный конденсат можно собрать в трубке U-образной формы (/ на рис. 8.11), а затем фракционировать и анализировать его обычными способами. При необходимости можно приготовить аликвотные порции полного конденсата путем деления пробы в газовой фазе. Подробно все эти способы описаны в оригинальных работах.
В некоторых случаях после перегонки или выделения методом извлечения потоком газа вместо улавливания летучих вкусовых и запаховых веществ в охлаждаемых ловушках их адсорбировали на древесном угле [21—23] и других адсорбентах. При использовании методов адсорбции теряется, вероятно, меньшее количество
нужных веществ, но получить адсорбент, не содержащий следовыхнужных веществ, но получить адсорбент, не содержащий следовыхколичеств примесей, довольно адсорбента путем их десорбции чественным, а вымывание этих вает опасность их загрязнения.количеств примесей, довольно адсорбента путем их десорбции чественным, а вымывание этих вает опасность их загрязнения.трудно. Выделение веществ из в паровой фазе не является коли- веществ растворителями увеличи-трудно. Выделение веществ из в паровой фазе не является коли- веществ растворителями увеличи-Рис. 8.11. Аппарат для сбора продуктов перегонки летучих веществ жира коровьего масла [13].Рис. 8.11. Аппарат для сбора продуктов перегонки летучих веществ жира коровьего масла [13].
нужных веществ, но получить адсорбент, не содержащий следовых
нужных веществ, но получить адсорбент, не содержащий следовых
количеств примесей, довольно адсорбента путем их десорбции чественным, а вымывание этих вает опасность их загрязнения.
количеств примесей, довольно адсорбента путем их десорбции чественным, а вымывание этих вает опасность их загрязнения.
трудно. Выделение веществ из в паровой фазе не является коли- веществ растворителями увеличи-
трудно. Выделение веществ из в паровой фазе не является коли- веществ растворителями увеличи-
Рис. 8.11. Аппарат для сбора продуктов перегонки летучих веществ жира коровьего масла [13].
Рис. 8.11. Аппарат для сбора продуктов перегонки летучих веществ жира коровьего масла [13].
Сравнение различных способов выделения веществ, определяющих вкус и запах, провели Хейнс и сотр. [21]. Полученные ими хроматограммы различных выделенных веществ приведены на рис. 8.12. Ясно, что разные способы выделения дают разные результаты. Задача исследователя ——решить, что является наиболее важным. Тот факт, например, что при адсорбции на древесном угле получается большее число веществ, едва ли означает, что этот способ выделения наилучший, поскольку многие из этих веществ могли образоваться в результате побочных реакций.
Рис. 8.12. Хроматограммы персиковых' эссенций, полученных различными способами [21]. а — хроматограмма эссенции, полученной путем прямой экстракции нз фруктов； б ——хроматограмма эссенции, полученной путем лабораторной перегонки с паром; в — хроматограмма эссенции, полученной путем экстракции нз элюента коммерческого деаэратора; а ——хроматограмма эссенции, полученной путем адсорбции на древесном угле н экстракции в аппарате Сокслета.
Почти во всех способах выделения вместе с целевыми веществами, определяющими вкус и запах, в сосудах для улавливания собираются и разбавители. И обычно, прежде чем проводить хро- матографическое разделение этих веществ, необходимо тем или иным способом концентрировать их. Чаще всего концентрирование осуществляют с помощью перегонки, вымораживания и адсорбции.
中*自寸中*自寸
中*自寸
中*自寸
Рис. 8.13. Аппарат для выделения летучих веществ из высококипящих раствори-телей, жиров и масел [3].
/ — спираль из Стеклянного стержня, плотно прилегающая к стейкам； 2 — вход для нагре-вающей жидкости; 3 — секция перегонки под вакуумом.
Концентрирование перегонкой производят путем быстрого испарения растворителя или разбавителя так, чтобы не происходило чрезмерного нагревания самого концентрируемого вещества. Примеры двух соответствующих аппаратов для перегонки показаны на рис. 8.13-и 8.14.
Не так давно были разработаны способы концентрирования с помощью вымораживания [24——27] и зонной плавки [28]. Многие исследователи считают их наиболее эффективными способами концентрирования летучих веществ, которые позволяют избежать потери веществ, а также их загрязнения и образования посторон-
них веществ в результате побочных реакций. Однако применение этих методов связано с тщательным выполнением большого числа операций, и поэтому они не получили широкого распространения.
Выделение методом адсорбции представляется наиболее эффективным в том случае, когда в качестве поглотителя применяется один из хроматографических сорбентов, помещенный в небольшую охлаждаемую ловушку [29—31]. Такую ловушку с уловленными в ней веществами можно подсоединять затем к устройству для ввода пробы газохроматографической колонки. По сути дела.
Рис. 8.14. Аппарат для выделения летучих веществ из высококипящих растворителей, жиров и масел [3].
/ — вход для нагревающей воды； 2 ——поперечное сечеиие; 3 ——устройство для дегазирования пробы перед десорбцией; 4 ——десорбционная секция длиной около 12 см； 5 ——устройство для отбора пробы шприцем.
ловушка становится при этом частью хроматографической колонки. Для уменьшения времени выхода веществ из ловушки и предотвращения нежелательного размывания хроматографической полосы на входе в колонку ловушку можно предварительно подогреть. Улучшенные способы такого концентрирования веществ и выведения их из ловушки при хроматографическом разделении с программированием температуры в области низких температур описываются ниже.
Методы приготовления проб для газохроматографического разделения могут быть самыми разными по своей сложности ——от простого отбора пара над пищевым продуктом с помощью шприца до сложной процедуры выделения и разделения, которая схематически показана на рис. 8.15. Все разнообразие этих методов можно оценить, прочитав обзор Вюрмана [3]. В 234 работах, включенных в этот обзор, описаны 425 способов, которые в большинстве
Высококипящие составляющие
Экстракция К2СО3 Разделение с помощью делительной воронки
Водная фаза 1,284 г 0比65%
Масляная фаза (8г05г)
Летучих веществ нет
Масло
〃з мандариновойко^/суры199g 2
Низкокипящие составляющие
Экстракция 2н. растворами Na,С О, NaOH u HCt
Кисхоты 3,774 己 0,189%
Фенолы 0г156г 0,008%
Основании 1282 г U/65%
Реакция с диазоме- 'таном
Нейтральная фракция '1960г 99,673%
Выделение
летучих
Эфиры кислот 3,817 七
Группа у 芍66 а 夕留4 %
Эфиры фенолов 0,152 г
Группар 阳"2 2/20%
Группа с 1758,7г 93,529%
^роматографи веское разделение по группам
веществ из остатков путем перегонки
Дисти^- 办ят 7,2842 0』65%
Остаток 0,000г 0.000%
Дистил-.
Дистил-
Дистил-
Дистих-
Дистил-
Дистил-
Аят
лят
лят
лят
ЛЯГП
2,354?
DtODDz
〃62夕 2
1720,02
2/2
42,26a
4〃7%
0f000%
优 U37%
%4方%
7467%
2,248%
Остаток
Остаток
Остаток
Остаток
Остаток
Остаток
1Л63г
0452 г
0,658 г
38,6г
12,40г
33,40г
0,072%
0,008%
4/734%
2,055%
0,659%
7,776%
"о以 бе прет
Разделение дистиллята
с помощью препаративной
ЛГ
Вода
фракций
Примеси
фракция
примеси
Рис. 8.15. Схема выделения летучих веществ, определяющих
15
15
фракций фракций
фракций
вкус и запах цитрусовых фруктов [32].
отличаются друг от друга. Вопрос о том, какое внимание уделять приготовлению пробы и какой способ при этом использовать, является наиболее спорным для химика, занимающегося исследованием веществ, определяющих вкус и запах. Его изобретательность и инициатива при решении этого вопроса могут оказаться во много раз ценнее тех выборов, которые он может сделать по завершении разделения и идентификации исследуемых веществ.
ГАЗОХРОМАТОГРАФИЧЕСКОЕ РАЗДЕЛЕНИЕ
Второй этап анализа ароматизирующих и определяющих вкус веществ пищевых продуктов заключается в разделении смесей, выделенных различными способами, которые были описаны в разд. L В настоящее время эти разделения осуществляют почти исключительно с помощью ГХ. Большинство фундаментальных вопросов, связанных с самим процессом газохроматографического разделения и относящихся также к разделению веществ, определяющих вкус и запах, рассмотрено в других главах этой книги, а также и во многих других превосходных работах в этой области. Особенно близкое отношение к обсуждаемой здесь теме имеет книга Тераниши и др. [1]. В этом разделе обсуждаются лишь специальные вопросы, относящиеся к исследованию веществ, определяющих вкус и запах. -
Основная забота химика, занимающегося исследованием веществ, определяющих вкус и запах, состоит в правильном выборе типа хроматографической колонки и рабочих параметров процесса разделения. Почти во всех случаях в этой области исследователь встречается с настолько сложными смесями, что идентификация входящих в их состав разделенных компонентов невозможна без использования вспомогательных методов. Поэтому для таких смесей требуется высокая степень разделения. Концентрации компонентов смеси могут изменяться в широких пределах, поэтому используемые хроматографические детекторы должны быть чувствительными к следовым количествам вещества, а колонки должны обеспечивать разделения относительно больших проб. Более того, компонентами разделяемой смеси могут быть соединения самых разных типов, от полярных до неполярных, содержащие любые функциональные группы. В связи с этим попытки связать селективность неподвижной фазы с ее разделительной способностью обычно оказываются безуспешными. К сожалению, часто более успешным бывает выбор колонки на основе опыта исследователя, а не на основе каких-либо теоретических рассмотрений.
Однако некоторые практические рекомендации все же существуют. Так, например, совершенно определенным преимуществом обладают капиллярные колонки, имеющие самую высокую разделительную способность. Для сравнения на рис. 8.16 приведены хроматограммы разделения одинаковых проб паров на насадочной и
капиллярной колонках. Капиллярная колонка диаметром около 0,22 мм с жидкой фазой на стенках обеспечивает разделение лишь малых проб. Этот недостаток преодолели путем использования колонок несколько большего диаметра [34, 35] (около 0,7——1,0 мм) и большей длины (от нескольких десятков до нескольких сот метров). Разделительная способность таких колонок та же, что и у колонок
° 6 п
504030207仇ОВрем只,мин504030207仇ОВрем只,мин1101009080706050 4QВремя, мин1101009080706050 4QВремя, минРис. 8.16. Сравнение данных разделения, полученных с помощью насадочных и капиллярных полых колонок.Рис. 8.16. Сравнение данных разделения, полученных с помощью насадочных и капиллярных полых колонок.
504030207仇О
Врем只,мин
504030207仇О
Врем只,мин
1101009080706050 4Q
Время, мин
1101009080706050 4Q
Время, мин
Рис. 8.16. Сравнение данных разделения, полученных с помощью насадочных и капиллярных полых колонок.
Рис. 8.16. Сравнение данных разделения, полученных с помощью насадочных и капиллярных полых колонок.
проба- 5 мл паров мятного чая. а — насадочная колонка длиной 3,5 м, диаметром 4 мм, с насадкой нз 25°/о жидкой фазы LAC 1-R-296 на носителе хромосорб W с размером частиц 60—80 меш. Скорость потока газа-носнтеля (гелий) 70 мл/мнн; б — капиллярная колонка длиной 50 м, диаметром 0,25 мм, с жидкой фазой полнпропиленгликоль, с программируемой температурой. Скорость потока газа-носителя (гелнй) 0,8 мл/мнн [33].
меньшего диаметра, а размер пробы для них тот же, что и для насадочных колонок диаметром около 3 мм (внутренний диаметр около 1 мм) (см. табл. 8.3). Недостатком капиллярных колонок увеличенного диаметра, является, пожалуй, слишком большое время выхода из них разделенных веществ. Так, для элюирования несорбирующегося газа из колонки увеличенного диаметра длиной около 350 м в зависимости от скорости газового потока часто требуется от 30 до 45 мин. В таких случаях для регистрации полной
Внутренний диаметр колонки, ммВеличина пробы, мгКапиллярные колонки с жид-0,20,005кой фазой на стенках0,40,0250,60,25Микронасадочные колонки0,40,25Насадочные колонки0,8 (внешний диаметр3 мм)0,252,50,551,012,550,0Внутренний диаметр колонки, ммВеличина пробы, мгКапиллярные колонки с жид-0,20,005кой фазой на стенках0,40,0250,60,25Микронасадочные колонки0,40,25Насадочные колонки0,8 (внешний диаметр3 мм)0,252,50,551,012,550,0Величина пробы иа одни хроматографический пик [1]Величина пробы иа одни хроматографический пик [1]gnus 告 ^gnus 告 ^иHlfEnod 八 ехнокоуиHlfEnod 八 ехнокоу
Внутренний диаметр колонки, мм
Величина пробы, мг
Капиллярные колонки с жид-
0,2
0,005
кой фазой на стенках
0,4
0,025
0,6
0,25
Микронасадочные колонки
0,4
0,25
Насадочные колонки
0,8 (внешний диаметр
3 мм)
0,25
2,5
0,5
5
1,0
12,5
50,0
Внутренний диаметр колонки, мм
Величина пробы, мг
Капиллярные колонки с жид-
0,2
0,005
кой фазой на стенках
0,4
0,025
0,6
0,25
Микронасадочные колонки
0,4
0,25
Насадочные колонки
0,8 (внешний диаметр
3 мм)
0,25
2,5
0,5
5
1,0
12,5
50,0
Величина пробы иа одни хроматографический пик [1]
Величина пробы иа одни хроматографический пик [1]
gnus 告 ^
gnus 告 ^
иHlfEnod 八 ехнокоу
иHlfEnod 八 ехнокоу
хроматограммы может потребоваться несколько часов. Однако часто это небольшая цена за получающееся превосходное разделение.
Таблица 8.3
Высокую разделительную способность и емкость по отношению к разделяемой смеси имеют и колонки других типов, такие, как капиллярные колонки с жидкой фазой на носителе (КЖФН), ми- кронасадочные колонки, [36] и многоканальные капиллярные колонки [37]. Особенно действенны колонки первого типа, поскольку их компактность (обычные размеры: диаметр 0,5 мм, длина 16,5 м) облегчает регулирование таких параметров, как температура или скорость потока газа-носителя. Пример типичного разделения, полученного с помощью такой колонки, приведен на рис. 8.17.
Хорошую разделительную способность и емкость имеют также и высокоэффективные насадочные колонки [38]. Такого рода длинная и узкая колонка с однородным носителем и малым содержанием жидкой фазы имеет рабочие характеристики, аналогичные характеристикам капиллярной колонки увеличенного диаметра. Для сравнения на рис. 8.18 приведены хроматограммы, полученные с помощью высокоэффективной насадочной колонки длиной около 20 м и диаметром около 2,5 мм и капиллярной колонки длиной около 300 м и диаметром около 0,75 мм. Время элюирования компонентов на насадочной колонке гораздо меньше времени элюирования на капиллярной колонке. Для насадочной колонки необходимы очень высокие давления на входе (〜14 атм), и это затрудняет использование каких-либо методов ввода пробы, кроме введения с помощью шприца. Высокие скорости потока газа-носителя в таких колонках затрудняют их использование в комбинированных системах газовый хроматограф — масс-спектрометр.
Сравнивая между собой насадочные и капиллярные колонки, часто переоценивают важность числа теоретических тарелок и го- ворят, что капиллярная колонка лучше, поскольку ей 'соответствует большее число теоретических тарелок. На практике, однако, для
Рис. 8.18. Хроматограмма разделения смесн стереоизомеров изопулегола.
й — капиллярная колонка длиной около 300 м §раЛет£п^ ^коло °-8 мм, с жидкой фазой
насадочная колонка длиной
около 20 м, диаметром около 2,1,
кой из 1% жидкой фазы SF-96 [50] на силани- зованном носителе хромосорб G с частицами, прошедшими воздушное просеивание, 100—120 меш [38].
с насад-
размером
химика, занимающегося иссле- дованиями в области веществ, определяющих вкус и запах, более важна степень разделения, чем эффективность колонки. Насадочная же колонка может обеспечить такую же степень разделения, что и капиллярная колонка, имеющая во много раз большее число теоретических тарелок. Самое трудное ——изготовление колонки, и, как правило, бывает легче изготовить высокоэффективные капиллярные колонки с большой разделительной способностью, чем столь же эффективные насадочные колонки. Одним из основных преимуществ высокоэффективных колонок является то, что с их помощью получаются четкие хроматографические пики. При этом не только легче детектировать малые хроматографические пики, обусловленные следовыми примесями в разделяемой смеси, но и легче улавливать эти , примеси с целью их дальнейшей идентификации.
Хроматографические пики на хроматограмме, приведенной на рис. 8.17, соответствуют в основном одиночным компонентам смеси. Имеются и пики, соответствующие смесям
двух, трех, а возможно, и большего числа компонентов. Из литературы по химии веществ, определяющих вкус и запах, ясно видно, что не удается полностью разделить все компоненты смеси за один цикл разделения. На хроматограммах летучих компонентов различных сортов мяса [39, 40], фруктов [41, 42], напитков [43, 44], кофе [45] и огромного множества других пищевых продуктов часто бывает 100 и. более пиков^
а иногда число их достигает 300——400. Наверное, не будет ошибкой сказать, что ни для какой смеси не был полностью установлен ее состав. Нельзя даже и надеяться на то, чтобы осуществить разделение такой смеси с помощью одной хроматографической колонки. В большинстве случаев желательно проводить предварительное разделение.
Для таких предварительных разделений применяли химические методы [46, 47] и жидкофазную хроматографию [48—50], однако лучше всего использовать для этой цели метод газовой хроматографии на насадочных колонках [51]. Насадочные колонки могут иметь диаметр от 2,5 мм и более, но при исследовании веществ, определяющих вкус и запах, обычно используют колонки, величины диаметра которых находятся ближе к левому краю этого интервала. Чаще всего применяют колонки диаметром около 3,5 мм. Эти колонки просты в изготовлении, обеспечивают достаточно хорошую степень разделения при удобной их длине и, как правило, имеют емкость, достаточную для разделения проб, встречающихся при исследовании веществ, определяющих вкус и запах.
Выбор размеров колонки определяется в основном практическими соображениями. Для предварительных разделений относительно больших проб идеально подходит насадочная колонка. Основное при проведении таких разделений-——емкость колонки, и потому, ее размеры определяются главным образом величиной пробы, которую требуется разделить. Если требуется большая степень разделения, то, вероятнее всего, исследователь выберет капиллярную колонку или высокоэффективную насадочную колонку (внутренний диаметр около 2,5 мм). Так называемые «микронаса- дочные колонки», т. е. капиллярные колонки, заполненные насадкой, не имеют особых преимуществ, так как они имеют меньшую емкость, чем полые капиллярные колонки увеличенного диаметра, и для их использования требуются настолько высокие перепады давлений, что для такой колонки трудно получить большое число теоретических тарелок. *
Выбор полой капиллярной колонки также определяется величиной пробы. Колонки диаметром около 0,25 мм имеют такую малую емкость, что во избежание их перегрузки перед ними необходимо устанавливать делители пробы. Однако эти колонки очень полезны при массовом анализе проб, выборе неподвижной фазы и при оценке состава разделяемой смеси. Окончательное препаративное разделение смеси лучше всего, вероятно, проводить на полых капиллярных колонках диаметром 0,75—1 мм или на насадочных колонках диаметром около 0,5 мм.
Размеры колонки могут в значительной степени определять ее емкость и эффективность, но ее разделительная способность зависит главным образом от природы содержащейся в ней жидкой фазы. Можно сформулировать лишь несколько рекомендаций по выбору жидкой фазы. Большое число неподвижных жидких фаз,
имеющихся в продаже, может лишь смутить исследователя, а не помочь ему в выборе. Любая заданная смесь летучих веществ, выделенных из пищевых продуктов, может состоять из компонентов самой разной полярности ——от очень полярных до неполярных. В связи с этим возникает вопрос о том, какую жидкую фазу использовать—полярную, неполярную или промежуточной полярности. Предложенная Роршнейдером [53] классификация жидких фаз по полярности мало помогает при решении этого вопроса. Мон и др. [54, 55] разработали эмпирический прием, которым достаточно просто пользоваться на практике и который вместе с тем вносит некоторую ясность в вопрос о выборе колонки. В соответствии с этим приемом на каждой из испытываемых колонок получают хроматограмму смеси примерно шести соединений с разными функциональными группами и разной полярностью. Для оценки эффек^ тивности колонки вычисляют число теоретических тарелок, а селективность жидкой фазы определяют по временам удерживания относительно декана, который является .одним из компонентов смеси. Получаемые при этом результаты для некоторых неподвижных жидких фаз приведены в табл. 8.4. По этим данным нельзя однозначно выбрать колонку, но некоторые рекомендации получить можно. Так, колонку, имеющую хорошую или умеренную эффективность для всех типов соединений и в широком диапазоне времен удерживания, следует, вероятно, предпочесть той, которая, например, имеет малую эффективность для очень полярных соединений или достаточную эффективность, но лишь в узком диапазоне времен удерживания.
Таблица 84
Относительные времена удерживания компонентов контрольной смеси на различных неподвижных фазах [1]
Апиезон L
96 (50)
20М*
Т-20
Х-305
к-Декан
1,0
1,0
1,0
1,0
1,0
Лимонен
1,1
1,2
3,0
2,9
4,0
Амиловый эфир уксусной кислоты
0,39
0,53
2,2
2,0
3,0
н-Октаналь
0,58
0,94
4,2
4,3
5,6
н-Гексанол
0,22
0,44
4,5
4,9
14,0
Изучение колонок с помощью описанных выше контрольных смесей выявило существенные различия в поведении определенных жидких фаз в насадочных колонках и в полых капиллярных колонках. В большей степени эти различия выражены для неполяр-
ных жидких фаз. Как видно из рис. 8.19, еще один эффект заключается в образовании размытого заднего фронта у хроматографических пиков определенных компонентов смеси； Этот эффект чаще всего наблюдается в случае полярных компонентов, и считается, чтр он обусловлен адсорбцией вещества на носителе. Уменьшить размывание заднего фронта можно путем добавления в жидкую фазу (при нанесении на носитель) небольшого количества поверхностноактивного вещества. Колонки с такими веществами давали более четкие хроматографические пики, и размывание заднего фронта в них происходило в меньшей степени.
Рис. 8.19. Сравнение хроматограмм, полученных с помощью колонки с насадкой, содержащей поверхностноактивное вещество (температура 125 ℃).
д _ 1% жидкой фазы ипегаль на носителе апиезон С; 5 — 5% жидкой фазы ипегаль на носителе апиезон С. Разделенные компоненты смеси: а — н-гексанол; б — н-октаналь; в — лимонен [55].
Независимо от результатов оценки характеристик колонки с помощью контрольных смесей окончательным критерием для ее выбора является все же обеспечиваемое ею разделение исследуемой смеси. Некоторые исследователи предпочитают оценивать работу колонки с помощью небольшой контрольной’ колонки, например диаметром около 0,25 мм и длиной около 16,5 м, с той же самой жидкой фазой, что и основная колонка больших размеров. Другие исследователи полагаются в основном на свой опыт. Выяснилось, что для многих смесей веществ самой различной полярности, определяющих вкус и запах, псолярные жидкие фазы обеспечивают большую разделительную способность, чем неполярные. Так, из рис. 8.20 видно, что разделение смеси летучих веществ ——в основном гомологов алифатических рядов углеводородов, альдегидов,
кетонов, эфиров, спиртов, меркаптанов и сульфидов —более эффективно на жидкой фазе р, ^-оксидипропионитриле (ОПН), чем на сквалане. Этот пример не является исключительным. В лаборатории автора при разделении смесей летучих веществ, выделенных
Время цЪерживаниа; мин-65-2052025Температура, ℃Время цЪерживаниа; мин-65-2052025Температура, ℃
Время цЪерживаниа; мин
-65-2052025
Температура, ℃
Время цЪерживаниа; мин
-65-2052025
Температура, ℃
Рнс. 8.20. Сравнение разделения смеси летучих веществ с помощью жидких фазР, Р^оксидипропионитрила (〃)，сквалана (б).
Колонка: длина около 3,3 м, диаметр около 3,2 мм. Насадка： 5% жидкой фазы на носителехромосорб W с размером частиц 80—100 меш. Температуру колонки программировали от—65 С до комнатной температуры со скоростью 2 ℃/мин.
из мяса, яиц, кофе, сыра, рыбы и овощей, многие полярные жидкие фазы, такие, как ОПН, ТРИС и карбовакс 20М, оказались более эффективными, чем неполярные фазы, такие, как апиезон и различные силиконовые масла.
Важно не забывать, однако, что едза ли найдутся смеси, кото- Рые можно было бы полностью разделить на одной колонке. Избирательность полярной жидкой фазы обычно сильно отличается от
избирательности неполярной фазы. Поэтому повторное разделение на второй колонке с жидкой фазой, имеющей полярность, противоположную полярности жидкой фазы в .первой колонке, часто позволяет получить более полное разделение исходной смеси.
Важное значение могут иметь и физические свойства жидкой фазы. Так, эффективность полой капиллярной колонки зависит от коэффициентов диффузии веществ в жидкой фазе, что в свою очередь зависит от вязкости жидкой фазы. При повышенных температурах вязкость жидкостей невелика, и поэтому при относительно высокой температуре колонки трудностей в этой связи не возникает. Но, когда температура жидкой фазы приближается к точке ее плавления, вязкость жидкой фазы возрастает, уменьшаются коэффициенты диффузии в ней, а следовательно, уменьшается эффективность колонки. Это свойство жидкой фазы может затруднить получение хорошего разделения, особенно при программировании температуры колонки. Поэтому всегда -следует использовать по возможности менее вязкие жидкие фазы.
Важными свойствами жидкой фазы являются давление ее пара и термическая стабильность. В ряде случаев необходимо собрать разделенные вещества с целью их последующей идентификации, поэтому нельзя допускать их загрязнения парами жидкой фазы или продуктами ее разложения. 一 '
Вещества, определяющие вкус и запах, могут обладать самой разной летучестью, поэтому при их разделении почти всегда используют программирование температуры колонки. Точки кипения этих компонентов могут изменяться от низких температур до 250 ℃ и выше. В таких же широких пределах приходится и изменять температуру колонки при разделений этих веществ [14, 56]. Смысл метода программирования температуры становится очевидным из рис. 8.21. Если программирование начинается с комнатной температуры, то оказываются неразделенными низкокипящие компоненты смеси; если программирование заканчивается этой температурой, то из колонки не выходят или выходят с малой эффективностью высококипящие компоненты смеси. Наилучшее разделение получается тогда, когда программирование температуры начинают с температуры ниже —100 ℃ и заканчивают температурой 150 ℃ или выше. Еще один пример показан на рис. 8.22. Приведенные здесь хроматограммы разделения смеси летучих веществ, выделенных из зерен кофе, ясно показывают преимущество метода программирования температуры колонки, начиная с-области низких температур по сравнению с разделением при постоянной комнатной температуре.
Прибор для разделения с программированием температуры колонки в области температур ниже комнатной может быть очень простым, как показано на рис. 8.23. В других случаях в него может входить устройство для автоматического программирования температуры путем подачи в термостат колонки таких охлаждающих
агентов, как жидкие углекислый газ или азот (это схематически показано на рис. 8.24). В таком приборе колонку можно и нагревать, и охлаждать, что позволяет осуществлять программирование ее температуры в широком диапазоне температур. В такого типа автоматическом приборе можно в больших пределах менять ско-
Рис.. 8.21. Хроматограммы «смеси углеводородов», полученные при различных режимах программирования температуры.
Колонка: длина около 3,3 м, диаметр около 3,2 мм. Насадка: 5% жидкой фазы SE-30 на носителе хромосорб W с размером частиц 80—100 меш. Для преобладающих компонентов смеси самописец регистрировал логарифмы их концентрации [14].
ГХ В ИССЛЕДОВАНИИ ВЕЩЕСТВ, ОПРЕДЕЛЯЮЩИХ ВКУС И ЗАПАХ 273 лярных, так и неполярных жидких фаз. Алтенау и др. (57] показали, что разделение при температурах ниже точки плавления жидкой фазы определяется явлением адсорбции в системе твердое тело——газ. При температурах, близких к точке плавления жидкой фазы, эффективность колонки уменьшается, но это уменьшение невелико, если жидкая фаза имеет резкую границу перехода от твердой фазы к жидкой.
15304560
Время удерлсивания, мин
1 tn «и n n п .апли
1
2
厂」7530% b
Врема удерживания, мин
~65~20520
.Температура^
25
75
Рис. 8.22. Хроматограммы смеси летучих веществ, выделенных из молотых зеренкофе [56].
/ _ температура около 27 ℃; 5 — температура программирована в интервале от —65 °C до 'комнатной. '
рость программирования температуры, однако, как правило, лучшее разделение получается при очень малых скоростях программирования. Наилучшие результаты дает программирование со скоростью порядка 1——3 ℃/мин, причем в большинстве случаев эта скорость не должна превышать 5 ℃/мин.
ГХ с программированием температуры в области низких температур (ниже комнатной) одинаково эффективна как в случае по-
Выбор точки начала программирования температуры определяется летучестью компонентов разделяемой смеси. В принципе для каждого соединения существует температура, ниже которой это соединение остается адсорбированным в колонке и не выходит из нее. Если температура начала программирования выше этой температуры, то разделение не будет оптимальным. Это видно из рис. 8.25. Наоборот, если температура колонки ниже температуры, при которой компонент начинает выходить из колонки, то этот компонент будет задержан в начальном участке колонки. Это явление можно использовать при прямом анализе паров пищевого продукта.
18 Зак. № 570
РИС' “3・ УСТРОЙ。ДЛЯ XrCZ~ ЭераТ^ — в。^тн и=7ГЛ-
Если пробу пара продукта ввести в колонку, имеющую температуру ниже той, при которой из нее выходят компоненты смеси, но выше температуры выхода разбавителя, то компоненты смеси будут конденсироваться в начале колонки, а разбавитель ——выходить из нее. Этим способом можно отделять воздух и другие неконденсиру- ющиеся газы от летучих веществ, определяющих вкус и запах. Более того, этим способом можно и концентрировать эти вещества,
Рнс. 8.24. Устройство для программирования температуры
температур, -датчик； 2-соленоидный клапан; 3 - нагреватель； 4-： зервуар с жндкнм азотом.
в широком диапазоне
управляющее устройство； 5 — ре-
石-250~ - 50 WO
Температура^
o30SO90
Время, мин
Рис. 8.25. Хроматограммы проб воздуха из помещения лаборатории, полученныепри программировании температуры колонки с различными начальными темпе-ратурами.
Насадка: 5% жидкой фазы ТРИС на огнеупорном кирпиче, с размером частиц до 60—80 меш.Скорость программирование температуры около 5 ℃/мнн. Хроматограф типа «Аэрограф»фирмы F and М [14].
если повторно вводить пробы и каждый раз выжидать выхода из колонки разбавляющего смесь воздуха. Когда в результате такого концентрирования в начальном участке колонки накопится достаточное количество веществ, можно начать программирование температуры колонки и наблюдать выход из нее всех компонентов смеси. Этот способ с большим успехом был использован для анализа сигаретного дыма [58], летучих веществ чая и кофе [59] и летучих веществ, выделенных из бананов [60].
18*”
При подаче в холодную газа-носителя эффективнуюПри подаче в холодную газа-носителя эффективнуюi—^ё^。ЮПЮУОМ fs^ 2m0ЖШ J KEHHDhAWU"Bh nodBUIqgodl! BNNEdJOIBNOdx ・9'8 ・3sdi—^ё^。ЮПЮУОМ fs^ 2m0ЖШ J KEHHDhAWU"Bh nodBUIqgodl! BNNEdJOIBNOdx ・9'8 ・3sd°。-adnEad3ew2I°。-adnEad3ew2Iщих устройств показаны на рис.щих устройств показаны на рис.Рис. 8.27. Входные устройства газовогоРис. 8.27. Входные устройства газовогохроматографа.хроматографа.а — устройство с перепускным клапаном; 6 — спиральная ловушка для ввода больших газообразных проб; 8 — капиллярная U-образная трубка для дозирования проб жидкостей нли твердых веществ; а — U-образная ловушка для ввода концентрированных экстрактов летучих веществ [61].а — устройство с перепускным клапаном; 6 — спиральная ловушка для ввода больших газообразных проб; 8 — капиллярная U-образная трубка для дозирования проб жидкостей нли твердых веществ; а — U-образная ловушка для ввода концентрированных экстрактов летучих веществ [61].переносит испарившуюся смесь впереносит испарившуюся смесь в
При подаче в холодную газа-носителя эффективную
При подаче в холодную газа-носителя эффективную
i—^ё^。ЮПЮУОМ fs^ 2m0ЖШ J KEHHDhAWU"Bh nodBUIqgodl! BNNEdJOIBNOdx ・9'8 ・3sd
i—^ё^。ЮПЮУОМ fs^ 2m0ЖШ J KEHHDhAWU"Bh nodBUIqgodl! BNNEdJOIBNOdx ・9'8 ・3sd
°。-adnEad3ew2I
°。-adnEad3ew2I
щих устройств показаны на рис.
щих устройств показаны на рис.
Рис. 8.27. Входные устройства газового
Рис. 8.27. Входные устройства газового
хроматографа.
хроматографа.
а — устройство с перепускным клапаном; 6 — спиральная ловушка для ввода больших газообразных проб; 8 — капиллярная U-образная трубка для дозирования проб жидкостей нли твердых веществ; а — U-образная ловушка для ввода концентрированных экстрактов летучих веществ [61].
а — устройство с перепускным клапаном; 6 — спиральная ловушка для ввода больших газообразных проб; 8 — капиллярная U-образная трубка для дозирования проб жидкостей нли твердых веществ; а — U-образная ловушка для ввода концентрированных экстрактов летучих веществ [61].
переносит испарившуюся смесь в
переносит испарившуюся смесь в
колонку газообразных проб потоком конденсацию этих проб обеспечивает так называемый метод «введения узкой полосы». Хроматограммы, полученные с использованием этого метода и последующего программирования температуры колонки, показывают, что при этом происходит минимальное размывание хром атогр афических полос и получаются очень четкие хроматографические пики.
Модификацию этого метода успешно применяли для разделения разбавленных экстрактов из водных концентратов пищевых продуктов, извлеченных растворителем [12]. Вследствие высокой точки кипения и высокой полярности вода, используемая в качестве разбавителя смесей, разделяемых затем с помощью ГХ, часто является причиной различных затруднений. Она редко выходит из колонки в виде узкой хроматогр афической полосы (исключение составляет лишь разделение на специальных колонках), причем обычно хроматографический пик ее находится в середине хроматограммы. Это иллюстрирует рис. 8.26. Разделение в значительной мере упрощается, если предварительно извлечь ле
тучие вещества из воды с помощью какого-либо органического растворителя, а затем удалить этот растворитель.
Если летучие вещества, определяющие вкус и запах, извлекать непосредственно из
их раствора в воде низкокипящим органическим растворителем и затем испарять этот растворитель, то может наблюдаться потеря более высококипящих веществ. Этого можно избежать, если пред-
варительно осуществить перегонку водного раствора смеси в замкнутой системе с вакуумной сублимацией. Если эту перегонку проводить при температуре ——80 ℃, то получаются две фракции: летучая и водная (рис. 8.8). Собранную летучую фракцию испаряют и вводят в газохроматографическую колонку прямо из ловушки, в которой она была собрана [61]. Примеры соответствую- 8.27, бив. Разделение летучей
фракции осуществляют с помощью обычной ГХ при низкой
температуре.
Водную фракций экстрагируют низкокипящим органическим растворителем, напри、 мер таким, как эфир или изопентан. После этого уменьшают объем экстракта путем его испарения при температуре —80 ℃. Такую температуру выбрали в данном случае потому, что все компоненты смеси, испаряющиеся при температурах до —80 ℃, уже были собраны в летучей фракции при перегонке. При этой температуре из водной фракции испаряется только растворитель, а потерь компонентов смеси не происходит. После того как в смеси останется малое количество растворителя (например, 1 мл или менее), раствор переносят в сосуд такого типа, как показан на рис. 8.27, г, и подсоединяют этот сосуд к входу в газовый хроматограф. Через раствор в сосуде пропускают
поток газа-носителя,, который и переносит испарившуюся смесь и колонку. Температуру в колонке при этом устанавливают такой, чтобы компоненты разделяемой смеси конденсировались в начале колонки, а растворитель выходил из нее, как это было описано выше. После удаления растворителя приступают к программированию температуры колонки и начинается разделение смеси.
На рис. 8.28 показана хроматограмма разделения гомологического ряда смеси кетонов, извлеченной из водного раствора с помощью изопентана. В этом случае программирование температуры колонки начали с момента начала выхода из нее растворителя. Растворитель выходил из колонки до тех пор, пока температура
5010015050100150
50100150
50100150
Температура, ℃
■?»——-~I-J——__I[I
2。30405060
Время^ «〃笈
Рнс. 8.28. Анализ разбавленного раствора метилированных кетонов С3-12-^1вв1Э5ит5С踪院^心犒Т豔舐綜а嚟臨
旣工аз能疇旣S.號器喀犒喘躋隱髓盤鹏驟搞те^睛吧蠱. ，一$鼠黑Г跋體矯雕a龍唯牆盤。把黑■跋£識Г歌。跪。體/鬭謀.*丫靄盟: иый выход закрыт.'
Р“с. 8.29. Хроматограмма эфирного температуры. Экстракт приготовлен облученногоР“с. 8.29. Хроматограмма эфирного температуры. Экстракт приготовлен облученного/ — выход эфира; 2 -— перекрывание крана./ — выход эфира; 2 -— перекрывание крана.
Р“с. 8.29. Хроматограмма эфирного температуры. Экстракт приготовлен облученного
Р“с. 8.29. Хроматограмма эфирного температуры. Экстракт приготовлен облученного
/ — выход эфира; 2 -— перекрывание крана.
/ — выход эфира; 2 -— перекрывание крана.
экстракта, полученная при программировании из «водно立 фракции》一продукта перегонки говяжьего мяса，[12].
не поднялась до 25 ℃. После этого, начиная с 50 ℃, выходили кетоны, причем последний из них вышел при температуре, примерно равной 160 ℃.
Еще один пример показан на рис. 8.29. В данном случае разделяли водную фракцию летучих веществ, выделенных из облученного говяжьего фарша. Смесь выделили из водного раствора с помощью эфира, а концентрирование эфирного раствора проводили при температуре ——80 ℃. Концентрированный раствор испаряли и потоком газа-носителя вводили в колонку, имеющую температуру ——10 ℃, и выжидали выхода всего содержащегося в смеси эфира. Колонка в данном случае была соединена с масс-спектрометром с быстрой разверткой, благодаря чему идентификацию веществ, выходящих из колонки, 'Проводили по получаемым масс-спектрам. По окончании выхода из колонки эфира начинали программирование температуры. Анализ данной смеси показал, что она состоит в основном .из углеводородов алифатического ряда и небольших количеств других веществ. Углеводороды с семью и более атомами углерода в молекуле обнаружили в водной фракции перегонки, а углеводороды с меньшим числом атомов углерода в молекуле — в летучей фракции.
ИДЕНТИФИКАЦИЯ РАЗДЕЛЕННЫХ ВЕЩЕСТВ
Последним этапом анализа компонентов пищевых продуктов, определяющих вкус и запах, является идентификация разделенных веществ. Почти всегда для этого приходится использовать вспомогательные по отношению к хроматографии методы. Даже при использовании двух или большего числа колонок идентифицировать разделенные вещества только по временам удерживания оказывается невозможно. Площади пиков могут дать количественную информацию лишь о чистоте разделенных веществ, необходимую для интерпретации результатов.
В идеальном случае анализ можно провести с помощью комбинированной системы газовый хроматограф ——масс-спектрометр. Эти системы были описаны многими авторами [60, 62, 63], и их эффективность широко известна. Однако по многим причинам для принятия окончательных суждений могут потребоваться и другие вспомогательные методы, такие как инфракрасная спектроскопия, спектроскопия ЯМР, методы дисперсии оптического вращения и многие другие.
Самое важное для успешного применения этих методов ——выделение и сбор разделенных веществ. Соответствующие методы столь же многочисленны и разнообразны, как и методы, которые связаны с приготовлением проб. Некоторые из них описаны в гл. 4 этой книги. Другие, в особенности те, которые были специально созданы для исследований веществ, определяющих вкус и запах, методом колоночной хроматографии, описанным в данной главе, можно
найти в превосходной книге Тераниши и др. [1]. Имеются также прекрасные работы, посвященные применению различных методов, используемых при конечном анализе. Все эти методы имеют чрезвычайно широкую область применения, поэтому обсуждение этого вопроса здесь было бы неуместным. Химику, занимающемуся исследованиями в области веществ, определяющих вкус и запах, в какой-то мере повезло в том, что, стараясь открыть закономерности в сложнейших природных явлениях, он имеет в своем распоряжении богатый арсенал эффективных методов. Успешное применение этих методов зависит только от инициативы и эрудиции исследователя.
СПИСОК ЛИТЕРА ТУРЫ
7eranishi R., Hornstein /., Issenberg R, Wick E L., Flavor Research: Principles and Techniques, Marcel Dekker, New York^ 1970.
Issenberg A, Hornstein /., in Advances in Chromatography, Vol. 9, R. A. Keller, ed., Marcel Dekker, New York, 1970, p. 295.
Weurman C, J. Agr. Food Chem., 17, 370 (1969).
Forss 力.4, Food Prod. Develop., 3, 78 (1969).
Amerine M. 4, Pangborn R. M., Roessler E, B., Principles' of Sensory Evaluation of Food, Academic Press, New York, 1965.
Guadagni D. C, Buttery 几 G., Okano S” J. Sci. Food Agr., 14, 761 (1963).
Lemli 丄 A. J. M., Dissertation, University of Groningen, Netherlands, 1955.
Forss D. 4, HollowayG.L, J. Am.Oil Chem. Soc., 44, 572(1967).
Honkanen E, KarvonenP,Acta Chem.Scand., 20, 2626 (1966).
Nawar W. IT., Fagerson/.£, Anal. Chem., 32, 1534 (I960).
Merritt C, Jr., BresnickS.R., BazinetM. L, Walsh J. T., Angelini尸.，J. Agr.
Food Chem., 7, 784 (1959).-
Merritt C.} Jr., Angelini R, Bazinet M. L, McAdoo D. /., in Flavor Chemistry, Advances in Chemistry Series № 56, R. F. Gould, ed., American Chemical Society, Washington, D. C., 1966, p. 225.
Angelini P, Forss D. A„ Bazinet M. L, Merritt C., 〃.，J. Am. Oil Chem. Soc„ 44, 26 (1967).
Merritt C., Jr., Walsh /. T„ Forss D. A., Angelini P., Swift S. M., Anal. Chem., 36, 1502 (1964).
Whitfield F. B., Shipton 丄，J. Chem. Ind. (London), 83, 1038 (1966).
Buttery R. G., Teranishi R., Anal. Chem., 33, 1441 (19ol).
Weurman C, Food Technol., 15, 531 (1961).
Nawar 呼.M., Fagerson I. S., Food Technol., 16, 107 (1962).
Teranishi R., Buttery R G., Lundin R F., Anal. Chem., 34, 1033 (1962).
Kep几er R.瓦 Maarse H„ Strating J„ Anal. Chem., 36, 77 (1964).
Heinz D. E, Sevenants M. R., Jennings W. G., J. Food Sci., 31, 63 (1966).
Tang C. S.^ Jennings W. G., J. Agr. Food Chem., 15, 24 (1967).
Nursteq, H. E> lennings 历.G., Anal. Chem., 39, 52 (1967).
Shapiro 几 Science, 133, 2063 (1961).«
Schildknecht H„ Schegelmilch E, Chem. Ing. Tech., 35, 637 (1963).
Bidmead D. S., in Recent Advances in Food Sciences, Vol. 3, Butterworths, London, 1963, p. 158.
Kepner R. E, van Straten S., Weurman C, J. Agr. Food Chem., 17, 1123 (1969).
Swoboda P. A.「，in Gas Chromatography 1966, A. B. Littlewood, ed., Elsevier, London, 1967, p. 344.>
Hornstein /., Crowe P. A, Anal. Chem., 34, 1354 (1962).
Morgan M. E, Day E. 4, J. Dairy Sci., 48, 1382 (1965).
Arnold R. G., Lindsay R. C., J. Dairy Sci., 51, 224 (1968).
32.33.34.35.36.37.38.32.33.34.35.36.37.38.39.39.Kugler Е, Kovats Е, Helv. Ch：m. Acta., 46, 1480 (1963) de Brat飕C., Brunnee Z. Anal. Chem., 229, 321 (1967).
32.
33.
34.
35.
36.
37.
38.
32.
33.
34.
35.
36.
37.
38.
39.
39.
Teranishi R, Mon Г. R., Anal. Chern., 36, 1490 (1964)
Teranishi R, Flath R. A., Mon T. R., J. Gas Chromatog., 4, 77 (1966).
Halasz I., Horwath C., Anal. Chem., 35, 499 (1963)'
Merritt C„ 〃“ Walsh /. T., J. Gas Chromatog. 5, 420 (1967)..
Mon T. R., Flath R. A., Forrey R. R, Teranishi R., in Advances in Gas Chromatography, A. Zlatkis, ed„ Preston Technical Abstracts Co., Evanston, Ilh- ^r^c'., VJr^Angelini P., McAdoo D. /., in Radiation Preservation of Foods Advances in Chemistry Series № 65, R. F. Gould, ed., American Chemica Society, Washington, D. C., 1967, p. 26.j c • ℃ <no /iqaai
40.41.40.41.Ockerman H.吃，Blumer T. M, Craig H. В ^・个。叫 Sc, 2M 23 黑沿 McFadden S H., Teranishi R., Corse 丄，Black D. R., Mon T. R., J. Chroma
40.
41.
40.
41.
42.43.42.43.".,J. Gas453 (1969). R, J. Agr.Chem., 16>".,J. Gas453 (1969). R, J. Agr.Chem., 16>/ennings ^/ ^^Sevenants M. R, J. Food Sci., 29, 158 (丿映、 Reymond D, Mueggler-Chavan E, Viufii R., Vuataz L, Egh л. Chromatog., 4, 28 (1966).
42.
43.
42.
43.
".,J. Gas
453 (1969). R, J. Agr.
Chem., 16>
".,J. Gas
453 (1969). R, J. Agr.
Chem., 16>
Maarse "., deBrauw M. C., J. Food Sci., 31 951 &966)..
Bissars R. E, Hilton 丄丄，Gianturco M. 4., J. Chromatog. Sci., 7, ^ick E. L, Yamanishi T., Kobayashi A., Valenzuela S., Issenberg Food Chem., 17, 751 (1968)…17 1Qfi7 /1QKQx
Lustre A. O.t Issenberg 匕 J. Agr. Food Chem., И, 1387 (1969).
Buttery R. G・，Ling L C., Brewers Dig., № 8, 71 (1966) Kirchner 丄 G, Miller 丄 M・，Ind. Eng. Chem., 44, 318 (1952).
Murray К. E, Stanley G, J- Chromatog., 34, 174 ( 968) Stoffelsma Л, Sipma G., Kettenes D. K・，Pypker J., J. Agr. Food
4, J. C. Giddings,4, J. C. Giddings,1000 (1968).丄 L s 1
4, J. C. Giddings,
4, J. C. Giddings,
52.53.54.55.56.57.52.53.54.55.56.57.4, 176 (1966).4, 176 (1966).Halasz /., Heine E, in Advances in Chromatography Vol. R. A. Keller, eds., Marcel Dekker, New York, 1967, p. 207. Rohrschneider L., Z. Anal. Chem., 170, 256 (1959).
52.
53.
54.
55.
56.
57.
52.
53.
54.
55.
56.
57.
4, 176 (1966).
4, 176 (1966).
Mon T. R” Forrey R. R.f Teranishi R., J. Gas Chromatog.,■-
Mon T. R., Forrey R. R・，Teranishi R.t 工。鎊 熱喪碧g., 5, 497 (1965). Merritt 以〃.，Walsh J. T・，Anal. Chern., 35, 110 (卜唄.
Altenau A. G„ Kramer R. E., McAdoo D.丄，Merritt C., 〃.，J・ Gas Chromatog.,,
C., J. Gas Chromatog.»C., J. Gas Chromatog.»58 Ri^ine^D. R, J. Gas Chromatog., 3, 318 (1965).
C., J. Gas Chromatog.»
C., J. Gas Chromatog.»
Heins 丄 Th., Maarse "., deBrauw M. C, Weurman
Is^iberg^pl Kobayashi 4, Mysli®咤 ％ J. Agr. Food Chern 17, 1377 0 969).
61 Forss D 4, Bazinet ML, Swift S. M., J- Gas Chromatog., 2, 134 (1964).
62： Merritt C, 〃.，Appl. Spectry. Rev 3, 263 (1970).「Giddims
63 McFadden W. H., in Advances in Chromatography, Vol. 4, J. C. 5ddmgs* R A Keller, eds„ Marcel Dekker, New York, 1967, p. 265.
Ettre L. S., Zlatkis 止，The Practice of Gas Chromatography, Interscience,
под ред. Л. Эттра и В. Мак-Фад-под ред. Л. Эттра и В. Мак-Фад-New York, 1967.
под ред. Л. Эттра и В. Мак-Фад-
под ред. Л. Эттра и В. Мак-Фад-
Методы-спутники в газовой хроматографии, дена, «Мир», М., 1972.
Глава 9
ПРИМЕНЕНИЕ ПРЕПАРАТИВНОЙ ГАЗОВОЙХРОМАТОГРАФИИ В БИОХИМИИ И БИОМЕДИЦИНЕ
В. Ванден-Хувель и Г. Курон
W. J. A. VandenHeuvel and G. W. Кигоп
Merck Sharp & Dohme Research Laboratories, Rahway, New Jersey, USA
I. ВВЕДЕНИЕ
Обзор по любому аспекту газожидкостной хроматографии (ГЖХ) значительно обогащается, если ему предшествует относительно короткая история предмета. В 1950 г. подобный обзор был бы совсем коротким. Он содержал бы единственную ссылку на утверждение Мартина и Синга, относящееся к 1941 г.: «Подвижная фаза не обязательно должна быть жидкостью, она может быть и паром... Можно, следовательно, осуществлять очень тонкие разделения летучих веществ в колонке, в которой сквозь слой геля, пропитанного нелетучим растворителем, течет постоянный поток газа...» [1]. В 50-х годах произошло значительное развитие теории, методов и применений ГЖХ. Однако в статье, написанной в 1960 г., кроме того факта, что методы ГЖХ нашли широкое признание в анализе жирных кислот (и в гораздо меньшей степени при определении метилированных сахаров), содержалось бы относительно мало информации, которая могла бы возбудить повышенный интерес любого химика, кроме восприимчивых ко всему новому и полных воображения биохимика и химика-фармацевта . Оказалось, что больше всего усилий в развитии метода было приложено в области анализа углеводородов. Именно в 1960 г. была впервые продемонстрирована возможность успешного применения ГЖХ для анализа биологически активных соединений с большим молекулярным весом. Оказалось, что методы, созданные для анализа стероидов [3], применимы и для анализа алкалоидов [4]. Вследствие этого в течение последующих нескольких лет колонки с сорбентами, с небольшим содержанием высокотемпературной неподвижной фазы на дезактивированных носителях, а также с ионизационными детекторами высокой чувствительности применили для разделения большого числа разнообразных природных и синтетических веществ, представляющих интерес с точки зрения биологии. Среди исследованных веществ были аминокислоты, ароматические кислоты, витамины, растворимые в жирах и маслах, сахара, биогенные амины, различные лекарственные препараты и другие [5]. В последнее время благодаря применению реагентов, которые позволяют полу-
чать из нелетучих веществ их производные,, доступные анализу с помощью ГЖХ, область применения ГЖХ с использованием мик- рограммовых и' нанограммовых проб расширилась еще больше. В круг анализируемых веществ вошли витамины, растворимые в воде [6], кислоты цикла Кребса [7], некоторые нуклеотиды и нуклеозиды [8, 9], гибберелины [10], простагландины [11], антибиотики [12], сердечные гликозиды [13], фосфатидилсерины [14] и другие [15]. Как известно, ГЖХ ——метод разделения, но его чаще применяют в «аналитических» целях, как, например, для идентификации и количественных определений. Благодаря созданию прекрасных детекторов удается обеспечить чувствительность к количествам органических веществ в газовой фазе, измеряемым микрограммами и даже пикограммами. Кроме того, ГЖХ можно успешно использовать также для выделения и очистки веществ — в этих случаях ее называют обычно препаративной ГЖХ,——однако на практике применение ГЖХ в этом качестве значительно отстает от ее аналитического применения. Энтузиазм по отношению к препаративной ГЖХ должен уменьшиться с осознанием того, что ана* литические разделения микрограммовых проб осуществлять легче, чем препаративные разделения больших проб. При написании этой главы авторы не ставили своей целью дать исчерпывающий обзор литературы по ГЖХ, а хотели лишь описать примеры применения ГЖХ, представляющие интерес для исследователей, работающих в биохимии и других смежных областях, и относящиеся к самому последнему времени. В некоторых из этих примеров описывается анализ веществ, далеких от тех, которые традиционно применяются в медицине. Это следует понимать как отражение того разнообразия, которое стало типичным для биохимических исследований в последнем десятилетии. Термин «препаративная ГЖХ» относится здесь к тем случаям, когда хроматографически разделенные вещества собирают с целью их дальнейшего использования, а именно для анализа с помощью различных спектроскопических методов, дополнительной очистки или разделения, определения их радиоактивности, биологических тестов и химических превращений. Величины используемых при этом проб разделяемых смесей могут быть различными ——от микрограмма до миллиграмма. Быть может, вместо термина «препаративная хроматография» больше подходят такие термины, как «выделительная хроматография» или «хроматография со сбором разделенных веществ», но первое название уже получило права гражданства.
Важно помнить, что ГЖХ наиболее эффективна, когда ее используют в комбинации с другими методами выделения, разделения и идентификации веществ. Особенно эффективна комбинация ГЖХ с предварительной тонкослойной хроматографией (ТСХ) [16]. Разделение методом ТСХ основано на разнице в полярности молекул разделяемых веществ, а разделение методом ГЖХ — особенно при использовании таких неполярных жидких фаз как
SE-30 или 0V-1,——определяется молекулярным весом веществ и структурой их молекул. При использовании комбинированного метода ТСХ — ГЖХ сначала происходит разделение компонентов смеси с помощью ТСХ по функциональным группам, содержащимся в их молекулах； а затем с помощью ГЖХ осуществляют разделение соединений с аналогичными функциональными группами по их молекулярному весу. Обычно при этом ГЖХ следует за ТСХ, однако в нескольких недавних работах [17, 18] описывается и обратная последовательность, когда соединения, выходящие из газохроматографической колонки, направляют на пластинку для ТСХ, которую затем проявляют.
Вещества, разделенные с помощью препаративной ГЖХ, обычно собирают в стеклянные и тефлоновые трубочки или при помощи специальных устройств. Можно направить эти вещества из колонки прямо в ячейку счетчика радиоактивности или на пластинку для ТСХ. Как правило, дальнейший анализ хроматографически разделенных веществ, включающий в себя регистрацию спектров или измерение радиоактивности, можно проводить в любой момент после завершения их улавливания. То же самое относится и к веществам, которые необходимо испытать на биологическую активность или подвергнуть превращениям, требующимся для химика- органика； препаративная ГЖХ и последующий анализ разделённых веществ — следующие друг за другом процедуры. Однако этот метод отличается от других комбинированных методов, в которых ГЖХ, по-видимому, тоже можно рассматривать как препаративную в том смысле, что получаемые с ее помощью вещества предназначены для анализа другим методом. Мы имеем в виду два метода, популярность которых все больше растет. Первый из них ——комбинированный метод ГЖХ ——масс-спектрометрия, в котором вещества, выходящие из хроматографической колонки в паровой фазе, направляют в масс-спектрометр через молекулярный сепаратор, в котором происходит отделение от них газа-носителя [19].
Второй ——комбинированный метод газожидкостной радиохроматографии, в котором непрерывно измеряется радиоактивность веществ, выходящих из колонки [20——22].
IL ОБЩИЕ ЗАМЕЧАНИЯ О ПРОЦЕССЕГАЗОХРОМАТОГРАФИЧЕСКОГО РАЗДЕЛ ЕН ИЯ
ЛЕТУЧЕСТЬ РАЗДЕЛЯЕМЫХ ВЕЩЕСТВ
Три свойства вещества имеют значение для процесса ГЖХ- разделения при любой величине разделяемой пробы: летучесть, термическая стабильность и возможность его отделения от мешаю-
щих или родственных веществ. Для успешного хроматографического разделения вещества оно должно иметь давление пара (1—— 2 мм рт. ст.), соответствующее рабочим условиям газохроматографической колонки. Слишком низкая летучесть вещества может быть обусловлена его слишком большим молекулярным весом (тристеарин), большой полярностью, которая связана с существованием значительных межмолекулярных сил (сахара и аминокислоты), или комбинацией этих фактоРов (сердечные гликозиды, неомицины). В первом случае хорошие результаты дает короткая колонка с сорбентом, содержащим небольшое количество жидкой фазы, работающая при высоких температурах. На таких колонках в некоторых лабораториях проводят рядовые анализы триглицеридов [23]. При анализе веществ очень высокой полярности для увеличения летучести и . предотвращения необратимой адсорбции веществ (потерь в колонке) приходится прибегать к образованию производных соединений с помощью химических методов. Пожалуй^ наиболее хорошо известным способом образования производных соединений является метилирование длинноцепочечных жирных кислот [24]. Прекрасными производными соединениями для углеводородов являются простые метиловые эфиры [25], ацетиловые эфиры [26] и особенно триметилсилильные (ТМС) эфиры [27]. При работе с аминокислотами используют различные производные, такие как Ы,О-ТМС-производные [29—31], н-алкил-Ы-трифтор- ацетиловые эфиры [32, 33], фенилтиогидантоиновые (ФТГ) производные [34—36]. В случае карбоксильных и гидроксильных групп производные соединения получают методами, которые обычно используют при работе с желчью [37, 38] и фенолоки слотами [39, 40]. Наибольшие трудности связаны с получением производных соединений тех групп, которые содержат так называемые «активные атомы водорода». Увеличить летучесть соответствующих веществ и уменьшить их адсорбцию в колонке обычно удается путем превращения этих групп в гораздо менее полярные группы. Фосфатйые группы сахаров [41] и витамины, растворимые в воде [6], превращают в ТМС-производные соединения. В результате образования производных можно осуществлять даже разделение глюкуронидов [42], сердечных гликозидов [13] и некоторых неомицинов [12]. Многие биогенные амины содержат амино- и гидроксильные группы, которые подвержены необратимой адсорбции в большинстве хроматографических насадок, поэтому непосредственное разделение этих веществ не практикуется. По этой причине был предпринят ряд попыток разработать способ образования соответствующих производных. В одном из недавно предложенных способов используются гептафторбутирилпроизводные [43]; предлагалось использовать и ТМС-производные [44]. Такие соединения, как кислоты цикла Кребса и простагландины, содержат карбоксильную, гидроксильную и кетогруппы. Для последней из этих групп хорошим производным для использования в ГЖХ оказалась блокирующая группа
О-метилоксим [45, 46]. Огромные трудности для ГЖХ представляет разделение нуклеозидов и нуклеотидав, но и здесь в некоторых случаях помогало образование ТМС-производных [8, 9]. Успех, достигнутый в области образования нужных производных для столь разнообразных веществ, связан с появлением в конце 60-х годов таких реагентов, как бис-триметилсилилацетамид (БСА) [47, 48]. бис-триметилсилилтрифторацетамид (БСТФА) [30, 48], ТМС-про- изводные имидазола [48, 49], гептафторбутирилимидазол [43, 48] и метоксиламингидрохлорид [45, 46]. Все эти реагенты позволяют получать неполярные производные соединения, имеющие довольно большое давление пара в условиях хроматографического разделения. Физические свойства веществ (точка плавления,, цвет, крист аллизуемость и другие) не имеют большого значения в ГЖХ и связанных с нею методах.
Б. ТЕРМИЧЕСКАЯ СТАБИЛЬНОСТЬ
Известно, что определенные функциональные группы или комбинации функциональных групп термически нестабильны и разрушаются в условиях, существующих в газохроматографических колонках. Проверка того, разложилось нужное соединение или нет, была одной из первых причин сбора хроматографически разделенных соединений. На рис. 9.1 приведена хроматограмма разделения смеси стероидов, взятой в количестве, измеряемом миллиграммами. Это разделение проводили на неселективной жидкой фазе SE-30, и соотношение между временами удерживания показывает, что во время разделения-не происходило изменений структуры разделяемых веществ. Точки плавления и инфракрасные спектры полученных веществ хорошо совпадали с соответствующими данными для эталонных веществ; йравда, некоторые из собранных фракций имели более резко выраженные точки плавления, чем исходные вещества.
Опасность термического разложения существует всегда, причем по одной только форме хроматографических пиков очень трудно или вообще невозможно определить, произошли какие-либо изменения в составе разделяемой смеси или нет. Более того, ввести в заблуждение могут и времена удерживания. В качестве примера можно указать работу [51], в которой описан анализ трифтораце- тильных производных соединений. На полученной в этой работе хроматограмме присутствовал симметричный хроматографический пик трифторацетат холестанила, из которого не были видны какие-либо изменения структуры. Время удерживания для этого пика оказалось несколько меньше того, которое ожидалось, но фторсодержащие соединения часто действительно обладают удивительно
большой летучестью. Было решено отобрать соответствующую фракцию, подвергнуть ее анализу с помощью инфракрасной спектроскопии и доказать тем самым, что это действительно эфир. Это был весьма поучительный эксперимент, так как на полученном инфракрасном спектре отсутствовали полосы поглощения, характерные для трифторацетоксигруппы; на самом деле собранным соединением оказался А2-холестен .
Температура, ℃
Рис. 9.1. Хроматограмма разделения смеси стероидов, полученная с помощью препаративной колонки. Давление в колонке 2,1 атм, скорость программирования температуры 1,2 ℃/мин. Вертикальные линии показывают точки отбора фракций. Для каждой фракции (ниже) приведены^ их количества и точки плавления. Идентификацию веществ осуществляли с помощью инфракрасного спектрального анализа. Улавливание веществ было почти количественным, за исключением стиг- мастерииа (выход около 50%).
Полная шкала 3 * 10-8 ампер. Колонка стеклянная, U-образной формы: длина около 4 м, диаметр около 12,4 мм. Насадка: 0,75% жидкой фазы SE-30 на носителе газхром Р с размером частиц 100—140 меш, промытом кислотой и силаннзованном [111].
/ — андростанон-17, 3,4 мг, т. пл. 122,5 ℃; 2 — андростандион-3,17, 5 мг, т. пл. 134—136 ℃; 3 — прегнандион, 5 мг, т. пл. 118—120 ℃; 4 — холестерин, 5,9 мг, 148—149 ℃; 5 — стигмасте- .рин, 2,4 мг, 167—169 ℃.
Гомоаллильные спирты, такие как холестерин, стабильны в условиях газохроматографического разделения, а аллильные спирты ——нет. Так, например, 4-метил-А4-холестенол-Зр претерпевает
дегидрирование [53], то же самое происходит и с аллохолесте^ рнном (А4-холсстенол-Зр)[53, 54]； было сообщение о том, что аллохо- лестерильные системы стабилизируются с помощью образования нх ТМС-производных [55]. Подобным образом без разложения не удается осуществить очистку с помощью ГЖХ аллильного терпено- идного диола (компонента полового феромона королевской бабочки) и его диацетатного производного, б ис~Т ри метил силильный эфир допускал препаративное газохроматографическое разделение» причем при анализе в масс-спектрометре собранный эфир давал молекулярный ион и осколочный ион М-15, что подтвердило структуру родительского диола [55а]. Нестабильность фенилтиогидантоиновых производных гидр оксиз а м ещен н ых аминокислот была установлена также с помощью спектрального анализа хроматографи- иескн разделенных веществ [34]； эту нестабильность также можно предотвратить за счет образования производных [35, 36]. Однако образование ТМС-производных не всегда гарантирует успех. Дело в том, что, несмотря на успешное препаративное газохроматогра^ фическое разделение ТМС-производных альдозольных 6-фосфатов, было сообщение о том, что альдозо- 1-фосфатные производные превращаются в ТМС-эфир сахарного ангидрида [9]. Крайне важное значение спектрального анализа хроматографически разделенных соединений проявилось и тогда, когда с его помощью показали, что витамины группы D претерпевают в колонке циклизацию с образованием смеси изомеров (например, кальциферол—витамин Z)2 —дает смесь пиро- и изопирокальциферолов [56]). Для кортизона и нескольких других подобных 'соединений были получены неожиданно малые значения времен удерживания; отсюда можно предположить, что во время разделения кортизона с помощью ГЖХ не была нарушена целостность молекул. В результате анализа собранной фракции кортизона с помощью инфракрасной спектроскопии и сравнения этих результат。耳 с результатами для эталонных соединений оказалось, что дигидроацетоновая боковая цепь нестабильна и что уловленным соединением был в действительности 17-кетостероид [56а]. В результате улавливания и последующей идентификации было показано, что продуктом этой реакции, протекающей в газохроматографической колонке, является и формальдегид [57]. Были предприняты многочисленные попытки стабилизации боковой цепи и предотвращения подобных неконтролируемых превращений. Стабильности достигли с помощью образования 1) 17а, 21-диацетилпроизводных соединений [58], 2) 17, 20, 21-бис-метилендиоксисоединения [59], 3) 20-метоксим- 21-ТМС-эфира [60], 4) 20-метоксим-17 а,21-бис-триметилсилил- эфира, 5) 20-метоксим-17 а,21-циклических эфиров борной кислоты [62] и 6) 17а,21-бис-триметилсиликонида [63], структура которого аналогична структуре ацетонида. Все эти примеры иллюстрируют типы химических реакций, которые иногда необходимо проводить для предотвращения нежелательных превращений молекул.
Успешное препаративное газохроматографическое разделение стероидного препарата с боковой цепью такого типа, кроме количественного элюирования и сбора разделенных веществ, потребовало бы и количественного образования его производных, и обратного превращения в исходное соединение.
УЛУЧШЕНИЕ РАЗДЕЛЕНИЯ
Неподвижные фазы
Природа так устроена, что часто приходится иметь дело с соединениями, имеющими очень близкие структуры и трудными для разделения. Однако разделения можно добиться, если разумно выбрать неподвижную фазу. Обычно различают два типа неподвижных фаз ——неполярные, или неселективные, и полярные, или селективные [64]. Различия во временах удерживания веществ при использовании неполярных фаз определяются в основном различиями молекулярных весов и структурой молекул, а не специфическими взаимодействиями между функциональными группами (рис. 9.1). Увеличение времени удерживания при введении в молекулу атома кислорода (т. е. при превращении ее в спирт) довольно тесно связано с результирующим увеличением молекулярного веса вещества (время удерживания может увеличиться при этом примерно в два раза), а соединения, содержащие эпимерные гидроксильные группы, часто удерживаются недостаточно хорошо. Разделение на неполярных фазах может происходить даже за счет, казалось бы, небольших различий в структуре молекул. В биохимических и биомедицинских исследованиях наиболее часто применяют такие неселективные неподвижные фазы, как диметилполисилоксаны типа SE-30, JXR или OV-1 или близкие по свойствам вещества [например, F-60 (или DC-560) -диметилсилоксан с малым процентным содержанием n-хлорфенильных групп]. Эти неподвижные фазы имеют не только хорошие распределительные свойства, но являются также и термически стабильными и малолетучими в нормальных рабочих условиях, причем последние качества очень ценны при проведении препаративного разделения.
Разделение на 'селективных, или полярных, неподвижных фазах основано на различиях в молекулярных весах разделяемых веществ, форме их молекул, а также на содержании в них функциональных групп. Выше говорилось о том, что введение в молекулу атома кислорода может привести к четырех- или шестикратному увеличению времен удерживания. Селективные фазы могут селективно удерживать вещество со специфическими функциональными группами. Так, например, жидкая фаза фторалкилполисилоксан FS-1265 (или QF-1) селективно удерживает кетоны и эффективна для разделения эпимерных спиртов [65]. Этим же свойством обладают и полиэфиры [например, неопентилгликолевый эфир янтарной 19 Зак. № 570
кислоты (НПЯ) и цианоэтилполисилоксаны ХЕ-60], причем они селективно удерживают и ненасыщенные соединения. При использовании жидкой фазы QF-1 олефин выходит из колонки быстрее, чем соответствующее насыщенное соединение [64, 65]. Используя нитрилсилоксановую неподвижную фазу, можно разделять изомеры кетонов, и существует группа очень полярных сополимеров [66], эффективных при разделении ненасыщенных соединений [66, 67]. Имеется большой выбор селективных неподвижных фаз, и редкую пару веществ не удается разделить с помощью одной из них. Следует подчеркнуть, однако, что различия в летучести веществ, достаточные для аналитических определений, могут оказаться недостаточными для препаративного разделения, когда эффективность колонок меньше и может происходить их перегрузка. При препаративном разделении могут потребоваться высокие температуры. Селективные неподвижные фазы, как правило, менее термически стабильны и более летучи, чем обычно применяемые неселективные фазы. Поэтому, если нет возможности удалять из собранных соединений загрязняющие их вещества, выделяющиеся из неподвижной фазы, то селективные фазы лучше не использовать. Селективной неподвижной фазой, которую можно использовать при очень высоких температурах, является OV-17 ——фенилметилполисилоксан [48, 49]. -
Значение селективных неподвижных фаз иллюстрирует исследование Дутки и сотр. [68] по превращению холестанона в холеста- нол личинками обычной комнатной мухи (Musca domestica). С помощью ГЖХ с селективными фазами QF-1 и НПЯ определили, что выделенная фракция холестанола содержит два компонента, времена удерживания которых соответствуют холестанолу и холестерину (эти стерины не разделяются на неселективных неподвижных фазах, таких, как SE-30). Предполагалось присутствие холестерина, поскольку в пище личинок содержался холестерин, в который не были введены меченые атомы. Однако было необходимо проверить, образуется или нет какой-либо ненасыщенный стерин из холестанона-!4С в результате метаболизма. С помощью неподвижной фазы QF-1 удалось отдельно собрать каждый из этих двух компонентов. Радиоактивность собранной фракции холестерина (меньшее время удерживания) составляла менее 0,6% полной радиоактивности веществ, вышедших из колонки, а радиоактивность фракции холестанола ——более 96%.
Образование производных соединений
Опытный специалист по газовой хроматографии часто прибегает к помощи образования производных соединений； образование производных соединений благодаря наличию той или иной функциональной группы или стереохимических различий между веществами широко используют в проведении трудных разделений [49, 64, 65].
Большим преимуществом этого способа является то, что часто с его помощью легко удается проводить разделение родственных соединений на неселективных неподвижных фазах [49, 64, 65]. Так, например, тестостерон и эпитестостерон не разделяются на фазе SE-30, а их ТМС-эфиры легко разделяются при тех же самых условиях. При образовании производных соединений увеличивается молекулярный вес и обычно уменьшается полярность вещества.
Производные соединения (например, ТМС-эфиры) имеют обычно большие времена удерживания на неселективных неподвижных фазах, чем исходные соединения (при препаративном разделении этот факт можно рассматривать как недостаток, поскольку необходимое для ускорения процесса повышение температуры может привести к увеличению уноса паров неподвижной фазы из колонки). В случае селективных неподвижных фаз отмеченное увеличение молекулярного веса более, чем компенсируется уменьшением полярности, и в результате времена удерживания обычно встречающихся производных соединений типа углеводородов могут оказаться почти на 2/3 меньше времен удерживания исходных соединений. Степень разделения производных также может быть выше на селективных фазах, чем на неселективных.
Особенно интересный пример использования производных соединений для улучшения разделения родственных веществ описали Хаати и Фэйлз [70]. Они исследовали неомыляющуюся парафиновую фракцию из слюнных желез курицы и выяснили, что она содержит ряд гомологов ——длинноцепочечные н-алифатические диолы-2,3. Анализ фракции диолов с помощью ГЖХ показал, что она состоит из трех компонентов, однако это не давало еще полной гарантии того, что смесь действительно состоит только из трех диолов, поскольку применяемая жидкая фаза (SE-30) могла и не обеспечить разделения трео- и эритро-изомеров. Для того чтобы оттенить стереохимические различия между веществами, авторы прибегли к образованию ацетонидов . трео・Днол превращается при этом в соединение с транс-конфигурацией, а эритро- диол ——в соединение с ifuc-замещенным ядром. Обе эти кольцевые структуры — жесткие системы, и можно ожидать, что их разделение окажется лучшим, чем разделение исходных диолов. После проведения реакций, необходимых для образования ацетонидов, полученные выше три фракции уропигиолов дали шесть новых хроматографических пиков. Соответствующая хроматограмма показана на рис； 9.2. Шесть разделенных ацетонидов собрали с помощью препаративной ГЖХ и подвергли масс-спектрометрическому
анализу (см. рис. 9.2). На масс-спектрах всех этих соединений присутствовала интенсивная линия осколочного иона М-15 (потеря метильной группы), и это дало возможность определить их молекулярные веса, ““с- и транс-Уропигиолы различали по выходу цис- н транс-олефинов из газохроматографической колонки с неполярной неподвижной фазой: цис-олефины выходят из такой колонки перед транс-олефинами. Высокую чистоту собранных соединений
Время, мин
Рис. 9.2. Хроматограммы смеси уропигиоловых ацетонидов [полной пробы (а) и фракций (6), полученных с помощью препаративной ГЖХ].
Колонка стеклянная, U-образиой формы: длина 2 м, внутренний диаметр 3 мм. Насадка： 3% жидкой фазы SE-30 на носителе газхром Р с размером частиц 100—140 меш Температура 130 ℃ [70].у
обеспечивали тем, что отбирали только центральную часть каждой хроматографической полосы.
При разделении некоторых родственных соединений возникает необходимость в использовании как селективной неподвижной Фазы> так и в образовании производных соединений с целью подчеркнуть различия в структуре разделяемых веществ [72, 73].
Из обсуждения способов увеличения летучести веществ, предотвращения изменений их молекул и улучшения разделения должна стать ясной ключевая роль образования производных соединений при ГЖХ биологически важных соединений. К счастью, как в аналитической ГЖХ, так и в препаративной ГЖХ часто нет
необходимости выделять производное соединение перед разделением, поскольку реакционную смесь можно ввести прямо в колонку, и при этом избыточные реагенты выйдут из колонки вместе с растворителем. Однако в случае препаративной ГЖХ, в которой образование производных соединений может быть необходимо для обеспечения данного разделения, собранные производные могут иметь свойства, совершенно отличные от свойств исходного соединения. В таких случаях могут возникнуть некоторые затруднения, не возникающие в аналитической ГЖХ, где вещества, выходящие из колонки, направляют прямо в детектор и затем выпускают в атмосферу и больше не используют. В некоторых случаях химическое изменение исходного вещества может не играть роли. Это относится, например, к анализу радиоактивности, а также к масс- спектрометрическому анализу, так как спектры производных могут быть столь же полезными, как и спектры исходного соединения. Изменения функциональных групп исходного вещества могут исказить результаты анализа с помощью инфракрасной спектроскопии и спектроскопии ЯМР. Некоторые из широко используемых в ГЖХ производных соединений абсолютно устойчивы в атмосфере инертного газа, но, к сожалению, не совсем устойчивы в атмосфере помещения лаборатории. Необходимо учитывать возможность частичного превращения ТМС-производных спиртов и особенно соединений, содержащих карбоксильные и аминогруппы, в исходные соединения во время отбора фракций или после него. Конечно, в дальнейшем такое превращение необходимо для проведения биологических тестов или физико-химических тестов и разделения исходного вещества. Дж. Сьевалл и К. Сьевалл применяли водно-мета- нольный раствор уксусной кислоты для гидролиза ТМС-эфиров до стероидов [74]. Кертис [17] разработал метод гидролиза (1 % -ной соляной кислотой в метаноле) ТМС-производных соединений на пластинке для ТСХ, в котором применяется очень интересная комбинация ГЖХ—ТСХ. Сами ТМС-эфиры можно разделить с помощью ТСХ [75—77] и с помощью колоночной хроматографии [78]. Если не собирать хроматографически разделенные вещества, а анализировать их сразу после выхода из колонки, как, например, в комбинированном методе ГЖХ — масс-спектрометрия, то проводить гидролиз не имеет смысла.
СПЕЦИАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ: КОМБИНАЦИЯ ГЖХС МАСС-СПЕКТРОМЕТРИЕИ И ОПРЕДЕЛЕНИЕМРАДИОАКТИВНОСТИ
А. МАСС-СПЕКТРОМЕТРИЯ
Масс-спектрометрия (МС)——прекрасный метод анализа органических веществ (неполимерных) с использованием проб, измеряемых микрограммами. Наиболее распространенный масс-спектрометр
низкого разрешения (с однократной фокусировкой) позволяет определять молекулярный вес анализируемого соединения (с точностью до одной атомной единицы массы) и получать так называемую картину фрагментации (образование осколочных ионов) молекулы этого соединения, с помощью которой это соединение можно надежно идентифицировать. Кроме того, анализируя возможные пути фрагментации молекулы соединения, иногда удается установить природу содержащихся в нем функциональных групп. Лучшие результаты МС дает при анализе чистых веществ, а как раз для получения таких веществ из смеси и предназначена ГЖХ. При прямом соединении обоих методов отпадает необходимость сбора хроматографически разделенных веществ, но часто требуется дорогой и чрезвычайно чувствительный прибор для соединения газового хроматографа с масс-спектрометром . При современном состоянии МС для получения масс-спектра высокого разрешения обычно требуется собрать нужное вещество, а затем уже ввести его в масс-спектрометр непосредственно или с помощью нагреваемого входного устройства. Анализ с помощью масс-спектрометрии высокого разрешения имеет огромное значение, так как он позволяет получить эмпирические формулы молекулярного и осколочных ионов исследуемого соединения. Поэтому крайне важное значение имеет и сбор хроматографически разделенных соединений. ГЖХ и МС в большой степени дополняют друг друга, и поэтому как при прямом, так и при косвенном объединении этих методов большую пользу может принести учет коррелирования масс-спектрометрических й хроматографических свойств исследуемого соединения. Цель приводимого ниже обсуждения ——показать не преимущества прямого объединения ГЖХ и МС над косвенным объединением этих методов, а то, что каждый из этих способов объединения имеет свои хорошие стороны. Важна именно сама комбинация этих методов, а не то, как они объединены друг с другом.
Особенности структуры веществ, которые обусловливают различия во временах их удерживания, не обязательно приводят к различным масс-спектрам этих веществ. Поэтому большое значение имеет возможность ввода хроматографически разделенных веществ в масс-спектрометр по отдельности и возможность коррелирования их времен удерживания с масс-спектро- метрическими данными. Наоборот, могут оказаться различными масс-спектры веществ, имеющих одинаковые времена удерживания. Это дает возможность выявить неоднородность соответствующей хроматографической фракции, а иногда позволяет и инден- тифицировать хроматографически неразделенные вещества [19, 31, 84].
Комбинированный метод ГЖХ——МС высокого разрешения менее развит, чем метод ГЖХ—МС низкого разрешения. При необходимости получить масс-спектр высокого разрешения в настоящее время обычно собирают соответствующее вещество, выходящее из хроматографической колонки, и затем уже проводят его масс- спектрометрический анализ . Такая процедура описана, например, в работе Тама и сотр. [86]. Авторы этой работы выделяли некоторое вещество из мочи больных, получивших сильные ожоги. С помощью комбинированного метода ГЖХ——МС они установили, что молекулярный вес этого вещества (в форме метилового эфира) равен 143. Для получения более определенной информации они очищали это вещество с помощью ГЖХ и затем проводили его анализ с помощью масс-спектрометрии высокого разрешения. В результате для метилового эфира этого вещества эмпирически была установлена формула СбНдМОз・ Это, а также другие данные, полученные с помощью ГЖХ и ТСХ, позволили идентифицировать неизвестное вещество как пироглутаминовую кислоту.
Для получения масс-спектра низкого разрешения можно использовать прямую комбинацию ГЖХ——МС или собирать хроматографически разделенные вещества, а затем проводить их анализ с помощью МС. Пример применения последнего из этих двух методов можно найти в работе Брайса и сотр. [87]. Авторы этой работы проводили выделение и идентификацию тритерпеновых метиловых эфиров, содержащихся в растениях Новой Зеландии. Другой пример ——работы Яааконмакн с сотр. [87а], в которой исследуется структура метилового эфира ТМС-производной P-d -глюкозидуроновой кислоты, сопряженной с 11-кетоэтиохолано- лоном. Если в смеси содержится очень мало нужного вещества (например, несколько микрограммов), то для выделения этого вещества из массы ненужных веществ приходится прибегать к помощи ГЖХ, и в этом случае очень удачным представляется использование прямого объединения ГЖХ и МС. Прекрасный пример такой комбинации имеется в работе Грира и сотр. [88]. С помощью ГЖХ (с предварительным ацетилированием и метилированием) авторы этой работы обнаружили, что во фракции ароматических кислот, выделенной из мочи больного, страдающего опухолью Вилмса, содержится соединение, характеристики удерживания которого сравнимы с аналогичными характеристиками соответствующего производного n-оксифениллактиновой кислоты. Для дальнейших исследований осталось лишь 3 мл мочи для выделения ароматических кислот. Авторы не надеялись получить нужное соединение с помощью препаративной ГЖХ и обратились к комбинированному методу ГЖХ—МС. Анализ с помощью этого метода показал, что
неизвестная ароматическая кислота действительно представляла собой n-оксифениллактиновую кислоту. Комбинированный метод ГЖХ——МС представляется очень эффективным при исследовании процессов метаболизма лекарственных препаратов, причем соответствующие примеры уже были описаны в недавно опубликованных работах [89].
Кертис [90] с помощью ГЖХ и МС изучал кольцевые структуры кетозов (в виде их ТМС-эфиров). При этом с помощью препаративной ГЖХ он готовил пробы для масс-спектрометрического анализа； однако в случаях, когда имелись лишь очень малые количества исследуемых веществ или эти вещества были слишком нестабильны, он использовал прямую комбинацию ГЖХ—МС.
При помощи препаративной ГЖХ и последующего масс-спектрометрического анализа Яааконмаки и сотр. [91] проводили выделение и анализ этил-р-п-глюкозидуроновой кислоты (в форме ее триметилсилильного эфира), которая является продуктом метаболизма этанола в организмах крыс и мужчины-алкоголика. Эти же авторы с помощью комбинированного метода ГЖХ—МС уепешно провели анализ производных, полученных из экстрактов мочи. Бывают, однако, случаи, когда для характеризации вещества необходимо осуществить его очистку с помощью препаративной ГЖХ, несмотря на то что этого вещества имеется всего лишь несколько микрограммов. Такой случай описан, например, в работе Сьевалл и Сьевалл [74]. Только по данным анализа с помощью ГЖХ и ГЖХ——МС авторам этой работы не удавалось полностью охарактеризовать неизвестный прегнантриол, присутствующий в плазме беременных (в действительности это соединение присутствует в плазме в форме моносульфата; 3——20 мкг на 100 мл). Для того чтобы установить стереохимические особенности у атомов С-3, С-5 и С-20、с помощью химических методов, требовалось небольшое количество вещества в чистом виде. В их распоряжении было очень малое количество исходного материала, и, несмотря на это, им удалось собрать ничтожное количество этого стероида (в форме его ТМС-эфира) в стеклянной трубочке, присоединенной к горелке пламенно-ионизационного детектора. Из собранного производного соединения выделили родительское соединение (2 мкг) и все его количество разделили на две равные части для проведения химических анализов. Определение ориентации гидроксильной группы при атоме С-20 проводили по реакции образования ацетонида. Альфа- ориентацию установили по отношениям времен удерживания для изомеров. Сравнивая характеристики удерживания и масс-спек- тральные данные приготовленной производной 17р-карбоновой кислоты и исходной кислоты С20, установили, что конфигурация имеет вид 5а (A/В транс). Ориентацию гидроксильной группы при атоме С-3 установили путем ГЖХ-анализа ТМС-эфиров промежуточных альдегидов. По всем этим данным неизвестное соединение удалось идентифицировать как 5а-прегнантриол-3а, 20а, 21.
С помощью одной из модификаций метода ГЖХ — так называемой «масс-фрагментографии» ——можно осуществлять очень чувствительное (на уровне нанограммов и пикограммов) и селективное детектирование метаболитов лекарственных препаратов и других соединений [92]. Говоря вкратце, масс-спектрометр при этом используют в качестве селективного газохроматографического детектора. Этот масс-спектрометр попеременно настраивают на несколько таких значений величины mje, что соответствующие осколочные ионы дает лишь целевое соединение (для большей чувствительности соответствующие спектральные линии должны иметь высокие интенсивности). Таким образом, на выходе детектора появляется сигнал лишь в том случае, когда из газового хроматографа выходит соединение, дающее осколочные ионы, имеющие значения тех массовых чисел, на которые настроен масс-спектрометр.
Б. ОПРЕДЕЛЕНИЯ С ПОМОЩЬЮ МЕЧЕНЫХ АТОМОВ
При биосинтезе и исследованиях процессов метаболизма, по- видимому, нельзя обойтись без использования меченых соединений. Анализ с помощью ГЖХ и обычного массового детектора, как правило, показывает присутствие в разделяемой смеси многочисленных соединений, некоторые из которых удается идентифицировать по известным временам удерживания ожидаемых продуктов разделения. Решающее значение имеет обычно присутствие или отсутствие радиоактивности в определенных соединениях: если соединение радиоактивно, то его так или иначе следует связать с исходным меченым материалом. Наиболее простой способ проверки радиоактивности разделенных соединений — объединить процесс сбора этих соединений и измерение их радиоактивности (при тех значениях времен удерживания, которые соответствуют ожидаемым меченым соединениям). Измерение радиоактивности можно проводить при этом в течение продолжительного времени. Это позволяет работать с малыми уровнями радиоактивности, и в этом основное преимущество данного способа. Использование сигнала массового детектора для управления сбором разделенных веществ сопряжено с риском, так как радиоактивное соединение может иметь малую массу и не быть обнаружено детектором. Для того чтобы по возможности не пропустить радиоактивного соединения, отбор фракций следует проводить часто и в течение одинаковых промежутков времени на протяжении всего процесса хроматографического разделения (или до тех пор, пока не будет точно известно, что из колонки вышли все нужные соединения). Выполнить все это вручную довольно трудно, поэтому здесь имеет смысл использовать автоматические устройства для отбора фракций (93]. Систему для газовой радиохроматографии с двойной меткой (изотопом !4С и тритием) и с высоким уровнем автоматизации описали Томас и Дюттон [94]. Эта система включала в себя не только устройство для автоматического
отбора фракций, но и счетно-решающее устройство для анализа данных измерения радиоактивности (с помощью сцинтилляционного счетчика). Применение счетно-решающего устройства позволило увеличить чувствительность анализа и степень разделения, и с его помощью получили график зависимости радиоактивности соединений, выходящих из колонки, от их времен удерживания.
Замечательная разделительная способность газохроматографических колонок является одной из основных причин высокой эффективности ГЖХ, но не следует забывать того, что при использо- ваннн ГЖХ с последующим отбором фракций для анализа радиоактивности (или для других целей) разделительная способность всей системы определяется частотой отбора фракций. Если ловушку для отбора фракций менять лишь через каждые 10 мин, то для разделения многокомпонентной смеси нет смысла применять высокоэффективную колонку. Некоторая неоднородность собранных фракций иногда допустима, как, например, при определении масс- спектров, когда эту неоднородность часто удается распознать. Однако при определении радиоактивности невозможно различить реакции счетчика радиоактивности на разные соединения, содержащие по одному атому изотопа 14c в молекуле. В этом случае неоднородность фракции может привести к тому, что радиоактивность будет приписана нерадиоактивному соединению.
При использовании препаративной「氷X для определений радиоактивности, кроме чистоты отбираемых фракций, крайне важное значение имеет, очевидно, и эффективность отбора фракций, достижение которой связано со значительными техническими трудностями (см. разд. IV этой главы). Отбор фракций должен быть количественным или, по крайней мере, воспроизводимым и, кроме того, для семейства родственных соединений не зависеть от различий в структуре молекул. 、
При разделении с помощью F氷X малых (меньше микрограмма) количеств полярных веществ может стать заметной адсорбция их внутри колонки. Подобные《потерн》веществ могут не иметь большого значения при разделении проб больших величин; однако при разделении пробы величиной 0,1 мкг потеря 0,05 мкг вещества за один цикл разделения означает потерю 50% всей пробы. Это значительно затрудняет сбор и измерение радиоактивности разделенных веществ с высокой удельной активностью, так как уменьшается полное количество веществ, выходящих из колонки. Для # преодоления этой трудности предложили добавлять в разделяемую смесь некоторое количество нерадиоактивных соединений [95]. Эффективным способом уменьшения адсорбции веществ в колонке является образование их неполярных производных соединений [36, 66, 73].
При исследовании биосинтеза фитостеринов Гоуд и Гудвин [96] по отдельности улавливали хроматографически разделенные вещества и измеряли их радиоактивность. Недавно эти авторы опублико-
вали данные, которые подтверждают предположение о том, что образование циклоартенила предшествует образованию фукосте- рина ——главного стерина, содержащегося в коричневой морской водоросли Fucus spiralis, В этих экспериментах после выдерживания водоросли в термостате с 3,5-диокси-3-метилвалериановой кислотой, меченной двумя радиоактивными изотопами (!4С и тритий), образовалась радиоактивная фракция 4,4-диметилстерина. К этой фракции добавили немеченый циклоартенил и 24-метилен- циклоартенил. Полученную смесь ацетилировали и подвергли разделению с помощью препаративной ТСХ, в результате чего был
Рис. 9.3. Газожидкостная радиохроматограмма смеси 4,4-диметилстериловых эфиров уксусной кислоты, выделенных из морской водоросли Fucus spiralis, с последующим термостатированием с (4К)-3,5-диокси-3-метилвалериановой-2-14С-4-3Н1 кислотой. Фракции отбирали с интервалом 1 мин и измеряли их радиоактивность. Во втором цикле препаративного разделения фракции отбирали в интервалах, отмеченных стрелками, и измеряли их радиоактивность.Колонка: длина около 1,8 м, диаметр около 3,2 мм. Насадка： 3% жидкой фазы ХЕ-60 на снлаиизованиом носителе хромосорб W с размером частиц 80—100 меш. Температура 237 °C, скорость потока газа-иоснтеля 40 мл/мии [96]. / — циклоартениловый эфир уксусной кислоты； 2 — лаиостериловый эфир уксусной кислоты.Рис. 9.3. Газожидкостная радиохроматограмма смеси 4,4-диметилстериловых эфиров уксусной кислоты, выделенных из морской водоросли Fucus spiralis, с последующим термостатированием с (4К)-3,5-диокси-3-метилвалериановой-2-14С-4-3Н1 кислотой. Фракции отбирали с интервалом 1 мин и измеряли их радиоактивность. Во втором цикле препаративного разделения фракции отбирали в интервалах, отмеченных стрелками, и измеряли их радиоактивность.Колонка: длина около 1,8 м, диаметр около 3,2 мм. Насадка： 3% жидкой фазы ХЕ-60 на снлаиизованиом носителе хромосорб W с размером частиц 80—100 меш. Температура 237 °C, скорость потока газа-иоснтеля 40 мл/мии [96]. / — циклоартениловый эфир уксусной кислоты； 2 — лаиостериловый эфир уксусной кислоты.es.3 с(°工)qEZHBrutHgnQDdes.3 с(°工)qEZHBrutHgnQDd
Рис. 9.3. Газожидкостная радиохроматограмма смеси 4,4-диметилстериловых эфиров уксусной кислоты, выделенных из морской водоросли Fucus spiralis, с последующим термостатированием с (4К)-3,5-диокси-3-метилвалериановой-2-14С-4-3Н1 кислотой. Фракции отбирали с интервалом 1 мин и измеряли их радиоактивность. Во втором цикле препаративного разделения фракции отбирали в интервалах, отмеченных стрелками, и измеряли их радиоактивность.
Колонка: длина около 1,8 м, диаметр около 3,2 мм. Насадка： 3% жидкой фазы ХЕ-60 на снлаиизованиом носителе хромосорб W с размером частиц 80—100 меш. Температура 237 °C, скорость потока газа-иоснтеля 40 мл/мии [96]. / — циклоартениловый эфир уксусной кислоты； 2 — лаиостериловый эфир уксусной кислоты.
Рис. 9.3. Газожидкостная радиохроматограмма смеси 4,4-диметилстериловых эфиров уксусной кислоты, выделенных из морской водоросли Fucus spiralis, с последующим термостатированием с (4К)-3,5-диокси-3-метилвалериановой-2-14С-4-3Н1 кислотой. Фракции отбирали с интервалом 1 мин и измеряли их радиоактивность. Во втором цикле препаративного разделения фракции отбирали в интервалах, отмеченных стрелками, и измеряли их радиоактивность.
Колонка: длина около 1,8 м, диаметр около 3,2 мм. Насадка： 3% жидкой фазы ХЕ-60 на снлаиизованиом носителе хромосорб W с размером частиц 80—100 меш. Температура 237 °C, скорость потока газа-иоснтеля 40 мл/мии [96]. / — циклоартениловый эфир уксусной кислоты； 2 — лаиостериловый эфир уксусной кислоты.
es.3 с(°工)qEZHBrutHgnQDd
es.3 с(°工)qEZHBrutHgnQDd
выделен циклоартениловый эфир уксусной кислоты. К порции этого эфира добавили лаиостериловый эфир уксусной кислоты и подвергли полученную смесь разделению с помощью препаративной ГЖХ (фракции отбирали с помощью делителя потока элюента в капиллярные трубочки при комнатной температуре). В одном случае фракции отбирали с интервалом 1 мин. Сравнение графика зависимости радиоактивности (по изотопу !4С) (измеряемой сцин- тиляционным счетчиком) соединений, выходящих из колонки, от времени с данными детектирования по массе (рис. 9.3) отчетливо показывает, что имеется лишь один пик радиоактивности, время
удерживания для которого в точности совпадает со временем удерживания для циклоартенилового эфира уксусной кислоты. В другом анализе с помощью препаративной ГЖХ фракции (ланосте- риловый и циклоартениловый эфир уксусной кислоты) отбирали в течение интервалов времени, отмеченных на рис. 9.3 стрелками. Большую радиоактивность имела фракция циклоартенилового эфира, причем величина отношения 3Н/!4С для нее была той же, что и для первоначально выделенных радиоактивных тритерпенов. Радиоактивность фракции ланостерилового эфира была очень малой.
Методы препаративной ГЖХ с улавливанием и последующим измерением радиоактивности широко применяли и в исследованиях процесса метаболизма стеринов в насекомых, проводимых Отделением энтомологических исследований Министерства сельского хозяйства США. В результате этих исследований выяснилось, например, что личинки таракана-прусака (Blattella germanica L.) и соснового пилильщика {Neodiprion pratti D.) могут превращать Р-ситостерин в холестерин [97, 98], в то время как ни личинки, ни взрослые особи комнатной мухи (М. domestica) не способны осуществлять такое дезалкилирование в боковой цепи [99, 100]. Было показано, что в превращениях типа C?9f С27, происходящих в организме бабочки-бражника (Manduca sexta 丄)，промежуточным соединением является дем остерии [101].
Сбор хроматографически разделенных соединений можно объединить с непрерывным измерением их радиоактивности, как это делается в методах, разработанных Попьяком с сотр. [102], а также Карменом с сотр. [103]. В первом из этих двух методов можно осуществлять одновременное детектирование по массе и измерение радиоактивности (хроматографически разделенные соединения из массового детектора направляют прямо в охлажденную камеру с циркулирующим в ней раствором сцинтиллирующего вещества； измерение носит интегральный характер). Во втором методе для непосредственного измерения радиоактивности с помощью сцинтилляционного счетчика используется трубка с антраценом. Кармен сообщает [103], что благодаря простоте конструкции всего устройства улавливание было по существу количественным.
Метод с непрерывным измерением радиоактивности веществ, выходящих из хроматографической колонки, эквивалентен, по сути дела, методу с предварительным улавливанием, в котором отбор фракций производится в бесконечном числе точек. Несмотря на то что для такого динамического метода требуются более высокие уровни радиоактивности, в нем менее вероятно то, что какое-то из разделенных веществ не будет обнаружено детектором .
Нес и сотр. [21] описали успешное -применение одновременного детектирования по массе и измерения радиоактивности веществ, разделенных с помощью ГЖХ; молекулы этих веществ проходят при этом непосредственно через пропорцианальный измеритель (счетчик) газового потока. Однако в этом методе могут возникнуть трудности, связанные с конденсацией или адсорбцией малолетучих веществ в проточных счетчиках или в нагретых ионизационных камерах.
Операцию улавливания хроматографически разделенных веществ в обоих методах можно полностью исключить путем сжигания этих веществ (над раскаленной окисью меди) и превращения их в углекислый газ и воду (которая затем восстанавливается до газообразного водорода). В методе, предложенном Карменом с сотр. [104], в качестве проточного детектора для измерения радиоактивности применяется цилиндр, заполненный кристаллами антрацена. Для определения радиоактивности углекислого газа и газообразного водорода Кармен также предложил [105] использовать пропорциональный счетчик. Свелл [20] опубликовал работу, в которой приводится большое количество результатов л о одновременному измерению массы и радиоактивности с помощью метода, предложенного Карменом [105]. Газовый поток из колонки Свелл делил в отношении 9: 1. Меньшую часть потока он направлял в пламенно-ионизационный детектор, а большую ——в реакционную трубку (заполненную окисью меди и стальной ватой и нагретую до температуры 630 ℃). В этой трубке органические соединения превращались в углекислый газ и водород. Газ из реактора поступал в пропорциональный детектор. Эффективность такой системы была не менее 90% для изотопа 14С и 60% для трития. В другом методе хроматографически разделенные вещества подвергают окислению и затем проводят детектирование по массе путем измерения количества образующегося углекислого газа с помощью микротер- мисторного детектора; после этого с помощью пропорционального счетчика измеряют радиоактивность [22].
Пример одновременного детектирования по массе и измерения радиоактивности меченых соединений приведен на рис. 9.4 [20]. Фракция стеринов, выделенная из табачных листьев, выращенных в атмосфере 14co2, содержит четыре главных компонента, которые, как можно заметить, имеют примерно одинаковые удельные активности. Как было показано, динамическая система не может удовлетворительно работать с веществами, имеющими малые удельные активности; в рассматриваемом примере удельная активность фракции стеринов была равна 200 имп • мин-! • мкг-!, причем в колонку ввели относительно большую пробу этой фракции (50 мкг).
Сбор хроматографически разделенных соединений и измерение их радиоактивности не являются основной темой этой главы; читателю, интересующемуся этими вопросами, можно посоветовать обратиться к обзорным статьям Кармена (103, 107].
Колонки с высокой разделительной способностью желательны в ГЖХ, но следует отметить и то, что колонка, обеспечивающая разделение таких родственных соединений, как стереоизомеры, мо-
ззшшшшшшшшшшжет обеспечить и разделение смеси соединения с его меченым аналогом. Наблюдались и эффекты изотопного фракционирования (для стабильных и радиоактивных изотопов). Но в экспериментах, связанных со сбором разделенных веществ и измерением их радиоактивности, эти эффекты могут сбивать исследователя с толку. Так, Керчнер и Липсетт [108] наблюдали, что при отборе фракций через каждые 20 с отношение количеств стероидов, меченных изотопом 14С и тритием, изменялось внутри одной хроматографической полосы. Это явление изучали текже Климан и Брифер [95].
з
з
шшшшш
шшшшш
Эффект изотопного фракционирования особенно сильно проявляется при раз-
Рис. 9.4. Хроматограмма смеси меченных 14С стеринов из листьев табака.
Верхняя часть хроматограмы соответствует определению масс, нижняя — одновременному определению радиоактивности (по содержанию "СО?). Вещества, .соответствующие пикам / и 2, не были идентифицированы; вещества, соответствующие пикам 3 н 4, были идентифицированы как стигмастерин и p-ситостерин соответственно. Величина пробы 50 мкг, р адиоактивность 10 000 расп/мии. Колонка стеклянная: длина около 1,8 м, диаметр 4 мм, U-образиой формы0 Насадка: 3% жидкой фазы SE-30 на носителе газхром Q с размером частиц 100—120 меш. Температура 250 ℃, давление 2,1. атм [20].
делении соединений, меченных дейтерием; Мак-Клоски и сотрудники получили хорошее аналитическое разделение смеси меченных дейтерием и обычных метиловых эфиров жирных кислот на
насадочной колонке обычной длины. Бентли и сотр. [ПО] получили полное разделение глюкозы и глюкозььс!? в форме их ТМС-эфиров на колонке длиной 15 м (при этом эфир глюкозы^? имел меньшее время удерживания). Для выделения р-аномера ТМС-производной глюкозы-d? из смеси а- и p-аномеров эти авторы применяли препаративную ГЖХ.
РАБОЧИЕ ПАРАМЕТРЫ
Хроматограмма, приведенная на рис. 9.1, не только иллюстрирует препаративное разделение и связь между молекулярным весом вещества и характеристиками его удерживания на неселективной неподвижной фазе, но и показывает значение программирования температуры колонки при таком разделении. Как в аналитической, так и в препаративной ГЖХ очень важен способ ввода пробы'в колонку. Очень желательно получить《поршень》пробы в потоке газа в колонке, но для этого требуется быстрое введение пробы и быстрое испарение компонентов разделяемой смеси： Этого нетрудно добиться в аналитической ГЖХ. В препаративной ГЖХ величина пробы больше и обеспечить ее быстрое введение в колонку и быстрое испарение труднее, особенно при разделении относительно малолетучих веществ. Однако с помощью программирования температуры колонки эту трудность можно преодолеть. Программирование температуры позволяет относительно медленно вводить в колонку раствор пробы в подходящем растворителе с помощью непрерывного или повторного введения. Дело в том, что начальная температура колонки при программировании температуры относительно низка, вследствие чего низкокипящий растворитель быстро испаряется, а менее летучие анализируемые вещества удерживаются в начале колонки в виде концентрированной зоны или «поршня». Этот «поршень» задерживается в начале колонки и разделение не начинается до тех пор, пока не начнется программирование температуры.
Можно предположить, что благодаря низкому давлению пара и высоким точкам плавления (это говорит о значительных межмо^- лекулярных взаимодействиях) таких веществ как стероиды, алкалоиды и многие лекарственные препараты, улавливать их на выходе из колонки относительно просто, однако конденсирование этих соединений из потока газа-носителя — чрезвычайно сложная задача. Причина этого заключается в том, что эти вещества выходят из колонки в виде аэрозолей. Если присоединить к выходу из колонки тефлоновую трубочку и ввести в колонку увеличенную пробу, например, стероидов, то нетрудно наблюдать, как из трубки выходит пар, похожий на дымок. В поисках наилучшего способа улавливания были созданы многочисленные методы и устройства, однако их обсуждение не входит в задачи этой главы (см. гл. 4). Нам бы хотелось коротко обсудить лишь один метод ——тот, который
основан на различии в точках кипения азота (——196 ℃) и аргона (——186 ℃) [111]. При использовании аргона в качестве газа-носителя хорошее улавливание стероидов и алкалоидов достигается, когда газовый поток из колонки пропускают через стеклянную трубку U-образной формы, погруженную в жидкий азот. Аргон в этой трубке конденсируется и увлекает с собой в жидкую фазу молекулы разделенных веществ. После этого трубку с нужной фракцией извлекают из жидкого азота и оставляют при комнатной температуре. При этом аргон испаряется, а уловленное вещество остается на стенках трубки [111].
Программирование температуры колонки и описанный выше метод улавливания применяли в препаративном разделении для получения p-ситостерина высокой чистоты, который можно было бы использовать в качестве внутреннего стандарта для количественного определения 17-кетостероидов, выделенных из мочи [64, 72].' Удовлетворительное разделение p-ситостерина от другого стерина растительного происхождения в стериновой фракции, выделенной из соевых бобов, получили с помощью колонки из нержавеющей стали [64] . Согласно неполным данным, полученным с помощью ГЖХ, представляется правдоподобным, что этот другой стер ин является кампестерином (см. работу [122]). Увеличение чистоты Р-ситостерина в результате одного цикла препаративного разделения видно из рис. 9.5.
Препаративные разделения типа тех, которые иллюстрированы на рис. 9.1 и 9.5, были выполнены на колонках несколько больших размеров (длина 3——4 м, диаметр около 1,3 см), чем те, которые применяют в аналитической ГЖХ. Колонка большего диаметра имеет большую емкость по отношению к разделяемой смеси, а это необходимо для препаративных разделений. Однако чрезмерное увеличение диаметра колонки может привести к уменьшению степени разделения, т. е. ухудшить разделение. Емкость колонки можно увеличить путем увеличения содержания в ней жидкой фазы, однако при этом требуются высокие рабочие температуры, которые неприемлемы при разделении низкокипящих веществ (низкокипящими являются многие вещества, встречающиеся в биохимии). Поэтому существенно, чтобы содержание жидкой фазы в колонке было небольшим, но тогда для разделения проб величи- ； ной от нескольких сот микрограммов до одного миллиграмма приходится работать в условиях перегрузки колонки. Во многих лабораториях для сбора хроматографически разделенных компонентов применяют аналитические колонки, работающие в условиях перегрузки с многократным повторением цикла разделения. Вероятно, это самый простой способ получения микрограммовых количеств
ценных веществ, одиако в случае необходимости получения миллиграммов этих веществ данный способ недостаточно эффективен. В работе Ванден-Хувеля и Хорнинга [65], а также Фэйлза и сотр. [111] показано, что достаточно эффективное разделение компонентов в количествах от сотен микрограммов до одного миллиграмма можно обеспечить с помощью колонок, размеры которых превышают размеры обычно применяемых аналитических колонок.
Имеется лишь немного данных, характеризующих связь между величиной разделяемой пробы, размерами колонки и хроматогра-
ВремаВремя
Рис. 9.5. Анализ пробы p-ситостерина до (а) и после (б) ее очистки с помощью препаративной ГЖХ [65].
Колонка стеклянная, U-образной формы: длина около 1,8 м, диаметр 4 мм. Насадка: 1% жидкой фазы SE-30 на носителе газхром Р с размером частиц 100—120 меш, промытом кислотой и силанизоваином. Температура 235 ℃, давление 1,4 атм.
/ — %-ситостерин; 2 — p-ситостерин (61%); 3 — р-ситосиерин (98,4%)； 4 — %-ситостерии.
фическими характеристиками веществ, с одной стороны, и перегрузкой колонки, ее эффективностью и процессом разделения —— с другой. Подобные данные имеют, конечно, большое значение, поскольку успех препаративного разделения в большой степени зависит от работы колонки. Первой работой по препаративному газохроматографическому разделению стероидов и алкалоидов была работа Фэйлза и сотр. [111]; в этой работе проведено сравнение разделений смеси стероидов на двух колонках различного диаметра. Как и ожидалось, более узкая колонка оказалась эффективнее и обеспечивала лучшее разделение, чем более широкая колонка； однако это сравнение в работе [111] было сделано лишь для пробы
20 Зак. № 570
одной величины (30 мкг пятикомпонентной смеси). В последующей работе [113] была изучена связь между эффективностью колонки, ее диаметром и величиной разделяемой пробы; причем в качестве эталонного соединения использовался холестанол (дигидрохолестерин). Из данных, приведенных в таблице, видно, что для пробы в 1 мкг колонка диаметром 4 мм имеет действительно большую эффективность, чем колонка диаметром 11 мм (2900 теоретических тарелок против I860). То же самое наблюдается и для пробы размером 6 мкг. При переходе к пробе величиной 12 мкг эффективность узкой колонки (4 мм) значительно уменьшается, а эффективность более широкой (11 мм) изменяется лишь незначительно. При переходе к пробе величиной 50 мкг эффективность узкой колонки становится даже меньше, чем эффективность широкой колонки. Для пробы величиной 100 мкг эффективность узкой колонки уменьшается до 940 теоретических тарелок. Для широкой колонки такое ухудшение эффективности наступает лишь при использовании пробы величиной около 500 мкг. Графически зависимость эффективности колонок с жидкой фазой OV-17 от величины пробы представлена на рис. 9.6. Из этого рисунка видно, что эффективность препаративной (11 мм) колонки существенно не зависит от величины пробы вплоть до пробы величиной 100 мкг и затем начинает уменьшаться; эффективность же аналитической колонки (4 мм) на-
Таблица
Зависимость эффективности для двух колонок с жидкой фазой OV-17 а от величины пробы [113]
Размер пробы холестанола, мкг
Число теоретических тарелок '
аналитическая колонка
препаративная колонка
1
2900
1860
6
2860
1870
12
2460
1850
25
2280
1880
100
940
1840
250
1480
500
—
960
а Колонки: стеклянные, U-образной формы, длина 2,5 м, внутренний диаметр 4 мм (аналитическая) или 11 мм (препаративная). Насадка: 1,8% жидкой фазы OV-17 на носителе газхром Р, промытом кислотой, силанизоваииом и имеющем размер частиц 60—80 меш； рабочая температура 240 ℃. Скорость газового потока (мл/мнн): 35 (аналитическая колонка), 250 (препаративная колонка).
6 Число теоретических тарелок=16 (力丫口/⑫户,где 侬—ширина (у основания) хроматографического пика, которая соответствует времени удерживания, равному 力丫口.
чинает уменьшаться гораздо раньше. Для проб величиной 40— 50 мкг препаративная колонка оказывается более эффективной.
А • —г5W ш WHoyadDE xnxuahnluadoalu оуо6А • —г5W ш WHoyadDE xnxuahnluadoalu оуо6200300500мкг200300500мкг
А • —г5
W ш W
HoyadDE xnxuahnluadoalu оуо6
А • —г5
W ш W
HoyadDE xnxuahnluadoalu оуо6
200300500
мкг
200300500
мкг
Рис. 96 Зависимость числа теоретических тарелок от величины пробы холеста-нола для двух колонок для ГЖХ, различающихся только внутренними диамет-рами. Параметры для аналитической (/) и препаративной (2) колонок приведеныв табл. 9.1 [ИЗ].
Неподвижную жидкую фазу SE-30 широко используют, и она универсальна. Однако она недостаточно селективна и может не
Рис. 9.7. Хроматограмма смеси стероидов [в порядке выхода из колонки: копро- стан (0,5 мкг), холестен-5 (0,5 мкг), копр остер ин (1 мкг) и холестерин (1 мкг)].Рис. 9.7. Хроматограмма смеси стероидов [в порядке выхода из колонки: копро- стан (0,5 мкг), холестен-5 (0,5 мкг), копр остер ин (1 мкг) и холестерин (1 мкг)].Колонка стеклянная, U-образиой формы： длина около 2,4 м, внутренний диаметр 4 мм. Насадка: 2% жидкой фазы SE-30 на носителе газхром Р, промытом кислотой и силаиизо- ванном, с размером частиц 60—80 меш. Температура 250 ℃, скорость потока газа-иосителя 35 мл/мии [113].Колонка стеклянная, U-образиой формы： длина около 2,4 м, внутренний диаметр 4 мм. Насадка: 2% жидкой фазы SE-30 на носителе газхром Р, промытом кислотой и силаиизо- ванном, с размером частиц 60—80 меш. Температура 250 ℃, скорость потока газа-иосителя 35 мл/мии [113].
Рис. 9.7. Хроматограмма смеси стероидов [в порядке выхода из колонки: копро- стан (0,5 мкг), холестен-5 (0,5 мкг), копр остер ин (1 мкг) и холестерин (1 мкг)].
Рис. 9.7. Хроматограмма смеси стероидов [в порядке выхода из колонки: копро- стан (0,5 мкг), холестен-5 (0,5 мкг), копр остер ин (1 мкг) и холестерин (1 мкг)].
Колонка стеклянная, U-образиой формы： длина около 2,4 м, внутренний диаметр 4 мм. Насадка: 2% жидкой фазы SE-30 на носителе газхром Р, промытом кислотой и силаиизо- ванном, с размером частиц 60—80 меш. Температура 250 ℃, скорость потока газа-иосителя 35 мл/мии [113].
Колонка стеклянная, U-образиой формы： длина около 2,4 м, внутренний диаметр 4 мм. Насадка: 2% жидкой фазы SE-30 на носителе газхром Р, промытом кислотой и силаиизо- ванном, с размером частиц 60—80 меш. Температура 250 ℃, скорость потока газа-иосителя 35 мл/мии [113].
обеспечить достаточного различия в коэффициентах разделения или временах удерживания для таких близких по свойствам соединений как копростанол (5р-холестанол-3р) и холестанол
20*
(5бс-холестанол-3р). В этом нет ничего предосудительного, особенноесли колонка имеет относительно высокую эффективность. На рис. 9.7
Рис. 9.8. То же, что и на рис. 9.7, но для проб больших величин (100, 100, 200, 200 мкг) [113].
показана хроматограмма разделения смеси стероидов на аналитической колонке с жидкой фазой SE-30. Разделение при этом лучше,
Время9 мин
Рис. 9.9. Хроматограмма смеси тех же стероидов, что и на рис. 9.7 (величины проб 200, 200, 400 и 400 мкг соответственно).
Колонка: препаративная, стеклянная, U-образной формы, длина около 2,4 м, внутренний диаметр И мм. Насадка та же, что и на рис. 9.7. Температура 250 ℃, скорость потока газа-носнтеля 250 мл/мки [113].
чем то, которое получается с помощью препаративной колонки с той же жидкой фазой и с той же величиной пробы, однако, как и следовало ожидать, с увеличением пробы ситуация становится
противоположной. Так, при увеличении пробы в 200 раз эффективность аналитической колонки ухудшается (рис. 9.8) и становится меньше даже той эффективности колонки большего диаметра, которая соответствует пробам еще больших величин (рис. 9.9). Улучшение разделения ТМС-эфиров копростанола и холестанола (по 250 мкг каждого из этих веществ), обусловленное применением препаративной колонки с жидкой фазой SE-30, видно из сравнения рис. 9.10 и 9.9.
Рис. 9.10. Хроматограмма смеси ТМС-эфиров копростанола и холестанола (250 мкг каждого), полученная с помощью аналитической колонки большего диаметра с жидкой фазой SE-30 (см. рис. 9.9).
Максимально допустимую величину разделяемой пробы можно значительно увеличить, если в два или три раза увеличить диаметр аналитической колонки. Небольшое увеличение диаметра, возможное в большинстве имеющихся хроматографов, может позволить провести разделение веществ в количествах, достаточных для последующих исследований какими-либо другими методами. В большинстве применений ГЖХ, описанных в этой главе, использовались хроматографы, имеющиеся в продаже, с теми или иными специально сконструированными приспособлениями для сбора разделенных веществ.
ПРИМЕНЕНИЯ ПРЕПАРАТИВНОЙ ГЖХВ БИОХИМИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЯХ
А. СТЕРОИДЫ
Сбор хроматографически разделенных фракций с целью выделения и идентификации неизвестных веществ, подтверждения результатов анализа, полученных с помощью других методов, и проверки чистоты веществ использовали во многих биологических исследованиях. О применяемых при этом вспомогательных методах уже говорилось выше. Ниже описываются примеры специального применения описанных методов в биохимических исследованиях.
Ван Лир и Смит [114] описали выделение кристаллических стер и- нов из веществ, разделенных при помощи препаративной ГЖХ. Для полученных стер и нов определяли точки плавления, а также проводили их анализ методом инфракрасной и ультрафиолетовой спектрометрии, ТСХ и аналитической ГЖХ с целью их идентификации и проверки их чистоты. Авторы сообщают, что выделенные стер ины имели высокую степень чистоты. В работе [115] описано применение тех же методов для идентификации 26-гидроксихоле- стерина •—компонента, присутствующего в небольших количествах в веществах, выделенных из здоровых и больных аорт человека.
Кертис и Мюллер [17] описали применение слегка модифицированного устройства, созданного Кайзером [116], для автоматического и непрерывного анализа с помощью комбинированного метода ГЖХ——ТСХ. При этом им удалось получить по существу, полное разделение смеси 12 стероидов в форме 'их ТМС-эфиров на жидкой фазе ХЕ-60. Вещества, выходящие из колонки, авторы адсорбировали на пластинке с тонким слоем силикагеля G. Эту пластинку опрыскивали затем 1 %-ным раствором соляной кислоты в метаноле, в результате чего адсорбированные на ней вещества превращались в свободные стероиды. Проявляли пластинку смесью хлористого метилена с ацетоном. Первые три вещества (ТМС- эфиры аллопрегнандиола, прегнандиола и а др остер она), вышедшие из колонки, плохо разделялись на газовом хроматографе. Последующее применение ТСХ обеспечило их хорошее разделение в форме свободных стероидов. Аналогичным образом было значительно улучшено разделение прегнантриола от 11-кетоандросте- рона. При этом использовали распределительную и адсорбционную хроматографию стероидов соответственно в форме их неполярных ТМС-эфиров и в свободной полярной форме. Дополнительную информацию по идентификации стероидов удалось получить в результате опрыскивания проявленной пластинки 50%-ным раствором серной кислоты в метаноле и используя сернокислое хромогенирование.
Джангман и сотр. [117] описали количественный метод анализа с помощью ГЖХ 11-дезокси-17-кетостероидов и прегнандиола, выделенных из мочи. При этом после гидролиза 17-кетостероидов их очищали с помощью хроматографии на окиси алюминия и затем
превращали в ТМС-производные. Предварительную очистку прегнандиола осуществляли на колонке с окисью алюминия. Окончательную очистку проводили с помощью ТСХ. Количественный анализ стероидов проводили с помощью ГЖХ. После всех этих манипуляций выход дегидроэпиандростеронсульфата, меченного тритием и добавленного в мочу перед гидролизом, был равен 89%. Радиоактивность измеряли с помощью сцинтилляционного счетчика, причем для этого стероиды, выходящие из колонки, улавливали на кристаллах n-терфенила. Потери веществ за счет ГЖХ составляли менее 1 %. В 25 экспериментах средний выход диацетата прегнандиола, меченного тритием, после анализа с помощью ГЖХ и ТСХ составлял 97% с отклонением ±2%. Ясно, что в этих экспериментах важную роль играли эффективная система сбора веществ и связанные с ней методы.
Фунасаки и Гильбертсон [118] выделяли холестериловые алкиловые эфиры из сердечной мышцы быка. Характеризацию эфиров они осуществляли с помощью ТСХ и ГЖХ. Идентификацию холестерилгексадецилового эфира осуществили с помощью МС, причем установили, что он составляет свыше 90% всего количества газо- хроматографически разделенных веществ. После сбора фракцииг соответствующей этому эфиру, с помощью ТСХ из нее удалили примеси, обусловленные неподвижной фазой. Очищенный эфир непосредственно вводили в масс-спектрометр с однократной фокусировкой и получали его масс-спектр.
Жанне и сотр. [119] осуществили идентификацию Зсс-гидрокси- Д5-андростенона-17, при сутствую щего в моносульфатной фракции мочи и желчи здорового человека, а также в плазме крови здоровых людей и людей, больных уремией. Моносульфатную фракцию получили при этом с помощью колоночной хроматографии с использованием в качестве сорбента геля сефадекс LH-20; после сольволиза и очистки на колонке с кремневой кислотой полученные стероиды подвергали газохроматографическому анализу. В результате для дальнейших исследований собрали около 3 мкг неизвестного вещества. Эти дальнейшие исследования включали в себя газохроматографический анализ самих этих веществ, а также их ТМС-производных и ацетатов на колонках с жидкими фазами QF-1 и SE-30; в качестве эталонного соединения в этих анализах использовали заведомо известный Зсс-окси-А5- андр остенон-17. Для соединений, полученных в результате гидрирования неизвестного и эталонного соединений и восстановления их бороводородом, были получены относительные времена удерживания. Близость времен удерживания неизвестного и эталонного соединения и идентичность их масс-спектров послужили основой для идентификации неизвестного соединения.
Сиперштейн и Фаган [120] описали заметное подавление синтеза 3,5-диокси-3-метилвалериановой кислоты при питании крыс холестерином и отсутствие при этом подавления синтеза р-окси-Р'
метилглутаровой кислоты (р-ОМГ). Они сделали вывод о том, что основная роль в этом принадлежит реакции, ответственной за прев- ращение р-ОМГ в 3,5-диокси-3-метилвалериановую кислоту. Для подтверждения этого вывода Сиперштейн и сотр. разработали метод разделения и выделения этой кислоты из р-ОМГ с использованием ГЖХ (с образованием метиловых эфиров этих кислот). Соот- ветствующие меченные изотопом 14С хроматографически разделен- ные соединения улавливали и измеряли их радиоактивность и соотношение их масс с помощью сцинтилляционного счетчика. Достоверность выделения вновь образованной 3,5-диокси-3-метил- валериановой кислоты из печени крысы устанавливали с помощью образования ацетата-2-14С. Идентификацию выделенного соединения провели по совпадению его времени удерживания со временем удерживания метилового эфира 3,5-диокси-З-метилвалериановой кислоты. Для подтверждения правильности идентификации уловленное соединение превращали в соответствующий этиловый эфир; время удерживания этого эфира совпадало со временем удерживания эталонного этилового эфира 3,5-диокси-3-метилвалериано- вой кислоты. Измерение радиоактивности уловленных из хроматографической колонки веществ показало, что лишь для одного пика время удерживания совпадает с временем удерживания для пика этилового эфира 3,5-диокси-3-метилвалериановой кислоты. Факт присутствия изотопа 14С в двух производных 3,5-диокси-3-метилва- лериановой кислоты авторы работы [120] интерпретировали как доказательство того, что синтезируемым соединением действительно является 3,5-диокси-3-метилвалериановая кислота.
Недавно появилось несколько работ, в которых, в частности, описывается роль 2,3-окиси сквалена как промежуточного соединения при биосинтезе стеринов из сквалена [122—125]. Опираясь на результаты своих экспериментов, ван Тамелен [125] предположил, что 2,3-эпокись сквалена обычно является промежуточным соединением при ферментативной циклизации сквалена. Он приготовил эпокись из сквалена, меченного изотопом 14c и полученного в результате^ биосинтеза из 3,5-диокси-3-метилвалериановой кислоты, меченной тем же изотопом. Полученное соединение выдерживали в термостате с ферментами печени в атмосфере кислорода или азота. Выделенные стер ины (полученные при термостатировании в атмосфере азота) идентифицировали с помощью ГЖХ как ланостерин и дигидроланостерин. В результате измерения радиоактив- НОСТи оказалось, что дигидростерин содержал 60% общей радио- лктивности хроматографически разделенных соединений, а ланостерин—30%.
Главный продукт, полученный в результате термостатирования в атмосфере кислорода, идентифицировали как холестерин. Его превращали в соответствующий метиловый эфир и подвергали газохроматографическому разделению. Радиоактивность полученной хроматографической полосы холестерина была равна радиоактив-
ности разделяемой пробы; фракции, отобранные в различных точках этой полосы, имели одну и ту же удельную активность.
В нескольких работах [97—101, 126, 127] изучалось превращение стеринов растительного происхождения в холестерин в организме насекомых. Икекава и сотр. [128] сообщили, что в личинках и куколках шелкопряда p-ситостерин превращается в холестерин. В своих экспериментах они тем или иным способом вводили в личинки или куколки тутового шелкопряда p-ситостерин, меченный тритием. По истечении определенных интервалов времени фракции стерина выделяли из личинок и куколок путем экстракции и хро-
рис. 9.Ц. Хроматограмма препаративного разделения с помощью ГЖХ смеси стеринов, выделенных из личинок шелкопряда. Отбирали три фракции (4, 5 н В) и измеряли их радиоактивность с помощью сцинтилляционного счетчика.
Колонка стеклянная: длина 1,8 м, внутренний диаметр 6 мм. Насадка: 1,5% жидкой фазы SE-30 на носителе газхром Р с размером частиц 80—100 меш. Температура 240 ℃, скорость потока газа-иосителя 100 мл/мии [128].
/ — холестерин； 2 — р-ситостерин-
матографии на колонках с окисью алюминия. Перед анализом с помощью ГЖХ фракцию эфира стерина подвергали гидрированию. Были отобраны три фракции хроматографически разделенных веществ (рис. 9.11). Радиоактивность каждой фракции определяли с помощью сцинтилляционного счетчика. Опираясь на полученные результаты, авторы пришли к выводу, что личинки шелкопряда могут превращать поедаемый ими p-ситостерин в холестерин, а это говорит о том, что содержащийся в них холестерин получается из p-ситостерина, содержащегося в листьях тутового дерева.
Б. ЛИПИДЫ
Развитие методов улавливания хроматографически разделенных веществ значительно повысило полезность препаративной ГЖХ в изучении жиров, парафинов и фосфолипидов. Примеры получаемых при этом веществ приведены в работе Хаммарстранда с сотр. [129]. Так, средний выход для 1-метилпальмитата-14С был равен 92%,
а для смеси жирных кислот, меченных изотопом 14С, содержащей метиловые эфиры пальмитиновой, стеариновой и арахиновой кислот,—90%. Радиоактивность всех этих эфиров была примерно одинакова, что говорило о пригодности этого метода для изучения жирных кислот в биологических системах с помощью радиоактивных изотопов.
Николэйдс и Ансари [130] сообщили о том, что в липиде поверхностного слоя человеческой кожи содержатся малые количества веществ, имеющих структуры типа диеновых жирных кислот. С помощью многократных препаративных разделений авторы получали диены, предназначенные для аналитического газохроматографического разделения исходных веществ и веществ, полученных в ре-
udoEXUE-FlyyzTJD
Идентификацияпиков
1.7，：，
2.15:0
3.76：7
4J64
〃夕 2:3м
/7例餌办2Й加
5.76：2 6・ 〃：0
01530^я 1^105~й
Время^ мин
Рис. 9.12. Анализ с помощью ГЖХ метиловых эфиров, выделенных из надпочеч-ников собаки.
Колонка: длина около 1,8 м, диаметр около 3,2 мм. Насадка： 15% жидкой фазы этилеигли- кольадипииата иа носителе хромосорб W с размером частиц 80—3 00 меш. Температура 200 ℃ давление 1,4 атм [131].*
зультате их гидрирования, а также для озонолиза и последующего разделения с помощью ГЖХ получающихся альдегидов и альд「 эфиров. Авторы обнаружили, что свыше 93% полученных диенов составляют диены С-20 и С-18. 81 % всех диенов С-18 составляли соединения 18 : Д5-8 и 18 : А9*12 (эфир линолевой кислоты). Соеди- ненне 18 : Д5>8 Николэйдс и Ансари предложили называть себале- новой кислотой, поскольку этот диен присутствовал в наибольшем количестве в липиде,_который, по их мнению, несомненно происходил из жировых жедтез.
Чанг и Свили [131] установили структуры трех полиеновых кислот, выделенных с помощью препаративной ГЖХ из липида, содержащегося в надпочечниках собаки. После метанолиза исходного липида и экстракции из него метиловых эфиров с помощью гексана они получили хроматограмму полиэфира адипиновой кислоты, показанную на рис. 9.12. Идентификацию разделенных соединений проводили путем сравнения их^ времен удерживания с вре-
менами удерживания известных эталонных соединений. Длину цепей полиеновых кислот (хроматографические пики //, 12 и /3) подтвердили с помощью газохроматографического анализа проб, подвергнутых гидрированию. При выделении полиеновых кислот с помощью препаративной 「氷文 в колонку каждый раз вводили 1 мл 25%-ного раствора в гексане соответствующих метиловых эфиров. Собранные разделенные вещества были при этом загрязнены выходящим из колонки полиэфиром адипиновой кислоты. Удаляли этот эфир с помощью хроматографии на кремневой кислоте.
66ййXX勿勿%.吋%.吋w产一w产一6060Рис. 9.13. ГЖХ-анализ очищенных с помощью препаративной ГЖХ полиеновых эФипов, выделенных из надпочечников собаки (условия разделения приведены на рис. 9.12) (131].Рис. 9.13. ГЖХ-анализ очищенных с помощью препаративной ГЖХ полиеновых эФипов, выделенных из надпочечников собаки (условия разделения приведены на рис. 9.12) (131].
6
6
й
й
X
X
勿
勿
%.吋
%.吋
w
产一
w
产一
60
60
Рис. 9.13. ГЖХ-анализ очищенных с помощью препаративной ГЖХ полиеновых эФипов, выделенных из надпочечников собаки (условия разделения приведены на рис. 9.12) (131].
Рис. 9.13. ГЖХ-анализ очищенных с помощью препаративной ГЖХ полиеновых эФипов, выделенных из надпочечников собаки (условия разделения приведены на рис. 9.12) (131].
Результат анализа очищенных фракций с помощью ГЖХ показан на рис. 9.13. Примеси соединений типа 16 : 0, 16 : 1, 18 : 0 и 18 : 1 во фракциях /2 и /3 в данном случае считались незначительными. Повторение препаративных разделений с помощью ГЖХ обеспечило такую же чистоту, которая характерна для фракции И. Расположение двойных связей установили с помощью окислительного расщепления олефиновых связей и последующего газохроматографического анализа (метилированных) кислотных остатков. Полиеновым кислотам были приписаны следующие структуры: 8, 11,14-эйкосатриеновая, 5,8,11,14-эйкосатетр атеоновая и 7,10,13, 16-докозатетраеновая.
55
5
5
Время
Рис. 9.14. Газожидкостная и радиохроматограммы смеси метилированных жирных кислот, полученной из контрольной культуры ГАП, термостатированной в течение 48 ч с фитановой кислотой-U」4c. Результаты измерений радиоактивности отобранных фракций показаны в верхней части рисунка. В нижней части показана хроматограмма эталонной смеси метиловых эфиров жирной кислоты, полученная при тех же условиях, что и верхняя хроматограмма.
Насадка: двухкомпонентная неподвижная фаза (7% .жидкой фазы EGS, 1,5% жидкой фазы SE-30) на носителе газхром Q. Температура 175 ℃, скорость потока газа-носителя 80 мл/мин. На верхней хроматограмме отмечены пики метиловых эфиров фитановой, пристановой и 4,8,12-триметилтридекановой кислот. В скобках^указаны их относительные радиоактивности
— контрольная культура термостатирована с фитановой кислотой, меченной ураном и изотопом ИС； Б — контрольная хроматограмма (ГЖХ). / — 4,8,12-триметилтридеканат (0,8%); 2 — пристанат (2,3%)； 3 — фитанат (81°/с)； 4 — миристат; 5 — пальмитат； 6 и 7 — стеарат и олеат.
Полито и сотр. [132] проводили метанол из сфингомиелина человеческой плазмы, катализируемый кислотой, и подвергали продукт метанолиза разделению с помощью ГЖХ. В результате они полу-
чили сфингадиен-4,14-ин. Структуру сфинголипидного основания установили по масс-спектрометрическим данным, полученным перед окислением четырехокисью осмия и после него, а также путем идентификации с помощью МС себационовой кислоты, полученной в результате перманганат-перйодатного окисления этого основания. Пробы N-ацетил-О-ТМС-производных сфингозина и сфингадиенина
Время
Рис. 9.15. Газожидкостная и радиохроматограммы смеси метилированных жирных кислот, полученной из культуры ГАП путем ее термостатирования в течение 48 ч с фитановой кислотой, меченной ураном и изотопом 14С. Условия разделения и условные обозначения те же, что и на рис. 9.14 [137].
очищали с помощью ГЖХ. Для того чтобы установить расположение олефиновых групп, отбирали определенные фракции хроматографически разделенных веществ.
Болезнь Рефсума [культура (ГАП)] [133] представляет собой врожденное заболевание нервной системы. Кленк и Кальке [134] показали, что оно связано с накоплением в крови и тканях фитановой кислоты (3,7,11,15-тетраметил гексадекановая кислота). Штейнберг и сотр. [135, 136] показали, что фитановая кислота
имеет экзогенное происхождение и что у людей, страдающих этим заболеванием, наблюдаются нарушения метаболизма этой кислоты. Недавно опубликованные результаты, полученные Герндоном с сотр. [137], показывают, что наблюдаемое у животных окисление эфира фитановой кислоты путем окисления углерода в сс-положе- ние происходит также и в тканях человека и что основной ферментативный дефект, связанный с болезнью Рефсума, заключается в образовании а-оксифитановой кислоты, что, как полагают, является первым этапом окисления фитановой кислоты [138——140]. Вывод авторов работы [137] подтвердился и наблюдаемым распределением радиоактивности по жирным кислотам в термостатированных смесях с фитановой кислотой-и-С, в которой находились контрольная культура и культура ГАП. Газовая хроматограмма выделенных метилированных жирных кислот и радиоактивности фракций, отобранных из контрольной культуры, приведена на рис. 9.14.
Значительную радиоактивность обнаружили в эфирах пристановой и 4,8,12-триметилдекановой кислоты, причем оба эти вещества ранее идентифицировали как продукты деградации, происходящей при метаболизме фитановой кислоты в организме человека. После такого же термостатирования культуры ГАП получили результаты, показанные на рис. 9.15. Наблюдался лишь один пик исходного эфира фитановой кислоты. Не было никаких признаков распада молекул с образованием разветвленных промежуточных соединений или объединения молекул в прямоцепочечные жирные кислоты.
ТМС-эфиров салицина и пицеина, поэтому собранные компоненты смеси гликозидов идентифицировали как салицин и пицеин.
Рот и Гарман [144] провели эксперименты с целью проверить, может ли у-аминомасляная кислота （丫-AMK） служить предшественницей у-оксимасляной кислоты （丫-ОМ） в мозге живой крысы. Интерес к этой проблеме связан с тем, что, как утверждают некоторые работы, у-бутиролактон （丫-ВЛ） и у-ОМ （продукт гидролитического расщепления его двойных связей） могут вызывать потерю сознания и анестезию у человека и различных животных [145——147]. Повышенный уровень у-АМК в мозге, по всей видимости, не вызывает подавления центральной нервной системы [148, 149]. Мы опирались здесь на факты, приведенные в оригинальной работе по биологическим аспектам этого вопроса. у-ОМ-3Н, образующуюся из у-АМК, меченной тритием, превращали в 丫-ВЛ, которую затем подвергали разделению с помощью ГЖХ. Для улавливания разделенных веществ газовый поток из колонки пропускали через раствор, содержащий сцинтиллирующее вещество. После этого сразу измеряли радиоактивность раствора. Радиоактивность хроматографической полосы у-ОМ （у-БЛ）, полученной из подопытных животных, превышала радиоактивность соответствующих хроматографических полос, полученных из контрольных животных. Этот факт рассматривали как доказательство того, что в мозге живой крысы 丫-АМК-зн превращается в у-ОМ-3Н.
Кертис {90] с помощью ГЖХ разделял персилированную фруктозу на пять компонентов. Выделение отдельных компонентов для последующего анализа с помощью инфракрасного и масс-спектрометрического анализа он осуществлял с помощью препаративной ГЖХ. Два из этих компонентов были пиранозиды, два ——фуранозиды и один ——фруктоза с открытой цепью. Он обнаружил, что равновесная смесь фруктозы содержала около 33% фуранозида и около 67% пиранозида.
Барнетт и сотр. [150] описали методику применения ГЖХ для разделения и оценки количеств эфира пировиноградной кислоты, эфира молочной кислоты, эфира р-оксимасляной кислоты и некоторых промежуточных соединений цикла Кребса, содержащихся в тканях крыс. Для коррекции потерь каждого из этих веществ во время экстрагирования и хроматографирования в качестве внутреннего стандарта они использовали то же вещество, меченное изотопом 14С. Для этого хроматографически разделенные вещества собирали по выходе из колонки и измеряли их радиоактивность. Для определения фоновой радиоактивности колонки отбирали фракции в промежутках между выходом хроматографических полос компонентов смеси и измеряли их радиоактивность. Воспроизводимость результатов измерений определяли по экстракту из печени. Средний разброс этих результатов составлял 3——7%.
Там и Хольмстедт [151, 152] обнаружили, что в моче человека, кроме обычно встречающейся 1-метилимидазол-4-уксусной кислоты
(1,4-МИУК)—продукта метаболизма гистамина, содержится и 1 -метилимидазол-5-уксусная кислота (1,5-МИУК). Там [153] проводил аналогичные исследования и на собаках, используя гистамин-2 и 1-гистидин-2, меченные изотопом 14С. После предварительной очистки имидазольных кислот он приготовил их метиловые эфиры, которые затем подвергал анализу с помощью ГЖХ. После сбор а р аздел енных веществ измерял ась их р адиоактивность.
Рис. 9.16. Газожидкостная (вверху) и раднохроматограммы экстракта из мочи собаки, которая получала с пищей меченый гистидин. Неподвижная фаза: 10%-ный этиленгликолевый эфир адипиновой кислоты. В нижней части рисунка показаны радиоактивности различных отобранных фракций. Полная радиоактивность введенной пробы 1240 имп/мин. Соединение, имеющее время удерживания 35—40 мин, идентифицировано не было [153].,Рис. 9.16. Газожидкостная (вверху) и раднохроматограммы экстракта из мочи собаки, которая получала с пищей меченый гистидин. Неподвижная фаза: 10%-ный этиленгликолевый эфир адипиновой кислоты. В нижней части рисунка показаны радиоактивности различных отобранных фракций. Полная радиоактивность введенной пробы 1240 имп/мин. Соединение, имеющее время удерживания 35—40 мин, идентифицировано не было [153].,2fl/s/”72?0864 2D K3*5^Es.ynyetda qEOH9£DOQd2fl/s/”72?0864 2D K3*5^Es.ynyetda qEOH9£DOQd
Рис. 9.16. Газожидкостная (вверху) и раднохроматограммы экстракта из мочи собаки, которая получала с пищей меченый гистидин. Неподвижная фаза: 10%-ный этиленгликолевый эфир адипиновой кислоты. В нижней части рисунка показаны радиоактивности различных отобранных фракций. Полная радиоактивность введенной пробы 1240 имп/мин. Соединение, имеющее время удерживания 35—40 мин, идентифицировано не было [153].,
Рис. 9.16. Газожидкостная (вверху) и раднохроматограммы экстракта из мочи собаки, которая получала с пищей меченый гистидин. Неподвижная фаза: 10%-ный этиленгликолевый эфир адипиновой кислоты. В нижней части рисунка показаны радиоактивности различных отобранных фракций. Полная радиоактивность введенной пробы 1240 имп/мин. Соединение, имеющее время удерживания 35—40 мин, идентифицировано не было [153].,
2fl/s/”72?0864 2D K3*5^Es.ynyetda qEOH9£DOQd
2fl/s/”72?0864 2D K3*5^Es.ynyetda qEOH9£DOQd
На рис. 9.16 представлены результаты применения этого метода к анализу экстрактов мочи собаки, которая получала с пищей меченый гистидин. Основная радиоактивность и масса разделенных веществ сосредоточены в хроматографической полосе имидазолуксусной кислоты (ИУК). Хроматографические полосы 1,4-МИУК и 1,5-МИУК фактически не имели радиоактивности. Соединение, соответствующее второму хроматографическому пику с радиоактивностью (время удерживания 30——40 мин), до сих пор осталось неидентифицированньш [154]. В аналогичных экспериментах, когда собаке давали с пищей гистаадин-2, меченный изотопом 14С, или вво-
дили его подкожно, наблюдали внедрение изотопа 14С в ИУК. После подкожного ввода гистамина образовывалась 1,4-МИУК； был обнаружен также пик 1,5-МИУК, которая не обладала радиоактивностью.
Фэйлз и сотр. [111] продемонстрировали возможность применения препаративной ГЖХ к анализу алкалоидов с использованием сорбентов с низким содержанием жидкой фазы, типичным для такого рода аналитических разделений. Соответствующая хромато-
Рис. 9.17. Хроматограмма смеси алкалоидов. Разделяемая смесь состояла из свободных оснований гидрохлоридов, растворимых в хлороформе и содержащихся в экстракте из растений семейства Buphane guttata. Вертикальные линии показывают интервалы отбора фракции. С помощью аналитической ГХ установили, что чистота всех разделенных веществ была не менее 98%. Соединения известной структуры идентифицировали как буфанизин (фракция 2), буфанидрин (фракция 5) и ундулатин (фракция 6). Соединения 1, 4 н 8 представляют собой новые алкалоиды, впервые полученные этим методом. Условия разделения те же, что н на рис. 9.1 [111].
Полная шкала 1 • 10-9 ампер.
грамма 'разделения смеси алкалоидов (величина пробы 7 мг), выделенной из растений семейства Amaryllidaceae, приведена на рис. 9.17. Вертикальные линии на этом рисунке показывают интервалы отбора фракций. Все отобранные фракции подвергали анализу с помощью ГЖХ, инфракрасной спектроскопии и других физических методов. Чистота разделенных компонентов смеси, которую определили с помощью аналитической ГЖХ, оказалась выше 98%. Компоненты, соответствующие фракциям 2, 5 и 6, идентифицировали соответственно как буфанизин, буфанидрин и ундулатин ——
21 Зак. № 570
известные алкалоиды, содержащиеся в растениях семейства Amaryl- lidaceae. Соединения, соответствующие фракциям 1, 4 н 8, ранее известны не были и были впервые выделены с помощью этого метода. Препарат дамиана состоит из высушенных листьев Тиг пега diffusa или Turner a aphrodisiaca — растений, которые распространены в областях от Техаса к югу. В 1879 г. в США листья этих растений стали впервые использовать как лекарственный препарат, который имеет широкое применение как дезинфицирующее средство при заболеваниях мочевых путей и для возбуждения центральной нервной системы. Недавно Аутерхофф и Нейфель [155] провели исследование этого давно известного • «чудо-лекарства» с помощью препаративной ГЖХ, и им удалось охарактеризовать некоторые из его компонентов. Используя времена удерживания (полученные на трех разных колонках), а также данные анализов с помощью ТСХ, инфракрасной спектроскопии и оптического вращения, основные компоненты «низкокипящей» фракции этого препарата удалось идентифицировать как а-пинен, р-пинен, n-цимен и 1,8-цинеол. Препаративное разделение «высококипящей» фракции дало три компонента, которые классифицировали как сесквитерпены. Для основного компонента ——соединения F, которое получили в количестве 300 мг, определили точку кипения, молекулярный вес и элементарный состав. На основе этих данных ему приписали эмпирическую формулу С15Н24. Данные ультрафиолетовой спектрометрии и результаты гидрирования этого соединения показали, что в его молекуле имеются две несопряженные двойные связи. Последующий анализ с помощью спектроскопии ЯМР и инфракрасной спектроскопии позволил авторам прийти к выводу, что соединение 尸 является изомером продажного гуаджена.
Одним из ранних применений препаративной ГЖХ как основного метода выделения и идентификации веществ являются исследования полового аттрактанта американского таракана, проведенные Вартоном и сотр. [156]. В другой работе (Бедарт и сотр. [157]), которая относится к применениям препаративной ГЖХ в энтомологических исследованиях, изучается реакция жучка, обитающего на сосне Dendroctonus brovicornus, на его половой феромон зкзо- бревикомин в естественных условиях, а также возможное синергическое действие терпена растения-хозяина ——мирцена. Браунли и Сильверштейн [158] сначала выделили половой аттрактант из органов этого жучка, а затем с помощью препаративной ГЖХ, метода определения углеродного скелета и МС идентифицировали его как бревикомин. Мирцен ——один из основных компонентов ксилольной вытяжки живицы растений Pinus ponderosa и Pinus coulteri. Его получили в полупромышленном масштабе и очистили с помощью повторных препаративных газохроматографических разделений. Авторы сообщают, что чистота очищенного мирцена, определенная с помощью аналитической ГЖХ, была равна 99,8%.
Родин и сотр. [159] идентифицировали два компонента полового аттрактанта самки жучка Trogoderma inculsum Le Conte. Исходным материалом в этом эксперименте были 250 000 неспарившихся женских особей жучка. После соответствующей обработки этого материала было получено 5 г активной фракции, которую затем подвергли препаративному разделению с помощью ГЖХ. Путем разделения на колонке с жидкой фазой SE-30, а затем на колонке с фазой карбовакс 20М авторы получили соединение 1 (около 1 мг из 100000 штук жучков). Для получения 0,2 мг соединения 2 потребовалось третье р-азделение на колонке с диэтиленгликолевым эфиром янтарной кислоты. Для соединения / получили инфракрасный и масс-спектры, спектр ЯМР и измерили величину оптического вращения; для определения структуры этого соединения использовали также озонолиз, гидрогенолиз и аналитическую ГЖХ. В результате соединение 1 идентифицировали как (—)-14-метил-/{ис-гексадецен- 8-ол-1. Соединение 2 с помощью инфракрасного и масс-спектраль- ных анализов, озонолиза и измерения величины оптического вращения идентифицировали как эфир (——)-метил-14-метил-/{ис- гексадеценовой-8 кислоты. Оба соединения синтезировали, и они оказались биологически активными. Спектральные данные для выделенных и синтезированных соединений совпадали.
Тумлинсон и сотр. [159а] описали выделение и идентификацию двух альдегидов и двух спиртов терпенового ряда, содержащихся в семенниках самцов долгоносика Anthonomus grandis Boheman. Пробу для биологического анализа, а также для масс-спектрометрического, инфракрасного и ЯМР-анализов авторы получали с помощью препаративной ГЖХ. Два альдегида, выходящие из препаративной колонки с жидкой фазой SE-30 в виде одной хроматографической полосы, помещали на каплю 2,4-динитрофенилгидразина^ помещенную на пластинке для ТСХ. Разделение на этой пластинке образующихся производных соединений очень напоминало разделение эталонных карбонильных соединений терпенового ряда. Авторы синтезировали все четыре идентифицированных соединения терпенового ряда, определили их биологическую активность и получили их масс-, инфракрасные и ЯМР-спектры. Полученные при этом данные совпадали с соответствующими данными для анализируемых соединений природного происхождения.
Смит и сотр. [160] описали выделение и идентификацию веществ, вызывающих специфический характерный запах пота больных шизофренией. С помощью аналитической ГЖХ они обнаружили кислоту, которая содержится в поте только этих больных. Значение времени удерживания этой кислоты находилось между значениями для н-энантовой кислоты и н-каприловой кислоты. С помощью препаративной ГЖХ авторы получили примерно 230 мкг этой неизвесТ' ной кислоты. По данным масс-спектрального, инфракрасного спектрального и ЯМР-анализа, анализа с помощью ГЖХ и сравнения с эталонным соединением эту кислоту удалось идентифицировать
.как транс-3-метилгексановую кислоту. Подтверждение результатов определения положения двойных связей в природной и синтезированной кислоте получили в результате расщепления двойной связи с образованием пентанона-2 и щавелевой кислоты.
Тейлор и сотр. [161] описали синтез dl-^-З^транс-тетр^и^рО' каннабинола — рацемической модификации одного из физиологически активных компонентов гашиша (марихуаны). Разделение цис- и транс-изомеров этого вещества осуществили с помощью препаративной ГЖХ. По данным ЯМР-, ультрафиолетового и инфракрасного спектральных анализов транс-изомер оказался идентичен соединению, выделенному из конопли, и лишь оптические активности этих веществ отличались друг от друга. В процессе разделения с помощью ГЖХ авторы наблюдали термическую изомеризацию ДМ,4-транс-изомера до А6-3,4-транс-изомера и предположили, что физиологическое действие гашиша, приписываемое в настоящее время А^изомеру, на самом деле может быть связано с Д6-изоме- ром.
VI. ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Если вещество, способное, как думали алхимики, превращать неблагородные металлы в благородные, было названо «философским камнем》，то препаративную газохроматографическую колонку можно, наверно, назвать «философской трубкой», которая обеспечивает очистку веществ путем разделения их смеси в газовой фазе. Однако, чтобы не слишком обольщаться нашими достижениями •в этой области, следует вспомнить недавно опубликованную работу Нидмана и Гвей-Джена [162]. В этой работе авторы пишут о том, что еще в XI веке нащей эры китайские ятрохимики применяли замечательно тонкие методы фракционирования для выделения из человеческой мочи стероидов половых гормонов, применявшихся в полуэмпирической медицине тех дней. Завершающим этапом в этих методах была сублимация в глиняных горшках. «Большое внимание обращалось на степень нагревания с тем, чтобы горшки не были ни слишком горячими, ни слишком холодными» [162]. Все мы согласимся с тем, что со времен алхимиков произошел значительный технический прогресс в этой области, однако и по сей день в ГЖХ мы все еще не в состоянии преодолеть трудности, связанные с температурным режимом. Однако существует возможность (лучше сказать, необходимость) создания новой улучшенной методологии, и на этом замечании мы хотели бы здесь остановиться. Последние достижения в 「水X, включая образование специальных производных и создание новых детекторов, позволили расширить применение ГЖХ для анализа многих типов соединений, нелетучих в нормальных условиях, а также уменьшить величину анализируемых проб до нанограммов и пикограммов. Настало время, когда хроматографисту нужно «дерзнуть》и довести
величину разделяемых проб веществ, имеющих близкие свойства и представляющих интерес для химика-фармацевта, до уровня миллиграммов и субмиллиграммов. Этого можно добиться, применяя автоматизацию, улучшая методы приготовления колонок (например, используя текстурированные стеклянные бисерные шарики) для получения высокой эффективности или разрабатывая другие, еще не открытые способы.
По-видимому, можно повысить ценность препаративной ГЖХ за счет использования уже известных явлений. Так, например, в процессе разделения с помощью ГЖХ происходит изменение структуры молекул, причем считается, что эти изменения вредны и их следует избегать. Однако вполне возможно, что подобные количественные превращения, происходящие в колонке, можно сделать полезными, если продукты этих превращений имеют потенциально полезную структуру. Так, было показано [163], что ацетилгидрокса- маты длинноцепочечных жирных кислот претерпевают в колонке перегруппировку Лоссеня, превращаясь в соответствующие изоцианаты, а метансульфонаты и /г-толуолсульфонаты вторичных спиртов (например, холестанол) претерпевают реакцию отщепления^ превращаясь в соответствующий олефин [67, 164]. Препаративная ГЖХ могла бы быть прекрасным методом получения пиро- и изокальциферола [56]. Другими примерами внутриколоночных превращений являются реакция образования винилферроцена 《в очень чистом виде» [165] из а-оксиферроцена и декарбоксилирование перфтораро- матических кислот с образованием соответствующих гидроаромати- ческих соединений [166]. Таким образом, во время процесса хроматографического разделения в колонке происходят, по-видимому, некоторые из реакций, известных в органической химии [167]. Можно вообразить себе нечто вроде газохроматографической колонки, которая одновременно служит и реактором. В этот реактор вводят нестабильные соединения и на выходе из него собирают продукт превращения, свободный от реагентов, побочных продуктов и исходных соединений.
Иногда считают, и вполне обоснованно, что возможности применения аналитической и препаративной ГЖХ уменьшаются из-за необходимости подвергать анализируемое вещество действию высоких температур. Число происходящих в колонке чисто термических реакций невелико, однако следует четко различать изменения структуры молекул, обусловленные этими термическими эффектами (например, перегруппировку Лоссеня [163], отщепление в сульфонатах [67, 164], циклизацию витамина £>), и те превращения,которые связаны с нежелательными поверхностными эффектами. Примером последних превращений является дегидрирование холестерина в процессе газохроматического разделений, которое происходит на недезактивированном носителе и которого можно избежать, применяя носитель, дезактивированный в должной мере [168]. Разложение, связанное с поверхностными явлениями в процессе
препаративного газохроматографического разделения, наблюдал Боуэрс [169]. Разложению при этом подвергались эпокиси терпенового ряда в колонке из нержавеющей стали. Это разложение удалось существенно уменьшить путем золочения начального участка колонки, а при золочении всей колонки оно полностью исчезало. Подобная щедрость в преодолении трудностей, связанных с разложением веществ в колонке, свидетельствует об огромном желании расширить область применимости препаративной ГЖХ.
В области разделения веществ с очень малой летучестью (сахара, аминокислоты, нуклеозиды, нуклеотиды, полимеры) без использования производных многого можно ожидать от метода, в котором подвижной фазой является газ, находящийся при температуре и давлении выше критических (при давлениях порядка 2000 атм большинство газов напоминают жидкости и имеют свойства, аналогичные свойствам жидкостей, и их можно использовать в качестве растворителей) [170]. Следующим шагом в развитии ГЖХ являются последние достижения в области жидкостной хроматографии, такие, как высокоскоростные [171, 172] и высокоэффективные [171, 173] системы, а также новые неподвижные фазы и носители (например, «щетки» Халаша [174] и носители с контролируемой пористостью [172]). Все это делает жидкостную хроматографию весьма привлекательной для исследователей, работающих со сложными смесями нелетучих веществ . Специалист по газовой хроматографии не должен предубеждать себя/ против этих новых методов： они наверняка окажутся полезными и интересными.
Для успешного решения многочисленных разнообразных задач необходимо иметь в своем распоряжении разнообразные методы и умело выбирать тот из них, который позволяет решить задачу с наименьшими затратами усилий и денег. Нет никакой необходимости настраивать сложное и дорогое лабораторное оборудование, когда, например, требуемую очистку вещества можно обеспечить путем двукратной рекристаллизации его из подходящего растворителя. Если же этого оказывается недостаточно, то можно прибегнуть к помощи более тонких методов, таких, как препаративная ГЖХ. Эти вопросы должен решать сам исследователь, его решение является важнейшим этапом в любом эксперименте. Мы надеемся, что данная глава обратила внимание исследователей, работающих в биохимии и биомедицине, на потенциальные возможности и ограничения при использовании препаративной ГЖХ в этих важнейших областях науки.
СПИСОК ЛИТЕРА ТУРВГ”'
Martin 4 J. P., Synge R. L. M, Biochem. J., 35, 1358 (1941).
Lipsky S R., Landowne R. 4, Ann. Rev. Biochem., 29, 649 (I960).
VandenHeuvel 取.J. 4, Sweeley C.。，Horning E. C., J. Am. Chern. Soc„ 82, 3481 (I960).
Lloyd H. A., Fales H. M, Highet P.尸.，VandenHeuvel 取.J. A., Wildman W. C., J. Am. Chern. Soc., 82, 3791 (I960).
HorningE.C., VandenHeuvelW. J. A., Ann.Rev. Biochem., 32, 709(1963).
HorningM.G., Boucher E, 4,Moss 4 M., J.Gas Chromatog., 5, 297(1967);
SennelloL.T., Kummerow F.A,, ArgoudellsC.几 J. Hetero. Chem.,4, 295
(1967)； Prosser A. R., Sheppard 4 J., Libby D. 4, J. Assoc. Offic. Agri. Chern., 50, 1348 (1967).
Horning M. G., Boucher E. A., Moss A. AL, Horning E. C・，Anal. Letters, 1, 713 (1968).
8„ Hancock R. L., J. Chromatog. Sci., 7, 366 (1969).
Eisenberg F, Jr., Bolden A. H., Anal. Biochem., 29, 284 (1969).
Binks R., J. MacMillan J., Price R・ /., Phytochemistry, 8, 271 (1969).
Vane F., Horning M. G, Anal. Letters, 2, 357 (1969); Granstrom E, Samuelsson A, J. Am. Chern. Soc., 91, 3398 (1969); Hamberg M., European J. Biochem., 6, 135 (1968).
Tsuji K・，Robertson 丄Anal. Chem., 41, 1332 (1969).
Wilson W, E, Ripley 丄反，Anal. Chem., 41, 810 (1969).
Casparrini G., Hornings Л4. G., Horning E. C., Anal. Letters., 1, 481 (1968).
Gudzinowicz B. J., Gas Chromatographic Analysis of Drugs and Pesticides, Marcel Dekker, New York, 1967; Wotiz H. //., Clark S /,, Gas Chromatography in the Analysis of Steroid Hormones, Plenum Press, New York, 1966； Street И. J. Chromatog., 41, 358 (1969).
Brooks C. /. W., Hanaineh 厶，McCormick A., Steel C., 'Young J. £, in Gas Chromatography of Hormonal Steroids, R. Scholler, M. F. Jayle, eds., Gordon and Breach, New York, 1968； VandenHauvel 尸.A., Court 4 S., J. Chromatog., 39, 1 (1969).
Curtius H.-С., Muller M., J. Chromatog., 32, 222 (1968).
Kaiser R., Chern. Brit., 5 (2), 54 (1969).
McCloskey 7. A., in Methods in Enzymology, Vol. 14, Lipids, J. M. Lowenstein, ed., Academic Press, New York, 1969; Horning E. C., Brooks C. J.取.，Vanden- 『Heuuel W. Z. A., 'in Advances in Lipid Research, R. Paoletti, D. Kritchevsky, eds., Vol. 6, Academic Press, New York, 1968.
Swell Z” Anal. Biochem., 16, 70 (1966).
Russell P. T., van Aller R 7., Nes 取.R., J. Biol. Chem., 242, 5802 (1967).
Martin. R. O., Anal. Chem., 40, 1197 (1968).
Smith S., Watts R., Dils R., J. Lipid Res., 9, 52 (1968).
Sapina 庇.R., in Biomedical Applications of Gas Chromatography, _H. A. Szymanski, ed., Plenum Press, New York, 1964.
Bishop C.工，in Methods of Biochemical Analysis, D. Glick, ed.} Vol. X, Interscience, New York, 1962.
VandenHeuvel W.工 4, Horning E. C” Biochem. Biophys. Res. Commun., 4, 399 (1961).
Sweeley С. C., Wells W. W., Bentley R., in Methods of Enzymology, Vol. 8, -S. P. Colowick, N. O. Kaplan, eds., Academic Press, New York, 1966.
Weinstein A, in Methods of Biochemical Analysis, D. Glick, ed., Vol. 14, Interscience, New York, 1966.
Ruhlmann R,, Giesecke 取.，Angew. Chem., 73, 113 (1961).
Stalling D., Gehrke C.吃，Zumwalt R. W., Biochem. Biophys. Res. Commun.,
616 (1968)..
VandenHeuvel Ж 丄 4, Smith J. L, Cohen J. S, J. Chromatog. Sci., 8, 567 (1970).
32.32.Gehrke C. IF., Roach D, Zumwalt R. /., Stalling D. L., Wall L. L, Quantitative .Gas-Liquid Chromatography of Amino Acids in Proteins and Biological
32.
32.
Substances, Analytical Biochemistry Laboratories/ Columbia, Missouri, 1968； Roach D„ Gehrke C.取.，J. Chromatog., 43, 303 (1969).
Del Favero 4, Darbre 4, Waterfield M„ J. Chromatog., 40, 213 (1969); /s- A., Darbre 4, J. Chromatog., 43, 11 (1969)； Gelpi E, Koenig Г. 4, Gilbert J., 0ro J., J. Chromatog. Sci., 7, 604 (1969).
Pisano J. J., VandenHeuvel W. J. A„ Horning E. C., Biochem. Biophys. Res. Commun., 7, 82 (1962).
Pisano J. /., in Theory and Application of Gas Chromatography in Industry and Medicine, H. S. Kroman, S. R. Bender, eds., Grune and Stratton. New York, 1968.
Harman R. E, Patterson J.厶，VandenHeuvel 取.J. 4, Anal. Biochem, 25, 452 (1968).
36a. Melvas~B.吃，Acta Chem. Scand., 23, 1679 (1969).
Makita M., Wells W.取.，Anal. Biochem., 5, 523 (1963)； VandenHeuvel W. J. 4, 'Braly K・ £..K・，J. Chromatog., 31, 9 (1967).
Sjovall J., in Biomedical Applications of Gas Chromatography, H. A. Szymanski, ed., Plenum Press, New York, 1964； Sjovall J., in The Gas-Liquid Chromatography of Steroids, J. K. Grant, ed., Cambridge University Press, Cambridge, 1967.
VandenHeuvel W. J. 4, J. Chromatog., 25, 29 (1966).
Dalgliesh С. E, Horning E. C, Horning M. G., K^。％ K・ L, Yarger K・，Biochem. J„ 101, 792 (1966).
Wells W. W., Katagi T., Bentley R., Sweeley С. C, Biochim. Biophys. Acta, 82, 408 (1964).
Jaakonmaki P. /., Yarger R 4, Horning E. C, Biochim. Biophys. Acta, 137, 216 (1967); VandenHeuvel 吃 J. 4, J. Chromatog., 28, 406 (1967).
Horning M. G., Яoss 4 M, Boucher E. 4, Horning E. & Anal. Letters, 1, 311 (1968); Vessman 丄，Afoss A. M.} Horning M. G., Horning E. C., Anal Letters, 2, 81 (1969)； Anggard E, Sedvall G., Anal. Chem., 41, 1250 (1969).
Horning M. G・,Moss A. M, Horning E. C., Biochim. Biophys. Acta, 148, 一497 (1967)； VandenHeuvel 取.J. 4, J. Chromotog., 36, 354 (1968).
Fales H. M, Luukkainen Z, Anal. Chem., 37, 955 (1965).
Horning M. G., Moss A. AL, Horning E. C, Anal. Biochem., 22, 284 (1968).
Klebe J. F., Finkbeiner "., White D M„ J. Am. Chem. Soc., 88, 3390 (1966).
Pierce A. E, Silylation of Organic Compounds, Pierce Chemical Co., Rockford, Illinois, 1968.■
Chambaz E AL, Horning E C., Anal. Biochem., 30, 7 (1969).
Horning E. C., VandenHeuvel W. J. A, in Advances in Chromatography, Vol. 1, J. C. Giddings, R. A. Keller, eds., Marcel Dekker, New York, 1965.
VandenHeuvel W. J. 4, Sweeley С. C, Horning E. & in Drugs Affecting Lipid Metabolism, S. G.arattini, R. Paoletti, eds., Elsevier, Amsterdam, 1961; unpublished results.
VandenHeuvel 收 /. A., Sjovall J., Horning E. C., Biochim. Biophys. Acta. 48, 596 (1961).
VandenHeuvel 取./. 4, J. Chromatog., 26, 396 (1967).
OkerhQlm R. 4, Brecher P. /., Woltiz И. Я., Steroids, 12, 435 (1968).
Brooks C. J.取.，Horning E. C., Young 丄 S.,_Lipids, 3, 391 (1968).
55a. Meinwald J., Meinwald У. G, Mazzocchi R. "., Science, 164, 1174 (1969).
Ziffer H.f VandenHeuvel 吃丄 4, Haahti E O. 4, Horning E C” J. Am Chem. Soc., 82, 6411 (I960).
56a. VandenHeuvel 呼./. 4, Horning E C, Biochem Biophys. Res. Commun., 3, 356 (I960).
Minini E, Orr /. C., Gibb R. G, Engel L. £., in Gas Chromatography of Hormonal Steroids, R. Scholler, M. F. Jayle, eds., Gordon and Breach, New York, 1968.
Brooks C. L 九 Anal. Chem., 37, 636 (1965).
Kirscher M 4, Fales И. M, Anal. Chem., 34, 1548 (1962).
Gardiner 取.L., Horning E. C, Biochem. Biophys. Acta, 115, 524 (1966).
VandenHeuvel 取.丄 4, Patterson J. L., Braly K・厶 K・，Biochim. Biophys., Acta, 144, 691 (1967).o
Anthony G. M, Brooks C J. /•, Maclean /., Sangster /., J. Chromatog. Sci„ 7, 632 (1969).
Kelly R・取•，Steroids, 13, 507 (1969)； J. Chromatog., 43, 229 (1969).
Horning E. C., VandenHeuvel W. J. 4, Creech B. G., in Methods of Biochemical Analysis, Vol. 11, D. Glick, ed., New York, 1963.
VandenHeuvel W. J. A., Horning E. C„ in Biomedical Applications of Gas Chromatography, H. A. Szymanski, ed., Plenum Press, New York, 1964.
Horning E. C.j Maddock K・ C., Anthony K・乙 VandenHeuvel W.丄 4, Anal. Chem., 35, 526 (1963).
VandenHeuvel Г.工 4, Stillveil R. M, Gardiner E 厶，Wikstrom S, Horn- >ing E. C, J. Chromatog., 19, 22 (1965).
Dutky R. C., Robbins 取.E, Shortino T.几 Kaplanis J. M, Vroman ". E, J. Insect Physiol., 13, 1501 (1967).
VandenHeuvel W. J. 4, Gardiner F.厶，Horning E. C, J. Chromatog., 27,
85 (1967).
Haahti E. 0. 4, Fales И, M, J. Lipid Res., 8, 131 (1967).
Tanaka K・，Horning M. G., Horning E. C” unpublished results, 1964.
VandenHeuvel 取.J・ 4, Creech B. G., Horning E, C„ Anal. Biochem., 4, 191 (1962).
VandenHeuvel 取.J. /., Separation Sci., 3, 151 (1968).
Sjovall J., Sjovall R, Steroids, 12, 359 (1968).
Brooks G. T., Harrison 4, Chem. Ind. (London), 1414 (1966).
Brooks C J.取.，Chambaz E. AL, Horning E. C., Anal. Biochem., 19, 234 (1967).
Brooks C. J., Watson J,, J. Chromatog., 31, 396 (1967)..
Karkkainen J. E, Haahti E. 0. 4, Lehtonen A. P., Anal. Chem., 38, 1316 (1966).
Ryhage R., Anal. Chem., 36, 759 (1964).
Watson J. T., Biemann K・，Anal. Chem., 36, 1135 (1964).
Lipsky S A., Horvath C. G., McMurray 取.丄，Anal. Chem., 38, 1585 (1966).
Merritt C„ Jr., Bazinet M. L, Yeomans 取.G., J. Chromatog. Sci., 7, 122 (1969).、
Black D. R, Flath R. 4, Teranishi R., J. Chromatog. Sci., 7, 284 (1969).
Sweeley С. C, Elliott 取.H., Fries /., Ryhage R., Anal. Chem., 38, 1549 (1966).
Krueger P. M., McCloskey J. A., Anal. Chem., 41, 1930 (1969).
Tham R・，Nystrom L., Holmstedt R, Biochem. Pharmacol., 17, 1735 (1968).
Bryce Г. 4, Eglinton G., Hamilton R. J., Martin-Smith M.f Subramanian G., Phytochemistry, 6, 727 (1967).
87a. Jaakonmaki P. L, Yarger д. 4, Horning E. C., Biochim. Biophys. Acta, 137, 216 (1967).
Greer M.t Hutcheson С E., Williams С. M, Clin. Chim. Acta, 22, 461 (1968).
Glazko A. J., Chang T., Baukema J., Dill F. 4., Goulet 丄 R.,-Buchanen R・ Д., Clin Pharm. Therap., 10, 498 (1969); Wilkinson G. R., Way E. L” Biochem. Pharm., 18, 1435 (1969); Palmer R "•, Martin B, Baggett B., Wall M. E., Biochem. Pharm, 18, 1845 (1969); Hammar C.-G., Hammer 吃，Holmstedt B., Karlen B., Sjoquist 尸.，Vessman j., Biochem. Pharm., 18, 1549 (1969).
Curtins H.C, Muller M, Vollmin /. 4, J. Chromatog., 37, 216 (1968).
Jaakonmaki P. 1., К孔。尤 K・ L., Horning E C., Horning M. G., European J. Pharmacol., 1, 63 (1967).
Hammar G?C., Holmstedt R, Ryhage R., Anal. Biochem., 25, 532 (1968)； Hammar C.-G., Hanin L, Holmstedt B, KUz R. J., Jenden D. J., Karlen R, Nature, 220, 915 (1968).
Karmen 4, Giuffrida £., Bowman R. £., J. Lipid Res., 3, 44 (1962).
Thomas P. J., Dutton H. J., Anal. Chem., 41, 657 (1969).,
Kliman B., Briefer C, Jr., in The Gas-Liquid Chromatography of Steroids, J. K. Grant, ed., Cambridge University Press, Cambridge, 1967.
Goad 厶，，Goodwin Г.取.，European J. Biochem., 7, 502 (1969).
Robbins 取.E, Dutky R. C., m^nroe R. E., Кар1ams 上 M, Ann. Entomol. Soc. Am., 55, 102 (1962).
Schaeffer C. "., Kaplanis 丄 M, Robbins 取.E, J. Insect. Physiol., 11, 1013 (1965).
Raplants J. M, Robbins W. E, Monroe R. E, Shortino T. J., Thompson M. J., J. Insect Physiol,, 11, 251 (1965).
Kaplanis J. M, Monroe R. E, Robbins 取.E., Louloudes S. J., Ann. Entomol.
Soc. Am., 56, 198 (1963).
Svoboda J. A, Thompson M. J., Robbins W. E, Life Sci., 6, 395 (1967).
Popjak G.,kowe A. E, Moore D, Brown L., Smith F.4, J.LipidRes.,1,
29 (1959);Popjak G・,Lowe A. E, Moore D, J. LipidRes.,3, 364(1962).
Karme" 4・，J. Assoc. Offic. Agr. Chem., 47, 15 (1964).
Karmen A.,McCaffrey 九 Bowman R. L., J. Lipid Res.,3, 372(1962).
Karmen 4, J. Gas Chromatog., 5, 502 (1967).
James A. 7., in New Biochemical Separations, A. T. James., L. J. Morris, eds., Van Nostrant, London, 1964.
07. Karmen 4, in Methods in Enzymology, Vol. 14, J. M. Lowenstein, ed., Acade- ' mic Press, New York, 1969.
Kirscher M. 4, Lipsett M. B., J. Lipid Res., 6, 7 (1965).
McCloskey J. 4, Lawson A. AL, Leemans F. A. J. M, Chem. Commun., 285 (1967).
Bentley R., Saha M C., Sweeley С. C., Anal. Chem., 37, 1118 (1965).
Fates H.府.，Haahti E. O. 4, Luukkainen T・，VandenHeuvel W. J. 4, Horning E. C, Anal. Biochem., 4, 296 (1962).
Thompson M. J., Robbins W. E, Baker G. L., Steroids, 2, 505 (1963).
VandenHeuvel W. /. 4, Kuron G.取.，J. Chromatog. Sci., 7, 651 (1969).
van Lier 丄 E” Smith 厶.厶.，J. Chromatog., 36, 7 (1968).
van Lier J. E., Smith L. L., Biochem., 6 (10), 3269 (1967).
Kaiser R., Chromatographic in der Gas Phase, Band IV, Quantitative Aus- wertung, Bibliographisches Institut, Mannheim, 1965.
Jungman R. 4, Calvary E, Schweppe J. S., J. Clin. Endocrinol. Metab., 27,
355 (1967).
Funasaki H” Gilbertson J. R., J. Lipid Res., 9, 766 (1968).
Janne O., Laatikalnen T., Vainio J” Vihko R., Steroids, 13, 121 (1969).
Siperstein M. D., Fagan V. M, J. Biol. Chem., 241, 602 (1966).
Siperstein M 力.，Fagan V. M, Dietschy 丄 M, J. Biol. Chem., 241, 597 (1966).
Corey E. J” Russey W, E, Ortiz de Montellano P. R., J. Am. Chem. Soc., 88, 4750 (1966).
Corey E.几 R"ssey W. E., J. Am. Chem. Soc., 88, 4751 (1966).
Willett J. D., Sharpless K・瓦 Lord К. E, van Tamelen E. E., Clayton R. B, J. Biol. Chem., 242, 4182 (1967).
van Tamelen E. E., Willett 丄 D, Clayton R. B” Lord К E, J. Am. Chem. Socz, 88, 4752 (1966),.
Bergmann 取.，J. Biol. Chem., 107, 527 (1934).
Clark 4 J., Bloch K・，J. Biol. Chem., 234, 2589 (1959).
Ikekawa M, Suzuki (nee Saito), M. Kobayashi, Tsuda K・，Chem. Pharm. Bull., 14, 834 (1966).
Hammarstrand K・，Juntunen J. M, Hennes A. R., Anal. Biochem., 27, 172 (1969).
Nicolaides M, Ansari M. M, Lipids, 4, 79 (1969).
Lo Chag Т.-C., Sweeley С. C, J. Lipid Res., 3, 170 (1962).
Polito A. J., Akita 7., Sweeley C. &., Biochemistry, 7 (7), 2609 (1968),
Refsum S., Acta Psychiat. Scand. Supply,, 38, 9 (1946).
Klenk E, Kahlke 取.，Z. Physiol. Chem., 333, 133 (1963).
Steinberg D, Avigan J., Mize С. E., Eldjarn L., Try H., Refsum S., Bio- chem. Biophys. Res. Commun., 19, 783 (1965).
Steinberg D., Vroom 尸.Q., Engel W. K・，Cammermeyer J., Mize С. E, Avi- gan Ann. Intern. Med., 66, 365 (1967).
Herndon 丄 H., Jr,, Steinberg D., Uhlendorf B.取.，Fales И. M, J. Clin. Invest., 48, 1017 (1969).
Avigan /., Steinberg D, Gutman, 4, Mize С. E., Milne G.取.4, Biochem. Biophys. Res. Commun., 24, 838 (1966).
Mize C. £., Steinberg D, Avigan J., Fales H. M, Biochem. Biophys. Res. Commun., 25, 359 (1966).
Tsai S.C, Herndon J. H., Jr., Uhlendorf B.取.，Fales И. M, Mize С. E, Biochem. Biophys. Res. Commun., 28, 571 (1967).
Bolan. M, Steele J.取.，J. Chromatog., 36,, 22 (1968).
Thieme H., Pharmazie, 19, 471 (1964).
Wong C. S. C., Thesis, University of Manitoba, 1966； see Ref. 141.
Roth R. H., Giarman N.丄，Biochem Pharmacol., 18, 247 (1969).
Laborit H. Jouany J. M., Gerard /., Fabiani P., Neuropsychopharmacology, 2, 490 (1961).
Rubin A 4, Giarman M 几 Yale J. Biol. Med., 19, 1017 (1947).
Laborit B. 4, Jouany J. M, Gerard 丄，Fabiani F., Press Med., 68, 1867 (I960).
Giarman ^. J., Schmidt К. E, Brit. J. Pharmacol. Chemotherap., 20, 563
.x
Mitoma Ch., Neubauer. S. E, Experientia, 24, 12 (1968).!
Barnett D, Cohen R. D, Tassopoulos С. M, Turtle 丄 R” Dimitriadau 4, Fraser T. R, Anal. Biochem., 26, 68 (1968)
7ham R., Life Sci., 4, 293 (1965).
Tham R, Helmstedt B., J. Chromatog., 19, 286 (1965).
Tham R., J. Chromatog., 22, 245 (1966).
Tham R., personal communication, 1969.
Auterhoff H., Haufel И. P” Arch. Pharm., 301, 537 (1968).
Wharton D. R. 4, Black E. D.} Merritt G, Wharton M. L, Bazinet M, Walsh J. T., Science, 137, 1062 (1962).
Bedard W. D, Tilden P. E., Wood D. Lo Silverstein R. M, Brownlee R. G; Robin J. O., Science, 164, 1284 (1969).
Brownlee R. G., Silverstein R. Л1, Anal. Chem., 40, 2077 (1968).
Robin J. O・，Silverstein R. AT, Buckholder 取.頁，Gorman 丄 E, Science, 165, 904 (1969).
159a. Tumllnson 丄".，Hardee D. D., Gueldner R. C, Thompson A. C, Hedin P. 4, Minyard J. P., Science, 166, 1010 (1969).
Smith K・，Thompson G. F., Koster H. D, Science, 166, 398 (1969).
Taylor E. C, Lenard K・，Shvo У” J. Am. Chem. Soc., 88, 367 (1966).
Needham 丄，Gwei-Djen L> Endeavour, 27, 130 (1968).
Vagelos P. R., VandenHeuvel W. J. A., Horning M. G., Anal. Biochem., 2, 50 (1961).
VandenHeuvel 取./. /., J. Chromatog., 43, 215 (1969).
Ayers О. E., Smith Г. G., Burnett J. D., Ponder B. W., Anal. Chem., 38,
1606 (1966).,
DePasquale R. J., Tambor ski C, Chem. Ind. (London), 771 (1968).
Березкин В. Г., Аналитическая реакционная газовая хроматография,《Наука》, М,, 1966.
Supina W. R., Henly R. S., Kruppa R. E, J. Am. Oil Chem. Soc., 43, 202A (1966).
Bowers W. S., private communication, 1969.
Giddings J. C., Meyers M. M, King 丄取.，J. Chromatog. Sci., 7, 276 (1969).
Huber 丄 F. K., J. Chromatog. Sci., 7, 85 (1969).
Kirklahd J. J., J. Chromatog. Sci., 7, 361 (1969).
Sie S. T., van den Hoed M, J. Chromatog. Sci., 7, 257 (1969).
Halasz /., Sebastian S., Angew. Chem., Intern. Ed. Engl., 8, 453 (1965); J. Chromatog. Sci., 7, 129 (1969).
Глава 10
НЕПРЕРЫВНЫЕ ХРОМАТОГРАФИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ
П. Баркер
Р. Е. Barker
Professor of Chemical Engineering,University of Aston, Birmingham, England
L ВВЕДЕНИЕ
Непрерывная хроматографическая очистка (НХО) представляет собой массообменный метод разделения, который появился вскоре после,того, как в 1952 г. Джеймс и Мартин положили начало развитию газовой хроматографии (ГХ). В то время как в аналитической ГХ основное внимание уделяется разделению ничтожных количеств веществ, в НХО делается попытка оптимизировать основные составляющие ГХ, а именно инертный газ, твердый носитель и относительно нелетучую жидкость с целью разделения гораздо больших количеств смесей веществ. Разделяемые смеси включают соединения от углеводородов с малым молекулярным весом до эфирных масел, хелатов металлов и т. д. Совсем недавно область применения методов НХО расширилась и стала включать в себя непрерывное разделение смесей нелетучих веществ, таких, как ферменты, белки и углеводные полимеры, например декстран и другие. Соответствующие разделительные системы могут состоять из инертной подвижной жидкой фазы и такого хроматографического носителя, как шарики из двуокиси кремния с контролируемой пористостью. 、
Для оптимизации системы при увеличении ее производительности от граммов в час до килограммов в час важно не только сконструировать наиболее эффективное разделительное устройство, но и сделать это с минимальными капитальными и эксплуатационными затратами, В течение последних 15 лет существовали две различные точки зрения, касающиеся наилучших способов увеличения масштаба хроматографического процесса, причем все их можно разделить на две основные категории: 1) способы, основанные на использовании периодических методов, и 2) способы, основанные на использовании непрерывных методов.
В периодических методах (1) масштаб хроматографического процесса расширяют за счет увеличения диаметра слоя насадки с одновременным использованием специальных систем радиального перемешивания газового потока при минимальном продольном перемешивании. В непрерывных методах (2) слой хроматографиче- ской насадки движется навстречу потоку инертной подвижной фазн. При надлежащем выборе скоростей движения слоя насадки
и подвижной фазы один компонент или группа компонентов движется преимущественно Вместе с инертной подвижной фазой, а другой компонент или остальные компоненты движутся в направлении движения слоя насадки.
Периодический метод впервые применили в 1953—1954 гг. В те-, чение последующих лет его активно, развивали, и теперь соответствующие устройства с колонками диаметром около 30 см и более даже имеются в продаже.
Непрерывный хроматографический метод возник вскоре после периодического (1955—1956 гг.) и принял несколько форм. Можно упомянуть, в частности, метод с вертикально движущимся слоем насадки, в котором происходит истирание частиц, и метод с вращающимися по окружности колонками, при котором насадка не движется относительно колонки и не происходит истирания ее частиц. В научных публикациях описываются лишь непрерывные устройства с колонками небольшого диаметра, однако есть все основания считать, что в промышленности используются и колонки с диаметрами, сравнимыми с диаметрами колонок, типичными для периодических хроматографов.
Исследователи, которые пользуются непрерывными методами, руководствуются следующими причинами:
Объем, занимаемый большой пробой, введенной в колонку хроматографа периодического действия, уменьшает эффективность колонки, однако в какой-то мере это можно преодолеть, применяя повторное введение меньших проб.
При непрерывном методе потери эффективности массопере- дачи, обусловленные увеличением размеров колонки, не играют столь большой роли, так как нетрудно увеличить длину колонки и обеспечить тем самым необходимую чистоту разделенных веществ. В то же время в периодическом методе увеличение длины колонки выше определенного предела приводит к появлению обратного перемешивания и даже к ухудшению чистоты разделенных веществ.
Для получения заданной степени разделения двух компонентов смеси в периодическом методе требуется большее число теоретических тарелок, чем в непрерывном. В какой-то степени это преимущество непрерывйого метода может быть утеряно в случае разделения смеси, содержащей несколько компонентов. Дело в том, что , для полного разделения с помощью непрерывного метода смеси, содержащей N компонентов, требуется N—1 колонок, как и в других непрерывных массообменных процессах.
Опыт показывает, что непрерывный метод обеспечивает большую" производительность, большую чистоту разделенных веществ и меньшие затраты, чем периодический, поэтому в химической промышленности и в большинстве других массообменных процессов разделения ему отдают предпочтение.
II. ПРИНЦИПЫ, ЛЕЖАЩИЕ В ОСНОВЕНЕПРЕРЫВНОЙ ХРОМАТОГРАФИЧЕСКОЙ ОЧИСТКИ
Метод НХО, как и другие методы разделения веществ, основан на том, что различные вещества по-разному распределяются между Двумя фазами — подвижной и неподвижной. Подвижная фаза мо- жет быть газом илц жидкостью. В качестве неподвижной фазы можно использовать нелетучий растворитель, адсорбированный на поверхности подходящего твердого носителя, такого, как кизельгур, который в этом случае не принимает участия в процессе разделения. Неподвижная фаза может быть также и твердой, как, например, адсорбент, молекулярные сита, ионообменная смола и т. д.
Каждая неподвижная фаза селективна по отношению к тому или иному компоненту разделяемой смеси.
Нелетучий растворитель в качестве неподвижной фазы в непре-* рывной хроматографии действует так же, как и растворитель при экстрактивной дистилляции. Он изменяет равновесие системы газ —— жидкость и способствует тем самым физическому разделению компонентов смеси. Более того, нанося тонкий слой этого растворителя на специально обработанное твердое вещество с большим отношением площади поверхности к объему, можно обеспечить высокую скорость массрпередйчи. При использовании только твердой фазы появляются эффекты, связанные с адсорбцией, диффузией, и электронные эффекты, которые обусловливают селективное удерживание одного компонента ^io сравнению с другим.
В большинстве современных работ по непрерывной хроматографии описываются газожидкостные варианты разделения, и поэтому приводимые ниже сведения из теории относятся именно к такому варианту. Однако читателю не следует забывать об общности этого метода и о его пригодности к другим двухфазным разделительным системам.
О пригодности нелетучего растворителя для данного разделения с учетом рабочих условий процесса можно судить по приведенной на рис. 10.1 хроматограмме разделения двухкомпонентной смеси (45), полученной на газовом хроматографе.
Линейная скорость движения в колонке компонента А равна £//уд&, где L ——длина колонки, а ^удд ——время удерживания компонента. Аналогично линейная скорость компонента Б равна L/ty^ Таким образом, если двигать слой насадки в колонке навстречу газовому потоку со скоростью большей, чем 厶/方口后，но меньшей, чем £〃уд& то компонент Б, адсорбированный жидкой фазой, будет двигаться в направлении движения насадки. Компонент А будет при зтом выходить из колонки с потоком газа-носителя.
Еще более удобно описать этот процесс в терминах объемных скоростей движения растворителя и газа-носителя.
Для данного компонента можно определить коэффициент распределения К следующим образом:
Коэффициент распределения К для данного компонента есть отношение веса доли этого компонента, содержащейся в единице объема жидкой фазы (растворителя), к весу доли этого компонента, содержащейся в единице объема газа-носителя. Пусть К% и Кб — значения коэффициентов распределения соответственно компонентов А и Б при температуре укрепляющей секции。колонки (рис. 10.2) и пусть S и /^ — значения объемных скоростей соответственно растворителя и газа-носителя в той же секции. Если температура колонки постоянна и перепад давлений на ней мал, то эти скорости можно считать постоянными.
Рис. 10.1. Хроматограмма даухкомпонентной смеси.Рис. 10.1. Хроматограмма даухкомпонентной смеси.Рис. 10.2. Потоки газа и растворителя.Рис. 10.2. Потоки газа и растворителя.
Рис. 10.1. Хроматограмма даухкомпонентной смеси.
Рис. 10.1. Хроматограмма даухкомпонентной смеси.
Рис. 10.2. Потоки газа и растворителя.
Рис. 10.2. Потоки газа и растворителя.
Распределение массы компонента А у точки ввода смеси в колонку имеет вид
Ma^Ya^SXa>(ЮЛ)
где МА — скорость ввода компонента А в колонку,尸°丫厶一количество компонента А, двигающегося вверх в потоке газа, SXa — количество этого компонента, двигающегося вниз вместе с растворителем. Уа и Ха— вес долей компонента А, содержащегося в единицах объема газа-носителя и растворителя соответственно.
Условием результирующего движения компонента А вверх является неравенство
F^Ya>SXa(10.2)
ИЛИ
尸 P/S>XK 勿.(10.3)
Предположим теперь, что скорость ввода вещества в колонку настолько мала, что концентрации компонентов в жидкой фазе и газе- носителе бесконечно малы. Тогда
門S〉Kh(10.4)
Аналогично получаем условие преимущественного движения вниз компонента Б:
ЕР»<АХ(10.5)
Отсюда следует, что разделение имеет место в тех случаях, когда значение отношения скоростей потоков газа-носителя и растворителя находится между значениями соответствующих коэффициентов распределения, т. е. при выполнении неравенства
K%VFP/SVK£・(10.6)
Если
K&V 鬥 S,(10.7)
то произойдет десорбция компонента Б из растворителя. Здесь К^—значение коэффициента распределения компонента Б при рабочей температуре десорбционной секции колонки, а 尸口 ——объемная скорость потока газа-носителя в этой же секции.
Ш. ВЛИЯНИЕ НА ПРОЦЕСС РАЗДЕЛЕНИЯКОНЕЧНОЙ КОНЦЕНТРАЦИИ ВЕЩЕСТВАВ ПОДВИЖНОЙ ФАЗЕ
Приведенные выше соотношения справедливы лишь в случае бесконечно малой концентрации вещества в обеих фазах и бесконечно большого числа теоретических тарелок в насадочной части колонки. На практике эти условия не соблюдаются и соответствующие неравенства имеют несколько иной вид.
Баркер и Ллойд [1] показали, что для углеводородов конечная концентрация вещества в фазах может как уменьшать, так и увеличивать значение коэффициента распределения в зависимости от типа системы и самого значения концентрации, однако в хроматографических системах концентрация либо оказывает пренебрежимо малое влияние на значение этого коэффициента, либо приводит к его увеличению.
Если предположить, что значение коэффициента К увеличивается с увеличением концентрации веществ в обеих фазах, то в соответствии с результатами, полученными Фитчем и сотр. [2], неравенство (10.6) следует заменить на неравенство
(К 胃十〃)V 尸 p/s<(K2+%),(Ю.8)
где У& и Уб — величины, описывающие влияние на значение К конечной концентрации веществ в фазах. С учетом конечной длины колонки, т. е. конечного числа теоретических тарелок, аналогичное неравенство имеет вид
(&+〃+»)< 尸7s< (к后十厶十坛)，(Ю.9)
где 6& и 6б — величины, описывающие влияние конечной длины колонки на значение коэффициента распределения.
вероятностный подход
Сайанс и Кроссер [3] получили соотношение между требуемой длиной колонки, расположением точки ввода в колонку разделяемой смеси и степенью разделения двухкомпонентной смеси на основе теорий вероятностей. В предположении, что в колонке не происходит продольной диффузии и установилось адсорбционнодесорбционное равновесие (т. е. отношение скоростей адсорбции и десорбции примерно равно величине коэффициента распределения), эти соотношения для колонки, в которой точка ввода веществ находится посредине, имеют вид
In也)(10.10)
Ш[(1-(К? 一 屮)，(10.11)
где (gz)а ——доля (от исходного) компонента Л, выходящего из нижнего выходного отверстия; I ——(卩z)e — доля (от исходного) компонента 5, выходящего из верхнего выходного отверстия; ф ——величина отношения 产/S;厶一длина Колонки; R&, ДБ — постоянные скорости десорбции.
Если в системе предусмотрена одинаковая чистота разделенных -компонентов, то выражения (10.10) и (10.11) можно объединить друг с другом и упростить следующим образом:
■Y/Kg 二！(10.12)
где SF ——коэффициент разделения ( = /Срб/Кра).
Для нахождения длины колонки, требующейся для получения заданного разделения, необходимо знать величины R& и Ra Определить эти величины можно только путем нелинейной аппроксимации кривой элюирования, полученной с помощью аналитической колонки [39]. Вероятностный подход дает те же значения рабочих параметров для разделения двухкомпонентной смеси, что и метод, с помощью которого было получено неравенство (10.6).
22 Зак. № 570
ОБЩЕЕ ОПИСАНИЕ ХРОМАТОГРАФАС ДВИЖУЩИМСЯ СЛОЕМ ДЛЯ РАЗДЕЛЕНИЯБИНАРНЫХ СМЕСЕЙ
Схема типичного устройства для осуществления хроматографического процесса с движущимся слоем показана на рис. 10.3. Колонка расположена вертикально. Ее можно изготовить из металла или стекла, и она имеет обычно диаметр около 2,5 см. Насадку по
Рнс. 10.3. Непрерывная колонка.Рнс. 10.3. Непрерывная колонка.У 一 подача сухого воздуха от вентилятора; 2 — отвод к охлаждаемым ловушкам и вакуумному насосу.У 一 подача сухого воздуха от вентилятора; 2 — отвод к охлаждаемым ловушкам и вакуумному насосу.дают в колонку непрерывно через воронку А. Пройдя через колонку, сорбент попадает на приемный стол В. Скорость движения насадки в колонке регулируют путем изменения диаметра отверстия Б. Г ——укрепляющая секция колонки, а £ — десорбционная секция, которая окружена воздушной рубашкой с электрическим подогревателем. На участке колонки между входным отверстием и десорбционной секцией насадку охлаждают перед выходом из колонки или перед тем, как ее с помощью потока газа подадут обратно в воронку А. Для того чтобы обеспечить непрерывное движение насадки вдоль колонки, колонку вибрируют. Длины участков Г и Д на рис. 10.3 равны соответственно 1,5 и 0,75 м, длина участка Г может быть и другой в зависимости от сложности разделения. Для того чтобы в колонку не попадал влажный воздух, газ- носитель перед вводом в колонку пропускают через нагреватель 3 под давлением несколько выше атмосферного.
Рнс. 10.3. Непрерывная колонка.
Рнс. 10.3. Непрерывная колонка.
У 一 подача сухого воздуха от вентилятора; 2 — отвод к охлаждаемым ловушкам и вакуумному насосу.
У 一 подача сухого воздуха от вентилятора; 2 — отвод к охлаждаемым ловушкам и вакуумному насосу.
Разделяемую смесь газов или жидкостей подают в колонку микронасосом М. Компонент смеси, который адсорбируется в большей степени, движется по колонке вниз вместе с "жидкой фазой и десорбируется из нее в нагретой десорбционной секции, попадая в поток газа-носителя. Менее адсорбирующийся компонент смеси движется вверх вместе с потоком газа-носителя. Оба компонента поступают в устройство для улавливания, которое обычно включает в себя ловушки, охлаждаемые твердой углекислотой и ацетоном, хотя для улавливания менее летучих веществ достаточны ловушки, охлаждаемые водой или даже воздухом. С помощью подобных методов улавливания, основанные на теплообмене, редко удается получить выход веществ больше 90%, однако для лабораторных ус-
ловий этого обычно достаточно. Для улавливания части компонен' тов, остающихся в потоке газа, необходимы адсорбенты йли моле・ кулярные сита, причем это необходимо бывает лишь в системах промышленного масштаба с рециркуляцией инертного газа-носителя.
В качестве газа-носителя обычно используют азот, хотя Баркер и сотр. [8, 11, 20] в течение 12 лет при разделении устойчивых веществ использовали воздух. Воздух дешевле азота, но его можно применять лишь в установках небольших размеров, которые необходимо тщательно экранировать и заземлять с тем, чтобы исключить всякую возможность воспламенения веществ. Температура нагреваемых поверхностей должна быть ниже температуры воспламенения разделяемых веществ.
Температуру десорбционной секции колонки устанавливают обычно примерно на 50 ℃ выше температуры секции Г. На рис. 10.3 показано, что секция Г не имеет рубашки и поэтому ее температура равна комнатной. Этого достаточно для разделения легких углеводородов и смесей летучих растворителей, однако при разделении смесей малолетучих веществ секцию Г заключают в нагреватель и поддерживают ее температуру примерно равной той, при которой происходит успешное разделение этой смеси в аналитическом газовом хроматографе.
Смеси жидких веществ можно и непосредственно вводить в колонку, но для получения более эффективного разделения лучше сначала испарить их в нагревателе М.
РАЗДЕЛЕНИЕ БИНАРНЫХ СМЕСЕЙ С ПОМОЩЬЮХРОМАТОГРАФИИ С ДВИЖУЩИМСЯ СЛОЕМ
Одним из преимуществ хроматографии с движущимся слоем перед простой перегонкой является то, что хроматографическое разделение может быть основано не только на использовании различия в точках кипения разделяемых веществ, но и на использовании различия их полярностей. Электрический заряд на поверхности полярных молекул распределен не равномерно, а сконцентрирован в одной или двух точках. Разделение веществ на основе различия их полярностей можно продемонстрировать на примере разделения двух жидкостей, имеющих одинаковые температуры кипения, но разные полярности. Таким примером является разделение бензола (точка кипения 80,1 ℃) и циклогексана (точка кипения 80,7 ℃) е использованием сорбента ——производного полигликоля (полиоксиэтилендирицинолеат 400), нанесенного на носитель кизельгур с размером частиц 10—20 меш. Типичные рабочие условия для колонки диаметром около 2,5 см, на которой осуществляли такое разделение смеси 1 : 1 (по объему), подаваемой в колонку в количестве 30 мл/ч, приведены в табл. 10.1. Концентрационные профили в такой колонке для трех циклов разделения показаны на рис. 10.4.
Значение рабочих параметров при разделении смеси циклогексан—бензол
Таблица 10.1
Номер цикла
1
2
3
Давление на выходе из укрепляющей секции, мм рт. ст.
730,5
749,3
725,5
Давление на выходе из десорбционной секции, мм рт. ст.
749,7
758,1
737,9
Среднее давление в колонке, мм рт. ст.
740,1
753,7
731,7
Объемная скорость потока чистого воздуха в укрепляющей секции, мл/ч:
при нормальных условиях
105 200
52 800
67 800
при температуре и давлении в колонке
116 000
57120
75 900
Объемная скорость потока чистого ,воздуха в десорбционной секции 'при норм альных условиях, мл/ч
92 800
93 500
91 900
Объемная скорость потока твердой фазы, г/ч
432
739
400
Объемная скорость потока растворителя, мл/ч
126,7
216,5
117,1
Идеальными значениями отношения 尸p/S для разделения циклогексана и бензола являются значения в пределах от 750 до 300, что примерно соответствует значениям коэффициентов распределения для этих веществ при температуре 20 °C. На практике этот интервал значений Fp/S уже (см. рис. 10.5). Теоретически диапазон значений отношения 尸p/S описывается неравенством
к品к品клогексанклогексанV 尸 P/S VKgензон.V 尸 P/S VKgензон.(10.13)(10.13)
к品
к品
клогексан
клогексан
V 尸 P/S VKgензон.
V 尸 P/S VKgензон.
(10.13)
(10.13)
которое справедливо в случае бесконечно малых концентраций веществ в фазах и бесконечно большого числа теоретических тарелок в колонке. При изучении равновесий Баркер и Ллойд [1] обнаружили, что значения коэффициентов распределения бензола не зависят от присутствия в колонке циклогексана и бензола. Значения коэффициентов распределения гексана не зависели от присутствия самого гексана, но увеличивались в присутствии бензола. В то же время конечность числа теоретических тарелок приводила к более
узкому интервалу зн ачений отношения Fp/S, определяемого неравенством (10.9).
Можно привести еще один пример — разделение смеси циклогексан——метилциклогексан. Рабочие условия этого разделения приведены в табл. 10.2, а характеризующие его данные — на рис. 10.6 и 10.7. Видно, что интервал значений отношения Fp/S для этого
Расстояние от верхнего конца колонки, смРасстояние от верхнего конца колонки, см^ - ^^-^s^3 Js^ НО°ОЕ0& S is-nbudEH 号HO》I^ - ^^-^s^3 Js^ НО°ОЕ0& S is-nbudEH 号HO》I
Расстояние от верхнего конца колонки, см
Расстояние от верхнего конца колонки, см
^ - ^^-^s^3 Js^ НО°ОЕ0& S is-nbudEH 号HO》I
^ - ^^-^s^3 Js^ НО°ОЕ0& S is-nbudEH 号HO》I
Рнс. 10.4. Концентрационные профили для смеси циклогексана (/) н бензола (2). разделения меньше, чем в случае разделения смеси бензол ——циклогексан. Причина этого в том, что нм одно из этих трех веществ не имеет постоянных диполей, однако поляризуемость на единицу объема бензола выше, чем поляризуемость циклогексана и метилциклогексана, поскольку в молекуле бензола имеются электроны с высокой подвижностью. Таким образом, в данном случае молекулы веществ поляризуются за счет электрической энергии молекул полярного растворителя. Молекулы бензола поляризуются в большей степени — отсюда и ёго меньшая летучесть, и этим
Скорость движения твердой фазы, г*моль/чСкорость движения твердой фазы, г*моль/чРис. 10.5. Требования к разделению смеси циклогексана и бензола. Л ——действительная граница； В — теоретическая граница.7 — бензол в верхней Фракции； 2 — полное разделение； 3——циклогексан в иижней фракции.Рис. 10.5. Требования к разделению смеси циклогексана и бензола. Л ——действительная граница； В — теоретическая граница.7 — бензол в верхней Фракции； 2 — полное разделение； 3——циклогексан в иижней фракции.ss^ ^Euoao^o 4S4VA3ss^ ^Euoao^o 4S4VA3л/r 1тошои оговоет qiunodog vouwa^pQл/r 1тошои оговоет qiunodog vouwa^pQ«aHJKHH и HBQXOJOlmH'n丨g -SHHOUelfsed BOHUOUI zHHm。® «фимафя и Итаок£о5я^с.кнфэ丨•KHHelfauged OJOHIf。口 окенен —-ssaanu BBXQehHIedo。」——w (ehHHeaJ клилк-фнаиниадф^Iу•rassw20§s^e-s^^s sraKraowso§s^ s^so 01HH ①啓 mEd м кзийадо^лн .01 .oa^ qKOW& ^8^gdBBE ss^s^ qEDOdsu iR i i i i 0、«aHJKHH и HBQXOJOlmH'n丨g -SHHOUelfsed BOHUOUI zHHm。® «фимафя и Итаок£о5я^с.кнфэ丨•KHHelfauged OJOHIf。口 окенен —-ssaanu BBXQehHIedo。」——w (ehHHeaJ клилк-фнаиниадф^Iу•rassw20§s^e-s^^s sraKraowso§s^ s^so 01HH ①啓 mEd м кзийадо^лн .01 .oa^ qKOW& ^8^gdBBE ss^s^ qEDOdsu iR i i i i 0、少仮.(炉m79¥OW・2)少仮.(炉m79¥OW・2)*Э£Оф 7709ОСО2 S В ЛЙ ООП/МЭ И НО^*Э£Оф 7709ОСО2 S В ЛЙ ООП/МЭ И НО^-s sraosuoss^e-s^^s丨(-HEZ2 ■0§s^ н。①胃。KRU шшфо<1и QlqHHOHTIEdlHQTIHOy01 dHd-s sraosuoss^e-s^^s丨(-HEZ2 ■0§s^ н。①胃。KRU шшфо<1и QlqHHOHTIEdlHQTIHOy01 dHd
Скорость движения твердой фазы, г*моль/ч
Скорость движения твердой фазы, г*моль/ч
Рис. 10.5. Требования к разделению смеси циклогексана и бензола. Л ——действительная граница； В — теоретическая граница.
7 — бензол в верхней Фракции； 2 — полное разделение； 3——циклогексан в иижней фракции.
Рис. 10.5. Требования к разделению смеси циклогексана и бензола. Л ——действительная граница； В — теоретическая граница.
7 — бензол в верхней Фракции； 2 — полное разделение； 3——циклогексан в иижней фракции.
ss^ ^Euoao^o 4S4VA3
ss^ ^Euoao^o 4S4VA3
л/r 1тошои оговоет qiunodog vouwa^pQ
л/r 1тошои оговоет qiunodog vouwa^pQ
«aHJKHH и HBQXOJOlmH'n丨g -SHHOUelfsed BOHUOUI zHHm。® «фимафя и Итаок£о5я^с.кнфэ丨•KHHelfauged OJOHIf。口 окенен —-ssaanu BBXQehHIedo。」——w (ehHHeaJ клилк-фнаиниадф^Iу
•rassw20§s^e-s^^s s
raKraowso§s^ s^so 01HH ①啓 mEd м кзийадо^лн .01 .oa^ qKOW& ^8^gdBBE ss^s^ qEDOdsu iR i i i i 0、
«aHJKHH и HBQXOJOlmH'n丨g -SHHOUelfsed BOHUOUI zHHm。® «фимафя и Итаок£о5я^с.кнфэ丨•KHHelfauged OJOHIf。口 окенен —-ssaanu BBXQehHIedo。」——w (ehHHeaJ клилк-фнаиниадф^Iу
•rassw20§s^e-s^^s s
raKraowso§s^ s^so 01HH ①啓 mEd м кзийадо^лн .01 .oa^ qKOW& ^8^gdBBE ss^s^ qEDOdsu iR i i i i 0、
少仮.(炉m79¥OW・2)
少仮.(炉m79¥OW・2)
*Э£Оф 7709ОСО2 S В ЛЙ ООП/МЭ И НО^
*Э£Оф 7709ОСО2 S В ЛЙ ООП/МЭ И НО^
-s sraosuoss^e-s^^s丨(-HEZ2 ■0§s^ н。①胃。KRU шшфо<1и QlqHHOHTIEdlHQTIHOy01 dHd
-s sraosuoss^e-s^^s丨(-HEZ2 ■0§s^ н。①胃。KRU шшфо<1и QlqHHOHTIEdlHQTIHOy01 dHd
объясняются большие различия в значениях коэффициентов распределения бензола и циклогексана, несмотря на то что они кипят примерно при одной и той же температуре.
Шульц [4] нашел зависимость рабочих условий колонки от ско、 ростей потока газа-носителя и жидкой фазы для разделения двухкомпонентной смеси — цис- и транс-бутена-2. Он использовал колонку длиной 100 см и диаметром 1 см с насадкой из 30% бутилфталата на стерхамоле зернением 0,3—0,4 мм. Разделяемая смесь состояла на 37,6% по объему из траке-бутен а и на 62,4% по объ-
ему ——из 4証с-бутена. Количество подаваемой в колонку на разделение смеси было равно 78 мл/ч. Чистота разделенного транс-бу- тена в точке, расположенной на 32 см выше точки ввода смеси, была равна 99,73% (по объему), а чистота бис-бутена в точке, расположенной на 32 см ниже точки ввода смеси, 99,4% (по объему). Температура колонки была равна 22 ℃, что значительно выше точек кипения обоих веществ. Еще одно разделение Шульц проводил на колонке больших размеров (длина 138 см, диаметр 2,6 см). Разделяемая смесь состояла на 33,8 мол. % из диметилбутана и на 61,2 мол.%—из циклопентана. Количество подаваемой в колонку смеси было равно 21 г/ч. При этом разделении в качестве нелету-
Таблица 10.2
Значения рабочих параметров прн разделении смесн циклогексан—метнл циклогексан
Номер цикла
I
2
3
Давление на выходе из укрепляющей секции, мм рт. ст.
720,8
721,8
726,6
Давление на выходе нз десорбционной секции, мм рт. ст.
739,6
739,2
■ 735,4
Среднее давление в колонке, мм рт. ст.
730,2
730,5
731,0
Объемная скорость потока чистого воздуха в укрепляющей секции, мл/ч:
при нормальных условиях
103 800
86200
52 000
при температуре и давлении в колонке
115 300
96100
57 970
Объемная скорость потока чистого воздуха в секции в нормальных условиях, мл/ч
90 600
92 300
92100
Объемная скорость потока твердой фазы, г/ч
645
657
674
Объемная скорость потока растворителя, мл/ч
189,0
192,5
197,0
чей жидкой фазы был использован 7,8-бензохинолин. Температура колонки была равна точке кипения разделяемых веществ. Автор утверждает, что чистота разделенных веществ превышала 99,999 мол.%.
Тили и сотр. [2] изучали разделение бинарных смесей диэтилового эфира, диметоксиметана и дихлорметана. Колонка имела Длину около 1,3 м, диаметр 2 см. Сорбент ——20% (по весу) динонилфталата на целите зернением до 44——60 меш.
Перед вводом в колонку разделяемую смесь испаряли в потоке азота. При этом объем вводимой смеси в колонку был небольшим (3——5 мл/ч), но зато быстро устанавливалось межфазное равновесие вблизи точки ввода.
Хроматографию с движущимся слоем использовал и Скотт для разделения ароматических углеводородов, содержащихся в каменноугольном газе [5].
ВЫВОД выражения для ЭФФЕКТИВНОСТИ КОЛОНКИ ЧЕРЕЗ ВЫСОТУ ЕДИНИЦЫ ПЕРЕНОСА
Хроматография с движущимся слоем представляет собой стационарный дифференциальный процесс с движущимися навстречу друг другу потоками вещества, и поэтому эффективность разделения в этом процессе можно получить на основе концепции числа переноса, предложенной Чилтоном и Колберном [6].
Уравнение сохранения массы компонента на участке колонки длиной dL имеет вид
Sdx=F^Hy=(10.14)
=KrQ(y — y')dL,(10.15)
где КгО —- коэффициент полной массопередачи в газовой фазе, у —— концентрация вещества в газовой фазе (г/мл), у，——равновесное значение концентрации вещества в газовой фазе (г/мл). Высоту колонки можно вычислить следующим образом:
(Ю.16)
У2
Это выражение можно записать в виде
А=Яед.пХМд.п，(Ю.17)
где Яед.п — высота единицы переноса (ВЕП) ( = FP//Cra), а 乂工口一 число единиц переноса:
У2
Можно показать, что если рабочая и равновесная линии предполагаются прямыми, то
£Кг&£Кг&(10.18)(10.18)С 〃У =У1 — У21П ( <У — >01 )
£Кг&
£Кг&
(10.18)
(10.18)
J У _“— (У 丁 У)1 —(У — У')2 I (у — У)2 J у2
Выражение (10.19) можно записать в виде:。
1) Для участка колонки выше точки ввода в нее разделяемой смеси:
IIМем n=N/(YS — D 1ПМем n=N/(YS — D 1ПМверкн/К尸S — У2 (尸 17K尸 S — 1)Мверхн/К尸S — % (尸'/К尸S — 1)Мверкн/К尸S — У2 (尸 17K尸 S — 1)Мверхн/К尸S — % (尸'/К尸S — 1)(10.19a)(10.19a)
I
I
Мем n=N/(YS — D 1П
Мем n=N/(YS — D 1П
Мверкн/К尸S — У2 (尸 17K尸 S — 1)
Мверхн/К尸S — % (尸'/К尸S — 1)
Мверкн/К尸S — У2 (尸 17K尸 S — 1)
Мверхн/К尸S — % (尸'/К尸S — 1)
(10.19a)
(10.19a)
где KF ——значение коэффициента распределения при конечной концентрации вещества в отсутствие растворителя.
2) Для участка' колонки ниже точки ввода в нее разделяемой смеси:
Na&. п
1
ЕТ^77rhi
где Afверхи ——массовая скорость выхода вещества из верхнего участка колонки, ЛГнижн — массовая скорость выхода вещества из нижнего конца колонки.
Рис. 10.8. Значения величины Яед. п для метилциклогексана (/), циклогексана и бензола (3).
(10,196)
Применение выражений (10.19а) и (10.196) для случая разделений, которые соответствуют рис. 10.4 и 10.6, дает результаты, приведенные в табл. 10.3а и 10.36. Значения величины Яед. п, получаемые для циклогексана выше точки ввода смеси и для метилциклогексана и бензола ниже точки ввода смеси, приведены на рис. 10.8. Для всех трех веществ наблюдается линейная зависимость логарифма величины Яед. п от скорости движения по колонке жидкой фазы.
Соответствующие эмпирические выражения имеют следующий вид: для циклогексана:
"еп. п
60,82
^,514，
(10.20а)
SQм7 ое-омо «OSSS мнноион MMnHQJ^aMxdaqmowE。к§ wsssrt-и- mOHGOJ '
(%) ИЯНО1ГОЯ епнох ojoHxdoa хо иэ £z иинвохээид ен
当Й
(М) ИЯНО1Г
-оя еПнох OJOHXdoa А
j ,HXda% лунок
-оя н】оеь цэнхёэа ей О1э1пв¥ -oxfis *вахээ1пэа оахээьиЕОЯ
еахээтэа
ojoHHsdoswBd £09
Хахээшэа
XwoHHsdosiaEd ou
ifw/j ,о【св01.ээ1пэа оаоннэдоа
-laed виПвЛьнапноя ввни0 dз
h/irw 's (Bsioslnas ojoHHddos •aoed Gag) певф уоятгиж вин -эжиатг чхэобояэ ВЕнмо^д。
h/irw 'м (вехээтэа ojoh
-HadosioEd еэд) веэхиэон-вевл вяоюи чхэодояэ ввниэадо
1、
6
2
寸 6
Up
н
二
ОО
I
ю сч о
8
3
ОО ю g
g
сч
сч
оГ
сч
S ю
m
S
CO
сч
OI
g
S
Q
OI g
I
о
о
I
со
Q
9 СО
Й
二
ОО
Z
二
04 СО
ю
S
ю 6
8 6 OI
Z 6 сч
6 9 О-
сч
6 00 OI
сч
S
а
о
I
OI
8
СО
ОО
о
房
8
8
к
Z
Z
ю
9 р
9
9
К
卜
m
m
3
yomwd9|苫0£3205寻
g Оg сО
6 60? 6
Об9coi
89I6
счcog寸
oToiofсм
寸 Z 96
О 寸 9 g
0Г 二 of 」
9cog
о5S S
I-<lQi—<
6 寸 Q СЧ СЧ Z 己 О
cog
00OICO
СЧZ66
ооо
g о6 I
ооcoto
6666
ооюо
о?о?V
J2866
g О О О 8 coi 6
^ ^系
1 О 1
■HggaeovEwhumawI§us^0§3^
вПнон OJaHxda»ьо Su 871—goI MHHKOIQQQd ^x KQ^V?§OSX -swsoe-ow HHnx* ws 2qHH皆 ge.kQJ '
бтвф ново* п Ланц
>§ша BHmdJHBHHO工
(СА) ИЯНО1ГОЯ
впнох ogHXdoa 10
ИЭ 831 ИИНВОХЭЭЕб БН
(%) ИЯНО1ГОЯ впноя ogHxdoa хо ПЭ £01 ИИНВОХЭЭЕб БН
J М% ИЛН01Г
-оя нпвь уэнжин ей олэшвтг -охма 'вататаа ояюэьиеом
jdmBd .1н91гпнффео工
ва!.ээшэа
QJOHH3dosi.3Ed sag
Ха1.ээ1пэа
Лиоииэбоа1.ЭЕ(1 ои
mw/j toi ^ахээшэа олоннэб-оа
-ЪЭЕ(1 ВИ'ПБб^НЭПНОЯ ввитгэбэ
h/irw 's(ЕЯ1.ээ1пэа cuoHHadoa -1ЭЕ(1 sag) псвф уоя¥иж вин -эжиа¥ чхэобояэ ВЕНКэгро
h/irw 'd^/ (ва-ьээшэа олои
-HadoagE’d еэр) bit3i.h3oh-egej E30I.0U чюобояэ ВЕНИЭ^ОО
оиьо§ои OOSO^SSQS
для метилциклогексана:
для бензола:
"ен. п
"ен. п
60,24 屮,501 -，
50,47^0,495^，
VIII. СОПРОТИВЛЕНИЕ МАССОПЕРЕДАЧЕВ КОЛОНКЕ
Общее уравнение маесопередачи имеет вид
К/ М 1 К尸内冰a
(10.206)
(10.20b)
(10.21)
где № ——коэффициент распределения, соответствующий конечной концентрации вещества при отсутствии растворителя, 1/ЛгО ——величина полного сопротивления массопередаче, 1/々】4 — величина сопротивления массопередаче в газовой фазе, 1/Кр^а ——величина сопротивления массопередаче в жидкой фазе. Толщина газового слоя, а следовательно, и сопротивление массопередаче меняются с изменением скорости газового потока, поэтому l/^ra = f(F), где F ——скорость потока газа. Предположим, что величина 1/^жа не зависит от скорости потока газа, т. е. что поток газа не вызывает перемешивания жидкости. Такое предположение отвечает действительности, когда неподвижная жидкая фаза расположена преимущественно в порах носителя.,
При этом предположении уравнение (10.21) можно записать в виде
仙k尸)十,
При бесконечно большой скорости потока газа, т. е. когда 1/F = =0, газовая фаза не рказывает сопротивления массопередаче. Баркер и Ллойд обнаружили, что график зависимости величины 1/ЛгО от 1/F при постоянной скорости S1 движения жидкой фазы имеет вид прямой линии, которая при ее экстраполяции проходит вблизи начала координат (см. рис. 10.9). В результате статистической обработки данных Баркер и Ллойд установили, что этот график проходит немного выше начала координат. Этого и следовало ожидать, поскольку не наблюдалось заметной зависимости величины Яед.п от скорости газового потока. Поэтому при l/F = 0 величины Г/Лга и i/KFkma равны нулю, так как k^^f(F)f а величин? S' постоянна.
Таким образом, выяснилось, что в колонке с движущимся слоем, работающей в условиях, которые использовали в своих исследованиях Баркер и Ллойд, сопротивление массопередаче сосредоточено в газовой фазе.
黄X炉）
Рис. 10.9. График зависимости величины 1/Кг& от величины 1/尸 прн постоянной скорости движения жидкой фазы для метилциклогексана в смесн с циклогексаном.
/) S』21,l—22,1 мл/ч ■ см2; 2) S1 =28,3—29,0 мл/ч ■ см2; 3)^ Sr=37,3—38,9 мл/ч • см2; 4) S【=«=43,7—45,0 мл/ч • см2; 5) Sl=49,4—50,6 мл/ч • см2.
ПОЛУЧЕНИЕ ВЫРАЖЕНИЯДЛЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ КОЛОНКИ В ТЕРМИНАХОБЩЕЙ ВЭТТ
Процесс разделения бинарной смеси методом непрерывной ГХ аналогичен процессу экстракции с помощью двух растворителей, движущихся навстречу друг другу, причем один из этих раствори-
телей представляет собой инертный газ-носитель, а второй — нелетучую неподвижную фазу. Единственное отличие этих процессов друг от друга заключается в том, что в хроматографическом разделении более тяжелый компонент смеси десорбируется из неподвижной фазы прежде, чем он покинет колонку.
Существует подход, предложенный Альдерсом [7], в котором процесс экстракции в системе жидкость ——жидкость рассматривается как дискретный, состоящий из большого числа стадий. С помощью аналогичного подхода можно получить выражение для числа теоретических тарелок, необходимых для разделения бинарной смесй с заданной чистотой разделенных компонентов. Так, Тили и сотр. [2] предположили, что колонка состоит из большого числа тарелок, точка ввода смеси расположена посередине колонки и чистота разделенных компонентов одинакова, при этих предположениях они получили приближенное выражение для необходимого числа теоретических тарелок в колонке. Более общее выражение, в котором не предполагается одинаковая чистота разделенных компонентов смеси и одинаковые их количества в смеси, получили Баркер и Хантингтон [8, 9].
Рассмотрим экстракционную колонку с двумя растворителями, в которую вводят бинарную смесь в точку, расположенную посередине колонки; один из компонентов смеси начинает при этом двигаться с потоком первого растворителя (газа-носителя), а другой —— с потоком второго растворителя (нелетучей жидкости). Предположим, .что х-я часть компонента i увлекается потоком газа, а (1——х)-я часть—потоком растворителя и 屮=工―■ неэктрагиро- ванная часть этого компонента.
Пусть m — номер дискретного участка колонки, в котором находится точка ввода смеси. Если в единицу времени до участка m+ 1 доходит у-я часть компонента i, а до участка т— 1 z-ячасть, то E\ = zly и, следовательно,
， (Ю.23)
1 — * 1 /旦 一 1
где Ei и 七2 — коэффициенты экстракции компонента выше и ниже точки ввода соответственно, п и т ——числа дискретных участков колонки выше и ниже точки ввода смеси соответственно.
Далее,
[(1/优)_1]([(1/ё胃)一1] 也/y)0-1)/(研-1)
откуда
х=屮=-m~? . (10.26)
*自理(或一1)(硏一1) + (d一1)(國一1)
(10.27)(10.27)При бесконечно малой концентрации компонентов, т. е. когда Ei = =Ez=E,
(10.27)
(10.27)
| 七加十弘一1
Если число тарелок в колонке настолько велико, - что т-\-п^т-\- + п——1 и, кроме того т=п, то
屮=储丁・(10.28)
Пусть условия, при которых находятся компоненты А и 5, таковы, что Е^<\<Еб- Тогда, если м》1, то с помощью выражения (10.27) получаем
屮£Х(10-29)
屮 6=4^Т£不。(ю-зо)
Для смеси, в которой содержатся равные по весу количества компонентов, 屮а = 1—屮в и, следовательно, ЕаЕб = 1- Поскольку Е = = К/В，то для такой смеси требуемое отношение значений скоростей потоков газа и жидкости « равно (КаКе)%. Если количество смеси, вводимое в колонку в единицу времени, содержит Wa частей компонента А и Wb частей компонента Б, то
屮L 一^ 一眩屮L 一^ 一眩(10.31)(10.31)
屮L 一^ 一眩
屮L 一^ 一眩
(10.31)
(10.31)
屮屮
屮
屮
(10.32)
где 屮厶 и 屮в ——доли компонентов А и 5, не извлеченных в верхней части колонки, 6 Wa ^ извлеченная доля компонента А (выходящая из нижнего конца колонки), а 6步后——извлеченная доля компонента 5 (выходящая из верхнего конца колонки).
Комбинируя друг с другом выражения (10.29) и (10.31), получим
1 —成—-^,(10.33)
где Ма верхи — скорость извлечения компонента Л на верхнем конце колонки, причем
'п^КА~п^ф=^(1~МА^]^А).(10.35)
Аналогично, объединяя друг с другом выражения (10.30) и (10.32), получим.
E^n=lWB\WB>(10.36)
(К时厂』此 верхн/吃，(10.37)
где МБ верхи — скорость извлечения компонента Б на верхнем конце колонки
4 孔 1g Ks + 汽 lg 3 = lg Мбверхн/ 囚炉(10.38)
Для заданной чистоты разделенных веществ существует определенный диапазон значений отношения скоростей потоков газа и жидкости, который зависит от числа теоретических тарелок в колонке. Верхняя граница этого диапазона описывается выражением (10.38), а нижняя ——выражением (10.35).
По-видимому, отношение коэффициентов распределения изменяется в меньшей степени, чем сами значения этих коэффициентов, поэтому более точным является объединенное выражение
1^=1^+Ц1^ ^-^У[^ (^w1)]- •
(10.39)
На практике используют лишь единственное значение отношения 3, т. е. Вмакс=3м11н, и выражение (10.39) в этом случае приводится к виду
IgS尸=无三[lg (1 -岁*)十煌乌署]，(10，40) где Naenp — полное число теоретических тарелок (=2п), соответствующее колонке для непрерывной хроматографии. Для смеси, содержащей равные количества одинаково чистых компонентов
%непр= jg s尸 1g /,(10.41)
где / — относительное количество примесей в разделенном веществе.
В кольцевой хроматографической колонке, которая описывается ниже в этой главе, газ-носитель выходит из точки для ввода разделяемой смеси, и поэтому.значения величины 力 в секциях колонки выше и ниже точки ввода смеси могут немного изменяться. БоЬее точное выражение для величины Л^непр получается, если в качестве значения « в секции выше точки ввода взять значение ^>макс, а в секции ниже точки ввода — значение 加皿.
23 Зак. № 570
РАЗДЕЛЕНИЕ ТРЕХКОМПОНЕНТНЫХ СМЕСЕЙ
Чаще встречаются такие задачи разделения, когда целевой компонент или группу компонентов требуется отделить от компонентов, которые дают на хроматограмме пики, расположенные по обе сто
роны от пиков целевого компонента или группы компонентов.
Хроматограф для осуществления подобного разделения [на который получен патент (рис. 10.10)] сконструировали Баркер и Ллойд [10]. Экспериментальные результаты на этом хроматографе получили Баркер и Хантингтон [11].
Колонка этого хроматографа изготовлена из медной трубки и имеет бронзовыефлан-
Рис. 10.10. Колонка с движущимся слоем для разделения трехкомпонентных смесей.Рис. 10.10. Колонка с движущимся слоем для разделения трехкомпонентных смесей./ — подача сухого воздуха от вентилятора; 2 — выход фракции из боковой колонки; 3 — выход верхней фракцнн; 4 — подача разделяемой смеси; 5 — выход нижней фракции. ,/ — подача сухого воздуха от вентилятора; 2 — выход фракции из боковой колонки; 3 — выход верхней фракцнн; 4 — подача разделяемой смеси; 5 — выход нижней фракции. ,цы и прокладки из неопрена.
Рис. 10.10. Колонка с движущимся слоем для разделения трехкомпонентных смесей.
Рис. 10.10. Колонка с движущимся слоем для разделения трехкомпонентных смесей.
/ — подача сухого воздуха от вентилятора; 2 — выход фракции из боковой колонки; 3 — выход верхней фракцнн; 4 — подача разделяемой смеси; 5 — выход нижней фракции. ,
/ — подача сухого воздуха от вентилятора; 2 — выход фракции из боковой колонки; 3 — выход верхней фракцнн; 4 — подача разделяемой смеси; 5 — выход нижней фракции. ,
Насадку вводят в воронки 4 и Е, из которых она под действием собственной тяжести проходит через колонку и через регулируемое отверстие 5 попадает на вращающийся стол В С этого стола насадка сбрасывается скребком на чашку весов. В некоторых из первых экспериментов насадка состояла (по весу) из 13% жидкой фазы полиоксиэтилен- дирицимолеат 400 на огнеупорном кирпиче С-22 фирмы 《Johns-Manville》 зернением 14—18 меш.
Основная колонка имела диаметр 2,54 см. Нижний конец боковой колонки (диаметром 1,27 см) входил внутрь основной колонки. Это было не
обходимо, поскольку в противном случае в боковой колонке насадка бы не двигалась. Входящий внутрь основной колонки нижний конец боковой колонки изменял эффективное поперечное сечение каждой из этих двух частей колонки и позволял установить нужное отношение скоростей движения насадки в основной колонке и в боковой колонке.
Твердые вещества из воронки Л проходили через укрепляющую секцию колонки НПР и попадали в десорбционную секцию Д. Длины участков Н, П, Р 込 Д были равны 68,6, 63,5, 68,6 и 52,1 см соответственно. Твердые вещества, двигающиеся в боковой ко-
лонке С, переносили обратно в колонку попадающий в боковую колонку, наиболее тяжелый компонент смеси. Это обеспечивало получение в чистом виде продукта, выходящего из боковой колонки. Эффективная для массоперёдачи длина участка. М была равна 82,5 см. Участок Д был снабжен рубашкой с электрическим подогревом.
Воздух подавали в нижнюю часть участка Д вентилятором и отсасывали под небольшим вакуумом через три отверстия для вывода из колонки разделенных компонентов смеси. Сушку воздуха и нагревание его до 50 ℃ осуществляли с помощью нагревателя Ж. Для того чтобы не допустить попадания в колонку через отверстие Б влажного атмосферного воздуха, осушенный воздух подавали в колонку под давлением немного выше атмосферного.
Разделяемую жидкую смесь бензола, циклогексана и метилциклогексана (в соотношении 1:1:1 по объему) без предварительного ее нагревания подавали в колонку через отверстие Г микронасосом К. Потоки газа, выходящие из колонки через выходные отверстия, подавали в ловушки, охлаждаемые смесью углекислоты с ацетоном. В этих ловушках конденсировалась большая часть разделенных компонентов смеси.
Расстояния между соседними, отверстиями для отбора проб газа в укрепляющей секции колонки были равны 7,62 см.
Трубки, подсоединенные к этим отверстиям, имели самоуплотняющиеся колпачки. Отбираемые пробы газа можно было анализировать с помощью обычной ГЖХ.
ОБЩИЕ РАБОЧИЕ УСЛОВИЯ ДЛЯ РАЗДЕЛЕНИЯТРЕХКОМПОНЕЙТНЫХ СМЕСЕЙ МЕТОДОМ ХРОМАТОГРАФИИ
С ДВИЖУЩИМСЯ СЛОЕМ '
При использовании одиночной колонки, не снабженной боковой колонкой, чистота разделенных компонентов в ее верхнем и нижнем концах была равна 99,5%. Максимальная чистота метилциклогексана в средней части колонки была равна 78,6% (по объему), причем метилциклогексан содержал примеси бензола.
При использовании боковой колонки получили данные (для шести циклов разделения), представленные в табл. 10.4. Типичные концентрационные профили показаны на рис. 10.11. Из этих данных видно, каким образом можно вернуть обратно в колонку бензол, попадающий в боковую колонку, и обеспечить тем самым высокую чистоту компонента, выходящего из боковой колонки. Длина секции колонки ниже точки С была недостаточной, и было невозможно получить высокую чистоту разделенного бензола при одновременно высокой чистоте разделенных компонентов в верхнем участке колонки и в боковой колонке.
По аналогии с выражениями (10.6) и (10.7) можно описать и интервал значений отношения скоростей потоков жидкой и 23*
Таблица 10.4В
Данные, полученные при разделении трехкомпонентной смеси■
с работающей боковой колонкой.
Номер циклаЯ
1
2
3
4
5
Поток чистого'
воздуха, л/ч и величина 尸p/S
верхняя часть
40,6
43,8
52,3
49,8
52,2
60,5■
колонки
455
475
557
532
559
641I
боковая ко-
49,3
45,8
44,9
39,5
38,6
36,7I
лонка
787
764
703
658
644
605I
средняя часть
89,9
89,6
97,2
89,3
90,8
97,2I
колонки
592
587
630
581
592
6281
Среднее давление ■
731,4
721,9
735,4
713,0
726,1
722,9•，
в колонке, мм рт. ст.
Средняя температура колонки, К
Верхняя часть ко-
295,2
295,0
295,2
295,3
295,2
295,2I
лонки
массовая ско-
705
736
712
740
738
745I
рость твердых частиц, г/ч
массовая ско-
89,2
92,8
90,3
93,7
93,7
94,5
рость растворителя, мл/ч
массовая ско-
18,75
19,52
18,98
19,69
19,65
19,86
■ рость растворителя, г/ч • см2
Боковая колонка
массовая ско-
495
474
503
474 '
474
478
рость твердых частиц, г/ч
массовая ско-
62,7
60,0
63,8
60,0
60,0
60,0
рость растворителя, мл/ч
массовая ско-
51,1
48,8
52,0
48,8
48,8
49,4
рость растворителя, г/ч ♦ см2
Компоненты
в верхней части колонки, мол. %
циклогексан
99,5
99,5
97,3
97,5
98,7
91,6 -
Номер цикла
1
2
3
4
5
6
метилциклогексан
—
2,7
2,5
1,3
8,4
Компоненты в боковой колонке, мол %
циклогексан
34,2
метилцикло-
53,3
93,7
99,5
99,5
99,5
99,5
гексан
бензол
12,5
6,3
Компоненты в газовой фазе в точке выше нцжнего выходного отверстия, мол. %
метилцикло-
33,1
31,3
28,2
30,0
26,4
20,7
гексан
бензол
66,9
68,7
71,8
70,0
73,6
79,3
газовой фазы, которому соответствует движение циклогексана в колонке (в секциях Н и П) вверх, а метилциклогексана и бензола —— вниз:
АГциклогексан §рУК&тилциклогексап V К^ензол,
(10.42)
где индекс 1 соответствует скоростям потоков в секциях Н и П.
Для боковой колонки значения отношения скоростей, соответствующие движению бензола обратно в колонку, находятся в интервале
А^метил циклогексан<~<К1аклогексанК^нзоа ,
(10.43)
где индекс 2 соответствует скоростям потоков в боковой колонке. Аналогично для секции Р колонки получаем
АГметилциклогексан S
胃+8
S£ + S§
Ограничением для установки с боковой колонкой является то, что величина отношения 尸专/S号 должна быть того же порядка, что й величина
尸¥ +居
Sf + S”
и, таким образом, значения обеих этих величин должны быть заключены между значениями коэффициентов распределения метил-
Рис. 10.1L Концентрационные профили в колонке с движущимся слоем.
А — область ввода смеси； 5 — место соединения бокового отростка с колонкой. / — циклогексан; 2 — метилциклогексан； 3 — бензол.
циклогексана и бензола. Приведенные выше неравенства соответствуют идеальным условиям разделения. На практике при конечной длине колонки и в присутствии других компонентов границы соответствующих интервалов могут быть несколько иными, как, например, это имело место при разделении двухкомпонентных смесей.
Те же самые принципы можно использовать и при рассмотрении разделения многокомпонентных смесей. Можно в этих случаях использовать и одиночные колонки, соединенные последовательно
Таблица 10.5
Данные для высоты единицы переноса, соответствующие рабочим параметрам, приведенным в табл. 10.4
Номер цикла
1
2
3
4
5
Укрепляющая секция
Концентрация циклогексана в газовой фазе на расстоянии 23 см от верхнего конца колонки, 104 г/мл
1,478
1,151
1,174
1,123
0,916
Коэффициент распределения циклогексана
277
279
275
276
285
Величина высоты единицы переноса для циклогексана на участке 0—23 см от верхнего конца колонки
13,21
14,40
15,60
14,81
14,02
Значения высоты единицы переноса, согласно уравнению (10.20а),BEII=6O,82/So,5i4
для колонки диаметром около 2,5 см
13,31
13,40
13,20
13,17
13,08
Боковая колонка диаметром около 1,3 см
Концентрация метилциклогексана в газовой фазе, 104 г/мл
в верхней части колонки
0,282
0,220
0,271
0,235
0,280
на расстоянии 23 см от верхнего конца колонки
0,803
0,725
0,945
0,855
0,963
Коэффициент распределения метилциклогексана
534
535
537
542
538
Величина высоты единицы переноса для метилциклогексана на участке 0—23 см от верхнего конца колонки
6,48
5,69
6,40
6,37
7,30
Величина высоты единицы переноса, согласно уравнению (10.206), BEI1 = 6O,24/S65oi для колонки диаметром около 2,5 см
8,58
8,32
8,58
8,58
8,55
друг с другом и работающие при различных значениях отношения Fp/M.
Значения эффективности колонки, выраженной через величину ВЕП, для последовательности циклов разделения с рабочими параметрами, приведенными в табл. 10.4, даны в табл. 10.5. Из этой же таблицы видно, что при уменьшении содержания жидкой фазы эффективность массопередачи в колонке уменьшается. Происходит это из-за худшего покрытия жидкой фазой поверхности носителя, что и приводит к уменьшению поверхности массопередачи.
Значения величины "ед.п для метилциклогексана в боковой колонке, приведенные в табл. 10.5, показывают, сколь значительный выигрыш получается при использовании трубок малого диаметра. Уменьшение значения величины "ед.п, обусловленное уменьшением диаметра трубки от 2,54 до 1,27 см, более чем компенсирует увеличение значения этой величины, обусловленное уменьшением концентрации жидкой фазы от 29,6 до 13%. Напомним, что эмпирическое уравнение (10.20 б) (которое имеет вид //ед.п=60,24/S0-501) было получено для случая разделения смеси метилгексана и бензола на колонке диаметром около 2,54 см с насадкой из 29,6% жидкой фазы полигликоль на носителе из огнеупорного кирпича С-22 фирмы《Johns-Manville》.
КОЛЬЦЕВЫЕ КОЛОНКИ ДЛЯ НЕПРЕРЫВНОЙХРОМАТОГРАФИЧЕСКОЙ ОЧИСТКИ
В описанной выше колонке с движущимся слоем неизбежно происходит разрушение твердой фазы за счет ее истирания, что приводит к потерям носителя и жидкой фазы, обусловленным отмучиванием насадки. В связи с этим многие исследователи используют кольцевые хроматографические колонки, при работе с которыми не возникает трудностей, связанных с движением твердой фазы.
Работа такой колонки происходит по принципу движущегося слоя. Колонка имеет форму кольца и вращается, проходя мимо неподвижных входного и выходного устройств. Насадка при этом не движется относительно стенок колонки. Этим исключаются основные недостатки процесса разделения с движущимся слоем, которые связаны с истиранием насадки и с трудностью контроля за движением твердой фазы. При этом требуется лишь такое количество насадки, которого достаточно для заполнения колонки. Впервые такие колонки были схематически описаны Пихлером [12] и в авторском свидетельстве, полученном компанией《Gulf Research and Development Company》 [13]. Первый хроматограф, использующий этот принцип, сконструировал Люфт [14].
Во всех устройствах такого типа потоком газа-носителя управляют путем регулирования перепада давлений, и поэтому большая часть колонки, которую можно использовать для разделения, служит специально для создания необходимого перепада давлений. Недавно подобную колонку с управлением потоком газа с по-
мощью перепада давлений описал и Глассер [15]. В колонке, предложенной Баркером [16], используется ненаправленный поток носителей, создаваемый с помощью клапанов, управляемых кулачками. Это позволяет более эффективно использовать длину колонки и сорбент.
В первых трех колонках, схематически показанных на рис. 10.12, эффективная длина секции, на которой происходит разделение, не
превышает половины длины окружности всей колонки, и в них существует избыточный поток газа-носителя в направлении вращения колонки. Это уменьшает концентрацию выходящих из колонки разделенных веществ. В колонке конструкции Глассера [15] (рис. 10.12, в) только 20% вводимого газа-носителя используется для вымывания разделенных компонентов с адсорбента или для переноса их через колонку. Как отмечал Литтлвуд [17], избыток газа в колонке уменьшает концентрацию находящихся в ней веществ и позволяет тем самым увеличить нагрузку, поскольку нагрузка ограничена насыщением газовой фазы. Однако в действительности избыток воздуха в колонке, показанной на рис. 10.12, & уменьшает концентрацию веществ только в той ча-
Рис. 10.12. Кольцевые колонки для непрерывных разделений.Рис. 10.12. Кольцевые колонки для непрерывных разделений.а — схема Пихлера [12] н фирмы “Gulf Research and Development** [13];6 — схемаЛюфта [14]; в — схема Глассера [15]； г — схема Баркера [16]./ — носитель; 2 — избыток носителя.а — схема Пихлера [12] н фирмы “Gulf Research and Development** [13];6 — схемаЛюфта [14]; в — схема Глассера [15]； г — схема Баркера [16]./ — носитель; 2 — избыток носителя.сти колонки, где совпадают на
Рис. 10.12. Кольцевые колонки для непрерывных разделений.
Рис. 10.12. Кольцевые колонки для непрерывных разделений.
а — схема Пихлера [12] н фирмы “Gulf Research and Development** [13];6 — схема
Люфта [14]; в — схема Глассера [15]； г — схема Баркера [16].
/ — носитель; 2 — избыток носителя.
а — схема Пихлера [12] н фирмы “Gulf Research and Development** [13];6 — схема
Люфта [14]; в — схема Глассера [15]； г — схема Баркера [16].
/ — носитель; 2 — избыток носителя.
правления вращения и потока газа, а не в самой разделительной секции. В колонке конструкции Баркера [16] (рис. 10.12, а) газ-носитель движется лишь в одном направлении и поэтому длина разделительной секции колонки определяется только количеством, необходимым для исчерпывающей части, и обеспечением нужного газового напора.
ОБЩИЙ ПРИНЦИП РАБОТЫ КОЛЬЦЕВОЙХРОМАТОГРАФИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ
С ДИАМЕТРОМ КОЛОНКИ 1,6м КОНСТРУКЦИИ БАРКЕРА
Прототип хроматографической установки конструкции Баркера показан на рис. 10.13, а схема ее ——на рис. 10.14. Колонка этой установки имеет квадратное поперечное сечение размером 3,81 X Х3,81 см и диаметр кольца около 1,6 м.
Вся колонка разделена на 8 одинаковых секций, которые соединены друг с другом с помощью клапанов. В каждой из секций имеется медная спиральная трубочка, через которую пропускают нагревающий или охлаждающий агент. Путем регулировки клапанов можно добиться того, что при вращении колонки ее секции,
Рис. 10.13. Хроматографическая установка с колонкой диаметром около 1,6 м. содержащие насадку, будут иметь различную температуру и работать в качестве десорбционных секций. Нагретый и сухой газ-носитель поступает в колонку в точке В, движется в ней в направлении, противоположном направлению ее вращения, и выходит из нее через выходные отверстия Б. Для того чтобы газ-носитель не двигался в направлении вращения, клапаны между соответствующими секциями колонки всегда закрыты. Разделяемую смесь непрерывно вводят в колонку через отверстие А. Более легкий (менее
адсорбирующийся) компонент смеси движется при этом с потоком газа-носителя к выходному отверстию Б (слева), а тяжелые компоненты (адсорбирующиеся в большей степени) абсорбируются жидкой фазой, нанесенной на носитель, и движутся в направлении вращения колонки. В секции ВГ колонки происходит термическая десорбция тяжелых компонентов, и они выходят из колонки через выходное отверстие Б (справа).
На торцевых поверхностях каждой секции имеется 180 отверстий для подачи в колонку потока газа из входного отверстия и
вывода его из колонки через выходное отверстие. Эти отверстия управляются перепускными клапанами. При прохождении секции мимо входного или выходного отверстия эти клапаны автоматически открываются. Сами клапаны представляют собой кольцевые уплотнения, причем каждое из этих уплотнений закрывает по меньшей мере три отверстия на торцевой поверхности секции (диаметр отверстия около 0,12 см). К торцевой поверхности секции уплотнения прижимаются с помощью пластинок и пружин.
Перед входом в колонку в точке А разделяемая смесь испаряется, причем для того, чтобы в камерах клапанов не оставалось каких-либо сконденсировавшихся компонентов смеси, через отверстие Г, рас-
4 — разделяемая смесь； 5 — разделенные вещества; В — инертный газ； Г — вспомогательный поток газа./ — направление вращения; 2 — поток газа; 3 — нагревающая среда; 4 — охлаждающая среда.4 — разделяемая смесь； 5 — разделенные вещества; В — инертный газ； Г — вспомогательный поток газа./ — направление вращения; 2 — поток газа; 3 — нагревающая среда; 4 — охлаждающая среда.Д, в колонку подают небольшойД, в колонку подают небольшойвблизи от отверстиявблизи от отверстияположенноеположенноепоток газа-носителяпоток газа-носителя.В линиях, соединяющих между собой секции
4 — разделяемая смесь； 5 — разделенные вещества; В — инертный газ； Г — вспомогательный поток газа.
/ — направление вращения; 2 — поток газа; 3 — нагревающая среда; 4 — охлаждающая среда.
4 — разделяемая смесь； 5 — разделенные вещества; В — инертный газ； Г — вспомогательный поток газа.
/ — направление вращения; 2 — поток газа; 3 — нагревающая среда; 4 — охлаждающая среда.
Д, в колонку подают небольшой
Д, в колонку подают небольшой
вблизи от отверстия
вблизи от отверстия
положенное
положенное
поток газа-носителя
поток газа-носителя
колонки, имеются отверстия для отбора проб веществ, движущихся в колонке. Анализ отобранных проб позволяет следить за образованием в секциях колонки концентрационных профилей. Обод
колонки имеет зубчатый венец, и весь агрегат приводится во вращение с помощью цепи, надетой на этот венец и ведущую шестерню. Скорости вращения колонки ——от 1 до 10 об/ч.
На рис. 10.15 показана кольцевая хроматографическая установка, изготовляемая фирмой «Universal Fisher Group Ltd.» Crawley, England. В этой установке имеются некоторые усовершенствования по сравнению с первой установкой Баркера. В ней предусмотрены отдельные входные и выходные устройства для
разделяемой смеси и устройства для вывода из колонки разделенных компонентов смеси. Вместо спиральных нагревателей в приборе установлены электрические нагревательные элементы, которые позволяют изменять температуру в больших пределах и облегчают ее регулирование. Усовершенствованы также уплотнения между неподвижными отверстиями и движущейся поверхностью колонки.
Рис. 10.15. Хроматографическая установка с колонкой диаметром около 1,6 м.
ХРОМАТОГРАФИЧЕСКОЕ РАЗДЕЛЕНИЕНА КОЛЬЦЕВОЙ ХРОМАТОГРАФИЧЕСКОЙ УСТАНОВКЕС ДИАМЕТРОМ КОЛОНКИ ОКОЛО 1,6 мРАЗДЕЛЕНИЕ УГЛЕВОДОРОДОВ. ОЧИСТКА ①РА1ЩИИЦИКЛОПЕНТАНА С ЧИСТОТОЙ 97%
Высокую эффективность кольцевой хроматографической установки иллюстрируют результаты очистки с ее помощью фракции циклопентана, имеющей чистоту 97% и содержащей 5 детектируе-
мых примесей. Соответствующие хроматограммы приведены на рис. 10.16. Насадка колонки для этой установки представляет собой 30% полиоксиэтилендирицинолеата 400 на огнеупорном кирпиче С-22 фирмы «Johns-Manville». Можно было выбрать и более подходящую неподвижную фазу, однако Баркер и Хантингтон [18] уже использовали этот сорбент в своих предыдущих исследованиях с колонкой диаметром около 2,54 см с движущимся слоем, и поэтому представляло интерес сравнить работу обоих типов хроматографов. В то же время при разделении с помощью данной фазы хромато-
Время
Рис. 10.16. Хроматограмма циклопентана до (Л) и после (%) очистки.
Температура колонки 21 ℃, скорость потока газа-носнтеля 30 мл/мин, скорость движенияленты самописца 60 см/ч, объем парообразной пробы 0,15 мл.
графические пики всех примесей располагались по одну сторону от основного хроматографического пика циклопентана, и поэтому примеси можно было выделить из смеси не за два, а за один цикл разделения.
Принцип действия кольцевой установки аналогичен принципу действия хроматографа с движущимся слоем, поэтому требуемые для разделения на этой установке скорости движения газа и сорбента можно приближенно получить, исходя из значений коэффициентов распределения двух разделяемых компонентов смесн» близких по временам удерживания. Для данной неподвижной фазы при 20 ℃ значения коэффициентов распределения циклопентана (■/(циклопентан) и примеси (Кпримесь) были равны соответственно 119,1
Значения рабочих параметров для очистки циклопентана а
Объемные скорости газовых потоков при условиях окружающей среды, л/ч
Среднее избыточное давление в колонке,
Значение отношения fp/s
!訂
Качество получаемого циклоцентана
верхнее выходное отверстие
нижнее выходное отверстие
точка
сброса
верхняя секция колонки
нижняя
секция колонки
верхняя
секция
колонки
нижняя
секция колонки
291
504
45
0,64
0,79
160
124
96,4
Чистый; предел чистоты на' расстоя-
нии 86,4 см от выходного отверстия
235
504
47
0,67
0,84
126
92,7
93,1
Чистый; предел чистоты на расстоя-
нии 12,3 см от выходного отверстия
199
504
47
0,72
0,85
104
76,2
90,8
Чистый
164
504
51
0,78
0,89
84
56,7
88,1
Следы примесей
131
504
56
0,81
0,92
67
37,6
68,2
Чистота 99%
а Рабочая температура колонки 20 ℃, нагрузка по разделяемой
смеси 72 мл/ч.
Таблица 10.7
Зависимость изменения распределения циклопеитана по верхней и нижней фракциям от нагрузки по разделяемой смеси
Нагрузка по разделяе-
смеси, мл/ч
Объемные скорости газовых потоков при условиях окружающей среды, л/ч
Среднее избыточное давление в колонке,
Значение отношения
尸P/S
Доля от количества исходной смеси, %
верхнее выходное отверстие
нижнее
выходное отверстие
точка сброса
верхняя секция колонки
нижняя
секция
колонки
• верхняя секция колонки
нижняя
секция
КОЛОНКИ
верхняя фракция
нижняя фракция
120
208 .
504
47
0,72
0,85
109
80
17,4
82,6
202
208
504
47
0,72
0,85
109
80
16,2
83,8
300
214
504
47
0,71
0,85
112
83
17,5
82,5
410
232
504
47
0,69
0,84
122
92
15,2
84,5
/
нагрузки получалась чистая нижняя фракция (циклопентан).
20 ℃. При
а Рабочая температура колонки
всех значениях
и 78,5, а коэффициент разделения, равный отношению этих коэффициентов,—1,518.
В табл. 10.6 приведены значения рабочих параметров, которые соответствуют получению чистого продукта (циклопентана) в нижней части. Во всех циклах разделения при этих условиях верхняя фракция, которая в идеальном случае должна содержать только примеси, содержала большой процент циклопентана. Причиной этому было небольшое количество примеси, содержащейся в исходной смеси, и ограниченная эффективная длина секции колонки (около 278 см), на которой происходит массопередача и которая расположена между двумя отверстиями для вывода из колонки разделенных компонентов смеси.
При увеличении скорости подачи в колонку разделяемой смеси необходимо несколько увеличить и скорость подачи газа-носителя с тем, чтобы нижний продукт состоял из чистого циклопентана. Относительные количества верхней и нижней фракций, выходящих из колонки, для различных скоростей подачи смеси в колонку приведены в табл. 10.7. При всех приведенных в табл. 10.7 значениях скорости подачи, в колонку разделяемой смеси был превышен предел насыщения газа-носителя, в качестве которого в данном случае использовали воздух. Этим и объясняется высокая концентрация циклопентана в нижней фракции. Отсюда видно, что колонка может успешно работать в условиях перенасыщения газа-носителя, однако для того, чтобы избежать образования в ней полостей, заполненных жидкостью, лучше увеличить скорость потока газа-носителя и не допускать насыщения при столь малых скоростях подачи в колонку разделяемой смеси.
ОЧИСТКА ФРАКЦИИЦИКЛОГЕКСАНА 99%-НОЙЧИСТОТЫ
Температура колонки 40 ℃, скорость потокагаза-носнтеля 53 мл/мнн, скорость движенияленты самописца 60 см/ч, величина парооб-разной пробы 0,2 мл.Температура колонки 40 ℃, скорость потокагаза-носнтеля 53 мл/мнн, скорость движенияленты самописца 60 см/ч, величина парооб-разной пробы 0,2 мл.Врем^Врем^Рис. 10.17. Хроматограмма циклогексана до (Л) и после (6) очистки.Рис. 10.17. Хроматограмма циклогексана до (Л) и после (6) очистки.В данном случае подвергаемая очистке фракция циклогексана 99 %-ной чистоты содержала одну примесь (рис. 10.17), которую обнаружили с помощью разделения этой фракции на колонке длиной около 2 м и диаметром 4 мм с насадкой из 6 вес. % жидкой фазы полиоксиэтилендирицинолеата 400 на огнеупорном кирпиче С-22
Температура колонки 40 ℃, скорость потокагаза-носнтеля 53 мл/мнн, скорость движенияленты самописца 60 см/ч, величина парооб-разной пробы 0,2 мл.
Температура колонки 40 ℃, скорость потокагаза-носнтеля 53 мл/мнн, скорость движенияленты самописца 60 см/ч, величина парооб-разной пробы 0,2 мл.
Врем^
Врем^
Рис. 10.17. Хроматограмма циклогексана до (Л) и после (6) очистки.
Рис. 10.17. Хроматограмма циклогексана до (Л) и после (6) очистки.
d。-HXHOTOX BdAIBdQlIW0.!. BEhoged G
Ю
Й
g CO
g
о g
寸
g
co
4
g
ю
6
ю
寸 a
со
fc 寸
QO
9
ОО
9
9 g
CO
СО
о
о
о
g a
g
о
о
9
寸
N
g 9
寸
6 寸
寸
s
4
9
QO
g
8
g
ОЛу^О^Ч^5
3 3 1 = g " S
£ ж手
I I i
1 2 1
1亭I
母捐
о g 1 '
S
g S
« suvsu ^OSVKB-ёпл^ be HHBAdjBH s нSKStf^rt^ ^vx^sx s ^vx^&tt OU rt^s^«uosstf яях«1«ЛЕ0йл OJOHHSqlQghHIfoH ЛНООЕЗЯвйм
80、OWGJ
24 Зак. № 570
фирмы《Johns-Manwille》зернением 52—60 меш. Детектирование осуществляли с помощью ПИД. Значения'коэффициентов распределения циклогексана и примеси были равны 306 и 193,6 соответственно, так что коэффициент разделения оказался равным 1,582. Несмотря на то что данная смесь имеет коэффициент разделения того же порядка, что и рассмотренная в предыдущем разделе фракция циклопентана, в данном случае требуются скорости газового потока примерно в три раза большие, чем в случае циклопентана.
Относительные количества веществ, выходящих из колонки, соответствующие чистой нижней фракции, приведены в табл. 10.8. В отличие от предыдущего случая при данных условиях насыщение газа-носителя не наступает ни при каких значениях скорости ввода в колонку смеси и газа-носителя. Из табл. 10.8 видно также, что имеют место большие потери циклогексана за счет его попадания во фракцию примесей. Вследствие этого фракцию примесей приходится вновь вводить в установку и выделять имеющийся в ней циклогексан.
РАЗДЕЛЕНИЕ АЗЕОТРОПНЫХ СМЕСЕЙЦИКЛОГЕКСАНА И БЕНЗОЛА
Случай разделения смеси циклогексана и бензола подробно изучали Баркер и Хантингтон [8]. Полученные ими результаты показывают зависимость работы кольцевой хроматографической установки от температуры колонки, скорости подачи в нее разделяемой смеси и отношения скоростей потоков газа-носителя и жидкой фазы.
В своих исследованиях Баркер и Хантингтон использовали температуру 20——21, 31——32, 35—36 и 43—44 ℃. Количество подаваемой в колонку разделяемой смеси они изменяли от 66 до 100 мл/ч, а значение отношения F^/S ——от 168 до 892. Во всех экспериментах разделяемую смесь перед вводом в колонку испаряли путем ее нагревания до температуры 87 ℃.
Значения рабочих параметров для всех циклов разделения приведены в табл. 10.9. В этом случае верхний участок колонки представляет собой участок между верхним отверстием для вывода разделенных веществ и точкой ввода в колонку разделяемой смеси, а нижний участок ——участок между нижним отверстием для вывода разделенных веществ и точкой ввода смеси.
Во всех циклах поток газа в колонке был ламинарным. Исключение составляет лишь цикл при температуре колонки, равной 20—— 21 ℃. В этом случае максимальное значение числа Рейнольдса (Re) для незаполненной колонки было равно 13,6, что соответствует области перехода от ламинарного течения к турбулентному (Re=10—30).
Графики зависимости концентрации веществ от длины пути, проходимого ими в колонке, имеют те же особенности, что и аналогичные графики для вертикально расположенных колонок с движу-
щимся слоем. Для рабочих циклов при температуре 20——21 ℃ эти графики показаны на рис. 10.18. В верхней части колонки происходит резкое падение концентрации, которое обусловлено поступающей в колонку свежей насадкой. При движении вниз по колонке ниже точки ввода в нее разделяемой смеси концентрация бензола увеличивается. Коэффициенты распределения циклогексана и бен-
力厶〃 4 zzz"〃 Z厶4 ^^^s ^s^ ^sos^BnhHdwHBhHR力厶〃 4 zzz"〃 Z厶4 ^^^s ^s^ ^sos^BnhHdwHBhHRЦикл АЗ Скорость подачи смеси Г二 80^л}чЦикл АЗ Скорость подачи смеси Г二 80^л}чЦикл А7 f^82мл/чГ 产573产 364L F 7s 宵 8F 浄 〃$Цикл А7 f^82мл/чГ 产573产 364L F 7s 宵 8F 浄 〃$FP 479I 产 274FP 479I 产 27460 80 100 72。140ввооа фракция60 80 100 72。140ввооа фракция120 WO 80 60 40 20 0 20 40Верхняя расстояние 0m точки фракциясмеси, см120 WO 80 60 40 20 0 20 40Верхняя расстояние 0m точки фракциясмеси, см
力厶〃 4 zzz"〃 Z厶4 ^^^s ^s^ ^sos^BnhHdwHBhHR
力厶〃 4 zzz"〃 Z厶4 ^^^s ^s^ ^sos^BnhHdwHBhHR
Цикл АЗ Скорость подачи смеси Г二 80^л}ч
Цикл АЗ Скорость подачи смеси Г二 80^л}ч
Цикл А7 f^82мл/ч
Г 产573产 364
L F 7s 宵 8F 浄 〃$
Цикл А7 f^82мл/ч
Г 产573产 364
L F 7s 宵 8F 浄 〃$
FP 479I 产 274
FP 479I 产 274
60 80 100 72。140
ввооа фракция
60 80 100 72。140
ввооа фракция
120 WO 80 60 40 20 0 20 40
Верхняя расстояние 0m точки фракциясмеси, см
120 WO 80 60 40 20 0 20 40
Верхняя расстояние 0m точки фракциясмеси, см
разделения смеси циклогексана 20—21℃・разделения смеси циклогексана 20—21℃・
разделения смеси циклогексана 20—21℃・
разделения смеси циклогексана 20—21℃・
рис ю 18 Концентрационные профили в случае '(/) и бензола (2) при температуре
зола при этой температуре (20—21 ℃) равны 302 и 775 соответственно, что дает для коэффициента разделения значение 2,57.
При температуре 20—21 ℃ уровень концентрации веществ в кольцевой колонке гораздо меньше, чем в прямой вертикально расположенной колонке. На графиках, в которых концентрация выражена в мольных долях, также наблюдаются аналогичные концентрационные профили (рис. 10.19). При увеличении величины отношения FP/S длина колонки, требуемая для осуществления данного разделения, увеличивается, особенно на участке ниже точки ввода смеси. Опираясь лишь на значения величины F^S, можно
Значения рабочих параметров для разделения смесн циклогексана и бензола прн различных температурах
Температура колонки и номер цикла разделения
Нагрузка по разделяемой смеси, мл/ч
Объемная скорость раствори-
Объемные скорости потоков газа-носителя при условиях окружающей ср еды, л/ч
Среднее избыточное давление、 в колонке,
Среднее значение отношения 尸P/s в колонке
верхнее выходное отверстие
точка сброса
нижнее
выходное отверстие
верхнее выходное отверстие
нижнее
выходное отверстие
верхнее выходное отверстие
нижнее
выходное отверстие
20—21 ℃
А1
80
1111
690
188
560
0,19
0,39
524
326
А2
80
1Ш
778
186
546
0,18
0,35
596
390
АЗ
80
1778
828
192
546
0,19
0,41
892
582
А4
80
778
634
211
560
0,34
0,57
616
352
А5
82
767
740
200
557
0,17
0,39
836
485
Аб
82
767
664
200
557
0,29
0,45
674
420
А7
82
767
717
198
613
0,25
0,43
748
475
А8
ПО
767
731
196
602
0,22
0,36
780
497
А91
110
767
697
202
597
0,28
0,44
712
449
31-32 ℃
Б1
66
758
512
67
762
0,27
0,53
553
403
Б2
66
758
446
71
762
0,22
0,55
464
334
БЗ
66
758
358
73
762
0,37
0,60
362
248
Б4
66
758
388
73
688
0,36
0,59
397
274
Б5
81
758.
398
73
732
0,34
0,60
407
282
Б6
89
758
388
72
732
0,35
0,57
398
277
Б7
89
■ 758
378
70
732
0,33
0,55
391
273
Б8
100
758
388
72
732’
0,35
0,59
398
274
35-36 ℃
В1
66
767
316
102
567
0,36
0,59
321
189
В2
65
767
395
99
602
0,34
0,58
405
260
ВЗ
65
767
363
104
602
0,38
0,61
362
226
В4
86
767
274
94
573
0,39
0,61
274
158
В5
83
758
318
96'
877
0,33
0,56
378
244
•Вб
74
758
294'
98
874
0,34
0,57
340
212
В7
74
758
330
107
877
0,30
0,53
398
245
43-44 ℃
П
94
758
502
98
563
0,33
0,49
539
388
Г2
94
758
343
107
626
0,39
0,60
350
211
ГЗ
94
758
291
105
612
0,42
0,63
289
163
Г4
64
758
322
99
585
0,38
0,55
332
204
Г5
64
758
297
103
573
0,40
0,59
308
174
было бы ожидать, что кривая А7 на рис. 10.19 будет лежать между кривыми /48 и 49, однако видно, что вследствие повышенной скорости подачи в колонку разделяемой смеси (ПО мл/ч вместо 82 мл/ч) нижняя фракция содержала примеси. Максимальная массовая скорость подачи смеси, при которой еще получаются чистые разделенные фракции, равна примерно 90 мл/ч. Соответствующие минимальное и максимальное значения отношения массовых скоростей 戶p/S были равны 485 и 712, но не следует забывать, что эти
Цикл
Величина FP/S ниже точки ввода
Рис. 10.19. Концентрация циклогексана в колонке при температуре 20——21 ℃.
Массовая скорость подачи смесн, мл/ч
Величина Fp/S выше точки ввода
n“OQ .ytw WHgx①20wnT JsrfnmdEH多HO
А7
А8
А9
82
110ПО
748
780
712
475
497
449
значения являются усредненными по всей длине соответствующих участков колонки.
При повышении температуры колонки уменьшаются коэффициенты разделения компонентов разделяемой смеси. Колонка же должна работать при постоянной скорости движения жидкой фазы, поэтому при повышении температуры колонки в ней необходимо уменьшать скорость газового потока. С повышением температуры уменьшается и величина коэффициента разделения, поэтому разделение при этом все же ухудшается.
С уменьшением скорости газового потока при постоянной скорости подачи разделяемой смеси уменьшается концентрация ве-
ществ в колонке. С повышением температуры быстрее наступает насыщение газовой фазы, поэтому уменьшение скорости потока газа в колонке, вызванное повышением ее температуры, вряд ли приведет к насыщению колонки.
Рис. 10.20. Разделение смеси циклогексана (?) и бензола (2) при температуре 43—44 ℃.
-■Gwj-R告1a9 ВТ?寸&Ехзно
При температурах 31—32 и 35—36 ℃ концентрационные ups фили в колонке имели такую же форму, что и при более низких температурах.
Наибольшей в этих экспериментах была температура 43—44 ℃, значения коэффициентов распределения циклогексана и бензола были равны при этом 145 и 345 соответственно, а коэффициент разделения ——2,38. При этой температуре использовали очень
малую скорость газового потока, что приводило к высоким концентрациям вещества в колонке (рис. 10.20). Единственным циклом, в котором. получились две чистые фракции, был цикл D5, причем из рис. 10.20 видно, что максимальное значение массовой скорости подачи смеси было равно при этом примерно 70 мл/ч. Максимальное значение величины Fp/S в этом случае равно 308, а минимальное—174. Отсюда видно, что на практике диапазон значений величины 尸p/S несколько уже теоретического диапазона. Видно также, что этот диапазон уменьшается с увеличением скорости подачи в колонку разделяемой смеси.
ЭФФЕКТИВНОСТЬ КОЛОНКИ
Эффективность колонки по отношению к разделению смеси циклогексана и бензола выражали как через величину ВЕП, :гак и через общее значение В ЭТТ для циклов разделения, в которых значения рабочих параметров удовлетворяют соответствующим соотношениям. Величину ВЕП вычисляли для каждого участка колонки длиной около 7,7 см, используя при этом соответствующие значения величины 尸p/S (табл. 10.10).
Таблица 10.10
Эффективность (величина ВЕП, см) участка колонки выше точки ввода смеси по отношению к бензолу
Номер цикла
Положение участка колонки выше точки ввода, см
12,7—25,4
25,4-38,1
38,1—50,8
50,8—63,5
63,5—76,2
середина колонки
А4
2,8
2,6
—
一
2,7 .
Аб
2,45
2,2
2,3
А9
2,1
2,3
2,2
—
—
2,2
БЗ
7,4
6,0
5,7
6,4
Б4
9,2
7,2
7,6
7,3
5,8
7,4
Б5
7,8
8,1
8,5
8,3
7,1
8,0
Б6
6,8
8,0
7,6
6,4
5,5
6,8
Б7
12,0
11,0
8,9
8,0
5,2
9,0
В1
10,0
8,3
7,2
8,5
В4
7,3
6,3
—
6,8
Вб
9,0
7,8
7,4
7,3
5,5
7,4
ГЗ
4,5
4,1
4,3
4,7
4,6
4,6
Г5
4,8
3,9
3,5
3,7
2,9
3,7
При температуре 20—21 ℃ среднее значение величины ВЕП равно примерно 2,54 см ——то же, что и для вертикальной колонки с движущимся слоем. При температуре 31—32 ℃ это значение, как правило, находится в пределах 5—9 см. Примерно в тех же пределах находится среднее значение величины Яед.п и при температуре 35—36 ℃, а при температуре 43一44 ℃ оно уменьшается примерно до 3,8 см. Малое значение средней величины ВЕП при температуре 21——22 ℃ можно объяснить тем, что при этой температуре в потоке газа в слое насадки начинала возникать турбулентность, что содействовало массопередаче.
Вычисленные значения величины ВЕП для участка колонки ниже точки ввода разделяемой смеси приведены в табл. 10.11. Как правило, эти значения выше значений этой величины для бензола, вычисленных для участка колонки выше точки ввода смеси. Однако
Таблица 10.11
Эффективность колонки (величина ВЕП, см) по циклогексану на участке ниже точки ввода разделяемой смеси
Номер цикла
Положение участка колонки ниже точки ввода смеси, см
12,7-25,4
25,4—38,1
38,1-50,8
50,8—63,5
63,5-76,2
76,2—88,9
АЗ
17,1
12,4
—
—
А5
20,7
17,8
18,1
14,5
—
А7
28,4
21,5
17,3
17,9
13,8
ИЛ
А8
39,6
35,6
27,4
20,5
19,0
13,1
Б1
33,6
31,9
24,0
15,2
—
—
Б2
19,4
15,9
14,6
10,5
—
БЗ
12,1
10,1 .
8,4
5,61
5,03
3,66
Б4
10,3
9,7
8,75
7,45
6,23
—
Б5
12,4
10,8
9,05
6,92
7,53
一
Бб
13,3'
11,8
9,12
8,40
8,56
7,29
В2
20,7
17,1
15,4
16,01
13,6
12,9
ВЗ
16,6
14,5
11,9
10,7
8,73
9,48
В5
15,7
13,7
12,7
10,8
10,3
10,5
В7
13,5
ПЛ
117
14,2
11,3
10,3
Г1
24,5
23,6
19,9
—
—
—
Г2
44,6
21,7
21,7
17,3
14,2
12,5
Г4
17,7
14,8
13,0
12,0
9,70
7,85
Г5
10,7
10,2
8,10
6,51
6,05
5,14
по мере удаления от точки ввода смеси значения величины ВЕП, приведенные в табл. 10.11, уменьшаются и постепенно приближаются к значениям для бензола. Считается, что значение ВЕП для бензола на участке колонки ниже точки ввода разделяемой смеси обусловлено тем, что на этом участке межфазное равновесие устанавливается медленнее, чем на участке выше точки ввода смеси. Объясняется это тем, что при температуре колонки ниже точки кипения смеси некоторая часть смеси конденсируется при вводе в колонку и движется вниз по колонке в виде жидкости.
В табл. 10.12 приведены значения эффективности кольцевой колонки по отношению к полной массопередаче, выраженной через величину ВЭТТ для значений рабочих параметров, удовлетворяющих уравнению (10.40). Из этой таблицы видно, что при количестве подаваемой в колонку разделяемой смеси, равном 65 мл/ч, среднее значение эффективности равно примерно 5 см. Из данных, полученных для аналитических колонок, следовало бы ожидать, что с повышением температуры колонки ее эффективность будет возрастать и достигнет максимума при температуре примерно на 10 ℃ ниже точек кипения разделяемых компонентов разделяемой смеси. Однако в случае кольцевой колонки этого не наблюдалось из-за того, что в ней используется дополнительный поток газа-носителя, скорость которого не должна быть меньше некоторой пре-
Номер цикла
Массовая скорость подачи разделяемой смеси, мл/ч
Расстояние от точки ввода смеси, см
Полная эффективность, см
Отношение величин ф выше и ниже точки ввода смеси
*непр
ВЭТТ, см
выше
ниже
Аб
82
,76,3
147
224
1,604
44,2
5,05
А7
80
101
119
220
1,575
42,6
6,1
БЗ
66
71
132
203
1,46
37,2
5,5
Б4
66
101
91
204
1,45
36,8
2,06
Б5
81
124
99
223
1,44
36,4
2,42
Б6
89
117
117
234
1,44
36,4
2,53
Б7
89
111
129
242
'1,434
36,1
2,63
В1
66
106
147
254
1,698
51,7
1,93
вз
65
122
142
264
1,602
43,2
2,41
Г5
64
119
140
260
1,770
59,9
1,70
Таблица 10.12
Полная эффективность колонки по разделению смеси циклогексана и бензола
8「s^з^й
HEISWdoKXHH—dHBffl^зиое-SHSrt
aS ggg gS
g3g孔昼§§g
SOO н КГО g s H
52 ||g乎窗
睛？目熊目範索
^§«。 Id^ н CU О н н Н S
ИЯНО1С0Я виплаэ вннжин
^ S S S S 8 8 IIa a
ИЛН01ГОЛ виплаэ BBHxdaa
S § ЙS S S S
"a
В g ® s S
ИМН01ГОЛ внплаз инннсин
zooqoz””
zzzzzzz
©оооооо
ИМИОЕОЯ випяаэ BBHxdaa
Й2S8saS
ооооооо
BMhOl
Sй S^ ^ ^ ^
霑義
aHndaas эонгохка ааняснн
导超^険导険沒
СО自сосоСО СО OQ
эихэёавю эон1гох1ча aaHxdaa
§ 电 胃 蜀毋岳
1 « 5 炉经
宓 5 S 寰寻^苑
SUV
дельной величины. Этот дополнительный поток газа играет важную роль при повышении температуры колонки, поскольку из-за него уменьшается газовый поток в верхней секции колонки. Величины газовых потоков в верхней и нижней секциях колонки отличаются на величину этого дополнительного потока.
РАЗДЕЛЕНИЕ АЗЕОТРОПНОЙ СМЕСИДИЭТИЛОВЫЙ ЭФИР—ДИХЛОРМЕТАН
Разделение смеси диэтилового эфира и дихлорметана ——еще один пример того, насколько легко разделять азеотропные смеси с помощью метода НХО* Коэффициенты распределения диэтилового эфира и дихлорметана для упоминавшейся выше полигликоль- ной жидкой фазы при температуре 20 ℃ равны 101 и 482 соответственно, а их коэффициент разделения 4,77. Точки кипения этих веществ равны 34,8 и 41 ℃ соответственно.
Значения рабочих параметров для данного разделения приведены в табл. 10.13. Из этой таблицы видно, что колонку эффективно использовали при различных скоростях газового потока, причем верхнюю и нижнюю секции колонки использовали в одинаковой степени. При этих условиях максимальная массовая скорость подачи смеси, при которой в чистом виде еще получались разделенные компоненты, была равна примерно 220 мл/ч, причем компоненты называли чистыми, если степень их чистоты превышала 95%. Значения величины ВЭТТ для данного разделения приведены в табл. 10.14. Из этой таблицы видно, что величина ВЭТТ увеличивается с увеличением массовой скорости подачи в колонку разделяемой смеси. Это увеличение обусловлено, вероятно, более высокой концентрацией веществ в колонке.
Таблица 10.14
Полная эффективность колонки по разделению смеси диэтиловый эфир—дихлор метай
Объемная скорость подачи смеси, мл/ч
Расстояние от точки ввода смесн, см
Полная эффектив- иость, см
Отношение величин ф выше и ниже точки ввода смесн
"непр
Величина ВЭТТ, см
выше
ниже
64
45,7
50,8
96,5
1,41
17,45
5,55
117
61,0
勿,5
152
1,39
17,20
9,13
176
101
122
224
1,395
17,27
12,9
202
124
147
272
1,42
17,51
15,5
220
124
147
272
1,398
17,29
15,7
%g-6 «ьонок^ WSHQaofflHO OJOHBOX 0 so noz HHHBOgpd bh ZIOIJHh 55ЛЕ 忌IHh WSHQaofflHO OJOHBOX io so go 寸 HHHB0IBd TOX 1О1Н11 Ч^ЗЛЕIHh -WSHQ&offlHO OJOHEOXI io so FgN HHHBOISBd B SHOHOS^ Ч03ЛЕ ^3H0s^ KHIUdogl。сионЕохгш IO soIZ HHHBOKgBd EH 3H0H0s^ Ч03ЛЕZIUHh
(ВМЯХЗ°ВВН5КМН) HBIandoTXM
/86 Blogh WSHO&fflHO OJOHBOX io Nz/寸 SSXWOHOOTOa bh знонок^ Ч05&Е ^3HQS^ WSHO&^fflHO OJOHEOXW N0”8 SSEWOHOOTOa EH 3H0H0s^ Ч05ЛЕ ^3HQS^
步 76 BIOIUHh
(BMax3°BBHXd& MB3nH。工 013ПН
aolMAnodu И32шя^^е.ос oalahB上
gl.sQ^a^K
禽後鳥鳥§ § §
ИЛН01Г0Л ВИПЛЭЭ ннннсин
ИЛН01Г0Л
ВИТ1ЛЭЭ BBHXdsQ
S/&-KSBOaoEHO^жж—ят
Э芯$$$ 2 ^о
ооООООО
ИЯН01Г0Л виплаэ ввняснн
ИЯНОКОЯg^^^^5€S
- виплээ .----
BBHxdaa°°°°оОО
П1ВCXHOTOX aзннауав
aoHhoIIqgmHшю^
•р8яа^няашЕЕШН"BhogBd rt
圖氏 Й s S s
3 й й Й
s s ^°
аихэазвю эонгохна ааняснн
аиюйэаю эонгохна ээнхёэе
3^0®шн£я^аио XBHaobA=du aoxoiou изйоэ^янооаоио OSBSOA^O
ЯВ2ЛОИ-ХЯ^|ЯЙ&2ЯО«052Я« xuvsu HHH91fgeEd Hdu aodlSWEdEU XHTOgEd BUM911PHm
h/im"suoso«OSдкчшчетяаОСBxmAdJBH
РАЗДЕЛЕНИЕ СМЕСИ ДИМЕТОКСИМЕТАНАИ ДИХЛОРМЕТАНА, ИМЕЮЩИХ БЛИЗКИЕточки кипения
Точки кипения диметоксиметана и дихлорметана равны 42 и 41 ℃ соответственно, а их коэффициенты распределения (при температуре 20 ℃ для полигликольной жидкой фазы) ——соответственно 172 и 482, что дает коэффициент разделения 2,8. Это разделение демонстрирует еще одно преимущество метода НХО, которое заключается в том, что выбором неподвижной фазы можно изменить равновесие между паром и жидкостью и упростить разделение по сравнению со случаем, когда не используется никакой третьей фазы (табл. 10.15). Сам метод НХО при этом аналогичен экстрактивной дистилляции, однако колонки для экстрактивной дистилляции, предназначенные для разделения малых количеств веществ, требуется оснащать дорогим оборудованием, и обычно с ними труднее работать, чем с кольцевыми хроматографическими установками.
Величины эффективности, выраженные в величинах ВЭТТ, для данного разделения приведены в табл. 10.16. Из нее видно, что, как и прежде, эффективность увеличивается с увеличением скорости подачи в колонку разделяемой смеси.
Таблица 10.16
Полная эффективность колонки по разделению смеси диметоксиметан—дихлорметан
Массовая скорость подачи смеси, мл/ч
Расстояние от точки ввода смеси, см
Полная эффективность, см
Отношение величин д выше и ниже точки ввода смеси
"непр
Величина вэтт, см
выше
ниже
48
75,6
106
185,3
1,39
30,2
6,15
70
124
127
252
1,39
30,2
8,35
88
124
147
272
1,39
30,2
9,0
XX. ОБЩИЙ ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ КОМПАКТНОЙ КОЛЬЦЕВОЙ ХРОМАТОГРАФИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ КОНСТРУКЦИИ БАРКЕРА
Одним из главных недостатков описанной выше кольцевой хроматографической установки с диаметром кольца около 1,6 м является ее ограниченная разделительная способность, обусловленная недостаточной длиной секции массопередачи (около 3 м)} в которой происходит разделение смеси. При увеличении длины секции массопередачи в этой установке она становится слишком громоздкой. Это неудобство удалось преодолеть Баркеру [19]. Он сконструиро-
вал хроматографическую установку, основной частью которой является барабан из сообщающихся между собой трубок, установленных вертикально между двумя кольцевыми основаниями. Фотография этой установки приведена на рис. 10.21, а ее схема на рис. 10.22а. ,
Рис. 10.21. Компактная кольцевая хроматографическая установка.
Всего в барабане 44 трубки, каждая длиной около 25 см и диаметром около 2,54 см. С помощью привода от мотора весь барабан можно вращать по часовой стрелке со скоростями от 0,2 до 2,0 об/ч. По окружности верхнего кольцевого основания расположены четыре неподвижных отверстия, одно из которых (/) служит для подачи газа-носителя, а другое (4)——для вывода более легких компонентов разделяемой смеси.
потока
Рис. 10.22а. Схема компактной кольцевой хроматографической установки.
/ _ газ-носитель; 2 — выход тяжелых компонентов; 3 — устройство для ввода смеси； 4 — 'выход легких компонентов.
Рис. 10.226. Коммерческая компактная кольцевая хроматографическая установка.
Барабан с трубками, а также входные и выходные устройства помещаются в термостат с электрическим подогревом, температуру которого можно изменять до 200 ℃. Во избежание накопления в термостате взрывоопасных паров из-за утечек в соединениях его непрерывно продувают подогретым воздухом с помощью вентиляторов. Для большей предосторожности сверху термостат прикрыт защитной плитой. Фотография такой установки, выпускаемой фирмой «Universal Fisher Group», приведена на рис. 10.226.
По принципу действия эта установка аналогична описанной выше хроматографической установке с колонкой диаметром кольца около 1,6 м. Подогретый и высушенный инертный газ-носитель подается в нее через устройство 1 (рис. 10.22а), поочередно проходит через трубки, двигаясь вдоль кольца в направлении, противоположном направлению вращения барабана, и выходит из установки через выходные устройства 2 и 4. Разделяемую смесь непрерывно подают в установку через входное устройство. Более легкие компоненты смеси (менее абсорбирующиеся) двигаются преимущественно вместе с потоком газа к выходному устройству 4. Более тяжелые компоненты (менее абсорбирующиеся) двигаются по направлению вращения барабана, десорбируются нагретым инертным газом в зоне между устройствами / и 2 и выходят из установки через выходное устройство 2.
XXI. ПРОИЗВОДСТВО УГЛЕВОДОРОДОВВЫСОКОЙ ЧИСТОТЫ. ОЧИСТКА ЦИКЛОПЕНТАНА
Улучшенная по сравнению с кольцевой хроматографической установкой диаметром около 1,6 м разделительная способность компактной кольцевой установки видна из результатов по очистке циклопентана п циклогексана, полученных Баркером и Аль-Мад- файем [20]. Исходный циклопентан имел чистоту 97% и содержал четыре обнаруживаемые примеси (см. рис. 10.23). Примесь, которой соответствует хроматографический пик, ближайший к пику циклопентана, идентифицировали как 2,2-диметилбутан, имеющий коэффициент распределения 78,5. Коэффициент распределения циклопентана равен 119,1, поэтому коэффициент разделения для смеси этих двух веществ равен 1,518. Трубки барабана компактной хроматографической установки были заполнены насадкой, состоящей из 30% (по весу) жидкой фазы полиоксиэтилендирицинолеата 400 на огнеупорном кирпиче С-22 фирмы «Johns-Manville» зернением 14— 18 меш. Полный вес используемой насадки был равен 2956,7 г, а жидкой фазы — 887,0 г.
Значения рабочих параметров приведены в табл. 10.17, а полученные результаты — в табл. 10.18. Целью экспериментов было получить чистый циклопентан при минимальных потерях его с фракцией примесей. Полученный циклопентан имел чистоту 99,999% и потерь не было (рис. 10.23). Заметим, что все значения чистоты 25 Зак. № 570
веществ, используемые в данной главе, основаны на данных газохроматографических разделений с использованием пламенно-ионизационного детектора и не являются значениями абсолютной чис* тоты.
а
а — ннжняя фракция； б — верхняя фракция； 8 — неочищенная фракция. /, 2, 3, 4 — прнмесн; 5 — цнклопентан.
Рис. 10.23. Очистка цнклопентана.
Номер цикла
♦ Массовая скорость подачи смесн, мл/ч
Выход циклопентана в ннжней части колонки, %
Чистота разделенной фракции в ннжней части колонки, %
Расстояние
от границы начала обнаружения примесей
ДО ННЖНЁГО выходного отверстия, м
Эффективная длина зоны массопер едачи (всего около 4,62 м), %
1
26,9
100
99,999
3,99
30
2
41,6
99,84
99,999
3,00
40
3
60,3
99,84
.99,999
1,00
50
4
154,1
99,9
99,18
一
100
5
154,1
99,9
99,999
0,33
90
Таблица 10.18
Данные о работе колонки при очистке циклопеитана
Как и следовало ожидать, компактная кольцевая хроматографическая установка имеет меньшую производительность, чем хроматографическая установка с диаметром кольца колонки около 1,6 м, поскольку сечение насадочной трубки в первой установке составляет менее одной трети сечения колонки во второй. Однако компактная установка имеет более длинную секцию, в которой происходит разделение смеси (4,62 м по сравнению с 2,97 м для некомпактной машины), и поэтому обеспечивает большую чистоту и больший выход разделенных веществ.
魄
Массовая скорость потока газа-носителя прн условиях окружающей среды, л/ч
Среднее давление в колонке, атм
Значение отношения fp/s
верхнее выходное отверстие
нюкнее
выходное отверстие
вспомогательный газовый поток
верхняя секция колонки
нижняя
секция
колонки
верхняя секция колонки
ннжняя секция колонки
1
26,9
94,9
167
19,9
0,39
0,42
80,3
61,9
2
41,6
94,9
167
19,9
0,43
0,44
77,8
60,9
3
60,3
94,9
167
19,9
0,43
0,44
77,8
60,9
4
154,1
94,9
360
19,9
0,25
0,32
89,9
67,1
5
154,4
112,9
360
19,9
0,25
0,32
105,85
83,2
Таблица 10.17
Значения рабочих параметров для очистки циклопеитана а
а Во всех циклах скорость вращения барабана равна фазы в час. Температура во всех циклах 22 ℃.
1,0 об/ч, нлн 0,8625 л неподвижной
10.24. Очистка циклогексана.
а — ннжняя фракция; б — верхняя фракция； 6 — неочищенная фракция. / — прнмесн; 2 — циклогексан.
25*
Рнс.
XXII. ОЧИСТКА ЦИКЛОГЕКСАНА
Еще одним примером, показывающим превосходную разделительную способность компактной кольцевой установки, является очистка 99%-ной фракции циклогексана. Соответствующие хроматограммы показаны на рис. 10.24, а значения рабочих параметров процесса приведены в табл. 10.19. Одну из обнаруживаемых примесей циклогексана идентифицировали как состоящую преимущественно из метилциклопентана, имеющего при температуре 20 ℃ коэффициент распределения, равный 193,6. Коэффициент распределения циклогексана равен 306, и поэтому коэффициент разделения смеси этих двух веществ равен 1,582.
1
X
II
式 工
Объемные скорости газовых потоков при условиях окружающей среды, л/ч
Среднее избыточное давление, атм
Значение отношения .m/s
верхнее выходное отверстие
нижнее выходное отверстие
точка
сброса
верхняя секция колонки
иижняя секция колонки
верхняя секция колонки
НИЖНЯЯ секция колонки
1
36,8
242
648
29
0,17
0,25
241,7
200
2
64
242
648
29
0,17
0,25
241,7
200
3
76,4
242
648
29
0,25
0,32
226,7
197; 7
4
152
242
648
29
0,17
0,25
241,7
200
5
126,7
343,2
648
31,2
0,23
0,36
324,6
269
XXIII. ВЫДЕЛЕНИЕ н-ГЕКСАНА ИЗ НЕОЧИЩЕННОГО ГЕКСАНА
Таблица 10.19
Значения рабочих параметров для очистки циклогексана а
а Во всех циклах скорость вращения колонки 1,0 об/ч, температура 21 ℃.
Выделение н-гексана из неочищенного гексана, содержащего четыре основные примеси, демонстрирует способность компактной кольцевой хроматографической установки разделять изомеры, а также вещества, пики которых на хроматограмме с обеих сторон окружены пиками примесей (рис. 10.25).
На газовой хроматограмме неочищенного н-гёксана видны четыре пика; вещества, соответствующие этим пикам, идентифицировали (в порядке увеличения времен удерживания) как 2-метилпен- тан (2-МП), 3-метилпентан (3-МП), н-гексан (н-гекс.) и метилциклопентан (МЦП). Коэффициенты распределения этих веществ при температуре 20 ℃ равны соответственно 101,8, 119,1, 142,0, 200,8.
h/go (иянотгоя BHHdlnuds qgodoxQ
О
^雹2
ИЯЙО1ГОЯ ВИ11ЛЭЭ ББНЖИН
ияногоя БИНИЭЭ BBHxdaa
a н *
臘工
НЯНОМОУ
БИПЯЭЭ ввижин
НЯИО1ГОЯ виплэо BBHxdaa
О g
Bnodgn
BXhOL
SHiodaaxo аоштохрш ээнжии
эиюбэою aoHtoxns aanxdag
h/lTH ГИЭЭНО ЦОИОВ1Г -steed on вне A die н
втгяий dawoH
«а«ом«^ OJOHHQmHhoQHHOKHQHOUWOX XSXMOXQO «sxwssrt^
с
二
W
О)
U 二
W
W
888 Г
ОООО ^j
ООСОуН со
§冬g
S冕絃遗
©ООО
ооо о
6 I
°й
ICN8线
SSК??
ООо
осо64
9Uz女
zzОООО
внйS
h/OO *ИЯНО1ГОЯ винэшвбя q工30doX。
ИЯНОГОЯ внпяэо ВВНЖНН
НЯНО1ГОЯ ВИЙЯЭО BBHxdss
嘉萨
HXHOITOX ВН11ЯЭО ВВНЖИН
HXHOMOX внпхаз BBHxdaa
露寧
О §"
eoodxn BXhOL
SHiodasio аонаохма аанжнн
sniodssio SOHtOXFIS aaHxdaa
h/iri4 (иоэко аопавм -sireBd on BxcAdjBH
bvmhii йэнон
盥宦 i 8
н н U Н h
и S
S
со W
EC co S
Q (U =H
(U上
S т
H н
иh
0号 舌&
£ о
о
G о
о
g
CM
3
g
s
of 6
§ 00 g к
g
00 9
启
S co d oo
ОО g
6
E
щ 6
& 6
a о
賞
04 g
W о
н a co / s
co о
启
со о
5 о
CM
о
冠 о
00 co
о
00 а
о
V
ОО 04
о
о
9 ОО
9
*
9 QO
9 V a
9 ОО
V
W
6 6
ОО
艺
00 g
ОО 0
9
а
大
00
H
а
g
9
z
00
6
оноохза^н o^obuay anEavaplqa
Соответствующие коэффициенты разделения равны 1,170 ——для смеси З-МП — 2-МП, 1,192 — для смеси н-гекс. — 3-МП, и 1,414 — для смеси МЦП ——н-гекс.
|343 |2з
Рис. 10.25. Выделение чистого (99,98%-ного) н-гексана из неочищенного (70,1%-ного) гексана.
а — неочищенный гексан; б — верхняя фракция (八幺 3) и ннжняя фракция (4); 6 — верхняяфракция (/, 2) н нижняя фракция (3) — чистый 8-гексан.
1 — 2-метилпентан; 2—3-метилпентан; 3 — н-гексан, 4 — метилциклопентан.
В первых четырех циклах (табл. 10.20) метилциклопентан сравнительно легко выделили из неочищенного я-гексан а (рис. 10.256),
фракцияОбласть ввода смеси
Рис. 10.26а. Разделение смеси н-гексана и метилциклопентана.
Цикл 3, скорость ввода смеси 52,8 мл/ч. / — МЦП; 2 — я-гексан； 3 — 3-метилпентан：4 — 2-метилпентан.
поскольку значение коэффициента разделения для пары МЦП — н-гекс. равно 1,414 и длина колонки, на которой происходит мас- сопередача, была достаточной. Фракцию, собранную из верхнего
выходного устройства, т. е. смесь н-гекс., 2-МП и 3-МП, вновь ввели в установку для выделения из нее н-гексана (рис. 10.25а). В табл 10.20 для цикла 5 приведены типичные рабочие условия при массовой скорости подачи смеси в колонку, равной 12,8 мл/ч. В этом цикле происходит разделение смеси двух изомеров н-гекс. и 3-МП, для которой коэффициент разделения равен 1,192, отсюда и меньшая скорость ввода смеси по сравнению с циклами 1—4.
Данные для циклов 6 и 9 показывают, что компактная установка очень удобна в работе, поскольку отбор фракций можно осуществить в любой точке хроматограммы. "
Нижняя фракцияНижняя фракцияВерхняя фракцияВерхняя фракцияОбласть ввода смесиОбласть ввода смесиРис. 10.266. Выделение н-гексана из смеси с 2- и 3-метилпентаном.Рис. 10.266. Выделение н-гексана из смеси с 2- и 3-метилпентаном.
Нижняя фракция
Нижняя фракция
Верхняя фракция
Верхняя фракция
Область ввода смеси
Область ввода смеси
Рис. 10.266. Выделение н-гексана из смеси с 2- и 3-метилпентаном.
Рис. 10.266. Выделение н-гексана из смеси с 2- и 3-метилпентаном.
Цикл 5, скорость ввода смеси 12,8 мл/ч. Z — н-гексан; 2 — 3-метилпентан; 3 — 2-метилпентан.
Относительные количества разделяемых веществ в колонке в стационарных условиях показаны на рис. 10.26а и 10.266.
ВЫДЕЛЕНИЕ Л ИНАЛ ОЛА ИЗ МАСЛАПОЛИСАНДРОВОГО ДЕРЕВА
На хроматограмме масла полисандрового дерева (рис. 10.27) имеются пики, соответствующие следующим соединениям или группам соединений (в порядке выхода из колонки): углеводороды терпенового ряда, цинеол, бензальдегид, окиси цис- и транс-линалола, причем за главным хроматографическим пиком линалола следуют пики спиртов терпенового ряда. Целью экспериментов было выделить из смеси такие соединения как линалол без разложения смеси. Значения рабочих параметров, использованные в этих экспериментах, и данные о работе колонки приведены в табл. 10.21.
В цикле 3 было достигнуто полное отделение от анализируемой смеси окисей линалола и легких углеводородов (рис. 10.27), Для цикла 4 в табл. 10.21 приведены условия, при которых осуществляли отбор фракции в точке, расположенной по другую сторону от основного пика линалола на хроматограмме.
В этих экспериментах проявилась способность компактной хроматографической установки разделять высококипящие и очень
5§о.ого&^ав|кггг.^^ o^^ 5la« I ° Is sosls SOS lna
•BHBd啓 OUOMO&K3S4OC sorts вкотвнну bhhb1rBmqIjHd
2s°gs§
ОSSWS5gw'
gS
g®Sggё
НунRN。^
T己曰ё
и
ооою
二е22co
эянотгоя s S/d』BiiH
-эшонхо эннэнвне ээнгэбэ
о99
П寸5
QOОо
s g 5 о s
НЯН01Г0Я ВНПУ8 ВВНЖНН
Iа9
асо寸со
оооо
需冒評
ОюВ ю н в
НЯНОЕОЯ внпхаз ввнПан
二12 co
оооо
3 ё 1
н и 1 3
w V к а
Boodgo exhoL
оооо
ан工ndaH工0 эонгохма ээнжнн
з07中
ООZ
а寸со
SHiodaaio аониохгш aaHxdag
aagz
zю
h/EH (МЕВ( вннажнап чюо
)ионжна!гопан toxn ввннэч-go
сосо寸9
99ЮQO
‘ИЯН01Г0Х BHHamedH 4iooda?2>
йSюS
Zz
IIa
оооо
донэв1гэ1ГЕБд on bheKcIjbh
6z
QOQO86
веянй dawoH
Ia寸
нестабильные смеси жидких веществ без их разложения. Считают, что данный метод найдет особое применение для разделения смесей жидкостей, чувствительных к нагреванию. Дело в том, что инертный газ по своему действию аналогичен вакууму н в то же время в его присутствии уменьшается время пребывания в колонке разделяемых веществ, а следовательно, меньше вероятность их разложения. Очевидно, что большую роль в разложении веществ играют и материалы, из которых изготовлена установка. Обычно используют нержавеющую сталь, графтон или политетрафторэтилен и графит, а если требуется, и стекло.
ВЫДЕЛЕНИЕ а-ПИНЕНА ИЗ ЖИВИЧНОГОСКИПИДАРА
Живичный скипидар содержит в основном а- и р-пинены и несколько процентов камфена. В литературе он часто упоминается как вещество, по разделению которого можно судить о возможностях периодических газовых хроматографов. Тем более интересно сравнить данные по разделению этого вещества периодическим методом и с помощью компактной кольцевой хроматографической установки.
Выделением а-пиненов из их смеси с р-пиненами из исходного живичного скипидара занималась фирма《АЬсог» [43]. Была использована насадочная колонка длиной около 2,7 м и диаметром около 10 см. Для увеличения эффективности колонки в ней установили специальные перегородки. Наибольшая нагрузка колонки по разделяемой смеси была равна 22 л за 24 ч. Выход а-пиненов, имеющих чистоту 98,6%, был равен 90%, причем удельная нагрузка по смеси колонки диаметром около 2,54 см была равна 55,4 мл/ч.
Баркер и Аль-Мадфай использовали метод НХО и получили а-пинен, имеющий чистоту 99%, с выходом 91,3%. Массовая
Таблица 10.22
Данные по разделению а- и р-пнненов, содержащихся в жнвнчном скипидаре
Нагрузка по смесн,
Объемные скорости газовых потоков прн условиях окружающей среды, л/ч
т, ℃
Среднее давление в колонке,
Чистота, %
Выход, %
Нагрузка по смеси; диаметр колонки около 10 см, л/суткн
верхняя колонки
ннжняя часть колонки
33,5
165
342
ПО
5
99
98,3
12,91
66,5
165
264
113
4,8
99,5
91,3
21,65
109,8
189
240
120
5
99
62,0
42,17
скорость подачи разделяемой смеси в колонку была равна 66,5 мл/ч. Данные, полученные этими авторами, приведены на рис. 10.28 и в табл. 10,22. Нагрузка по смеси в этом случае была на 20% выше нагрузки, которую использовали на фирме《Abcor》. Баркер и Аль- Мадфай утверждают, что при более высоких температурах, близких к точкам кипения разделяемых пиненов (примерно 152 ℃), можно ожидать получения еще больших нагрузок колонки по смеси.
Рис. 10.28. Выделение а-пиненов из живичного скипидара, а — исходная смесь; 6 — иижияя фракция； в — верхняя фракция. / — а-пииеи; 2 — ^-пннен.Рис. 10.28. Выделение а-пиненов из живичного скипидара, а — исходная смесь; 6 — иижияя фракция； в — верхняя фракция. / — а-пииеи; 2 — ^-пннен.
Рис. 10.28. Выделение а-пиненов из живичного скипидара, а — исходная смесь; 6 — иижияя фракция； в — верхняя фракция. / — а-пииеи; 2 — ^-пннен.
Рис. 10.28. Выделение а-пиненов из живичного скипидара, а — исходная смесь; 6 — иижияя фракция； в — верхняя фракция. / — а-пииеи; 2 — ^-пннен.
Общая степень извлечения веществ, приведенная в табл. 10.22, относится к веществу, выделенному путем двуступенчатого охлаждения. С помощью более совершенных методов можно получить еще больший выход.
ДРУГИЕ УСТРОЙСТВА ДЛЯ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯНЕПРЕРЫВНОГО ХРОМАТОГРАФИЧЕСКОГО РАЗДЕЛЕНИЯ
КОЛОНКИ С РАДИАЛЬНЫМ ПОТОКОМ
В литературе были описаны хроматографы конструкции Мой- зера [21], в которых разделяемые вещества движутся от центра к периферии коаксиальной насадочной колонки. Вся колонка и устройство для ввода смеси вращаются относительно друг друга, и пути, проходимые в колонке различными компонентами смеси, различны и определяются удерживаемыми объемами этих компонентов. Благодаря этому осуществляется непрерывное разделение этих компонентов. Для разделения с помощью колонки, показанной на
рис, 10.29, ее вращают относительно неподвижных точек для ввода смеси и вывода разделенных веществ или вращают устройства для ввода и вывода относительно самой колонки. Чаще нсего используют первый способ.
Б. КОЛОНКИ СО СПИРАЛЬНЫМ
потоком .
Колонку этого типа предложил Мартин [22]. Она представляет собой коаксиальную насадочную колонку или колонку, составленную из трубок, расположенных по окружности. Во время разделения колонку вращают. Смесь подают в нее сверху, и траектории движения в ней компонентов смеси представляют собой спирали.
Динелли и сотр. [23, 24] создали такую установку (см. рис. 10.30), состоящую из 100 колонок (диаметром 6 мм, длиной 1,2 м), расположенных пО окружности. Комплекс колонок можно вращать со скоростями от 1 до 50 об/ч. Устройства для ввода разделяемой смеси и вывода разделенных веществ при
Рис. 10.29. Конструкция колонки с радиальным потоком.Рис. 10.29. Конструкция колонки с радиальным потоком./ — к детектору и/или ловушкам； 2 — подача разделяемой смеси； 3 — перегородка； 4 — насадка; 5 — выход продукта./ — к детектору и/или ловушкам； 2 — подача разделяемой смеси； 3 — перегородка； 4 — насадка; 5 — выход продукта.этом неподвижны.
Рис. 10.29. Конструкция колонки с радиальным потоком.
Рис. 10.29. Конструкция колонки с радиальным потоком.
/ — к детектору и/или ловушкам； 2 — подача разделяемой смеси； 3 — перегородка； 4 — насадка; 5 — выход продукта.
/ — к детектору и/или ловушкам； 2 — подача разделяемой смеси； 3 — перегородка； 4 — насадка; 5 — выход продукта.
Газ-носитель движется вниз по трубкам. Благодаря вращению колонки и различиям во временах удерживания компонентов смеси компоненты движутся в колонке по различным путям и их можно улавливать в отдельных ловушках. Зная скорость вращения колонки, скорость потока газа и времена удерживания компонентов смеси, можно определить номер ловушки, в которую попадает данный компонент: '
Z, = 2^rQ/ya, (10.45) где 工 ——расстояние ловушки от точки ввода смеси, г — радиус окружности, вдоль которой расположены трубки, Q ——скорость вращения колонки, /Уд —время удерживания компонента.
Оптимальные рабочие условия для такой колонки были определены в работе [25]. При разделении на этой колонке смеси гептана и толуола при нагрузке по разделяемой смеси, равной 60 мл/ч, гептан обнаружили в ловушках с номерами от 8 до 22, а толуол ——
Рис. 10.30. Вращающаяся колонка для препаративной газовой хроматографии.Рис. 10.30. Вращающаяся колонка для препаративной газовой хроматографии./ — газ-носитель; 2 — разделяемая смесь; 3 — крышка； 4 — колонки; 5 — рубашка нагревателя; 6 — охлаждающая баня;7 — охлаждаемые ловушки./ — газ-носитель; 2 — разделяемая смесь; 3 — крышка； 4 — колонки; 5 — рубашка нагревателя; 6 — охлаждающая баня;7 — охлаждаемые ловушки.в ловушках с номерами от 72 до 4 (соответствующие рассчитанные номера ловушек 9—24 и 70—3).
Рис. 10.30. Вращающаяся колонка для препаративной газовой хроматографии.
Рис. 10.30. Вращающаяся колонка для препаративной газовой хроматографии.
/ — газ-носитель; 2 — разделяемая смесь; 3 — крышка； 4 — колонки; 5 — рубашка нагревателя; 6 — охлаждающая баня;
7 — охлаждаемые ловушки.
/ — газ-носитель; 2 — разделяемая смесь; 3 — крышка； 4 — колонки; 5 — рубашка нагревателя; 6 — охлаждающая баня;
7 — охлаждаемые ловушки.
При увеличении нагрузки по подаче смеси в колонку число ло- вушек, в которые попадает данный компонент, возрастает и в конце концов разные компоненты начинают попадать в одни и те же ловушки. Существует, таким образом, максимальная нагрузка по смеси для получения заданной чистоты разделенных веществ. Теоретическое значение этой максимальной нагрузки для случая разделения смеси циклогексана и бензола с жидкой фазой трикрезил фосфат при температуре 80 ℃ и заданной чистоте 99,9% было равно 220 мл/ч, а на практике эта нагрузка оказалась равной 200 мл/ч.
В работе [26] описан способ увеличения размеров такой колонки путем использования 36 трубок длиной 2,4 м, имеющих U-образную форму. Эту установку использовали для разделения изомеров и очистки фракций углеводородов, причем она позволяет реализовать большие нагрузки по этим веществам и обеспечивает большую их чистоту, чем колонка Олдершоу.
Колонка примерно такого типа, но с многоходовыми кольцевыми трубками описана в работах [27, 28], однако в них нет данных о работе этих колонок. Считается, что изготовить такую колонку с симметричными кольцевыми зазорами труднее, чем колонку, состоящую из многих отдельных трубок, хотя в последнем случае требуется кропотливая подгонка колонок для того, чтобы они имели одинаковые характеристики [29].
Как бы ни были остроумны конструкции колонок со спиральным потоком, они все же относятся к периодическим колонкам и имеют все присущие периодическим колонкам недостатки при разделении больших количеств веществ.
Турина и сотр. [30] описали устройство, состоящее из двух параллельных друг другу пластин, расположенных на расстоянии 1 мм друг от друга. Пространство между пластинами заполнено насадкой. Поток газа-носителя поступает в пространство между пластинами равномерно по всей площади одного вертикального ребра, соединяющего пластины, и выходит через другое ребро через 26 отверстий, равномерно распределенных по его длине. Нелетучая жидкость движется в насадке вертикально вниз и выходит через ниж-
нее основание этого «сэндвичам. Если непрерывно подавать разделяемую смесь через отверстие, расположенное в верхнем углу ребра, через которое входит газ-носитель, то различные компоненты смеси в зависимости от их времен удерживания будут двигаться по яасадке под различными углами к горизонтали и выходить из устройства в различных точках либо с потоком газа-носителя, либо вместе с жидкой фазой. Этот принцип применяли в ТСХ с треугольными пластинами [31].
КОЛОНКИ С ПОТОКОМ СИНУСОИДАЛЬНОЙ ФОРМЫ
Томпсон [32, 33] разработал принцип полунепрерывного разделения с помощью аналитической колонки, основанный на том, что концентрации разделяемой смеси в потоке газа-носителя, поступающего в колонку, изменяются во времени синусоидально от 0 до 100%. При этом концентрации компонентов смеси осциллируют синусоидально в фазе друг с другом. При прохождении таких синусоидальных волн компонентов через колонку они по-разному удерживаются и ослабляются неподвижной фазой. Путем надлежащего выбора частоты осцилляций и скорости потока газа можно сделать так, что волны компонентов будут выходить из колонки не в фазе друг с другом. С помощью клапанов, работающих с частотой колебаний концентрации веществ в потоке газа, вещества, выходящие из колонки, можно направлять в различные охлаждаемые ловушки. При разделении смеси (1:1) этана и пропана с жидкой фазой дибензиловый эфир и углекислым газом в качестве газа-носителя Томпсон получил этан с чистотой 70% и пропан с чистотой 74%. Общая нагрузка по смеси была равна 82 мл/ч, а частота колебаний—40 Гц.
Г. КОЛОНКИ С ДВИЖУЩЕЙСЯ НЕПОДВИЖНОЙ ФАЗОЙ
Во всех описанных выше хроматографах с движущимся слоем вниз по колонке под действием силы тяжести двигался твердый носитель. Можно, однако, зафиксировать твердый носитель, как в обычной насадочной колонке, и пропускать через него поток нелетучей неподвижной фазы, имеющей заданную скорость.
Этот принцип исследовали Тили с сотр. [34]. Они использовали колонку диаметром около 2,54 см, взяв в качестве подвижной жидкой фазы динонилфталат. Разделяемая смесь состояла из равных частей диэтилового эфира и дихлорметана, и ее подавали в колонку в количестве 5 мл/ч. Оказалось, что несмотря на то, что эффективность такой колонки (величина ВЭТТ около 2,5 см) была гораздо меньше эффективности колонки с движущимся слоем, с ее помощью можно было получить разделенные вещества с чистотой свыше 99,9%. ц
Хроматографическое разделение с движущейся жидкой фазой легче реализовать на практике, чем разделение с движущимся
слоем или с помощью кольцевой установки, однако при этом получаются меньшая эффективность и производительность. Этого и следовало ожидать, поскольку нелетучие жидкости, движущиеся сквозь слой носителя, имеют обычно высокую вязкость, что приводит к малым скоростям диффузии. В колонках с движущимся слоем сорбента этот эффект меньше, благодаря тому что жидкость в них распределена в виде тонкой пленки на очень большой поверхности твердого носителя. Кроме того, насадочные колонки с движущейся жидкой фазой имеют недостатки, связанные с плохим распределением жидкой фазы и гораздо меньшим значением отношения площади поверхности жидкости к ее объему, чем в колонках с неподвижной насадкой.
Кун и сотр. [35, 36] при разделении многокомпонентных смесей с помощью колонок с движущейся жидкой фазой использовали зависимость коэффициентов распределения от температуры. Они устанавливали разные температуры в различных секциях колонки и поддерживали постоянными скорости потоков газа-носителя и жидкой фазы. Различные компоненты смеси в зависимости от значений их коэффициентов распределения собирались при этом в различных соответствующих им участках колонки. Колонка состояла из пяти секций, причем температура секций уменьшалась снизу вверх по колонке. Нелетучая жидкость — смесь парафиновых масел, содержащая 10% стеариновой кислоты,——текла вниз по стальным спиралям в направлении, противоположном направлению потока газа-носителя. В самой нижней секции (наиболее горячей) вводили смесь пропионовой, н-масляной и н-валериановой кислот. Все эти три кислоты двигались вверх по второй секции, причем температура секций была выбрана так, что н-валериановая кислота концентрировалась между секциями 2 и 3, н-масляная кислота — между секциями 3 н 4, а пропионовая кислота ——между секциями 4 и 5. Разделенные кислоты можно было непрерывно выводить из колонки, причем чистота их была равна 95%.
В литературе имеется описание и других хроматографов с движущейся жидкой фазой [37, 38]..
НЕПРЕРЫВНОЕ РАЗДЕЛЕНИЕНЕЛЕТУЧИХ ОРГАНИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ С ПОМОЩЬЮЖИДКО-ТВЕРДОФАЗНОЙ ХРОМАТОГРАФИИ
В большинстве опубликованных работ по методу НХО описываются системы газохроматографического типа, однако на практике применяют и периодические методы разделения с помощью жидкотвердофазной хроматографии, как, например, для разделения глюкозы и фруктозы, перегонки углеводных полимеров, таких, как декстран и т. д.'
С помощью вращающихся кольцевых колонок, аналогичных тем, которые были описаны выше и применялись для разделения лету-
чих органических веществ, проводятся предварительные исследования по разделению углеводов [42]. В настоящее время ставится задача разработки методов разделения ферментов, антибиотиков, гормонов, углеводных полимеров и т. д.
Для этой цели в лабораториях используют в настоящее время небольшой хроматограф, основной частью которого является круглый барабан, состоящий из 44 трубок. Диаметр каждой трубки около 9,6 мм и длина около 30 см. Все эти трубки заполнены насадкой, например шариками пористого силикагеля, что обеспечивает разделение веществ по размерам их молекул (гель-ситовая хроматография).
С помощью такого хроматографа осуществляли непрерывное разделение декстрана — заменителя плазмы крови, имеющего диапазон молекулярных весов входящих в него веществ от 40 000 до 200 000, с получением фракций с узким распределением молекулярных весов входящих в них веществ. В качестве элюирующего агента при этом использовали обезгаженную деионизованную воду.
Точную регулировку потоков жидкости в хроматограф и из него осуществляли с помощью многоцилиндрового микронасоса. Это позволяло проводить разделение без остановки хроматографа в течение целого месяца.
СРАВНЕНИЕ ПЕРИОДИЧЕСКОГОИ НЕПРЕРЫВНОГО МЕТОДОВ ХРОМАТОГРАФИЧЕСКОЙочистки
В литературе нет экспериментальных и экономических данных, по которым можно было бы сравнить эффективность разделения промышленного масштаба одной и той же смеси с помощью периодического и непрерывного хроматографических методов. Некоторые данные по капитальным и эксплуатационным затратам, связанным с применением периодического метода, опубликованы фирмой 《АЬсог» [41]. Аналогичные данные для двух случаев непрерывного разделения углеводородов при нагрузке по смеси около 900 л/ч опубликовали Баркер и Хантингтон [8]. В соответствии с более полными данными фирмы «АЬсог» эксплуатационные затраты могут изменяться примерно, от 7 копеек на килограмм для относительно легкоразделяемых летучих смесей (при производительности около 2250 т/год) до примерно 33,3 рубля на килограмм для трудноразделимых и малолетучих смесей (при производительности около 3,6 т/год). По данным Баркера [8], текущие затраты при непрерывном разделении изменяются от 3,3 копейки на килограмм для легкоразделимых смесей до 7,8 копейки на килограмм для трудноразделимых смесей (при производительности около 6300 т/год). Отсюда видно, что для легкоразделимых и летучих смесей оба метода требуют эксплуатационных затрат одного и того же порядка, однако точность приведенных данных недостаточна для
26 Зак. № 570
окончательного сравнения этих методов. Совершенно очевидно, что требуется дальнейшая работа в этой области.
Сейчас при наличии большого числа новых развивающихся методов невозможно сказать, какой из методов — непрерывный или периодический — получит в конце концов наибольшее распространение, однако автор этой главы и его коллеги, 15 лет проработавшие с непрерывными методами, отдают предпочтение именно им.
ОБОЗНАЧЕНИЯ
^р скорость газового потока в укрепляющей секции колонки
Н%.и общая высота единицы переноса в газовой фазе К? значение коэффициёнта распределения вещества при 、бесконечно малой его концентрации в укрепляющей
секции колонки
К1" значение коэффициента распределения вещества при конечной его концентрации
К「а коэффициент полной массопередачи в газовой фазе
Адлина колонки
Мскорость движения вещества
Ne耳口число единиц переноса
Nirenpчисло теоретических тарелок, соответствующее ко
лонке для непрерывной хроматографии
Sскорость движения растворителя
SFкоэффициент разделения (SF = KeIKa)
/Удвремя удерживания компонента
WAi WE нагрузка на колонку компонентов Л и 5 соответственно •У&, Ха вес компонента Л на единицу объема фазы-носителя
и жидкой фазы соответственно
Индексы А, Б ^ т. д. соответствуют веществам А, 5 н т. д. Индекс д соответствует десорбционной, исчерпывающей секции Индекс р соответствует укрепляющей секции колонки
Уд, Уе величины, описывающие влияние конечной концентрации вещества на значение его коэффициента.распределения
дд, 0_б величины, описывающие влияние конечной длины колонки на значение коэффициента распределения вещества.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Barker А Е, Lloyd D /., J. Inst Petrol., 49, 73 (1963).
Fitch G. R., Probert M. E, Tiley P. E, J. Chem. Soc., 4875 (1962).
Sciance С. 7., Grosser О. Л., J. Am. Inst Chem. Eng., 12, 100 (1966).
Schultz H., Gas Chromatography 1962, M., Van Swaay, ed., Butterworths, 1963, p. 225.
Scott R. P.呼.，Gas Chromatography 1958, D. H. Desty, ed. Butterworths, London, 1958, p. 189.
Chilton 7. H., Colburn A. P., Ind. Eng. Chem., 27, 255 (1935).
Альдере Л、Жидкостная экстракция, ИЛ, М., 1962, гл. 5.
Barker Р. £., Huntington D Н., Dechema Monographien, Vol. 62, р. 153, 1968, published by Dechema.
Huntington D //., Ph. D. Thesis, Birmingham University, England (1967). 10. Barker P. E, Lloyd ZZ /” пат. США 3338031.
Barker P. £ Huntington D. //., Advances in Gas Chromatography 1965, A. Zlatkis, L. S. Ettre, eds., Preston Technical Abstracts Co., Evanston, Illinois, 1966, p. 162.
Pichler H., Schultz H., Brennstoff Chem., 39, 48 (1958).
Gulf Research and Development Со.» пат. США 2893955 (1959).
Mine Safety Appliances Co. (L. Luft), пат. США 3016107 (1962).
Glasser D., Gas Chromatography 1966, A.. B. Littlewood, ed., Institute of Petroleum, London 1967, 119 p.
Barker R E., and Universal Fisher Engineering Co., Ltd., Crawley, Sussex, Pat. Appl. No. 33630/65 and 43629/65. Patent issued under No. 114596, Also foreign patents.
Willmott F. W., Littlewood A. B., J. Gas Chromatog., 4, 401 (1966).
Barker P. E, Huntington D. H., Proceedings of the Sixth International Symposium on Chromatography, Rome, 1966, Institute of Petroleum/ London.
Barker P. E, and Universal Fisher Eng. Co., Ltd., Crawley, Sussex, Pat. Appl. № 5764/68 and 44375/68.
Barker P. E, Al-Madfai S., Proceedings of the Fifth International Symposium on Advances in Chromatography, Las Vagas, 1969. Preston Technical Abstrats Co., Evanston, Illinois, p. 123.
Cities Service Research and Development Co. L. C. (Mosier), пат. США 3078647 (1963).
Martin 4 J. R, Discussions Faraday Soc., 7, 332 (1949).
Dinelli D, Polezzo S” Taratnasso M., J. Chromatog., 7, 447 (1962).
Dinelli D, Taramasso AT, Polezzo S., пат. США 3187486 (1965).
Polezzo S., Taramasso M.t J. Chromatog., 11, 19 (1963).
Taramasso AL, Dinelli D., J. Gas Chromatog., 2, 150 (1964).
Deutsche-Erdol-Aktiengesellschaft, пат. ФРГ 1033638 (1958).
Deutsche-Erdol-Aktiengesellschaft, англ. пат. 810767 (1959).
Anonymous, Chem. Eng. News, 37, 40, 74 (1962).
Turina S., Krajovan V., Kostomaj T., Z. Anal. Chem., 189, 100 (1962).
Turina S., Krajoum S, Obradovic M., Anal. Chem., 36, 1905 (1964).
Canadian Patients and Developments, Ltd. (D. W. Thompson), пат. США 3136616 (1964).
Thompson D. W., Trans. Inst. Chem. Engrs., 39, 19 (1961).
Bradley B. J., Tiley P.尸.，Chem. Ind. (London), 18, 743 (1963).
Kuhn 取.，Narten E., Thurkauf M., 5th World Petroleum Congress, 1958, Section V, Paper 5, p. 45.
Kuhn W., Narten E, Thurkauf M., Helv. Chim. Acta, 41, 2135 (1958).
Grubner O., K^cer。E, Collection Czech. Chem. Commun., 29, 722 (1964).
Phillips Petroleum Co. (В. O. Ayers), пат. США 3162036 (1964).
Giddings J. C.} Eyring 〃，J. Phys. Chem., 59, 416 (1955).
Barker P. E, Lloyd D. /., Proceedings of the Symposium on Less Common Means of Separation, April 1963. Institution of Chemical Engineers, London, p. 68.
Kyan J. M, Timmins R. S., O'Donnell J.尸.，Chem. Eng. Prog., 64, 53 (1968).
Barker P. E, Barker S. 4, Hatt B.呼.，Somers P. /., Chemical & Process Eng., 52, № 1, 64 (1971).
Anonymous, Chem. Eng. News (May 23, 1966).
5 7 9 91518192730314444454548484849515256^59596874^7577778183858690919394955 7 9 91518192730314444454548484849515256^59596874^757777818385869091939495
5 7 9 91518192730314444454548484849515256^59596874^757777818385869091939495
5 7 9 91518192730314444454548484849515256^59596874^757777818385869091939495
Предисловие ••
Предисловие к английскому изданию-*
Глава 1. Основы теории. В. Преториус и К. де Клерк
Введение
Высота, эквивалентная теоретической тарелке
А. Капиллярные колонки
Б. Насадочные колонки
Ш. Эффекты, связанные с вводом пробы в колонку
Процесс элюирования
А. Основные уравнения в упрощенном виде
Модификация упрощенной теории
Многокомпонентные смеси
Б. Неэквимолярные пики • .。•
Метод отбора трех фракций■
Г. Турбулентное течение Д. Нелинейность
Тепловые эффекты••
Фронтальный анализ••
Выводы Обозначения
Список литературы
Глава 2. Системы ввода проб К「〃・ Хьюпе
Введение
Системы ввода образцов••
Испарение жидких проб Список литературы Глава 3. Техника применения препаративных колонок. Р. Е Яексар . . • •
Введение
Сведения из теории
Уравнение для величины ВЭТТ
Б. Рабочие параметры
Взаимосвязь между величиной ВЭТТ, диаметром колонки и природой газа-носителя III. Величина пробы и способ ввода ее в колонку
Величина пробы
Б. Производительность
Техника введения пробы
Г. Градиентные колонки
IV. Способы увеличения масштаба хроматографического процесса • А. Увеличение длины колонки
96 9799 100 103 104 107 ПО ПО112 113 115117 119 122 122123 124 129 130 134 136139 139140 14396 9799 100 103 104 107 ПО ПО112 113 115117 119 122 122123 124 129 130 134 136139 139140 143148149150148149150
96 97
99 100 103 104 107 ПО ПО
112 113 115
117 119 122 122
123 124 129 130 134 136
139 139
140 143
96 97
99 100 103 104 107 ПО ПО
112 113 115
117 119 122 122
123 124 129 130 134 136
139 139
140 143
148
149
150
148
149
150
Б. Системы параллельных колонок
Работа с повторением цикла
Увеличение площади поперечного сечения колонки
Сравнение длинных и узких колонок с короткими и широкими
Твердые носители
Классификация носителей
Б. Размеры частиц носителя и неоднородность его зернения ..
Обработка поверхности носителя
Г. Экономические соображения
Неподвижная фаза
Термическая устойчивость жидкой фазы
Б. Сорбенты
Содержание жидкой фазы на носителе
Г. Перераспределение жидкой фазы в колонке
Приготовление колонок
А. Трубки для изготовления колонок
Б. Нанесение неподвижной жидкой фазы (НЖФ) на носитель В. Способы заполнения колонки насадкой Г. Псевдоожижение насадки
Д. Форма колонки
Е. Переходные конусы на входе в колонку и на выходе из нее Ж. Распределители газового потока
Кондиционирование колонки
IX. Характеристики и режимы работы колонок
Концентрационные профили и профили скоростей газового потока
Б. Несимметричность хроматографических пиков
Температурные профили；
Г. Программирование температуры колонки
Д. Нагревание колонки
Обозначения
Список литературы
Глава 4. Системы сбора разделенныхкомпонентов.К".Хъюпе153
Введение 153
Отбор фракций 153
Сборники для улавливанияразделенных компонентов 156
Детектирование 167
Список литературы 170
Глава 5. Автоматизация процесса препаративного хроматографического разделения. Ю. Бут 172
Причины автоматизации 172
Автоматизируемые операции и способы автоматического управления 172
Автоматические системы с управлением по времени 173
Автоматические системы с управлением по времени и концентрации 174
Автоматическая система с одним порогом 175
Б. Пример конструкции автоматической системы с одним порогом 176
Автоматические системы с несколькими порогами 178
Г. Ошибки при отборе хроматографических зон при автоматическом управлении с порогом 179
Д. Комбинация автоматического управления по времени с управлением по порогу 181
Задержка начала автоматического отбора фракций 182
Коррекция нулевой линии 183
Ограничение числа циклов разделения . .183
Уменьшение продолжительности цикла разделения
Выбор границ отбора фракций
А. Полностью разделенные хроматографические пики
Б. Не полностью разделенные хром атограф ические пики ....
Увеличение производительности за счет перегрузки колонки ..
Передача сигнала детектора на управляющее устройство ....
Надежность управляющего устройства
Стабильность параметров процесса разделения
Список литературы
Глава 6. Программирование температуры колонки и потока газа-носителя.
Р. Кайзер
L Введение • ■ ;■
Программирование температуры Б. Локальное программирование температуры
Программирование газового потока в колонке Г. Оптимальная комбинация методов программирования температуры и газового потока
Программирование температуры колонки
Основные принципы
Б. Влияние программирования температуры колонки на параметры процесса разделения
Выводы
1П. Программирование газового потока. Программирование давления газа
Основные принципы
Б. Применения программирования давления
Выводы
Список литературы
Глава 7. Применение препаративной газовой хроматографии в органической химии. Верзел
Введение
Общие соображения
Некоторые сведения из теории
Колонки
Вопросы практического применения препаративной ГХ
Примеры препаративного газохроматографического разделения . А. Простые смеси. Разделение микроколнчеств веществ Б. Трудные разделения. Сложные смеси. Разделение полумикроколичеств веществ
Пробы больших объемов
VII. Различные интересные проблемы
Применение стеклянного бисера
Б. Внеколоночные каталитические эффекты
Автоматизированный отбор фракций
Список литературы
Глава 8. Применение препаративной газовой хроматографии при исследовании веществ, определяющих вкус и запах. К Мерритт
Введение
Методы выделения и концентрирования веществ, определяющих вкус и запах
Газохроматографическое разделение
Идентификация разделенных веществ
Список литературы
477822344888899999477822344888899999555 7)7141415161719w^^w-й^^ ^^^^^«^422442622792802821919191919W^M ^^ ^^^^^21212122222222222222222 2 2 2222 2555 7)7141415161719w^^w-й^^ ^^^^^«^422442622792802821919191919W^M ^^ ^^^^^21212122222222222222222 2 2 2222 2Глава 9. Применение препаративной газовой хроматографии в биохимии и биомедицине. В. Ванден-Хувель 次 Г. Курок
477822344
888899999
477822344
888899999
555 7)7141415161719w^^w-й^^ ^^^^^«^422442622792802821919191919W^M ^^ ^^^^^21212122222222222222222 2 2 2222 2
555 7)7141415161719w^^w-й^^ ^^^^^«^422442622792802821919191919W^M ^^ ^^^^^21212122222222222222222 2 2 2222 2
Введение
Общие замечания о процессе газохроматографического разделения А. Летучесть разделяемых веществ Б. Термическая стабильность *
Улучшение разделения:
Специальные методы: комбинация ГЖХ с масс-спектрометрией и определением радиоактивности
А. Масс-спектрометрия :
Б. Определения с помощью меченых атомов
Рабочие параметры
Применения препаративной ГЖХ в биохимических исследованиях' А. Стероиды
Б. Липиды :
Другие соединения
Заключение
Список литературы
Глава 10. Непрерывные хроматографическне методы. П. Баркер
Введение
Принципы, лежащие в основе непрерывной хроматографической очистки
Влияние на процесс разделения конечной концентрации вещества в подвижной фазе
Вероятностный подход
Общее описание хроматографа с движущимся слоем для разде-* ления бинарных смесей
Разделение бинарных смесей с помощью хроматографии с движущимся слоем
Вывод выражения для эффективности колонки через высоту единицы переноса
Сопротивление массопередаче в колонке
Получение выражения для эффективности колонки в терминах общей ВЭТТ
Разделение трехкомпонентных смесей
Общие рабочие условия для разделения трехкомпонентных смесей методом хроматографии с движущимся слоем
Кольцевые колонки для непрерывной хроматографической очистки
XIIL Общий принцип работы кольцевой хроматографической установки с диаметром колонки 1,6 м конструкции Баркера
Хроматографическое разделение на кольцевой хроматографической установке с диаметром колонки около 1,6 м Разделения углеводородов. Очистка фракции циклопентана с чи* стотой 97%
Очистка фракции циклогексана 99%-ной чистоты ........
Разделение азеотропных смесей циклогексана и бензола
Эффективность колонки
Разделение азеотропной смеси диэтиловый эфир——дихлорметаи
Разделение смесн диметоксиметана и дихлорметана, имеющих близкие точки кипения
Общий прийцип действия компактной кольцевой хроматографической установки конструкции Баркера
Производство углеводородов высокой чистоты. Очистка цикло- пентана
Очистка циклогексана
ХХШ. Выделение н-гексана нз неочищенного гексана
Выделение линалола нз масла полисандрового дерева
2 4 4 6 9 3373003847 2 2 4 67 8 9 59 04 5 0 1 4 4806088888 9990111122 3 3 3 33 3 3 4 4 & 5 5 6 6 & &67782 22 2 2 2223333333 3 3 3 3 3 3 а 3 3 3 3 3 3 3 3 *33332 4 4 6 9 3373003847 2 2 4 67 8 9 59 04 5 0 1 4 4806088888 9990111122 3 3 3 33 3 3 4 4 & 5 5 6 6 & &67782 22 2 2 2223333333 3 3 3 3 3 3 а 3 3 3 3 3 3 3 3 *3333283283283283588258 88 9933333588258 88 9933333Выделение а-пинена нз живичного скипидара
2 4 4 6 9 3373003847 2 2 4 67 8 9 59 04 5 0 1 4 4806088888 9990111122 3 3 3 33 3 3 4 4 & 5 5 6 6 & &67782 22 2 2 2223333333 3 3 3 3 3 3 а 3 3 3 3 3 3 3 3 *3333
2 4 4 6 9 3373003847 2 2 4 67 8 9 59 04 5 0 1 4 4806088888 9990111122 3 3 3 33 3 3 4 4 & 5 5 6 6 & &67782 22 2 2 2223333333 3 3 3 3 3 3 а 3 3 3 3 3 3 3 3 *3333
2
8
3
2
8
3
2
8
3
2
8
3
58825
8 88 99
33333
58825
8 88 99
33333
Другие устройства для осуществления непрерывного хроматогра- ' фического разделения：
Колонки с радиальным потоком 二
Б. Колонки со спиральным потоком 397
Колонки с потоком синусоидальной формы-399
Г. Колонки с движущейся неподвижной фазой .“
Непрерывное разделение нелетучих органических веществ с помощью жидко-твердофазной хроматографии ...' >
Сравнение периодического и непрерывного методов хроматографической очистки 401
Обозначения 402
Список литературы 402
ПРЕПАРАТИВНАЯ ГАЗОВАЯ ХРОМАТОГРАФИЯ
Редактор Т. Т. ОрловскаяХудожник А. П. Сабков
Художественный редактор Н. Г. БлиновТехнический редактор Н. И. Маиохнна
Сдано в набор 12/IX 1973 г. Подписано к печати 7/11 1974 г. Бумага № 2. 60X90716. бум. л. 12,75. Печ. л. 25,50 в т. ч. вкл. Уч.-изд. л. 27,09. Изд. № 3/6794. Цена 2 р. 38 к.
Зак. № 570.
ИЗДАТЕЛЬСТВО «МИР». Москва, 1-й Рижский пер., 2.
Ленинградская типография № 8 «Союзполиграфпрома» при Государственном комитетеСовета Министров СССР по делам издательств, полиграфии и книжной торговли.
190000, г. Ленинград, Прачечный пер., д. № 6.
I, елf
a=入/*, (6.5>
где 九——теплопроводность [кал/(см • мин • ℃)]; у ——удельный вес (г/см3)； с一удельная теплоемкость [кал/(г* ℃)].
Теплопроводность насадки сильно зависит от размера ее частиц. Никакой природный носитель не является однородным по своему составу; чаще всего он состоит из частиц, значительно различающихся по теплопроводности. Более того, в вычислениях можно использовать лишь значения параметров готовой насадки, которые могут заметно отличаться от табличных значений плотности и коэффициентов теплопроводности соответствующих носителей. Жидкая фаза, присутствующая в насадке, существенно влияет на теплопередачу от частицы к частице, а также на плотность насадки и ее удельную теплоемкость.
Хьюпе и сотр. [4] измерили зависимость теплопроводности от температуры для кизельгура и огнеупорного кирпича (рис. 6.2). При этом они получили следующие значения:
В, ДРУГИЕ СОЕДИНЕНИЯ
Применение препаративной ГЖХ не ограничивается, конечно,
только стероидами и липидами, ее используют и во многих других
областях исследований. С помощью препаративной ГЖХ изучали углеводы, аминокислоты, алкалоиды, природные вещества и про
дукты их метаболизма.
Болан и Стил [141] описали газохроматографический анализ 10
PREPARATIVEGASCHROMATOGRAPHY
Edited by
ALBERT ZLATKIS
Department of ChemistryUniversity of Houston, Houston, Texas
and
VICTOR PRETORIUS
Department of Physical and Theoretical ChemistryUniversity of Pretoria, Pretoria, South Africa
WILEY-INTERSCIENCE
A Division of John Wiley & Sons, Inc.New York. London. Sydney. Toronto1971
ПРЕПАРАТИВНАЯГАЗОВАЯХРОМАТОГРАФИЯ
Перевод с английскогоканд. физ.-мат. наук С. А. ОРЛОВСКОГО
Под редакциейдоктора хим. наук, проф. В. Г. БЕРЕЗКИНАи доктора хим. наук К. И. САКОДЫНСКОГО
ИЗДАТЕЛЬСТВО《МИР》
МОСКВА 1974
Книга посвящена методу препаративной газовой хроматографии, имеющему в настоящее время большое практическое значение. Коллективная монография написана ведущими специалистами, работающими в различных странах Европы, Америки и Африки. В книге рассмотрены основы теории препаративной газовой хроматографии, особенности аппаратуры и методы работы. Особое внимание уделяется вопросам применения препаративной газовой хроматографии в органической химии, биохимии и медицине, а также в исследовании запахов пищевых продуктов и душистых веществ.
Книга предназначена для специалистов, использующих методы препаративной газовой хроматографии в практических или исследовательских целях, особенно физико-химиков, хими- ков-оргаииков, биохимиков, медиков, фармакологов.
Редакция литературы по химии
П 20506—88
041(01)^74 ^―74 © Перевод на русский язык,《Мир», 1974.
ПРЕДИСЛОВИЕ
Одновременно с необычайно широким внедрением аналитической газовой хроматографии происходит развитие ее неаналитических направлений, среди них одно из наиболее важных — препаративная газовая хроматография.
Первым использовал хроматографию для препаративных целей основатель хроматографического метода М. С. Цвет, сто лет со дня рождения которого научная общественность всего мира отмечала в мае 1972 г. После завершения процесса разделения по жидкостному адсорбционному варианту Цвет удалял столбик адсорбента, разделял его на части и из каждой части извлекал индивидуальное вещество. Этим способом Цвету впервые удалось получить в чистом виде пигменты зеленых растений. -
Развитие препаративной газовой хроматографии происходило параллельно и на основе развития аналитической газовой хроматографии, когда, с одной стороны, возникла настоятельная необходимость в получении множества индивидуальных соединений достаточно высокой степени чистоты, а с другой стороны, выяснились ограниченные возможности таких распространенных методов, как дистилляция, экстракция, кристаллизация и т. д. Первоначально препаративное направление развилось именно как дополнение к этим общепризнанным методам. Очень быстро выяснились и достоинства, и ограничения метода препаративной газовой хроматографии. К числу достоинств относятся универсальность, обеспечение высокой селективности и эффективности разделения, возможности выделения одного или нескольких компонентов из сложных смесей с достижением за один цикл высоких степеней обогащения, простота процесса и возможность его полной автоматизации. К числу недостатков относятся сравнительно низкая удельная производительность и трудности улавливания веществ из газового потока. Препаративная хроматография применяется в настоящее время главным образом как лабораторный метод разделения веществ, и поэтому ее преимущества бесспорны, а недостатки не столь существенно важны. Следует ожидать, что препаративный хроматограф станет такой же неотъемлемой принадлежностью химических лабораторий, как аналитический газовый хроматограф в настоящее время и ректификационная колонка в прошлом.
Предлагаемая вниманию читателей книга «Препаративная газовая хроматография» написана группой ведущих в той или иной области препаративной хроматографии зарубежных специалистов. Редакцию книги осуществили известные ученые ——А. Златкис и В. Преториус.
В книге рассмотрены основы теории препаративной газовой хроматографии, особенности аппаратурного оформления, методы приготовления эффективных колонн. Особое внимание уделяется вопросам применения препаративной газовой хроматографии в органической химии, биохимии и медицине, а также в исследовании запахов пищевых продуктов и душистых веществ. Рассмотрению методов непрерывного разделения, которые, несомненно, перспективны для промышленной реализации, посвящена одна глава. В основном же книга представляет собой руководство по методам и аппаратам лабораторной препаративной хроматографии, когда выделяемые вещества получают в количестве нескольких граммов. Это направление в настоящее время, по нашему мнению, представляет для советского читателя наибольший практический интерес.
К сожалению, в книге недостаточно отражены работы советских авторов в области препаративной хроматографии, результаты которых нашли обобщение в нескольких специальных изданиях .
Можно отметить также недостаточное внимание, которое уделено авторами приготовлению промышленных колонок диаметром до 10—15 см; последние позволяют обеспечить производительность на уровне десятков и сотен килограммов чистых соединений. Это направление также успешно развивается в Советском Союзе .
Несомненным достоинством книги является сочетание умелого изложения теории с практическими рекомендациями. Мы надеемся, что издание настоящей книги облегчит практическое применение препаративной газовой хроматографии в различных отраслях науки и техники, будет способствовать более широкому внедрению этого метода и повышению уровня работ в данной области.
Книга предназначена для широкого круга специалистов ——химиков, биохимиков, физико-химиков, перед которыми в их работе встают задачи концентрирования примесей, выделения чистых веществ, разделения сложных смесей, идентификации компонентов и т. д.
В. Березкин К・ Сакодынский
Газовая хроматография, несомненно, является выдающимся научным достижением последнего десятилетия. Успехи этого метода в значительной мере связаны с химическим анализом. Этот факт кажется странным, поскольку газовая хроматография наиболее эффективна в быстром разделении смеси химических соединений и лишь в некоторых случаях с ее помощью удается осуществлять качественную или количественную идентификацию соединений. Еще более удивительно то, что тесная связь газовой хроматографии с химическим анализом возникла в условиях, когда в науке и промышленности существовала большая потребность во все более тонких методах выделения и сбора чистых химических соединений. Тем не менее факт остается фактом: усилия науки в области газовой хроматографии почти целиком были направлены на развитие этого метода как метода анализа, а не как метода разделения.
Основная причина состоит, возможно, в том,, что уже на ранней стадии развития газовой хроматографии стало ясно, что эффективность разделения соединений, степень разделения, время, затрачиваемое на разделение (скорость разделения), а также максимально возможное количество разделяемой смеси (емкость колонки) связаны друг с другом и улучшение одной из этих характеристик можно осуществить только за счет ухудшения по крайней мере одной из других. Ранний оптимизм, в, результате которого появился такой термин, как «промышленная» газовая хроматография, сменился разочарованием, поскольку попытки увеличить емкость газохроматографических колонок приводили к такому ухудшению их разделительной способности, что газохроматографический метод становился менее эффективным, чем другие методы получения чистых веществ. В результате ученые обратились к развитию более перспективных направлений исследования, а препаративная газовая хроматография — как ее стали называть позже ——отошла на задний план.
Позже, по мере изучения процессов, лежащих в основе хроматографического разделения, постепенно происходила переоценка
препаративной газовой хроматографии. Этот процесс включил в себя разнообразные подходы: от чисто теоретических до чисто эмпирических. И несмотря на то, что не было получено эффектив- ннх результатов и, как видно из работ, включенных в эту книгу, не «ясно еще, какой из методов ——периодический или непрерыв- нм卤——более эффективен для препаративной газовой хроматографии и следует ли предпочесть длинные и узкие колонки коротким и широким, несомненно, что препаративную газовую хроматографию можно с упехом применять в определенных областях. Сейчас мы знаем, что препаративная газовая хроматография используется для проведения довольно сложных разделений, когда количества веществ, разделяемых за день, измеряются граммами и когда основной упор делается на выделение из смеси соединений, имеющих научную или коммерческую ценность. Сам метод является скорее лабораторным, чем промышленным, и вопрос о применении его в промышленных масштабах может быть решен лишь в результате тщательного изучения связанных с этим научных, технологических и экономических факторов.
Литература по препаративной газовой хроматографии стала обширной, она рассеяна по многим изданиям. Эта книга появилась в результате назревшей необходимости собрать воедино основные достижения в развитии метода. Ввиду того что сам метод все еще находится в стадии развития, нам казалось, что книга, составленная из относительно независимых одна от другой статей, посвященных различным сторонам использования препаративной газовой хроматографии, будет полезней, чем обычная монография по тому же предмету.
4 Златкис
В. Преториус