3.6. Аппаратура хроматографических методов Хроматографическая колонка
Хроматографическая колонка - это стеклянный или металлический цилиндр, заполненный порошкообразным или волокнистым сорбентом или носителем. Размер колонки зависит от количества веществ, которые разделяются. Для микроколичеств используют колонки диаметром 1-2 мм и высотой в несколько сантиметров. В промышленности сооружают хроматографические колонны высотой в несколько метров и диаметром до одного метра. Наиболее употребляемые виды колонок показаны на рис. 3.6.1. В лабораторной практике используют делительные воронки, бюретки и любые стеклянные трубки диаметром 14 - 18 мм и длиной 200 - 700 мм с оплавленным нижним концом. Оплавленный нижний конец трубки с небольшим отверстием для вытекания раствора заканчивается или узкой стеклянной трубкой с притертым краном, или резиновой трубкой с зажимом. Верхний конец трубки может быть несколько расширен.
Выходное отверстие колонки закрывают ватным тампоном и заполняют колонку сорбентом или носителем на 2/3 объема. Заполнение колонки пористым материалом - важная операция. От величины зерен сорбента или носителя и его плотности зависит скорость фильтрации и степень поглощения разделяющейся смеси.
При высокой дисперсности сорбента фильтрация проходит очень медленно. Уменьшение дисперсности сорбента увеличивает скорость фильтрации, но при этом возможна неравномерная фильтрация и уменьшение рабочей поверхности сорбента, что значительно влияет на степень поглощения смеси, разделения. Поэтому очень важно для каждого конкретного случая найти оптимальную степень зернистости сорбента, высоту слоя в колонке и насыпную плотность.
Рис. 3.6.1. Хроматографические колонки: а - колонка с принудительной фильтрацией; б - колонка обычного типа; в - колонка по принципу противотока
Для заполнения колонок используют сорбент с определенным размером зерен. Более крупные зерна сорбента измельчают, мелкую фракцию удаляют просеиванием сорбента через набор сит. Порошкообразный сорбент с размером зерен 0,2 - 0,5 мм помещают в колонку в сухом виде или в виде суспензии.
В первом случае порошок сорбента всыпают в колонку отдельными порциями или сразу одной порцией. Для его уплотнения в момент заполнения постукивают колонкой о твердую поверхность. Более плотную утрамбовку порошка получают с помощью стеклянных или деревянных трамбовок, подобранных по диаметру колонки. Сорбент в колонке можно уплотнять центробежной силой или сжатым воздухом.
Заполнение трубки сухим пористым материалом имеет ряд недостатков. В порах сухого сорбента остается значительное количество пузырьков воздуха, которые уменьшают «рабочую поверхность» твердой фазы и нарушают режим потока жидкости. Существенным недостатком сухого метода является то, что большинство сорбентов и носителей способные к набуханию, что приводит к постепенной смене параметров режима работы колонки. Иногда набухший материал настолько плотно заполняет все поры, что фильтрация прекращается. Очень сильное давление набухания может привести к разрыву колонки. Поэтому часто для заполнения колонки используют сорбент в виде суспензии. Для удаления пузырьков воздуха суспензию нагревают до 70 - 80ºС. При работе с набухающими сорбентами приготовленную суспензию выдерживают в растворе 1 - 2 суток, перед тем как вносить ее в колонку.
Применяемые в хроматографи иониты предварительно обрабатывают. Синтетические иониты бывают загрязнены продуктами реакции: различного рода ионами и растворенными низкомолекулярными веществами. Зерна ионита промывают раствором соляной кислоты (1:1) до полного удаления ионов железа (III), затем водой до нейтральной реакции. Сорбент удобнее отмывать динамическим методом в адсорбционных колонках при минимальной скорости промывного раствора.
Очищенный таким образом ионит переводят в нужную форму, например в H + - форму или Na + - форму для катионитов и ОH- - форму или NО3- - форму для анионитов. Для перевода в H + - форму катионит в колонке промывают 5 - 6% -ным раствором соляной кислоты до прекращения изменения кислотности фильтрата, а затем дистиллированной водой до нейтральной реакции промывной воды. Для перевода в солевую форму катионит промывают 0,5 М раствором данного катиона в форме соли или гидроксида до полного насыщения ионогенных групп и затем дистиллированной водой до полного удаления растворимого электролита с ионита.
Анионит в ОH-- форме получают промыванием колонки 2%-ным раствором гидрокарбоната натрия до тех пор, пока концентрация щелочи в фильтрате не станет равной концентрации щелочи в исходном растворе. Анионит в солевой форме получают обработкой 2-3%-ным раствором соответствующей кислоты.
При хроматографическом разделении раствор смеси фильтруют через хроматографическую колонку. Образуется хроматограмма с перекрывающимися зонами. В отдельных зонах еще нет полного разделения. Только нижняя зона содержит в чистом виде один компонент, вторая зона состоит из смеси двух компонентов, третья - из трех и так далее. Последняя, верхняя, зона содержит смесь всех компонентов. Таким образом, в чистом виде получают только часть компонентов смеси. Однако такая хроматограмма может дать ценные сведения о качественном и количественном содержании смеси. После получения первичной хроматограммы через колонку пропускают растворитель или раствор вещества, который способен вытеснять все или некоторые адсорбированные компоненты смеси. При этом компоненты смеси, вытесняя друг друга, размещаются в колонке в виде отдельных чистых зон в соответствии с их адсорбцией. Длительным пропусканием растворителя через колонку достигают последовательного выдавливания из колонки компонентов смеси. Так например, при пропускании через колонку с анионитом АВ-17 8М раствора соляной кислоты, содержащей смесь ионов железа, меди, цинка, свинца и висмута, их хлоридные комплексы сорбируются на анионитах. Промывая колонку последовательно 2,5 и 0,02 М растворами соляной кислоты и 2М раствором серной кислоты, достигают разделения смеси. При пропускании 2,5 М раствора соляной кислоты в фильтрат переходят ионы железа и меди. Чтобы вытеснить цинк и свинец, через колонку пропускают 0,02 М раствор соляной кислоты. Для разрушения хлоридного комплекса висмута и вытеснения его из колонки применяют 1М раствор серной кислоты. Собирая фракции, заканчивают определение этих элементов в соответствующих фракциях спектрофотометрическим или полярографическим методом.
Большое значение для разделения имеют скорость прохождения раствора через колонку с сорбентом и концентрация компонентов смеси. При увеличении скорости фильтрации уменьшается динамическая емкость ионита и увеличивается перекрытие зон. Скорость фильтрации устанавливают в каждом конкретном случае в зависимости от разеляемой смеси, от количества и качества сорбента и особенно от высоты колонки. Если колонка содержит столб сорбента 10 см, то скорость пропускания раствора примерно составляет от 1 до 2 мл/(см2∙мин). Раствор смеси должен быть разбавленным, потому величина ионообменной емкости ограничена. Однако в очень разбавленных растворах возникает гидролиз, что мешает ионному обмену. Оптимальные концентрации разделяемых ионов находятся в пределах от 0,05 до 0,1 М. Более концентрированные растворы следует разбавлять до указанных концентраций.
Для выбора условий разделения, то есть для изучения сорбции и десорбции каждого элемента в отдельности, строят выходные кривые. На оси абсцисс откладывают объем вытекающего из колонки раствора, а на оси ординат - концентрацию. На рис. 3.6.2. показаны выходные кривые для ионов железа, меди, цинка, свинца и висмута на анионите АВ-17. Полное разделение смеси возможно в том случае, когда между пиками концентраций имеется чистая зона растворителя. В данном примере четко разделяются ионы меди, свинца и висмута, значительно хуже отделяется железо.
Рис. 3.6.2. Выходные кривые для ионов меди, цинка, свинца и висмута на анионите АВ-17
Хроматограмма, полученная на адсорбенте белого цвета, обычно представляет собой серию цветных зон, расположенных в определенном порядке. Такая хроматограмма дает ориентировочное представление о составе исследуемой смеси. Если разделяемые вещества флуоресцируют в ультрафиолетовом свете, расположение зон в колонке можно установить облучением ультрафиолетовыми лучами. Зоны бесцветного вещества выявляют проявлением. Для этого через колонку пропускают раствор реагента, который образует окрашенные соединения, и зоны становятся видимыми. Количественный анализ проводят только в том случае, когда достигнуто полное разделение смеси и хроматограмма состоит из серии отдельных не перекрывающихся зон. В этом случае определяют количество вещества в каждой зоне. Ориентировочные результаты можно получить, измеряя ширину зоны, полученной на сорбенте, через который при таких же условиях пропущена смесь стандартных растворов ожидаемых веществ. Для этой цели измеряют диэлектрическую постоянную по длине колонки или считают импульсы при работе с радиоактивными изотопами. Часто применяют химический и радиохимический анализы отдельных зон, вырезанных из колонки.
Наиболее распространенный метод фронтального анализа. Собирают последовательно отдельные порции фильтрата, вытекающего из колонки, и проводят количественный анализ обычными аналитическими методами. Непрерывный анализ фильтрата в проточных кюветах методами рефрактометрии, спектрометрии, радиометрии позволяет быстро получить данные о составе смеси.