Кафедра геологии и разработки нефтяных месторождений Химия нефти и газа Томский политехнический университет Институт природных ресурсов. - презентация

1 Кафедра геологии и разработки нефтяных месторождений Химия нефти и газа Томский политехнический университет Институт природных ресурсов

2 Лекция 7 ХИМИЯ НЕФТИ И ГАЗА Применение газовой хроматографии для исследования углеводородных систем Впервые идею хроматографического метода высказал русский ученый- ботаник Михаил Семенович Цвет в использовании для разделения веществ их различную степень адсорбироваться на адсорбенте (избирательная адсорбция). В 1903 г. М. С. Цвет опубликовал в трудах Варшавского общества естествоиспытателей статью, в которой сформулировал принцип нового метода и наглядно показал возможность отделения зеленой части хлорофилловых пигментов листьев (хлорофиллинов) от желтой (ксантофиллинов) и от оранжевой (каротина) с помощью адсорбентов. В более поздних работах М. С. Цвет значительно усовершенствовал свой метод и дал ему необходимое теоретическое и экспериментальное обоснование. Однако не всем исследователям удавалось воспроизвести опыты М. С. Цвета при его жизни и вскоре этот метод был предан забвению. О его методе вспомнили через 27 лет после его открытия немецкие биохимики Кун, Ледерер и Винтерштейн, которые в 1930 г. успешно разделили каротин на отдельные изомеры, предсказанные Цветом. С этого времени хроматография стала развиваться в самых разнообразных направлениях и со временем приобрела характер самостоятельной научно- технической дисциплины, претерпев, таким образом, второе рождение. Хроматографический метод, как показывает его название, предназначался для исследования окрашенных веществ. Однако уже на заре развития метода М. С. Цвет высказал предположение, что его метод применим не только к окрашенным, но и к бесцветным веществам. Но первоначально применению хроматографии для разделения бесцветных веществ мешало отсутствие приборов, с помощью которых можно было бы контролировать в ходе опыта процесс разделения, детекторов. В настоящее время разработаны детекторы, позволяющие анализировать самые разнообразные соединения. В простейшем варианте метода Цвета исследуемый раствор окрашенных веществ фильтруют под небольшим разрежением, создаваемым водоструйным насосом, через стеклянную колонку, заполненную бесцветным адсорбентом, затем проявляют хроматограмму чистым растворителем.

3 При правильно поставленном эксперименте вдоль колонки появляется ряд окрашенных поперечных полос, содержащих разделенные компоненты исследуемой смеси. Проведение хроматографического опыта в таком простейшем варианте видно из рис. 1. Современная хроматографическая установка включает разделительную колонку, термостат, детектор, блоки управления и другие вспомогательные приспособления Рис. 1. Хроматограмма хлорофилловых пигментов по М.С. Цвету Начиная с 1931 г. число публикаций, посвященных применению хроматографии, с каждым годом увеличивалось, прежде всего в биохимии. Это можно объяснить тем, что биохимикам чаще приходится исследовать термически неустойчивые биологически активные материалы и хроматография здесь оказалась наиболее эффективным методом исследования их состава. Кроме того, все работы М. С. Цвета были опубликованы в биологической литературе, вследствие чего химикам его метод долгое время оставался неизвестным. Кроме хлорофилловых пигментов этим методом были успешно разделены и выделены в чистом виде другие биологически активные вещества: витамины, ферменты, гормоны, энзимы, аминокислоты, алкалоиды. Применение хроматографии в органической, неорганической и аналитической химии началось значительно позднее, чем в биологии. Первые публикации, посвященные применению метода Цвета в неорганическом анализе, относятся к 1937 г. и принадлежат Швабу и его сотрудникам.

4 В этих работах приведена методика качественного анализа смесей некоторых катионов и анионов на стеклянной колонке с оксидом алюминия, причем техника проведения анализа почти не отличается от той, которую применял Цвет. Кроме ионообменной хроматографии, для разделения и анализа катионов и анионов советские ученые Е. Н. Гапон и Т. Б. Гапон в 1948 г. предложили осадочную хроматографию. В этом варианте метода Цвета формирование хроматограмм обусловлено не различием адсорбируемости или коэффициентов распределения, а процессом образования осадков и различием в их растворимости. Это и вызывает разделение тех ионов, которые вошли в состав осадков при реакции с реактивом-осадителем, нанесенным на сорбент хрома-тографической колонки или на фильтровальную бумагу. Хроматографический анализ органических веществ развивался попутно с хроматографией неорганических веществ. В гг. появились первые сообщения об успешном применении метода Цвета в анализе синтетических красителей. Из жидкофазных вариантов хроматографии наиболее широкое применение в органической и биологической химии получила бумажная хроматография. Это тонкий микрометод, позволяющий разделять смеси нескольких десятков компонентов на полоске пористой бумаги, которая выполняет роль хроматографической колонки. Хроматограмма получается в виде пятен, окраска которых соответствует природной окраске разделяемых компонентов смеси. При анализе бесцветных веществ пятна проявляют, опрыскивая бумагу реактивом, образующим с разделяемыми компонентами окрашенные соединения. Например, при определении аминокислотного состава белков после их гидролиза бумагу опрыскивают раствором нингидрина, в результате чего на поверхности бумаги появляются пятна розового цвета, соответ-ствующие индивидуальным аминокислотам. Если разделяемые бесцветные вещества обладают способностью к флуоресценции, бумагу облучают ультрафиолетовыми лучами (кварцевой или ртутной лампой) и тогда хроматограмма становится видимой. Этот случай можно наблюдать при разделении смеси антрахинонов, пятна которых в ультрафиолетовом свете ртутной лампы окрашены в сине-фиолетовый цвет.

5 Аналогичная картина разделения веществ (в основном органического происхождения) получается на стеклянной пластинке, покрытой слоем мелкодисперсного сорбента (оксида алюминия, силикагеля, целлюлозы, крахмала и др.). Это так называемая тонкослойная хроматография, получившая за последние годы широкое применение в химии и особенно в биохимии благодаря значительно большей скорости выполнения анализа по сравнению с бумажной хроматографией. Кроме того, методом тонкослойной хроматографии можно разделять примерно на порядок большие количества смесей без существенного ухудшения качества разделения. Это преимущество позволяет применять тонкослойную хроматографию как препаративный метод выделения индивидуальных продуктов из сложной смеси в чистом виде. Несмотря на широкие возможности применения, жидкофазная хроматография ни в колоночном, ни в бумажном, ни в тонкослойном варианте не могла удовлетворить требования быстро развивающейся (в отмеченный период) науки и промышленности. Химическая промышленность синтетических материалов и пластмасс, использующая в качестве сырья в основном смеси природных газов, требовала эффективных методов анализа. Старые химические методы анализа ни в коей мере не могли решить эту задачу, что и послужило толчком к развитию газовой хроматографии, получившей широкое применение в контроле производства и научных исследованиях, особенно в нефтехимии. Однако и жидкофазная хроматография, особенно колоночная молекулярная, не потеряла своего значения. За последние годы наблюдается ее возрождение благодаря значительным успехам в области хроматографического прибо-ростроения. Созданы совершенные жидкофазные хроматографы с высоко-чувствительными детекторами и автоматической записью хроматограммы, аналогично тому, как это происходит при анализе смесей на газовых хроматографах. В настоящее время высокоэффективная, высокоскоростная жидкостная хроматография широко применяется для анализа мало летучих высокомолекулярных и не термостабильных соединений. Это возрожденный открытый М. С. Цветом вариант молекулярной жидкостной хроматографии, модернизированный путем использования новых высокоэффективных сорбентов, высоких давлений на входе в колонку, высоких скоростей элюента и автоматического детектирования.

6 Классификация методов хроматографии Хроматографический метод М. С. Цвета является универсальным методом разделения и анализа смесей веществ самой различной природы. Разнообразие конкретных задач привело к возникновению множества вариантов метода. Классификация по признаку природы явлений, лежащих в основе разделения (Е. Н. Гапон), подразделяет хроматографию на три основных вида: 1) адсорбционную; 2) распределительную; 3) осадочную. Как показывает название, в основе адсорбционной хроматографии лежит адсорбция разделяемых веществ на твердой поверхности выбранного адсорбе-нта. Адсорбция обусловлена или физическими ван-дер-ваальсовыми силами межмолекулярного взаимодействия в системе адсорбат адсорбент (молеку-лярная хроматография), или силами химического сродства, действующими, например, в процессе реакции при обмене ионов разделяемых компонентов на поверхностные ионы применяемого ионообменного адсорбента (ионообменная хроматография). В обоих случаях главным условием для осуществления разделения должно быть различие энергии адсорбции разделяемых веществ, что равносильно различию коэффициентов адсорбции. В основе распределительной хроматографии лежит растворимость разделяемых веществ в жидкости; главное условие для их разделения различие в растворимости. Однако, поскольку разделение протекает на границе двух фаз, несмешивающихся между собой, неподвижной (жидкости) и подвижной (жидкости идя газа), то правильнее сказать, что в данном случае процесс разделения определяется различием коэффициентов распределения разде-ляемых веществ между обеими фазами. Отсюда происходит и само название данного варианта хроматографии распределительная. Природа сил межмолекулярного взаимодействия имеет тот же характер, что и в адсорбционной хроматографии. Но в первую очередь это ван-дер-ваальсовы силы.

7 В основе осадочной хроматографии лежит образование нерастворимых соединений в результате химических реакций разделяемых веществ с реактивом-осадителем.] Внутри каждого вида хроматографии по мере их развития возникали и продолжают возникать различные варианты или разновидности. Так, адсорб-ционная и распределительная хроматография может осуществляться на колонках, фильтровальной бумаге, тонком слое сорбента, нанесенном на стеклянную пластинку; колонки могут иметь различную форму и конструк-цию. В зависимости от этих факторов различные варианты получают соответ- ствующие названия: колоночная, бумажная, тонкослойная и т. д.. Классификация по агрегатному состоянию неподвижной и подвижной фаз получила наибольшее распространение. Этой классификации соответствует и определение хроматографии, данное из|вестным специалистом по газовой хроматографии А. Кейлемансом: «Хроматографией называется физико-химический метод разделения, при котором разделяемые компоненты распределены между двумя фазами, одной из которых является неподвижный слой с большой поверхностью, а другой поток, фильтрующийся, через неподвижный слой». Неподвижная фаза может быть твердым телом, обладающим адсорб- ционными свойствами (адсорбционная хроматография), или жидкостью, нане-сенной для создания большей поверхности обмена на границе раздела фаз на гранулированный инертный материал' носитель (распределительная хрома-тография). Подвижная фаза может быть жидкостью, газом или паром. Соответственно, можно выделить четыре основных вида хроматографии: жидкостно-адсорбционная, газо-адсорбционная, жидкостно-жидкостная и газожидкостная. Эта классификация была рекомендована и получила одобрение на Первом международном симпозиуме по газовой хроматографии, состоявшемся в 1956 г. в Лондоне. Классификация на основе методики проведения анализа. Приведем подробную характеристику трех наиболее универсальных способов: 1) фронтального; 2) элюентного; 3) вытеснительного.

8 Фронтальный способ наиболее прост по выполнению. Через хроматографическую колонку с сорбентом непрерывным потоком пропускают раствор исследуемой смеси веществ или газовую смесь. В результате сорбент насыщается компонентами смеси. Если компоненты различаются по сорбируемости, то соответственно этому они располагаются в колонке. Однако они разделяются не полностью. В чистом виде может быть выделен лишь первый, наиболее слабо сорбирующийся компонент, который движется вдоль слоя сорбента впереди остальных. За зоной первого компонента следует в непосредственном контакте зона, содержащая первый и второй компоненты. Третья зона содержит смесь первого, второго и третьего компонентов и т. д. В некоторый момент времени сорбент насыщается и наступает «проскок», т. е. из колонки начинает выходить первый, наиболее слабо сорбирующийся компонент. Если пропускать жидкость или газ, выходящие из колонки, через детектор концентраций и наносить показания его в течение всего опыта на график, то полученная выходная кривая будет иметь форму ступенчатой кривой, где число ступеней равно числу разделяемых компонентов смеси. Несмотря на простоту, фронтальный способ не нашел широкого приме- нения в анализе, так как не дает полного разделения. Однако он весьма эффективен для препаративного выделения чистого вещества из технического продукта при условии, конечно, что это вещество удерживается в колонке слабее всех других компонентов продукта. Типичные примеры фронтального способа: очистка воды пермутитами или другими ионообменными адсорбентами, очистка воздуха активиро- ванными углями от отравляющих веществ в противогазах и вентиляционных фильтрах химических предприятий. С точки зрения химика-аналитика метод пригоден для предварительного качественного анализа неизвестной смеси и особенно для определения числа входящих в ее состав компонентов, что, например, делал М. С. Цвет при предварительном исследовании состава хлорофилловых пигментов. Возможность применения фронтального способа для определения количественного состава, как уже говорилось, ограничена из-за неполноты разделения. Классон (Швеция), разработавший теорию этого способа, пре-дложил ряд формул для расчета количественного состава сложной смеси, однако практическое применение этих формул затрудняется необходимостью точного предварительного определения объемов удерживания и изотермы адсорбции отдельных компонентов.

9 Необходимо также отметить, что этот способ может быть эффективен лишь в случае выпуклой и линейной формы изотермы адсорбции компонентов исследуемой смеси, так как лишь тогда получаются четкие крутые ступени на выходной кривой. Из этого следует, что для осуществления фронтального способа наиболее подходящими должны быть высокоактивные адсорбенты, например активированный уголь, силикагель. Элюентный (проявительный) способ выгодно отличается от фронта- льного тем, что он позволяет полностью разделить многокомпонентную смесь. В отличие от фронтального способа в элюентном исследуемую смесь вводят в колонку в виде порции раствора или газа, а не непрерывно, как при фронтальном способе. После введения такой порции колонку промывают растворителем или газом- носителем (проявляют). На выходе из колонки детектор фиксирует непрерывно концентрацию компонентов, а связанный с ним регистрирующий прибор записывает выходную кривую в виде ряда пиков, число которых соответствует числу разделенных ком­понентов. Элюентный способ получил наиболее широкое применение, причем как в жидкофазной, так и в газовой хроматографии и не только с аналитической, но и с препаративной целью. Это объясняется тем, что при правильном выборе условий разделения (сорбента, температуры колонки, скорости потока проявителя, количества исследуемой смеси, вводимой в колонку, и др.) из колонки компоненты смеси выходят практически в чистом виде и их можно выделить для исследования другими методами, а качественный и количественный состав можно опреде-лить простым измерением объемов удерживания и площадей пиков. Вытеснительный способ отличается от фронтального и элюентного тем, что после введения пробы исследуемой смеси колонку промывают раство-рителем или газом-носителем, к которым добавлено растворимое вещество (в жидкофазной хроматографии) или вещество в газообразном (парообразном) состоянии (в газовой хроматографии). Это вещество должно адсорбироваться сильнее любого из компонентов разделяемой смеси и называется вытеснителем, так как оно, обладая наибольшей адсорбируемостью, вытесняет более слабо адсорбирующиеся компоненты.

10 Благодаря эффекту адсорбционного вытеснения, открытому М. С. Цветом, происходит вытеснение компонентов из адсорбента в последовательности, соответствующей их адсорбируемости, и компоненты разделяются; при этом зоны компонентов движутся по слою адсор­бента с одинаковой скоростью, соприкасаясь между собой, по направлению к выходу из колонки. К моменту полного насыщения адсорбента вытеснителем де­тектор запишет ступенчатую выходную кривую, отличающуюся от фронтальной кривой тем, что каждая ступень соответствует чистому компоненту. Высота ступени характеризует компонент с качественной стороны, а длина ступени пропорциональна содер­жанию данного компонента в исследуемой смеси. Обязательным условием для хорошего разделения, в противоположность элюентному способу, является резко выраженная выпуклая форма изотерм адсорбции разделяемых компонентов и вытеснителя. А это условие выполнимо лишь в случае применения высокоактивных адсорбентов: активированных углей (березового БАУ, каменно­угольного антрацита АГ-2, норита), силикагелей различных марок и др. Трудность выбора концентрации вытеснителя в проявителе, взаимная диффузия на границе зон, препятствующая получению на выходе из колонки достаточно чистых компонентов разделяе­мой смеси, а также длительность процесса разделения затрудняют использование этого способа в аналитических целях. Однако для препаративных целей способ не потерял значения, так как воз­ можность применения таких высокоактивных и доступных адсорбентов, как активированные угли, позволяет достигать высокой производительности. Достоинством способа является также то, что зоны не размываются в отличие от элюентного способа. До конца 50-х годов промышленность не производила газовых и жидкостных хроматографов, и хроматографисты своими силами изготовляли и налаживали простейшие газохроматографические установки. Тем не менее первоначальные и наиболее оригинальные открытия, как, например, открытие Мартином и Джеймсом газо-жидкостной хроматографии, были сделаны именно с применением простейшей аппаратуры.

11 Любая простейшая хроматографическая установка или хроматограф промышленного изготовления состоит из следующих основных узлов: источник газа-носителя с системой очистки, регулирования и измерения его потока через хроматографическую колонку; узел ввода пробы в колонку; хроматографическая колонка; детектор с регистратором (визуальным или самопишущим); интегратор, ЭВМ, дисплей. Рис. 2. Типовая схема лабораторной газо-хроматографнческой установки На рис.2. приведена принципиальная схема газового хро­матографа с детектором по теплопроводности (катарометром) и самописцем. Газ-носитель (азот, гелий, водород и др.) из баллона высокого давления 1 через редуктор 2 и вентиль тонкой регулировки 3 поступает в осушительную трубку 4, наполненную прока­ленным хлоридом кальция и молекулярными ситами для очистки газа-носителя от посторонних газов и паров. Затем, минуя мано­метр 5, он проходит через подогреватель 6 в ячейку катарометра 7 и узел ввода пробы 8. Захватив пробу анализируемой смеси в виде пара или газа, которую вводят в колонку через резиновую мембрану узла ввода пробы, газ-носитель направляется в хроматографическую колонку 9.

12 В колонке анализируемая смесь разделяется 7 и узел ввода пробы 8. Захватив пробу анализируемой смеси в виде пара или газа, которую вводят в колонку через резиновую мембрану узла ввода пробы, газ-носитель направляется в хроматографическую колонку 9. В колонке анализируемая смесь разде­ляется на составные компоненты. Колонка и детектор термостатируются воздушным или водяным термостатом 10. По выходе из колонки газ-носитель вместе с вымываемыми из нее компонентами поступает в измерительную ячейку катарометра, а далее через реометр // или другой измеритель скорости потока направ­ляется в атмосферу. Хроматограмма записывается электронным потенциометром 12. Разделительная способность колонки зависит от целого ряда факторов: от природы и количества неподвижной фазы, о т величины частиц адсорбента или носителя, их удельной повер­хности и размеров пор, от равномерности их набивки, от длины и диаметра колонки, от температуры, от скорости потока газа-носителя и распределения давления газа вдоль колонки и от величины и скорости испарения введенной пробы. Универсальность газовой хроматографии потребовала разработки более универсальных хроматографов. Возросли также требования к чувствительности детекторов, особенно в связи с возникшей в начале 60-х годов проблемой анализа мономеров и Особо чистых веществ на содержание микропримесей. Резко возросла потребность в газовых хроматографах с широкими возможностями применения, что послужило толчком к развитию промышленного производства газовых хроматографов универсального типа как в нашей стране, так и за рубежом. Современный газовый хроматограф состоит из следующих основных частей. Устройство подготовки пробы для хроматографического анализа (обогащение, концентрирование, пиролиз). Баллон с газом-носителем или лабораторная линия со сжатым газом и газовая панель, включающая в себя очистку газа, установку расхода газа или давления, стабилизацию давления и измерение.этого давления или расхода газа. Очистка газа-носителя контролируется фоновым током нулевой линией самописца: если есть дрейф и флуктуация ее после длительной продувки колонки, значит, загрязнен газ-носитель.

13 Устройство для ввода пробы и для ее испарения дозатор-испаритель. Хроматографическая колонка. Термостат колонки, регулирующий нужную температуру и измеряющий ее. Детектор, преобразующий изменение состава компонентов в электрический сигнал. Измерительная схема, содержащая питание детектора, измерение и усиление сигнала. Регистратор, записывающий в координатах время сигнал результаты хроматографического анализа. Электронный интегратор, автоматически фиксирующий площадь пика и время его выхода, цифропечатающее устройство, дисплей