ЛЕКЦИЯ 5. Хроматография

МЕМБРАННОЕ РАЗДЕЛЕНИЕ

СООСАЖДЕНИЕ

Соосаждение - увлечение микрокомпонента смеси осадком, образуемым в результате реакции макрокомпонентом. Микрокомпонент не может образовать собственной твердой фазы, а присоединяется к осадку макрокомпонента (который называется коллектором) за счет адсорбции, ионного обмена и других взаимодействий. В качестве коллекторов используют гидроксиды, сульфиды, фосфаты, карбонаты, образующие малорастворимые осадки с большой активной поверхностью. Применяют также органические коллекторы вместе с комплексообразующим реагентом, например, 8-оксихинолином. Осаждение микрокомпонентов органическими реагентами приводит к эффективному концентрированию. Подбирая условия осаждения, например рН раствора, можно разделять ионы металлов. Например, в слабокислой среде осаждаются соли Al, Fe, Cu, Co, Ni, но не осаждаются соли Mg, Ca, Ba, Mn, Pb. В смеси винной кислоты с NaOH при рН >10 осаждаются соли Cu, Zn и не осаждаются соли Al, Cr, Pb, Fe.

Недостаток соосаждения - длительность процесса.

Мембрана - тонкая плёнка, избирательно проницаемая для отдельных веществ. Мембраны делают из полимеров, иногда из металлов, стекла. Для того, чтобы отверстия в мембране были нужного размера, применяются специальные методы - облучение р/а частицами, химические реакции с поверхностными функциональными группами и др. Перенос вещества через мембраны происходит за счёт:

а) разности концентраций с обеих сторон (диализ),

б) разности электрических потенциалов (электродиализ),

в) разности давлений (микрофильтрация, ультрафильтрация, обратный осмос).

Применение мембан позволяет осуществить экологичные, селективные, процессы разделения и очистки с простой аппаратурой и низкими энергозатратами. Используются для широкого круга объектов:

Ø опреснение морской воды (10 млн м³ в сутки),

Ø очистка сточных вод от тяжёлых металлов (в том числе Cd, Cr, Pb, Hg, Ni, р/а изотопов),

Ø обеззараживание воды (очистка от бактерий и вирусов),

Ø пролонгирование действия лекарств и удобрений (капсулы),

Ø разделение газов,

Ø аппарат "искусственная почка" и др.

Клетки живых организмов окружены белково-фосфолипидной мембраной, через которую проходят газы и вещества. Процессы дыхания, питания, передачи нервных импульсов, выделения отходов связаны с избирательным переносом веществ через мембрану.

Хроматография - физико-химический метод и разделения и анализа жидких и газовых смесей, основанный на распределении их компонентов между двумя фазами - неподвижной и подвижной (элюент), протекающей через неподвижную. Метод впервые предложен в 1903 русским учёным М. Цветом, который пропускал экстракт из листьев через колонку, заполненную CaCO₃ и получил отдельные окрашенные зоны. Сейчас это наиболее мощный метод анализа, за него 10 раз присуждались нобелевские премии. В частности, это незаменимый метод биохимического анализа, обнаружения наркотиков или допинга в организме, разделения белков, криминалистической экспертизы (идентификация человека по его запаху в помещении, обнаружения спрятанных ВВ), мониторинга окружающей среды (обнаружения органическихъ загрязнений в воздухе городов, сильнейшего яда - диоксина). Достоинства хроматографического метода - универсальность, экспрессность, высокая чувствительность, точность и разделительная способность. Он позволяет разделять вещества, очень близкие по своим химическим свойствам, такие как лантаноиды, актиноиды, изотопы, органические изомеры.

Хроматография использует сорбцию, но в отличие от вышеизложенных методов сорбция происходит в потоке, то-есть компоненты исследуемой смеси распределяются между двумя фазами, одна из которых движется относительно другой. Неподвижной, или стационарной фазой служит твердое вещество (сорбент) либо пленка жидкости на твердом веществе. Её помещают в стеклянную или металлическую трубку - хроматографическую колонку, либо наносят на поверхность пластинки. Жидкая или газообразная подвижная фаза с исследуемой смесью протекает через неподвижную, часть молекул каждого из компонентов успевает сорбироваться на поверхности неподвижной фазы. Устанавливается динамическое равновесие между количеством анализируемого компонента в подвижной и неподвижной фазах. Оставшаяся часть смеси уносится потоком подвижной фазы и сорбируется уже на новом участке сорбента. Задержанные неподвижной фазой части компонентов смеси не участвуют в движении потока подвижной фазы до тех пор, пока не десорбируются и не попадут снова в поток подвижной фазы. Многократно повторяются акты сорбции и десорбции молекул. Молекулы разных компонентов смеси переносятся вдоль слоя неподвижного сорбента с разными скоростями в зависимости от времени "прилипания" к сорбенту, что при достаточной длине слоя сорбента приводит к полному разделению смеси. Смеси разделяется на фракции, которые выходят из колонки по отдельности. В конце колонки первыми начнут выходить с потоком подвижной фазы наиболее слабо сорбируемые молекулы, последними - наиболее сильно сорбируемые. Сравнение со стипль-чезом.

Для "торможения" молекул используют такие свойства, как адсорбируемость, способность к ионному обмену, растворимость, окислительно-восстановительный потенциал, стойкость комплексных соединений и др

Рассмотрим классификацию хроматографических методов.

Классификация по агрегатному состоянию фаз

В соответствии с агрегатным состоянием подвижной фазы - элюента различают газовую и жидкостную хроматографию. В качестве газа-носителя используют гелий, азот, аргон и др., а в качестве жидкого элюента - легколетучие растворители (углеводороды, эфиры, спирты).

Подвижная фаза (элюент)	неподвижная фаза
жидкая на носителе	твёрдая
газовая	газо-жидкостная	газо-адсорбционная
жидкая	жидкостно-жидкостной	жидкостно-адсорбционная или твёрдо-жидкостная

Для газо-жидкостной хроматографии сорбент готовят нанесением жидкости в виде плёнки (высококипящие углеводороды, сложные эфиры, силоксаны и др.) толщиной несколько мкм на твёрдый носитель с большой удельной поверхностью (0,5-5 м2/г и более.).

Классификация на основе природы взаимодействия.

1) Адсорбционная хроматография основана на различной сорбируемости разделяемых веществ твёрдым адсорбентом.

2) Распределительная хроматография основана на разной растворимости компонентов смеси (г или ж) в неподвижной фазе (высококипящая жидкость, нанесённая на твёрдый макропористый носитель) и элюенте (аналог жидкостной экстракции).

3) Ионообменная хроматография основана на различии констант ионообменного равновесия между неподвижной фазой (ионитом) и компонентами разделяемой смеси;

4) Эксклюзионная (молекулярно-ситовая или гель-фильтрационная) хроматография основана на разной проницаемости молекул компонентов (ВМС) в неподвижную фазу, частицы которой имеют поры определённого размера (пористые стёкла, молекулярные сита, гели).

5) Осадочная хроматография основана на различной способности разделяемых компонентов выпадать в осадок на твёрдой неподвижной фазе.

Классификация по способу проведения процесса

Хроматография разделяется на колоночную и плоскостную. Рассмотрим сначала колоночную. В неподвижную фазу вводится подвижная фаза, называемая элюентом, а из колонки выходит элюат. Распределение компонентов в виде отдельных зон внутри колонки называется внутренней хроматограммой. Графическое изображение распределения веществ в элюате как функции времени называют внешней, или просто хроматограммой. Существуют три способа проведения хроматографического процесса в колонках, называемые проявительной (элюентной) хроматографией, фронтальной хроматографией и вытеснительной хроматографией.

1. Проявительная хроматография - наиболее распространенная. Колонку промывают растворителем, затем вводят разделяемую смесь. После этого непрерывно пропускают растворитель. Разделяемые вещества продвигаются в колонке с разными скоростями, на выходе сначала появляется наименее сорбируемый компонент, затем следующий и т.д. Хроматограмма имеет ряд пиков (рис.1; вещество А слабее всех сорбируется, вещество С - сильнее всех). Можно достичь полного разделения, но недостаток - анализируемые компоненты на выходе разбавлены растворителем.

2. Вытеснительная хроматография. В колонку вводят немного разделяемой смеси, затем через колонку непрерывно пропускают раствор вещества - вытеснителя, обладающего лучшей сорбируемостью, чем любой из компонентов. По мере продвижения элюент вытесняет ближайшее вещество С, которое в свою очередь вытесняет вещество В. В результате анализируемая смесь перемещается впереди фронта вытеснителя и скорость движения веществ равна скорости движения вытеснителя. Разделяемые вещества идут последовательно друг за другом. Каждый из компонентов выделяется в чистом виде, но не разделены промежутками (рис.2).

3. Фронтальная хроматография. Анализируемый раствор непрерывно подается в колонку. Из колонки сначала вытекает чистый растворитель, затем, когда сорбент насытится компонентом А (установится динамическое равновесие сорбции-десорбции), он появится в элюате. Когда сорбент насытится веществом В, оно появится в элюате вместе с компонентом А, и т.д. Когда сорбент полностью насытится всеми компонентами разделяемой смеси, состав элюата будет совпадать с составом элюента (рис. 3). Таким образом, в чистом виде можно получить только одно вещество - наименее сорбируемое А, которое первым выйдет из колонки.

Часто используется комбинированный метод. Сущность этого метода заключается в том, что после получения первичной хроматограммы проводится обычный проявительный анализ, затем в растворитель добавляют сильно сорбирующееся вещество, которое вытесняет оставшиеся в слое сорбента компоненты.

Дата добавления: 2014-01-07