Высокоэффективная жидкостная хроматография

Хроматография широко применяется в лабораториях и в промышленности для качественного и количественного анализа многокомпонентных систем, контроля производства, особенно в связи с автоматизацией многих процессов, а также для препаративного (в т. ч. промышленного) выделения индивидуальных веществ (например, благородных металлов), разделения редких и рассеянных элементов.

В некоторых случаях для идентификации веществ используется хроматография в сочетании с другими физико-химическими и физическими методами, например с масс-спектрометрией, ИК-, УФ-спектроскопией и др. Для расшифровки хроматограмм и выбора условий опыта применяют ЭВМ.

Основные достоинства хроматографического анализа:

экспрессность; высокая эффективность; возможность автоматизации и получение объективной информации;

сочетание с другими физико-химическими методами;

широкий интервал концентраций соединений;

возможность изучения физико-химических свойств соединений;

осуществление проведения качественного и количественного анализа;

применение для контроля и автоматического регулирования технологических процессов.

В зависимости от природы взаимодействия, обусловливающего распределение компонентов между элюентом и неподвижной фазой, различают следующие основные виды хроматографии - адсорбционную, распределительную, ионообменную, эксклюзионную (молекулярно-ситовую) и осадочную.

Адсорбционная хроматография основана на различии сорбируемости разделяемых веществ адсорбентом (твёрдое тело с развитой поверхностью); распределительная хроматография - на разной растворимости компонентов смеси в неподвижной фазе (высококипящая жидкость, нанесённая на твёрдый макропористый носитель) и элюенте; ионообменная хроматография - на различии констант ионообменного равновесия между неподвижной фазой (ионитом) и компонентами разделяемой смеси; эксклюзионная(молекулярно-ситовая) хроматография - на разной проницаемости молекул компонентов в неподвижную фазу (высокопористый неионогенный гель). Осадочная хроматография основана на различной способности разделяемых компонентов выпадать в осадок на твёрдой неподвижной фазе.

В соответствии с агрегатным состоянием элюента различают:

газовую хроматографию ГХ (GC)

жидкостную хроматографию ВЭЖХ (HPLC).

Газовая хроматография применяется для газов разделения, определения примесей вредных веществ в воздухе, воде, почве, промышленных продуктах; определения состава продуктов основного органического и нефтехимического синтеза, выхлопных газов, лекарственных препаратов, а также в криминалистике и т.д.

Жидкостная хроматография используется для анализа, разделения и очистки синтетических полимеров, лекарственных препаратов, детергентов, белков, гормонов и др. биологически важных соединений. Использование высокочувствительных детекторов позволяет работать с очень малыми количествами веществ (10-11-10-9 г), что исключительно важно в биологических исследованиях.

В зависимости от агрегатного состояния неподвижной фазы газовая хроматография ГХ (GC) бывает газо-адсорбционной (неподвижная фаза - твёрдый адсорбент) и газожидкостной (неподвижная фаза - жидкость), а жидкостная хроматография - жидкостно-адсорбционной (или твёрдо-жидкостной) и жидкостно-жидкостной.

Различают колоночную и плоскостную хроматографию. В колоночной сорбентом заполняют специальные трубки - колонки, а подвижная фаза движется внутри колонки благодаря перепаду давления. Разновидность колоночной хроматографии - капиллярная, когда тонкий слой сорбента наносится на внутренние стенки капиллярной трубки. Плоскостная хроматография подразделяется на тонкослойную и бумажную. В тонкослойной хроматографии тонкий слой гранулированного сорбента или пористая плёнка наносится на стеклянную или металлическую пластинки; в случае бумажной хроматографии используют специальную хроматографическую бумагу. Тонкослойная (ТСХ) и бумажная хроматография используются для анализа жиров, углеводов, белков и др. природных веществ и неорганических соединений.

Ряд видов хроматографии осуществляется с помощью приборов, называемых хроматографами, в большинстве из которых реализуется проявительный вариант хроматографии. Хроматографы используют для анализа и для препаративного (в т. ч. промышленного) разделения смесей веществ. При анализе разделённые в хроматографической колонке вещества вместе с элюентом попадают в установленное на выходе из колонки специальное устройство - детектор, регистрирующее их концентрации во времени.

Полученную в результате этого выходную кривую называют хроматограммой.

Для качественного хроматографического анализа определяют время от момента ввода пробы до выхода каждого компонента из колонки при данной температуре и при использовании определённого элюента. Для количественного анализа определяют высоты или площади хроматографических пиков с учётом коэффициентов чувствительности используемого детектирующего устройства к анализируемым веществам.

В соответствии с природой детектора и механизмом возникновения сигнала различают химические, физические, физико-химические, биологические и др. (см.табл.).

Подвижные, неподвижные фазы и детекторы различных хроматографических методов анализа

Методы хроматографии	Подвижная фаза	Неподвижная фаза	Детекторы
Газовая адсорбционная (ГХ)	Газ (гелий, азот, водород, аргон, воздух)	Неспецифические сорбенты (угли). Полярные - SiO2.nН2О; Al2O3. Молекулярные сита или цеолиты - алюмосиликаты щелочных металлов, сополимеры стирола и дивинилбензола	Катарометр, пламенно-ионизационный (ПИД), по захвату е, термоионный, аргонный; масс-селективный (МСД), атомно-эмиссионный, инфракрасный, ИК-Фурье спектрометр
Газовая распределительная (ГЖХ)	Газ (гелий, азот, водород, аргон, воздух)	Пленки жидких сорбентов различной полярности нанесены на твердый носитель или стенки колонки: полиэтиленгликоли, силиконовые масла, эфиры гликолей
Жидкостная сорбционная (ЖЖХ, ВЭЖХ, ЖАХ)	Водно-органические буферные растворы - элюенты: ацетонитрил, этанол, вода, гексан, их смеси	Пленки жидких сорбентов различной полярности нанесены на твердый носитель или стенки колонки: полиэтиленгликоли, силиконовые масла, эфиры гликолей. Полярные - SiO2.nН2О; Al2O3. Молекулярные сита или цеолиты - алюмосиликаты щелочных металлов, сополимеры стирола и дивинил бензола	Электрохимический, многоволновый оптический; по показателю преломления; флюоресцентный, УФ-, ИК-, видимый спектрофотометр; масс-спектрометр
Ионо-обменная	Водные растворы	Катиониты, аниониты, амфолиты	Титрометрия
Молекулярно-ситовая	Растворы мономеров, полимеров	Молекулярные сита органической и неорганической природы	Масс-спектрометр, вискозиметр
Плоскостная ЖЖХ, ЖАХ	Органические и неорганические растворители	SiO2.nН2О; Al2O3, гидрофильная и гидрофобная бумага	Оптические, электрохимические

Схема действия газожидкостного хроматографа.



Рисунок 29. Газовая хроматограмма смеси газов.

1.14 Основы хроматографического процесса

Для проведения хроматографического разделения веществ или определения их физико-химических характеристик обычно используют специальные приборы - хроматографы. Основными узлами хроматографа являются: хроматографическая колонка, детектор, а также устройство для ввода пробы. Колонка, содержащая сорбент, выполняет функцию разделения анализируемой смеси на составные компоненты, а детектор - функцию их количественного определения. Детектор, расположенный на выходе из колонки, автоматически непрерывно определяет концентрацию разделяемых соединений в потоке подвижной фазы. После ввода анализируемой смеси с потоком подвижной фазы в колонку зоны всех веществ расположены в начале хроматографической колонки (рис. 1). Под действием потока подвижной фазы компоненты смеси начинают перемещаться вдоль колонки с различными скоростями, величины которых обратно пропорциональны коэффициентам распределения K (или константам распределения) хроматографируемых компонентов. Хорошо сорбируемые вещества, значения констант распределения для которых велики, передвигаются вдоль слоя сорбента по колонке медленнее, чем плохо сорбируемые. Поэтому быстрее всех из колонки выходит компонент А, затем компонент Б и последним покидает колонку компонент В (КА<КБ<КВ). Сигнал детектора, величина которого пропорциональна концентрации определяемого вещества в потоке элюента, автоматически непрерывно записывается и регистрируется (направление, на диаграммной ленте). Полученная хроматограмма отражает расположение хроматографических зон на слое сорбента или в потоке подвижной фазы во времени.

Рисунок 30. Разделение смеси из трех компонентов (А, Б и В) на хроматографической колонке К с детектором Д: а - положение хроматографических зон разделяемых компонентов в колонке через определенные интервалы времени; б - хроматограмма (С - сигнал, t - время). При плоскослойном хроматографическом разделении лист бумаги или пластину со слоем сорбента с нанесенными пробами исследуемого вещества помещают в хроматографическую камеру. После разделения компоненты определяют любым подходящим методом.

1.15 Основные величины удерживания и качественный анализ

Хроматограмма - первичный результат хроматографического разделения. Используя хроматограмму, можно определять основные характеристики хроматографического процесса: параметры удерживания, размывания и разделения хроматографируемых соединений. Основная характеристика вещества при колоночной хроматографии (если температура колонки, состав подвижной фазы и ее скорость постоянны) - объем удерживания (или время удерживания в случае жидкостной А.), который для i-го компонента зависит от его константы распределения Ki. Если неподвижная фаза - твердое тело, на поверхность которого нанесена в форме тонкого слоя неподвижная жидкая фаза (НЖФ), удерживание определяется как абсорбцией разделяемых соединений слоем НЖФ, так и их адсорбцией поверхностями раздела: подвижная фаза - НЖФ и НЖФ - твердое тело. Для качественной характеристики хроматографируемых соединений преимущественно применяют относительные величины удерживания, поскольку эти величины в меньшей мере, чем абсолютные величины, зависят от условий эксперимента. Для характеристики относительно времени удерживания в хроматографии используют системы с двумя стандартами, в качестве которых в наиболее распространенной системе индексов удерживания Ковача Ii применяют соединения одного гомологического ряда. Эти стандарты выбирают таким образом, чтобы определяемое соединение выходило из колонки позже стандарта (например, алкана), молекула которого содержит z атомов углерода, и раньше стандарта, молекула которого содержит z + 1 атомов углерода. Ii определяют по формуле (рис. 2):

где t`R(z+1) - время удерживания алкана Cz+1 ; t`Rz, t`R(z+1) , t`Ri - исправленные времена удерживания соответствуют для алканов Сz и Сz+1 и i-го компонента; tm - время удерживания несорбирующегося компонента.



Рисунок 31. Определение индекса удерживания Ii с использованием н-алканов с числом атомов z и z + 1; пояснения в тексте.

Идентификацию пиков неизвестных компонентов анализируемой смеси проводят путем сопоставления (сравнения) относительных величин, определяемых непосредственно из хроматограммы, с соответствующими табличными данными для известных соединений. При идентификации в хроматографии достоверен только отрицательный ответ; например, пик i не является веществом А, если времена удерживания пика i и вещества А не совпадают. Совпадение времен удерживания пика i и вещества А - необходимое, но недостаточное условие для заключения, что пик i - это вещество А.

1.16 Эффективность хроматографической колонки

При продвижении зон разделяемых соединений под действием потока подвижной фазы вдоль слоя сорбента происходит одновременно два противоположных процесса: возрастает расстояние между максимумами концентрации хроматографических зон (что улучшает разделение) и увеличивается ширина хроматографических зон (что ухудшает разделение). Качественно эффективность колонки тем выше, чем уже, острее зоны хроматографируемых соединений. Количественной характеристикой эффективности колонки служит число теоретических тарелок. Эффективность колонки тем выше, чем больше характерное для нее число теоретических тарелок N. Число N для i-го компонента вычисляют по уравнению: Ni= 5.45(tRi/whi)2 , где tRi и whi - соответственно время удерживания i-го компонента и ширина пика, измеренная на половине его высоты (рис. 3). Число N пропорционально квадрату числа пиков, которые можно разместить на хроматограмме на отрезке, соответствующем времени удерживания данного соединения.

Разделение. Разделение смеси соединений - основная цель аналитической и препаративной хроматографии. Для характеристики разделения трудноразделимых (критических) пар соединений используют особую величину - степень разделения (рис. 3):

где tRi - время удерживания j-гo компонента; - исправленное время удерживания j-гo компонента; wbi , t`Rj и wbj- ширина хроматографических зон, измеренная у основания пиков на хроматограмме, t=tRj+tRi.

Рисунок 32. Определение степени разделения Rij; пояснения в тексте.

Количественно зависимость степени разделения от параметров хроматографического разделения отражает уравнение Пернелла:



Rij=,

где - селективность разделения i-го и j-гo компонентов; kj - коэффициент емкости (или коэффициент извлечения) компонента j, причем

Как следует из этого уравнения, степень разделения увеличивается с ростом эффективности колонки (1/4), селективности ( - 1) и емкости колонки kj/(kj + 1). Селективность разделения характеризуется величиной относительного удерживания ri j:

где VRj и VRi - исправленный объем удерживания для j-гo и i-го компонентов; Ki и Kj - коэффициенты распределения в системе неподвижная фаза - подвижная фаза для i-го и j-гo компонента. Величины rij достаточно инвариантны; они не зависят от таких условий эксперимента, как скорость газа-носителя, количество сорбента, длина колонки и т. п. Хроматография - один из основных методов количественного анализа органических и неорганических соединений. При постоянных условиях эксперимента величина сигнала детектора прямо пропорциональна концентрации i-го компонента в подвижной фазе, а площадь его пика на хроматограмме Si - количеству анализируемого соединения. Долю i-го компонента в процентах в n-компонентной смеси рассчитывают по формуле:



где аi и aj - поправочные коэффициенты, определяемые чувствительностью детектора к анализируемым веществам. Предел обнаружения при использовании высокочувствительных детекторов составляет 10-10 %, обычно погрешность определения 0,1-20%. Недостаток хроматографических методов - периодичность анализа (показания запаздывают на время, равное продолжительности разделения) - является существенным, в основном, для промышленной хроматографии, которую используют для контроля и регулирования промышленных многотоннажных процессов. Аналитическую хроматографию применяют в научных исследованиях, химической и фармацевтической промышленности, медицине, для контроля практически всех объектов окружающей среды, в газовой и нефтеперерабатывающей промышленности и . т. д.

Препаративную хроматографию используют для получения узких фракций смесей и чистых веществ в производстве химических реактивов, а также в фармацевтической, парфюмерной промышленности, при разделении изотопов, в биохимии и т. п. Разделяют смеси массой 1-1000 г, диаметр колонок 2-100 см. Хроматографию применяют для определения физико-химических характеристик веществ: коэффициента распределения, энтальпии растворения, адсорбции, констант устойчивости комплексных соединений, коэффициент диффузии в газовой и жидкой фазах и т. д., а также как метод исследования кинетики гетерогенных и гомогенных реакций.



1.17 Нефть и нефтепереработка

Сырая нефть представляет собой многокомпонентную смесь большого числа химических соединений разнообразной природы с преобладанием углеводородов. В составе нефтей разных месторождений обнаружены сотни углеводородов различного строения, многочисленные гетероорганические соединения, комплексные соединения некоторых металлов, например ванадия, и др. По данным компании «Шеврон» (США), сырая нефть содержит десятки тысяч индивидуальных соединений [2]. Даже самые совершенные методы анализа смесей органических соединений, включая газовую хроматографию и высокоэффективную жидкостную хроматографию в сочетании с масс- спектрометрией, не обеспечивают полного разделения всех компонентов такой сложной системы. В лучшем случае это оказывается возможным лишь для наиболее простых по составу легких фракций нефти. Однако для технической характеристики нефтяного сырья и для его промышленного использования информации о полном покомпонентном составе, как правило, не требуется. Более важной оказывается информация о фракционном составе нефти или продуктов ее переработки. Для определения фракционного состава нефти и нефтепродуктов используют перегонку. В ходе перегонки при постепенно повышающейся температуре отбирают (отгоняют) отдельные части - фракции, каждая из которыx характеризуется температурой начала и конца кипения. В условиях промышленного производства осуществляют ректификацию нефти, при этом получают следующие фракции (указана температура начала и конца кипения [3]):

до 180°C- бензиновая фракция,

140-180°С - лигроиновая фракция (тяжелая нафта),

180-240°С - керосиновая фракция,

220-350°С - дизельная фракция (легкий или атмосферный газойль, соляровый дистиллат).

Фракции, выкипающие до 350°С, назывaются светлыми нефтепродуктами. Фракции, выкипающие при температурах выше 350°С, называются мазутом. Дальнейшую разгонку этого материала осуществляют под вакуумом, отбирая следующие фракции (в зависимости от направления дальнейшего использования):

350-500°С - вакуумный газойль (вакуумный дистиллат),

выше 500°С - вакуумный остаток (гудрон).

Эти фракции используют преимущественно в качестве топлив. Перегонку мазута осуществляют также для извлечения минеральныx масел. В этом случае получают следующие фракции:

350-20°С - легкая масляная фракция (трансформаторное масло),

420-450°С - средняя масляная фракция (машинный дистиллат),

450-490°С - тяжелая масляная фракция (цилиндровый дистиллат),

выше 490°С - гудрон.

Фракции, получаемые при перегонке мазута, называют темными нефтепродуктами. Классифицируют и продукты дальнейшей переработки нефти. Относительное содержание светлыx и темныx нефтепродуктов весьма значительно различается для нефтей из разныx месторождений. Так, нефть Кашаганского месторождения (Западный Казахстан) содержит около 19% светлыx фракций, а нефть Тенгизского месторождения (Западный Казахстан) - около 59%.

Основные химические элементы, входящие в состав нефтей, - углерод (83-87%) и водород (11,5- 14%). Часто в состав нефти входят также азот, кислород и сера. Основные органические соединения, входящие в состав нефти, - углеводороды различныx гомологических рядов (нормальные и разветвленные алканы, цикланы, ароматические углеводороды и др.). Обычно в состав нефтей не входят непредельные углеводороды (олефины). В большинстве случаев в состав нефтей в небольших количествах (на уровне десятыx и соты x долей процента) входят циклические соединения с углеродным скелетом, сходным со стероидными соединениями, характерными для живых организмов (стераны, гопаны, тритерпаны и др.). Изучение этих соединений (их называют биомаркерами) проливает свет на целый ряд особенностей образования нефти данного конкретного месторождения [4].

1.18 Аналитическое исследование нефти. Газовая хроматография в исследованиях состава нефти и нефтяных фракций

Анализ сырой нефти и выделенных из нее фракций - исключительно сложная научно-техническая проблема. До 50-х годов XX в. в большинстве случаев не проводили детального определения компонентов, входящих в состав нефтепродуктов, а ограничивались групповыми характеристиками после разделения анализируемого материала на несколько фракций. Помимо перегонки нефти использовали малоэффективный метод колоночной жидкостной хроматографии. Возможности анализа сырой нефти и отдельныx нефтяныx фракций весьма существенно возросли после возникновения и развития в конце 40-х и в начале 50-х годов прошлого века аналитических методов газовой хроматографии. В 1952 г. были опубликованы первые работы с описанием метода газо-жидкостной хроматографии [5-7], а еще раньше в конце 40-х годов появились работы с описанием оригинального газоадсорбционного метода анализа, названного авторами хроматографией [8, 9]. Изучение состава нефти и продуктов ее переработки с применением методов газовой хроматографии было начато в середине 50-х годов XX в. как за рубежом [10-13], так и в СССР [14-21].

Открытие капиллярной хроматографии в 1956 г. [22, 23] существенно расширило аналитические возможности газовой хроматографии и позволило анализировать существенно более сложные объекты. Чрезвычайно высокие требования к анализу нефтей и нефтяныx фракций в значительной мере способствовали развитию выcокоэффективныx вариантов капиллярной хроматографии. Наконец, в начале 60-х годов XX в. был разработан наиболее мощный аналитический метод, представляющий комбинацию высокоэффективной капиллярной хроматографии и масс-спектрометрии и названный поэтому хромато-масс-спектрометрией [24-31]. В настоящее время анализ нефтей и нефтянык фракций этим методом дополняется использованием электронно-вычислительной техники, обеспечивающей большие возможности региcтрации и анализа как получаемых хроматограмм, так и масс-спектров, каждого из зарегистрированный на них компонентов [32-35].

1.19 Высокоэффективная жидкостная хроматография

Применение газовой хроматографии для анализа нефти и ее отдельных фракций ограничено вследствие того, что лишь часть веществ, входящих в состав нефти, обладает достаточной летучестью [36]. Это обстоятельство обусловило интенсивное развитие в конце 60-х годов XX в. различныx вариантов высокоэффективной жидкостной хроматографии (ВЭЖХ). В самыx первыx работах по этому прогрессивному направлению объектами исследования стали нефтепродукты. Следует отметить, что работы основателя хроматографического метода М. С. Цвета обладали практически всеми чертами развитого позднее метода высокоэффективной жидкостной хроматографии [37-39].

Преимущества ВЭЖХ исследователи усматривали в том, что разделение в этом методе осуществляется, в отличие от газовой хроматографии, при низких температурах, чаще всего при температурах ниже температуры кипения растворителя, применяемого в качестве подвижной фазы [44-46]. Однако в жидкостной хроматографии существенно более трудным оказывается высокочувствительное детектирование разделенныx фракций. Для решения этой проблемы были предложены многочисленные детектирующие системы, включающие устройства, регистрирующие поглощение ультрафиолетовыx лучей [47], колориметры [48], электрохимические детекторы [49], рефрактометры [50, 51], спектрофотометры [52] и флуоресцентные детекторы [53]. Следует отметить, что в настоящее время из всего многообразия изученных детектирующих систем широкое применение находят детекторы, измеряющие поглощение УФ-излучения и в меньшей степени изменения показателя преломления элюата, покидающего хроматографическую колонку. В то же время для определения микропримесей неорганических веществ в нефтях и нефтепродуктах находят применение такие специфические химикоаналитические методы, как атомно-абсорбционная спектрометрия [52-53] и измерение хемилюминесценции возбужденныx органических молекул (озоновые хемилюминесцентные детекторы) [54-57].

Имеется достаточно большое число работ, в которых метод ВЭЖХ использовали для разделения основныx групп соединений, входящих в состав природных нефтей и нефтяных фракций. Так, разделение групп насыщенныx и ароматических углеводородов было проведено в работе [58] на колонке с оксидом алюминия с применением детектора по диэлектрической проницаемости. В работах [59-62] было осуществлено достаточно сложное разделение ряда смесей нефтяных углеводородов различной природы, в том числе моно- и бициклических ароматических углеводородов в прямогонныx бензинах.

В работе [63] было проведено групповое разделение алифатических и ароматических, в том числе полициклических, углеводородов из высококипящих фракций нефти на колонке с двухслойным заполнением: ее первая по потоку элюента половина была заполнена оксидом алюминия, а вторая половина - силикагелем. Элюентами служили смеси различного состава из пентана, бензола, диэтилового эфира и метанола. Разделенные фракции далее исследовали различными методами, включавшими спектрофотометрию, ядерный, магнитный резонанс, масс-спектрометрию и ситовую (эксклюзионную) хроматографию.

Полиароматические соединения, выделенные из тяжелых фракций нефти, исследовали в работе [64]. При этом проводили градиентное элюирование в системе гексан-циклогексан-хлороформ-метанол с регистрацией результатов с помощью УФ-детектора. Разделение высококипящих терфенилов на колонке размером 200x0,2 мм, заполненной оксидом алюминия (50-60 мкм), проводили в работе [65]. Элюентом служил гептан при скорости его протекания 3,04 см/мин. Температура опыта составляла 35,5°С. Для регистрации разделенных фракций был использован УФ-детектор. Сходным образом анализировали сырую нефть на колонке с кизельгелем 60 с выделением фракций н-парафинов, циклопарафинов, ароматических соединений и гетероатомных составляющих [66]. Циклические гетероатомные соединения нефти разделяли на колонках длиной от 30 до 90 см, заполненных оксидом алюминия в кислой, основной и нейтральной формах. Элюентом служили 10%-е растворы диэтилового эфира или хлороформа в пентане [67]. В уже упоминавшейся работе [16] был изучен состав ароматических углеводородов в среднекипящих нефтяных фракциях, выкипающих в пределах 140- 280°С. Было показано, что более 90% изученных фракций составляют алкилбензолы. Кроме того, в меньших количествах присутствуют инданы, тетралины и нафталины. Каждая из упомянутых групп соединений представлена весьма значительным числом углеводородов. В течение последующих десятилетийбыло выполнено множество аналитических исследований сырой нефти и нефтяных фракций, а также продуктов нефтепереработки. Лишь небольшое их число может быть упомянуто в настоящей работе [68-88]. Важно отметить, что эти исследования уже в самые первые годы развития ВЭЖХ выявили необходимость создания качественных адсорбентов путем модификации поверхности материалов, первоначально использованных для наполнения колонок.

Было показано, что пропитка силикагеля водным раствором азотнокислого серебра с последующим высушиванием существенно улучшает селективность адсорбента по отношению к непредельным углеводородам [89-92]. Существенно изменяло селективность адсорбентов по отношению к ароматическим соединениям нанесение слоев тринитрофлуорена или тетрацианэтилена [93-96].

Принципы высокоэффективной жидкостной хроматографии

В течение довольно длительного времени жидкостную хроматографию использовали преимущественно для препаративного разделения разнообразных веществ, применяя колонки диаметром 10-50 мм и длиной от 50 мм до 0,5-1,0 м. При этом использовали адсорбенты с весьма значительным диапазоном размера частиц (от 20-30 до 200-300 мкм) [97-102]. Столь значительные различия в размерах частиц адсорбента существенно уменьшали эффективность используемых колонок. Однако даже в столь несовершенном виде жидкостная хроматография позволяла успешно разделять близкие по свойствам соединения и в ряде случаев превосходила по своей разделяющей способности другие методы (дистилляцию, ректификацию, экстракцию и др.).

После открытия газовой хроматографии в 1952-1963 гг. были проведены работы по изучению закономерностей хроматографических процессов с целью выявления путей получения их максимально возможной разделяющей способности [103-106]. Эти исследования выполнялись в основном применительно к газовой хроматографии, однако найденные условия достижения высокой эффективности вполне применимы и к процессам жидкостной хроматографии при должном учете различий в свойствах подвижных фаз. Подвижные фазы в газовых и жидкостных хроматографических процессах различаются в первую очередь по вязкости, т.е. по коэффициентам диффузии. Вязкость газов составляет 10-3-10-4сПз, вязкость большинства жидкостей находится в пределах 0,2-2,0 сПз, а для таких растворителей, как этиленгликоль она достигает 16,5 сПз. Кроме того, жидкие подвижные фазы отличаются от газообразных малой сжимаемостью, так что в жидкостной хроматографии объем подвижной фазы, покидающей колонку, в большинстве случаев равен объему подвижной фазы, входящей в нее. Возможность разделения с помощью хроматографии той или иной пары близких по свойствам соединений определяется способностью достижения необходимой эффективности разделения за время, допустимое по условиям эксперимента. Время t, за которое хроматографическая зона пройдет колонку длиной L, равно:

t==(1)

где V - скорость движения хроматографической зоны по колонке, и - линейная скорость движения подвижной фазы, k - коэффициент емкости (коэффициент извлечения или отношение распределения), равный отношению количеств сорбированного вещества в неподвижной и подвижной фазах. Коэффициент k связан с количеством неподвижной фазы в колонке следующим соотношением:

k = K (2)

где m - масса неподвижной фазы в колонке, ?? - ее плотность, К - термодинамический коэффициент распределения сорбата между подвижной фазой и сорбентом при данных условиях эксперимента. В адсорбционной хроматографии величину k обычно выражают в виде коэффициента Генри (Г), равного отношению количества сорбата, адсорбированного 1 г сорбента к его равновесной концентрации:

k = Гсi (3)

Основным параметром, определяющим скорость перемещения хроматографической полосы по колонке, является коэффициент распределения К, равный отношению равновесных концентраций сорбата в неподвижной и подвижной фазах. Эта величина может быть определена следующим образом:

где Сст и См - концентрация адсорбата в стационарной и подвижной фазах; Sсти Sм - доли сечения колонки, занятые соответственно подвижной и неподвижной фазами; Vс и Vм- удерживаемый объем в стационарной и подвижной фазах. Доля общего количества пробы, переносимая в каждый момент времени подвижной фазой, может быть определена следующим образом:

(5)

Отсюда следует, что хроматографическая зона продвигается по колонке со скоростью в (1+k) раз меньше, чем скорость подвижной фазы. Видно, что полный объём подвижной фазы, требуемый для того, чтобы зона пробы прошла через всю колонку, равен свободному объёму колонки плюс тот же объём, умноженный на коэффициент извлечения. Это последнее произведение принято называть исправленным объёмом удерживания. Можно показать, что эта величина может быть определена как произведение объёма неподвижной фазы в колонке и коэффициента распределения данного вещества.

В случае когда в хроматографическом процессе участвуют два вещества с различающимися коэффициентами извлечения, достигаемое разделение характеризуется степенью разделения, равной отношению расстояния между центрами зон этих компонентов (их пиков) к их средней величине



Здесь V1 и V2 - параметры удерживания двух компонентов, и - значения ширины соответствующих пиков, измеренные на уровне их оснований [49, 51]. Степень разделения, равная единице, соответствует почти полному разделению двух пиков. Для нужд практического анализа обычно достаточна степень разделения, равная 0,6-0,8.

В связи с тем, что метод хроматографии построен на использовании различий в интенсивности взаимодействия веществ с неподвижной фазой, его результаты будут тем лучше, чем больше будет число элементарный актов перехода молекул разделяемых соединений из подвижной фазы в неподвижную, и обратно. По аналогии с процессом ректификации, где также используются процессы перехода молекул из паровой фазы в жидкую и обратно, мерой числа таких переходов в хроматографии считают величину, называемую числом теоретических тарелок (т.т.). Эту величину можно рассчитать по времени удерживания вещества и ширине его пика, измеренной в тех же единицах:

Здесь - ширина хроматографического пика на середине его высоты [102]. Показано, что число теоретических тарелок, необходимое для разделения двух веществ с коэффициентом селективности б до степени разделения R, равно:



= (2R)2 =(4R/Rin )2 . (8)

Эти соотношения позволяют оценить число теоретических тарелок, необходимое для разделения двух веществ с известным коэффициентом селективности. Это число быстро растет при приближении б к единице. Так, для разделения двух веществ с б = 1,5 до величины R = 1 требуется всего лишь 300 т.т., тогда как при б = 1,1 для того же качества разделения потребуется уже более 1700 т.т., при б = 1,05 - 6700 т.т., а при б = 1,01 - более 40 тыс. т.т.

Не углубляясь далее в тонкости теории хроматографического разделения очень близких по свойствам веществ, отметим, что в применении к разделению нефтематериалов чаще всего ограничиваются групповым разделением на более или менее широкие фракции, характеризующиеся либо определенными температурными пределами выкипания, либо теми или иными особенностями химического строения (алканы, цикланы, арены и т. д.).

Новые эффективные адсорбенты для групповых разделений нефтяных фракций

Крайняя сложность состава многокомпонентных нефтянык фракций и продуктов нефтепереработки выдвигает на первый план задачу поиска специфических адсорбентов, способных обеспечить разделение нефтепродуктов на группы соединений сходного химического строения (алканы, цикланы, арены, нафталины, фенантрены, иные соединения с конденсированными ароматическими ядрами).

С учетом ряда специфических требований к адсорбентам, связанныx с возможностью достижения достаточно высокой эффективности хроматографического разделения, поиск таких адсорбентов целесообразно осуществлять среди продуктов модификации распространенных материалов на основе кремнеземов, широко используемых в жидкостной адсорбционной хроматографии [107, 108]. В качестве исходных наиболее часто используют следующие материалы на основе кремнезема:

силикагель КСК (S = 350 m2 /г, dпор = 100 Е)

силохром С-80(1) (S = 65 m2 /г, dпор = 700 Е)

силохром С-80 (2) (S = 80 m2 /г, dпор = 500 Е)

Выбор вышеперечисленный материалов в качестве исходных для дальнейшей модификации диктуется следующими соображениями. Эти материалы вышускаются промышленностью, они геометрически однородны и легко подвергаются химическому модифицированию. Характеристики хроматографических колонок, заполненных этими адсорбентами, достаточно воспроизводимы. Показано, что при прочих равных условиях хорошая эффективность колонок достигается при использовании адсорбентов с размером пор ?100 Е, что характерно для перечисленный выше материалов [109]. Установлено, что эти кремнеземы легко модифицируются путем нанесения на их поверхность тонких пленок полимерных материалов или путем замещения ионов водорода поверхностных гидроксильных групп на катионы двух- или трехвалентных металлов (Са2+, А13+, Fе3+ и др.). Такого рода модифицирование приводит к существенному изменению адсорбционных характеристик полученных материалов по сравнению с исходными кремнеземистыми адсорбентами, что проявляется в расширении или изменении их диапазона селективности [110, 111].

Перед проведением модификации ионами металлов кремнеземистые материалы подвергали гидроксилированию кипячением в воде или в слабом растворе натриевой щелочи с последующим высушиванием при 150-200°С. Модификации катионами двух- и трехвалентных металлов подвергали в основном силикагель КСК-2 [112, 113].

Пробу силикагеля КСК-2 массой 5 г обрабатытали 20-50 мл раствора соли соответствующего металла, оставляли стоять для полного установления равновесия на 2-4 ч. После этого отгоняли растворитель и оставшийся продукт сушили в течение 2-3 ч при 150°С, а затем прокаливали в муфельной печи при 450-500°С в течение 4-5 ч. Ниже приведено описание конкретнык процедур катионной модификации силикагеля КСК-2.

Модифицирование силикагеля КСК-2 катионами кальция

Гидроксилированный и выкушенный при 200°С силикагель в количестве 5 г обрабатывали 20 мл 0,1 N раствора Са(ОН)2 с известной концентрацией ионов кальция. Оставляли стоять на 4 ч при периодическом перемешивании, после чего определяли остаточное количество ионов кальция в растворе методом обратного титрования. По разности исходной и остаточной концентраций определяли количество катионов кальция, вступивших в реакцию замещения с гидроксильными группами поверхности силикагеля. Было установлено, что на 1 м2 поверхности силикагеля было связано 8,6 микроэквивалентов кальция, что составляет по массе 0,344 г кальция на 1 г силикагеля. Далее после удаления избыточного раствора модифицированный образец сушили 5 ч при 200°С.

Модифицирование силикагеля КСК-2 катионами алюминия

Гидроксилированный и высушенный при 150°С силикагель в количестве 5 г обрабатывали 50 мл 0,1 N раствора азотнокислого алюминия. Оставляли стоять на 2 ч при периодическом перемешивании, после чего отгоняли воду при медленном нагревании и перемешивании. Полученный продукт сушили при 150°С и прокаливали в муфельной печи при 500°С до полного удаления азота. Для нанесения 2,8 микроэквивалента А13+ на 1 м2 поверхности пробы силикагеля массой 5 г необходимо 1,4 г девятиводного нитрата алюминия.

Модифицирование силикагеля КСК-2 катионами железа

Гидроксилированный и выкушенный при 150°С силикагель в количестве 5 г обрабатывали 50 мл раствора хлорного железа в этиловом спирте. Смесь оставляли на 4 ч, периодически перемешивая, после чего отгоняли спирт при медленном нагревании и перемешивании. Далее удаляли избыток раствора и полученный продукт сушили 3 ч при 150°С, а затем прокаливали в муфельной печи при 450°С в течение 5 ч. Расчет количества модификатора проводили по величинам удельной поверхности адсорбента и поверхностной концентрации катионов на его поверхности.

Модифицирование силохрома С-80 полиарилатом Ф-1

Гидроксилированный и высушенный силохром С-80 (5 г) смешивали с 50 мл раствора полиарилата Ф-I в хлороформе с известной концентрацией. Смесь оставляли на 24 ч, после чего при перемешивании и слабом нагревании отгоняли растворитель. После отгонки растворителя адсорбент сушили под вакуумом в сушильном шкафу при 80°С в течение 4 ч. Для приготовления 5 г адсорбента с содержанием полимера на поверхности 2 мг/м2 при величине площади поверхности 65 м /г необходимое количество полимера Ф-1 составляет 65x2x5 = 650 мг, при содержании полимера на поверхности 3 мг/м2 потребуется 975 мг.

Модифицирование силохрома С-80 полиакрилонитрилом

Гидроксилированный и высушенный силохром С-80 в количестве 3 г смешивали с 25 мл раствора

акрилонитрила (ПАН) в диметилформамиде с известной концентрацией. Смесь оставляли на 24 ч, после чего при перемешивании и слабом нагревании отгоняли растворитель. После отгонки растворителя адсорбент сушили под вакуумом в сушильном шкафу при 150°С в течение 8 ч. Для приготовления 3 г адсорбента с содержанием полимера на поверхности 1 мг/м2 при величине площади поверхности 65 м2/г необходимое количество полимера составляет 65x3x1 = 195 мг. Изложенные выше данные показывают, что групповые разделения нефтепродуктов могут с наибольшим успехом осуществляться на адсорбентах типа катионированных силикагелей или кремнеземистых адсорбентов, модифицированных полярными полимерными покрытиями типа полиакрилонитрила и др. В табл. 1 приведены данные по удерживанию бензола, нафталина и фенантрена на исходном и модифицированных адсорбентах. Показано, что степени удерживания исходного и модифицированных адсорбентов существенно различаются. Происходит изменение разделяющей способности адсорбентов в результате изменения ионного состава поверхности. Это особенно заметно в случае адсорбента, модифицированного ионами алюминия. В частности, показаны преимущества разработанный адсорбентов, в том числе силикагеля КСК, модифицированного катионами алюминия или органическими модификаторами, при разделении бензиновых и среднекипящих фракций нефти с содержанием ароматических компонентов от 11 до 42% [114].

1.20 Разработка хроматографических методов анализа углеводородного состава бензинов

Исходной информацией для расчета физико-химических и эксплуатационных свойств бензина являются данные по углеводородному составу. Для получения необходимой

информации был разработан хроматографический метод с использованием высокоэффективных стеклянных капиллярных колонок отечественного производства. Высокая эффективность колонок достигалась за счет нанесения неподвижной фазы на стенки капилляра под давлением в статических условиях. В связи с тем, что сквалан, используемый в качестве неподвижной фазы, плохо смачивает стекло, поверхность капилляра предварительно графитировали путем пиролиза бромистого метила.

Полученные капиллярные колонки обладают высокой эффективностью (240000-270000 т.т. по н-гептану), хорошей воспроизводимостью результатов и более длительными сроками эксплуатации [115].



К' - коэффициент емкости, Кст - коэффициент емкости стандарта, t- время выхода ароматического углеводорода, t0- время выхода несорбируемого компонента, ас - коэффициент селективного разделения АУ

Рисунок 34. Хроматограмма бензина каталитического крекинга

Таблица 2

Параметр	Условия разделения
Длина колонки	100 м
Диаметр колонки	0,25 мм
Неподвижная жидкая фаза	Сквалан
Расход газа носителя (гелия)	1 мл/мин
Начальная температура	30°С
Конечная температура	100°С
Скорость программирования температуры	1 град/мин
Объем пробы	0,3 мл
Детектор	ПИД

Оптимальные условия разделения компонентов бензина на стеклянной капиллярной колонке приведены в таблице 2. Хроматограмма бензина каталитического крекинга, наиболее сложного по составу, полученная в условиях, описанных в таблице 2, приведена на рис. 1. Бензин образует на хроматограмме 223 пика идентификацию которых осуществляли по индексам удерживания, так и методом хромато-масс-спектрометрии. Для расчета индексов удерживания бензин анализировали в изотермических условиях при температуре 30, 80 и 100°С. При 30°С анализировали фракцию бензина до н-гептана включительно, при 80°С - от н-гептана до н -нонана и при 100°С - от н -нонана и выше. Время элюирования несорбирующегося компонента определяли по пику метана. Индексы удерживания рассчитывали на ЭВМ по специальной программе. Погрешность шести параллельных определений индексов удерживания не превышала 0,1 ед. При сравнении рассчитанных индексов удерживания с литературными данными наблюдали хорошую корреляцию. Идентификацию компонентов бензина каталитического крекинга по масс-спектрам проводили на хромато-масс-спектрометре модели 598А («Хьюлетт-Паккард», США). Полученные масс-спектры компонентов бензина сравнивали с помощью компьютера 21 МХ-Е(«Хьюлетт-Паккард», США) со стандартными масс-спектрами. Спектрограммы по полному ионному току практически полностью совпадают с хроматограммами, полученными на газовом

хроматографе с пламенно-ионизационным детектором, при этом наблюдали хорошее совпадение полученых масс-спектров со стандартными. Результаты идентификации компонентов бензина обоими методами совпадают практически полностью, за исключением нескольких пиков, при идентификации которых использовали хромато-масс-спектральный метод. В табл. 3 приведены идентификация и состав компонентов бензина каталитического крекинга, а также индексы удерживания, рассчитанные для изотермических условий при температуре 30, 80 и 100°С, и индексы удерживания, определенные в режиме программирования температуры при условиях, указанных: в табл. 2. Данные, представленные в табл. 3, являются исходной информацией для расчета основных эксплуатационных характеристик бензинов: октанового числа, фракционного состава, давления насыщенный паров и плотности.

Разработка хроматографических методов определения состава реактивных топлив

Хроматографические методы определения физико-химических и эксплуатационных свойств реактивных топлив основаны на использовании информации об их составе. Для получения этой информации разработан комплекс методов, позволяющих определять как групповой состав топлив, так и содержание индивидуальный углеводородов, наиболее сильно влияющих на их показатели качества. Для определения группового состава топлив используются два варианта жидкостной хроматографии - колоночная с флюоресцентным индикатором (ФИА) и ВЭЖХ. Метод ФИА позволяет разделять углеводороды реактивных топлив на насыщенную, олефиновую и ароматическую фракции, которые затем могут быть исследованы методом газовой хроматографии. Флюоресцентный индикатор, добавляемый в пробу в небольшом количестве, позволяет выявить границы раздела этих фракций, наблюдаемые визуально в обычном или ультрафиолетовом свете. Подробное описание этого метода с применением отечественного индикатора и силикагеля приведено в [116]. Точность метода невысока, однако он позволяет выделять фракции углеводородов в чистом виде без растворителя для последующего анализа другими методами. Метод ВЭЖХ дает более полную информацию о химическом составе реактивных топлив. Разделение в этом случае осуществляется на колонке с силикагелем КСК. Эффективность колонок, заполняемых сухим способом, составляет до 55 тыс. т.т. на 1 м по б-метилнафталину, что достаточно для разделения анализируемого топлива на насыщенные, моно-, би, и трициклические ароматические углеводороды.

Селективность колонки оценивали по результатам анализа искусственных смесей, содержащих алкилмоноциклические и алкилбициклические углеводороды. В ряде случаев удерживание таких углеводородов лишь в малой степени зависит от величины и структуры заместителя. Например, толуол, тетралин, гексагидроантрацен и додекагидротрифенилен элюируются одним пиком. Столь высокая селективность данного сорбента объясняется тем, что на его поверхности адсорбируются преимущественно ароматические ядра, тогда как адсорбция алкильных заместителей малосущественна. Детектирование ароматических углеводородов, разделенных на колонке, осуществляли с помощью детектора по поглощению в УФ-области спектра, имеющего высокую чувствительность по отношению к ароматическим углеводородам. Однако коэффициенты поглощения УФ-детектора по отношению к углеводородам различных гомологических рядов, элюирующихся одним пиком, отличаются довольно значительно. Например, коэффициент поглощения тетралиновых углеводородов, элюирующихся вместе с алкилбензолами, больше коэффициента погашения последних примерно в 2 раза. В связи с этим калибровка детектора по коэффициентам поглощения индивидуальных компонентов нецелесообразна. Калибровка по искусственным смесям, имитирующим реальное топливо, также затруднительна, так как не всегда удается составить смесь, которая бы достоверно моделировала состав анализируемой пробы. Очевидно, что более надежной является калибровка УФ-детектора по группам углеводородов, выделенных препаративно из аналогичных реактивных топлив. Такие фракции выделялись на колонке диаметром 12 мм с окисью алюминия. По выделенным фракциям строились калибровочные графики зависимости площади пиков от содержания моно- и бициклических ароматических углеводородов. Было установлено, что трициклические ароматические углеводороды в реактивных топливах практически отсутствуют. Для построения калибровочного графика использовали усредненные значения, полученные в результате пяти параллельных определений. Для сравнения были получены калибровочные графики, построенные на основании данных анализа индивидуального углеводорода - (тетралина) и искусственной смеси, состоящей из бензола, толуола, тетралина, гексагидроантрацена и додекагидротрифенилена. Все три графика представлены на рис. 2. Они показывают,



Рисунок 35. Графики зависимости площадей пиков ароматических углеводородов от их содержания в анализируемой пробе: 1 - тетралин; 2 - искусственная смесь: бензол, толуол, тетралин, гексагидроантрацен, додекагидротрифенилен; 3 - фракция моноциклических ароматических углеводородов, выделенных из реактивного топлива

что калибровка по смеси индивидуальных соединений может привести к значительным ошибкам при анализе ароматических углеводородов. Градуировка УФ-детектора по смеси ароматических углеводородов, выделенных из реактивных топлив, аналогичных исследуемым, дает хорошие количественные результаты. Однако препаративное выделение таких фракций представляет собой чрезвычайно трудоемкий процесс, в значительной мере усложняющий анализ. Поэтому для количественного расчета ароматических углеводородов экспериментальным путем были подобраны такие длины волн, при которых значения молярных коэффициентов поглощения ароматических углеводородов различной структуры имели минимальные различия.

Определение индивидуальных ароматических углеводородов в реактивных топливах

Имеющиеся в настоящее время экспериментальные данные показывают, что наибольшее влияние на термическую и химическую стабильность реактивных топлив оказывают ароматические и олефиновые углеводороды. Поэтому необходимо более подробное изучение их состава. Реактивные топлива являются сложными многокомпонентными смесями углеводородов, выкипающими в широком диапазоне температур. Поэтому прямой анализ ароматических углеводородов без предварительного их выделения крайне затруднителен или даже вообще невозможен. Для выделения ароматических углеводородов в настоящее время используется метод ФИА. Выделенные ароматические углеводороды анализировали методом газовой хроматографии на высокоэффективных капиллярных колонках с неподвижной фазой OV-I0I, представляющей собой диметилсилоксановый эластомер. Экспериментально подобранные оптимальные условия разделения приведены в таблице 4. Хроматограмма ароматических углеводородов реактивного топлива, полученная при описанных выше условиях, приведена на рис. 3, 4. Как видно из рисунков, хроматограмма содержит более 100 пиков, степень разделения которых изменяется от 0,5 до 3,3. Время анализа не превышает 75 мин. Результаты анализа представлены в таблице 5. Идентификация ароматических углеводородов, принадлежащих к разным гомологическим рядам, потребовала использования целого комплекса приемов. Схема идентификации приведена на рис. 5. Исходное топливо разгоняли на узкие десятиградусные фракции, из которых методом ФИА выделяли ароматические углеводороды, а затем исследовали методом капиллярной хроматографии как в режиме программирования, так и в изотермических условиях при различных температурах. По результатам расчета температурных коэффициентов индексов удерживания, а также коэффициентов погашения проводили определение структуры анализируемых соединений. Коэффициенты поглощения рассчитывали с помощью селективного детектора по поглощению в ближней УФ-области спектра. После выяснения принадлежности исследуемых углеводородов к тому или иному гомологическому ряду по индексам удерживания, опубликованным в литературе, проводили их идентификацию с использованием эталонных соединений. С целью подтверждения правильности идентификации для всех исследуемых компонентов были рассчитаны температуры кипения. Для определения температуры кипения ароматических углеводородов использовали их линейные зависимости от соответствующих индексов удерживания.