Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Литературный обзор
1.1. Методы фракционирования частиц 11
1.1.1. Проточное фракционирование макромолекул и частиц в поперечном силовом поле 11
1.1.2. Виды проточного фракционирования в поперечном поле. Седиментационное проточное фракционирование в поперечном силовом поле 20
1.1.3. Область применения и сравнение с другими методами 27
1.2. Оценка возможности использования вращающихся спиральных колонок для фракционирования частиц 32
1.2.1. Вращающиеся спиральные колонки и метод жидкостной хроматографии со свободной неподвижной фазой 32
1.2.2. Применение вращающихся спиральных колонок для фракционирования частиц в поперечном центробежном поле 35
1.3. Использование вращающихся спиральных колонок для последовательного экстрагирование форм элементов из почв 36
ГЛАВА 2. Анализируемые образцы, реагенты, приборы и техника эксперимента 42
2.1. Анализируемые образцы и реагенты 42
2.2. Аппаратура и техника эксперимента 43
ГЛАВА 3. Фракционирование модельных и природных частиц во вращающихся спиральных колонках 48
3.1. Влияние рабочих и конструктивных параметров на удерживание и фракционирование частиц 48
3.1.1. Тип вращения планетарной центрифуги 48
3.1.2. Параметр 49
3.1.3. Направления вращения колонки и прокачивания подвижной фазы 51
3.1.4. Внутренний диаметр колонки 55
3.1.5. Скорость вращения колонки 58
3.1.6. Начальная скорость потока подвижной фазы 58
3.2. Влияние свойств подвижной фазы на удерживание и фракционирование частиц 62
3.2.1. Плотность подвижной фазы 62
3.2.2. Электролиты и поверхностно-активные вещества 63
3.3. Фракционирование частиц несферической формы 66
ГЛАВА 4. Разработка теоретических основ фракционирования 1 частиц различной природы в ВСК 74
4.1. Оценка различных режимов движения частиц 74
4.1.1. Движение частиц в потоке жидкости-носителя 76
4.1.2. Миграция частиц вдоль стенки колонки 82
4.2. Рекомендации по выбору и оптимизации условий фракционирования частиц 89
ГЛАВА 5. Развитие комплексного подхода к оценке степени загрязнения почв тяжелыми металлами в различных по подвижности формах 92
5.1. Разделение частиц почвы по гранулометрическому составу 93
5.2. Определение форм тяжелых металлов в почвах 95
5.3. Определение форм тяжелых металлов в гранулометрических фракциях почв 101
Общие выводы 107
Литература 109
Приложение 119
- Виды проточного фракционирования в поперечном поле. Седиментационное проточное фракционирование в поперечном силовом поле
- Использование вращающихся спиральных колонок для последовательного экстрагирование форм элементов из почв
- Внутренний диаметр колонки
- Движение частиц в потоке жидкости-носителя
Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время при решении ряда научных и технологических задач вес более актуальной становится проблема разработки новых методов фракционирования макромолекул и частиц различной природы. Методы разделения частиц важны для исследований не только в области биохимии и биофизики, макромолекулярной химии, порошковых технологий и т.д., но и для экологического мониторинга объектов окружающей среды (почв, донных отложений, природных вод). Различные микроэлементы (в том числе токсичные и радиоактивные), а также токсичные органические вещества присутствуют в природных объектах не только в виде ионов и растворенных низкомолекулярных соединений, но и могут быть связаны с макромолекулами, коллоидными и твердыми частицами. Для оценки токсичности, лабильности и других свойств (ф. загрязняющих веществ следует определять формы их нахождения. При решении таких задач возникает необходимость проводить разделение частиц на фракции в соответствии с их размерами и плотностью.
Большинство современных методов разделения предложено для фракционирования низкомолекулярных соединений и частиц нанометрового размерного диапазона, и сравнительно немногие методы используются для разделения макромолекул и микрочастиц. Проточное фракционирование в поперечном силовом поле (ПФП), которое интенсивно развивается в последние годы и привлекает внимание все большего числа исследователей, является весьма эффективным методом разделения и определения ряда физических параметров макромолекул и частиц различной природы (от биологических клеток и V микроорганизмов до природных твердых и коллоидных частиц). Концентрационное распределение компонентов анализируемого объекта в поперечном силовом поле различной природы (центробежном, электрическом, магнитном, барическом и т.д.) и воздействие неоднородного потока жидкости-носителя приводят к дифференцированной миграции частиц и макромолекул в узком щелевидном канале, обеспечивающей их разделение. В некоторых аспектах метод ПФП сходен с хромато графическими методами. Основоположники определяют его как однофазную или поляризационную хроматографию, поскольку в данном случае отсутствует неподвижная фаза, и на распределение компонентов смеси в потоке жидкости-носителя оказывает влияние внешнее силовое поле. Однако по механизму разделения ПФП существенно отличается от большинства хроматографических методов, так как оно основано только на физических взаимодействиях, i 5 ранее применяемые для метода жидкостной хроматографии со свободной неподвижной фазой (ЖХСНФ), как установки для ПФП. Сложное асимметричное силовое поле, возникающее при планетарном движении колонки, обуславливает различные скорости миграции компонентов анализируемого объекта вдоль стенки колонки в потоке жидкости-носителя. Применение ВСК для фракционирования частиц и макромолекул имеет ряд потенциальных преимуществ по сравнению с традиционными установками, используемыми для ПФП. В планетарной центрифуге нет вращающихся соединений, что снимает ограничения на давление в системе. Снимаются также ограничения на массу частиц в образце. В отличие от традиционных установок, где разделение проводят в узком канале и масса анализируемого объекта составляет не более І мг (что резко повышает требования к чувствительности последующего детектирования), объем ВСК можно менять, используя разное число витков и их слоев. Кроме того, в планетарной центрифуге создается сложное ассиметричнос силовое поле, характер которого зависит от скорости вращения колонки и от соотношения ее радиусов вращения и обращения, что может сыграть существенную роль при оптимизации процессов фракционирования. Таким образом, используя ВСК, можно создать проточную систему фракционирования нового типа, в которой коллоидные и твердые частицы, а также макромолекулы разделяются в соответствии с их размерами и плотностью в сложном асимметричном поле центробежных сил. Интересным и перспективным представляется использование ВСК для создания комплексной методики оценки подвижности элементов в сложных природных образцах (почв, донных отложений) с целью их экологического мониторинга. В данном случае ВСК могут быть применены не только как установки ПФП для разделения образцов почв по гранулометрическому составу, но и для последовательного экстрагирования форм элементов из полученных фракций в динамическом режиме. Известно, что процессы, протекающие в природе, всегда являются динамическими, в то время как традиционные методики последовательного экстрагирования основаны на последовательности одноступенчатых статических экстракций. Следовательно, при изучении подвижности элементов целесообразно проводить экстрагирование именно в динамическом режиме. Определение содержания форм элементов в каждой из гранулометрических фракций позволит получить детальную картину распределения различных элементов в изучаемом образце и оценить их потенциальную опасность для окружающей среды. Успех дальнейшего использования ВСК для удерживания и разделения частиц зависит от разработки теоретической модели их поведения, которая будет способствовать подбору и оптимизации условий их фракционирования. Цель и задачи исследования. Основная цель работы заключается в изучении возможности использования ВСК для фракционирования твердых частиц. Для этого, прежде всего, необходимо исследовать влияние конструкционных и операционных параметров ВСК (тип вращения и скорость вращения, направление вращения ВСК и прокачивания подвижной фазы, начальная скорость потока подвижной фазы, внутренний диаметр колонки) на удерживание и разделение частиц различной природы. Теоретическая модель, которая может быть разработана на основе изученных закономерностей поведения частиц в колонке, в свою очередь должна позволить подобрать оптимальные условия фракционирования сложных природных образцов, содержащих частицы различной, в том числе несферической формы. Цель практической части работы заключается в создании комплексного подхода, включающего как разделение частиц сложных природных объектов (почв) на фракции, отличающиеся по гранулометрическому составу, так и последовательное экстрагирование форм элементов из каждой фракции. Применение комплексного подхода позволит получить полную информацию о распределения форм нахождения загрязняющих веществ в различных по составу фракциях анализируемого образца и показать преимущество использования ВСК для создания нового метода контроля состояния природных объектов. Конкретные задачи исследования были следующие: - изучить закономерности удерживания и фракционирования частиц в зависимости от конструкционных и рабочих параметров планетарной центрифуги (тип вращения и скорость вращения, направление вращения ВСК и прокачивания подвижной фазы, начальная скорость потока подвижной фазы, внутренний диаметр колонки); исследовать закономерности поведения частиц в зависимости от присутствия электролитов и поверхностно-активных веществ (ПАВ); оценить интервал размеров и плотностей частиц, фракционирование которых целесообразно проводить в ВСК; - разработать теоретическую модель поведения частиц в потоке жидкости-носителя в ВСК; - на основе теоретической модели и данных, полученных для стандартных частиц сферической формы, подобрать и оптимизировать условия для фракционирования частиц несферической формы, содержащихся в сложных природных объектах; - предложить оригинальный комплексный подход к анализу твердых природных образцов для оценки их загрязнения, включающий их фракционирование в соответствии с гранулометрическим составом и дальнейшее последовательное экстрагирование форм элементов из каждой полученной фракции. 7 Научная новизна. Исследованы закономерности поведения твердых частиц в ВСК. Проведено систематическое изучение влияния конструкционных и рабочих параметров планетарной центрифуги (тип вращения и скорость вращения, направление вращения ВСК и прокачивания подвижной фазы, начальная скорость потока подвижной фазы, внутренний диаметр колонки), а также присутствия электролитов и ПЛВ на удерживание и фракционирование модельных смесей и природных частиц несферической формы. Предложена теоретическая модель поведения частиц в ВСК, описывающая влияние конструкционных параметров колонки, гидродинамических условий эксперимента и физических характеристик частиц на их удерживание и разделение. Показана возможность использования ВСК для вещественного анализа твердых природных образцов. Подобраны условия для удерживания и фракционирования частиц несферической формы в ВСК. Разработан оригинальный комплексный подход к оценке подвижности элементов в сложных природных объектов (почв, донных отложений), включающий фракционирование анализируемого образца в соответствии с его гранулометрическим составом и последовательное экстрагирование форм элементов (тяжелых металлов) из каждой фракции. Практическая ценность работы. Выявлены и экспериментально подтверждены закономерности удерживания и фракционирования частиц различной природы в зависимости от их физико-химических параметров, конструкционных и рабочих характеристик ВСК. Показана возможность разделения частиц сложных природных объектов в ВСК в соответствии с их размерами и плотностью. Предложенная теоретическая модель, позволила оптимизировать процесс фракционирования. Показана возможность использования ВСК для комплексной оценки подвижности элементов в образцах почв с учетом их гранулометрического состава. Автор выносит на защиту: Зависимости удерживания и фракционирования частиц различной плотности и размера от конструкционных и рабочих параметров ВСК. Результаты, позволяющие оценить диапазон размеров частиц различной природы, фракционируемых в ВСК Теоретическую модель, описывающую поведение частиц в зависимости от их физических характеристик, а также конструкционных и рабочих параметров ВСК. Критерии, позволяющие оптимизировать условия для удерживания и фракционирования частиц различной природы. Результаты фракционирования частиц сложных природных объектов в соответствии с их гранулометрическим составом. Комплексный подход к анализу образцов почвы в ВСК, включающий последовательное экстрагирование форм элементов из каждой гранулометрической фракций анализируемого природного образца. Апробация работы. Основные результаты доложены на 10ой Российско-Японском симпозиуме по аналитической химии (Москва - Санкт-Петербург, 2000); на 70м Российско-германо-украинском симпозиуме аналитической химии (Байкальск, 2001); на Международном конгрессе по аналитической химии (Токио, Япония, 2001); на Всероссийской конференции по аналитической химии (Москва, 2002); на Международном симпозиуме по аналитической химии (Краснодар, 2002); на 2ой Международной конференции по противоточной хроматографии (Пекин, Китай, 2002); на ЗеП Международной конференции по противоточной хроматографии (Токио, Япония, 2004); на Всероссийской конференции по аналитической химии (Москва, 2004), на 2ой Международной конференции «Современное приборное обеспечение и методы анализа почв, кормов, растений и сельскохозяйственного сырья» (Москва, 2004). Публикации. Основное содержание опубликовано в 3 статьях и 10 тезисах докладов, Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, списка сокращений, обзора литературы (глава 1), экспериментальной части (главы 2, 3, 5), теоретической части (глава 4), выводов, списка литературы и приложения. Работа изложена на 119 страницах машинописного текста, содержит 43 рисунка, 10 таблиц, 130 литературных ссылок. Как указано выше, в зависимости от природы внешнего поперечного поля выделяют соответствующие виды ПФП: седиментационное, магнитное, электрическое, термическое, с поперечным потоком и т.д. [2-4, 6-9]. Термическое ПФП относится к ранним методам ПФП, в основу которого положен принцип тепловой диффузии. В случае термического ПФП разделительная система состоит из двух металлических блоков, между которыми зажата прокладка из полимерной фольги, в которой непосредственно протекает разделение образца. Верхняя часть двух блоков нагревается электрическим током, нижняя часть охлаждается водой. Соответственно, между стенками разделительного канала возникает температурный градиент, под воздействием которого макромолекулы или частицы перемещаются от одной из стенок под влиянием тепловой диффузии, к другой, более холодной. Применение термического ПФП, описанное в ранних работах, показало возможности этого метода для определения ряда характеристик синтетических полимеров [42, 43]. Уравнение, описывающее удерживание для термического ПФП учитывает взаимосвязь между R и фактором термической диффузии ат С одной стороны, различия в коэффициентах термических диффузии Dt обуславливают фракционирование макромолекул и частиц в соответствии с их химическим составом и структурой. С другой стороны, наличие коэффициента обратной диффузии D в уравнении указывает на возможность разделения, основанного на различии в размере. Соответственно, термическое ПФП применяется для определения коэффициента От. А, М с учетом неидеальности профиля скоростей, обусловленного неизотермическими и нсизовязкостным течением жидкости-носителя [44-47], Повышение температурного градиента ЛТ при применении систем повышенного давления с измерительным клапаном на выходе канала позволило повысить удерживание низкомолекулярных полистирольных образцов, а также улучшить разрешение. Система повышенного давления позволяет проводить эксперимент при температурах выше точки кипения используемых подвижных фаз. Экспериментально эта возможность была продемонстрирована на примере полистирольных стандартов в толуоле [48]. Например, двойное повышение термического градиента AT от 80 до 150С дало возможность разделить полистирольные образцы с молекулярными массами 600 и 2100 (рис. 7). Возможности этого способа были продемонстрированы даже для фракционирования полимеров с весьма высокими молекулярными массами, от 4x103 до 7x106 [27]. Уменьшение ширины канала способствует повышению эффективности разделительной системы, можно существенно увеличить расход подвижной фазы без потери разрешения и снизить время анализа от нескольких минут до несколько десятков секунд [49]. Описано также применение термического ПФП для разделения частиц полиизопрена, поли мстилметакри лата, политетрагидрофурана в тетрагидрофуране я этилацетате [50]. Однако зависимость относительного удерживания от молекулярной массы не является универсальной для многих изученных полимеров. Для того чтобы оценить количественно некоторые параметры, необходимо использовать зависимости R от М, полученные методом эмпирической градуировки. В электрическом ПФП используют поле, характеризующееся разностью потенциалов (или напряженностью электрического поля) Е в поперечном сечении канала. Стенки разделительного капала представляют собой две полупроницаемые мембраны, которые пропускают только малые ионы и отделяют канал от электродов. Величина R определяется через электрофоретическую подвижность д., напряженность электрического ПОЛЯ Е, коэффициент диффузии и толщину канала w согласно выражению Компоненты анализируемого объекта, которые характеризуются небольшими различиями в электрофореческой подвижности, но существенно различаются по коэффициенту D, могут быть разделены методом электрического ПФП [51]. Метод применяется также для анализа суспензий [52], биологических клеток, белков (альбумин, лизоцим, гемоглобулин и гамма -глобулин) [53]. На рис, 8 представлен пример разделения белков методом электрического ПФП при различных условиях эксперимента. Рис. 8. Фрактограммы альбумина (1), гамма-глобулина (2) и гемоглобина (3) при разных значениях напряженности электрического поля [53]. ПФП с поперечным потоком считают наиболее универсальным методом ПФП. В традиционных установках разделительная система образована двумя параллельными пластинками, при этом стенки изготавливают из полупроницаемых мембран, Поток элюента, перпендикулярный основному потоку жидкости-носителя в канале, движется через эти полупроницаемые стенки и создает внешнее силовое поле. Разделение при ПФП с поперечным потоком определяется только разностью в величинах коэффициента диффузии D и коэффициента трения/ поскольку перпендикулярный поток со скоростью U действует на макромолекулы и частицы в равной степени. Параметр удерживания определяется следующим образом: Метод ПФП с поперечным потоком успешно используется для фракционирования различных синтетических полимеров [54], частиц природных образцов [55-58], биологических клеток [59], белков, водорастворимых полиэлектролитов [60]. Пример разделения вирусов [61] методом проточного ПФП приведен нарис. 9. Особое внимание стоит уделить седиментационному ПФП, поскольку данный метод сходен по ряду аспектов с методом исследования, предложенным в данной работе. Ссдиментациопное ПФП является одним из ранних методов ПФП и основано на действии 24 гравитационного или центробежного поля на молекулы и частицы, находящиеся в потоке жидкости-носителя. Применение гравитационного поля позволяет удерживать и фракционировать частицы диаметром от 1-2 мкм при низких значениях коэффициента диффузии [62]. Однако для разделения субмикронных частиц необходимо существенное увеличение действующей силы внешнего поля, которое возможно осуществить посредством центробежного ускорения [63]. Разделительный канал в данном случае представляет собой кольцо, вмонтированное в ротор центрифуги (рис. 10). Сила, воздействующая на макромолекулы или частицы, в центробежном поле, зависит от эффективной массы образца и центробежного ускорения G: где d4 — эквивалентный сферический диаметр частицы; Ар - разность плотностей частицы и жидкости-носителя. Используя уравнение 10 и выражение A=l/w, можно определить параметр удерживания Я как 25 Из данных уравнений следует, что при однородном воздействии внешнего СИЛОВОГО поля, используя экспериментально определенные объем или время удерживания и известные величины плотностей жидкости-носителя и частиц можно рассчитать эквивалентный сферический диаметр частицы. Следует отметить, что в случае фракционирования полидисперсных образцов для разделения частиц с меньшим диаметром требуется высокая интенсивность внешнего силового поля, что приводит к нежелательному увеличению времени элюирования частиц с большим диаметром. Данная проблема была решена посредством применения теории программирования. Согласно данной теории, в начальный период времени t\ поддерживается высокое напряжение внешнего силового ПОЛЯ CQQ для фракционирования частиц, характеризующихся невысокими величинами диаметра или плотности. Для разделения частиц с большим диаметром или сравнительно высокими величинами плотности, интенсивность внешнего силового поля уменьшается в соответствии с уравнением: где Га— время, необходимое для снижения скорости вращения центрифуги до величины со,; t - общее время эксперимента. Применение теории программирования интенсивности внешнего силового поля позволило подобрать условия для оптимального разрешения каждого компонента полидисперсного образца, характеризующегося широким диапазоном распределения по размерам и плотности за короткий период времени. Например, для фракционирования смеси семи различных латексоа с диаметром частиц от 2 до 45 мкм потребовалось менее 4 минут [35]. Теория программирования в седиментационнном ПФП также успешно применяется для определения распределения частиц по размерам в неорганических суспензиях (рис. 11). Если па выходе канала поместить детектор и его сигнал будет пропорционален концентрации компонента образца в элюенте dnf\/dV\ (ось у), то на оси х будет отражено распределение частиц в соответствии с их размерами dmc\/dd\. Метод масс- спектрометрии с индуктивно связанной плазмой в комплексе с методом седиментационного ПФП дает возможность получить информацию о распределении элементов в соответствии с диаметром частиц во фракциях. Совокупность данных методов успешно используется для решения ряда экологических задач [16-18, 65], Седиментационпое ПФП - весьма эффективный метод разделения и определения некоторых характеристик образцов различной природы: биологических клеток [66, 67], В последние годы все большее внимание исследователей, работающих в области экологии и анализа объектов окружающей среды, привлекают задачи, связанные с определением форм нахождения загрязняющих веществ в природных водах, почвах, донных отложениях и т.д. Для оценки лабильности, токсичности и других свойств загрязняющих веществ важно определить формы их нахождения в водах, дойных отложениях, почвах и других природных объектах [107-111]. В настоящее время для решения данной задачи используются различные методики последовательного экстрагирования в статическом режиме [112-117]. Использование селективных экстрагснтов при фракционировании направлено на имитацию природных условий, при которых могут «высвобождаться» металлы, связанные с определенными компонентами природных объектов. Например, изменение ионного состава среды (влияющее на процессы адсорбции-десорбции) или понижение рН могут привести к выделению металлов, связанных с матрицей слабыми электростатическими взаимодействиями или соосажденных с карбонатами («обменная» и «кислоторастворимая» формы, соответственно). Уменьшение окислительно-восстановительного потенциала приводит к растворению оксидов, неустойчивых в восстановительных условиях («восстанавливаемая» форма). В окислительных условиях разрушается органическая матрица образца и происходит выделение металлов, связанных в комплексы с органическими лигандами («окисляемая» форма). При полном разложении образца, в результате разрушения первичной и вторичной кристаллической решетки, выделяются тяжелые металлы, входящие в кристаллическую структуру минералов, например, вследствие изоморфного замещения («остаточная» форма). Последовательное экстрагирование позволяет получить более или менее подробную информацию о происхождении, подвижности, биологической и физико-химической доступности элементов. По методикам, принятым в России, выделение различных форм элементов проводят с помощью одностадийной статической экстракции, используя 1 М азотную кислоту (выделение кислоторастворимых форм), 1 М раствор ацетата аммония (обменные формы) или ацетатно-аммонийный буферный раствор с рН 4.8 (подвижные формы) [118]. Для экстрагирования различных форм тяжелых металлов (в основном Си, 2п, РЬ) были разработаны десятки различных схем. Одной из первых была предложена схема Мак-Ларена и Крауфорда [114]. Согласно данной схеме выделяют следующие формы: обменную и кислоторастворимую (экстрагируемые 0.05 М раствором СаОг), карбонатную (2.5% - ный СНзСООН), элементы, связанные с органическими веществами (0.1 М К4Р2О7+ОЛ М КОН), элементы, связанные с оксидами Mn, Fe и А1 (0.1 М Н2С2О4+0.175 М (ЫН4):Сг04 рН 3.25), остаточную (HF). Широкое применение получила схема Керстена-Ферстнера (вариант схемы Тессье) [115-116], согласно которой выделяют следующие формы (табл. 1): Европейской комиссией по стандартам предложена упрощенная трехстадийная схема экстрагирования форм элементов [119-125] (табл. 2). Однако, одной из наиболее предпочтительных остается схема Керстена-Ферстнера, поскольку она позволяет с большей достоверностью оценить содержание подвижных форм элементов в природных объектах [126-129], Следует отметить, что недостатком всех методик последовательного экстрагирования в статическом режиме является их трудоемкость и длительность. Последняя обусловлена медленной кинетикой извлечения форм тяжелых металлов из твердых образцов, Согласно схеме Керстсна-Ферстнсра вьшеление каждой из экстрагируемых форм требует 5-16 часов, европейской комиссии по стандартам-16 часов. Применение ВСК дает возможность проводить процесс последовательного экстрагирования элементов в динамическом режиме при постоянном обновлении раствора выщелачивающего реагента, что позволяет существенно снизить время, необходимое для выделения каждой из форм, за 1-2 часа. Применение вращающихся колонок позволило предложить принципиально новый подход к проведению процесса фракционирования различных по подвижности и биологической доступности форм элементов в почвах, илах и донных отложениях. В данном случае твердый измельченный образец удерживается во вращающейся спиральной колонке в виде неподвижной фазы, в то время как водные растворы солей, кислот и комплексообразующих реагентов непрерывно прокачиваются через колонку. Было показано, что при объеме колонки 20 мл (внутренний диаметр колонки 1.5 мм) возможно стабильное удерживание навески образца до 1 г. Масса образца может быть увеличена до 5 и более граммов при использовании колонки большего объема (35 мл) с большим внутренним диаметром (3.2 мм). Фракционирование различных форм тяжелых металлов в почвах согласно схемам Мак-Ларена и Керстена-Ферстнера было проведено как во ВСК, так и при помощи традиционного последовательного экстрагирования [130] (рис. 17). Описаны основные принципы метода ПФП, его отличительные особенности, аппаратурное оформление. Рассмотрены некоторые аспекты теории ПФП, позволяющие оценивать влияние физико-химических параметров макромолекул и частиц, а также внешнего силового поля, конструктивных и рабочих характеристик устройства на поведение компонентов анализируемого объекта в разделительном канале. Показано, что метод ПФП эффективно используется для разделения и определения широкого диапазона физико-химических характеристик объектов различной природы, что представляет интерес для ряда областей науки и промышленности, в том числе экологии и анализа объектов окружающей среды. Рассмотрен ряд других методов фракционирования частиц. Обоснована возможность использования ВСК, ранее применяемых для метода ЖХСНФ, как установок для проточного фракционирования в поперечном центробежном поле. Предварительные исследования поведения двухфазных жидкостных систем в сложном асимметричном поле, возникающем при планетарном вращении ВСК, дали основание предположить, что данные установки могут применяться и для фракционирования макромолекул, коллоидных и твердых частиц. Силовое поле, под воздействием которого в колонке находятся подвижная жидкая фаза, коллоидные и твердые частицы, должно обуславливать различные скорости миграции компонентов смеси вдоль стенок колонки. Рассмотрен ряд потенциальных преимуществ применения ВСК для удерживания и разделения частиц по сравнению с традиционными установками ПФП. Показано, что применение ВСК обеспечивает реализацию принципиально нового подхода к проведению процесса экстрагирования различных по подвижности и биологической доступности форм элементов из почв, илов и донных отложений. При этом, в отличие от традиционно принятых методик экстрагирования в статическом режиме ВСК позволяют проводить процесс извлечения различных форм в динамическом режиме при постоянном обновлении выщелачивающих реагентов, что способствует более эффективному выделению элементов. Обоснована возможность разработки оригинального подхода к оценке подвижности элементов в природных объектах, включающего разделение природных объектов в соответствии с гранулометрическим составом и последующее определение форм элементов в каждой из полученной фракций. Реализации данного подхода позволит получить детальную картину распределения элементов и оценить их потенциальную опасность для окружающей среды. Анализируемые обращы. В ходе выполнения работы использовали стандартные образцы сферических частиц латексов: полистирольные; (d4: 0.6, 1.6, 3-7, 24 мкм; /7=1.1 г/см3), полиметилметакрилатпый (t/4: 0.6 мкм; р= 1.2 г/см ), полиакрилииновый (t/4: 1.6 мкм; р 1.4 г/см3). Применяли также стандартные образцы частиц неправильной (несферической) формы: силикагеля Silasorb 300 ( 5.25 мкм - 10%, 5.25-5.9 мкм - 40%, 5.9-8.2 мкм -40%, 8.2 мкм - 10%, р= 2.7 г/см3) и Silasorb 600 ( 9.6 мкм - 10%, 9.6-10.5 мкм - 40%, 10.5-13 мкм - 40%, 13 мкм - 10%, р = 2.7 г/см ), образцы природных частиц кварца BCR-70 (1.2-20 мкм, р = 2.7 г/см3) и BCR-66 (0.35-3.5 мкм, /7 = 2.7 г/см3). Лабораторией геохимии осадочных пород ГЕОХИ были предоставлены образцы глинистых минералов, просеянные через сито с диаметром пор 1 мм. В ходе выполнения работы по фракционированию природных частиц в соответствии с их гранулометрическим составом были использованы два загрязненных образца почвы (дерново-подзолистые): стандартный образец (SRM 2710, NIST) и реальный, отобранный в Московском регионе. Реальный образец почвы был просеян через сито с диаметром пор 250 мкм. В качестве подвижной фазы (жидкости-носителя) использовали дистиллированную воду. Для изучения влияния разности плотностей твердых частиц и жидкости-носителя на удерживание и фракционирование компонентов образца в качестве подвижной фазы применяли водный раствор сахарозы разной концентрации (24% - р = 1.1 г/см ; 46% - р = 1.2 г/см ; 64% - р 1.3 г/см ). При исследовании влияния электролитов и ПАВ на удерживание образца в ВСК в качестве подвижной фазы использовали 18%, 9%, 0.1% водные растворы сульфата аммония, 0.1% водный раствор тетраэтиламмония бромистого, 0.1% водного раствора додецилбензосульфаната натрия. Реагенты. Для экстрагирования различных форм металлов из исходных образцов почв и гранулометрических фракций в качестве элюентов использовали водные растворы реагентов разной концентрации: уксуснокислого аммония (ос.ч.), гидрохлорида гидроксиламина (ч.д.а.), щавелевокислого аммония (ч.д.а.), уксусной кислоты (ос.ч.), азотной кислоты (ос.ч.), гидроксида натрия (ч.д.а.), пероксида водорода (медицинского). Рабочие растворы готовили растворением навесок в дистиллированной воде. Поведение частиц так же зависит и от внутреннего диаметра колонки. Для того чтобы сравнить поведение частиц в колонках различного диаметра, необходимо учитывать линейную скорость потока подвижной фазы. В таблице 4 приведены значения данного параметра для колонок с внутренними диаметрами: 1, 1.6 и 2 мм. Соотношение объемной F и линейной и скоростей потока подвижной фазы определяется уравнением: где d- внутренний диаметр капилляра. Увеличение внутреннего диаметра капилляра от 1 до 1.6 мм при прочих равных условиях (скорости вращения колонки, начальной скорости потока подвижной фазы, линейной скорости потока подвижной фазы, объема и длины колонки) приводит к лучшему удерживанию частиц полистарольного латекса (d4 = 3-7 мкм; /»=1.1 г/см ). Так при d= 1 мм частицы образца начинают вымываться при линейной скорости потока подвижной фазы см/с, тогда как при переходе к d= 1.6 мм для извлечения частиц латекса необходима линейная скорость жидкости-носителя 8 см/с (рис. 23). При использовании колонки с внутренним диаметром 2 мм основная часть частиц остается в колонке даже при максимальной линейной скорости потока подвижной фазы 12 см/с. В данном случае, для выделения образца полистирольного латекса необходимо снизить скорость вращения колонки от 350 до 200 об/мин. Переход к большей величине внутреннего диаметра колонки позволяет разделять частицы с близкими значениями диаметра и плотности. 57 Однако при увеличении внутреннего диаметра колонки при одной и той же длине колонки возможности фракционирования частиц, характеризующихся широким диапазоном размеров, по-видимому, сужаются. Так, стандартный образец силикагеля SiIasorb-600 ( 9.6 мкм - 10%, 9.6-10.5 мкм - 40%, 10.5-13 мкм - 40%, 13 мкм - 10%).был разделен на фракции в колонке с внутренним диаметром d — 1.6 мм {со = 70 об/мин). Из рисунка 24 видно, что фракция частиц диаметром до 10 мкм начинает извлекаться из колонки при линейной скорости потока 1 см/с. Основная часть частиц (фракция диаметром от 10 до 15 мкм) вымывается при при vr=3 см/с, фракция частиц диаметром более 15 мкм была получена при гу более 12 см/с. 10%). Скорость вращения и обращения колонки: = 70 об/мин. Направление прокачивания подвижной фазы: "хвост - голова" (направления вращения колонки и прокачивания подвижной фазы совпадают). При переходе к /=2мм образец силасорба полностью удержался в колонке и был вытеснен при максимальном значении линейной скорости потока 12 см/с в режиме остановленной колонки. В дальнейшем при заданной скорости вращения колонки 70 об/мин была изменена начальная линейная скорость потока жидкости-носителя от 0.3 до 2 см/с. При этом образец силасорба был выделен в объеме 74 мл при линейной скорости потока 10 см/с, однако его разделения на отдельные фракции не наблюдалось. По-видимому, при переходе к большей величине начальной линейной скорости потока 12 см/с данной длины колонки (8 м) оказалось недостаточно для распределения частиц в соответствии с их размером и плотностью. Таким образом, было показано, что при увеличении внутреннего диаметра колонки (от 1 до 2 мм) значительно улучшается удерживание частиц, что приводит к возможности фракционирования частиц определенного размера при более низких скоростях вращения колонки или при более высоких скоростях потока подвижной фазы. Поведение твердых частиц разной природы зависит от скорости вращения центрифуги. Стоит отметить, что нижняя граница размерного диапазона частиц, удерживаемых в колонке при максимальной скорости вращения планетарных центрифуг "Фобос" и "Спринг-1" - 1000 об/мин составила 1 мкм. Показано, что для фракционирования 5 и удерживания частиц высокой плотности ( 2 г/см ) целесообразно использовать низкие скорости вращения центрифуги - до 200 об/мин, В противном случае все частицы удерживаются в колонке и не вымываются из нее даже при высокой скорости потока подвижной фазы. При работе с частицами, плотность которых близка к единице (1.1-1.4 г/см3), требуются высокие скорости вращения центрифуги - от 350 об/мин. При низких скоростях вращения данные частицы не удерживаются в колонке и вымываются сразу же после выхода свободного объема подвижной фазы. Так, при разделении частиц кварцевого песка BCR-70 (р = 2.7 г/см3), которое будет подробно описано ниже, скорость вращения колонки составила 70-110 об/мин, а для удерживании частиц латекса (р = 1.2 г/см ) необходима скорость вращения более 350 об/мин. Важную роль при фракционировании частиц играет начальная скорость потока подвижной фазы, которая так же, как и период релаксации (в режиме остановленного потока) при традиционном противоточном фракционировании в поперечном силовом поле способствует равновесному распределению частиц разной природы и размера по всей длине колонки. Проведен ряд экспериментов по разделению стандартных образцов силикагеля Silasorb-ЗОО ( 5.25 мкм - 10%, 5.25-5.9 мкм - 40%, 5.9-8.2 мкм - 40%, 8.2 мхм - 10%; р = 2.7 г/см3) и Silasorb-600 ( 9.б мкм - 10%, 9.6-10.5 мкм - 40%, 10.5-13 мкм - 40%, 13 мкм - 10%) при различных начальных скоростях потока жидкости-носителя (Fi): от 0.20 до 0.67 мл/мин (рис. 25). Образец вводили в колонку при заданной начальной скорости потока подвижной фазы, затем скорость потока изменяли ступенчато при постоянной скорости вращения планетарной центрифуги 70 об/мин. Во всех случаях разделение частиц достигалось при ступенчатом увеличении скорости потока. При F\ = 0.2 мл/мин оба образца полностью удерживаются в колонке при последующем увеличении скорости прокачивания подвижной фазы до F- 15 мл/мин. По-видимому, данная величина начальной скорости потока оказалась недостаточной для исходного распределения частиц на зоны в соответствии с их размером вдоль колонки. При начальной скорости потока жидкости носителя Fi = 0.3 мл/мин из смеси Silasorb-ЗОО и Silasorb-600 при скоростях потока F= 1.0, 2.0, 3.5, 10 мл/мин были выделены четыре фракции (рис. 25 а), которые были собраны и охарактеризованы методом электронной микроскопии. Фракция частиц до 5 мкм вымывается при F=\ мл/мин, объемом 30 мл. Как видно из рис. 26, фракции Л соответствуют частицы диаметром 5 мкм (К=64 мл), полученной при скорости потока жидкости-носителя 2 мл/мин, тогда как частицы с диаметром 10 мкм (Г= 56 мл) (фракция Б) элюируются при F — 3.5 мл/мин. При скорости потока подвижной фазы 10 мл/мин будут вымываться частицы более 10 мкм в объеме 32 мл. Дальнейшее увеличение начальной скорости потока жидкости-носителя при данной скорости вращения колонки (со = 70 об/мин) приводит к размыванию и перекрыванию пиков и соответственно, разделение образцов на фракции частиц отличающихся по размеру наблюдаться не будет. Так при F\ = 0.35 мл/мин данные образцы, взятые в смеси, одновременно элюируются при F-Ъ.Ъ мл/мин. При F\ = 0J мл/мин стандартные образцы силикагеля вымываются сразу после выхода свободного объема колонки (рис. 26 б, в). Под воздействием радиальной составляющей центробежных сил частица, находящаяся в потоке жидкости-носителя, движется перпендикулярно потоку. Если частица тяжелее жидкости носителя, она движется в направлении векторов Ft к внешней (удаленной от оси вращения) стенке колонки. Радиальной составляющей центробежных сил противодействуют силы сопротивления движению частицы Fgi которые для ламинарного потока можно оценить следующим образом: где Гц - радиус частицы, г} - вязкость жидкости-носителя, ц - средняя (за время одного оборота колонки) скорость движения частицы перпендикулярно потоку. Здесь и далее символ "»" означает равенство с точностью до константы. Силы плавучести, действующие на частицу в радиальном направлении, уравновешены силами сопротивления ее движению в вязкой жидкости, следовательно: где Лр — разность плотностей частицы и жидкости-носителя. Отсюда Частица, введенная с жидкостью-носителем во вращающуюся колонку, движется перпендикулярно потоку до момента осаждения на стенку. Оцепим время осаждения частицы (/s), считая, что характерное расстояние от исходного положения частицы до стенки колонки составляет dtl, где d внутренний диаметр колонки. квадрату се радиуса. Так, например, частица радиусом 1 мкм оседает на стенку в 25 раз медленнее, чем частица радиусом 5 мкм. Помимо перемещения в направлении, перпендикулярном потоку, частица движется вдоль колонки. Следовательно, для дальнейших рассуждений необходимо иметь представление о скорости движения частицы относительно стенки колонки. Для этого требуется ряд промежуточных оценок и выкладок. Путь, пройденный находящейся в потоке частицей относительно стенки за время одного оборота колонки, можно выразить следующим образом: где Vf - линейная скорость потока жидкости-носителя; vrei - скорость движения частицы вдоль стенки колонки относительно потока жидкости-носителя; t\ и /г время нахождения частицы в левой (зона %-2п) и правой (зона 0 я) частях витка колонки, соответственно (рис. 34). Для оценки величин /] и h воспользуемся следующими выражениями. Рассмотрим один полный оборот колонки, при этом обозначим среднее условное время пребывания частицы в одной (левой или правой) половине витка как fr. где vb - линейная скорость движения точки на стенке колонки, обусловленная вращением колонки, V o = 2ЯГ(У. При этом /i = /f + At, а /г = if - At в силу асимметрии тангенциальной составляющей центробежных сил (Ft = Rofs mff), замедляющей или ускоряющей движение частиц в потоке в зависимости от того, в какой части витка они находятся. Для дальнейших выкладок запишем величины L возможны три варианта движения частиц. 1, При L 0 частицы движутся по вращающейся колонке против потока жидкости-носителя, следовательно Таким образом, скорость движения частицы вдоль стенки колонки относительно потока жидкости-носителя (игеі) пропорциональна величине радиуса частицы во второй степени. Следовательно, если в полидисперсном образце есть частицы, которые удерживаются в потоке (L = 0), то частицы большего размера будут двигаться против потока жидкости-носителя (L 0), а частицы меньшего размера - по потоку (L 0). Оценка скорости движения частицы относительно стенки колонки (vw). Средняя скорость перемещения частицы относительно стенки колонки равна отношению величины L к времени одного оборота колонки. Время оборота колонки обратно пропорционально угловой скорости со, следовательно, vw = L(0. Тогда, согласно выражению (31), где Kv - поправочный коэффициент, зависящий от формы частицы. Если частица имеет сферическую форму, Kv = 1. Как видно из выражения (39), при гч, стремящемся к нулю, ц„ стремится к vj. Таким образом, если частица очень мала, то она перемещается практически со скоростью потока. Чем крупнее частица, тем заметнее она «отстает» от потока. Следует отметить, что в режиме удерживания частиц в потоке vw — 0, таким образом, Как видно, полученное соотношение содержит радиус частицы в четвертой степени и скорость вращения колонки в третьей степени. Столь высокие показатели степеней данных множителей говорят о том, что состояние удерживания частиц в потоке жидкости-носителя достижимо лишь для очень узкого диапазона размеров частиц даже при строго определенных условиях проведения эксперимента. Оценка расстояния, пройденного частицей вдоль колонки, до момента ее осаждения на стенку (s). Для оценки данной величины воспользуемся выражениями (22) и (39), dtj Очевидно, что полученное выражение можно использовать при условии, что L 0, поскольку если L 0, частицы, вводимые в колонку с потоком жидкости-носителя, будут оседать на входе, в самом начале спиральной колонки. При L 0 соотношение (41) позволяет сделать ряд важных выводов о распределении осаждающихся частиц на стенках колонки. Как видно из уравнения, чем больше линейная скорость потока жидкости-носителя, тем больший путь пройдет частица вдоль стенки. Экспериментально данная зависимость прослеживалась при исследовании влияния начальной скорости потока подвижной фазы на распределение частиц стандартных образцов силикагеля разного размера (Silasorb - 300 и Silasorb - 600) в ВСК (глава 3, раздел 3.1.6.). При Fi = 0.2 мл/мин оба образца полностью удержались в колонке, поскольку данной величины начальной скорости потока оказалось недостаточно для распределения частиц в соответствии с их размером по всей длине колонки. При прочих равных условиях разделения частиц Silasorb - 300 и Silasorb - 600 удалось достичь при использовании начальной скорости потока жидкости-носителя 0.3 мл/мин. Увеличение начальной скорости потока жидкости-носителя (более 0.35 мл/мин) приводит к размыванию и перекрыванию пиков. В данном случае, длины колонки оказалось недостаточно для распределения частиц вдоль стенок в ходе их осаждения. Радиус частицы в квадрате присутствует в знаменателе второго множителя, в то время как эта же величина в четвертой степени входит в вычитаемое первого множителя. Следовательно, чем крупнее осаждающаяся частица, тем меньший путь пройдет она вдоль стенки, причем зависимость достаточно «резкая». Зависимость Ls от скорости вращения колонки качественно похожа на зависимость is от радиуса частицы. Данная теоретическая закономерность находиться в хорошем соответствии с экспериментальными данными: чем выше скорость вращения колонки, тем большую скорость потока жидкости-носителя необходимо использовать для выделения фракций одного и того же размера. Достаточно интересное влияние на движение частицы оказывают вязкость жидкости-носителя и разница в плотностях между частицей и жидкостью-носителем. С увеличением вязкости возрастает и скорость перемещения увлекаемой потоком частицы вдоль стенки, и время осаждения, что приводит к увеличению пути Ls. Противоположным является влияние разницы плотностей. С увеличением Ар уменьшается и скорость перемещения частицы вдоль стенки, и время осаждения, следовательно, путь Z,s сокращается (глава 3, раздел 3.1.7.). На рис. 35 представлен характер зависимости расстояния s от радиуса частицы.Виды проточного фракционирования в поперечном поле. Седиментационное проточное фракционирование в поперечном силовом поле
Использование вращающихся спиральных колонок для последовательного экстрагирование форм элементов из почв
Внутренний диаметр колонки
Движение частиц в потоке жидкости-носителя
Похожие диссертации на Фракционирование частиц во вращающихся спиральных колонках: теория и применение в вещественном анализе почв
