Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Свойства этилового спирта, методы получения, источники примесей, методы анализа, методы концентрирования примесей 13
1.1 Свойства этилового спирта и некоторых его примесей 13
1.2. Методы получения этилового спирта 13
1.2.1. Получение этилового спирта брожением 15
1.2.2. Получение этилового спирта гидратацией этилена 18
1.3. Методы анализа этилового спирта 21
1.3.1. Титриметрические методы 21
1.3.2. Фотометрические методы 21
1.3.3. Метод тонкослойной хроматографии 22
1.3.4. Метод масс-спектрометрии 23
1.3.5. Метод газожидкостной хроматографии 23
1.3.6. Метод хромато-масс-спектрометрии 24
1.3.7. Радиоуглеродный анализ 29
1.4. Методы концентрирования примесей в этиловом спирте 30
ГЛАВА 2. Описание экспериментальной базы газохроматографического анализа этилового спирта 32
2.1. Аппаратура и техника для ГХ анализа. 32
2.2. Аппаратура и техника для концентрирования примесей 38
ГЛАВА 3. Исследование влияния различных факторов на возможности метода бинарных фаз переменной емкости в газохроматографическом анализе этанола 40
3.1. Изучение изотерм распределения этилового спирта. 42
3.2. Влияние температуры колонки и объема пробы этилового спирта на времена удерживания примесных компонентов, селективность и полярность колонки . 45
3.2.1. Влияние температуры колонки и объема пробы этилового спирта, вводимого в колонку, на времена удерживания примесных компонентов 45
3.2.2. Влияние объема пробы этилового спирта, вводимого в колонку, на селективность БФПЕ, образованной этиловым спиртом с неподвижной жидкой фазой FFAP. 49
3.2.3. Влияние объема пробы этилового спирта, вводимого в колонку, на полярность БФПЕ, образованной этиловым спиртом с неподвижной жидкой фазой FFAP. 51
3.3. Влияние температуры колонки и объема пробы этилового спирта, введенного в колонку, на эффективность колонки по примесным компонентам . 54
3.3.1. Влияние температуры колонки на эффективность колонки по примесным компонентам. 54
3.3.2. Влияние объема пробы этилового спирта, введенного в колонку, на эффективность колонки по примесным компонентам. 57
3.4. Влияние температуры хроматографической колонки и объема пробы этилового спирта на критерий разделения. 61
3.4.1. Влияние температуры хроматографической колонки на критерий разделения. 61
3.4.2. Влияние объема пробы этилового спирта на критерий 4 разделения. 64
3.5. Влияние температуры колонки и объема пробы этилового спирта на размывание тыла хроматографической зоны этилового спирта . 66
3.5.1. Размывание тыла хроматографической полосы основного компонента на насадочной и капиллярной колонках. 66
3.5.2. Влияние температуры колонки и объема пробы этилового спирта, вводимого в колонку, на размывание тыла его хроматографической зоны 69
ГЛАВА 4. Разработка методики газохроматографического анализа этилового спирта 74
4.1. Качественный анализ этилового спирта 75
4.1.1. Концентрирование примесей в этиловом спирте методом рэлеевской дистилляции 75
4.1.2. Газохроматографическая и хромато-масс-спектрометрическая идентификация примесей в этиловом спирте. 82
4.1.3. Примесный состав этилового спирта из различного сырья. 89
4.2. Количественный анализ образцов ректифицированного этилового спирта. 92
4.2.1. Приготовление образцов сравнения. 93
4.2.2. Пределы обнаружения примесей. 94
4.2.3. Результаты анализа образцов этилового спирта 98
4.2.4. Установление правильности определения примесей. 101
4.3. Метрологическое обеспечение газохроматографического анализа 105
4.3.1. Погрешность и неопределенность результата измерения 105
4.3.2. Источники возможной систематической и грубой погрешностей 106
4.3.3. Оценка неопределенности результата измерения 110
Выводы 120
Литература 121
- Методы получения этилового спирта
- Влияние температуры колонки и объема пробы этилового спирта на времена удерживания примесных компонентов, селективность и полярность колонки
- Влияние температуры колонки и объема пробы этилового спирта, введенного в колонку, на эффективность колонки по примесным компонентам
- Влияние температуры колонки и объема пробы этилового спирта на размывание тыла хроматографической зоны этилового спирта
Введение к работе
Актуальность работы
Этиловый спирт — одно из важнейших исходных веществ в современной промышленности органического синтеза, легкой и пищевой промышленности.
По объему производства этиловый спирт занимает одно из первых мест среди органических продуктов. До начала 30-х годов XX века его получали исключительно сбраживанием пищевого углеводсодержащего сырья, главным образом зерна (рожь, ячмень, кукуруза, овес, просо), картофеля, мелассы. В 30 -50-е годы было разработано несколько способов синтеза этанола из химического сырья (гидратация этилена, гидрирование ацетальдегида и др.). Основной современный способ - одностадийная (прямая) гидратация этилена, осуществляемая на фосфорнокислотном катализаторе. Так, в США в 1976 было выработано около 800 тыс. тонн этанола, в том числе 550 тыс. тонн прямой гидратацией (остальное - сбраживанием пищевого сырья) [1,2].
Этанол в больших количествах потребляется в качестве сырья для производства диэтилового эфира, уксусной кислоты, этилацетата, этилакрилатов; при каталитической дегидрогенизации и дегидратации из этанола получают бутадиен, используемый для производства синтетического каучука. Этиловый спирт широко применяется в качестве растворителя в лакокрасочной промышленности, в производстве духов, одеколонов, и другой косметической продукции, а в медицине - как антисептическое средство, а так же для изготовления настоек из лекарственных растений для внутреннего и наружного применения [1]. В ряде стран этанол добавляется к автомобильному топливу для повышения октанового числа, сокращения расхода бензина и снижения содержания вредных веществ в выхлопных газах.
Важнейшим потребителем этилового спирта является пищевая, промышленность, где этиловый спирт идет на изготовление ликероводочной продукции. При производстве алкогольной пищевой продукции может применяться только этиловый спирт, полученный брожением пищевого сырья -различных зерновых культур, картофеля, винограда, сахарного тростника, и.т.д. Качество этилового спирта, использованного для изготовления алкогольной
7 продукции, во многом определяет качество конечного продукта. В Российской Федерации этиловый спирт из пищевого сырья выпускается следующих марок: 1 сорт, высшей очистки, «Базис», «Экстра», «Люкс», «Альфа» [3]. Для изготовления ликероводочной продукции используется этиловый спирт высшей очистки и более высокого качества [4]. ГОСТ определяет норму содержания в спирте следующих примесей: метанол, сумма альдегидов, сумма сложных эфиров, сумма сивушных масел [4 - 10].
Очистку технического этилового спирта проводят различными способами. Пищевой спирт-сырец, обычно освобождают от примесей (эфиро-альдегидная фракция, сивушное масло) ректификацией [2, 11]. Синтетический этанол очищают от этилового эфира, ацетальдегида и других примесей ректификацией в присутствии щелочи и гидрированием в паровой фазе на никелевых катализаторах. Спирт-ректификат представляет собой азеотропную смесь этанола с водой (95,57% об. спирта). Очищенный спирт содержит токсичные микропримеси в концентрации, не превышающей 10" % [3]. Для многих целей требуется обезвоженный, так называемый абсолютный, этиловый спирт. Последний в промышленности готовят, удаляя воду в виде тройной азеотропной смеси вода -спирт - бензол, а в лабораторных условиях - химическим связыванием воды различными реагентами.
Для анализа качества этилового спирта используется метод газо-жидкостной хроматографии с пламенно-ионизационным детектором, имеющим пределы обнаружения на уровне 0,1мг/л [12, 13], что не позволяет обнаруживать большую часть примесей. Не обнаруживается ряд вредных для человека примесей, некоторые из которых являются канцерогенными и могут накапливаться в организме, вызывая онкологические заболевания. Следует отметить, что примеси в спирте не равнозначны по своей токсичности. Наиболее вредными для здоровья человека примесью в спирте следует считать не метанол, потому что этиловый спирт, являясь его антагонистом, значительно снижает токсичность метанола, а примеси альдегидов и кетонов - ацетона, метилэтилкетона, кротонового альдегида. Эти примеси чаще всего встречаются в синтетическом этиловом спирте, полученном гидратацией этилена. По этой причине синтетический этиловый спирт, получаемый гидратацией этилена, внесен в списки сильнодействующих и ядовитых
8 веществ Постоянного комитета по контролю наркотиков и не разрешен к применению в пищевой и медицинской промышленности [14, 15].
В соответствии с Федеральным законом Российской Федерации №18-ФЗ «О государственном регулировании производства и оборота этилового спирта и алкогольной продукции» этиловый спирт для технических нужд подлежит обязательной денатурации [14]. Так как технический этиловый спирт намного дешевле пищевого, при изготовлении фальсифицированной ликероводочной продукции может использоваться денатурированный этиловый спирт, доочищенный ректификацией. При этом содержание денатурирующей добавки может быть понижено до 10"5 - 10"б%, что не позволяет обнаружить ее традиционно применяемыми методами. В связи с этим, необходимо снижение пределов обнаружения микропримесей в этиловом спирте до 10~6% и ниже. Это позволит определять наиболее токсичные примеси, а так же исключит использование в пищевой продукции денатурированного этилового спирта, прошедшего дополнительную очистку от денатурирующих добавок. Кроме того, понижение пределов обнаружения микропримесей позволит выделить их характерный набор, присущий этиловому спирту различного происхождения, а, следовательно дифференцировать ректифицированный этиловый спирт по сырью, использованному для его изготовления: зерно, картофель, патока (меласса); целлюлоза; этилен.
Цель исследования
Целью настоящей работы являлось исследование условий формирования бинарной фазы переменной емкости этиловым спиртом и полярной неподвижной жидкой фазой FFAP (сложный эфир полиэтиленгликоля и 2-нитротерефталевой кислоты) и разработка на её основе методики газохроматографического анализа этилового спирта, обеспечивающей снижение пределов обнаружения примесей по сравнению с известными.
Для достижения указанной цели было необходимо решить следующие задачи:
1. Исследовать влияние различных факторов на возможности метода бинарных фаз переменной ёмкости в анализе этилового спирта.
Разработать методику концентрирования менее летучих примесей в этиловом спирте методом рэлеевской дистилляции.
Определить примесный состав этилового спирта, полученного из различного вида сырья.
Понизить пределы газохроматографического обнаружения примесей в этиловом спирте до 10~2 - Ю-3 мг/дм3.
Провести газохроматографический анализ образцов этилового спирта различного происхождения и подтвердить правильность результатов анализа.
Провести анализ источников неопределенности результатов измерения концентрации примесей в этиловом спирте и дать её оценку.
Научная новизна
Для высокочувствительного газохроматографического анализа этилового спирта был впервые применен метод бинарных фаз переменной емкости. Установлены условия, при которых этиловый спирт формирует с неподвижной жидкой фазой FFAP бинарную фазу переменной емкости. Изучено влияние объема пробы этилового спирта на селективность и полярность бинарной фазы переменной емкости на основе неподвижной жидкой фазы FFAP, эффективность колонки по примесным компонентам и их разделение. Для улучшения относительных пределов обнаружения примесей, выходящих после этилового спирта, предложено увеличить объем вводимой в хроматографическую колонку пробы этилового спирта до 1 мкл. Впервые достигнуты пределы обнаружения по примесным компонентам, выходящим после этилового спирта, 10"2 - 10"3 мг/дм3, что в 10-100 раз меньше известных из литературы.
Изучено размывание тыла хроматографической полосы этилового спирта в условиях перегрузки хроматографической колонки.
Впервые на основе рэлеевской дистилляции разработана методика концентрирования менее летучих примесей в этиловом спирте. Установлены условия проведения рэлеевской дистилляции, обеспечивающие близость коэффициента распределения к равновесному.
10 Впервые в этиловом спирте обнаружены примеси 1Ч,М-диметилформамида и >Щ-диметилацетамида.
Практическая ценность работы.
Разработана высокочувствительная методика определения примесей в этиловом спирте, позволившая понизить пределы обнаружения по примесным компонентам, выходящим после этилового спирта, в 10 - 100 раз.
Разработана простая и эффективная методика концентрирования примесей в этиловом спирте рэлеевской дистилляцией.
Показано, как изменением состава бинарной фазы переменной емкости возможно решать самые различные задачи газохроматографического определения примесей.
Проведен анализ источников неопределенности результатов измерения концентрации примесей по данной методике и дана её оценка.
Разработанная методика газохроматографического анализа этилового спирта может быть использована для установления фальсификации алкогольной продукции заменой пищевого этилового спирта непищевым.
Установленные закономерности влияния состава бинарной фазы переменной емкости на параметры хроматографического удерживания и разделения могут быть использованы для улучшения газохроматографического анализа других веществ, в том числе особой чистоты.
Достоверность экспериментальных данных обеспечивалась применением современного оборудования, подтверждением правильности газохроматографического определения в рамках разработанной методики, сравнением с результатами, полученными независимым методом, анализом стандартных образцов.
Совокупность результатов исследований представляет собой решение важной научно-практической задачи - разработки высокочувствительной методики газохроматографического анализа этилового спирта и установление примесного состава этилового спирта различного происхождения.
Положения, выносимые на защиту:
Методика концентрирования менее летучих примесей в этиловом спирте методом рэлевской дистилляции.
Условия, при которых этиловый спирт образует с неподвижной жидкой фазой FFAP бинарную фазу переменной емкости.
Влияние температуры и объема пробы этилового спирта, вводимого в колонку, на селективность и полярность бинарной фазы переменной емкости на основе неподвижной жидкой фазы FFAP.
Влияние температуры и объема пробы этилового спирта, вводимого в колонку, на эффективность колонки по примесным компонентам и их разделение с основным.
Влияние объема пробы этилового спирта, вводимого в колонку, на размывание тыла хроматографической полосы этилового спирта.
Методика определения менее летучих примесных компонентов в этиловом спирте, обеспечивающая снижение пределов обнаружения до 10" - 10" мг/дм .
Результаты качественного и количественного анализа образцов этилового спирта.
Неопределенность результатов измерения концентрации примесей в этиловом спирте по разработанной методике.
Апробация работы
Основные результаты докладывались и обсуждались на Международном симпозиуме "Разделение и концентрирование в аналитической химии" (г. Краснодар 2002 г.), Всероссийской конференции "Актуальные проблемы аналитической химии" (г. Москва 2002 г.), Всероссийской конференции "Аналитика России" (г. Москва 2004 г.), Всероссийском симпозиуме "Хроматография в химическом анализе и физико-химических исследованиях" (г. Москва 2007 г.), Всероссийском симпозиуме "Хроматография и хромато-масс-спектрометрия" (г. Москва 2008 г.).
Публикации.
По теме диссертации опубликованы 4 статьи и 5 тезисов докладов на Всероссийских и международных конференциях.
12 Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов и списка цитируемой литературы. Работа изложена на 130 страницах машинописного текста, включая 39 рисунков, 16 таблиц и библиографию из 107 наименований.
Методы получения этилового спирта
В промышленности этиловый спирт получают сбраживанием крахмалсодержащего сырья - пшеницы, картофеля, патоки (мелассы) или целлюлозосодержащего сырья - древесины, а так же гидратацией этилена. Крахмалсодержащее сырье подвергают осахариванию действием ферментов, затем в полученное сусло вносится культура дрожжей и начинается процесс брожения [18]. В настоящее время осахариванию подвергают также другой полисахарид - целлюлозу (клетчатку), образующую главную массу древесины. Для этого целлюлозу подвергают гидролизу в присутствии кислот (древесные опилки при 150 - 170С обрабатывают 0,1-5% серной кислотой под давлением 0,7 - 1,5 МПа). Полученный таким образом продукт также содержит глюкозу и сбраживается на спирт при помощи дрожжей. Из 5500 т сухих опилок (отходы лесопильного завода средней производительности за год) можно получить 790 т спирта (считая на 100%-ный) [2, 19]. і Рассмотрим основные группы соединений [20 - 23], участвующих в процессе брожения с точки зрения формирования примесного состава этилового спирта - сырца. Углеводы. К группе углеводов относится значительное количество веществ, входящих в состав зерна. Из моносахаридов в зерне встречаются в основном пентозы и гексозы. Гексозы представлены глюкозой и фруктозой. Содержание глюкозы и фруктозы в зерне незначительно (0,01-0,02%), но при прорастании зерна, а так же в недозревшем зерне оно сильно повышается. Водные растворы глюкозы легко сбраживаются, фруктоза большинством штаммов дрожжей сбраживается значительно медленнее. Из пентоз наибольшее значение для зерна имеет арабиноза. В свободном состоянии она в зерне не встречается, но наряду с ксилозой входит в состав полисахаридов (пентозанов). Пентозаны легко гидролизуются в кислой среде с образованием соответствующих пентоз. Арабиноза и ксилоза не сбраживаются дрожжами. В кислой среде при нагревании происходит реакция их дегидратации с образованием фурфурола. Фурфурол обладает сильным запахом, сильно ухудшает органолептические показатели спирта, и поэтому его наличие недопустимо. Из дисахаридов наибольшее значение имеют сахароза и мальтоза. Сахароза не сбраживается, но, благодаря ферменту инвертазе, дрожжи расщепляют сахарозу на глюкозу и фруктозу, после чего происходит сбраживание.
Полисахариды. Крахмал содержится в больших количествах в эндосперме зерна, составляя до 85% его веса. Под действием специальных ферментов, в первую очередь содержащейся в зерне амилазы, крахмал расщепляется до мальтозы. При этом промежуточными продуктами являются декстрины - вещества, имеющие меньший молекулярный вес, чем крахмал, растворимые в воде. Мальтоза, как и глюкоза, легко сбраживается дрожжами. Второй по своему значению полисахарид зерна - клетчатка. Она входит в состав клеточных стенок - от 2,5 до 3%. Клетчатка не подвергается ферментному расщеплению. Так же к углеводам зерна относятся гемицеллюлозы - полисахариды, нерастворимые в воде, но растворяющиеся в щелочах, могут подвергаться гидролизу с образованием различных моносахаридов, и слизи - растворимые в воде полисахариды. Белки. По своему отношению к растворителям белки злаков делятся на альбумины, растворимые в воде; глобулины, не растворимые в воде, но растворимые в солевых растворах; проламины, растворимые в водно-спиртовых смесях; глютилины, не растворимые в воде и спирте, растворимые в слабых кислотах и щелочах. Дрожжи для своего размножения и роста нуждаются в азотном питании.
Важнейшим питательным продуктом являются выделяющиеся при ферментативном расщеплении белка аминокислоты, которые частично дезаминируются дрожжами, выделяя аммиак, используемый для синтеза белков новых дрожжевых клеток. Углеродная часть молекулы аминокислоты образует спирт, отвечающий по своему строению исходной аминокислоте, но содержащей на один атом углерода меньше. При этом лейцин образует изоамиловый спирт, валин - изобутиловый спирт, фенилаланин - фенилэтиловый спирт, тирозин -тирозол, и.т.д. Эти и другие (н-пропанол, изопропанол, н-бутанол, н-амиловый) спирты составляют так называемые сивушные масла, являющиеся побочными продуктами брожения. Прочие вещества. В состав зерна входят жировые вещества - сложные эфиры глицерина и высших жирных кислот - насыщенных (пальмитиновой, стеариновой) и ненасыщенных (олеиновой, линолевой и линоленовой). По химической природе близки к жирам липоиды, которые содержат еще фосфорную кислоту и азотистое основание, и стеролы, представляющие собой сложные эфиры жирных кислот и высокомолекулярных циклических спиртов. В процессе брожения жировые вещества частично гидролизуются с образованием высших жирных кислот и глицерина. В зерне, хотя и в незначительных количествах, содержатся органические кислоты - яблочная, щавелевая, аконитовая, а так же кислые соли фосфорной кислоты.
Среди прочих веществ, входящих в состав зерна, следует отметить пектиновые вещества. Это группа растительных веществ, сложных по своему химическому составу, в которую входят пектин, протопектин и пектиновые кислоты. При действии фермента пектазы, разбавленных щелочей или кислот пектин легко гидролизуется с образованием метилового спирта. В течении многих десятков лет спиртовое брожение, осуществляемое дрожжами, было предметом глубоких исследований, в результате которых основные моменты этого процесса в настоящее время выяснены. При спиртовом брожении кроме основной реакции С6Ні20б=2С2Н5ОН+2С02 протекает ряд побочных, которые приводят ко всему многообразию сопутствующих этиловому спирту вторичных компонентов. Еще Пастер показал, что при спиртовом брожении образуется около 3,2% глицерина и 0,6% янтарной кислоты. Позднее было установлено, что при анаэробном брожении из сахара всегда образуется уксусная кислота (0,3-0,7%) и ряд других веществ. В настоящее время установлен механизм образования основных вторичных продуктов брожения: глицерина, ацетальдегида, пировиноградной, уксусной, янтарной, лимонной, молочной кислот, ацетоина (З-окси-бутанон-2), 2,3-бутиленгликоля, диацетила (2,3-бутандион). Глицерин образуется по реакции: С6Н1206 - СЫ2ОН-СНОН-СН2ОН + СН3-С(0)-СООН (1.1) Пировиноградная кислота декарбоксилируется с образованием ацетальдегида и углекислого газа. Такой тип брожения называется глицеропировиноградным брожением. Образующийся ацетальдегид в ходе ферментативных реакций восстанавливается в этиловый спирт. Кроме того, ацетальдегид вступает в реакцию диспропорционирования с образованием уксусной кислоты и этилового спирта (реакция Канниццаро). 2 СН3-С(0)Н + Н20 = СНзСООН + С2Н5ОН (1.3) При дегидрировании и конденсации уксусной кислоты может образовываться янтарная кислота. 2 СНзСООН + СН3С(0)Н = НООССН2СН2СООН + С2Н5ОН (1.4) Механизм образования лимонной кислоты до конца не ясен. Было предложено уравнение, довольно точно отражающее баланс продуктов реакции: 9 СН3С(0)Н + 4 Н20 = НООС-СН2-С(ОН)(СООН)-СН2-СООН + 5 С2Н5ОН (1.5) Ацетоин образуется при конденсации ацетальдегида при участии фермента карболигазы:
Влияние температуры колонки и объема пробы этилового спирта на времена удерживания примесных компонентов, селективность и полярность колонки
Для изучения влияния БФПЕ на удерживание примесных компонентов было проведено сравнение времен удерживания примесей в присутствии этилового спирта и без него при различных температурах. Времена удерживания примесей в присутствии этилового спирта определяли, вводя в колонку 1 мкл модельной смеси, содержащей примесные компоненты в концентрации 0,01%. Время удерживания индивидуального компонента определяли, вводя его в виде паровой фазы из иглы шприца (количество вещества 0,2 - 0,5мкг). На рисунках 7 и 8 представлены зависимости времени удерживания н-пропанола и н-бутанола от температуры в растворе этилового спирта по сравнению с индивидуальными веществами [71]. Рис. 8. Зависимость времени удерживания н-бутанола - индивидуального вещества (1) и в присутствии этилового спирта (2) от температуры колонки. Как видно из рисунков 7 и 8, при температуре колонки 90С и выше время удерживания компонента, растворенного в этиловом спирте, совпадает с его же временем удерживания в индивидуальном состоянии.
При понижении температуры колонки от 90С до 55С время удерживания компонента в присутствии этилового спирта увеличивается в большей степени, чем для индивидуальных веществ. При 55С разница достигает 110% для н-пропанола и 70% для н-бутанола. Для объяснения полученных результатов было использовано предложенное Н.Т. Карабановым уравнение с использованием понятия «коэффициент неаддитивности» [72]: t_ ( _,) , нЛСІ (3-7) Здесь: Atr - изменение времени удерживания компонента под влиянием БФПЕ, Я - коэффициент неаддитивности бинарной системы, х; - молярная доля основного компонента, t r,i, t nf- молярное удерживание микрокомпонента основным компонентом и фазой соответственно. Смысл коэффициента неаддитивности заключается в том, что под влиянием бинарной фазы время удерживания примесного компонента может как увеличиваться, так и уменьшаться, то есть бинарная фаза может как усиливать, так и ослаблять действие неподвижной жидкой фазы. Это влияние определяется природой неподвижной жидкой фазы, основного компонента и примесного компонента. Как следует из уравнения (3.7) при положительном коэффициенте неаддитивности наблюдается увеличение времени удерживания примесного компонента в присутствии основы по сравнению с индивидуальным веществом. Поскольку в нашем случае под влиянием БФПЕ происходит увеличение времени удерживания примесных компонентов, следовательно, БФПЕ, образованная этиловым спиртом и неподвижной жидкой фазой FFAP, характеризуется положительным коэффициентом неаддитивности. С понижением температуры разница во времени удерживания между индивидуальным и растворенным компонентом увеличивается. Это происходит потому, что при понижении температуры линейная область изотермы распределения этилового спирта переходит в вогнутую при меньших концентрациях, а, следовательно, увеличивается мольная доля этилового спирта в БФПЕ. С увеличением мольной доли этилового спирта в БФПЕ усиливается ее действие на примесные компоненты.
Для изучения зависимости времени удерживания примесных компонентов в этиловом спирте от объема пробы этилового спирта, вводимой в колонку, определяли времена удерживания примесей, анализируя модельные смеси, содержащие характерные примесные компоненты этилового спирта в концентрации 0,001%. Величину пробы этилового спирта, вводимого в колонку, варьировали от 0,02 мкл до 1,0 мкл. Дозирование пробы производили с фиксированным делением пробы в испарителе (1:50), изменяя объем пробы этилового спирта от 1 мкл до 50 мкл. Зависимость времени удерживания от величины пробы этилового спирта представлена на рисунке 9 на примере вторичного бутанола для компонентов, выходящих после этилового спирта. этилового спирта (температура колонки 70С). Как видно из рисунка 9, увеличение вводимой пробы с 0,02 мкл до 0,2 мкл практически не сказывается на времени выхода вторичного бутанола. Дальнейшее увеличение объема пробы приводит к резкому росту времени выхода вторичного бутанола. Полученную зависимость времени удерживания примесных компонентов от объема пробы этилового спирта можно объяснить следующим образом. Увеличение объема вводимой пробы пропорционально увеличивает молярную долю основного компонента JCI в БФПЕ.
Продифференцировав уравнение (3.7) по х\, получим: Из уравнения (3.8) следует, что при постоянном коэффициенте неаддитивности зависимость времени удерживания примесного компонента от объема вводимой пробы имеет линейный характер. При положительном коэффициенте неаддитивности с увеличением объема вводимой пробы время удерживания примесного компонента линейно увеличивается. Таким образом, изменение времени удерживания примесных компонентов под влиянием БФПЕ происходит в соответствии с уравнениями (3.7) и (3.8). Отклонение от линейности времени выхода вторичного бутанола объясняется тем, что коэффициент неаддитивности, вероятно, зависит от мольной доли основного компонента. Под селективностью неподвижной жидкой фазы к разделяемым компонентам понимают отношение их коэффициентов распределения [60, 73]. a = b.J}± (3-9) к\ К,\ Здесь: Kh К2 - коэффициенты распределения первого и второго компонента соответственно, tri, tr2 - приведенные времена удерживания первого и второго компонента соответственно. Смысл понятия селективности заключается в том, что чем больше различаются коэффициенты распределения компонентов, тем легче достигается их хроматографическое разделение. Отношение коэффициентов распределения определяется природой неподвижной жидкой фазы и разделяемых веществ. Для конкретной пары веществ в области малых концентраций, когда реализуется линейная изотерма распределения, селективность зависит только от температуры. В связи с этим представляет интерес, изменяется ли при постоянной температуре селективность колонки по примесным компонентам при различной величине пробы этилового спирта.
Влияние температуры колонки и объема пробы этилового спирта, введенного в колонку, на эффективность колонки по примесным компонентам
Для определения эффективности по примесным компонентам проводили анализ модельных смесей с содержанием примесей в концентрации 0,001%. Анализ проводили в изотермическом режиме в интервале температур 40С - 80С с шагом 5С. Температурную зависимость эффективности определяли при величине объема пробы этилового спирта, вводимого в колонку, 0,02мкл и 1мкл. Из полученных хроматограмм определяли время удерживания компонента и измеряли ширину хроматографического пика на половине его высоты. Эффективность колонки по определяемым компонентам рассчитывали по формуле: N— эффективность колонки, выраженная через число теоретических тарелок, tr - время удерживания компонента, мин, И\і2 - ширина хроматографической зоны на половине высоты пика, мин [60, 73]. Зависимость эффективности по компонентам, выходящим после основного, от температуры при объеме пробы 0,02 мкл и 1 мкл приведена на рисунках 13 и 14. Рис. 14. Зависимость эффективности по компонентам, выходящим после этилового спирта, от температуры колонки. 1 - бутанол-2, 2 - бутанол-1, 3 - изоамиловьііі спирт, (объем пробы этилового спирта 1 мкл). Из рисунков 13 и 14 видно, что при объеме пробы этилового спирта 0,02 мкл эффективность по примесным компонентам, выходящим после основного, растет с увеличением температуры колонки. При объеме вводимой пробы 1 мкл, эффективность колонки по компонентам, выходящим после этилового спирта, уменьшается с увеличением температуры. Такой характер зависимости эффективности колонки от температуры следует из уравнения Голея, если рассматривать входящие в него величины В и С как функции температуры. коэффициенты В и С отражают влияние молекулярной диффузии и сопротивления массопереносу [60], Т - температура в К. Так как функции В(Т) + С(\/Т) нелинейные, то определить величины В и С в графической форме, как это можно сделать для уравнения Голея, нельзя. Поэтому из уравнения (3.14) можно делать только качественные выводы. При повышении температуры коэффициент В увеличивается по причине увеличения диффузии в газовой фазе, в то время как коэффициент С уменьшается вследствие уменьшения коэффициента диффузии в жидкой фазе.
Поэтому следует ожидать максимума на температурной зависимости эффективности колонки при температуре Топт. Оптимальная температура колонки определяется свойствами колонки и различна для каждого вещества. На практике встречается [60], когда температурная зависимость эффективности не имеет максимума, а увеличивается с ростом температуры. Это возможно в случае, когда Топт больше максимальной рабочей температуры колонки. Объему пробы 0,02 мкл отвечает линейная область изотермы распределения этилового спирта, поэтому действие БФПЕ выражено слабо, и эффективность по компонентам, выходящим после основного, растет с увеличением температуры. Зависимость эффективности от температуры в изученном интервале температур близка к линейной. Увеличение пробы до 1 мкл выводит изотерму распределения этилового спирта в вогнутую область, усиливается действие БФПЕ, в результате чего меняется характер зависимости эффективности от температуры. Как видно из рисунка 14, при объеме пробы этилового спирта 1 мкл, в интервале температур 60С - 70С эффективность колонки по компонентам, выходящим после основного, меняется на 12 - 20%. При повышении температуры колонки от 70С до 85С эффективность по вторичному бутанолу, хроматографическая зона которого находится ближе всех к основному компоненту, уменьшается на 30%, что объясняется увеличением длины линейной области изотермы распределения, и, соответственно, ослаблением действия БФПЕ.
Для компонентов, хроматографические зоны которых более удалены от этилового спирта (н-бутанол, изоамиловый спирт), уменьшение эффективности с ростом температуры проявляется в меньшей степени. Влияние объема вводимой пробы на эффективность колонки по различным компонентам изучали, анализируя модельные смеси, содержащие все определяемые в этиловом спирте компоненты. Количество пробы, введенной в испаритель хроматографа варьировали от 1 мкл до 50 мкл с делением потока 1 : 50, что соответствовало от 0,02 мкл до 1 мкл пробы, введенной в колонку. Температура колонки составляла 70С. Зависимость эффективности колонки по компонентам, выходящим после основного, от объема пробы этилового спирта, вводимого в колонку, представлена на рисунке 15 для вторичного бутанола, нормального бутанола и изоамилового спирта.
Влияние температуры колонки и объема пробы этилового спирта на размывание тыла хроматографической зоны этилового спирта
Газохроматографическое определение примесей имеет особенность, которая заключается в том, что зона основного компонента элюируется из колонки широким пиком с размытым тылом, который может перекрывать (маскировать) зоны примесей [78]. Часто на хроматограмме наблюдается не пик примеси, а точка перегиба -результат наложения двух сигналов: зоны основного компонента, концентрация в которой падает, и зоны примеси, концентрация в 0,001% н-пропанола. (колонка насадочная, Зм х 0,25мм, ПЭГ-20М на Инертоне NAW DMCS, температура колонки 60С, проба 1 мкл). Таким образом, точность определения примесей на тыле зоны основного компонента понижена, и пределы обнаружения по этим примесям зависят не только от эффективности колонки и чувствительности детектора, но и от качества разделения примеси от основного компонента [79]. Нами проведено сравнение размывания тыла пика этилового спирта в насадочной и капиллярной колонках. Для этого строилась зависимость отношения сигнала детектора в замыкающей ветви пика этилового спирта к сигналу в максимуме пика от времени. Для удобства построение проводилось в логарифмических координатах. Как было показано В.И. Калмановским [78], на ограниченном участке тыла основного компонента его убывание описывается экспоненциальным законом. Рис. 23. Тыл пика этилового спирта на насадочной (2м х 0,25см, 10% ПЭГ-20М на Инертоне NAW DMCS 0,40 - 0,63 мм) (1) и капиллярной (50м х 0,32мм х 0,5мкм, FFAP) (2) колонках при 60С и линейной скорости газа-носителя азота 22см/сек, объеме пробы этилового спирта 1 мкл. Из рисунка 23 видно, что скорость падения сигнала от этилового спирта на капиллярной колонке значительно больше, и уже через 2 мин после выхода максимума пика хроматограмма практически выходит на базовую линию, тогда как на насадочной колонке влияние основного компонента заметно даже через 15 мин после выхода максимума пика.
Размывание хроматографической полосы основного компонента может быть вызвано действием различных факторов. Продольное диффузионное расширение хроматографической полосы вызывает молекулярная и, в случае насадочных колонок, вихревая диффузия. Здесь важно отметить, что, хотя начальная ширина зон примесей и основного вещества одинаковы, концентрация в максимуме зоны основного компонента в 10-10 раз превышает соответствующую величину для примесей. Это приводит к резкому увеличению продольного градиента концентраций. Следовательно, зона основного компонента, в соответствии с первым законом Фика, должна размываться в значительно большей мере, чем зона примесей. Увеличением продольной диффузии можно объяснить увеличение ширины хроматографического пика, но нельзя объяснить его асимметричность. Асимметричность хроматографической зоны часто объясняют нелинейностью изотермы распределения (термодинамический фактор) [80]. Действительно, несимметричный пик с размытым тылом получается в случае реализации выпуклой изотермы распределения, особенно при хроматографировании полярных основных компонентов на неполярных неподвижных фазах. Однако, несимметричное размывание хроматографической полосы в области малых концентраций возможно даже в случае вогнутой изотермы распределения. Это может быть обусловлено медленной кинетикой перехода вещества из неподвижной фазы в подвижную. Среди факторов, влияющих на размывание тыла хроматографического пика в кварцевых капиллярных колонках, необходимо отметить и такое явление, как остаточная активность поверхности кварцевого стекла, вызванная наличием на ней силанольных (кислоты Бренстеда) и силоксановых (основного характера) групп.
Наличие таких активных центров, участвующих в обратимом взаимодействии с компонентами пробы, отражается на форме хроматографических полос разделяемых веществ, особенно микропримесей. В некоторых случаях может происходить и полностью необратимая адсорбция примесей. К сожалению, несмотря на жесткие условия, какие создаются в процессе вытяжки и последующей дезактивации капилляров, полностью сделать поверхность стекла инертной не удается. Подробнее влияние остаточной активности капиллярных колонок рассмотрено в работе [81]. Важно отметить и процессы, связанные с так называемым «улавливанием компонентов». 1. Механическое улавливание (вещество задерживается в областях с застойными зонами, плохо продуваемых газом-носителем). 2. Холодное улавливание (вещество конденсируется в плохо нагреваемых областях). 3. Химическое улавливание (вещество задерживается в областях, проявляющих химическое сродство к нему). Наиболее частой причиной появления застойных зон в насадочных колонках являются микропоры, которые заполняются жидкой фазой. Основной компонент
