Отчет по практике: Хроматографические методы анализа проб, содержащих АХОВ
ВОЕННАЯ АКАДЕМИЯ РХБ ЗАЩИТЫ
КАФЕДРА №15
Кафедра индикации, средств химической и неспецифической биологической разведки.
КУРСОВАЯ РАБОТА
240401”Химическая технология органических веществ”
Тема: «Хроматографические методы анализа проб, содержащих АХОВ»
Исполнитель сержант Чернов О.И.
(в/звание, фамилия, инициалы)
Руководитель полковник Сизиков С.Н.
(в/звание, фамилия, инициалы)
Кострома 2009
Рецензия
научного руководителя
________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
Решение комиссии о защите курсовой работы
___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
Оценка, дата
Научный руководитель
Содержание
Введение……………………………………………………………..4
1. Наиболее распространенные выбросы предприятий промышленности, подлежащие контролю………………………...5
2. Хроматографическое разделение и детектирование АХОВ….12
3. Идентификация АХОВ хроматографическими методами……15
4. Количественный анализ ТХ хроматографическими методами……………………………………………………………… .…25
5. Современные хроматографические системы,
применяемые при анализе АХОВ…………………………………28
Заключение…………………………………………………………36
Список использованных источников……………………………..37
Введение
Хроматографический метод анализа разработан русским ботаником М.С.Цветом в 1903 г. В первых же работах с помощью этого метода М.С.Цвет установил, что считавшийся однородным зеленый пигмент растений – хлорофилл – на самом деле состоит из нескольких веществ. При пропускании экстракта зеленого листа через колонку, заполненную порошком мела, и промывании петролейным эфиром он получил несколько окрашенных зон, что, с несомненностью, говорило о наличии в экстракте нескольких веществ. Впоследствии это было подтверждено другими исследователями. Этот метод он назвал хроматографией (от греч. хроматос – цвет), хотя сам же указал на возможность разделения и бесцветных веществ. Работы М.С.Цвета довольно долгое время оставались забытыми и не привлекали внимания, что в известной степени было связано с отрицательной оценкой этих работ, которую дали некоторые авторитеты того времени. Заметное развитие хроматографических методов началось в 30-е годы XX в., когда возникла острая потребность в новом методе разделения смесей и очистке веществ, разлагающихся при нагревании. Хроматография продолжает бурно развиваться и в настоящее время является одним из перспективных методов анализа. О значимости хроматографии говорит тот факт, что за работы, выполненные с применением хроматографических методов, было присуждено 14 Нобелевских премий.
1. Наиболее распространенные выбросы предприятий промышленности, подлежащие контролю
Экосистемы включающие промышленных предприятий входят в состав городских экосистем, поэтому нельзя говорить об экологизации промышленности без экологизации города. И поэтому в дальнейшем рассматривать промышленность мы будем как составляющую города как и сельскохозяйственные экосистемы, — антропогенные. Городские и сельскохозяйственные экосистемы тесно связаны. В городах сельскохозяйственную продукцию перерабатывают на молочных заводах, мясоконсервных комбинатах, кондитерских и прядильных фабриках. Из города в село поступают сельскохозяйственные машины, горючее, удобрения, пестициды, множество предметов, необходимых сельским жителям: одежда, строительные материалы, электроприборы, химикаты и т.д. Наконец, из города жители села получают информацию. В городах печатают газеты, там работают радио- и телерадиокомпании.
Городские экосистемы гетеротрофны, доля солнечной энергии, фиксированная городскими растениями или солнечными батареями, расположенными на крышах домов, незначительна. Основные источники энергии для предприятий города, отопления и освещения квартир горожан (за исключением теплоэлектроцентралей) расположены за его пределами. Это — месторождения нефти, газа, угля, гидро и атомные электростанции. Кроме того, чтобы накормить одного горожанина, требуется не менее 1 га сельскохозяйственных угодий (включающих пашню, сенокосы и пастбища). В России на одного горожанина приходится около 2 га сельхозугодий. Собственное производство продуктов питания (теплицы, пригородные сады) в городе незначительно.
Город потребляет огромное количество воды, лишь незначительную часть которой человек использует для непосредственного употребления. Основную часть воды тратят на производственные процессы и на бытовые нужды. Личное потребление воды в городах составляет от 150 до 500 л в сутки, а с учетом промышленности на одного горожанина приходится до 1000 л в сутки.
Использованная городами вода возвращается в природу в загрязненном состоянии — она насыщена тяжелыми металлами, остатками нефтепродуктов, сложными органическими веществами, подобными фенолу, и т.д. В ней могут содержаться болезнетворные микроорганизмы. Город выбрасывает в атмосферу ядовитые газы, пыль, концентрирует на свалках токсичные отходы, которые с потоками весенней воды попадают в водные экосистемы.
Растения (продуценты) в составе городских экосистем растут в лесопарках, парках, садах, на газонах, но их главное назначение — не производство органического вещества (древесины, сена, съедобных плодов и т.д.), а регулирование газового состава атмосферы. Они выделяют кислород, поглощают диоксид углерода и очищают атмосферу от вредных газов и пыли, попадающих в нее при работе промышленных предприятий и транспорта. Растения также имеют большое эстетическое и декоративное значение.
Животные в городе представлены не только обычными в естественных экосистемах видами (в парках живут птицы: горихвостка, соловей, трясогузка, зяблик, славки; млекопитающие: полевки, белки и представители других групп животных), но и особой группой городских животных — спутников человека. В ее составе — птицы (воробьи, скворцы, ласточки, вороны, галки, голуби), грызуны (крысы и мыши) и насекомые (тараканы, клопы, моль, мухи и др.).
Многие животные, связанные с человеком, питаются отбросами на помойках (галки, вороны, воробьи). Это — санитары города. Разложение органических отходов ускоряют личинки мух и другие животные и микроорганизмы.
Главная особенность экосистем современных городов в том, что в них нарушено экологическое равновесие. Все процессы регулирования потоков вещества и энергии человеку приходится брать на себя. Человек должен регулировать как потребление городом энергии и ресурсов — сырья для промышленности и пищи для людей, так и количество ядовитых отходов, поступающих в атмосферу, воду и почву в результате деятельности промышленности и транспорта. Наконец, он определяет и размеры этих экосистем, которые в развитых странах, а в последние годы и в России, быстро «расползаются» за счет загородного коттеджного строительства.
В городских экосистемах наиболее опасно для природы промышленное загрязнение. В экологии понятие «загрязнение» имеет более широкое значение, чем в быту. Загрязнителями называют не только твердые, жидкие и газообразные вещества, но и электромагнитное излучение, тепло, шум.
Химическое загрязнение атмосферы. Этот фактор относится к числу наиболее опасных для жизни человека. В атмосферу попадают сотни веществ, которые отсутствовали в природе. Наиболее распространенные атмосферные загрязнители — сернистый газ (его выбрасывают городские ТЭЦ, работающие на угле или мазуте, в которых много серы), оксиды азота, оксид углерода (угарный газ), хлор, формальдегид, фенол, сероводород, аммиак и др. В некоторых случаях из двух или нескольких относительно не опасных веществ, выброшенных в атмосферу, под влиянием солнечного света могут образоваться ядовитые соединения. Экологи насчитывают около 2000 загрязнителей атмосферы. Главные источники загрязнения — тепловые электростанции. Менее опасны станции, работающие на газе, более — на угле. Сильно загрязняют атмосферу также котельные и домашние печи, которые топят углем, нефтеперерабатывающие предприятия и автотранспорт.
Химическое загрязнение водоемов. Предприятия сбрасывают в водоемы нефтепродукты, соединения азота, фенол и многие другие отходы промышленности. При добыче нефти водоемы загрязняются засоленными водами, нефть и нефтепродукты также разливаются при транспортировке. В России от нефтяного загрязнения более всего страдают озера Севера Западной Сибири. За последние годы возросла опасность для водных экосистем бытовых стоков городской канализации. В этих стоках повысилась концентрация моющих средств, которые микроорганизмы разлагают с трудом.
Пока количество загрязнителей, выбрасываемых в атмосферу или сбрасываемых в реки, невелико, экосистемы сами в состоянии справиться с ними. Вредные вещества накапливаются в растениях, оседают на дне озер и участков реки с медленным течением, их разлагают микроорганизмы. При умеренном загрязнении вода в реке становится практически чистой через 3—10 км от источника загрязнения. Если загрязнителей слишком много, экосистемы не могут с ними справиться и начинаются необратимые последствия. Вода становится непригодной для питья и опасной для человека. Не годится загрязненная вода и для многих отраслей промышленности.
Химическое загрязнение грунтовых вод. Токи грунтовых вод перемещают промышленные загрязнения на большие расстояния, и не всегда можно установить их источник. Причиной загрязнения может быть вымывание токсичных веществ дождевыми и снеговыми водами с промышленных свалок. Загрязнение подземных вод происходит и при добыче нефти современными методами, когда для повышения отдачи нефтяных пластов в скважины повторно закачивают соленую воду, поднявшуюся на поверхность вместе с нефтью при ее откачке. Засоленные воды попадают в водоносные горизонты, вода в колодцах приобретает горький вкус и оказывается не пригодной для питья. Этот тип загрязнения грунтовых вод в Татарстане и Башкортостане приобрел опасные масштабы.
Химическое загрязнение почв. Вы уже знаете о сельскохозяйственном загрязнении почв удобрениями, пестицидами и в особенности примесями к удобрениям (тяжелыми металлами). За химическое загрязнение почв ответственны также промышленность и транспорт. Если автомобили используют бензин, содержащий свинец, то почвы вдоль дорог загрязняются этим токсичным металлом, выбрасываемым с выхлопными газами. Особенно сильно это загрязнение в местах, где дорога идет на подъем: моторы работают напряженно и сгорает больше топлива.
Почвы загрязняются серой при выпадании кислотных дождей (слабого раствора серной кислоты, образовавшейся при взаимодействии сернистого газа и атмосферной влаги). Из-за этих дождей увеличивается кислотность почвы, что ухудшает рост многих растений, в особенности древесных. Снижают кислотные дожди и урожаи сельскохозяйственных культур. В районах нефтепромысла (в особенности на Тюменском Севере) особенно опасно загрязнение почв нефтепродуктами при их добыче и траспортировке.
Самые распространенные загрязнения — химические. Существует три основных способа уменьшения вреда от них.
Разбавление. Даже очищенные стоки необходимо разбавлять в 10 раз (а неочищенные — в 100—200 раз). На предприятиях сооружают высокие трубы, чтобы выбрасываемые газы и пыль рассеивались равномерно. Разбавление — малоэффективный способ уменьшения вреда от загрязнения, допустимый лишь как временная мера.
Очистка. Это основной способ уменьшения выбросов вредных веществ в окружающую среду в России сегодня. Однако в результате очистки образуется много концентрированных жидких и твердых отходов, которые также приходится хранить.
Замена старых технологий новыми — малоотходными. За счет более глубокой переработки удается снизить количество вредных выбросов в десятки раз. Отходы от одного производства становятся сырьем для другого (например, из сернистого газа, выбрасываемого ТЭЦ, производят серную кислоту).
Чтобы заинтересовать предприятия в уменьшении выбросов в окружающую среду, разрабатывают специальные экономические механизмы. Каждое предприятие получает разрешение на выброс определенного количества отходов и оплачивает нанесенный природе ущерб, а за дополнительное загрязнение плата взимается в десятикратном размере.
За загрязнение среды к их виновникам — предприятиям и их руководителям — в случаях особо опасных загрязнений могут быть применены как экономические, так и уголовные санкции. Для оценки величины платы за загрязнение и штрафов за превышение допущенной нормы выброса загрязняющих веществ в воду и атмосферу или их попадания в почву и продукты питания введена классификация загрязняющих веществ по вредности. Все вещества разделены на 4 класса. К первому классу относят самые опасные вещества, например, соединения ртути, ко второму — хлор, к третьему — оксиды азота и серы, к четвертому — оксид и диоксид углерода. Общее количество выбросов в атмосферу или общий объем сточных вод недостаточно характеризует вред, наносимый предприятием природе, ведь ущерб, наносимый веществами первого класса вредности, в тысячи раз больше, чем от веществ четвертого класса. Соответственно в сотни и тысячи раз различаются и размеры штрафов за превышение допустимой нормы выброса.
Уровень загрязнения среды в России еще очень высок, и экологически неблагоприятная обстановка, опасная для здоровья населения, сложилась почти в 100 городах страны.
Некоторое улучшение экологической ситуации в России достигнуто в основном благодаря улучшению работы очистных сооружений и падению производства. Дальнейшего уменьшения выбросов ядовитых веществ в окружающую среду можно добиться, если внедрить менее опасные малоотходные технологии. Однако, для этого необходимо обновление оборудования на предприятиях, что требует очень больших вложений и потому будет проводиться постепенно.
2. Хроматографическое разделение и детектирование АХОВ
Хроматография – это процесс, основанный на многократном повторении актов сорбции и десорбции вещества при перемещении его в потоке подвижной фазы вдоль неподвижного сорбента.
Сорбцией (от лат. sorb с eo – поглощаю) называют процесс поглощения твердым телом или жидкостью (сорбентом) газообразного или растворенного вещества (сорбата), обратный процесс называют десорбцией. Сорбцию подразделяют на адсорбцию – поглощение вещества (адсорбата) поверхностью адсорбента и абсорбцию – поглощение вещества (абсорбата) объемом абсорбента.
Поглощение вещества сорбентом с образованием химических соединений называют хемосорбцией (химической сорбцией).
Вещество подвижной фазы непрерывно вступает в контакт с новыми участками сорбента и частично сорбируется, а сорбированное вещество контактирует со свежими порциями подвижной фазы и частично десорбируется.
Различные методы хроматографии можно классифицировать по агрегатному состоянию фаз, способу их относительного перемещения, аппаратурному оформлению процесса и т.д. По агрегатному состоянию фаз хроматографические методы обычно классифицируют следующим образом (таблица 1).
Неподвижная фаза | Подвижная фаза | |
газообразная | жидкая | |
Твердая | Газовая адсорбционная хроматография | Жидкостная адсорбционная, ионообменная, ионная, тонкослойная, осадочная хроматография |
Жидкая | Газожидкостная распределительная хроматография, капиллярная | Жидкостная распределительная, высокоэффективная жидкостная, гельхроматография |
Таблица 1 – Классификация хроматографических методов по
агрегатному состоянию фаз
По способу относительного перемещения фаз различают фронтальную проявительную, или элюэнтную, и вытеснительную хроматографию .
Фронтальный метод. Он состоит в том, что через колонку с адсорбентом непрерывно пропускают анализируемую смесь, например, компонентов А и В в растворителе Solv. В растворе, вытекающем из колонки, определяют концентрацию каждого компонента и строят график в координатах концентрация вещества – объем раствора, прошедшего через колонку.
Вследствие сорбции веществ А и В сначала из колонки будет вытекать растворитель Solv, затем растворитель и менее сорбрующийся компонент А, а затем компонент В и, таким образом, через некоторое время состав раствора при прохождении через колонку меняться не будет. Фронтальный метод используеся сравнительно редко. Он применяется, например, для очистки раствора от примесей, если они сорбируются существенно лучше, чем основной компонент, или для выявления из смеси наиболее слабо сорбирующегося вещества.
Проявительный (элюэнтный) метод. При работе по этому методу в колонку вводят анализируемую смесь, содержащую компоненты А и В в виде порции раствора или газа, а колонку непрерывно промывают газом-носителем или растворителем Solv. При этом компоненты анализируемой смеси разделяются на зоны: хорошо сорбирующееся вещество В занимает верхнюю часть колонки, а менее сорбирующийся компонент А будет занимать нижнюю часть.
В газе или растворе, вытекающем из колонки, сначала появляется компонент А, далее – чистый растворитель, а затем – компонент В. Чем больше концентрация компонента, тем выше пик и больше его площадь, что составляет основу количественного хроматографического анализа. Проявительный метод дает возможность разделять сложные смеси, он наиболее часто применяется в практике. Недостатком метода является уменьшение концентрации выходящих растворов за счет разбавления растворителем (газом-носителем).
Вытеснительный метод. В этом методе анализируемую смесь компонентов А и В в растворителе Solv вводят в колонку и промывают раствором вещества D (вытеснителем), которое сорбируется лучше, чем любой из компонентов анализируемой смеси.
Концентрация раствора при хроматографировании не уменьшается в отличие от проявительного метода. Существенным недостатком вытеснительного метода является частое наложение зоны одного вещества на зону другого, поскольку зоны компонентов в этом методе не разделены зоной растворителя.
3.Идентификация АХОВ хроматографическими методами
В хроматографии чаще всего используют методику проявительного (элюэнтного) анализа, при которой газ или раствор, выходящий из колонки, анализируется непрерывно. Типичная выходная кривая (хроматограмма) проявительного анализа приведена на рисунке 1. Рассмотрим ее более подробно.
Если точка А' соответствует вводу анализируемой пробы, А – появлению на выходе какого-то несорбирующегося компонента, а В – появлению анализируемого вещества, то линию А'АВ и ее продолжение BF называют нулевой линией. Кривую BDF называют хроматографическим пиком и характеризуют высотой, шириной и площадью. С удовлетворительной точностью контур пика описывается уравнением Гаусса:
, | (1) |
где V – объем подвижной фазы;
V – объем подвижной фазы, соответствующий стах ;
μ ст – стандартное отклонение, равное полуширине пика при
сmax /c = e0,5 .
Рисунок 1 – Кривая проявительного анализа
(хроматографический пик)
Высотой пика считают либо величину h , либо h ' (см. рисунок 1). Последняя равна расстоянию от нулевой линии до точки пересечения касательных к кривой в точках перегиба. Шириной пика называют расстояние между точками контура на половине его высоты (СЕ = μ 0,5 ) или на какой-то другой отметке по высоте, либо расстояние между точками перегиба (μ п ) или между точками пересечения нулевой линии с касательными к кривой в точках перегиба (B ' F ' = μ к = w ). Соотношения между этими величинами хорошо известны:
μ 0,5 = 2,355μст; μ п = 0,850μ 0,5 = 2μст; μ к = 1,700μ 0,5 = w = 4 μст . | (2) |
Важной хроматографической характеристикой системы является время удерживания или пропорциональный ему удерживаемый объем. На рисунке 2 приведенному удерживаемому объему соответствует отрезок AG , а общий удерживаемый объем характеризуется отрезком A ' G .
Удерживаемый объем Vr пропорционален времени удерживания tr :
Vr = tr w, | (3) |
где w – объемная скорость газа-носителя.
Приведенный удерживаемый объем V ' r, соответствующий отрезку AG , определяется соотношением
V'r = Vr — V0 , | (4) |
где Vo пропорционален отрезку АА', длина которого l .
Величина Vo характеризует удерживаемый объем несорбирующегося газа, или мертвый объем колонки.
Приведенному удерживаемому объему соответствует приведенное время удерживания t ' r :
t'r = tr — t0 , | (5) |
где t пропорциональное величине l характеризует время удерживания несорбирующегося газа.
Полнота разделения двух компонентов количественно может быть выражена критерием разделения К:
, | (6) |
где D l или D Vr – расстояние между максимумами пиков разделяемых элементов;
μ 0,5 – полуширина хроматографического пика первого (1) и второго (2) компонентов на половине высоты, а нижний индекс «об» указывает на объемные единицы измерения.
При К = 1 разделение бывает достаточно полным.
Если допустить, что ширина хроматографического пика обоих компонентов примерно одинакова, т.е. μ 1 ≈ μ 2, уравнение (6) принимает вид:
. | (7) |
При взаимном перекрывании пиков определение ширины зоны каждого пика становится невозможным (рисунок 2).
Рисунок 2 – Определение степени разделения ψ
В таких случаях рассматривают степень разделения:
ψ=(h2 -hmin )/h2 , | (8) |
где h 2 – высота пика вещества, имеющего меньшую концентрацию;
hmin – высота минимума.
Значение тех или иных элюционных характеристик меняется в зависимости от цели анализа. В качественном анализе основное внимание уделяется определению характеристик удерживания и устранению искажений этих величин за счет второго компонента. В количественном анализе важно, чтобы четкость разделения обеспечивала достаточную точность определения площади или высоты хроматографического пика.
Прежде чем рассмотреть теории хроматографического процесса, получившие наибольшее признание, представляется необходимым дать пояснения процессу разделения смесей, поступающих в колонку.
На рисунке 3 схематически показано разделение двух компонентов при их движении через хроматографическую колонку, изображенную в разные моменты времени. Зоны компонентов заштрихованы в разные стороны, растворимость компонента 1 меньше, чем компонента 2. После колонки газовый поток проходит через детектор. Детектор устроен так, что он все время сравнивает некоторое свойство газа, вышедшего из колонки, с тем же свойством чистого газа-носителя и выдает, таким образом, разностный сигнал. Пока из колонки выходит чистый газ-носитель (время меньше чем τс ), сигнал детектора равен нулю (нулевая линия на рисунке 3).
Рисунок 3 – Схема хроматографического разделения смеси двух компонентов
Величина сигнала пропорциональна концентрации данного компонента в газе-носителе. На основании этого по величине сигнала можно судить о количестве компонента в пробе, то есть осуществлять количественный анализ. После выхода из колонки компонента 1 из нее некоторое время выходит чистый газ-носитель, а затем – зона компонента 2 (время τi ). Время, прошедшее с момента ввода пробы в колонку до момента появления на выходе из колонки какого-либо компонента, называется временем удерживания данного компонента. Измеряя времена удерживания, можно сказать, какие вещества присутствуют в пробе, то есть производить качественный анализ. Сигнал детектора называется хроматограммой.
Известно несколько теорий хроматографического процесса. Наибольшее признание получили метод теоретических тарелок и кинетическая теория.
В методе теоретических тарелок Мартина и Синджа хроматографическая колонка мысленно делится на ряд элементарных участков – «тарелок» и предполагается, что на каждой тарелке очень быстро устанавливается равновесие между сорбентом и подвижной фазой. Каждая новая порция газа-носителя вызывает смещение этого равновесия, вследствие чего часть вещества переносится на следующую тарелку, на которой, в свою очередь, устанавливается новое равновесное распределение и происходит перенос вещества на последующую тарелку. В результате этих процессов хроматографируемое вещество распределяется на нескольких тарелках, причем на средних тарелках его концентрация оказывается максимальной по сравнению с соседними тарелками. Распределение вещества вдоль слоя сорбента подчиняется уравнению
, | (9) |
где х – расстояние от начала колонки до точки, в которой концентрация равна с ;
х0 – координата центра полосы;
Н – высота, эквивалентная теоретической тарелке (ВЭТТ);
l – длина слоя сорбента, на которой произведено поглощение и размещено п теоретических тарелок, при этом
п = l/Н . | (10) |
Если числитель дробного показателя степени в уравнениях (1) и (9) выразить в одних и тех же единицах, то при сравнении этих уравнений получим
H = μ cт2 /l . | (11) |
Число теоретических тарелок будет равно
п = (l/ μ cт )2 | (12) |
или, учитывая (2),
п = 5,55(l/ μ 0,5 )2 = 16(1/ω)2 . | (13) |
Эффективность колонки тем выше, чем меньше высота, эквивалентная теоретической тарелке, и больше число теоретических тарелок.
Таким образом, теория тарелок позволяет рассчитать важные количественные характеристики хроматографического процесса. Однако теория тарелок, основанная на допущении ступенчатого характера хроматографического процесса, по существу формальна, так как реальный процесс протекает непрерывно. Значение высоты, эквивалентной теоретической тарелке, и число тарелок являются характеристиками размытости зон. Эти величины сохраняют свое значение и в кинетической теории хроматографии, учитывающей скорость миграции вещества, диффузию и другие факторы.
Кинетическая теория хроматографии основное внимание уделяет кинетике процесса, связывая высоту, эквивалентную теоретической тарелке, с процессами диффузии, медленным установлением равновесия и неравномерностью процесса. Высота, эквивалентная теоретической тарелке, связана со скоростью потока уравнением Ван-Деемтера:
, | (14) |
где А, В и С – константы;
U – скорость подвижной фазы.
Рисунок 4 – Зависимость ВЭТТ от скорости подвижной фазы
Константа А связана с действием вихревой диффузии, которая зависит от размера частиц и плотности заполнения колонки, величина В связана с коэффициентом диффузии молекул в подвижной фазе, это слагаемое учитывает действие продольной диффузии, а С характеризует кинетику процесса сорбция-десорбция, массопередачу и другие эффекты. Влияние каждого слагаемого уравнения (11) на величину Н в зависимости от скорости подвижной фазы показано на рисунке 4. Первое слагаемое дает постоянный вклад в Н. Вклад второго слагаемого существен при небольшой скорости потока. С увеличением скорости подвижной фазы влияние третьего слагаемого возрастает, а доля второго уменьшается. Суммарная кривая, характеризующая зависимость Н от скорости потока, представляет собой гиперболу.
При небольшой скорости потока высота, эквивалентная теоретической тарелке, уменьшается, а затем начинает возрастать. Поскольку эффективность колонки тем выше, чем меньше высота, эквивалентная теоретической тарелке, оптимальная скорость подвижной фазы будет равна скорости, соответствующей точке минимума этой кривой. Таким образом, динамическая теория дает основу для оптимизации хроматографического процесса.
При хроматографировании смесей компонентов, имеющих различные температуры кипения, в том числе смесей ТХ, применяется метод с программированием температуры, т.е. метод постепенного повышения температуры по заданной программе. Программирование температуры способствует лучшему разделению смесей и уменьшению времени анализа.
Таблица 2 – Параметры удерживания ТХ
Определяемое вещество | Время удерживания τR, мин | Температура удерживания Т, о С |
Зарин | 4,37 | 125 |
Зоман | 5,62 | 135 |
Сернистый иприт | 6,50 | 142 |
Хлорацетофенон | 8,13 | 155 |
BZ | 10,93 | 178 |
VX | 11,83 | 185 |
CS | 12,70 | 192 |
CR | 14,17 | 202 |
Триэтилфосфат (стадарт) | 2,83 | 115 |
Во многих странах разработаны методики хроматографического разделения смесей ТХ, установлены и сведены в таблицы соответствующие характеристики. При этом условии хроматографирования предусматривают возможность определения любого из табельных ТХ по единой методике. В качестве примера в таблице 2 приведены характеристики параметров удерживания некоторых ТХ. При этом характеристики времён удерживания приведены для следующих условий: колонка – тефлон, длина – 1,5 м, внутренний диаметр – 4 мм, носитель – парохром-3, обработанный триметилхлорсиланом, неподвижная фаза – нитрилсиликоновый каучук (НСКТ-33), 5 % от веса твёрдого носителя, температура термостата – линейное программирование от 90 до 210 о С со скоростью 8 о С/мин, температура испарителя – 200 о С, скорость газа-носителя (азота) – 40 см3 /мин, детектор – ПИД; объём пробы – 1 мкл, растворитель – четырёххлористый углерод.
Как следует из приведённых данных, для анализа проб ТХ, имеющих tкип до 200 0С, достаточно порядка 7 мин; для анализа более высококипящих ТХ требуется до 15 мин. Время анализа можно сократить изменением условий анализа и повышением градиента температур. Ещё большего снижения времени анализа (в 2 – 3 раза) можно достичь применением высокоэффективной капиллярной газовой хроматографии. Газожидкостные хроматографы вводятся в разрабатываемые и перспективные образцы войсковых химических лабораторий высших войсковых звеньев в армиях ряда стран.
4. Количественный анализ ТХ хроматографическими методами
Количественный хроматографический анализ основан на измерении различных параметров пика, зависящих от концентрации хроматографируемых веществ – высоты, ширины, площади и удерживаемого объема – или произведения удерживаемого объема на высоту пика. Расчет по площади пика позволяет несколько снизить требования к стабильности условий хроматографирования по сравнению с расчетом по высоте пика, однако само измерение площади вызывает появление новых источников ошибок. В случае узких пиков некоторые преимущества имеет измерение произведения удерживаемого объема на высоту пика. При неполном разделении пиков ошибки возрастают из-за наложения и искажения контуров пика. При работе с такими хроматограммами используют специальные приемы, опирающиеся, главным образом, на измерение высоты пиков.
Основными в количественной хроматографии являются методы: простой нормировки, нормировки с калибровочными коэффициентами, внутренней стандартизации и абсолютной калибровки .
При использовании метода простой нормировки принимают сумму каких-либо параметров пиков, например сумму высот всех пиков или сумму их площадей, за 100 %. Тогда отношение высоты отдельного пика к сумме высот или отношение площади одного пика к сумме площадей, умноженное на 100, будет характеризовать массовую долю (%) компонента в смеси. Вполне понятно, что такой метод предполагает существование одинаковой зависимости величины измеряемого параметра от концентрации для всех компонентов смеси.
В методе нормировки с калибровочными (градуировочными) коэффициентами за 100 % принимается сумма параметров пиков с учетом чувствительности детектора. Различие в чувствительности детектора учитывается с помощью поправочных коэффициентов для каждого компонента. Один из преобладающих компонентов смеси считают сравнительным, и поправочный коэффициент для него принимают равным единице. Калибровочные (градуировочные) коэффициенты К рассчитывают по формуле
, | (15) |
где Пст – параметр пика (высота, площадь и т.д.) стандартного веще-ства;
П i – параметр пика определяемого компонента;
с – концентрация.
За 100 % принимается сумма исправленных параметров К i П i, и результат анализа рассчитывается так же, как и в методе простой нормировки.
Наиболее точным является метод абсолютной калибровки. В этом методе экспериментально определяют зависимость высоты или площади пика от концентрации вещества и строят градуировочные графики. Далее определяют те же характеристики пиков в анализируемой смеси и по градуировочному графику находят концентрацию анализируемого вещества. Этот простой и точный метод является основным методом определения микропримесей. Метод внутреннего стандарта основан на введении в анализируемую смесь точно известного количества стандартного вещества. В качестве стандартного выбирают вещество, близкое по физико-химическим свойствам к компонентам смеси, но не обязательно являющееся ее компонентом. После хроматографирования измеряют параметры пиков анализируемого компонента и стандартного вещества. Если стандартное вещество не входит в состав анализируемой смеси, массовую долю компонента (%) рассчитывают по формуле
, | (16) |
где П i и Пст – параметры пиков анализируемого компонента и стандарта соответственно;
r – отношение массы внутреннего стандарта к массе пробы.
Относительные поправочные коэффициенты мало зависят от параметров процесса хроматографирования, а определяются в основном только типом детектора и природой разделяемых веществ и газа-носителя.
Основными преимуществами метода газожидкостной хроматографии являются: простота проведения анализа; идеален для анализа газовых проб; возможность использования широкого спектра хроматографических колонок и детекторов; большое количество методических материалов; возможность автоматизации процесса анализа и пробоподготовки; наличие программного обеспечения для качественного и количественного анализа.
К недостаткам метода следует отнести: ограничение по веществам с высокой температурой кипения; нельзя проводить анализ металлов, неорганических соединений и ионов неорганических соединений; метод не используется для соединений, которые являются термолабильными; не применим для анализа высокомолекулярных соединений.
5. Современные хроматографические системы, применяемые при анализе АХОВ.
Обнаружение и определение разделённых в колонке компонентов осуществляется в детекторах, устанавливаемых сразу после колонки. В детекторах используются различные физико-химические методы анализа, использующие взаимодействие веществ, вышедших из колонки с электромагнитными излучениями (полями), частицами высоких энергий, и, в частности, пламенем.
Рисунок 5 – Схема катарометра
Газохроматографические детекторы обычно классифицируют на основании их отклика или селективности, выделяя универсальные, реагирующие на каждый компонент в подвижной фазе, селективные для определенной группы веществ, и специфические детекторы для одного или ограниченного круга компонентов со сходными химическими характеристиками. Поскольку различие между специфическими и селективными детекторами зачастую не столь отчетливо, они объединяются под общим названием “селективные детекторы”. Согласно другой классификации, выделяют разрушающие и неразрушающие детекторы; вторые позволяют соединять несколько детекторов последовательно.
Наиболее часто в газовой хроматографии используются детектор по теплопроводности или катарометр, пламенно-ионизационный детектор (ПИД), термоионный (ТИД) или фосфорный, детектор электронного захвата (ДЭЗ), пламенно-фотометрический детектор (ПФД), масс-спектрометричес-кий детектор (МСД).
Детектор по теплопроводности малочувствителен, но зато он обнаруживает практически все вещества.
Пламенно-ионизационный детектор – универсальный чувствительный детектор, работа которого основана на следующем принципе. Газ-носитель, поступающий в детектор из колонки, является прекрасным электроизолятором, но проводимость его существенно возрастает благодаря ионам, образующимся при горении органических соединений в водородном пламени. Измерение ионного тока производится с помощью электрода, расположенного на несколько миллиметров выше пламени. Отклик ПИД пропорционален числу атомов углерода в молекуле, причем этот отклик изменяется при переходе от одного класса органических соединений к другому не очень значительно. Простота в обращении, быстрый отклик, великолепная стабильность даже при небольших изменениях скорости газа-носителя, водорода и воздуха, широкий линейный динамический диапазон и универсальность сделали ПИД наиболее широко используемым в настоящее время газохроматографическим детектором.
Рисунок 6 – Схема пламенно-ионизационного детектора
На электроды подаётся напряжение от 90 до 300 В. В пламени происходит ионизация R3 CHnR3 CHn+ +e. Чувствительность по углеводородам достигает 10-12 г/ см-3. ПИД не чувствителен к парам воды, аммиака, окислов углерода.
На основе ПИД сконструирован термоионный детектор (ТИД), отличающийся от ПИД насадкой на горелке из солей щелочного металла (цезия, рубидия, калия). Показано, что в таком пламени ионизируются не только углеводороды, но и соединения, содержащие атомы фосфора и азота. Поэтому ТИД ещё называют «фосфорными» или «азотно-фосфорным» детектором. Чувствительность ТИД по фосфор- и азотсодержащим соединениям составляет 10-12 г/см-3.
В последнее время в газовой хроматографии широко используется пламенно-фотометрический детектор (ПФД), схема которого приведена на рисунке 7.
Рисунок 7 – Схема пламенно-фотометрического детектора
Следует отметить, что аналог ПФД используется в газосигнализаторах для специфичного анализа серо-, фосфорсодержащих соединений.
Пламенно-фотометрический детектор, включающий фосфорный и серный каналы, позволяет получить дополнительную информацию о природе ТХ. При срабатывании S-канала можно предположить в пробе присутствие сернистого иприта, при срабатывании Р-канала – фосфорсодержащих ТХ; при одновременном срабатывании S- и Р-каналов в пробе находится соединение, содержащее атомы серы и фосфора, т.е. вещество типа VX. Весьма перспективным является применение в хроматографах мультидетекторов – устройств, содержащих делители потока и последовательно (параллельно) подсоединённые детекторы разной природы (например, ПИД, ЭЗД, ПФД, ЭПД и АЭД).
Действие детектора электронного захвата (ЭЗД) основано на ядерно-ионизационном методе. ЭЗД часто используется для определения галогенсодержащих соединений, таких как: хлорорганические пестициды, ПХБ, полихлорированные дибензо-п -диоксины и дибензофураны, тригалоидметаны и т.д. Принцип действия этого детектора основан на уменьшении проводимости, вызываемом захватом электронов специфическим анализируемым веществом. В состав детектора входит радиоактивный источник малой интенсивности (обычно фольга с 63 Ni), который испускает электроны высокой энергии. Ионизация молекул газа-носителя (азота или смеси аргона и метана) приводит к образованию ионов и тепловых электронов, которые и формируют электрический ток в ионизационной камере ЭЗД. Когда в нее попадают молекулы галогенсодержащих органических соединений, тепловые электроны захватываются атомами галогена и проводимость уменьшается, что приводит к формированию сигнала детектора. Этот детектор очень хорошо зарекомендовал себя при прямых анализах относительно чистых образцов — питьевых и подземных вод. Однако в случае поверхностных и сточных вод, содержащих множество органических соединений различных классов, при использовании ЭЗД возникают трудности. Правильная пробоподготовка и очистка в данном случае имеют чрезвычайно важное значение.
Последовательное соединение неразрушающего фотоионизационного детектора и детектора по электролитической проводимости (ЭПД) рекомендуется для анализа летучих ароматических и галогенсодержащих соединений. В фотоионизационном детекторе вещества возбуждаются фотонами, излучаемыми УФ-лампой; электрический ток, формируемый образовавшимися при этом заряженными частицами, измеряется с помощью двух электродов. Селективность зависит от используемой лампы. Например, лампа с энергией 10,2 эВ обеспечивает возникновение сигнала при поступлении в детектор ароматических соединений.
При детектировании галогенсодержащих компонентов посредством ЭПД выходящее из колонки вещество восстанавливается водородом в никелевой реакционной трубке при 85 °С с образованием газообразного галогенводорода, который в свою очередь растворяется в н -пропаноле. Изменение проводимости растворителя преобразуется в сигнал детектора. Хотя эта комбинация является вполне дееспособной, сотрудники европейских лабораторий предпочитают при проведении подобных работ использовать селективный масс-спектрометрический детектор.
К сожалению, селективные детекторы могут давать ложную информацию о природе элюируемого вещества, и очень часто положительный отклик ЭЗД ошибочно интерпретируется как признак наличия в образце пестицидов, ПХБ, хлорфенолов и т.д. По этой причине при работе с селективными детекторами рекомендуются двухколоночные схемы анализа, чтобы исключить получение ложного положительного ответа.
Сравнительно новый атомно-эмиссионный детектор сконструирован специально для нужд капиллярной газовой хроматографии. При использовании элемент-специфичного АЭД возможно достижение пределов детектирования на уровне 0,1 пг/с для металлорганических соединений и 0,2 пг/с для углеводородов (чувствительность выше, чем у ПИД), 1 пг/с для серо- и 15 пг/с для азотсодержащих компонентов. Преимущество этого детектора в его чрезвычайно высокой селективности по отношению ко всем элементам.
В отличие от ЭЗД, АЭД позволяет различать галогенорганические соединения, например, фтор-, хлор- и броморганические соединения, или осуществлять многоэлементные анализы, просто задавая предварительно, какие атомы будут детектироваться. В атомно-эмиссионных детекторах выходящие из колонки вещества атомизируются в высокоэнергетическом источнике; образовавшиеся возбужденные атомы излучают свет при возвращении в основное состояние. Излучаемый свет с различными длинами волн диспергируется в спектрометре и измеряется посредством фотодиодной матрицы. Каждый химический элемент имеет свой собственный типичный эмиссионный спектр, в котором эмиссионные линии обычно образуют кластеры с постоянным соотношением интенсивностей внутри кластера.
Введение диодно-матричной технологии сделало возможным многоволновое детектирование, положенное в основу метода. Количественная обработка полученных при многоэлементном анализе данных позволяет вычислять эмпирическую формулу, давая информацию, дополняющую результаты масс-спектральной идентификации.
Наиболее важными для практической работы характеристиками любого детектора являются чувствительность, динамический и линейный диапазон, коэффициенты отклика на соединения различных классов и селективность. Краткая характеристика детекторов, наиболее часто используемых в стационарных лабораториях, представлена в таблице 3.
Таблица 3 – Характеристики газохроматографических детекторов
Обозначение детектора | Тип детектора | Селективность | Минимально детектируе-мое количество | Линейный диапазон |
ПИД | Универсальный | – | 10 пг С/с | 107 |
ЭЗД | Селективный | Вещества, содержащие атомы галогенов | 0,2 пг Cl/c | 104 |
ТИД | Селективный | Азот- и фосфорсодержащие соединения | 1 нг N/c; 5 нг Р/с | 104 |
ЭПД | Селективный | Соединения, содержащие атомы галогенов, серы и азота | 1пг Сl/с; 5пг S/c | 106 – 104 |
АЭД | Универсальный | Любые вещества | 0,2 – 50 пг/с в зависимости от элемента | 104 |
Анализ данных таблицы 4.3 позволяет сделать вывод о том, что в настоящее время предел обнаружения ТХ у наиболее распространенных детекторов в органических растворителях составляет от 10-3 до 10-4 мг/см3 при вводимом объёме проб от 1 до 5 мкл. Следовательно, предел обнаружения ТХ составляет от 10-6 до 10-8 мг.
Заключение
В настоящее время в России складировано большое количество боевых отравляющих веществ различных типов. Как показали события последнего времени, экологически безопасное уничтожение запасов химического оружия является чрезвычайно сложной в социально — экономическом и техническом отношениях задачей. Хранение и утилизация такого количества отравляющих веществ потенциально представляют серьезную угрозу.
Практическая реализация работ по количественному определению отравляющих веществ на каждом из предприятий по УХО осуществляется с использованием технических средств контроля (лаборатории, приборы, пробоотборники, реактивы и др. оборудование) и соответствующего методического обеспечения, регламентирующего организацию и порядок осуществления контроля.
В настоящее время на объектах уничтожения химического оружия для экологического мониторинга используются в основном подвижные лаборатории экологического мониторинга и посты экологического контроля. Хроматографические методы анализа проб, содержащих АХОВ реализовано в этих лабораториях для проведения количественного анализа.
Список использованных источников
1. «Индикация, технические средства химической, неспецифической биологической разведки и химического контроля» под ред. С.Н. Сизикова Изд. ВА РХБЗ, 2009 г.
2. Мандыч В.Г., Егоров И.В., Федорец Н.В. Экологическое обеспечение уничтожения химического оружия (вчера, сегодня, завтра): Учебное пособие – Саратов: СВИРХБЗ, 2006г.
3. Другов Ю.С. Газохроматографический анализ загрязненного воздуха. Практическое руководство. 4-е изд. перер. и доп. М. Бином, Лаборатория знаний, 2006 г.