单元一 气相色谱分离原理.ppt

工业分析技术 PPT 开封大学化学工程学院 情景五有机化工产品分析项目一工业冰乙酸的分析任务二工业冰乙酸中甲酸含量的分析 气相色谱法 单元一气相色谱分离原理 茨维特实验 气相色谱法基础知识 1906年 茨维特利用不同色素在活性碳酸钙与石油醚的共同作用之下在玻璃柱中呈现出不同的运行速度 能使其达到彼此分离 茨维特在他的原始论文中 把上述分离方法叫做色谱法 chromatography 在柱中出现的有颜色的色带叫做色谱图 chromatogram 填充CaCO3的玻璃柱管叫做色谱柱 column 具有大表面积的CaCO3固体颗粒称为固定相 stationaryphase 推动被分离的组分 色素 流过固定相的惰性流体 上述实验用的是石油醚 称为流动相 mobilephase 色谱法定义 色谱分析法实质上是一种物理化学分离方法 即利用不同物质在两相 固定相和流动相 中具有不同的分配系数 或吸附系数 当两相作相对运动时 这些物质在两相中反复多次分配 即组分在两相之间进行反复多次的吸附 脱附或溶解 挥发过程 从而使各物质得到完全分离 色谱法分离过程示意图 3种组分同时进入色谱柱 3种组分开始在色谱柱中分离 3种组分在色谱柱中基本达到分离 3种组分在色谱柱中完全达到分离 学生提问 讨论与总结1 问题1 不同组分在色谱柱中为什么呈现不同的运行速度 因为固定相对不同组分有不同的吸附力 吸附力强的组分难以被流动相冲洗出色谱柱 故运行速度慢 运行时间长 反之 吸附力弱的组分则容易被流动相冲洗出色谱柱 故运行速度快 运行时间短 同样的道理 若固定相呈液体状态 则不同组分呈现不同运行速度则是因为固定液对不同组分有不同的溶解能力 溶解性强的组分难以挥发至流动相中 故其在色谱柱中运行速度慢 运行时间长 反之 溶解性弱的组分则容易挥发至流动相中 故其在色谱柱中运行速度快 运行时间短 学生提问 讨论与总结2 问题2 吸附与脱附是怎么回事 吸附作用是指各种气体 蒸气以及溶液里的溶质被吸着在固体或液体物质表面上的作用 具有吸附性的物质叫做吸附剂 被吸附的物质叫吸附质 吸附作用可分为物理吸附和化学吸附 脱附作用正好与吸附作用相反 是指吸着在固体或液体物质表面上的物质在一定的作用下离开原表面的过程 问题3 什么是溶解过程与挥发过程 溶解过程是指气态或液态组分进入固定液的过程 而挥发过程则是指组分离开固定液回到气态或液态流动相的过程 学生提问 讨论与总结3 问题4 所谓分配系数 分配比 它在色谱分离过程中有什么作用 分配系数 K 平衡状态时 组分在固定相与流动相中的浓度比 如在给定柱温下组分在流动相与固定相间的分配达到平衡时 对于气 固色谱 组分的分配系数为 对于气 液色谱 分配系数为 式中CL与CG分别是组分在固定液与载气中的浓度 学生提问 讨论与总结4 容量因子 k 又称分配比 容量比 指组分在固定相和流动相中分配量 质量 体积 物质的量 之比 两组分分配系数不同 则在色谱柱中有不同的保留值 因而就以不同的速度先后流出色谱柱 从而达到分离 组分分子结构不同 组分性质不同 则相应的分配系数也不同 这是色谱分离的基础 色谱法发展历史1 茨维特发现他的色谱法之后的20多年里 几乎无人问津这一技术 到了1931年 德籍奥地利化学家库恩 R Kuhn 利用茨维特的方法在纤维状氧化铝和碳酸钙的吸附柱上将过去一个世纪以来公认为单一的结晶状胡萝卜素分离成a和b两个同分异构体 并由所取得的纯胡萝卜素确定出了其分子式 随后他还发现了八种新类胡萝卜素 并把它们制成纯品 进行了结构分析 同年 库恩又把注意力集中在维生素的研究上 确定了维生素A的结构 此外 他还用色谱法从蛋黄中分离出了叶黄素 还曾把腌鱼腐败细菌中所含的红色类胡萝卜素确定离析出来并制成结晶 1933年库恩从35000升脱脂牛奶中分离出1g核黄素 即维生素B2 制得结晶 并测定了它的结构 色谱法发展历史2 1938年 Kuhn因在维生素和胡萝卜素的离析与结构分析中取得了重大研究成果被授予诺贝尔化学奖 从此色谱法开始为人们所重视 迅速为各国科学家们所注目 广泛被采用起来 此后 相继出现了各种色谱方法 如下表所示 现在的色谱分析已经失去颜色的含义 只是沿用色谱这个名词 色谱法发展历史3 色谱法基础知识 色谱的特点 高分离效能 色谱的优点 1 分离效率高2 应用范围广3 分析速度快4 样品用量少5 灵敏度高6 分离与测定一次完成 可与多种分析仪器联用7 易于自动化 色谱的缺点 鉴别功能较差 色谱法的分类1 按固定相和流动相所处的状态分类 色谱法的分类2 按固定相性质和操作方式分类 色谱法的分类3 按色谱分离过程的物理化学原理分类 目前 应用最广泛的是气相色谱法 gaschromatography GC 和高效液相色谱法 highperformanceliquidchromatography HPLC 色谱法基础知识 色谱法的分类 色谱 气相色谱GC 液相色谱LC 超临界流体色谱SFC 气固吸附色谱GSC 气液分配色谱GLC 液固吸附色谱LSC 液液分配色谱LLC 离子交换色谱IEC 空间排阻色谱GPC GFC 反相分配色谱 正相分配色谱 柱色谱 平面色谱 电色谱 薄层色谱TLC 纸色谱TLC 亲合色谱 平面层电色谱 毛细管柱电色谱 毛细管电泳 毛细管区带电泳 毛细管凝胶电泳 毛细管胶束电动色谱 毛细管等电聚焦 毛细管等速电泳 在气相色谱分析中 要实现混合物中各组分的分离 主要决定于色谱柱中的固定相 气相色谱中所使用的固定相包括固体固定相 液体固定相和合成固定相三类 但使用最多的是液体固定相 在气液色谱中使用的固定相是涂在固体支持物 载体 上的一层液膜 称为固定液 它直接对各组分起分离作用 载体不直接起分离作用 但对柱效会产生影响 因此 对固定液和载体都有一定的要求 对它们的特性及选择也要进行研究 气相色谱固定相 首先 要求有较大的溶解度和高的选择性 这样 各组分随载气通过色谱柱时在固定液中有较大的 各不相同的溶解度 就有可能达到良好的分离 其次 要求蒸气压低 在实际的操作柱温下不易挥发 蒸气压一般在1 3332 13 332Pa 以免固定液容易流失 第三 固定液的化学稳定性要好 在一般情况下不与载体 组分和载气起不可逆化学反应 此外 固定液的使用温度范围要宽 黏度要小 凝固点要低 热稳定性要好 在较低温度下不凝固 在较高温度下不发生分解 聚合和交联 对固定液的要求 色谱柱固定相固定液的涂渍 装柱及老化 抽气 N2 例 2m 3mm玻璃柱1 5 OV 17 2 QF 1 ChromosorbWAW DMCS 80 100目 工业分析技术 PPT 固定液的特性气液色谱分析中使用的固定液种类很多 用什么来标度它的分离特性呢 目前大都采用相对极性和固定液的特征常数进行标度 各种固定液的相对极性在O 100之间 以20为一级 分为五级 用 表示 非极性用 一 表示 各种固定液相对极性大小列于表5 3 工业分析技术 PPT 表5 3固定液的相对极性 固定液的分类 固定液按极性大小可分为五类 第一类非极性固定液 这一类固定液多为饱和烷烃 如正癸烷 正十八烷 异卅烷 角鲨烷 阿皮松 常用L M N型 等 其中异卅烷最常用 称为标准非极性固定液 其极性定为零 这类固定液与组分分子的作用力是色散力 主要用于分离一般烃类和非极性化合物 第二类弱极性固定液 主要为含甲基的硅氧烷类 分为硅油和硅橡胶 硅油类如硅油I OV一101 PMS一100等 硅橡胶类如SE一30 SE一54等 高真空硅脂 丁二酸丁二醇聚酯属硅脂类 第三类中等极性固定液 这类固定液种类很多 应用也广 如含各种极性基团的聚硅氧烷类有QF l SP 2401等 含苯基的聚硅氧烷有OV 17 DC 704 OV 25等 属中等极性固定液的还有各种一元酸酯 如邻苯二甲酸二壬酯 DNP 己二酸二辛酯 另外 磷酸三苯酯 司班一80 吐温一60以及聚间苯二酚等都属中等极性固定液 这类固定液的最高使用温度为200 300 中等极性 可用于分离沸点相近的烷烃 烯烃 芳烃和环烷烃以及醇类和酮类 也可用于各种卤化物的分离 第四类极性固定液 极性固定液的种类也很多 分子中都含有很强的极性基团 与样品分子的作用力属静电力和诱导力 这类固定液主要有含氧化合物如D一山梨醇 含腈基化合物如苯乙腈 氧二丙腈 各种二醇类及聚烷基氧化物等 第五类特殊类型固定液 如有机皂土一34 它是一种极性很强的固定液 最高使用温度为180 200 对芳香族异构体的分离非常有效 如邻 间 对二甲苯的分离 固定液的选择 相似相溶原理是指结构或极性相似的物质之间具有较大的溶解度 色谱分析中要实现组分的分离 就要使固定液对各组分具有不同的保留能力 而固定液对组分的保留能力就取决于组分在两相中的溶解和解吸能力的大小 因此 可按以下原则进行选择 1 非极性样品应选择非极性固定液 此时P 0 级数为 1或 1 不论非极性组分多少 均按沸点高低顺序流出 沸点低的先流出 沸点高的后流出 例如 正辛烷 正壬烷 正癸烷 正十二烷 正十三烷等组分在SE一30柱上分离时 正辛烷先流出 正壬烷流出以后各组分依次流出 而对烃和极性物质的混合物 同沸点的极性物质先流出 2 中等极性样品应选中等极性固定液 组分基本按沸点顺序流出 沸点低的先流出 沸点高的后流出 而对沸点相同的非极性与极性组分 非极性组分先流出 3 强极性样品应选强极性固定液 组分按极性大小顺序流出 但样品中如有非极性组分 则非极性组分先流出 易形成氢键的样品 应选用氢键型固定液进行分离 载体 理想的载体应具有表面惰性好 没有吸附活性 没有催化作用 热稳定性好 孔结构合适 比表面适当 机械强度高等性质 气液色谱中使用的载体 可分为硅藻土型和非硅藻土型两大类 硅藻土型载体是目前使用最普遍的一类载体 由于制造工艺的不同 又分为红色硅藻土载体和白色硅藻土