CC BY
288УДК 661.183.12
Смирнова Е.Е.
студентка кафедры мембранной технологии Российский Химико-Технологический Университет им. Д. И. Менделеева
(Россия, г. Москва)
Кисель А.В.
студент кафедры мембранной технологии Российский Химико-Технологический Университет им. Д. И. Менделеева
(Россия, г. Москва)
ИОНООБМЕННАЯ ХРОМАТОГРАФИЯ.
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ И ПОНЯТИЯ
Аннотация: в данной статье рассматриваются общие определения и сведения методов хроматографии, а также дается описание и история развития ионообменной хроматографии, приводятся основные понятия и классификации ионитов и т.д.
Ключевые слова: хроматография, ионный обмен, ионит, аналитическая химия, разделение
1 Хроматография.
1.1 Сущность метода. Хроматография - это физико-химический метод разделения веществ, основанный на распределении компонентов между двумя фазами - подвижной и неподвижной. Неподвижной фазой обычно служит твердое вещество (сорбент) или пленка жидкости, нанесенная на твердое вещество. Подвижная фаза представляет собой жидкость или газ, протекающий через неподвижную фазу.
Компоненты анализируемой смеси вместе с подвижной фазой перемещаются вдоль стационарной фазы, которую обычно помещают в колонку (стеклянную или металлическую трубку). Молекулы разных компонентов разделяемой смеси обладают различной адсорбируемостью или растворимостью, а время их пребывания в неподвижной фазе, а следовательно, и средняя скорость передвижения по колонке
различны. Одни компоненты остаются в верхнем слое сорбента, другие, с меньшей адсорбируемостью, оказываются в нижней части колонки, некоторые покидают колонку вместе с подвижной фазой. Так достигается разделение компонентов.
Хроматография - динамический метод, связанный с многократным повторением сорбционных и десорбционных процессов, так как разделение происходит в потоке подвижной фазы. Это обеспечивает эффективность хроматографического метода по сравнению с методами сорбции в статических условиях.
1.2 Классификация хроматографических методов. В основу классификации многочисленных хроматографических методов положены следующие признаки: А) агрегатное состояние фаз; Б) механизм взаимодействия сорбент - сорбат; В) способы проведения хроматографического анализа; Г) аппаратурное оформление (техника выполнения) процесса хроматографирования; Д) цель хроматографирования;
По агрегатному состоянию фаз хроматографию разделяют на газовую и жидкостную. Газовая хроматография включает газожидкостную и газотвердофазную, жидкостная - жидкостно-жидкостную и жидкостно твердофазную. Первое слово в названии метода характеризует агрегатное состояние подвижной фазы, второе -неподвижной.
По механизму взаимодействия сорбента и сорбата можно выделить несколько видов хроматографии: адсорбционная основана на различии в адсорбируемости веществ твердым сорбентом; распределительная основана на различной растворимости разделяемых веществ в неподвижной фазе (газожидкостная хроматография) или на различной растворимости веществ в подвижной и неподвижной фазах (жидкостная хроматография); ионообменная хроматография - на разной способности веществ к ионному обмену; эксклюзионная хроматография - на различии в размерах и формах молекул разделяемых веществ; аффинная хроматография - на специфических взаимодействиях, характерных для некоторых биологических и биохимических процессов (например, антитело и антиген, гормон и рецептор и др.).
По технике выполнения выделяют колоночную хроматографию, когда разделение проводится в специальных колонках, и плоскостную хроматографию, когда разделение проводится на специальной бумаге (бумажная хроматография) или в тонком слое
сорбента (тонкослойная хроматография). В колоночной хроматографии используют насадочные или капиллярные колонки. Насадочную колонку заполняют сорбентом (насадкой), а внутреннюю стенку капиллярной колонки покрывают пленкой жидкости или пылью адсорбента.
В зависимости от цели проведения хроматографического процесса различают аналитическую хроматографию (качественный и количественный анализ); препаративную хроматографию (для получения веществ в чистом виде, для концентрирования и выделения микропримесей); промышленную (производственную) хроматографию для автоматического управления процессом (при этом целевой продукт из колонки поступает в датчик).
Классификация по способам проведения анализа подразделяет хроматографию на три вида: А) фронтальный; Б) проявительный; В) вытеснительный.
Фронтальный метод наиболее прост по выполнению. Через хроматографическую колонку с сорбентом непрерывным потоком пропускают раствор или газовую смесь исследуемых веществ, сорбируемость которых увеличивается в ряду А < В < С. Соответственно этому компоненты располагаются в колонке. Однако они разделяются не полностью. В чистом виде может быть выделен лишь первый, наиболее слабо сорбирующийся компонент, который движется вдоль слоя сорбента впереди остальных. За зоной первого компонента следует в непосредственном контакте зона, содержащая первый и второй компоненты. Третья зона содержит смесь первого, второго и третьего компонентов. В некоторый момент времени сорбент насыщается, и наступает «проскок», т.е. из колонки начинают выходить компоненты в соответствии с их сорбируемостью. Если пропускать жидкость или газ, выходящие из колонки, через детектор концентраций и наносить показания его в течение всего опыта на график, то полученная выходная кривая будет иметь форму ступенчатой кривой. Фронтальный метод не нашел широкого применения в анализе, т.к. не дает полного разделения компонентов анализируемой смеси. Однако этот метод весьма эффективен для препаративного выделения чистого вещества из технического образца при условии, что это вещество удерживается в колонке слабее всех других компонентов объекта анализа.
Проявительный (элюентный) метод выгодно отличается от фронтального тем, что он позволяет полностью разделить многокомпонентную смесь. Хроматографическую колонку промывают растворителем или газом-носителем (элюентом), обладающим меньшей сорбируемостью, чем любое из разделяемых веществ. Затем в колонку вводят исследуемую смесь в виде порции раствора или газа, и продолжают пропускать элюент. При этом разделяемые вещества перемещаются вдоль колонки с разными скоростями в соответствии с их сорбируемостью. На выходе из колонки детектор фиксирует непрерывно концентрацию компонентов, а связанный с ним регистрирующий прибор записывает выходную кривую в виде ряда пиков, число которых соответствует числу разделенных компонентов.
Проявительный метод анализа получил широкое применение как в жидкостной, так и в газовой хроматографии. Это объясняется тем, что компоненты смеси выходят из колонки в чистом виде, и их можно выделить для исследования другими методами анализа.
Вытеснительный метод отличается от фронтального и проявительного тем, что после введения пробы исследуемой смеси колонку промывают растворителем или газом-носителем, к которым добавляют раствор вещества (вытеснитель), обладающего большей сорбируемостью, чем любое из разделяемых веществ. По мере продвижения по колонке элюент вытесняет вещество С, которое в свою очередь вытесняет вещество В и т.д. В результате вытесняемая смесь перемещается впереди фронта вытеснителя и скорость движения вещества равна скорости движения вытеснителя. Разделяемые вещества и на колонке, и в элюате располагаются последовательно друг за другом. Каждый из компонентов выделяется в чистом виде, но не количественно, так как зоны компонентов не разделены промежутками чистого сорбента. Невозможность получения на выходе из колонки достаточно чистых компонентов разделяемой смеси, а также длительность процесса разделения затрудняют использование этого метода в аналитических целях. Однако для препаративных целей метод не потерял значения, так как возможность применения таких высокоактивных и доступных адсорбентов, как активированные угли, позволяет достигнуть высокой производительности.
Достоинством метода является также то, что зоны не размываются в отличие от проявительного анализа. [1]
2 Ионообменная хроматография
2.1 История открытия. Первооткрывателем хроматографии был русский ученый Михаил Семенович Цвет. Исследуя пигменты растений, Цвет пропустил раствор смеси очень мало различающихся по цвету пигментов через трубку, заполненную адсорбентом - порошкообразным карбонатом кальция, и промыл затем адсорбент чистым растворителем. Отдельные компоненты смеси при этом разделились и образовали цветные полосы. Согласно современной терминологии Цвет открыл проявительный вариант хроматографии (проявительную жидкостно-адсорбционную хроматографию). Заметный вклад в развитие хроматографического метода внес Г. Шваб (Германия), явившийся основателем ионообменной хроматографии (1937 - 1940). Дальнейшее развитие она получила в работах советских ученых Е.Н. Гапона и Т.Б. Гапона, которые провели хроматографическое разделение смеси ионов в растворе (совместно с Ф.М. Шемякиным, 1947), а также осуществили высказанную еще Цветом идею о возможности хроматографического разделения смеси веществ на основе различия в растворимости труднорастворимых осадков (осадочная хроматография, 1948). Современный этап в развитии ионообменной хроматографии начался в 1975 г. после работы Г. Смолла, Т. Стивенса и У. Баумана (США), в которой они предложили новый аналитический метод, названный ионной хроматографией (вариант высокоэффективной ионообменной хроматографии с кондуктометрическим детектированием). [2]
2.2 Общие сведения. Ионообменная хроматография - это задержание молекул веществ в неподвижной фазе обусловленное их связыванием с поверхностью твердого гидрофильного материала сплошных или пористых гранул, находящихся в контакте с жидким элюентом. В этом варианте хроматографии задержание происходит в результате электростатического взаимодействия разноименно заряженных ионов. В отличие от абсорбции, ионный обмен описывается стехиометрическим химическим уравнением, что важно и для ионной хроматографии.
При ионообменной хроматографии неподвижную фазу образуют разбросанные по поверхности гранул и связанные с ней ионогенные группы. Кулоновским взаимодействием молекул вещества с этими группами обуславливается их задержание в неподвижной фазе. В составе ионогенных групп сорбента исходно подразумевается также те или иные контрионы. В контакте с водным растворителем контрионы могут диссоциировать от ионогенных групп, оставляя заряженные, связанные с матрицей ионы, а также могут замещаться другими контрионами. В исходном сухом материале сорбента(ионообменника) контрионы всегда имеются в таком количестве, чтобы нейтрализовать заряды всех ионов. Подвижная фаза (элюент) всегда в основе своей водная. Главные ее физические параметры - рН, концентрация и природа растворенных солей. Фракционируемые вещества всегда должны нести на себе некий электрический заряд или по крайней мере обладать способностью к ионизации. Они могут представлять собой более или менее крупные ионы, цвиттерионы, амфолиты. Протекание хроматографического процесса определяется в первую очередь значениями коэффициентов равновесного распределения (К) между неподвижной и подвижной фазами для каждого из компонентов хроматографической смеси веществ. Распределение вещества между фазами зависит от силы электростатического взаимодействия ионов или заряженных групп в молекуле вещества с заряженными группами ионообменника. Это взаимодействие определяется природой самого вещества и свойствами жидкой среды, в которой оно происходит, в частности рН. [2]
В основе ионообменной хроматографии лежит обратимый стехиометрический обмен ионов, содержащихся в хроматографируемом растворе, на ионы веществ, называемых ионитами или ионобменниками. Иониты могут быть органические и неорганические, природные и синтетические. По знаку обменивающихся ионов различают катиониты (для обмена катионов) и аниониты (для обмена анионов).
К природным ионитам относятся алюмосиликаты, некоторые сорта каменных углей, мягкие и твердые угли даже без предварительной обработки.
В аналитической практике широко используют синтетические иониты. Линейные цепи полимеров разветвлены и связаны друг с другом «мостиками»; в состав ионитов входят различные функциональные (ионогенные) группы, которые и определяют
наиболее характерные свойства ионитов. Иониты нерастворимы в воде, кислотах, щелочах и во многих органических растворителях, но способны набухать в воде за счет гидрофильных ионогенных групп.
Органические катиониты содержат кислотные функциональные группы: - SO3-, -PO3-, - COO-, - OH -. Органические аниониты содержат группы основного характера: - =NH+, = К+, - N(CH3)3+.
Катиониты представляют собой полиэлектролиты, диссоциирующие с образованием высокомолекулярного аниона (например, RSO3-) и подвижного катиона (например, Н+-иона). Аниониты диссоциируют на высокомолекулярный катион (например, RNH+) и подвижный анион (например, ОН-), ^ - высокомолекулярный углеводородный радикал ионообменной смолы) [3].
2.3 Обменная емкость ионитов. Обменная емкость (ОЕ) - количественная мера способности ионита поглощать противоионы. Численно обменную емкость выражают количеством поглощенных ммоль эквивалентов ионов на 1г сухой смолы в Н+-форме для катионита и СГ-форме для анионита. Обменная емкость, полученная в статических условиях, когда навеску ионита помещают в раствор насыщающего иона определенной концентрации и выдерживают до полного насыщения ионита, называется статической (СОЕ). Величина ее отличается от величины обменной емкости, полученной в динамических условиях при пропускании насыщающего раствора через колонку с ионитом [5].
V
Рис.1. Выходная хроматографическая кривая [1]
Динамическая обменная емкость характеризуется двумя показателями: динамической обменной емкостью до проскока (ДОЕ) и полной динамической
емкостью (ПДОЕ). ДОЕ представляет собой емкость ионита, определяемую по появлению данного иона в вытекающем из колонки растворе. ПДОЕ определяется по полному прекращению извлечения данного иона из раствора. Это различие можно пояснить графически на рисунке 1.
ДОЕ определяется площадью прямоугольника, основанием которого является объем раствора, вытекающего из колонки до наступления проскока иона, а высотой - исходная концентрация обменивающегося иона. ПДОЕ выражается площадью над выходной хроматографической кривой. ДОЕ всегда меньше, чем полная динамическая обменная емкость. [6-8].
2.4. Классификация ионитов. От вида функциональных групп, входящих в состав ионита, зависит, насколько сильно выражены кислотные или основные его свойства. В зависимости от этого различают четыре группы ионитов.
1. Сильнокислотные катиониты имеют в качестве функциональных групп сульфогруппу -БО3- и фосфорную группу -РО3-. Они используются в кислых, нейтральных и щелочных средах.
2. Слабокислотные катиониты имеют в качестве функциональных групп карбоксильные группы - СОО-, - ОН-. . Важным свойством подобных катионитов является их высокое сродство к иону водорода. Даже небольшого количества разбавленной соляной кислоты достаточно для полной регенерации катионита. Слабокислотные катиониты работают в щелочных и нейтральных средах.
3. Сильноосновные (высокоосновные) аниониты имеют в качестве функциональных групп четвертичные аммониевые группы. Они могут применяться для хроматографирования в кислых, щелочных и нейтральных средах..
4. Слабоосновные (низкоосновные) аниониты в качестве функциональных групп имеют аминогруппы разной степени замещения: - МН2+, = МН+, = N [3].
2.5Практическое применение ионообменной хроматографии. Методы ионообменной хроматографии используют преимущественно для разделения ионов. Простейшая методика разделения заключается в поглощении смеси компонентов и последовательном элюировании каждого компонента подходящим растворителем. Иониты используют также в водоподготовке (умягчение воды, опреснение морской
воды); в гидрометаллургии и гальванотехнике (селективное извлечение ценных металлов из производственных растворов и сточных вод; в пищевой и гидролизной промышленности (очистка сахаросодержащих растворов, осветление плодово-ягодных соков и т.д.); в медицине и фармацевтической промышленности (очистка лекарственных препаратов, антибиотиков). Рассмотренные области применения ионообменных смол не исчерпывают всего многообразия, однако они показывают широкие возможности, которые открывают использование ионитов в аналитической химии и технологии [8].
Заключение. Ионообменная хроматография основана на обратимом стехиометрическом обмене ионов, находящихся в растворе, на ионы, входящие в состав ионообменника.
Синтетические ионообменники обладают рядом важных достоинств: они имеют высокую обменную емкость и воспроизводимые ионообменные и другие свойства, устойчивы к действию кислот и оснований, не разрушаются в присутствии многих окислителей и восстановителей.
В зависимости от знака разряда функциональных групп ионообменные смолы являются катионитами или анионитами.
Методы ионообменной хроматографии используют преимущественно для разделения ионов. Количественные определения компонентов после разделения могут быть выполнены любым подходящим методом.
Простейшая методика ионообменного разделения состоит в поглощении компонентов смеси ионитом и последовательном элюировании каждого компонента подходящим растворителем.
Методами ионообменной хроматографии определяют главным образом катионы щелочных и щелочноземельных металлов, а также органические катионы замещенных солей аммония в питьевой и технической воде, в продуктах технологической переработки в пищевой, фармацевтической и других отраслях промышленности.
Список литературы
1. Т.М.Гиндуллина, Н.М.Дубова ХРОМАТОГРАФИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ АНАЛИЗА Учебно-методическое пособие Рекомендовано к печати Редакционно-издательским советом Томского политехнического университета Издательство Томского политехнического университета 2010
2. http: //www. ibmc. msk.ru/content/Education/w-o_pass/MMoB/7a.pdf
3. https://bigenc.ru/chemistry/text/2018196 Авторы: В. Ф. Селеменев
4. Риман В., Уолтон Г. Ионообменная хроматография в аналитической химии. М., 1973; Даванков В. А., Навратил Дж., Уолтон Х. Лигандообменная хроматография. М., 1989; Шпигун О. А., Золотов Ю. А. Ионная хроматография и ее применение в анализе вод. М., 1990; Спутник хроматографиста. Методы жидкостной хроматографии. Воронеж, 2004.
5. Small H., Bowman B. Ion Chromatography: a historical perspective. - American Laboratory, Odtober, 1998.
6. Weiss J., Weiss T. Handbook of Ion Chromatography. Third edition. - 2004, WILEY-VCH Verlag GmbH & Co.
7. Rouessac F. and Rouessac A. Chemical Analysis Modern Instrumentation Methods and Techniques. Second edition. - 2007, John Wiley & Sons Ltd.
8. http://www.dionex.com/en-us/documents/ brochures/lp-71595.html.
