background image

 

Ćwiczenie 1 

 

Oznaczanie składu gazu metodami chromatografii gazowej 

 

 

I.

 

Celem  ćwiczenia  jest  zapoznanie  studentów  z  budową  i  zasadą  działania 

chromatografu  gazowego  oraz  metodyką  analiz  składu  gazu  ziemnego  z  jego 

zastosowaniem. 

 

II.

 

Wprowadzenie 

Chromatografia  jest  metodą  rozdzielania  składników  jednorodnych  mieszanin  w 

wyniku  różnego  ich  podziału  między  fazę  ruchomą  i  nieruchomą  układu 

chromatograficznego,  przy  czym  fazą  ruchomą  może  być  gaz  lub  ciecz,  natomiast 

nieruchomą (stacjonarną) ciało stałe lub ciecz. 

Poniższy  rysunek  1.1  przedstawia  istotę  rozdzielania  chromatograficznego 

mieszaniny składającej się z dwóch składników: A i B 

 

Rys.1.1. Schemat rozdzielania chromatograficznego mieszaniny dwóch składników – A i B 

t = 0 – moment wprowadzenia mieszaniny do układu chromatograficznego, 

t

1

, t

2

 – wybrane czasy z całkowitego czasu przebiegu rozdzielania chromatograficznego, 

t

3

 – czas zakończenia rozdzielania składników mieszaniny, C – stężenie składnika (A lub B) 

w fazie ruchomej (r) lub stacjonarnej (s) 

 

background image

 

Mieszaninę substancji A i B wprowadzono do fazy ruchomej w czasie, który przyjęto 

za  zerowy  i  od  którego  rozpoczął  się  proces  rozdzielania  składników.  Składniki  te  w 

różny sposób oddziałują z faza nieruchomą i ruchomą. Załóżmy, że składnik A oddziałuje 

z fazą nieruchomą znacznie słabiej niż składnik B. Cząsteczki obu składników dzielą się 

między  obie  fazy  w  różnych  stosunkach,  charakterystycznych  dla  tych  składników. 

Stosunki te można zapisać jako stałe podziału K dla składnika A i B: 

 

Ar

As

A

C

C

K

=

 ;   

 

Br

Bs

B

C

C

K

=

 

gdzie:  C – stężenie składnika w fazie nieruchomej (s) i ruchomej (r). 

 

Między  liczbą  cząsteczek  związków  chromatografowanych,  obecnych  w  fazie 

ruchomej  i  nieruchomej,  ustala  się  równowaga  dynamiczna  z  wielokrotnym 

przechodzeniem  tych  cząsteczek  z  jednej  fazy  do  drugiej.  Ich  przenoszenie  wzdłuż 

układu  chromatograficznego  jest  możliwe  tylko  wtedy,  gdy  znajdują  się  w  fazie 

ruchomej. W czasie t

1

 widoczny jest różny podział składników między obie fazy układu 

chromatograficznego  i  rozdzielenie  tych  składników.  Rozdzielenie  składników  jest 

możliwe tylko wtedy, gdy ich stałe podziału różnią się między sobą (K

A

 

 K

B

). W czasie t

2

 

jeden ze składników został już wyniesiony z układu chromatograficznego i znajduje się 

w  fazie  ruchomej,  a  w  czasie  t

3

  oba  składniki  są  już  w  fazie  ruchomej  poza  zasięgiem 

oddziaływania  fazy  stacjonarnej.  Pasma  stężeniowe  składników  po  przejściu  układu 

chromatograficznego różnią się od pasma początkowego mieszaniny. Różnica polega na 

poszerzeniu  tych  pasm  i  na  przyjęciu  kształtu  krzywej  Gaussa.  Pasma  te  noszą  nazwę 

pików chromatograficznych.  

Jeżeli  faza  ruchomą  jest  gaz,  to  chromatografia  nosi  nazwę  gazowej,  gdy  faza 

ruchową  jest  ciecz,  wówczas  chromatografia  nazywana  jest  cieczową.  Gdy  faza 

nieruchomą  jest  ciało  stałe,  wówczas  chromatografię  nazywa  się  adsorpcyjną.  Jeżeli 

faza  nieruchomą  jest  ciecz,  to  chromatografia  jest  chromatografią  podziałową.  Faza 

nieruchoma  może  być  umieszczona  w  kolumnie  lub  na  płaszczyźnie  (tylko  w 

chromatografii cieczowej). W pierwszym przypadku chromatografia jest kolumnowa, w 

drugim – planarna

 

background image

 

III.

 

Aparatura do chromatografii gazowej 

Analizę  za  pomocą  chromatografii  gazowej  wykonuje  się  przy  użyciu 

chromatografów  gazowych.  Schemat  chromatografu  gazowego  przedstawia  rys.1.2,  a 

zasada  działania  jego  jest  następująca:  Gaz  nośny  ze  zbiornika  lub  wytwornicy  płynie 

przez  regulator  przepływu,  układ  osuszania  i  odtleniania  oraz  przepływomierz  do 

dozownika,  a  następnie  przez  kolumnę  i  detektor  do  atmosfery.  Kolumna  jest 

umieszczona  w  termostacie.  Temperatura  dozownika,  kolumny  i  detektora  jest 

regulowana  za pomocą regulatorów. Do dozownika próbkę wprowadza się strzykawką 

(gazy,  ciecze  i  roztwory  ciał  stałych)  lub  zaworem  dozującym  (gazy).  Próbka  ciekła 

odparowuje w dozowniku i w strumieniu gazu nośnego jest przenoszona do kolumny. W 

kolumnie  następuje  rozdzielenie  składników  próbki,  które  wynoszone  z  kolumny 

trafiają  do  detektora,  generując  w  nim  sygnał  elektryczny.  Sygnały  po  wzmocnieniu 

mogą  być  zapisywane  na  taśmie  rejestratora  w  postaci  pików  (chromatogramu).  We 

współczesnych  chromatografach  do  rejestracji  chromatogramów  i  opracowywania 

wyników stosuje się komputery. 

 

 

 

Rys.1.2. Schemat chromatografu gazowego. 

1 – zbiornik lub wytwornica gazu nośnego, 2 – kontrola i regulacja ciśnienia gazu nośnego, 

3 – dozownik – komora nastrzykowa, 4 – kolumna, 5 – detektor, 6 – wzmocnienie sygnału i 

rejestracja, 7 – ewentualne wyłapywanie frakcji, 8 – pomiar prędkości przepływu 

9 – regulator temperatury dozownika, kolumny i detektora 

 

background image

 

a)  Gazy nośne 

Gaz  nośny  jest  zasadniczym  elementem  chromatografu,  wpływającym  na  wszystkie 

etapy procesu chromatografii. Źródłem gazu nośnego jest zwykle butla zawierająca gaz 

pod  ciśnieniem.  Umożliwia  ona  zasilanie  aparatury  gazem  o  stałym  ciśnieniu, 

uzyskiwanym  za  pomocą  reduktora  dwustopniowego.  Niektóre  gazy  mogą  być 

wytwarzane  w  laboratorium.  Wodór  wytwarza  się  przy  użyciu  generatorów 

elektrolitycznych,  a  azot  i  powietrze  w  wytwornicach  napełnionych  sitami 

molekularnymi. Uzyskuje się w ten sposób gazy o czystości wymaganej w chromatografii 

bez potrzeby ich przechowywania i transportowania w butlach.  

Czystość  gazu  nośnego  wpływa  na  pracę  detektora  i  wypełnienia  kolumn.  W 

przypadku  wypełnień  dotyczy  to  zarówno  adsorbentów,  które  pod  wpływem 

zanieczyszczeń mogą ulegać dezaktywacji, jak i ciekłych faz stacjonarnych, które z kolei 

mogą ulegać przemianom chemicznym i tracić swoje pierwotne właściwości. Dlatego gaz 

nośny nie może zawierać zanieczyszczeń tj. tlenu, pary wodnej i węglowodorów. 

Do osuszania gazów nośnych stosuje się sita molekularne lub żel krzemionkowy. Sita 

molekularne  oprócz  wody  pochłaniają  też  dwutlenek  węgla,  dwutlenek  siarki, 

dwutlenek  azotu  i  chlorowodór.  Sita  molekularne  i  żel  krzemionkowy  stosuje  się  w 

cylindrach metalowych lub szklanych, wyposażonych na końcach w krążki z porowatego 

szkła  lub  metalu,  w  celu  zapobieżenia  przedostawania  się  cząstek  materiału  suszącego 

do gazu nośnego. Pojemność osuszacza powinna być tak dobrana, żeby wystarczył on na 

osuszenie gazu, co najmniej z jednej butli. Sita molekularne i żel  krzemionkowy należy 

aktywować  przez  wygrzewanie  w  temperaturze  300  –  350

o

C.  W  czasie  osuszania  gazu 

osuszacz ma temperaturę otoczenia. 

Do  usuwania  z  gazu  nośnego  tlenu  stosuje  się  najczęściej  odtleniacze  działające  na 

zasadzie chemisorpcji tlenu przez metale osadzone na nośnikach. Najczęściej stosuje się 

odtleniacze miedziowe. Odtleniacz umieszcza się metalowym cylindrze i podgrzewa się 

elektrycznie, przy użyciu drutu oporowego, do temperatury 180 – 200

o

C. 

 

b)

 

Dozowniki i urządzenia dozujące 

Stosując  chromatografię  gazową,  można  analizować  substancje,  które  w 

warunkach  chromatografowania  mają  postać  gazów  lub  par.  Przyjmuje  się,  że  są  to 

substancje gazowe oraz ciekłe i stałe, których temperatura wrzenia lub sublimacji (bez 

rozkładu)  nie  przekracza  350  –  400

o

C.  W  chromatografie  dozownik  jest  elementem 

background image

 

umożliwiającym  wprowadzenie  próbki  w  strumień  gazu  nośnego,  który  przenosi  ją  do 

kolumny.  Kolumna  jest  połączona  z  dozownikiem  za  pomocą  krótkiego  kapilarnego 

łącznika.  Dąży  się  do  tego,  aby  połączenie  dozownik-kolumna  umożliwiało 

wprowadzenie  próbki  bezpośrednio  do  kolumny.  Próbka  ciekła  lub  stała  powinna  w 

dozowniku odparować w jak najkrótszym czasie i dlatego temperatura dozownika musi 

być  odpowiednio  wysoka  (20

o

C  powyżej  temperatury  wrzenia  najwyżej  wrzącego 

składnika próbki). 

Próbki gazów dozuje się za pomocą strzykawek szklanych (ze szklanym tłokiem) lub 

zaworami  dozującymi.  Zawory  te  mają  wymienną  pętlę  dozowniczą  o  pojemności  od 

części  mililitra  do  kilku  mililitrów.  Pętla  ta  jest  połączona  przewodem  bezpośrednio  z 

instalacją lub zbiornikiem gazu, którego zawartość ma być analizowana. W zależności od 

położenia  dźwigni  zaworu  pętlę  można  napełniać  analizowanym  gazem  lub  gaz  ten 

włączać w strumień gazu nośnego i wprowadzać do kolumny chromatograficznej. 

Próbka wprowadzana do kolumny nie może być większa od pojemności sorpcyjnej 

kolumny,  ponieważ  jej  przeładowanie  prowadzi  do  powstawania  szerokich, 

niesymetrycznych pików i złego rozdzielenia składników próbki. Dotyczy to szczególnie 

kolumn  kapilarnych,  w  których  próbka  wprowadzona  bezpośrednio  mikrostrzykawką 

lub zaworem dozującym jest zwykle większa  od pojemności sorpcyjnej kolumny. 

Próbki mogą być dozowane do chromatografu automatycznie z tego samego źródła 

lub z zamkniętych fiolek. Dozowanie to jest zwykle bardziej powtarzalne, szybsze i mniej 

kosztowne. 

 

c)  Kolumny 

Kolumna  jest  sercem  chromatografu  gazowego,  ponieważ  w  niej  właśnie 

następuje 

rozdzielenie 

mieszanin. 

zależności 

od 

rozmiarów 

kolumny 

chromatograficzne możemy podzielić na: 

 

zwykłe analityczne, pakowane, o średnicy wewnętrznej 2 – 6 [mm] i długości kilku 

metrów (najczęściej 1 – 3 [m]), 

 

mikropakowane o średnicy 0.8 – 1.2 [mm] i długości do kilkudziesięciu metrów, 

 

kapilarne o średnicy 0.2 – 0.6 [mm] i długości do kilkudziesięciu metrów, 

 

preparatywne o średnicy ponad 6 [mm] i długości kilku metrów, 

 

mikrokapilarne o średnicy poniżej 0.1 [mm] i długości do kilkudziesięciu metrów. 

background image

 

 

 

Rys.1.3. Kapilarne kolumny krzemionkowe 

 

Najczęściej  stosowanymi  kolumnami  są  kolumny  kapilarne  i  pakowane.  Kolumny 

kapilarne  mają  postać  zwoju,  a  wytwarza  się  je  ze  szkła  lub  z  topionego  kwarcu. 

Kolumny  kwarcowe  pokryte  są  z  zewnątrz  warstwą  tworzywa  sztucznego  lub 

aluminium,  co  zwiększa  ich  wytrzymałość  i  trwałość  mechaniczną.  Faza  stacjonarna  w 

kolumnach  kapilarnych  osadzona  jest  tylko  na  ściankach,  w  kolumnach  pakowanych 

natomiast jest nią wypełnienie w postaci cząstek adsorbentu najczęściej w fazie ciekłej. 

Podstawowymi zaletami kolumn kapilarnych w porównaniu z pakowanymi jest zwykle 

krótszy czas analizy niż przy użyciu kolumn pakowanych, możliwość uzyskania lepszych 

efektów  rozdzielania,  małe  zużycie  gazu  nośnego  i  fazy  stacjonarnej  oraz  brak 

konieczności  stosowania  nośnika.  Natomiast  wadą  kolumn  kapilarnych  jest  ich 

trudniejsza preparatyka. W wyniku tego kolumny kapilarne zwykle są kupowane, a nie 

przygotowywane samodzielnie. 

 

d) Detektory 

Detektor  chromatograficzny  jest  urządzeniem  przetwarzającym  wielkość  stężenia 

rozdzielanych  składników  w  gazie  nośnym  na  sygnał  elektryczny,  który  następnie 

zapisywany  jest  na  rejestratorach  w  postaci  piku.  Sygnał  ten  wywołany  jest  zmianami 

fizycznych  lub  chemicznych  własności  mieszaniny  wymywanych  składników  i  gazu 

background image

 

nośnego.  Określony  detektor  reaguje  zwykle  na  jedną  z  wielu  zmian  własności, 

wywołanych pojawieniem się w gazie nośnym wymywanego składnika. 

Istnieją dwa kryteria podziału detektorów. Zgodnie z pierwszym detektory dzieli się 

na całkowe i różnicowe. Detektory całkowe mierzą ilość wymytego składnika i dodają ją 

do ogólnej ilości składników wymytych poprzednio. Ten typ detektora jest doskonały do 

analiz ilościowych. Detektory różnicowe mierzą pewną właściwość fizyczną strumienia 

gazu  związaną  ze  stężeniem  substancji  lub  wykrywają  obecność  substancji  w  sposób 

bezpośredni. Według drugiego kryterium rozróżnia się detektory stężeniowe i detektory 

masowe.  Detektory  stężeniowe  mierzą  zmiany  własności  fizycznych  przepływającego 

gazu  i  reagują  na  stężenie  związku  zawartego  w  strumieniu  gazu  nośnego.  Sygnał 

takiego  detektora  jest  w  każdej  chwili  proporcjonalny  do  stężenia  składnika  w  gazie 

nośnym.  Detektory  masowe  mierzą  ilość  substancji  bezpośrednio  i  reagują  na  ilość 

wykrywanego związku napływającego do detektora. 

Najczęściej stosowanymi detektorami w chromatografii gazowej są detektor cieplno-

przewodnościowy i płomieniowo-jonizacyjny. 

 

Detektor cieplno-przewodnościowy (Thermal Conductivity Detector – TCD) 

W  detektorze  cieplno-przewodnościowym  (katarometrze)  czujnikiem  jest  spirala, 

np.  niklowa,  wolframowa  lub  ze  stopu  platyny  z  irydem  lub  termistor.  Cechą  tych 

czujników  jest  znaczna  zmiana  ich  przewodności  elektrycznej  ze  zmianą  temperatury. 

Dlatego też temperatura detektora musi być ustalona i utrzymywana z dokładnością do 

dziesiątych części stopnia. Tak długo jak z kolumny wypływa tylko gaz nośny, tak długo 

temperatura, a przez to i przewodność czujnika nie zmienia się i na taśmie rejestratora 

rysowana  jest  linia  prosta.  Gdy  z  kolumny  wraz  z  gazem  nośnym  wymywana  jest 

substancja  chromatografowana  o  innym  przewodnictwie  cieplnym  niż  przewodnictwo 

gazu  nośnego,  wówczas  temperatura,  a  w  wyniku  tego  i  przewodność  elektryczna 

czujnika wzrasta lub maleje. W konsekwencji tego na taśmie rejestratora obserwuje się 

odchylenie  linii  podstawowej  w  postaci  piku  trwające  tak  długo,  jak  długo  substancja 

wymywana z kolumny omywa czujnik. 

Katarometry są powszechnie stosowanymi detektorami ze względu na ich prostotę i 

dobrą  powtarzalność  pomiarów.  Są  detektorami  stężeniowymi,  a  więc  w  pomiarach 

ilościowych  natężenie  przepływu  gazu  nośnego  musi  być  stałe.  Czułość  detektora  jest 

background image

 

wprost  proporcjonalna  do  trzeciej  potęgi  wielkości  prądu  zasilającego.  Detektor  ten 

nadaje się do detekcji wszystkich gazów i par. 

Rys.1.4. Schemat detektora cieplno-przewodnościowego 

1 – przewód elektryczny, 2 – termostatowany blok metalowy, 3 – czujnik detektora 

 

 

Detektor płomieniowo-jonizacyjny (Flame Ionization Detector – FID) 

Detektor  ten  jest  najbardziej  rozpowszechnionym  detektorem  w  chromatografii 

gazowej.  Zasada  działania  tego  detektora  oparta  jest  na  zmianie  oporu  elektrycznego 

płomienia  wodorowego  przy  wprowadzeniu  do  niego  śladowych  ilości  związków 

organicznych,  które  w  procesie  utleniania  wytwarzają  jony.  Wodór  spalany  w  czystym 

powietrzu  lub  w  tlenie,  nie  tworzy  prawie  zupełnie  jonów.  Dlatego  przewodnictwo 

elektryczne  płomienia  wodorowego  jest  bardzo  małe  i  prąd  w  obwodzie  jest  znikomo 

mały.  Kiedy  natomiast  w  płomieniu  wodorowym  znajdą  się  cząstki  substancji 

organicznych,  ulegają  one  jonizacji,  w  rezultacie  czego  przewodnictwo  płomienia 

znacznie wzrasta. W obwodzie, którego elementami są elektrody, powstaje prąd jonowy, 

a  jego  wielkość  zależy  od  ilości  cząsteczek  substancji  organicznej,  dochodzących  do 

płomienia w jednostce czasu. 

Schemat  detektora  przedstawia  rys.1.5.  Składa  się  on  z  palnika  wodorowego  i  z 

układu elektrod połączonych z zasilaczem i układem pomiarowym. Ze względu na dużą 

ilość  wydzielanego  ciepła  w  detektorze  zarówno  izolatory  elektrod,  jak  i  cały  detektor 

muszą  być  starannie  izolowane.  Do  palnika  detektora  doprowadza  się  gaz  nośny  z 

kolumny, wodór i powietrze. 

background image

 

 

Rys.1.5. Schemat detektora płomieniowo-jonizacyjnego 

 

 

Badane  składniki  opuszczające  kolumnę  chromatograficzną  wprowadzane  są  do 

palnika  wodorowego,  gdzie  w  procesie  spalania  cząsteczki  tych  składników  ulegają 

jonizacji.  Powstałe  jony  zbierane  są  przez  umieszczone  w  pobliżu  palnika  elektrody, 

między którymi istnieje pole elektryczne. Wartość prądu jonizacyjnego zależy od składu 

chemicznego badanych cząsteczek oraz od ich liczby. Detektor ten nadaje się szczególnie 

do detekcji czystych węglowodorów. Jest mało czuły na gazy trwałe i takie związki jak: 

H

2

S, SO

2

, CO. 

 

IV.

 

Opracowywanie wyników analizy chromatograficznej 

W  celu  właściwej  interpretacji  chromatogramu  badanej  substancji  konieczna  jest 

znajomość  podstawowych  elementów  chromatogramu  i  ich  współzależność. 

Teoretyczny  chromatogram  z  zaznaczeniem  typowych  jego  elementów  przedstawiono 

na rys.1.6.  

Chromatogram  jest  to  graficzne  przedstawienie  stężenia  składnika  wymywanego 

(eluatu) w postaci symetrycznej fali wykazującej maksimum zwanej popularnie pikiem, 

odpowiadające  sygnałowi  detektora  w  funkcji  czasu,  ujęte  w  układzie  współrzędnych 

prostokątnych.  W  celu  prawidłowej  interpretacji  chromatogramu  należy  znać  jego 

następujące elementy i określenia: 

 

linia  zerowa  –  zwana  też  linią  podstawy  lub  bazową,  jest  to  linia  obrazująca 

wielkość wskazań detektora , wywołana przepływem samego gazu nośnego, 

 

szum  –  przypadkowe  zmiany  linii  zerowej  wywołane  własnościami  układu 

elektrycznego względnie zaburzeniami w przepływie gazu badanego, 

 

background image

 

10 

   

Rys.1.6. Chromatogram i jego elementy 

 

 

start – moment wprowadzenia próbki do układu rozdzielczego, 

 

pik – linia wyznaczająca na chromatogramie sygnał detektora wywołany obecnością 

składnika rozdzielczego w gazie nośnym wychodzącym z kolumny – krzywa CED, 

 

podstawa  piku  –  interpolowany  odcinek  linii  podstawowej  w  przedziale  wskazań 

detektora,  wywołanych  obecnością  rozdzielanego  składnika  w  gazie  nośnym 

wpływającym do kolumny – linia CD, 

 

wysokość  piku  –  odległość  między  najwyższym  punktem  piku  (maksimum)  a  jego 

podstawą (mierzona prostopadle do linii zerowej) – odległość BE, 

 

szerokość  piku  w  połowie  jego  wysokości  –  odległość  między  bokami  piku  w 

połowie jego wysokości (mierzona równolegle do linii zerowej) linia HJ, 

 

powierzchnia piku – powierzchnia zawarta między linią piku a jego podstawą. 

Inne wielkości częściowo możliwe do zmierzenia na chromatogramie to wielkości 

charakteryzujące rozdział chromatograficzny: 

 

czas retencji substancji – jest to czas od momentu zadozowania jej do kolumny do 

momentu  zarejestrowania  maksimum  piku  odpowiadającego  tej  substancji.  Tak 

zdefiniowany  czas  zwany  jest  również  całkowitym  czasem  retencji.  Można  napisać, 

że  całkowity  czas  retencji  jest  sumą  czasu,  w  którym  substancja  oddziałuje  z 

background image

 

11 

wypełnieniem kolumny i czasu potrzebnego do przejścia tej substancji od dozownika 

do detektora, gdyby takiego oddziaływania nie było, 

 

martwy czas retencji – jest to czas, w którym substancja przebywa w połączeniach 

kapilarnych  między  dozownikiem  i  kolumną  oraz  kolumną  i  detektorem.  Czas 

martwy  retencji  można  najłatwiej  wyznaczyć  przez  zadozowanie  do  kolumny 

substancji, która nie oddziałuje z fazą stacjonarną  lub oddziałuje bardzo słabo, 

 

zredukowany czas retencji – czas retencji związany z przebywaniem substancji w 

kolumnie    tylko  w  wyniku  jego  oddziaływania  tej  substancji  z  wypełnieniem 

kolumny, 

 

objętość  retencyjna  składnika  –  jest  to  objętość  gazu  nośnego  potrzebna  do 

wymycia tego składnika z kolumny. Objętość retencyjna wyraża się iloczynem czasu 

retencji i objętościowej prędkości przepływu gazu nośnego, 

 

względna  objętość  retencyjna  składnika  –  jest  to  stosunek  objętości  retencyjnej 

tego składnika do objętości do objętości retencyjnej substancji przyjętej za wzorzec, 

 

względny  czas  retencji  –  stosunek  czasu  retencji  badanego  składnika  do  czasu 

retencji substancji przyjętej za wzorzec. 

 

a) Analiza jakościowa 

 

Analizę  jakościową  rozdzielanych  w  kolumnie  substancji  można  wykonywać 

dwoma  sposobami.  Pierwszy  polega  na  wykorzystaniu  położenia  na  chromatogramie 

piku  odpowiadającego  danej  substancji,  czyli  na  wykorzystaniu  jej  własności 

retencyjnych. Według drugiego sposobu identyfikuje się składniki chromatografowanej 

mieszaniny  innymi  metodami  analizy  chemicznej  lub  fizykochemicznej.  Oprócz  tych 

dwóch  podstawowych  sposobów  pewne  informacje  dotyczące  rodzaju  składników 

analizowanej  mieszaniny  otrzymujemy  z  obserwacji  ich  zachowania  się  przy 

zastosowaniu  różnych  detektorów  i  gazów  nośnych.  Należy  przy  tym  uwzględnić 

wiadomości  dotyczące  selektywności  i  specyficzności  niektórych  detektorów  i  to,  że 

obecny w próbce gaz nie może być wykryty wówczas, gdy jest on gazem nośnym. 

 

Wykorzystując  wielkości  retencyjne  przy  pewnym  już  doświadczeniu,  uzyskuje 

się  ogólne  informacje  dotyczące  jakościowego  składu  analizowanej  mieszaniny,  bez 

wykonywania  pomiarów  retencji.  Jeżeli  znane  są  właściwości  wypełnienia 

kolumnowego  w  stosunku  do  różnych  substancji  i  z  obserwacji  otrzymanych 

chromatogramów,  można  wyciągnąć  wnioski  dotyczące  temperatury  wrzenia,  lotności, 

background image

 

12 

masy 

cząsteczkowej, 

charakteru 

chemicznego 

poszczególnych 

składników 

analizowanych mieszanin. 

 

W jednakowych warunkach chromatografowania substancja chromatografowana 

ma zawsze taką samą retencję. Pod pojęciem warunków rozumie się rodzaj kolumny, jej 

wypełnienie, temperaturę oraz rodzaj i przepływ gazu nośnego. Na tej podstawie można 

identyfikować  nieznaną  substancję  przez  porównanie  jej  retencji  z  retencją  wzorca. 

Identyfikację  składnika  próbki  wykonuje  się  w  taki  sposób,  że  po  ustaleniu  warunków 

chromatografuje się bezpośrednio po sobie próbkę i wzorzec, a następnie porównuje się 

retencję wzorca i identyfikowanego składnika. Jeżeli w chromatografowanej mieszaninie 

na  pewno  znajduje  się substancja,  której  miejsce  na  chromatogramie  jest  poszukiwane 

za  pomocą  wzorca,  to  wystarczy  użycie  tylko  jednej  kolumny.  Natomiast,  jeżeli 

poszukiwana substancja może być jedną z wielu, to jej identyfikację należy wykonać, na 

co  najmniej  dwóch  różnych  kolumnach  i  w  różnych  temperaturach.  Gdy  wzorzec  jest 

substancją analizowaną, wówczas w każdych warunkach zarówno retencja wzorca, jak i 

substancji  analizowanej  jest  taka  sama.  Identyczność  czasów  retencji  nie  jest  jednak 

dowodem  stuprocentowym,  że  obie  substancje  (identyfikowana  i  wzorcowa)  są 

identyczne.  Wiele  substancji  może  mieć  taką  samą  retencję.  Zastosowanie  większej 

liczby kolumn zwiększa prawdopodobieństwo pewnej identyfikacji. 

 

Przy porównywaniu wielkości retencyjnych należy uwzględnić, że piki muszą być 

symetryczne. Retencja tej samej substancji, gdy jej pik jest niesymetryczny, zmienia się 

w zależności od wielkości próbki zadozowanej do kolumny. Im próbka jest większa, tym 

krótszy jest czas retencji chromatografowanej substancji. Aby ustrzec się ewentualnych 

różnic  w  czasach  retencji  spowodowanych  wielkością  próbki  przy  małej 

niesymetryczności  piku  lub  wynikających  z  różnych  warunków  chromatografowania, 

wzorzec  można  dodać  bezpośrednio  do  badanej  mieszaniny,  wskutek  czego  wielkość 

piku  substancji  odpowiadającej  wzorcowi  zwiększy  się  w  stosunku  do  pików 

pozostałych składników mieszaniny.  

 

b) Analiza ilościowa 

Chromatografia  gazowa  jest  jedną  z  nielicznych  metod  analitycznych,  które 

umożliwiają wykonanie analizy jakościowej i ilościowej złożonych mieszanin w jednym 

procesie.  Dokładność  analizy  ilościowej  zależy  od  jakości  chromatografu  i  związanej  z 

tym  niezmienności  warunków  chromatografowania  w  czasie  wykonywania  analizy,  od 

background image

 

13 

rodzaju  detektora  i  zakresu  jego  wskazań,  od  sposobu  wykonywania  analizy  oraz  od 

sposobu zbierania danych do obliczeń. 

 

O  ilości  substancji  w  mieszaninie  można  wnioskować  na  podstawie  wielkości 

odpowiadającego  jej  piku,  gdyż  wysokość  i  powierzchnia  piku  są  proporcjonalne  do 

ilości oznaczanego składnika. Stosunek proporcjonalności jest różny dla poszczególnych 

substancji i może się zdarzyć, że wielkość piku na chromatogramie dla jakiejś substancji 

jest mniejsza, chociaż jej ilość w analizowanej próbce jest największa. Wynika to z różnej 

odpowiedzi detektora względem różnych substancji. Wysokość piku wykorzystuje się do 

oznaczeń  ilościowych,  gdy  pik  jest  symetryczny  i  wąski.  Przy  wykorzystywaniu  tego 

parametru należy pamiętać, że jest on wrażliwy na czas trwania dozowania próbki i na 

małe  nawet  zmiany  prędkości  gazu  nośnego.  Z  punktu  widzenia  otrzymania 

prawidłowych wyników analizy bardziej korzystne jest mierzenie powierzchni piku. W 

zależności od sposobu wykonania, pomiar powierzchni piku może być niekiedy bardziej 

kłopotliwy  niż  pomiar  jego  wysokości.  Powierzchnie  piku  można  mierzyć  różnymi 

sposobami. Najdogodniejszy jest automatyczny pomiar wielkości powierzchni piku przy 

użyciu  integratora  lub  komputera.  W  przypadku,  gdy  nie  ma  takiej  możliwości,  można 

wykonać  pomiar  ręcznie.  Spośród  kilku  sposobów  wyznaczania  powierzchni  można 

polecić obliczanie powierzchni symetrycznych pików przy założeniu, że powierzchnia ta 

odpowiada powierzchni trójkąta. 

 

Aby obliczyć powierzchnię piku symetrycznego, trzeba zmierzyć jego wysokość h, 

i szerokość w połowie wysokości, w

0.5

, albo szerokość przy podstawie, w

p

. W pierwszym 

przypadku  powierzchnia  piku  S  =  hw

0.5

,  a  w  drugim  S  =  0.5hw

p

.  Gdy  pik  jest 

niesymetryczny, wówczas S = h(w

0.15

+w

0.85

)/2, gdzie w

0.15

 i w

0.85

 są to szerokości piku 

na 15 i 85% jego wysokości. 

 

Istota  chromatograficznej  analizy  ilościowej  polega  na  porównywaniu  wielkości 

piku  oznaczanego  składnika  z  wielkością  piku  odpowiadającego  znanej  ilości  tego 

składnika  w  postaci  substancji  wzorcowej.  Znając  trzy  wielkości  oblicza  się  czwartą,  tj. 

masę lub stężenie analizowanej substancji w próbce. 

 

 

 

 

 

background image

 

14 

V.

 

Przebieg ćwiczenia 

Podstawowym  elementem  wyposażenia  stanowiska  badawczego  jest  chromatograf 

gazowy  firmy  Hewlett-Packard  serii  6890.  W  chromatografie  tym  zainstalowany  jest 

dozownik  z  automatyczną  regulacją  pneumatyki,  kolumnę  kapilarna  (Carboxen  1006) 

oraz  detektor  cieplno-przewodnościowy  (TCD).  Przed  dozownikiem  (komorą 

nastrzykową) zainstalowano zawór dozujący, którego zasadę działania objaśnia rys.1.7. 

 

 

 

Rys.1.7. Zasada działania zaworu dozującego sześciodrożnego 

Pozycja ładowania – pętla wypełniana jest próbką gazową, kolumna przepłukiwana jest 

gazem nośnym. 

Pozycja dozowania – zawartość napełnionej pętli zostaje wprowadzona do strumienia 

gazu nośnego i następnie zostaje przeniesiona na kolumnę. 

 

Stanowisko  wyposażone  jest  również  w  butle  ciśnieniowe  zawierające  powietrze 

syntetyczne  wykorzystywane  do  uruchamiania  pneumatyki  chromatografu  oraz  hel 

stanowiący  gaz  nośny.  Między  butlami  ciśnieniowymi  a  dozownikiem  chromatografu 

zainstalowano  zespół  oczyszczaczy  gazu  nośnego,  wyłapujący  takie  zanieczyszczenia 

jak: para wodna, węglowodory oraz przede wszystkim tlen.  

 

Sposób wykonania ćwiczenia 

1.

 

Przygotowanie chromatografu do analizy: 

 

sprawdzić połączenie chromatografu ze zbiornikami gazów, 

 

wczytać  metodę  (ustawienie  parametrów  pracy  podzespołów  stosownie  do 

przyjętego typu analizy), 

 

przygotować  próbkę  do  analizy  (nastrzyk  przez  zawór  sześciodrożny  z  butli 

zawierającej analizowaną mieszankę gazową). 

background image

 

15 

2.

 

Wykonanie analizy: 

 

zadozować próbkę do komory nastrzykowej, 

 

uruchomić chromatograf komendą START, 

 

wykonać analizy dwóch mieszanin gazowych (wzorcowych). 

3.

 

Analiza chromatogramu: 

 

na  podstawie  odczytanych  z  chromatogramu  wielkości  (czas  retencji,  pole 

powierzchni pod pikiem, wysokość piku, szerokość piku w połowie  wysokości, itp.) 

przyporządkować poszczególne piki składnikom mieszaniny gazowej, 

 

wyznaczyć krzywe kalibracji dla poszczególnych składników mieszaniny gazowej (w 

zależności od pola powierzchni pod pikiem lub ich wysokości). 

 

 

 

 

VI.  Bibliografia 

[1].

 

Bonelii E. – “Basic Gas Chromatography”, Varian 1968, 

[2].

 

Hill H.H. – “Detectors for Capillary Chromatography”, John Wiley & Sons 1992, 

[3].

 

Jennings  W.  –  “Sample  Preparation  for  Gas  Chromatographic  Analysis,  Huthig 

1983, 

[4].

 

Rodel W., Wolm G. – „Chromatografia gazowa”, Warszawa 1992, 

[5].

 

Schupp O.E. – „Chromatografia gazowa”, Warszawa 1972, 

[6].

 

Strugała A., Porada S. – „Ćwiczenia laboratoryjne z gazownictwa”, Kraków 1988, 

[7].

 

Witkiewicz Z. – „Podstaway chromatografii”, Warszawa 1995. 

background image

 

16 

Karta analizy składu gazu metodami chromatografii gazowej 

 

Imię i nazwisko studenta:  1 ………………………………………………………………………….……………. 

 

 

 

 

2 ………………………………………………………………………….……………. 

 

 

 

 

3 ………………………………………………………………….……………………. 

 

 

 

 

4 ……………………………….………………………………………………………. 

Rok studiów: ………………………………………   

Grupa: ……………..………………………………… 

Data: …………………………………………………..   

Godzina: ……………………………………………. 

 

 

Temperatura otoczenia: ……………………...   

Ciśnienie otoczenia: …………………………… 

Rodzaj gazu nośnego: hel   

Rodzaj detektora: TCD 

Typ kolumny chromatograficznej: Carboxen 1006 PLOT 

 

 

Tab. Zestawienie wyników pomiaru 

 

Mieszanina I 

Mieszanina II 

Składnik mieszaniny 

CO

2

 

Ar 

CO

2

 

Ar 

Stężenie składnika w mieszaninie 
wzorcowej [%] 

 

 

 

 

Pole powierzchni pod pikiem dla 
składnika mieszaniny