1

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)

2

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.

3

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

4

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

5

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.

W

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.

6

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

7

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

8

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.

9

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,

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

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,

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

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.

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).

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.

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