Ионообменная хроматография вредных веществ в анализе объектов окружающей среды (стр. 2 из 5)

В зависимости от силы кислотных и основных групп в ионитах различают сильнокислотные (R-SOзН) и слабокислотные (R-СООН) катиониты; сильноосновные (R-N(СНз)зОН) и слабоосновные (R-NНзОН).

Сильнокислотные и сильноосновные иониты способны к ионному обмену в широком диапазоне рН.

Процесс ионного обмена протекает стехиометрично. Например:

R-SO₃H+Na⁺=RSO₃Na+H⁺

R(NНз)зОН+Сl^-=R(NНз)зСl+ОН^-

Это ионообменное равновесие характеризуется константой ионного обмена:

[H⁺][RSO₃Na] [OH^-][RN(CH₃)₃Cl

K_H+_/Na+=______________; K_OH^-_/Cl^-= _________________

[Na⁺][RSO₃H] [Cl^-][RN(CN₃)₃OH]

На основании констант ионного обмена построены ряды сродства ионов к данному иониту, позволяющие предвидеть возможности ионообменных разделений.

В зависимости от сродства к фиксированным ионам неподвижной фазы разделяемые ионы перемещаются вдоль хроматографической колонки с различными скоростями; чем выше сродство, тем больше объем удерживания компонента. При разделении органических кислот и оснований важную роль играет степень их диссоциации.

Например, константы ионного обмена солей железа (III) и кобальта (II) на сильнокислотном катионите марки КУ-2 составляют 3726 и 286 соответственно.

Важной количественной характеристикой ионитов является их обменная емкость. Полная обменная емкость определяется количеством эквивалентов ионов, обмениваемых одним граммом сухого ионита. Чем больше обменная емкость, тем большую пробу можно ввести в колонку с ионитом.

При подготовке ионитов к работе их переводят в соответствующую форму. Так, для перевода катионита в Н-форму через колонку с набухшим ионитом пропускают раствор сильной кислоты, избыток которой отмывают водой. Затем медленно пропускают раствор смеси ионов. Каждый катион задерживается на ионите согласно своей сорбируемости. Далее пропускают подходящий элюент. Например, катионы щелочных металлов легко элюируются 0,1 М HCl. При этом ионы водорода обмениваются на сорбированные катионы, которые вместе с раствором выходят из колонки в соответствии с константами ионного обмена. На выходе из колонки фракции собирают в отдельные сосуды и определяют содержание любым подходящим методом.

Иониты применяются для деионизации (обессоливания) воды, очистки сахарных сиропов от минеральных солей; в препаративной химии - для концентрирования растворов; для определения ионов железа (III), меди и свинца в вине; кальция и магния в молоке; различных металлов в биологических жидкостях. Кроме того, ионный обмен используют для перевода ионов в форму, удобную для количественного определения. Например, поваренную соль в рассоле можно определить, пропустив пробу через колонку с катионитом, и выделившуюся в эквивалентном количестве кислоту оттитровать щелочью:

R-SOзН+NaCI=R-SOзNa+НСl.

Ионообменную хроматографию применяют для разделения фенолов, карбоновых кислот, аминосахаров, пуриновых, пиримидиновых и других оснований. Часто иониты используют для предварительного разделения сложных смесей на менее сложные. На ионном обмене основано получение ионитного молока для детского питания. Ионный обмен используют для очистки натуральных соков от ионов тяжелых металлов. Ионообменные смолы применяют для получения ионообменных мембран.

Ионообменная хроматография. В качестве неподвижной фазы используют ионообменные смолы (рис. 4) как в колонках, так и в виде тонкого слоя на пластинке или бумаге. Разделение обычно проводят в водных средах, поэтому этот метод используется главным образом в неорганической химии, хотя применяются и смешанные растворители. Движущей силой разделения в этом случае является различное сродство разделяемых ионов раствора к ионообменным центрам противоположной полярности в неподвижной фазе.[8-11]

Рис.4. Изображение структуры частицы ионообменной смолы:  – заряженные функциональные группы, ковалентно связанные с нитями решетки; _ – свободно перемещающиеся противоположно заряженные протовоионы, электростатически связанные с частицей

1.1 Разделение анионов методом одноколоночной ИХ

Для большого числа ионов одноколоночной метод обладает высокой чувствительностью и хорошей разделительной способностью. Анионы можно разделить на хроматографической колонке и регистрировать детектором электропроводности, если воспользоваться анионообменной смолой с малой емкостью и эффективным элюентом с низкой электропроводностью. Вторую колонку для “компенсации” фоновой проводимости элюента применять не нужно. Несомненным достоинством одноколоночной системы является тот факт, что, детектор электропроводности подключён непосредственно к анионообменной разделяющей колонке. Это возможно лишь в случае очень низкой концентрации солей в элюенте, а, следовательно, и низкой фоновой проводимости. Однако обычные ионообменные смолы содержат много обмениваемых групп, и для хроматографического разделения анализируемых ионов требуется применять элюент с высокой концентрацией солей. Обменную ёмкость смолы можно изменить, если реакцию присоединения функциональных групп проводить в очень мягких условиях и сократить время взаимодействия. Гьерде и Фритц [4] приготовили несколько ионообменных смол с различной низкой ёмкостью. И ими было обнаружено, что для каждого из трёх исследуемых сочетаний анионов коэффициент селективности оставался неизменным, хотя ёмкость смолы менялась. Этот факт имеет важные следствия для ионообменной хроматографии. Так, существенное снижение ёмкости смолы позволит значительно снизить концентрацию элюента, сохранив исправленное время удерживания неизменным.

В конце 1978 года была разработана простая хроматографическая методика разделения ионов при помощи анионообменной колонки, присоединяющейся непосредственно к детектору электропроводности. Компенсационная колонка не требовалась. В этой схеме были применены два новшества:

a) специальные ионообменные смолы очень малой ёмкостью

b) элюент, обладающий очень низкой электропроводностью

Также, был проведён отбор такого элюента, анион которого сильно удерживается смолой и поэтому даёт малый коэффициент селективности. Данную схему называют “одноколоночной “ ионной” (анионной) хроматографической схемой. На рисунке 1. представлена блок-схема одноколоночного ионного хроматографа.

Ёмкость для насос ввод колонка детектор самописец

элюента пробы

слив

Рис. 1. Блок – схема одноколоночного ионнобменного хроматографа

Он включает в себя следующие компоненты:

1) насос для подачи элюента через пробоотборную петлю, колонку и кондуктометрическую ячейку со скоростью 0.5-2.0 мл/мин;

2) кран для ввода пробы и пробоотборная петля, позволяющую вводить пробу обьёмом 100 мкл;

3) разделяющую колонку в внутренним диаметром 2.0-3.0 мм и длиной 500 мм, заполненную однородными мелкими частицами анионообменной смолы;

4) проточную кондуктометрическую ячейку, являющуюся частью детектора электропроводности, для непрерывной регистрации проводимости элюата;

5) самописец для регистрации выходного сигнала детектора электропроводности.

Одноколоночный метод позволяет осуществить быстрое разделение анионов, причём отсутствие компенсационной колонки никогда не затрудняет анализа. Перед проведением серии анализов выбранный элюент пропускают через анионообменную колонку, пока в ней не установиться равновесие, при котором центры обмена смолы преимущественно будут содержать анионы элюента. При введении образца, в состав которого входят различные анионы, анализируемые анионы будут удерживаться смолой и на эквивалентное количество анионов элюента. В отсутствие перемешивания зона, соответствующая введённому объёму образца, движется вдоль разделяющей колонки со скоростью, равной скорости потока элюента. В этой зоне движутся катионы исходного образца и анионы элюента в концентрации, эквивалентной концентрации анионов в образце. Если электропроводность катионов и анионов в этой зоне больше, чем электропроводность элюента, то при прохождении через детектор электропроводности будет наблюдаться положительный ложный пик. Однако если электропроводность ионов в зоне ниже проводимости элюента, то появиться отрицательный ложный пик. Этот ложный пик не мешает анализу, если элюирование анализируемых анионов происходит после прохождения этого пика. После того как зона, соответствующая объёму пробы, проходит через детектор, нулевая линия быстро восстанавливается до уровня, соответствующего чистому элюенту. Однако растворённые анионы, движимые силами действующих масс элюирующих анионов, смещающих ионообменное равновесие, постепенно перемещаются по колонке. Общая концентрация катионов в растворе определяется концентрацией анионов элюента, поскольку анализируемый анион может перейти в жидкую фазу лишь в результате обмена на эквивалентное количество анионов элюента. Изменение электропроводности при прохождении полосы ионов образца через детектор связано с замещением некоторого количества элюирующих анионов анализируемыми анонами, в то время как суммарная концентрация анионов не меняется. Это изменение прямо пропорционально концентрации анионов данного типа в образце и разнице в эквивалентной электропроводности элюируемого и элюирующего аниона.