WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


На правах рукописи

БЕЛОЦЕРКОВСКАЯ Вера Юрьевна

ХРОМАТОГРАФИЧЕСКИЕ И АДСОРБЦИОННЫЕ СВОЙСТВА ПОЛИ(1-(ТРИМЕТИЛСИЛИЛ)-1-ПРОПИНА) И ИХ СТАБИЛИЗАЦИЯ ДОБАВЛЕНИЕМ ПОЛИ(1-ФЕНИЛ-1-ПРОПИНА)

02.00.02 – аналитическая химия

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата химических наук

Новосибирск – 2012

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте катализа им. Г.К. Борескова Сибирского отделения РАН

Научный консультант:

кандидат химических наук Яковлева Елена Юрьевна

Официальные оппоненты:

доктор химических наук, заведующий лабораторией хроматографии Курганов Александр Александрович Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Ордена Трудового Красного Знамени Институт нефтехимического синтеза им. А.В.Топчиева РАН, г. Москва кандидат химических наук, заведующий лабораторией исследования текстуры катализаторов Мельгунов Максим Сергеевич Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт катализа им. Г.К. Борескова Сибирского отделения РАН, г. Новосибирск

Ведущая организация:

Национальный исследовательский Томский политехнический университет

Защита диссертации состоится «21» марта 2012 г. в 10-00 часов на заседании диссертационного совета Д 003.051.при Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте неорганической химии им. А.В. Николаева СО РАН по адресу:

пр. Академика Лаврентьева, 3, Новосибирск, 6300

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Федерального государственного бюджетного учреждения науки Института неорганической химии им. А.В. Николаева СО РАН

Автореферат разослан «21» февраля 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, д.ф.-м.н. В.А. Надолинный

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ



Актуальность темы. Газовая хроматография служит мощным инструментом аналитической химии уже на протяжении многих лет. Залогом неизменной актуальности метода является как постоянное аппаратное развитие, так и расширение круга используемых хроматографических материалов, поиск которых продолжается и в настоящее время. В последние десятилетия новый обширный класс пористых полимеров получил широкое распространение в практике газовой хроматографии вследствие таких своих преимуществ как: 1) однородная поверхность; 2) гидрофобность; 3) возможность регулирования хроматографических свойств путем изменения структуры и состава полимера; 4) возможность получения сорбентов с большой емкостью. Однако нерастворимость большинства органических полимеров в органических растворителях существенно ограничивает их применение в практике газовой хроматографии.

С недавних пор в качестве перспективного хроматографического материала зарекомендовал себя пористый полимер поли(1-(триметилсилил)-1-пропин) (ПТМСП).

Большое количество публикаций было направлено на исследование хроматографических свойств ПТМСП и показано, что полимер (в виде сорбента Хромосорб P + 10 % ПТМСП в случае насадочных, и в виде тонкой пленки на стенках капилляра в случае капиллярных колонок) обладает рядом преимуществ, имеющих практическое значение, перед используемыми в газовой хроматографии сорбентами и неподвижными фазами.

Селективность ПТМСП при разделении органических соединений различных классов существенно превышает селективность известных сорбентов, таких как графитированная термическая сажа (ГТС) и Порапак Q, и неподвижных фаз, таких как Апиезон L и SE-30. Высокая селективность ПТМСП проявляется при разделении структурных изомеров ароматических углеводородов, углеводородных газов и неорганических гидридов.

При разделении некоторых органических соединений ПТМСП проявляет уникальные свойства, не наблюдавшиеся ранее на других сорбентах и неподвижных фазах.

Наряду с перечисленными достоинствами, ПТМСП обладает одним существенным недостатком – объмная структура полимера неустойчива и со временем подвергается старению, что проявляется в уменьшении свободного объма и, как следствие, в снижении газопроницаемости на несколько порядков. Несмотря на использование ПТМСП в практике газовой хроматографии, влиянию процесса старения полимера на его хроматографические свойства ранее не уделялось должного внимания, тогда как одним из основных требований, предъявляемых к хроматографическому материалу, является стабильность его свойств.

В данной работе приведены результаты исследования изменений хроматографических свойств сорбента Хромосорб P NAW + 10 мас.% ПТМСП в процессе длительной эксплуатации и предложен способ стабилизации свойств сорбента путем добавления к ПТМСП 3 мас.% поли(1-фенил-1-пропина) (ПФП). Подобная модификация позволила улучшить хроматографические свойства исходного сорбента и стабилизировать их.

Целью работы является исследование изменений хроматографических свойств сорбента Хромосорб P NAW + 10 мас.% ПТМСП, происходящих в процессе его продолжительной эксплуатации в условиях газовой хроматографии на насадочных колонках, стабилизация этих свойств путем добавления ПФП к ПТМСП и изучение свойств полученного сорбента Хромосорб P NAW + 10 мас.% ПТМСП/ПФП.

Для достижения цели в работе решались следующие задачи:

– синтез поли(1-(триметилсилил)-1-пропина) и поли(1-фенил-1-пропина) по описанной в литературе методике и приготовление сорбентов Хромосорб P NAW + 10 мас.% ПТМСП и Хромосорб P NAW + 10 мас.% ПФП;

– изучение адсорбционных и хроматографических свойств полученных сорбентов на примере разделения неорганических и углеводородных газов, изомеров и гомологов углеводородного ряда, ароматических соединений, спиртов, хлорзамещенных алканов;

– исследование изменений хроматографических свойств сорбентов в процессе длительной эксплуатации в режиме газовой хроматографии на насадочных колонках;

– приготовление сорбента со смешанной фазой Хромосорб P NAW + 10 мас.% (97 % ПТМСП + 3 % ПФП), исследование его хроматографических свойств на примере разделения перечисленных выше классов соединений;

– исследование стабильности свойств сорбента Хромосорб P NAW + 10 мас.% (97 % ПТМСП + 3 % ПФП) при его эксплуатации в условиях газовой хроматографии на насадочных колонках.

Научная новизна.

Исследовано влияние продолжительной эксплуатации сорбента Хромосорб P NAW + 10 % ПТМСП на его хроматографические свойства. Показано, что структурные изменения, заключающиеся в уменьшении свободного объема и частичном окислении полимера, приводят к существенным изменениям практически всех хроматографических параметров: порядок выхода компонентов, время удерживания, факторы асимметрии пиков, эффективность колонки, теплота адсорбции, удельная площадь поверхности и т.д.

Впервые получена стабильная неподвижная фаза на основе ПТМСП путем добавления 3 % ПФП и исследованы хроматографические свойства сорбента Хромосорб P NAW + 10 % (97 % ПТМСП + 3 % ПФП).

Получены такие важные хроматографические характеристики сорбента Хромосорб P NAW + 10 % ПТМСП, как полярность и текстура поверхности.

Впервые использован ПФП в качестве хроматографического материала и изучены хроматографические свойства сорбента Хромосорб P NAW + 8,6 % ПФП.

Практическая значимость. Приготовлена и исследована новая стабильная неподвижная фаза 97 % ПТМСП + 3 % ПФП, обладающая хроматографическими свойствами, превосходящими свойства ПТМСП. Сорбент Хромосорб P NAW + 10 % (97 % ПТМСП + 3 % ПФП) эффективен при разделении следующих типов смесей: углеводородные газы С1-С4 (порядок выхода: алкины, алкены, алканы); серосодержащие газы (H2S, COS, SO2) и CO2; углеводороды С1-С10; ароматические углеводороды С6-С10; алканы, алкены, изоалканы С5-С12; алканы + арены С6-С10 (арены элюируются перед алканами с тем же числом атомов С); хлорзамещенные производные алканов С1-С3; фреоны, изомеры ксилола. В частности данный сорбент может быть рекомендован для анализа продуктов таких каталитических реакций, как восстановление диоксида серы метаном или синтез-газом, оксихлорирование метана, синтез пентахлорэтана гидрофторированием пентахлорэтилена, а также для определения примесей тиофена в бензоле (тиофен элюируется до бензола), ацетилена в этилене и дихлор- и трихлорметана в CCl4.

На защиту выносятся следующие положения:

результаты исследования изменений хроматографических свойств сорбента Хромосорб P NAW + 10 % ПТМСП, происходящих в процессе его длительной эксплуатации в режиме газовой хроматографии на насадочных колонках;

использование неподвижной фазы состава 97 % ПТМСП + 3 % ПФП в качестве хроматографического материала;

результаты исследования хроматографических свойств сорбента Хромосорб P NAW + 10 % (97 % ПТМСП + 3 % ПФП) и их стабильности;

новые сведения о свойствах сорбента Хромосорб P NAW + 10 % ПТМСП, такие как полярность и текстура поверхности;

результаты исследования хроматографических свойств сорбента Хромосорб Р NAW + 8,6 % ПФП.

Личный вклад автора. Все результаты, приведенные в диссертации, получены самим автором или при его непосредственном участии. Автором собственноручно выполнен синтез образцов, приготовлены сорбенты и хроматографические колонки, проведены все хроматографические измерения, их обработка и расчеты; ему принадлежит обобщение полученных результатов, выявление закономерностей и формулировка основных выводов.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на 6 Всероссийских конференциях: Всероссийская конференция по Макромолекулярной химии (Улан-Удэ, 2008), XX Симпозиум «Современная химическая физика» (Туапсе, 2008), VII Научная конференция «Аналитика Сибири и Дальнего Востока» (Томск, 2008), Всероссийская конференция «Теория и практика хроматографии. Хроматография и нанотехнологии» (Самара, 2009), Всероссийская научная конференция «Методы исследования состава и структуры функциональных материалов» (Новосибирск, 2009), Всероссийская научная молодежная школа-конференция «Химия под знаком «Сигма». Исследования, инновации, технологии» (Омск, 2010).

Публикации по теме диссертации. По теме диссертации опубликованы в соавторстве 6 статей в журналах, рекомендованных ВАК, и 7 тезисов докладов.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, выводов и списка цитируемой литературы. Материал изложен на 140 страницах машинописного текста и содержит 59 рисунков, 66 таблиц и список литературы из 1наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ Во введении обоснована актуальность работы, отражены научная новизна и положения, выносимые на защиту.

Первая глава диссертации является литературным обзором, состоящим из четырех разделов. В первом разделе представлен краткий обзор пористых полимеров и полимерных неподвижных фаз, применяемых в практике газовой хроматографии, их основные характеристики, аналитические возможности и области применения.





Во втором разделе литературного обзора подробно разобраны условия синтеза ПТМСП, его строение и физико-химические свойства, описаны имеющиеся данные по изучению процесса старения полимера. Особое внимание уделено описанию результатов по использованию ПТМСП в газовой хроматографии в качестве хроматографического материала и изучению его хроматографических свойств. Подробно рассмотрены аналитические возможности сорбентов с ПТМСП и перспективы их применения для разделения широкого спектра соединений. Третий раздел посвящен описанию условий синтеза и физико-химических свойств ПФП. В последнем разделе приведены результаты исследования двухкомпонентной системы ПТМСП/ПФП, описанные в литературе. Сделан вывод об оптимальном составе смешанной неподвижной фазы – 97 % ПТМСП + 3 % ПФП – который позволяет получить стабильную фазу без существенной потери газопроницаемости.

Вторая глава посвящена описанию экспериментальной части, приводится описание аппаратуры, используемой в работе. Помимо основного метода исследования в данной работе – газовой хроматографии – для характеристики образцов синтезированных полимеров использовались следующие методы: ИК-спектроскопия, элементный анализ, 1 парофазная осмометрия, Н и С ЯМР-спектроскопия, термический анализ (ДТА, ТГ, ДТГ), низкотемпературная адсорбция азота.

В данной главе также описаны использованные методики синтеза образцов ПТМСП и ПФП, результаты исследования их химического состава, структуры и некоторых физико-химических характеристик с помощью указанных выше методов.

Последующие главы представляют собой результаты хроматографического изучения сорбентов на основе полученных полимеров и их смеси.

Третья глава посвящена исследованию хроматографических свойств сорбента Хромосорб Р NAW + 10 % ПТМСП и их стабильности в процессе работы колонки.

Измерения проводили на насадочных колонках (4м*2мм) I, II и III, заполненных соответственно сорбентами I – Хромосорб Р NAW + 10 % ПТМСП; II – сорбент I, отработавший 1,5 года (7000 часов) и III – сорбент I, отработавший 2,5 года (12000 часов) в условиях газовой хроматографии в интервале температур от 30 до 180С. Газ-носитель – гелий, детектор – пламенно-ионизационный (ПИД), детектор по теплопроводности (ДТП). Изучение хроматографических свойств полученных сорбентов проводили на примере разделения неорганических и углеводородных газов, изомеров и гомологов углеводородного ряда, ароматических соединений, спиртов, хлорзамещенных алканов.

Следует отметить, что большинство хроматографических параметров исходного ПТМСП (сорбент I) были воспроизведены по литературным данным, однако такие показатели как полярность и текстурные характеристики получены в данной работе впервые.

Исследование текстурных характеристик сорбентов методом низкотемпературной адсорбции азота выявило наличие в сорбенте I микро- и мезопор, при этом число микропор значительно превышает число мезопор (табл. 1). Эксплуатация сорбента I в течение полутора лет привела к значительному сокращению площади поверхности и объема Т а б л и ц а Текстурные характеристики сорбентов I и II Параметр* Сорбент I Сорбент II SБЭТ, м2/г 58 ± 1 40 ± S, м2/г 43 ± 1 24 ± SM, м2/г 15 ± 1 16 ± V, см3/г 0,05 ± 0,01 0,04 ± 0,V, см3/г 0,02 ± 0,01 0,01 ± 0,VM, см3/г 0,03 ± 0,01 0,03 ± 0,* SБЭТ - удельная площадь поверхности, рассчитанная методом Брунауэра-Эммета-Теллера (БЭТ);

V - суммарный объм пор; S, V и SM, VM - площадь поверхности и объм микро- и мезопор соответственно.

микропор при неизменности этих показателей для мезопор. Полученные результаты свидетельствуют о том, что длительная эксплуатация ПТМСП приводит к существенному сокращению числа микропор в полимере или уменьшению их размера.

Для оценки способности сорбентов к специфическим взаимодействиям с молекулами сорбатов была рассчитана их полярность с помощью систем Роршнайдера и МакРейнольдса, основанных на оценке разности индексов удерживания Ковача на исследуемой фазе и стандартной неполярной жидкой фазе (сквалан) для наиболее характерных соединений различных классов. Рассчитанные значения констант позволяют говорить о неполярности ПТМСП (сорбент I) как неподвижной фазы и о способности только к дисперсионным взаимодействиям с молекулами сорбатов (табл. 2).

Т а б л и ц а Константы Роршнайдера и Мак-Рейнольдса для сорбентов I и III Неподвижная фаза Константы Роршнайдера Константы Мак-Рейнольдса x y z s 4 1 2 5 ПТМСП (I)* -0,49 0,97 0,19 -0,11 0,56 -49 118 -11 ПТМСП (III)* -0,51 1,26 0,55 0,05 1,35 -51 152 5 1SE-30,OV-1 0,16 0,20 0,50 0,48 1,34 15 53 41 1* Погрешность расчета представленных величин не превышает ± 0,01; ± В результате продолжительной работы сорбента I в условиях газовой хроматографии константы Роршнайдера и Мак-Рейнольдса немного возросли (за исключением х и 1) и суммарное значение полярности неподвижной фазы (сорбент III) приблизилось к таковому для неполярных полисилоксановых фаз, таких как SE-30 и OV-1. Причиной повышения полярности ПТМСП, вероятно, стала сорбция небольшого количества полярных соединений или частичное окисление полимера.

Подобные изменения пористой структуры и полярности сорбента не могли не сказаться на удерживании молекул сорбатов. В результате эксплуатации колонки I в течение 2,5 лет (12000 часов) время и константы удерживания легких углеводородов С1-С4 уменьшились, а их порядок выхода изменился. Рис. 1 иллюстрирует изменение порядка выхода углеводородов а) б) в) г) группы С2: на колонке I ацетилен элюируется перед этиленом и этаном, а после двух с половиной лет работы колонки ацетилен выходит между этими компонентами, что соответствует возрастанию температуры кипения разделяемых соединений.

Рис. 1. Изменение порядка выхода углеводородов группы Помимо порядка выхода, измеС2 на колонке Хромосорб Р NAW + 10 мас.% ПТМСП нились и значения теплоты и энпосле эксплуатации в течение: а) 0; б) 1,5; в) 2; г) 2,5 лет.

тропии адсорбции углеводоро1 – метан; 2 – ацетилен; 3 – этилен; 4 – этан дов С2-С4 на ПТМСП (табл. 3).

Теоретически уменьшение площади поверхности и объма микропор должны были привести к уменьшению теплоты адсорбции легких углеводородов, однако, на практике они существенно возросли. Приемлемым объяснением этого факта является предположение об изменении геометрии свободного объма в ПТМСП, приводящем к сужению микропор. В свою очередь известно, что уменьшение размера микропор приводит к росту теплоты адсорбции.

Т а б л и ц а Теплота (Q) и энтропия адсорбции (S0) углеводородов С2-С4 на сорбентах I и III* Сорбент I Сорбент III Сорбат Q, кДж/моль -S0, Дж/моль K Q, кДж/моль -S0, Дж/моль K Ацетилен 18,4 77,5 30,2 115,Этилен 21,8 85,1 29,7 117,Этан 23,0 84,2 31,0 116,Пропилен 28,1 87,6 38,5 119,Пропан 28,9 88,0 40,2 124,Бутан 35,2 97,2 45,7 124,* Погрешность расчета представленных величин не превышает ± 0,1 кДж/моль (Дж/моль K) Параметры удерживания более тяжелых углеводородов значительно не изменились со временем, порядок выхода компонентов остался прежним, однако наблюдалось существенное изменение формы пиков. Пики алканов С6-С12 и ароматических соединений на колонке I имеют сильно асимметричную форму с резким отвесным фронтом и растянутой задней границей, что соответствует выпуклой форме изотермы сорбции, типичной для сорбентов с энергетически неоднородной поверхностью. В течение первых полутора лет эксплуатации колонки наблюдалось резкое возрастание факторов асимметрии пиков (Fas) жидких углеводородов (табл. 4). Подобное явление также хорошо объясняется выдвинутым выше предположением о сужении микропор в процессе старения полимера. Уменьшение диаметра микропор делает их недоступными для адсорбции крупных молекул, что приводит к существенному уменьшению размывания пиков этих соединений.

Повышение симметрии пиков позволяет расширить круг разделяемых соединений на сорбентах II и III. Так, если сорбент на основе свежеприготовленного ПТМСП малоэффективен при разделеТ а б л и ц а нии жидких углеводороВремя удерживания (tR) и фактор асимметрии пиков (Fas) дов вследствие сильного некоторых соединений на колонках I, II и III размывания пиков, то соtR, мин* Fas старенный сорбент позво- Компонент I II III I II III ляет эффективно разделять Гексан 1,46 1,48 1,65 0,66 0,90 0,смеси алканов и алкенов Гептан 2,52 2,47 2,64 0,59 0,87 0,С1-С8, смеси изоалканов и Октан 4,11 3,77 4,80 0,24 0,67 0,ароматических соединеНонан 8,07 8,02 9,30 0,14 0,61 0,ний С5-С10, хлорзамещенДекан 15,18 15,72 18,57 0,10 0,60 0,ных углеводородов, сероБензол 1,64 1,58 1,84 0,38 0,75 0,содержащих неорганичеТолуол 2,80 2,82 3,14 0,25 0,73 0,ских газов и легких углеЭтилбензол 4,45 4,07 5,62 0,21 0,83 0,* Погрешность определения не превышает 1 % водородов (рис. 2).

В результате структурных изменений пористой системы ПТМСП стало возможным разделение структурных изомеров ксилола на колонках II и III, что не представлялось возможным на колонке I. Вероятно, изменение геометрии каналов в ПТМСП привело к тому, что пространственное строение молекул стало значительно влиять на их удерживание в колонке.

Следствием возросшей симметрии пиков в результате продолжительной эксплуатации колонки стало повышение эффективности, определяемой числом теоретических тарелок и их высотой (H). В среднем высота эквивалентной теоретической тарелки на колонке II меньше практически в 10 раз по сравнению с колонкой I и составляет от 1,1 до 3,7 мм для разных классов соединений (табл. 5).

Такие хроматографиТ а б л и ц а ческие параметры, как коэфХарактеристики разделения и эффективность фициенты селективности колонок I, II и III разделения анализируемых C6H6/C6H5CH3 C6H14/C7Hсоединений () значительно Параметр I II III I II III не изменились со временем, * 1,94 2,05 2,05 2,00 2,03 1,однако существенно увелиRs* 1,42 5,17 10,4 1,41 2,57 3,чилось разрешение пиков (Rs) 11,0/ 1,6/ 2,7/ 24,1/ 3,7/ 2,8/ за счет возросшей эффективН, мм 20,7 2,0 2,7 26,3 3,7 3,ности колонки (табл. 5).

* Погрешность расчета представленных величин не превышает ± 0,Исследование зависимости высоты эквивалентной теоретической тарелки (ВЭТТ) от скорости газа-носителя (u) на примере пропана и пропилена показало, что со временем механизм размывания хроматографических полос в колонке изменяется. Угол наклона правой ветви кривой Ван-Деемтера значительно уменьшился, так что эффективность колонки III при u > 40 мл/мин практически не зависит от скорости газа носителя. Скорее всего, подобные изменения вызваны увеличением среднего радиуса пор в ПТМСП вследствие сокращения числа микропор. Расчет численных значений коэффициентов уравнения Ван-Деемтера показал, что в колонке I основным фактором, определяющим размывание хроматографической зоны, является сопротивление массопередаче в неподвижной фазе. В колонке III размывание хроматографических пиков происходит в основном вследствие двух факторов: молекулярной диффузии в подвижной фазе и задержки массопередачи в жидкой фазе, при этом значения соответствующих коэффициентов уравнения Ван-Деемтера в несколько раз меньше на колонке III, по сравнению с колонкой I.

Следует отметить, что кардинальа) ные изменения свойств сорбента I (изменение порядка выхода компонентов, увеличение теплоты адсорбции и эффективности) произошли в первые 1,5 года (70часов) работы колонки, дальнейшие изменения не столь существенны и, скорее всего, связаны с утрамбовыванием сорбента в колонке, измельчением частиц носителя, б) слипанием зерен и т.д.

В данной главе также рассматривается возможность модифицирования пористого полимера Полисорба-1 разным количеством ПТМСП (0,5-1,5 %). Экспериментально показано на примере разделения спиртов и ароматических углеводородов, что модификация приводит Рис. 2. Хроматограмма смеси углеводородов:

к повышению симметрии пиков, изменеа) колонка I: 1 – пентан; 2 –гексан; 3 – гептан;

4 – октан; 5 – нонан; нию времени удерживания и порядка выб) колонка III: 1 – пентан; 2 – гексен-1;

хода некоторых соединений.

3 – гексан; 4 – бензол; 5 – 2,4-диметилпентан;

6 – 3-метилгексан; 7 – гептан; 8 – толуол;

9 – 3-метилгептан; 10 – октен-1; 11 – октан;

12 – этилбензол Последний раздел главы посвящен изучению изменения химического состава ПТМСП со временем. После 2,5 лет (12000 часов) использования полимера в условиях газовой хроматографии был проведен его ИК-спектроскопический и элементный анализ. Появление в ИК-спектре образца II полос поглощения, характерных для связи С-О (1075 см-1) и С-С (1029-1060 см-1), а также карбонильной (1713 см-1), лактонной (1778 см-1) и гидроксильной групп (3350-3550 см-1) и изменение соотношения интенсивностей полос поглощения относительно друг друга свидетельствует о протекании частичного окисления ПТМСП в процессе старения Рис. 3. ИК-спектры образцов ПТМСП I и II (рис. 3). Детальное рассмотрение результатов элементного и ИК-спектроскопического анализов позволило определить, что окисление проходит по метильной группе CH3-(C=C), двойной связи -C=C- и связи С-Si.

Таким образом, структурные изменения, заключающиеся в уменьшении свободного объема и частичном окислении полимера, существенно сказываются на хроматографических свойствах сорбента Хромосорб P NAW + 10 % ПТМСП (изменяется порядок выхода компонентов и механизм размывания хроматографических зон, повышается симметрия пиков и эффективность колонки, существенно изменяются параметры удерживания и значения теплоты адсорбции некоторых веществ), что является существенным ограничением для его практического использования в качестве хроматографического материала.

Четвертая глава посвящена изучению хроматографических и адсорбционных свойств сорбента c поли(1-фенил-1-пропином). Растворимость синтезированного ПФП составила 8,6 мас.% в толуоле, что обусловило состав сорбента на его основе. Сорбент IV – Хромосорб P NAW + 8,6 мас.% ПФП (колонка IV соответственно) – характеризуется низким значением удельной площади поверхности (5 м2/г). Значение суммарной полярности ПФП находится рядом со значениями полярности близких ему по составу метилфенильных силоксановых фаз, таких как OV-25 (75 % фенила) и SR-119 (100 % фенила). В данной главе также приведены результаты расчетов таких характеристик сорбента IV, как теплота адсорбции углеводородов С2-С3 и серосодержащих неорганических газов, приращение свободной энергии на группу -СН2- в н-алканах, коэффициенты уравнения Ван-Деемтера и эффективные коэффициенты диффузии для пропана и пропилена, построена зависимость ВЭТТ от скорости потока газа-носителя.

Аналитические возможности колонки IV не представляют особого практического интереса: н-алканы не разделяются вследствие малого удерживания компонентов и сильного размывания, пики аренов размытые и полностью не разделяются. Удовле творительное разделение получено только при анализе смеси неорганических серосодержащих газов, CO2 и воздуха (рис. 4).

После длительной работы колонки IV (колонка V – колонка IV после 2,5 лет (12000 часов) работы) порядок выхода анализируемых соединений остался прежним, Рис. 4. Хроматограмма смеси серосодержащих а время и константы удерживания соединений, воздуха и CO2.

сорбатов изменились незначительно 1 – воздух; 2 – CO2; 3 – H2S; 4 – COS; 5 – SO(табл. 6), что говорит о стабильноТ а б л и ц а сти свойств сорбента IV при эксВремена и константы удерживания некоторых плуатации в условиях газовой соединений на колонках IV и V хроматографии.

Колонка IV Колонка V Как и в случае с ПТМСП, Компонент tR*, мин kуд tR*, мин kуд было изучено влияние модифициГексан 0,77 0,24 0,68 0,рования пористого полимера ПолиГептан 0,87 0,40 0,78 0,сорба-1 разным количеством ПФП Октан 1,09 0,76 0,94 0,(0,5 и 1,5 мас.%) на его свойства.

Бензол 0,93 0,50 0,96 0,Показано, что модифицирование Толуол 1,23 0,98 1,28 1,позволяет улучшить некоторые Ксилол 1,80 1,90 1,85 2,хроматографические характеристи* Относительное стандартное отклонения измерения времени ки сорбента (симметрия пиков, коудерживания не превышало 1 % эффициенты разделения и разрешения, эффективность колонки), по сравнению с исходным пористым полимером.

В пятой главе рассматриваются хроматографические свойства смешанной неподвижной фазы 97 % ПТМСП + 3 % ПФП. Сорбент VI представлял собой диатомитовый носитель Хромосорб Р NAW, модифицированный 10 мас.% смешанной неподвижной фазы 97 % ПТМСП + 3 % ПФП. Оптимальный состав смешанной фазы был выбран на основе литературных данных, согласно которым, с одной стороны, чем больше содержание ПФП в смеси, тем выше ее стабильность, с другой стороны, при содержании ПФП более 3 % газопроницаемость композиционной мембраны существенно падает и при дальнейшем повышении содержания ПФП происходит инверсия фазы. Таким образом, значение 3 % является пограничным и позволяет получить стабильную фазу без существенной потери газопроницаемости.

Результаты исследования текстурных характеристик полученного сорбента свидетельствует о том, что добавление 3 % ПФП приводит к существенному изменению распределения объема между микро- и мезопорами в исходном ПТМСП (табл. 7). Значение суммарной удельной площади поверхности Т а б л и ц а сорбента VI совпадает с тем же значением для сорТекстурные характеристики бента II, однако площадь поверхности и объем месорбента VI * зопор сорбента VI существенно больше, а площадь SБЭТ, м2/г 39 ± поверхности микропор меньше. Из чего следует, S, м2/г 15 ± что в структуре сорбента VI присутствует больше SM, м2/г 24 ± мезопор и меньше микропор, по сравнению как V, см3/г 0,06 ± 0,со свежеприготовленным, так и состаренным сорV, см3/г 0,01 ± 0,бентом на основе ПТМСП. Природа появления изVM, см3/г 0,05 ± 0,лишнего объема точно неизвестна, однако можно * Обозначения см. в табл. предположить, что небольшие включения ПФП в матрице ПТМСП ограничивают релаксацию свободного объема, которая происходит в течение короткого времени в ПТМСП и приводит к уменьшению свободного объма полимера.

Суммарное значение полярности смешанной фазы 97 % ПТМСП + 3 % ПФП находится между соответствующими значениями для метилфенилсилоксановых фаз SE-52 и OV-3, содержащих 5 и 10 % фенила соответственно (табл. 8). Как и следовало ожидать, добавление ПФП, более полярного за счет наличия в структуре бензольного кольца, повысило полярность исходно неполярного ПТМСП.

Т а б л и ц а Константы Роршнайдера и Мак-Рейнольдса для сорбента VI Константы Роршнайдера Константы Мак-Рейнольдса Неподвижная фаза x y z s 4 1 2 5 97% ПТМСП + 3% ПФП* -0,07 1,23 1,05 0,68 2,89 -7 144 68 2SE-52 - - - - - 32 72 67 1OV-3 0,44 0,81 0,85 0,88 2,98 44 86 88 2* Погрешность расчета представленных величин не превышает ± 0,01, ± При разделении легких углеводородов сорбент VI проявляет специфичность относительно группы С2, наблюдавшуюся на сорбенте I: ацетилен элюируется перед этиленом и этаном, при этом селективность разделения данных компонентов выше по сравнению как с сорбентом I, так и с неполярным полимером Порапак QS – единственным пористым полимером, на котором наблюдается подобный порядок выхода (табл. 10).

Рассчитанные значения теплоты и энтропии адсорбции углеводородов С3-Cна сорбенте VI сопоставимы с таковыми значениями на сорбенте I, а для углеводородов С2 примерно в два раза меньше (табл. 3, табл. 9). Подобное различие в параметрах адсорбции можно объяснить наличием значительно меньшего количества микропор в структуре смешанной фазы 97 % ПТМСП + 3 % ПФП, по сравнению с исходным ПТМСП. Отсутствие микропор, которые были бы доступны для адсорбции только углеводородов группы С2, проявляется в существенно меньших значениях теплоты адсорбции этих соединений и не влияет на значения Q соединений с бльшим размером молекул.

При дальнейшем тестировании сорбента VI на примере разделения разных классов соединений, выявились и другие различия в хроматографических свойствах между сорбентами VI и I. Помимо отличий в таких параметрах как время, константы и объмы удерживания, порядок элюирования некоторых веществ на смешанной фазе отличен от порядка выхода этих соединений на сорбентах с ПТМСП и ПФП. НаТ а б л и ц а пример, ароматические соединения на Теплота (Q) и энтропия адсорбции (S0) углеводородов С2-С4 на сорбенте VI* колонке VI элюируются перед налканами с тем же числом атомов угQ, -S0, Сорбат лерода, в то время как на колонках кДж/моль Дж/моль K с ПТМСП порядок выхода компоненАцетилен 8,4 31,тов этой смеси обратный (рис. 5).

Этилен 8,8 32,Следует отметить, что элюирование Этан 11,7 40,аренов перед н-алканами с тем же Пропилен 26,0 80,числом атомов углерода наблюдается Пропан 28,1 85,Бутан 41,5 115,только на ГТС и подобных ей угле* Погрешность расчета представленных величин родных сорбентах, а неподвижные не превышает ± 0,1 кДж/моль (Дж/моль K) фазы с подобным порядком выхода неизвестны.

Важно отметить, что пики аре а) б) нов, алканов, алкенов, хлорзамещенных алканов имеют достаточно симметричную форму на смешанной фазе 97 % ПТМСП + 3 % ПФП, фактор асимметрии близок к единице (табл. 10).

Построение графиков зависимости ВЭТТ от скорости потока газаносителя позволило определить для Рис. 5. Хроматограммы смеси насыщенных колонки VI область оптимальных и ароматических углеводородов С6-Сскоростей, которая составила 42 на колонках VI (а) и III (б).

47 мл/мин. Численный расчет коэф1 – бензол; 2 – гексан; 3 – толуол; 4 – гептан;

фициентов уравнения Ван-Деемтера 5 – этилбензол; 6 – октан показал, что основной вклад в размывание пиков на сорбенте VI вносит диффузия в неподвижной жидкой фазе.

В конце главы приведены примеры разделения различных соединений, демонстрирующие аналитические возможности колонки VI. Следует отметить, что выгодной особенностью смешанной неподвижной фазы 97 % ПТМСП + 3 % ПФП является возможность ее использования для решения задач как адсорбционной, так и газожидкостной хроматографии. При этом показатели разделения на сорбенте VI сопоставимы, а зачастую и превосходят аналогичные показатели на сорбентах и неподвижных фазах, обычно используемых для этих целей. Причиной такой универсальности является структура сорбента – тонкая пленка пористого полимера на твердом носителе. Площадь пористой поверхности достаточно велика для разделения газов, а наличие небольшого количества микропор приводит к специфическому порядку выхода некоторых компонентов разделяемой смеси. В то же время, благодаря тому, что для адсорбции доступен только тонкий слой на поверхности сорбента, более тяжелые соединения не сорбируются необратимо в пленке пористого полимера.

Примером применения сорбента VI для решения задач газоадсорбционной хроматографии может служить разделение смеси серосодержащих и углеводородных газов, являющихся продуктами реакции каталитического восстановления диоксида серы метаном или синтез-газом. В литературе для анализа подобных смесей рекомендуется использовать пористые полимерные сорбенты, такие как Порапак QS, Хромосорб 1и Хайсеп Q. На рис. 6 представлены хроматограммы, полученные в одинаковых условиях на колонках одинакового размера, заполненных сорбентом VI и Порапаком QS. Из рисунка видно, что селективность разделения таких пар соединений как пропан/пропилен и пропан/SO2 существенно выше на сорбенте VI, чем на колонке с Порапаком QS. Кроме того, побочным продуктом данной реакции является вода, пик которой в случае анализа на Порапаке QS перекрывается с пиком пропана и пропилена. На сорбенте VI при данных условиях хроматографирования tR(H2O) составляет 11,23 мин, так что присутствие воды в анализируемой смеси не мешает разделению определяемых компонентов.

a) б) Рис. 6. Хроматограммы смеси органических и неорганических газов: а) колонка VI;

б) колонка с Порапак QS. Условия анализа: 1 мин при 30С и програм. нагрев до 150С, скорость нагрева 20 град/мин, детектор – ДТП.

1 – N2 + O2; 2 – CH4; 3 – CO2; 4 – C2H4; 5 – C2H6; 6 – H2S; 7 – COS; 8 – H2O; 9 – C3H6;

10 – C3H8; 11 – SO2; 12 – C4HВысокая селективность колонки VI при анализе галогенпроизводных алканов позволяет рекомендовать ее для решения такой задачи газожидкостной хроматографии, как разделение хлорзамещенных производных метана, встречающейся при контроле продуктов реакции оксихлорирования метана и примесей хлорметанов в товарном CCl(анализ предполагает определение примесей при их массовой доле в продукте 0,01 %).

В первом случае для разделения обычно используются неполярные полисилоксановые фазы, такие как SE-30 и OV-1, во втором – апиезон L или полиэтилсилоксан ПЭС-5.

Сорбент VI позволяет решить обе задачи, не уступая при этом в селективности вышеперечисленным фазам (рис. 7,а).

a) б) Рис. 7. Хроматограмма определения на колонке VI:

а) 0,01 мас.% CH2Cl2 и CHCl3 в CCl4, Ткол = 130С, детектор – ПИД. 1 – CH2Cl2; 2 – CHCl3; 3 – CCl4;

б) 0,37 мас.% тиофена в бензоле, Ткол = 100С, детектор – ПИД. 1 – тиофен; 2 – бензол Интересное решение получено на колонке VI при определении микропримеси тиофена в бензоле. Данная задача встречается при контроле качества бензола, получаемого из каменноугольной смолы, который всегда содержит примесь тиофена. Близость физических свойств этих соединений и тот факт, что на всех известных неподвижных фазах тиофен элюируется после макрозоны бензола, обусловливает трудности решения данной задачи. К тому же способность ароматических углеводородов тушить характеристическую для серосодержащих соединений световую эмиссию (394 нм) при их одновременном элюировании из колонки в горелку пламенно-фотометрического детектора требует как можно более полного разделения хроматографических зон тиофена и бензола. На колонке VI тиофен не только хорошо отделяется от макрозоны бензола, но и элюируется раньше (рис. 7, б), что позволяет существенно упростить определение этой примеси в бензоле и сократить время анализа.

Следует отметить также возможность разделения на смешанной неподвижной фазе смеси газообразных и жидких углеводородов (рис. 8), в то время как достаточно часто для разделения подобных смесей приходится использовать две колонки с разными сорбентами, для разделения газообразной и жидкой части пробы.

После 1,5 лет (7000 часов) использования колонки VI (обозначена как колонка VII) время и константы удерживания равномерно уменьшились для большинства изученных соединений, однако порядок выхода компонентов сохранился.

Такие параметры, как факторы асимметрии пиков и коэффициенты разделения также не подверглись существенным изменениям (табл. 10). Из этого можно Рис. 8. Хроматограмма смеси углеводородов С1-С8 на колонке VI.

заключить, что смешанная Условия анализа: 2 мин при 35С и програм. нагрев до 180С, фаза не претерпевает значискорость нагрева 15 град/мин, детектор – ПИД.

тельных структурных изме1 – метан; 2 – этилен; 3 – этан; 4 – пропилен; 5 – пропан;

нений на протяжении этого 6 – бутадиен; 7 – н-бутан; 8 – пентан; 9 – гексен-1;

времени и стабильна как 10 – гексан;11 – гептан; 12 – октен-1; 13 – октан минимум в течение 1,5 лет.

Т а б л и ц а Факторы асимметрии и коэффициенты селективности разделения некоторых веществ Гексан/ Гептан/ Бензол/ Гексан/ CH2Cl2/ СНСl3/ С2H2/ С2Н4/ H2S/ Сорбенты бензол толуол толуол гептан СНСl3 СCl4 С2Н4 С2Н6 COS 0,93/ 0,92/ 0,91/ -/ 0,79/ -/ 0,40/ - - Fas VI 0,94 0,91 0,85 0,88 0,88 0,86 0, 1,27 1,20 2,34 2,22 2,04 1,73 1,30 1,71 1,0,92/ 0,93/ 0,93/ -/ 0,79/ -/ 0,42/ - - Fas VII 0,95 0,90 0,88 0,87 0,87 0,87 0, 1,25 1,21 2,35 2,29 2,48 1,65 1,28 1,71 1,Порапак 1,17 1,19 2,13 1,97 2,08 1,62 1,07 1,17 1,QS Поли- - - 1,22 1,20 2,12 2,05 1,20 1,42 1,сорб- ВЫВОДЫ 1. Исследовано влияние продолжительной эксплуатации сорбента Хромосорб P NAW + 10 % ПТМСП в течение 2,5 лет (12000 часов) работы в условиях газовой хроматографии на насадочных колонках в температурном интервале от 30 до 180С на его хроматографические свойства. Экспериментально подтверждено, что структурные изменения, заключающиеся в уменьшении свободного объма и частичном окислении полимера, существенно сказываются на свойствах сорбента: изменяется порядок выхода компонентов, повышается симметрия пиков и эффективность колонки, существенно изменяются параметры удерживания и значения теплоты адсорбции хроматографируемых веществ. Существенные изменения хроматографических свойств происходят в течение первых 1,5 лет (7000 часов) эксплуатации сорбента.

2. Впервые в качестве хроматографического материала была предложена неподвижная фаза составом 97 % ПТМСП + 3 % ПФП. Изучены хроматографические и адсорбционные свойства сорбента Хромосорб Р NAW + 10 % (97 % ПТМСП + 3 % ПФП) на примере разделения неорганических и углеводородных газов, изомеров и гомологов углеводородного ряда, ароматических соединений, спиртов, хлорзамещенных алканов.

Продемонстрировано, что данный сорбент эффективен при решении широкого круга задач как газоадсорбционной, так и газожидкостной хроматографии, таких как совместное определение углеводородов и серосодержащих неорганических газов, анализ примесей хлорзамещенных метанов в CCl4 и тиофена в бензоле, разделение углеводородов и ароматических соединений С5-С12, анализ легких углеводородов.

3. Экспериментально получены такие важные хроматографические характеристики сорбента Хромосорб P NAW + 10 % ПТМСП, как полярность и текстура поверхности.

Показано, что ПТМСП является неполярной фазой, способной только к дисперсионным взаимодействиям с молекулами сорбатов.

4. Установлено, что хроматографические свойства сорбента Хромосорб P NAW + 10 % (97 % ПТМСП + 3 % ПФП) стабильны при продолжительной эксплуатации в течение как минимум 1,5 лет (7000 часов) работы в условиях газовой хроматографии на насадочных колонках в температурном интервале от 30 до 180С.

5. Исследована возможность использования ПФП в качестве хроматографического материала при нанесении полимера на диатомитовый носитель Хромосорб P NAW и полимер Полисорб-1. Подробно изучены хроматографические и адсорбционные свойства сорбента Хромосорб P NAW + 8,6 % ПФП и показано, что данный сорбент эффективен при разделении серосодержащих неорганических газов, однако является низкоэффективным при анализе углеводородов, ароматических соединений и спиртов. Экспериментально показано, что свойства сорбента Хромосорб P NAW + 8,6 % ПФП стабильны как минимум 2,5 года (12000 часов) работы в условиях газовой хроматографии на насадочных колонках.

Основное содержание диссертации изложено в следующих работах:

1. Яковлева Е.Ю., Белоцерковская В.Ю., Фадеева В.П., Литвак Г.С., Паукштис Е.А., Бабушкин Д.Э. «Влияние химической модификации на газохроматографические свойства полимерных сорбентов Полисорба-1, Хайсепа Q и диатомитового носителя Хромосорба P NAW» // Журн. физич. химии. 2009. – Т.83, № 5. – С. 972-977.

2. Белоцерковская В.Ю., Яковлева Е.Ю. «Хроматографические свойства поли(1-фенил1-пропина)» // Журн. физич. химии. – 2010. – Т.84, № 2. – С. 363-368.

3. Яковлева Е.Ю., Белоцерковская В.Ю. «Хроматографические свойства и оценка полярности поли(1-триметилсилил-1-пропина) и поли(1-фенил-1-пропина)» // Журн.

аналит. химии. 2010. – Т.65, № 10. – C.1039-1045.

4. Белоцерковская В.Ю., Яковлева Е.Ю. «Исследование процесса "старения" поли(1-триметилсилил-1-пропина) методом газовой хроматографии» // Журн.

структ. химии. – 2010. – Т.51. – С.162-166.

5. Белоцерковская В.Ю., Яковлева Е.Ю. «Хроматографические свойства поли(1триметилсилил-1-пропина)» // Журн. физич. химии. – 2011. – Т.85, № 5. – С. 939-944.

6. Яковлева Е.Ю., Белоцерковская В.Ю. «Хроматографические и адсорбционные свойства смешанной неподвижной фазы ПТМСП/ПФП» // Журн. аналит. химии. – 2011. – Т.66, № 6. – C. 647-651.

7. Белоцерковская В.Ю., Яковлева Е.Ю. «Синтез поли(1-фенил-1-пропина)» // Всероссийская конференция по макромолекулярной химии: Сб. тезисов. – Улан-Удэ, 2008. – С. 13.

8. Яковлева Е.Ю., Белоцерковская В.Ю. «Хроматографические свойства поли(1-фенил1-пропина)» // Всероссийская конференция по макромолекулярной химии: Сб. тезисов. – Улан-Удэ, 2008. – С. 160.

9. Белоцерковская В.Ю., Яковлева Е.Ю. «Исследование хроматографических и адсорбционных свойств поли-(1-фенил-1-пропина)» // ХХ Симпозиум «Современная химическая физика»: Сб. тезисов. – Туапсе, 2008. – С. 16.

10. Яковлева Е.Ю., Белоцерковская В.Ю., Уткин В.А. «Синтез, физико-химические и хроматографические свойства поли-(1-фенил-1-пропина)» // VII Научная конференция «Аналитика Сибири и Дальнего Востока»: Сб. тезисов. – Томск, 2008. – С. 175.

11. Белоцерковская В.Ю., Яковлева Е.Ю. «Характеристика новых неподвижных фаз поли(1-триметилсилил-1-пропина) и поли(1-фенил-1-пропина)» // Всероссийская конференция «Теория и практика хроматографии. Хроматография и нанотехнологии»: Сб. тезисов. – Самара, 2009. – С. 24.

12. Белоцерковская В.Ю., Яковлева Е.Ю. «Исследование процесса «старения» поли(1-триметилсилил-1-пропина) методом газовой хроматографии» // Всероссийская научная конференция «Методы исследования состава и структуры функциональных материалов»: Сб. тезисов. – Новосибирск, 2009. – С. 182.

13. Белоцерковская В.Ю., Яковлева Е.Ю. «Газовая хроматография как метод исследования структуры пористых полимеров» // Всероссийская научная молодежная школаконференция «Химия под знаком «Сигма»: Сб. тезисов. – Омск, 2010. – С. 88-89.

БЕЛОЦЕРКОВСКАЯ Вера Юрьевна ХРОМАТОГРАФИЧЕСКИЕ И АДСОРБЦИОННЫЕ СВОЙСТВА ПОЛИ(1-(ТРИМЕТИЛСИЛИЛ)-1-ПРОПИНА) И ИХ СТАБИЛИЗАЦИЯ ДОБАВЛЕНИЕМ ПОЛИ(1-ФЕНИЛ-1-ПРОПИНА) Автореф. дисс. на соискание учной степени кандидата химических наук.

Подписано в печать 20.02.2012. Заказ № 24. Формат 60х84/16. Усл. печ. л. 1. Тираж 100 экз.

Отпечатано в типографии Института катализа СО РАН 630090 Новосибирск, проспект Академика Лаврентьева,






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.