Міністерство освіти і науки України
Дніпропетровський національний університет імені О. Гончара
Хімічний факультет
Кафедра
аналітичної хімії
КУРСОВА РОБОТА
з аналітичної хімії
на
тему: «Газова хроматографія в аналізі повітря»
Студентки
Носікової К.В.
м. Дніпропетровськ, 2013 р.
Зміст
Вступ
. Літературний огляд
.1 Газова хроматографія
.1.1 Газоадсорбційна хроматографія
.1.2 Газорідинна хроматографія
.1.3 Особливості газової хроматографії
.1.4 Основні блоки газового хроматографа
. Експериментальна частина
2.1 Апаратура й матеріали
.2 Реактиви та посуд
.3 Приготування градуювальних газоподібних проб
.4 Визначення концентрації парів легких органічних сполук при їх спільній присутності в газових викидах на промислових підприємствах методом капілярної газорідинної хроматографії
.4.1 Результати методики
.5 Можливості визначення складу складної газової суміші на Хроматографі«ЦВЕТ-800»
.5.1 Методика проведення аналізу
.5.2 Результати аналізу
.5.3 Виконання аналізу газових проб
.6 Аналітичний огляд методів визначення мікрокількостей акролеїну в повітрі
Висновки
Список використаної літератури
Вступ
Газова хроматографія - найбільш теоретично розроблений метод аналізу. Саме розвиток теорії і практики газової хроматографії сприяло швидкому розвитку в останні десятиліття рідинної колонкової хроматографії і високошвидкісний рідинної хроматографії. Відмінність методу газової хроматографії від інших хроматографічних методів пов'язані з тим, що в якості рухомої фази в ній використовують газ. Застосування газу як рухомої фази обумовлює такі переваги методу, як швидкість проведення аналізу, чіткість поділу. Цим методом можуть бути проаналізовані не тільки газоподібні, а й рідкі та тверді речовини. Методом газової хроматографії можуть бути проаналізовані речовини з молекулярною масою менше 400. В аналітичній практиці в основному застосовують метод газорідинної хроматографії. Його переваги перед газо-адсорбційним пов'язані головним чином з можливістю широкого вибору нерухомих рідких фаз різної хімічної природи, а також з високою чистотою і однорідністю рідин.
Недоліком газоадсорбційного методу є не лінійна залежність ізотерм адсорбції, що призводить до несиметричності піків.
Виникнення хроматографії як
наукового методу пов'язано з ім'ям російського вченого-ботаніка М.С.Цвету, який
уперше застосував явище адсорбції для аналізу зеленої частини хлорофілових
пігментів листя. У 1903 р. М.С. Цвет опублікував статтю, в якій сформулював
принцип нового методу і наочно показав можливість відділення зеленої частини
хлорофілових пігментів від жовтої і помаранчевої за допомогою вуглекислого
кальцію(адсорбенту).
1. Літературний огляд
.1 Газова хроматографія
газовий хроматографія акролеїн повітря
Газова хроматографія об'єднує всі хроматографічні методи аналізу, в яких рухомою фазою є газ, а компоненти суміші, що аналізується, подаються на колонку в газо- або пароподібному агрегатному стані. При цьому розподіл молекул речовини між нерухомою фазою сорбенту та газуватою рухомою фазою може ґрунтуватися на їx адсорбції на поверхні твердого сорбенту або розчиненні в рідкій нерухомій фазі, закріпленій на пористому твердому носії. У першому випадку йдеться про газоабсорбційну хроматографію, в другому - про газорідинну.
Головними роботами з газової хроматографії були: розробка, у 1951 р. радянськими вченими під керівництвом А.А. Жуховицького і К.О. Гольберта, методу хроматографії, що ґрунтується на різній зміні здатності газів до сорбції зі зміною температури; розробка газорідинної хроматографії, у 1952 р. англійськими вченими А. Джеймсом і А. Мартіном. А. Мартін та Р. Сінг ще у 1942 р. передбачили можливість використання газу як рухомої фази.
Газова хроматографія є одним із найефективніших і найпоширеніших методів розділення та визначення хімічних сполук, особливо органічних, які можуть перебувати в газо- або пароподібному стані за температури до 300-400 °С. Успішне використання газової хроматографії пояснюється її значними перевагами перед іншими методами аналізу. Передусім газовій хроматографії притаманна висока роздільна здатність, зумовлена можливістю використання капілярних колонок довжиною до декількох десятків метрів і діаметром 0,2-1 мм, а також можливість проведення аналізу як в ізотермічному, так і в програмованому термічному режимах.
Використання щільно упакованих набивних колонок малого діаметру, а також капілярних колонок із тонким шаром нерухомої рідкої фази, тобто невеликих об'ємів Vа і V0 значно прискорює аналіз. За експресністю аналізу багатокомпонентних сумішей газова хроматографія поза конкуренцією. Наприклад, жодним іншим методом неможливо протягом 1 року проаналізувати нафтопродукти, що складаються з багатьох десятків компонентів. Газова хроматографія є універсальним методом аналізу, який дає змогу розділяти й кількісно визначати різні суміші, включаючи низькокиплячі газоподібні сполуки та суміші рідких і твердих речовин. До них належить надзвичайно багато органічних речовин, а також значна кількість простих і складних неорганічних сполук, таких як галогени, кислотні оксиди, β-дикетонати металів тощо. У деяких галузях промисловості, наприклад у нафтохімічній і газовій, до 90-100% хімічних аналізів виконують газохроматографічним методом. Нарешті,потрібно зазначити високу чутливість газохроматографічного аналізу (10-9 -10-12 г/см3), потребу малої кількості проби для аналізу (0,1 мг і менше), хорошу відносну точність (0,1-1%) та можливість автоматизації.
До речовин, які можна визначати методом газової хроматографії, ставлять такі вимоги:
мають бути леткими; зазвичай це сполуки з молекулярною масою не більше 400-500;
мають бути термостійкими, тобто при переведенні в газоподібний стан вони не повинні руйнуватися.
Рухому фазу у газовій хроматографії інакше називають газ - носій, чим підкреслюють не тільки хімічну, а й адсорбційну інертність рухомої фази, тобто відсутність з її боку впливу на селективність розділення. Вибір газу-носія зумовлений двома важливими факторами: ефективністю і чутливістю колонки, а також принципом детектування. Можливість застосування газу як газу-носія визначається його фізичними і хімічними властивостями: хімічною інертністю, сорбційними властивостями, коефіцієнтом дифузії, в’язкістю.
До газу-носія ставляться такі основні вимоги:
· Відповідати необхідній чутливості і принципу дії детектора.
· Бути інертним по відношенню до нерухомої фази, речовин, що аналізуються та матеріалу колонки і детектора.
· Володіти якнайменшою здатністю до сорбції.
· Бути достатньо чистим, легко доступним і мати невисоку вартість.
· Мати якомога меншу в'язкість, щоб підтримувати невеликий градієнт тиску в колонці; вибухобезпечність.
· Повинен забезпечувати необхідні дифузійні характеристики, які визначають ефективність колонки.
Це достатньо жорсткі вимоги, тому в якості газів-носіїв використовують досить обмежений асортимент газів: гелій, азот, водень, аргон, оксид (ІV) вуглецю, рідше повітря, неон, криптон, метан, і в останній час - водяну пару. Газ-носій вибирають залежно від класу органічних сполук, які мають розділяти, і застосовуваного детектора. Наприклад, недоцільно вибирати азот або повітря у випадку детектора за теплопровідністю, оскільки ці гази мають низьку теплопровідність і чутливість детектора буде невисокою. В цьому детекторі як газ-носій можна застосувати гелій, найкраще водень, тому що він має найвищу теплопровідність. Водень має малу в'язкість, що дає змогу використовувати його під час роботи з довгими колонками, оскільки гідравлічний опір тут буде значно нижчим, ніж у разі застосування інших газів. При роботі з воднем треба пам'ятати, що цей газ є вибухонебезпечним, і дотримуватись правил техніки безпеки, зазначених в інструкції до газового хроматографа. Не можна елюювати ненасичені вуглеводні воднем в умовах, які допускають можливість гідрування, так як це призводить до неправильних результатів аналізу. Найдорожчим із перелічених газів є гелій, дешевими - азот і повітря. [3]
Тривалість розділення речовин (значення часів утримування) у газовій хроматографії залежить від температури і площі поверхні сорбенту. Відомо, що адсорбція тим більша, чим більша площа поверхні сорбенту. Отже, зменшивши площу поверхні, можна зменшити адсорбцію на вузькій ділянці нерухомої фази. Це призведе до прискорення проходження компонента суміш і крізь сорбент, а отже до скорочення тривалості аналізу.
Оптимальна швидкість газу-носія встановлюється експериментально. Звичайний хроматографічний дослід проводиться при середньому тиску, який трохи перевищує атмосферний. Температура - один з основних факторів у газовій хроматографії, який визначає тривалість розділення, селективність колонки, розмиття смуг. Для речовин із близькою полярністю послідовність елюювання корелює з їхніми температурами кипіння. Кожна пара речовин добре розділяється за деякої певної температури. Суміш речовин, які киплять у широкому діапазоні температур, розділити за сталої температури колонки складно, а часом неможливо. Наприклад, за низьких температур добре розділяються легкі компоненти, однак час елюювання сполук гомологічного ряду експоненціально зростає і загальна тривалість аналізу стає значною. Легкі компоненти можуть взагалі не розділитися. Цей недолік можна усунути зміною сорбційної ємності в ході розділення за допомогою підвищення температури колонки за заданим законом. З підвищенням температури зростає швидкість дифузійних процесів, які, залежно від визначальних стадій, можуть як збільшувати, так і зменшувати ефективність колонки. Зниження температури збільшує сорбційні здатності компонентів, тобто ступінь розділення, але також збільшує тривалість аналізу. Тому оптимальна температура обирається експериментально для кожної суміші компонентів, і повинна забезпечувати відсутність конденсації пари всіх компонентів та необхідне значення критерію розділення. Хроматографічне розділення у більшості випадків проводиться в ізотермічному режимі - при постійній температурі впродовж всього досліду і по всій довжині колонки. В газових хроматографах для забезпечення ізотермічного процесу колонку поміщають в термостат. Вид нерухомої фази відіграє головну роль у розділенні компонентів суміші, оскільки від його властивості залежить коефіцієнт селективності.
1.1.1 Газоадсорбційна хроматографія
У газовій хроматографії нерухомою фазою є твердий адсорбент з великою питомою поверхнею (10-1000 м2/г), а рухомою - хімічно інертний газ-носій (азот, гелій, аргон, водень тощо).
Адсорбенти мають виявляти такі основні властивості:
· хімічну інертність відносно компонентів суміші і рухомої фази;
· відсутність каталітичної активності;
· селективність;
· механічну стійкість;
· лінійність ізотерми адсорбції, що забезпечує сталість утримуваного об'єму за різних концентрацій адсорбату;
· доступність.
Однією з важливих характеристик
адсорбентів є адсорбційна ємність - кількість активних центрів на їх поверхні.
Вона зумовлена способом виготовлення адсорбенту та його подальшої обробки.
Адсорбенти стандартизують за адсорбційною активністю, на яку впливає вміст в
них води. В адсорбційній хроматографії найчастіше використовують такі полярні
адсорбенти, як силікагель та оксид алюмінію. Останнім часом також широко
застосовують адсорбенти, модифіковані ковалентними зв'язаними або адсорбованими
на їх поверхні органічними аналітичними реагентами. До неполярних адсорбентів
належать графітована сажа, активоване вугілля та інші, які є неселективними до
полярних молекул. Адсорбція на них відбувається за рахунок дисперсійних сил.
.1.2 Газорідинна хроматографія
В аналітичній практиці газорідинну хроматографію використовують значно частіше, ніж газоадсорбційну. Це зумовлено надзвичайно широким асортиментом рідких нерухомих фаз з урахуванням не тільки їх полярності, а й також хімічної природи. До того ж ізотерми сорбції при розділенні речовин у системі фаз "рідка-газова" є прямолінійними у ширшому інтервалі концентрацій, ніж у системі фаз "тверда - газова".
Для правильного вибору нерухомої фази в газорідинній хроматографії необхідно керуватися такими правилами:
ü Сили взаємодії компонентів з розчинником, який використовується в якості нерухомої фази, повинні діяти селективно, тобто вибірково. Важливе значення при виборі нерухомої фази мають полярність розчинника, здатність хімічно взаємодіяти з компонентами суміші чи утворювати водневі зв’язки і деякі інші.
ü Мають бути виключені необоротні реакції між речовиною рідкої фази і компонентами суміші, що аналізується, а також твердим носієм і газом-носієм.
Вибір рідкої фази в основному проводять емпірично, користуючись положеннями теорії розчинів та відомим літературними даними про фізико-хімічні властивості розчинника і речовин, що розчиняються. Рідкі нерухомі фази поділяють на три групи: неполярні (насичені вуглеводні), слабополярні (естери, нітрили тощо) і полярні (полігліколі, гідроксиламіни та ін.). Знаючи полярність нерухомої рідкої фази й полярність та хімічну природу речовин, якіпотрібнорозділити,можназпевноюймовірністювибратинайефективні-шу рідку фазу для хроматографічного аналізу. Рідкі нерухомі фази перед вміщенням у хроматографічну колонку наносять на зерна твердого носія.
До твердих носіїв ставляться такі вимоги:
ü розвинена питома поверхня - до 100 м2/г.
ü значний і по можливості однаковий об’єм пор - оптимальний діаметр від 0,5·10-3 до 1,5·10-3 мм.
ü однакові за формою і за розмірами частинки;
ü хімічна і адсорбційна інертність.
ü здатність змочуватися рідкою нерухомою фазою.
ü механічна міцність.
Як тверді носії
використовують: кізельгури, діатоміти (природні силікати з домішками заліза,
кальцію, натрію, магнію), молекулярні сита, синтетичні пористі носії (тефлон,
дивінілстирольні полімери).
.1.3 Особливості газової хроматографії
Особливості газової хроматографії, поза сумнівом, пов'язані з її перевагами в порівнянні з іншими фізико-хімічними методами експертного дослідження об'єктів. [8]
До переваг газової хроматографії доцільно віднести наступні положення:
. Висока розділова здатність. Використання селективних хроматографічних колонок дозволяє розділяти на окремі компоненти і аналізувати практично будь-які складні суміші об'єктів - речових доказів. По своїх можливостях аналізу багатокомпонентних сумішей газова хроматографія не має конкурентів при проведенні експертних досліджень. Так, жоден інший метод не в змозі впродовж однієї години проаналізувати пробу паливно-мастильного матеріалу, що складається з декількох сотень індивідуальних компонентів.
. Універсальність методу. За допомогою газової хроматографії можна розділяти круг об'єктів - починаючи від самих низькокиплячих газових і рідких сумішей і закінчуючи твердими сумішевими речовинами, температура кипіння компонентів яких 500 °С (і вище). При цьому потрібне виконання однієї умови - речовини, що розділяються, мають бути леткими і термічно стійкі, тобто при перекладі в пароподібний стан вони не повинні розкладатися. Проте, аналіз нестійких і нелетких речовин може бути здійснений численними варіантами.
. Висока чутливість. Для газової хроматографії розроблені чутливі детектувальні системи, що дозволяють, як правило, визначати концентрації речовин в межах 10-8-10-9 мг/мл Використовуючи спеціальні прийоми(концентрація або збагачення), газохроматографічним методом можна визначати мікрокількості речовин з концентраціями до 10-14 в, компонентів, що містяться в повітрі або на поверхнях, що сорбували.
. Експресність (малий час аналізу). Час розділення може бути зменшений до декількох десятків секунд.
. Легкість апаратурного оформлення. Порівняно з іншими фізико-хімічними методами газові хроматографи відносно дешеві, надійніші в екс- плуатації, витрати на їх установку і обслуговування невеликі. Проте, для праці на них потрібно спеціальна кваліфікацію експерта - хіміка, фізика, біолога і т.п.
. Малий розмір объекту -речевого доказу. Для цього методу досить мати всього декілька десятих доль міліграма речовини, тобто по суті це мікрометод, результати якого повністю задовольняють судово-слідчу практику.
. Висока точність аналізу. Основними джерелами помилок газохроматографічного методу можуть бути: помилки при дозуванні досліджуваної проби, втрати речовини в колонці за рахунок адсорбції або розкладання, помилки детектувальної системи, інші приладові і розрахункові помилки і т.п. [1]