Ионообменная хроматография вредных веществ в анализе объектов окружающей среды

В первых кондуктометрах применялись платиновые электроды, покрытые платиновой чернью. Эти электроды имеют низкое сопротивление поляризации и высокую емкость. Но поток жидкости смывает покрытие с электродов и изменяет их характеристики. В ячейках современных детекторов используют электроды из нержавеющей стали, марки 316. Для “дезактивации” новой ячейки её промывают 50%-ным раствором HNO3. Так к

ак подвижность ионов меняется с температурой, то электропроводность большинства растворов ионов возрастает примерно на 2% при увеличении температуры на 1 С. Поэтому ячейку детектора нужно изолировать, чтобы предотвратить случайные колебания её температуры. Все кондуктометрические детекторы должны включать какие-либо средства компенсации фонового сигнала, который может на три порядка величины превышать сигнал от образца.

В качестве ионообменников или ионитов обычно используют синтетические полимерные вещества, называемые ионообменными смолами. Они состоят из матрицы (R) и активных групп, содержащих подвижные ионы. В зависимости от знака обмениваемых ионов различают катиониты и аниониты. Катиониты содержат кислотные группы различной силы, такие как сульфогруппы, карбоксильные, оксифенильные. Аниониты имеют в своем составе основные группы, например алифатические или ароматические аминогруппы различной степени замещенности (вплоть до четвертичных).

Иониты могут находиться в Н-форме и ОН - форме, а также в солевой форме. В Н-форме катиониты и ОН- форме аниониты содержат способные к обмену ионы водорода и гидроксила соответственно, в солевых формах ионы водорода заменены катионами металла, анионы гидроксила - анионами кислот.

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

KH+/Na+= ; KOH-/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.

 Скачать реферат