Качественный и количественный анализ слож­ных смесей осуществляется методами хроматографии. В их основу положено разделение смеси на компоненты под воздействием од­новременно протекающих массообменных процессов — сорбции (поглощения смеси сорбентом) и десорбции (выделения) с последующим анализом разделенных компонентов. Для этого анализи­руемую смесь пропускают через сорбент, перемещая ее потоком вещества-носителя, химически нейтрального по отношению как к компонентам смеси, так и к сорбенту.

Из ряда методов можно вы­делить адсорбционную хроматографию (сорбент — твердое пористое вещество) и жидкостную (сорбент — жидкий нелету­чий растворитель).

По агрегатному состоянию анализируемой сме­си выделяют газовую хроматографию, жидкостную хроматографию и газожидкостную хроматографию (изначально жидкая смесь в приборе испаряется и анализируется в газообраз­ном состоянии).

Приборы, на которых реализуются хроматографические методы анализа, называются хроматографами.

Упрощенно схема газового хроматографа показана на рис. 14. Жидкостной хроматограф будет отличаться по конструкции лишь в той части, которая отвечает за создание стабильного потока жид­кости-носителя, а также ее хранения в приборе. Через дозатор 1 отбирается калиброванный объем анализируемой смеси, который захватывается потоком носителя и переносится в разделительную колонку 2, заполненную сорбентом. Колонка — это трубка диаме­тром 4... 6 мм из нержавеющей стали, длиной до нескольких метров. Вследствие различной степени поглощения сорбентом компоненты перемещаются вдоль колонки носителем с разными скоростями и в результате разделяются. Они образуют с носителем бинарные смеси и выходят из колонки в определенной последовательности: сначала «легкие», т.е. менее сорбируемые, а затем более «тяже­лые». Бинарные смеси разделяются зонами чистого газа-носителя. Чем больше различаются компоненты по сорбируемости, тем мень­шей длины потребуется колонка для их разделения.

Рисунок 14 - Блок-схема хроматографа:

1 — дозатор; 2 — колонка; 3 — детектор; 4 — регистратор; 5 — дроссель

Эффективность работы колонки зависит также от ее темпе­ратуры, типа сорбента, носителя и его расхода. Компоненты ана­лизируемой смеси обнаруживаются детектором 3 (см. рис. 14), в который они поочередно поступают из колонки. Обнаружение их основано на разной степени проявления ими какого-либо фи­зического свойства на фоне того же свойства носителя. Несмотря на разнообразие типов детекторов их можно представить состоя­щими из двух камер: измерительной (ИК) и сравнительной (СК). Через измерительную проходят бинарные смеси, а через сравни­тельную — чистый носитель.

Прохождение каждого компонента смеси через измерительную камеру детектора (см. рис. 14) вызывает появление напряжения на выходе его электрической схемы. Основным параметром детек­тора является чувствительность, от величины которой зависит его способность различать близкие по свойствам компоненты. Элек­трические сигналы с выхода детектора записываются регистрато­ром 4. График изменения выходного напряжения детектора, запи­санный за время одного цикла анализа, называется хроматограммой (рис. 15). Результатом обработки хроматограммы являются данные о качественном составе анализируемой смеси и количе­ственном содержании компонентов.

Хроматограмма представляет собой совокупность так называемых пиков, соответствующих обна­руженным детектором компонентам смеси. Они записываются относи­тельно нулевой линии 1 в порядке очередности выхода компонентов из колонки. Передний фронт пика от­ражает процесс заполнения измери­тельной камеры детектора бинарной смесью, а задний — убывания ее. Рас­познавание компонентов (качествен­ный анализ) производится по величи­не времени удерживания (t_уд) — времени от момента ввода пробы ( t₀) до момента, соответствующего максимуму пика определяемого компонента. Зная это время, пара­метры колонки и детектора, а также условия процесса разделения смеси, по справочным данным можно определить ее состав.

В момент ввода пробы на нулевой линии хроматограммы появ­ляется небольшой «всплеск» 2 — от него и отсчитывается время удерживания. Процентное содержание каждого компонента в сме­си находят как отношение площади треугольника, образованного продолжением сторон пика определяемого компонента и нулевой линией, к сумме аналогичных площадей, найденных для всех ком­понентов.

В современных хроматографах эти вычисления выполняются автоматически при помощи специальных устройств — дешифра­торов хроматограмм. Качество разделения компонентов тем выше, чем дальше один от другого расположены пики на хроматограмме и чем уже их основания. Этого добиваются оптимизацией режима работы хроматографа, в частности, используют метод программи­рования температуры, при котором температура колонки изменя­ется по заданной программе в течение одного цикла анализа с уче­том свойств компонентов смеси.

По назначению хроматографы могут быть лабораторными и промышленными. Отличительной особенностью промышленных хроматографов является автоматически повторяемый цикл работы от ввода пробы до записи хроматограммы. При этом специальное вычислительное устройство «запоминает» концентрацию так на­зываемого «ключевого» (определяемого) компонента смеси, при помощи регулирующего устройства хроматограф может воздей­ствовать на технологический процесс так, чтобы концентрация это­го компонента поддерживалась в заданных пределах.

Рисунок 15 - Хроматограмма:

1 — нулевая линия; 2 — момент ввода пробы

Контрольные вопросы

1 Дать определение влажности. Привести единицы измерения влажности

2 Привести методы измерения влажности

3 Дать определение вязкости. Привести единицы измерения вязкости

4 Привести методы измерения вязкости

5 Дать определение плотности. Привести единицы измерения плотности

6 Привести методы измерения плотности

7 Перечислить виды и объяснить принцип действия различных концентратомеров

8 Какие виды газоанализаторов различают? На чем основана их работа?

9 В чем назначение и каков принцип работы хроматографов?