Роль и место ИМА в химической промышленности

Качественный анализ нефтепродуктов, а также контроль их качества представляет собой весьма важную, но порой достаточно сложную задачу. Для ее решения привлекаются стандартизированные методы анализа. Однако существующие официальные методы (по ГОСТ) порой трудоемки и длительны. Альтернативой стандартным методам с точки зрения оперативного контроля, а также с точки зрения дополнительного источника информации служат физико-химические методы анализа, основанные на разделении (хроматография) и/или последующем определении ( спектроскопия) состава и строения как индивидуальных соединений нефтяного происхождения, так и смесей, к которым, в частности, относятся нефтяные фракции и нефтепродукты, получаемые при переработке сырой нефти.

Инструментальные методы анализа

1) Спектральный анализ — совокупность методов качественного и количественного определения состава объекта, основанная на изучении спектров взаимодействия материи с излучением, включая спектры электромагнитного излучения, акустических волн, распределения по массам и энергиям элементарных частиц и др.

В химическом анализе применяют не все виды излучений. Широко используют «оптический диапазон», границы которого - от 200 нм до 40 000 нм. В этот диапазон входят три области:

· ультрафиолетовая область (УФ) – 200-400 нм. (УФ-спектроскопия)

· видимая область – 400-800 нм; (спектроскопия видимой области)

· инфракрасная область (ИК) - от 800 до 40 000 нм. (ИК -спектроскопия)

2) К спектрометрическим методам относятся:

Хроматография

- газовая

- жидкостная

- гельпроникающая

2) ЯМР-спектроскопия

3) Масс-спектроскопия

3) Термический анализ (термография) применяется для изучения свойств вещества и процессов, протекающих в нем при нагревании и охлаждении по заданной программе; он проводится с помощью специальной аппаратуры, и основным его техническим результатом являются термические кривые – термограммы, которые зависят главным образом от химического состава и структуры исследуемого объекта.

Самым распространенным и основным методом термического анализа является дифференциально-термический анализ (ДТА), который позволяет выявить и исследовать фазовые превращения и химические реакции, протекающие в веществе при нагревании или охлаждении, по термическим эффектам, сопровождающим это изменения.

ДТГ- дифференциально-термогравиметрический м-д

Термогравиметрия – метод термического анализа, при котором регистрируется изменение массы образца в зависимости от температуры. Термограмма позволяет судить о термостабильности и составе образца в начальном состоянии, о термостальности и составе веществ, образующихся на промежуточных стадиях процесса и о составе остатка, если таковой имеется.

Подробнее о хроматографии (газовая)

Это динамический сорбционный метод разделения и анализа смесей веществ, а также изучения физико-химических свойств веществ. Основан на распределении веществ между двумя фазами — неподвижной (твердая фаза или жидкость, связанная на инертном носителе) и подвижной (газовая или жидкая фаза, элюент). Название метода связано с первыми экспериментами по хроматографии, в ходе которых разработчик метода Михаил Цвет(1900 г.) разделял ярко окрашенные растительные пигменты.

Хроматограф являясь измерительным прибором, позволяет идентифицировать компоненты анализируемой смеси и их относительное или абсолютное количества в единицах концентрации или массы соответственно.

На кафедре имеется х-ф «Кристаллюкс 4000М», снабженный персональным компьютером. Хроматограф определяет в-ва, выкипапающие в интервале температур 25-400С, как правило, выше (350С) 400С углеводороды разлагаются, т.е. хроматограф будет определять не сами компоненты, а продукты их разложения. Еще одним ограничением является определение растворов полимеров, поскольку из-за большой Мr, они не кипят, тогда необходимо применять др. методы – гель-хроматография, масс-спектрометрия о которых позже.

Принцип действия хр-фа. Проба вводится в испаритель, в котором она нагревается (или испаряется) и вместе с газ-носителем поступает в хроматографическую колонку. За счет различной сорбции компонентов смеси на поверхности адсорбента или за счет различной растворимости компонентов в пленке неподвижной фазы, нанесенной на поверхность адсорбента, наполняющего колонку, компоненты перемещаются по колонке с различной скоростью. Вследствие этого компоненты пробы выходят из колонки разделенными один за другим в потоке газ-носителя в виде пиков. Определение количественных характеристик разделенных компонентов осуществляется при помощи детекторов, которые преобразуют значение потока (ПИД, ТИД, ПФД) или концентрации компонентов (ДТП, ЭЗД, ФИД) в электрические сигналы. Эти сигналы, после преобразования в цифровую форму передаются на ПК, мы их видим на мониторе.

В качестве газ-носителя используют водород, гелий, аргон или азот (на кафедре азот).

Колонки бывают насодочные или капилярные различных диаметров, и различного наполнения, в зависимости от того, какие вещества необходимо идентифицировать.

Детекторы

ДТП(по теплопроводности)- является не разрушающим детектором,

Принцип действия ДТП или катарометра основан на измерении электрического сопротивления проводника в зависимости от теплопроводности окружающей среды(элюата). Для работы с ДТП рекомендуется использовать газ-носитель, максимально отличающийся по теплопроводности от анализируемых соединений (гелий). Главный минус – низкая чувствительность, в основном его используют, когда с помощью др. детекторов исследуемые вещества не определяются, н-р, О2, N2, He, Ar, Н2, СО2, Н2S, смеси, содержащие воду и др.

ПИД пламенно-ионизационный детектор(разрушающий). Принцип работы детектора заключается в том, что при обычных условиях газы не проводят электрический ток, но если в результате какого-либо воздействия в газе образуются ионы, радикалы или свободные электроны, то даже при очень небольшой концентрации этих частиц газы становятся проводниками электрического тока. При помощи ПИД определяются практически все огрганические соединения, но ПИД не определяет вещества, которые не содержат углерод (в этом случае может использоваться ДТП)

ПИД и ДТП является наиболее распространенными. Также встречаются ЭЗД-электронозахватный детектор, ТИД- термоионный детектор, ПФД- пламенно-фотометрический д-р, ФИД- фотоионизационный д-р.

Несколько слов о ВЭЖХ и гель-хроматографии

ВЭЖХ

Основой хроматографического разделения является участие компонентов разделяемой смеси в сложной системе Ван-дер-Ваальсовых взаимодействий (преимущественно межмолекулярных) на границе раздела фаз. Как способ анализа, ВЭЖХ входит в состав группы методов, которая, ввиду сложности исследуемых объектов, включает предварительное разделение исходной сложной смеси на относительно простые. Полученные простые смеси анализируются затем обычными физико-химическими методами или специальными методами, созданными для хроматографии.

Принцип жидкостной хроматографии состоит в разделении компонентов смеси, основанном на различии в равновесном распределении их между двумя несмешивающимися фазами, одна из которых неподвижна, а другая подвижна (элюент).

Отличительной особенностью ВЭЖХ является использование высокого давления (до 400 бар) и мелкозернистых сорбентов (обычно 3—5 мкм, сейчас до 1,8 мкм). Это позволяет разделять сложные смеси веществ быстро и полно (среднее время анализа от 3 до 30 мин).

Гель-фильтрационная хроматография. Это технология, в ходе которой молекулы веществ разделяются по размеру за счёт их разной способности проникать в поры неподвижной фазы в специальных колонках.

Проходя через колонку малые молекулы в образце могут проникать внутрь гранул, вследствие этого они протекают через колонку медленнее. Крупные молекулы, которые не могут проникнуть в гранулы через поры, проходят сквозь колонку быстрее, чем более мелкие. Правильный размер пор и свойства растворителя являются решающими для хорошего разделения.

Эта технология применяется для характеризации натуральных и синтетических полимеров, биополимеров, белков и наночастиц.

Когда хроматографическое разделение применяется в сочетании с рассеянием света, вместе с вискозиметром и концентрационными детекторами (трёхпараметрическое детектирование), она обеспечивает распределение по абсолютной молекулярной массе, размеру молекул и характеристической вязкости, а также данные о макромолекулярной структуре, конформации молекулы, ее агрегации и разветвлении.

Масс-спектрометрия - это физический метод измерения отношения массы заряженных частиц материи (ионов) к их заряду.

Краткая характеристика информации получаемой в методах массспектрометрии и хроматомассспектрометрии

1. Прямое измерение массового числа молекулы вещества, т.е. ее молекулярной массы, в случае, если вещество в условиях масс-спектрометрического эксперимента дает молекулярный ион–заряженную частицу, имеющую ту же массу, до величин массы около 1500 а.е.м.

Роль и место ИМА в химической промышленности