MÉTODOS DE SEPARACIÓN

MÉTODOS

DE

Ley de Distribución (Reparto)

• Una sustancia (ácido benzóico HB) que se reparte entre dos disolventes inmiscibles entre sí acorde con:

O 2 H org C C K 

 

 

H2O org D HB HB K  HB  H+ + B‐

   

 

H2O O 2 H O 2 H a HB B H K   

 

 

HB _Horg_2O . conc HB . conc D 

 

 

HB _H2O org

 

B _H2O HB D _  

Ley de Distribución (Reparto)

 

 

_{ }

_         O 2 H O 2 H org H Ka 1 HB HB D a pH = 3 93.9 10 1 10 5 . 6 1 100 3 5              D a pH = 5 13.3 10 1 10 5 . 6 1 100 D 5 5              a pH = 7 0.15 10 1 10 5 . 6 1 100 D 7 5              si Kd=100 y Ka=6.5x10‐5

 

         O 2 H H Ka 1 Kd D

Extracciones sucesivas

• Si queremos extraer 4 g de ácido

butírico de 500 mL de H₂O usando 500 mL de eter, donde Kd=3.0





5 . 0 / X 5 . 0 / X 4 0 . 3 C C Kd  _{org H2O}    X = 1.0 3.0g 1.0g

Recobro – 75%

Extracciones sucesivas

250 mL 250 mL 500 mL 500 mL 2.40g 1.60g 0.96g 0.64g colectar transferir colectado = 3.36g quedan = 0.64g

Recobro – 84%

Eficiencia de extracción

EXTRACCIÓN

Invención de la Cromatografía

Mikhail Tswett Botánico Ruso (1872‐1919)

Mikhail Tswett   

Inventa la cromatografía 

en 1901 durante su 

investigación con 

pigmentos vegetales.   

Utilizó la técnica para 

separar varios pigmentos 

vegetales como clorofilas, 

xantofilas y los 

carotenoides.

Cromatografía…

Papel

HPLC Gas

Capa delgada

CROMATOGRAFÍA

LÍQUIDOS PLANAR COLUMNA IEC SEC FLUIDO SUPERCRÍTICO BPC TLC PC GASES GSC GLC LSC BPC-NP GPC GFC BPC-RP

Problemas de Sorción

CROMATOGRAFÍA

DE GASES

CROMATOGRAFÍA DE GASES

(UNA TÉCNICA DE SEPARACIÓN)

Cromatógrafo Cromatograma

LÍQUIDOS PLANAR COLUMNA IEC SEC FLUIDO SUPERCRÍTICO BPC TLC PC GASES GLC LSC BPC-NP GPC GFC BPC-RP GSC CROMATOGRAFÍA

EQUIPO DE CG

Regulador de dos etapas Cilindro de gas Gas Portador Puerto de Inyección Columna Detector Registrador

COLUMNA DE CG

(EMPACADA)

FASE MÓVIL (Gas acarreador)

COLUMNAS CAPILARES Y

EMPACADAS

Soporte Sólido

Fase Líquida

1/8" OD Columna empacada 0.25 mm ID Capilar o WCOT

UN CROMATOGRAMA TÍPICO

. Tiempo de retención (tr) Área de pico Altura de pico Inyección Respuesta del detector línea base Tiempo

VENTAJAS DE CG

•

Alta Resolución

•

Alta Velocidad

•

Alta Sensibilidad

•

Alta precisión

•

Cuantitativa

VENTAJAS DE CG

ALTA RESOLUCIÓN

Columna Capilar Arochlor 1260 Mezcla de PCB’s 0 MIN 60

4.00 6.00 8.00 10.00 12.00 14.00 16.00 18.00 20.00 20000 40000 60000 80000 100000 120000 140000 160000 180000 200000 220000 240000 260000 280000 300000 320000 340000 Time--> Abundance TIC: H267.D 3.40 4.22 5.32 5.83 6.06 6.32 6.84 8.30 8.55 8.65 9.42 9.54 10.06 10.17 10.31 11.05 11.53 12.13 13.85 14.87 15.09 15.63 15.95 16.91 17.06 17.54 18.15 20.39 Dibenzo( Benzo(a)pireno Benzo(k)fluoranteno Permetrina (Trans) Permetrina (cis) Mirex Guthion Zoolona Metoxicloro EI Benzo(a)antraceno DDT Dieldrin Pireno Fluoranteno Paration Aldrin Malation Heptacloro Metil Paration Antraceno Fenantreno DibenzotiofenoLindano Fluoreno Diebnzofurano Acenafteno Acenaftileno Bifenilo Naftaleno Indeno Estándares

4.00 6.00 8.00 10.00 12.00 14.00 16.00 18.00 20.00 22.00 24.00 100000 200000 300000 400000 500000 600000 700000 800000 900000 1000000 1100000 1200000 1300000 1400000 Time--> Abundance TIC: H374.D 3.31 4.20 5.17 6.76 7.61 8.21 8.91 9.30 9.89 10.09 11.05 11.91 14.68 17.00 17.58 18.50 19.49 19.94 20.31 20.85 21.32 21.77 22.37 23.29 Arroyo Lagarto SCAN

VENTAJAS DE CG

ALTA VELOCIDAD, ALTA SENSIBILIDAD

1 2 3 4 Metil Paratión 3pg Malatión 3pg Etion 3pg Minutos

CG CUANTITATIVA

Componente Conc. Determinado Error Peso Real por CG (%) ± 1 SD Relativo

n-C-10 11.66 11.54 ± .02 0.1% n-C-11 16.94 16.91 ± .02 0.2% n-C-12 33.14 33.17 ± .02 0.1% n-C-13 38.26 38.38 ± .03 0.3%

LIMITACIONES DE GC

•

La muestra debe ser volátil

•

Las muestras “sucias” requieren

limpieza

•

Se debe usar otro instrumento (ej

EM) para confirmar la identidad

•

Se requiere de

MUESTRAS PARA CG

•

Gases, líquidos o sólidos

•

Peso Molecular entre 2 a ~ 800

•

Orgánico o Inorgánico

ANÁLISIS CUALITATIVO

Comparar los t_R de estándares y desconocidos

Señal

Tiempo t_R

ANÁLISIS CUALITATIVO

estándares t r (MEK) Metanol MEK Tolueno Desconocido=? tr (x) Conclusión (x) = MEK (x)

ANÁLISIS CUANTITATIVO

Área de Pico: A Altura de Pico: h Tiempo

TÉRMINOS CG - - TIEMPO DE

RETENCIÓN

tr = Tiempo de retención to = Tiempo “muerto”

EFICIENCIA–

PLATOS TEÓRICOS, N

tr Inyección Wh Wb • Platos teóricos : N 16 tR w_b       2  5.545 tR w_h       2 to t’r

ALTURA EQUIVALENTE A UN

PLATO TEÓRICO - - HETP

L = LARGO DE LA COLUMNA

N = NÚMERO DE PLATOS TEÓRICOS

HETP

 H 

L

c

FACTOR DE RETENCIÓN

(FACTOR DE CAPACIDAD

)

•

0 1 2 3 4 Tiempo (mins) Solvente k=1 k=2 k=3 t_o=1 t’r=1

o

t

r

t

k

'

'



K en el intervalo de 2 a 20

FACTOR DE SEPARACIÓN

SELECTIVIDAD

Inyección to t'r(A) t'r(B) Soluto A Soluto B TIEMPO t’r_(A)  = t’r(B) k(B) k_(A) =

RESOLUCIÓN:

CAPACIDAD, SELECTIVIDAD Y EFICIENCIA

)

(

2

) 2 ( ) 1 ( b b s

W

W

t

R







t

W_b(1) W_b(2)

PICOS CON

DIFERENTE RESOLUCIÓN

EFECTO DE N,

y



SOBRE R

REFERENCIA AUMENTO DE LA EFICIENCIA (>N) MISMA SELECTIVIDAD ( MAYOR R AUMENTO DE SELECTIVIDAD (>) MISMA EFICIENCIA (N) MAYOR R

ECUACIÓN MAESTRA DE LA

RESOLUCIÓN

•

LA RESOLUCIÓN (R_S) ES UNA FUNCIÓN DE TRES FACTORES

CAPACIDAD SELECTIVIDAD EFICIENCIA

4

1

1

N

k

k

R

_s













 























︶

β

K

+

︵1

t

t

F

1

t

;

L

t

o R R R







1. RELACIONES FUNDAMENTALES

GC

t_R el tiempo de retención queda definido por el largo de la columna (L) y el flujo (F).

También se define por la solubilidad o adsorción del analito en la fase estacionaria.

2. EFICIENCIA DE LA COLUMNA,

N

Ecuaciones de van Deemter (Golay).

N

R

)

d

D.I.,

F,

(

N

L

N

S f







f

3. TEMPERATURA DE LA COLUMNA

•

N

puede incrementarse con pequeños

incrementos de temperatura.

• k

casi siempre decrece

.

•



por lo general también decrece.

•

La

Resolución

puede subir pero

4. RELACIONES FUNDAMENTALES

c o l u m n a

l a

d e

D I

d e l

i n f l u e n c i a

P o c a

l i n e a l

v e l o c i d a d

m i s m a

l a

A s u m e

;

F

p s i

t

1

p s i

L

p s i

R













Caída de presión (psi) – Solo se trata la

columna que es la mayor fuente de resistencia al flujo.

5. LARGO DE LA COLUMNA (L)

(L)

k

(L)

f

α

L

N

L

psi

L

t

_R













6. FLUJO VOLUMÉTRICO (F)

Golay

de

ecuación

ver

(F)

f

complicada

N

(F)

f

(F)

f

k

t

1

F

psi

F

R













7. DIÁMETRO INTERNO ID

(D.I.)

f

=

N

y

R

(D.I.)

t

(D.I.)

F

(D.I.)

f

k

(D.I.)

f

α

S R 2









Asume que la columna tiene el mismo L, d

_f

y

CROMATOGRAFÍA

TEORIA

Teoria de la Cromatografía

• Existen dos modelos para explicar la

cromatografía

• Teoría de platos – viejo

– Desarrollado por Martin y Singe 1941

• Modelo cinético – actual

– Desarrollado por Van Deempter 1956

•Destilación fraccionada en la cual se repite el

ciclo de vaporización y condensación

sucesivamente,

•Plato teórico el número de ciclos eficaces de

vaporización y

condensación en una destilación fraccionada.

En cada plato se establece un equilibrio entre la fase líquida y el vapor. Lo que depende de la

composición de la mezcla en cada plato

Cromatografía:

Constante de Distribución (recomendado por la IUPAC) (antes: Coeficiente de Partición)

Cromatografía:

Constante de Distribución (recomendado por la IUPAC) (antes: Coeficiente de Partición)

c

c

K

M S c



estacionaria móvil A móvil ↔ A estacionaria

K ~ Constante  Cromatografía linear

>>>K >>> Retención en la fase estacionaria  Tiempos de Retención ¿Como manipular K?

Cromatografía

Tiempos

de

Retención

Cromatografía

Tiempos

de

Retención

t_M = Tiempo de Retención fase móvil (tiempo muerto) t_R = Tiempo de Retención del analito (soluto)

t_S = Tiempo en la fase estacionaria (Tiempo de Retención adjustado) L = largo de la columna

Cromatografía:

Velocidades Relación lineal de migración del soluto!

Cromatografía:

Velocidades Relación lineal de migración del soluto!

M R t L t L v   

Velocidad = distancia/Tiempo  largo de Columna/ Tiempos Retención Velocidad del soluto:

Cromatografía

Velocidad/Retención, Tiempo y Kc

Cromatografía

Velocidad/Retención, Tiempo y Kc S S M M M M

V

c

V

c

V

c

v

soluto

de

totales

moles

móvil

fase

en

soluto

de

moles

v

móvil

fase

en

tiempo

de

fracción

v





















Cromatografía

Relaciones de Velocidad

Cromatografía

Relaciones de Velocidad M S M S M M S S S S M M M M V / V K 1 1 v ón Distribuci de Constante c c K V c / V c 1 1 v V c V c V c v          







Cromatografía

Factor de Retención : ¿ya casi?

Cromatografía

Factor de Retención : ¿ya casi?

M M R A A M R A M S A A M S t t t k k 1 1 t L t L k 1 1 v Retención) de (Factor V / V K k V / V K 1 1 v            





Cromatografía

Factor de Selectividad : ¿los podemos separar?

Cromatografía

Factor de Selectividad : ¿los podemos separar?

M A R M B R M M B R B M M A R A A B A B t ) t ( t ) t ( t t ) t ( k y t t ) t ( k k k K K         







B se retiene mas que A 



>1

Constante de Distribución

Factor de Retención

Cromatografía

Eficiencia de Columna – Platos Teoricos Teoría de Platos y Velocidades

Cromatografía

Eficiencia de Columna – Platos Teoricos Teoría de Platos y Velocidades L H H L N platos de número N plato de altura H 2     

  desviación estándar 2_{/L varianza por unidad largo.} L = largo del empaque de la columna

Cromatografía

Relación entre largo de la columna y Tiempos de Retención

Cromatografía

Relación entre largo de la columna y Tiempos de Retención R R R t / L t L tiempo en estándar desviación retención de tiempo t distancia en estándar desviación ) (distancia columna la de largo L            

Cromatografía

Relación entre largo de la columna y Tiempos de Retención

Cromatografía

Relación entre largo de la columna y Tiempos de Retención 2 2 2 16 4 4 R R R R t L W L H t L W W t L t L              ~96%  2 Tangent at Inflection point

Cromatografía

Determinación del número de platos

teóricos

Cromatografía

Determinación del número de platos

teóricos

2 2 / 1 R 2 R W t 54 . 5 N W t 16 N platos de número N                W_1/2

Resumen de la Teoría de Platos

• Da cuenta de la forma de los picos y la

velocidad de movimiento

• No toma en cuenta el “efecto” de

ensanchamiento de banda

• No indica efectos de otros parámetros

• No indica como ajustar los parámetros

Teoría Cinética

• Ensanchamiento de Banda debida a

procesos de transferencia de masa

FORMAS DE PICO

• Ideal

Ancho

Cabeceo Coleo Doblete

FACTOR DE ASIMETRÍA DE

PICO

Factor de Asimetría de Pico = BC/BA Tiempo 10% de altura de pico A B C

INFORMACIÓN DEL

CROMATOGRAMA

1. POSICIÓN DEL PICO – t_R función de K

(Termodinámica) 2. ANCHO DE PICO – N, H (Cinética)

Responsable de ensanchamiento de banda 3. FORMA DEL PICO– Simétrica o

EL TIEMPO DE RETENCIÓN DEPENDE

DIRECTAMENTE DEL COEFICIENTE DE

REPARTO

t

_R

= t

_M

+ t'

_R

t

_R

= t

_M

(1 + k')

Recuerda que K = k'

ENSANCHAMIENTO DE

BANDA

1.

2

.

3

.

HETP

 H  

2

/ t

_R

N

 16 t



_R

/ W

_b



2

 t



_R

/





2

H

 L / N  t

_R

/ t



_R

/





2

 

2

/ t

_R

ECUACIÓN DE VAN DEEMTER – 1956

(PARA COLUMNAS DE CG EMPACADAS)

ECUACIONES PARA HETP

COLUMNAS EMPACADAS (VanDeemter - 1956):

COLUMNAS CAPILARES (Golay - 1957):

H

 A 

B



C

H



B

DISPERSIÓN DE PICO

t ₀

t1

EFECTO MULTICANAL

(Difusión de Eddy)

INICIAL CAMA EMPACADA FINAL

1 2 3 1 2 3 lento rápido

TÉRMINO A

Columnas empacadas Columnas capilares



- Factor de empaque

dp

- Diámetro partícula

Tubo abierto

-Sin término A

A

2d

_p

Usar partículas pequeña o SIN

partículas.

DIFUSIÓN LONGITUDINAL

(FASE MÓVIL )

TÉRMINO B

 - Factor de tortuosidad

Dg - Coeficiente de difusión de

Einstein del soluto en fase gaseosa



- Velocidad lineal del gas

FLUJOS RÁPIDOS

ALTO PESO MOLECULAR DEL GAS

B



2D

g



B =

2Dg



TRANSFERENCIA DE MASA LENTA

( MÓVIL A ESTACIONARIA )

TÉRMINO C TRANSFERENCIA DE MASA

columnas empacadas

k - factor de capacidad

d_f - espesor fase líquida

D_liq - coeficiente de difusión del soluto en fase líquida

FASES DELGADAS

BAJA VISCOSIDAD DEL LÍQUIDO SOPORTES INERTES FLUJOS BAJOS 2

C



8



2



k

1 k







d

_f

D

liq



k )

TÉRMINO C TRANSFERENCIA DE MASA

Fase estacionaria - columnas capilares

k – factorde capaciad (retención) df – espesor fase estacionaria

– velocidad lineal del gas

D_liq – coeficiente de difusión del soluto en la fase líquida PELÍCULA DELGADA BAJA VISCOSIDAD FLUJOS BAJOS

Cs

2 kd

f 2



3(1



2

D

liq 

k – factor de retención(capacidad) r – radio de la columna

– velocidad lineal del gas

D_g – Coeficiente de difusión del soluto en fase movil



Transferencia de Masa

Fase movil – Columnas capilares

DIÁMETRO PEQUEÑO. BAJO PM DEL GAS



_

k

C

_m



r

2



_{16k 11}

2

24D

_g



1 k



2



a

k

 10



2

C

_m



0.4r



D

_g

Fase líquida Sílica Fundida

Término C – Transferencia de Masa

Ensanchamiento de banda

Columnas empacadas - Van Deemter:

Columnas capilares - Golay:

H

 2d

_p



2D

gas





8



2



k

k

 1







d

f

2

D

_liq















H



2D

g







2k d

2

_f



3 1k)



2

D

_liq

r

2



1

 6k  11k

2



24D

_g



1 k





GRÁFICO DE VAN DEEMTER

C

A

B

Velocidad Lineal promedio ()

ASUNTOS PRÁCTICOS

LARGO DE LA COLUMNA

COLUMNAS LARGAS: Mas platos

Análisis lento

Mayor caida de presión

EMPACADAS – HASTA 20 Ft

CAPILARES –HASTA 100 METROS

N

 L

R

 N  L

t

_R

 L

ASUNTOS PRÁCTICOS

DIÁMETRO DE LA COLUMNA

• EFECTO DE DIÁMETROS PEQUEÑOS (empacadas):

• - Empacado uniforme

• - Menor capacidad de muestra

• - Flujos volumétricos bajos

• (puede tener alta velocidad lineal)

• CAPILARES DE MENOR DIÁMETRO MAS EFICIENTES (C_m)

ASUNTOS PRÁCTICOS

FASE LÍQUIDA

• Naturaleza química determina



• Películas gruesas

• Número menor de platos (baja transferencia de masa)

• Tiempos de retención largos

• - Mayor capacidad

• Película delgada para PE altos

COLUMNAS EMPACADAS

(MAS N)

• Partículas pequeñas bien empacads

• Menor tamaño de muestra

• Columnas mas largas

• A flujo óptimo

• Película delgada de líquido de baja

viscosidad

COLUMNAS CAPILARES

(MAS N)

• Diámetro pequeño

• Película delgada y uniforme

• Gas portador H

₂

• Cantidad de muestra pequeña

• A flujo óptimo

RESUMEN

• Tr determinado por el flujo y la termodinámica • El ensanchamiento determinado por:

• - Difusión de Eddy (solo empacadas)

• - Difusión Molecular

• - Transferencia de Masa

• Se pueden definir las condiciones óptimas para una columna.

ECUACIÓN MAESTRA DE LA

RESOLUCIÓN

k = Factor de retención = T en FE / T en FM = Factor de separación = Posición del pico

N = Número de platos = Eficiencia de la columna

CAPACIDAD SELECTIVIDAD EFICIENCIA

4

1

1

N

k

k

R

_s













 























COMO MEJORAR LA

RESOLUCIÓN

 t _W b Mayor eficiencia Mayor selectividad ( y k) t W b W b

OPTIMIZACIÓN DE N

N = L/H N si L o H L bien, pero t_R H y CMD 1. Flujo óptimo 2. Diámetro pequeño 3. Película delgada

INTERACCIÓN ENTRE C

_M

y C

_S

1. C_M Controla H para películas delgadas:

dƒ 0.1 1.0 m

2. C_S Controla H para películas gruesas:

dƒ > 2.0 m

3. Tanto C_M como C_S controlan H:

GRÁFICO DE Hu

df = 1 m

C_M C_S D_S = 3.3 x 10-6 _cm2_/s 9 a 85

Tanto C_m como C_S importantes

B . H (mm) 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100



(cm/s)

GRÁFICO DE Hu

df = 0.25 m

H (mm) 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 C _{S Despreciable!!!!!!} C_M B C_S C_S <<C_M

PELICULAS DELGADAS SOLO C

_M

ES

IMPORTANTE

TIPO DE GAS Y DIÁMETRO DE LA COLUMNA ¡ IMPORTANTES !

H

_min

 2 BC

_M

 r

_C

1 6k 11k

2

3 1 k





2

para k



H = 2r

_C

 d

_C

u

_opt

 B

C

_M

 2.1 D

r

_C

M

PELÍCULA DELGADA H d



_c

dc(mm) H(mm) N/m 100,000 platos 0.10 0.10 10,000 10 m 0.25 0.25 4,000 25 m 0.32 0.32 3,100 32 m 0.53 0.53 1,900 53 m L para

OPTIMIZACIÓN FACTOR DE CAPACIDAD

2 _{k 10} k 0 1 2 3 10  0 0.5 0.67 0.75 0.91 1.00 1.0 R_S  k 1l

menor temperatura o fases mas gruesas

¿COMO AUMENTAR k ?

1. Fase 2 veces mas gruesa df; k duplica 2. Bajar Temperatura ~ 25° C; k duplica 3. Escoger otra fase estacionaria,

EMPACADA (1) CAPILAR (2) (2m) (25 m)  R_S R_S 1.2 2.9 12.5 1.1 1.6 6.8 1.05 0.8 3.6 1.02 Otra 1.5 1.01 Columna 0.8 Otra Columna o L

EFECTO DE



EN LA RESOLUCIÓN

(1) Asume N = 6,000 (2) Asume N = 100,000

PLATOS REQUERIDOS PARA R

_S

= 1.0

N

_req

 16Rs

2



 1









_



2

;

 1.01

 16 1

 

2

1.01

0.01









_



2

= 163,216 platos

¿COMO SELECCIONAR

COLUMNAS?

1. De película delgada, 2.. Si



= 1.01 (Difícil de separar) N = 160,000; si d_C = 0.10 mm, L = 16 m 0.25 mm, L = 40 m 3. Si



= 1.05 (fácil) N = 7,000; si d_C = 0.10 mm, L = 0.7 m 0.25 mm, L = 1.8 m 0.53 mm, L = 3.7 m

H

 d

_c

;R

_s

1.0

RESUMEN - OPTIMIZAR R

_S

N delgada, opt ; bajar d_C; usar H₂



Fase líquida mas polar

k gruesa; menor temperatura







































 



4

N

1

k

k

1

R

_s





EFECTO de N,



y K en R

_S

f(

)

f(N)

f(k)

N 20000 40000 60000 80000



   

k

5 10 15 20

R

_S 4 3 1 2

Ecuación de Van Deemter (1+ε_p/ε_e) 2 D_m u 2λ d_p + q_s k (1+k)2 d_f2 D_s u + + dp 2 D_m f(k) u 1. Columnas empacadas H = A + B/u + (C_S + C_M)u

λ: factor de empaque de la columna (0.5~1.5)

d_p: tamaño de las partículas de empaque ε_p: porosidad interna de la partícula

ε_e: porosidad entre las partículas

D_m: coeficiente de disfusión del soluto en la fase móvil. k: factor de capacidad k = K (V_s/V_m)

D_s: coeficiente de disfusión del soluto en la fase estacionaria.

q_s: factor del recubrimiento de la fase estacionaria (2/3 para capa delgada). d_f: espesor de la fase estacionaria

2. Columnas Capilares—open tubular 2D_m u 2k 3(1+k)2 d_f2 D_s u + d2 D_m u H = B/u + (C_S + C_M)u 1+6k+11k2 96(1+k)2 +

¡sin difusión de eddy!

H_min = 2*(BC)1/2

u_opt = (B/C)1/2 H = B/u + Cu

d2

D_m

1+6k+11k2 96(1+k)2

2k 3(1+k)2 d_f2 D_s d2 D_m 1+6k+11k2 96(1+k)2 + C_S + C_M = H = B/u + (C_S + C_M)u

El cociente de los valores de C_S y C_m contribuye al término de resistencia a la transferencia de masa y se determina por la relación de fases.

H_min = 2*(BC)1/2

u_opt = (B/C)1/2

El Efecto del Gas Portador

H = B/u + (C_S + C_M)u D_AB = 1.00 x 10-3 T1.75 P[(sum v_i)_A1/2 _{+ (sum v} i)B1/2] ( ) MW_A 1 MW_B 1 D_AB = kT/(6πη_Br_A) gas líquido

2D_m u 2k 3(1+k)2 d_f2 D_s u + d2 D_m u H = B/u + (C_S + C_M)u 1+6k+11k2 96(1+k)2 + T u d_f d k

HPLC - ECUACIÓN VAN

DEEMTER (Modificada)

HETP

 H  A 

B

u

 C



S

 C

M



u

4 fuentes independientes de

ensanchamiento de banda

Minimiza cada término, Minimiza

“H”, Maximiza Eficiencia

HPLC – DIFUSIÓN de EDDY

A = 2

dp

La clave son partículas pequeñas, empacadas eficientemente.

usualmente 10 y 5 micras existen de 3 micras

HPLC – DIFUSIÓN

LONGITUDINAL

Un factor muy pequeño en HPLC

La difusión en líquidos despreciable

B / v



2

D

mobile

HPLC

TRANSFERENCIA DE MASA –

FASE ESTACIONARIA

Q = Factor de Configuración R = Constante; f (K )

d_f = Espesor de fase estacionaria

D stat = Coef. difusión en fase estacionaria

v = velocidad de flujo (cm / sec )

Clave: película delgada

C

_s

v



QRD

f

2

_v

HPLC

TRANSFERENCIA DE MASA –

FASE ESTACIONARIA

w = Coeficiente de Columna dp = Diámetro de partícula

v = Velocidad de flujo (cm / seg ) D mov.= Coeficiente de difusión en

fase móvil

Clave: partículas pequeñas

C

_m

v



wdp

2

v

D

mobile

ECUACIÓN DE VAN DEEMTER

DETALLADA

H

 2dp







2

D

m

v



QRd

_f

2

v

D

_s

 

dp

2

v

D

_m

TAMAÑO DE MUESTRA

•

Cada columna tiene una capacidad limitada; si se excede ese límite y t_R disminuye, la forma de pico empeora.

•

Solución – diluya la muestra 1/10 y re-analice.

•

Todos los resultados cromatográficos pueden cambiar.

100 mg 25 mg 5 mg 1 mg

Eficiencia de la Columna Variables Cinéticas

Ensanchamiento de Banda

Velocidad de Flujo de la Fase Móvil

Cromatografía de Líquidos _{Cromatografía de gases}

Vea las diferencias en Flujo y Altura de Plato Teórico

2

CROMATOGRAFÍA DE

GASES

(UNA TÉCNICA DE SEPARACIÓN)

Cromatógrafo

Cromatograma

3

ESQUEMA DE UN

CROMATÓGRAFO

Regulador Dos Pasos Cilindro de Gas Gas Portador Puerto de inyección Columna Detector Registrador

4

REQUISITOS DEL GAS PORTADOR

1.

Puro (seco)

2.

Inerte

3. Compatible con el

detector

5

Detector Gas Portador Conductividad Helio

Térmica(TC)

Ionización de Nitrógeno o

Flama (FID) Helio o Hidrógeno Captura de Nitrógeno (muy seco)

Electrones (EC) (Libre de Oxígeno) o

Argón, 5% Metano

GASES PORTADORES

6

EFECTO DEL FLUJO SOBRE LA

EFICIENCIA

Region Eficiencia de la Columna Flujo Máxima Eficiencia Flujo Óptimo

8

9

JERINGA ANALÍTICA

Refuerzo del émbolo

Guía de protección del émbolo barril

10

11

TAMAÑOS DE MUESTRA

TÍPICOS

Tipo de columna Líquido(l) Gas (ml) 1/4" Empacada 1-10 1-5 1/8" Empacada 0.1-2 0.1-1.0

0.25mm 0.01-1.0 0.1 Capilar con Splitter

Las cantidades dependen del tipo de columna, detector y objetivo del análisis

12

1. Columna empacada - A) vaporización Flash

B) On-Column

2. Introductores capilares

3. Válvula de muestreo de gases

INTRODUCCIÓN DE

MUESTRAS

Split

Splitless tipo Grob

Directa

13

Split y Splitless

Split

Vaporiza y elimina la mayor parte de la muestra al venteo

Splitless

Vaporiza y transfiere la mayor parte de la

muestra a la columna; usa “cold trapping” y efecto de solvente para enfocar la banda

14

Inyector

“SPLIT-SPLITLESS”

Modo Split

• Se usa para muestras

concentradas ppm y más

• Inyector caliente;

vaporiza la muestra

• Mezclado con gas

portador

• Usa válvula de purga para

dividir (split) la muestra

•La relación de split

crítica

• Poner una fracción de la

15

Inyección SPLIT

Alta temperatura

Velocidad lineal alta Transferencia rápida La mayor parte de la

muestra se pierde Relación de Split muy

importante

16

Determinación clásica del Split

Mida el flujo de la columna a partir de t

_m

F_c = r2_L/t m

Mida el flujo de la purga

Fs

Split Ratio = F_s / F_c

¿Cuales son los problemas con estas mediciones? ¿Realmente sabemos cuanto inyectamos?

17

Determinación moderna del Split

Los sistemas EPC miden presión y flujos

El flujo en la columna se calcula de las

condiciones del inyector y las

dimensiones de la columna

El flujo de purga se ajusta al valor

deseado

18

19

Ventajas inyectores Split

Tamaño de muestra reducido (bandas

estrechas)

Flujo rápido en el inyector (bandas

estrechas)

Muestras sucias

OK

Simple de operar (CG isotérmica)

Inyecta muestras “limpias”

20

Desventajas inyectores Split

División no lineal

Se pierden altos pesos moleculares

Degradación Térmica

Las superficies metálicas calientes promueven reacciones

Discriminación en la jeringa caliente

Análisis limitados

21

Técnicas de Inyección Split

• Jeringa llena

• Jeringa fria

• Jeringa caliente

22

23

24

Resumen – Inyector Split

Simple

Técnica de vaporización en caliente Discriminación en inyección (usar

automuestreadores) Discriminación del liner

Usar lana de vidrio (desactivada) Geometría del liner crítica

Mejor para muestras concentradas o puras ppm´s o más

25

Inyector

“SPLIT-SPLITLESS”

Modo Splitless

• Se vaporizar la muestra en el inyector caliente • Se mantiene cerrada la

válvula de split por unos cuantos segundos

• Se abre la válvula con el split seleccionado 10:1 a 200:1

• Con ello se logra ingresar una mayor cantidad de

muestra a la columna y se elimina el disolvente

26

Inyector Splitless

Se inyecta la muestra en caliente y sin purga

95% de la muestra entra a la columna

Mismo “hardware” que en split excepto el

liner

Mas variables

disolvente, tiempo splitless, temperatura de columna

Se abre la válvula de purga después de un

tiempo corto

27

INYECCIÓN SPLITLESS

Alta temperatura

Baja velocidad lineal Transferencia lenta

Muestra + Solvente a la columna

Muchos factores importantes

28

29

Etapas Inyección Splitless

Válvula de purga cerrada; columna fría

Se inyecta la muestra

La inyección rápida del automuestreador mejor

El flujo en el inyector es lento;

transferencia lenta a la columna fría

Después de 30-60 seg, se abre la

válvula de purga- limpieza del

inyector

30

ENSANCHAMIENTO DE BANDA

Tiempo

Espacio (efecto del

solvente)

Enfoque térmico

Grob, K., Split and Splitless Injection in Capillary GC, Huthig, 1993, pp. 19-29, 322-36.

Tiempo Espacio

31

Mecanismos de Enfoque de Banda

Inyecciones Splitless involucran una

transferencia

lenta

a la columna --->

los

primeros picos son anchos

Se requiere enfoque

Trampa fría

32

Inyector

“Cool on

Column”

La temperatura

inicial de la

columna es lo

suficientemente

baja como para

“congelar”

los

analitos en la

columna.

33

INYECTOR “ON-COLUMN”

Remplace frecuentemente el septum

(~ 50 inyecciones)

Aguja Jeringa Columna Gas portador Septum Lana de vidrio Bloque Caliente 0.35 mm < 0,25 mm

34

TEMPERATURA INICIAL

40o_{C 20}o_C 0oC -20o_C -40oC hexano, heptano 500 ppb 10 min extracción Fibra: PDMS 100 m Linermmo_C Pinj: 1 bar(g)

35

Efecto de Solvente

El solvente se re-condensa en la

columna

Un tapón de líquido

Empezar con la columna de 30-50°C por

abajo del punto de ebullición del

36

37

Efecto de Solvente

Re-enfoca compuestos moderadamente

volátiles cerca de la entrada de la

columna

Se requiere que el disolvente “moje” la

fase estacionaria

Uso de disolventes no polares con fases

estacionarias no polares, etc.

38

TEMPERATURA INICIAL DE LA

COLUMNA Y EFECTO DE SOLVENTE

0 20

TIEMPO (min) 0 TIEMPO (min) 20

40o_{C 60}o_C

39

INYECCIÓN DIRECTA CAPILAR

Sólo con películas gruesas o megaboro

El propósito simplicidad y grandes

cantidades de muestra

La banda de soluto debe re-enfocarse

(temp)

40

TEMPERATURA DEL INYECTOR REAL

Valor 350o_C

Distancia del

septum (mm)

Temperatura del Gas Portador (o_C)

41

TEMPERATURA DEL INYECTOR

CROMATOGRAMAS

70000 40000 250o_C 100o_C 1. octano 2. decano 3. tridecano 4. tetradecano 5. pentadecano HP 5890-5972 Pinj = 5.0 psi HP5 30m x 0.25mm x 0.25 mm Transfer: 280o_C 1 2 3 4 5

42

PRESIÓN DE ENTRADA

La velocidad lineal del gas se incrementa

Inyector Columna

Incrementa temperatura de punto de

ebullición del analito

43

PULSO DE PRESIÓN

Incrementa la presión solo durante la inyección

Tiempo (min) Presión (kPa) 50 150 0.75

Tiempo de Purga “ON”

44

PULSO DE PRESIÓN

sin Pulso pulso de 15 psi 1 2 3 4 5 1. octane_{2. decano} 3. tridecano 4. tetradecano 5. pentadecano HP 5890-5972 Pinj = 5.0 psi HP5 30m x 0.25mm x 0.25 mm Transfer: 280o_C

Presión incrementada a 15 psig durante el periodo splitless TP: 80o_{C inctial, 1 min, 10}o_C/min

20000

45

OPTIMIZACIÓN

INYECCIÓN SPLITLESS

Puede ser difícil

Minimizar el tiempo de transporte (alta velocidad lineal)

Maximizar enfoque térmico (baja temperatura inicial de la columna)

Maximizar “efecto de solvente” (baja temperatura inicial de la columna)

46

REFERENCIAS

Grob, K. Split and Splitless Injection in

Capillary GC, 3rd. Edition, Wiley, 1995.

Klee, M.S., GC Inlets: An Introduction, Hewlett Packard, 1991.

Stafford, S.S., Electronic Pressure Control in

Gas Chromatography, Hewlett Packard, 1993.

http://www.gerstelus.com - A primer on GC injection techniques

47

VÁLVULA DE MUESTREO DE

GASES

Gas Portador A la columna Muestra

Posición de carga Posición de Inyección A la columna

Loop de Muestra

48

COLUMNAS CAPILARES Y EMPACADAS

Soporte Sólido

Fase Líquida

1/8" OD Columna empacada 0.25 mm ID Capilar o WCOT

49

COLUMNA DE CG

(EMPACADA)

FASE MÓVIL (Gas acarreador) FASE ESTACIONARIA

50

COLUMNA EMPACADA

Gas Portador Acero Inoxidable Fase Estacionaria Fase líquida Soporte Sólido (5 o10% en peso)

La separación depende de la distribución de las moléculas entre el gas y la fase líquida

51

COLUMNAS EMPACADAS

-REVISIÓN

Largo 3,6 o 12 Ft

1/4 y 1/8 pulgada de D.E.

Acero Inox. o vidrio

Fáciles de fabricar y usar

Una gran variedad de fases líquidas

Un número modesto de platos

52

COLUMNAS CAPILARES

(WCOT-WALL COATED OPEN TUBULAR)

DI's 100, 250, 320, 530 m Tubo Silica Fundida Fase Líquida 0.2 - 5 m

53 SCOT Support Coated Open Tube PLOT Porous Layer Open Tube WCOT Wall Coated Open Tube polyimide coating stationary phase fused silica capillary Packed Columns Length: <2m Diameter: 1/8” & ¼” OD Capillary Columns Length: 10m to 100m

55

CAPILARES/ OPEN TUBULAR

COLUMN

Columna Capilar de 100 Metros Tubo Abierto (Sin empaque)

56

WCOT- WALL COATED OPEN TUBULAR

Tubo de sílica fundida

57

WCOT-MEJOR RESOLUCIÓN

Espesor de película: 0.1 a 5.0 m

ID: 0.10, 0.25, 0.32, 0.53 mm

58

OTROS TIPOS DE COLUMNAS

CAPILARES

Fase Líquida Soporte

SCOT

NO DISPONIBLE EN SÍLICA FUNDIDA Adsorbent e Poroso

PLOT

MOLECULAR SIEVE, ALUMINA, PORAPAK Q

59

Alta fuerza tensil

Flexible

Recubrimiento de poliimida

Muy inertes

COLUNAS DE SÍLICA

FUNDIDA

60

Capilares vs Empacadas

Largo 60 metros 2 metros Platos Teóricos 3,000-5,000 2000 (N/m) Número Total 180-300 K 4000 Largo x N/m

CAPILAR

EMPACADA



61

PACKED COLUMN -- ECD

0 _minutos 60 R AROCHLOR 1260 ISOTHERMAL @ 210° C 1500 THEORETICAL PLATES

62

COLUMNA CAPILAR

0 2.00 4.00 6.00 8.00 10.00 12.00 14.00 16.00 18.00 20.00 22.00 24.00 500000 1000000 1500000 2000000 2500000 3000000 3500000 4000000 4500000 5000000 5500000 6000000 6500000 Time--> Abundance TIC: M3.D 2.34 3.02 3.45 3.89 5.42 7.24 7.44 8.17 8.84 10.01 10.55 10.68 10.89 11.09 11.73 13.27 14.45 14.64 15.28 15.73 17.32 17.62 17.87 17.99 18.54 19.09 19.19 19.51 19.59 20.42 20.80 20.91 21.80 22.03 22.10 22.53 22.62 22.79 22.94 23.21 23.32 23.83 24.01 24.16 24.47 24.73 25.06 25.40 25.64 26.16

63

PARÁMETROS IMPORTANTES

1) Diámetro interno 2) Largo Fase estacionaria: 3) Espesor de película 4) Composición 5) Flujo

64

DIÁMETRO DE LA COLUMNA

DIAMETRO INTERNO RESOLUCIÓN TIEMPO CAPACIDAD FACIL

100 m 250 m 320 m 530 m Muy Buena Muy Buena Razonable

Buena Buena Buena Buena

Razonable _Buena Muy Buena

Muy Buena Razonable

65

COLUMNAS CAPILARES DE 100

µm I.D.

•

Alta velocidad

•

Mejor resolución (500,000 platos en

50m

)

•

Poco sangrado

66

LARGO DE LA COLUMNA

N

L

R

L

t

L

R







67

LARGO DE LA COLUMNA

LARGO DE LA COLUMNA RESOLUCIÓN TIEMPO Larga (60-100 M) Alta Lento Corta (5-10 M) Media (25-30 M) Moderada Rápida Intermedio/Bueno para comenzar

68

ESPESOR DE LA FASE

ESTACIONARIA

0.25 m

•

0.25m – USO GENERAL

•

INTERMEDIA ENTRE RESOLUCIÓN Y CAPACIDAD

•

TEMPERATURAS PRÁCTICAS

CON POCO SANGRADO

•

SE PUEDEN OPTIMIZAR PARA TIEMPO Y RESOLUCIÓN

69

PELÍCULAS GRUESAS- FASE

ESTACIONARIA

1.0 m

VENTAJAS

•

LOS VOLÁTILES SE RETIENEN MAS

•

AUMENTO DE LA CAPACIDAD PARA

GC/MS, GC/IR DESVENTAJAS

•

MENOS EFICIENTE

•

SE REQUIERE DE TEMPERATURAS ALTAS -- RUIDO

•

MAYOR SANGRADO

70

GAS NATURAL

COLUMNA: 50M X 320 m

WCOT CP-Sil 8 CB ESPESOR: 5 m TEMPERATURA: 40 C (1 min); 40° C to 200° C, 5° C/min 1. metano 2. etano 3. propano 4. n-butano | | | | 14. benceno o

71

PELÍCULAS DELGADAS- FASE

ESTACIONARIA

0.2 m

VENTAJAS

•

MAYOR EFICIENCIA

•

MENOR TEMP. DE ELUCIÓN (Menos sangrado)

•

ANÁLISIS RÁPIDOS DESVENTAJAS

•

MENOR CAPACIDAD

72

PELÍCULA DELGADA/ALTA RESOLUCIÓN

COLUMNA: 10 M x 200 m ID 0.2 m film OV-101 GAS: He, 40 cm/sec

MUESTRA: 1.5 l, split 200:1

73

REQUISITOS DE LAS FASES

ESTACIONARIAS

•

ALTA SELECTIVIDAD

•

BAJO SANGRADO – ESTABILIDAD A

ALTA TEMPERATURA

•

REPRODUCIBILIDAD – ESTABILIDAD

74

FASES ESTACIONARIAS

TIPOS MÁS COMUNES

OV-17

OV-1

CH

₃

( Si-O )

_n

CH

₃

( Si-O )

_n

CH

₃

FASE DE GOMA DE POLISILOXANO LAS MAS ÚTILES (TÉRMICAMENTE ESTABLE): OV-1, SE-30, SE-52, SE-54, OV-17, OV-1701, OV-225

75

FASES

ESTACIONARIAS

TIPOS MÁS COMUNES

( O-CH -CH )

2 2 n CARBOWAX

FASES DE POLIETILENGLICOL VIDA LIMITADA (CARBOWAX 20M, SUPEROX 20M) _R