Chromatografia Gazowa: Zasada Działania i Zastosowanie w Analizie Gazu Ziemnego
- Szczegóły
Chromatografia gazowa (GC) to technika separacyjna, w której fazą ruchomą jest gaz - najczęściej hel, azot lub wodór. Metoda chromatograficzna jako fizykochemiczna technika badawcza w chemii analitycznej jest wykorzystywana do rozdzielania składników złożonych mieszanin w celu określenia procentowego składu chemicznego na podstawie nawet bardzo niewielkiej objętości analitu.
Wstęp do Chromatografii
Chromatografię ogólnie opisać można jako działanie dwóch przeciwstawnych sił. Z jednej strony jest to siła hamująca ruch cząsteczek, z drugiej strony siła powodująca ich ruch w określonym kierunku. Substancje ulegają rozdzieleniu, ponieważ siły te ulegają zróżnicowaniu w obliczu złoża (siła hamująca) oraz przepływu gazu, cieczy i innych (siła powodująca ruch). Złoże, zwane też fazą stacjonarną to ciało stałe lub ciecz na powierzchni ciała stałego.
Chromatografię gazową stosujemy przede wszystkim do analizy złożonych mieszanin lotnych związków organicznych występujących normalnie jako: gazy, ciecze, ciała stałe. Chromatografię gazową stosuje się również do analizy gazów i niektórych lotnych związków nieorganicznych. Chromatografia charakteryzuje się dużą efektywnością, dlatego też umożliwia, poza analizą jakościową, wykonanie analizy ilościowej. Sprzężenie chromatografii z metodami spektrometrycznymi umożliwia identyfikację i badania strukturalne związków organicznych. Bardzo istotne znaczenie ma zastosowanie chromatografów do preparatywnego wydzielania składników mieszanin będących następnie np. wzorcami używanymi do innych analiz. Metody te stosuje się również do oczyszczania starterów używanych do reakcji PCR.
Istota Rozdziału w Chromatografii Gazowej
Wyobraźmy sobie naczynie, na którego dnie znajduje się ciecz. Przestrzeń nad tą cieczą wypełniona jest jakimś gazem. Wyobraźmy sobie teraz, że wprowadzamy do tego naczynia niewielką ilość lotnego związku. Po jakimś czasie nasz lotny związek rozdzieli się pomiędzy ciecz i gaz znajdujący się nad tą cieczą. Jeżeli nic dalej nie będziemy z tym robić i naczynie jest szczelne to taki stan będzie się utrzymywał w nieskończoność tzn. stosunek podziału stężeń naszego lotnego związku znajdującego się w cieczy i gazie będzie stały.
Wyobraźmy sobie teraz, że usuwamy z naszego naczynia cały gaz razem z tą „częścią” naszego związku, która się w nim znajdowała i zastępujemy go tym samym, tyle, że bez naszego lotnego związku. W tej sytuacji ponownie wytworzy się stały stosunek stężeń lotnego związku pomiędzy cieczą i gazem, tylko że ilościowo będzie go już mniej (ciecz będzie musiała trochę „oddać”). Jeśli znowu usuniemy gaz i zastąpimy go nowym sytuacja się powtórzy. Konsekwencją takiego postępowania będzie w końcu niemal całkowite usunięcie naszej substancji z układu.
Przeczytaj także: Instrukcja krok po kroku: Osuszacz w Solaris Urbino
Opisane zjawisko wykorzystano w podziałowej chromatografii gazowej, ale zamiast wielokrotnej wymiany gazu zastosowano jego stały przepływ. Gaz ten zwany jest gazem nośnym lub fazą ruchomą. Substancja, która wprowadzona została na początek złoża migruje wzdłuż niego. Jeśli teraz do naszego naczynia lub chromatografu wprowadzimy więcej niż jeden związek lotny podzielą się one pomiędzy gaz i ciecz w różnych stosunkach ilościowych. W rezultacie dochodzi do ich rozdziału. Po prostu substancje te migrują z różną prędkością wzdłuż naszego złoża.
Bardzo podobnie wygląda ta sprawa w przypadku chromatografii gazowej absorpcyjnej. Zamiast nielotnej cieczy występują tu ciała stałe o bardzo rozwiniętej powierzchni tzn. ciała porowate. W chromatografii podziałowej stosowany jest stały nośnik pokryty warstwą cieczy. Znajduje się on w tzw. kolumna chromatograficzna, w której zachodzi separacja, może mieć różną konstrukcję. W czasie analizy chromatograficznej dochodzi do wymiany masy pomiędzy dwiema fazami, której dodatkowo towarzyszą zjawiska dyfuzji. Powodują one poszerzenie pasm chromatograficznych w miarę upływu czasu. Kiedy substancja opuszcza kolumnę wykrywana jest przez detektor. Urządzenie to dokonuje pomiarów proporcjonalnych do ilości substancji w gazie nośnym. Pomiary te przedstawione są w postaci krzywej, w chromatografii nazywa się ją pikiem. Zgodnie z tym, o czym wspomniano wcześniej piki składników dłużej przebywających w kolumnie są szersze niż te odpowiadające składnikom przebywającym w kolumnie krócej. Na wykresie wyraźnie widoczna jest linia podstawowa chromatografu czyli wykres sygnału detektora przez który przepływa jedynie gaz nośny.
Chromatografia Gazowa w Analizie Gazu Ziemnego
Z uwagi na fakt, że gaz ziemny stanowi pod względem chemicznym mieszaninę wielu różnych gazów o różnej relacji procentowej wobec siebie (zależnie od miejsca wydobycia), zawartość poszczególnych składowych nie jest stała. Niezależnie jednak od tego, głównym składnikiem zawsze jest metan, którego udział w gazie ziemnym przekracza 90%. Co w tym kontekście istotne, gaz ziemny wykorzystywany jako źródło energii (paliwo) lub w procesach technologicznych, musi spełniać ściśle określone parametry jakościowe i ilościowe, zgodnie z obowiązującymi międzynarodowymi regulacjami normatywnymi.
Pomiar gazu ziemnego w chromatografie polega na wprowadzeniu próbki do kolumny, wewnątrz której składniki analitu (metan, etan, propan, azot, dwutlenek węgla itp.) oddziałują z fazą stacjonarną. Te cząsteczki, które oddziałują z nią słabiej, są szybciej „porywane” przez strumień gazu nośnego i wędrują przez kolumnę z większą prędkością.
Główne elementy chromatografu gazowego:
Przeczytaj także: Osuszacze wilgoci - ranking
- kolumna chromatograficzna, w której zachodzi separacja, może mieć różną konstrukcję.
- detektor, odpowiedzialny za rejestrację każdego związku opuszczającego kolumnę. Stosuje się różne typy detektorów, np. TCD i FID.
- kalibracja - przed rozpoczęciem pomiarów chromatograf kalibruje się przy użyciu certyfikowanych mieszanin gazowych o dokładnie znanym składzie, dzięki czemu uzyskuje się punkt odniesienia przy identyfikacji poszczególnych składników analizowanej mieszaniny.
- detekcja - każdy składnik próbki wywołuje w detektorze sygnał elektryczny, który jest monitorowany.
W sektorze gazowniczym pomiar gazu ziemnego jest procesem wielowymiarowym, który nie ogranicza się wyłącznie do kontroli przepływu i ciśnienia. W zastosowaniach przemysłowych i energetycznych przebiegających z wykorzystaniem gazu ziemnego fundamentalne znaczenie ma jakość przesyłanego medium, czyli dokładny skład chemiczny gazu, ponieważ to właśnie od niego zależy m.in. ilość energii możliwej do wytworzenia z każdego metra sześciennego gazu czy bezpieczeństwo i stabilność procesu spalania.
Wykorzystanie CO2 w Stanie Nadkrytycznym
Ekstrakcja płynem nadkrytycznym (SFE) przy użyciu CO2 jest powszechnie stosowana do ekstrakcji związków ze stałych materiałów botanicznych ze względu na osiągalne ciśnienie i niską temperaturę (temperatura krytyczna i ciśnienie 31°C i 74 bar). Wykazuje szereg zalet charakterystycznych dla CO2 w porównaniu z tradycyjnymi alternatywami pochodzenia petrochemicznego.
Zalety CO2 w Stanie Nadkrytycznym:
- Regulowana polaryzacja: CO2 jest dobrym rozpuszczalnikiem do ekstrakcji cząsteczek lipofilowych i hydrofobowych, dlatego jest popularny w ekstrakcji produktów naturalnych. Polarność CO2 można regulować przez dodanie rozpuszczalnika o wyższej polarności, takiego jak etanol.
- Frakcjonowanie selektywne: Podczas ekstrakcji można dostosować warunki, aby zmienić gęstość CO2 w celu selektywnej ekstrakcji określonych składników. Ta sama dostrajalność jest możliwa po stronie odbiorczej ekstraktora.
- Izolacja: Wyodrębnianie ekstraktu wymaga rozprężenia CO2, co powoduje oddzielenie rozpuszczonych związków od CO2. Gazowy CO2 jest wtedy w stanie uciec, pozostawiając ekstrakt niezanieczyszczony płynem ekstrakcyjnym.
- Recykling: Możemy również ponownie wykorzystać CO2, ponownie go sprężając. Przenoszony materiał może również zanieczyścić proces ekstrakcji, ale efekty te można zminimalizować lub usunąć.
- Odpowiedzialność za środowisko: W przeciwieństwie do innych ekstrakcji rozpuszczalnikowych, CO2 jest odzyskiwany z innych procesów przemysłowych jako produkt uboczny.
Przeczytaj także: Jak naprawić błąd E5 w osuszaczu powietrza Ralf?
tags: #osuszacz #gazu #chromatografia #zasada #działania
