第2节 色谱理论基础

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5. 速率理论的要点
组分分子在柱内运行的多路径与涡流扩散 多路径与涡流扩散、 (1)组分分子在柱内运行的多路径与涡流扩散、浓度梯度所 造成的分子扩散 传质阻力使气液两相间的分配平衡不能瞬 分子扩散及 造成的 分子扩散 及 传质阻力 使气液两相间的分配平衡不能瞬 间达到等因素是造成色谱峰扩展柱效下降的主要原因。 间达到等因素是造成色谱峰扩展柱效下降的主要原因。 (2)通过选择适当的固定相粒度、载气种类、液膜厚度及载 通过选择适当的固定相粒度、载气种类、 通过选择适当的固定相粒度 气流速可提高柱效。 气流速可提高柱效。 (3)速率理论为色谱分离和操作条件选择提供了理论指导。 速率理论为色谱分离和操作条件选择提供了理论指导。 阐明了流速和柱温对柱效及分离的影响。 阐明了流速和柱温对柱效及分离的影响。 (4) 各种因素相互制约,如载气流速增大,分子扩散项的影 各种因素相互制约,如载气流速增大, 响减小,使柱效提高,但同时传质阻力项的影响增大, 响减小 , 使柱效提高 , 但同时传质阻力项的影响增大 , 又使 柱效下降;柱温升高,有利于传质, 柱效下降 ; 柱温升高 , 有利于传质 , 但又加剧了分子扩散的 影响,选择最佳条件,才能使柱效达到最高。 影响,选择最佳条件,才能使柱效达到最高。
称为柱选择项;
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色谱分离基本方程式
α −1 1 R = n 有效 ( ) α 4 1+ k 2 ) n 有效 n = ( k k 1 α −1 k ( 2 ) R = n( )( ) k +1 2 4 α 1+ k
容量因子项。
r21 2 n有效 = 16R ( ) r21 −1
组分在气相和液相两相间进行反复分配时,遇到阻力。 组分在气相和液相两相间进行反复分配时,遇到阻力。 传质阻力包括气相传质阻力Cg和液相传质阻力 传质阻力包括气相传质阻力 和液相传质阻力CL ,液相传 和液相传质阻力 质阻力大于气相传质阻力。 质阻力大于气相传质阻力。 即: C =(Cg + CL)
CL ∝
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两组分分离的条件:
1
相邻两峰之间的距离要大: 即两组分的保留时间要有足够大的差 值。
2 相邻两色谱峰要窄。
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分离度的表达式: 分离度的表达式:
(tR(2) − tR(1) ) R= 1 (Y2 + Y ) 1 2 (tR(2) − tR(1) ) ' R = (R=0.59R’) 1 (Y / 2(2) + Y / 2(1) ) 1 1 2
三、塔板理论-柱分离效能指标
色谱柱长:L, 色谱柱长: , 虚拟的塔板间距离: , 虚拟的塔板间距离:H, 色谱柱的理论塔板数: , 色谱柱的理论塔板数:n, 则三者的关系为: 则三者的关系为: n=L/H 理论塔板数与色谱参数之间的关系为: 理论塔板数与色谱参数之间的关系为:
tR 2 tR 2 n = 5.54( ) = 16( ) Y1/ 2 Wb
tR 2 tR 2 n = 5.54( ) = 16( ) Y1/ 2 Wb
' ' tR 2 tR 2 n有效 = 5.54( ) = 16( ) Y1/ 2 Wb
H有效 =
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L n有效
塔板理论的特点和不足: 塔板理论的特点和不足:
当色谱柱长度一定时, 越大(塔板高度 (1)当色谱柱长度一定时,塔板数 n 越大 塔板高度 H 越小) 被测组分在柱内被分配的次数越多, 越小),被测组分在柱内被分配的次数越多,柱效能则越高 所得色谱峰越窄。 ,所得色谱峰越窄。 不同物质在同一色谱柱上的分配系数不同, (2)不同物质在同一色谱柱上的分配系数不同,用有效 塔板数和有效塔板高度作为衡量柱效能的指标时, 塔板数和有效塔板高度作为衡量柱效能的指标时 , 应指明 测定物质。 测定物质。 (3)柱效不能表示被分离组分的实际分离效果,当两组 柱效不能表示被分离组分的实际分离效果, 相同时,无论该色谱柱的塔板数多大, 分的分配系数 K 相同时,无论该色谱柱的塔板数多大,都 无法分离。 无法分离。 (4)塔板理论无法解释同一色谱柱在不同的载气流速下 柱效不同的实验结果, 柱效不同的实验结果 , 也无法指出影响柱效的因素及提高 柱效的途径。 柱效的途径。
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有效塔板数和有效塔板高度

单位柱长的塔板数越多,表明柱效越高。 单位柱长的塔板数越多,表明柱效越高。 用不同物质计算可得到不同的理论塔板数。 用不同物质计算可得到不同的理论塔板数。 组分在t 时间内不参与柱内分配。 组分在 M时间内不参与柱内分配。需引入有效塔
• •
板数和有效塔板高度: 板数和有效塔板高度:
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五、 分离度
塔板理论和速率理论都难以描述难分离物质对的实际分 离程度。即柱效为多大时,相邻两组份能够被完全分离。 难分离物质对的分离度大小受色谱过程中两种因素的综 合影响:保留值之差──色谱过程的热力学因素; 区域宽度──色谱过程的动力学因素。 色谱分离中的四种情况如图所示: 色谱分离中的四种情况如图所示:柱效较高,△K (分配系数) ① 较大,完全分离; ② △K 不是很大,柱效较高, 峰较窄,基本上完全分离; ③柱效较低,,△K 较大,但 分离的不好; ④ △K 小,柱效低,分离效 果更差。
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4. 区域宽度
用来衡量色谱峰宽度的参数, 有三种表示方法: 有三种表示方法: (1)标准偏差 σ): )标准偏差( : 即0.607倍峰高处色谱峰宽度的一半。 (2)半峰宽(Y1/2): )半峰宽 : 色谱峰高一半处的宽度 Y1/2 =2.354 σ (3)峰底宽 b): )峰底宽(W : Wb=4 σ
第二章 气相色谱分 析法
第二节 气相色谱理论 基础
一、气相色谱流出 气相色谱流出 曲线 二 、 容量因子与分 配系数 三、塔板理论 四、速率理论 五、分离度
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一、气相色谱流出曲线 一、气相色谱流出曲线 1.基线
无试样通过检测器时, 检测到的信号即为基线。
2.保留值
(动画) 动画)
'
=
t 'R( 2) − t 'R(1) Wb
=
(t 'R( 2) t 'R(1) −1) ⋅ t 'R(1) Wb
(r21 −1) t R( 2) (r21 −1) n有效 = ' ⋅ = ' t R( 2) t R(1) Wb r21 16
n 4
( r2 ,1 − 1 r2 ,1 )
称为柱效项;
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图17-6 范氏方程中各项对板高的 贡献
涡流扩散项- 1. 涡流扩散项-A
A = 2λdp
dp:固定相的平均颗粒直径 λ:固定相的填充不均匀因子 :
(动画) 动画)
固定相颗粒越小d , 填充的越均匀, , , 固定相颗粒越小 p↓, 填充的越均匀 , A↓,H↓, 柱效 n↑。 表现在涡流扩散所引起的色谱峰变宽现象减轻 , 色谱 。 表现在涡流扩散所引起的色谱峰变宽现象减轻, 峰较窄。 峰较窄。
(1)时间表示的保留值 )
保留时间( ):组分从进样到柱后出现浓度极 保留时间(tR): 大值时所需的时间 死时间( ):不与固定相作用的气体(如空气 死时间(tM): )的保留时间。 调整保留时间( '):t 调整保留时间(tR '): R'= tR-tM
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(2)用体积表示的保留值 )
MS VS V c V K M = s⋅ S = k= S = S cm Vm β Mm MS V m Vm
' t R − tM t R k= = tM tM
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式中β为相比。 填充柱相比:6~35; 毛细管柱的相比:50~1500
分配比越大,保留时间越长。 分配比越大,保留时间越长。 越大 分配比, 可由保留时间计算出分配比 两者有以下关系: 可由保留时间计算出分配比,两者有以下关系:
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二、分配比(容量因子)与分配系数 分配比(容量因子)
分配系数K: 分配系数 :组分在两相间的浓度比; K=Cs/CM 分配比 k:平衡时,组分在各相中总的质量比; : k =MS / Mm
MS为组分在固定相中的质量,Mm为组分在流动相中的质量。 与分配系数K百度文库关系为 分配比k与分配系数 的关系为: 与分配系数 的关系为:
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分子扩散项—B 2. 分子扩散项
B = 2 γDg
♥ γ :弯曲因子,填充柱色谱,γ<1。 弯曲因子,填充柱色谱, 。 ♥ Dg:试样组分分子在气相中的扩散系数(cm2·s-1)。由于 试样组分分子在气相中的扩散系数( 柱中存在着浓度差,产生纵向扩散: 柱中存在着浓度差,产生纵向扩散:
保留体积(VR):VR = tR×F0 保留体积( ( F0为色谱柱出口处的载气流量, 单位:m L / min。) 死体积(VM): VM = tM ×F0 死体积( 调整保留体积( 调整保留体积(VR'): V R' = VR -VM
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3. 相对保留值r21 组分2与组分1调整保留值之比(α) r21 = t’R2 / t’R1= V’R2 / V’ R1 相对保留值只与柱温和固定相性质有关, 与其他色谱操作条件无关,它表示了固定相 对这两种组分的选择性。
2
r21 2 L = 16R ( ) ⋅ H有效 r21 −1
2
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(动画) 动画)
a. 扩散导致色谱峰变宽,H↑(n↓),分离变差。 扩散导致色谱峰变宽, 分离变差。 b. 分子扩散项与流速有关,流速↓,滞留时间↑,扩散↑ 分子扩散项与流速有关, c. 扩散系数:Dg ∝(M载气)-1/2 ; M载气↑,B值↓ 扩散系数: 值
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3.传质阻力项 3.传质阻力项— C 传质阻力项
R =0.8:两峰的分离程度可达89%(部分重叠); R =1.0:分离程度98%(稍有重叠); R =1.5:达99.7%(相邻两峰完全分离的标准)。
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• 二、色谱分离关系式 • 设两相邻峰的峰宽相等,即w1=w2,则
R=
又知
2(t R ( 2) − t R (1) ) W1 + W2
W2 =
=
t R ( 2 ) − t R (1) W2
2 R ( 2)
tR 2 n = 16( ) W
16t
n
=
4t R ( 2) n
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• 二、色谱分离关系式
令Wb(2)=Wb(1)=Wb(相邻两峰的峰底宽近似相等),引 入相对保留值和塔板数,可导出下式:
R=
2(tR(2) − tR(1) ) Wb(2) +Wb(1)
d2 f DL
(动画) 动画)
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载气流速与柱效4. 载气流速与柱效-最佳流速
载气流速高时: 载气流速高时: 传质阻力项是影响柱效 的主要因素,流速⇑ 柱效⇓ 的主要因素 , 流速 ⇑ , 柱效⇓ , 右图曲线的右边。 右图曲线的右边。 载气流速低时: 载气流速低时: 分子扩散项成为影响柱效的 主要因素, 流速⇑ 柱效⇑ 主要因素 , 流速 ⇑ , 柱效 ⇑ , 右图曲线的坐边。 右图曲线的坐边。 H - u曲线与最佳流速: 曲线与最佳流速: 曲线与最佳流速 由于流速对这两项完全相反的作用, 由于流速对这两项完全相反的作用,流速对柱效的总影 响使得存在着一个最佳流速 最佳流速值 响使得存在着一个最佳流速值,即速率方程式中塔板高度对 流速的一阶导数有一极小值。 流速的一阶导数有一极小值。 以塔板高度H对应载气流速u作图,曲线最低点的流速即 以塔板高度H 作图, 最佳流速。 为最佳流速。
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四、 速率理论-影响柱效的因素 速率理论速率方程( 也称范.弟姆 速率方程 ( 也称范 弟姆 特方程式) 特方程式):
H = A + B/u + C·u
H: 理论塔板高度 , u: 载气 : 理论塔板高度, : 的线速度(cm/s) 的线速度 减 小 A、B、C 三 项 可 提 高 柱 、 、 效; 存在着最佳流速; 存在着最佳流速; A、B、C 三 项 各 与 哪 些 因 素 、 、 有关? 有关?
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