CROMATOGRAFÍA DE GASES UNIVERSIDAD AUTÓNOMA METROPOLITANA

Transcripción

1 CROMATOGRAFÍA DE GASES UNIVERSIDAD AUTÓNOMA METROPOLITANA

2 PROGRAMA OFICIAL 1. introducción 1.1 Fundamentos de la cromatografía 1.2 Proceso de separación 1.3 Términos cromatogáficos

3 FISICOQUÍMICA DE LA CROMATOGRAFÍA Fundamentos de separación

4 EL SISTEMA CROMATOGRÁFICO 1. Gas transportador 2. Inyector 3. Horno 4. Columnas empacadas 5. Columnas capilares

5 DETECTORES 1. Conductividad térmica 2. Ionización de flama 3. Captura de electrones

6 CONCEPTOS Y TÉRMINOS 1. Tiempo de retención 2. Tiempo de retención corregido 3. Ancho de base 4. Número de platos teóricos

7 CONCEPTOS Y TÉRMINOS 5. Altura Equivalente De Un Plato Teórico 6. Coeficiente De Partición 7. Resolución 8. Selectividad

8 ANÁLISIS CUALITATIVO 1. Series Homólogas

9 ANÁLISIS CUANTITATIVO 1. Normalización 2. Patrón Externo 3. Patrón Interno

10 CROMATOGRAFÍA DE GASES Dr. José Ramón Verde Calvo M en C. Gloria Maribel Trejo 2012

11 En esta sección, aprenderemos Los principales componentes del Cromatografo de Gases. Un típico Cromatograma y la información que contiene. Como ocurre la Separacion. El uso de los Gases.

12 DEFINICIÓN La cromatografía de gases es una técnica analítica usada para separar y cuantificar mezclas simples o complejas

13 Ventajas Mejor técnica de separación que otros sistemas físicos o químicos Tiempos cortos de análisis Actualmente muchas de las técnicas de control de calidad son por CG.

14 Desventajas Costo Mantenimiento Consumibles Capacitación de personal

15 CROMATOGRAFIA M. TSWEET (1903): Separación de mezclas de pigmentos vegetales en columnas llenas con adsorventes sólidos y solventes variados éter de petróleo mezcla de pigmentos Historia CaCO 3 pigmentos separados Cromatografia = kroma [color] + graph [escritura] (griego)

16 CROMATOGRAFIA Historia CGS rudimentario 1941 propuesta Martin y Synge 1953 Separación de ácidos orgánicos por CGL: primer cromatógrafo (Martin y James) 1955 Primer equipo comercial 1956 Detector por Densidad de Gas (Martin y James) 1959 Detector por Ionización de flama 1959 Detector por Captura de Eletrones 1960 Columnas Capilares (Golay)

17 Clasificación Analítica Cromatografía cualitativa o preparativa Cromatografía cuantitativa o analítica

18 Clasificación Práctica Cromatografía de Adsorción Cromatografía de Reparto

19 Cromatografía de Adsorción Cromatografía Gas Sólido (CGS) La fase estacionaria es un sólido: sílice granular Alúmina Carbón El soluto se adsorbe en la superficie de las partículas sólidas La fase móvil es un gas

20 FE Sólida: Adsorción El fenómemo físicoquímico responsable de la interacción analito - FE sólida es la ADSORCIÓN La adsorción ocurre en la interface entre el gas de arraste y la FE sólida

21 Fase Estacionaria Sólida Principales Aplicaciones: - Separación de gases - Compuestos volátiles - Séries homólogas GASES DE REFINARIA Columna:Carboxen mallas; 15 x 1/8 T COL : 35 o C a 225 o C 20 o C. min -1 Gas de Arraste: He, 30 ml.min -1 Detector: TCD

22 Columnas de Adsorción Columna Temp max Aplicación HP S o M 200 c Hidrocarburos, gas natural Poraplot Q 250 C Alcoholes volátiles en agua, gases Poraplot U 190 C comp. volátiles polares, aldehídos

23 Cromatografía de Reparto Conceptos Generales LÍQUIDOS Depositados sobre superfícies de: sólidos porosos inertes (columnas empacadas) o de tubos finos de materiales inertes (columnas capilares) FE líquida SOPORTE Sólido inerte poroso Tubo capilar de material inerte

24 Familias de FE Líquidas Mayor parte de las aplicaciones en CG moderna PARAFINAS Apolares; Principales: esqualeno (C 30 H 62 ), Apiezon POLIÉSTERES Ésteres de dialcoholes con diácidos. Polares; altamente sensibles a la humedad y oxidación; Principales: DEGS, EGA. ÉSTERES METÍLICOS DE ÁCIDOS GRASOS Columna:5%DEGS-PS s/ Supelcoport 100/120 mallas; 6 x 1/8 T COL : 200 o C (isotérmico) Gas de Arraste: N 2 20 ml.min -1 Detector: FID Muestra: 0,5 L de solución en cloroformo contenido 0,5 mg de cada éster

25 Columnas de Reparto Columna Temp max Aplicación HP c Aminas, Hidrocarburos HP C Drogas glicoles pesticidas HP-Wax 250 C Alcoholes, disolventes

26 Factores que afectan la separación Fase estacionaria C. A.: polaridad C. R.: solubilidad Temperatura

27 AIRE HIDROGENO ACARREADOR El Cromatógrafo De Gases TRAMPAS MOL-SIEVE RESTRICTORES FIJOS REGULADORES ELECTROMETRO CONTROLADOR DE FLUJO PUERTO DE INYECCION DETECTOR COLUMNA INTEGRADOR HORNO

28 Gases Gas Acarreador El Cromatógrafo de Gases Gas Presurizado utilizado para transportar la Muestra a través del sistema Introducción de la Muestra (Puerto de Inyección) Introducción de la Muestra en el sistema donde es vaporizada con mínimos disturbios al sistema y transportada a la columna por el gas acarreador Columna Lleva a cabo la separación de los componentes de la Muestra Detector Reconoce y da respuesta a los componentes de la muestra que eluyen de la columna. Adquisición de datos Convierte la señal del detector a un cromatograma y provee información manual o automatizada para identificar y conocer las concentraciones de los componentes de la muestra

29 Gas Acarreador y Gases de Soporte del Detector Los Gases deben ser: Seleccionados según los requisitos del tipo de detector utilizado Inertes Secos Puros

30 COSTO Desventajas: Gas De Arrastre COSTO Los gases de alta pureza son caros. A B C A = 99,995 % B = 99,999 % C = 99,9999 % PUREZA Cada detector demanda un gas de arraste específico para mejor funcionamento. Selección de Gases de Arraste en Función del Detector: DCT He, H 2 DIF N 2, H 2 DCE N 2, Ar + 5% CH 4

31 Alimentación Del Gas De Arrastre Componentes necesarios en la línea de gas: controladores de presión de gas dispositivos para purificación de gas ( trampas ) Nota: Tubos y conexiones: acero inox o cobre

32 Helio Tubería de los Gases Fuente principal Valvula On/Off Regulador Dos pasos Valvula On/Off Trampa De humedad Trampa de Oxigeno HP 5890 Series II Fuente principal De Gas Diagrama General de la Tuberia

33 Trampas o filtros Garantizan la calidad del análisis Prolongan la vida útil de la columna Minimiza el ruido

34 Trampa de Oxígeno Bulbo de óxido de cobre Indicador de óxido de manganeso El O 2, provoca oxidación irreversible en las FE

35 Daños causados por O 2 Alto nivel de sangrado y coleo de los picos

36 Trampas de Oxígeno

37 Trampas de humedad Tamiz molecular Indicador de sulfato de calcio Retienen: H 2 O, HCl, CO 2,SO 2, Cl 2

38 Trampas de Humedad

39 Trampa para hidrocarburos Tamiz molecular Empaque C activado Retiene compuestos mayores que el CH 4 El tamaño y el PM de los contaminantes afectan la vida media del filtro

40 Trampas para Hidrocarburos

41 Regulador de gas

42 Gases recomendados Detector Gas Conductividad térmica Ionización de flama Captura de electrones He, N 2, H 2, Ar H 2, N 2, Aire N 2, Ar + 5%CH 4

43 1. 0. Puerto Empacado - TCD 100. ml. Packed. TCD. Aux Gas. OFF. B. Flows Measured Here:. Column (He). Auxiliary Gas (He). Reference Gas (He). A. COLUMN. HEAD PRESSURE. INCR. Carrier Flow. Septum Retainer Nut. Ref. OFF. Detector A. C. 10. Septum. INJECTION PORT A Liner. Glass Insert. A. Carrier Gas. F. i. C. l. h. a. a. m. n. e. n. n. t. e. l Ratio. Column Flow. Reference. and. :. Flow. Auxiliary Flow. 2:3. Graphite Ferrule. Switch Valve Swage-type. Nut & Ferrules. C. Column. B.

44 10 ml/min. 100 ml/min Split. Puerto capilar - FID INCR. D. TOTAL FLOW. INCR. COLUMN. HEAD PRESSURE. SEPTUM PURGE. INCR. C. Adjust Flow Via. Regulators on. the Side Panel. ON/OFF Valve,. Air. ON/OFF Valve,. H (Hydrogen). 2. FID. Air. I. H. Hydrogen. OFF. Press. FID Ignitor. OFF. OFF. G. Aux Gas. Detector B Needle Valve Adjusts Auxiliary Flow. Ignitor Button (press to ignite). ON/OFF Valve,. Capillary Makeup Gas (if installed) ml. Flows Measured Here:. Column. Auxiliary Gas. H 2 (30ml/min). Air (400 ml/min). A. E. Split Vent. Purge Vent. B. INJECTOR PORT A F. Total Flow Control. A. Capillary Inlet. Septum Purge Control. E. Purge Vent ml/min. 1 ml/min Septum Purge Flow. F. 1 ml/min. (1-3 ml/min). Air Inlet. I. Total Flow. (carrier gas). Is Divided. Septum Purge. Column Flow. Split Vent. 100 ml/min Split Flow. Purge Control. Valve. C. 100 ml/min. ( ml/min). Split Vent. B. D. Column Flow. Column Head. 1 ml/min. Pressure Control. (.5-30 ml/min). Adjusted with column head pressure control. May or may not be measured at detector outlet.. (Depends upon type of column installed). G. H. Make-Up. and. H 2 Inlet. Jet. Column inserted through jet. up to the top. H 2 and auxiliary gas sweeps. up through jet around outside. of column.

45 Capitulo II. Sistemas de Introducción de muestra

46 Objetivos: Definir el proceso de introducción de la muestra. Definir las diferentes técnicas de Inyeccion manual

47 Inyeccioó con Jeringa Inyección Manual Inyección con Automuestreador Puerto de Inyección Proposito: Introducir la muestra en la columna en estado de vapor. Inyección con Válvulas Válvulas de muestreo para gases Válvulas de muestreo para líquidos Equipos Auxiliares Externos Purga y trampa Headspace

48 Inyección Manual La muestra debe ser inyectada rapidamente. Para obtener picos reproducibles,picos delgados y afilidados. Las inyecciones deben ser Rapidas y Consistentes. Inyeccion lenta. Picos anchos Inyeccion rapida. Picos delgados

49 Técnicas de Carga de muestra utilizando Jeringa Sólo muestra Muestra-aire muestra muestra Aire-muestra-aire aire aire muestra aire Solvente - Aire - muestra - Aire Solvente Aire muestra aire

50 Septa Septum Retainer Nut septa Liner Glass Insert Gas acarreador Ferrul de grafito Swage-type Nut & Ferrules Columna EVITAR PROBLEMAS: - Cambiar regularmente - no sobre-apretar - Usar septum purge - Usar septas de 11mm

51 Automuestreador Equipo para realizar inyecciones automáticas líquidas en el puerto de inyección Una o dos torretas (HP A or B) Con o sin carrusel (HP A or B) Con o sin Lector de codigo de barras Controlador (HP A or B)

52 Purga & Trampa Se utiliza para muestras ambientales que se requiere analizar componentes volátiles. Utiliza una combinación de headspace dinámico, absorbción en trampa, y desorbción térmica.

53 Técnica AL GC VENTEO CONTROLADOR DE FLUJO GAS ACARREADOR TRAMPA GAS DE PURGA TUBO DE PURGA 1. Los componentes de la muestra son colectados en la trampa 2. Un gas inerte es usado para purgar los componentes de la muestra de agua. 3. La trampa es calentada para desorber los componentes al GC, donde seran analizados

54 Sistema para el análisis de COV s Estado de purga

55 Sistema para el análisis de COV s Desorción y drenado

56 Headspace Jeringa Gas-Tight Headspace Muestra Temperatura de agua constante 1. La muestra es colocada en un baño a temperatura constante (u horno) y permitir llegar a una temperatura de equilibrio. 2. Una alicuota de gas en el espacio de cabeza, arriba de la muestra es tomada con una jeringa gas-tight o por otros medios. 3. El gas muestrado del espacio de cabeza es analizado utilizando el GC.

57 Consideraciones Headspace Una porción de gas (headspace) que esta en equilibrio de una muestra sellada, es calentada en un vial e injectada en el puerto del GC. Utilizado para analizar volatiles en: Muestras Sucias. Muestras Sólidas. Muestras que contienen compuestos de alto punto de ebullición y que no son de inertes. Muestras con alto contenido de agua

58 Consideraciones Headspace Consideraciones capilares Las columnas megaboro y empacadas pueden ser utilizadas en el puerto empacado cuando los flujos son mayores a 10 ml/min. Para flujos menores a 10 ml/min utilizar un puerto capilar para mantener al menos un flujo de 10 ml/min a traves de la unidad headspace.

59 Aplicaciones Hidrocarburos Clorados en Agua Por Headspace Hidrocarburos Aromáticos en Agua Por Headspace Clorometano 2. Diclorometano 3. Triclorometano Benceno 2. Tolueno 4. Tetraclorometano min Columna: HP-1 (Cross-Linked Methyl Silicone) 30 m x 0.53 mm x 2.65 m film (Part No Z-123) Acarreador: Helio, 5.2 psi horno: 40 C Injeccion: 1cc, splitless Detector: FID 10 min Columna: HP-1 (Cross-Linked Methyl Silicone) 30 m x 0.53 mm x 2.65 m film (Part No Z-123) Acarreador: Helio, 5.2 psi Horno: 60 C Injeccion: 1 cc, split 5:1 Detector: FID

60 Puerto Capilar o Empacado Identificar los componentes del puerto capilar y empacado Entender la dinámica de los flujos del puerto capilar Entender la diferencia entre los modos de inyeccion split y splitless Medir y calcular los flujos

61 Sistemas de Puerto de Inyección Proposito: Permitir la inyección de una muestra en el cromatografo de gases de una forma reproducible y repetible. La muestra debe ser representativa y sin ningún cambio químico específico. Tipos de Puerto de Inyección: Puerto de inyección empacado Puerto de inyección empacado con flujo de septum purge

62 Sistemas de Puertos de Inyeccion Puerto capilar Split/splitless Puerto capilar solo Split Control Electronico de Presión (EPC) on column Puerto empacado con EPC Puerto Capilar Split/Splitless con EPC

63 Liner sobresaturado Diagrama de Flujos por Split (SEPTUM) PURGE VENT TOTAL FLOW = GAS ACARREADOR = MOLECULAS DE MUESTRA = MOLECULAS DE SOLVENTE SPLIT VENT (INLET) PURGE VALVE Un volumen grande de inyeccion que Tiene un volumen grande de expansion Puede sobresaturar el liner y el puerto de inyeccion. Puede resultar en una perdida de muestra Por el PURGE VENT asi como contaminacion de la linea del gas acarreador COLUMNA

64 Ejemplo 1 10:1 64

65 Ejemplo 2 Split 60:1 65

66 Puerto de Inyección Capilar Septa: Bajo Sangrado 11 mm DIAMETRO O-RING: Viton: Grafito: CAMBIAR CON EL LINER ABAJO 300 o C o SPLIT LINER ARRIBA 300 C SPLITLESS LINER ARRIBA 300 C o Sello: , Baño de oro, Acero inoxidable Debe estar limpio y desactivado Washer: Necesario y cambiarlo con el sello de oro Ferrul: GRAFITO: suave- buen sellado VESPEL: duro-excelente sellado GRAFITO/VESPEL: Muy buen sellado Con algo de dificultad 3-6 mm Tuerca para columna: Finger-tight um Finger-tight nuevo estilo

67 Flujo Flujo Flujo Dónde tiene lugar el Split? Liner Tuerca del inserto Gas acarreador Tuerca de la septa (guia de la aguja) Septa Salida del Septum Purge O-Ring Salida del Split Vent Sello de oro Liner Sello de oro Washer Tuerca Ferrul tuerca Columna

68 Inyeccion de muestra - Purga Off Diagrama de flujos Splitless FLUJO TOTAL (SEPTUM) VENTEO DE LA PURGA SPLIT VENT (INLET) VALVULA DE PURGA = GAS ACARREADOR = MUESTRA La vaporización sucede cuando hay suficiente energía termica transferida a la muestra. Usando la técnica de la jeringa ocurre la inyección de la muestra - vaporización -. Para LA MAYORIA de LAS APLICACIONES la vaporizacion sucede cuando hay contacto con una superficie sólida; en el liner, o el SELLO de oro. COLUMNA

69 Problemas del Puerto de Inyección Taponamiento Muestras no representativas Temperatura Incorrecta Contaminación Fugas

70 Mantenimiento del Puerto de Inyección Cambiar la septa Utilizar la temperatura práctica más baja Utilizar el flujo de purga Utilizar insertos adecuados Limpieza con solventes Jeringas limpias