Введение к работе
Актуальность теш. Жидкостную экстракцию широко применяют в ядерной технологии, технологии редких металлов, нефтехимии, аналитической химии' для разделения и концентрирования веществ. Используемые сегодня экстракторы, реализующие экстракционный процесс, имеют ограниченное число ступеней разделения и рассчитаны на большие объемы растворов, что снижает возможности метода для разделения веществ с близкими свойствами. Для решения таких задач применяют экстракционную хроматографию, при которой одна из жидких фаз удерживается в колонке с помощью сорбента, однако техника работы с такими колонками затрудняет автоматизацию метода.
Эффективное разделение и концентрирование веществ с близкими значениями коэффициентов распределения можно проводить с помощью бессорбентных хроматографических методов - различных вариантов противоточной распределительной хроматографии (ПРХ) и центрифужной распределительной хроматографии (ЦРХ). Неподвижная фаза в этих методах удерживается в разделительных колонках под действием гравитационных или центробежных сил. Удачным аппаратом, в котором можно реализовать ПРХ, является планетарная центрифуга [II, однако для решения задач неорганического анализа требуется ее существенная доработка. Для развития метода в новой для него области применения необходимо было провести работу по созданию наиболее подходящей аппаратуры, изучить некоторые особенности гидродинамического поведения двухфазных жидкостных систем в соответствующих колонках и оценить возможности разделения неорганических соединений данным методом.
Цель работы. Одной из разновидностей ПРХ является метод жидкостной хроматографии со свободной неподвижной фазой (ЖХСНФ). Метод реализуется в хроматографических экстракторах с вращающейся колонкой (планетарных центрифугах), в которых неподвижная фаза удерживается под действием центробежных сил. Анализ накопленных литературных данных 12] позволил также предположить возможность осуществления метода ЖХСНФ с применением вибрирующей спиральной колонки. Цель настоящей работы заключалась в создании и разработке хроматографических экстракторов с вращающейся и вибрирующей колонками для ЖХСНФ, позволяющих решать задачи неорганического анализа.
Кроме того, предполагалось изучить гидродинамическое поведение-
-4-жидкостных систем и разделительной способности колонок при различных режимах работы аппаратов для ЖХСНФ в зависимости от способа движения колонок, скорости и направления прокачивания 'подвижной фазы, скорости и направления вращения или частоты вибрации колонки.
Для демонстрации возможности использования хроматографических экстракторов обоих типов для концентрирования и разделения неорганических веществ была выбрана модельная задача - разделение цинка и кадмия. Разделение циркония и гафния на хроматографическом экстракторе с вращающейся колонкой основано на кинетических особенностях экстракционной системы.
Конкретные задачи исследования были следующие:
разработка и создание хроматографического экстрактора с вращающейся колонкой для разделения и концентрирования неорганических веществ;
создание хроматографического экстрактора нового типа с Еттбриру-вдей колонкой, для разделения и концентрирования неорганических веществ; - .
изучение разделительной способности и гидродинамического поведения двухфазных жидкостных систем во вращающейся спиральной колонке в зависимости от скорости и направления вращения колонки, направления и скорости прокачивания подвижной фазы и способа навивки колонки;
изучение разделительной способности и особенностей гидродинамического поведения двухфазных жидкостных систем в вибрирующей колонке в зависимости от частоты вибрации и скорости прокачивания подвижной фазы;
проведение сравнительного анализа возможностей хроматографических экстракторов на примере разделения цинка и кадмия, циркония и гафния.' ,
Научная новизна. Разработан и сконструирован оригинальный макет планетарной центрифуги, в котором предусмотрена замена разделительных колонок в одной конструкции аппарата. Стабильность удерживания неподвижной фазы и повышение надежности работы .аппарата осуществляется за счет автобалансировки ротора. С помощью разработанного аппарата проведены исследования по изучению влияния скорости и направления вращения колонки, скорости и направления проката-' вания подвижной фазы на удерживание неподвижной фазы в колошсе. Разработан и сконструирован принципиально, новый хроматографический экстрактор для ЖХСНФ с вибрирующей колонкой. Изучена зависимость характера кривых элюирования от скорости вращения колонки, частоты
вибрации колонки, скорости прокачивания подвижной фазы. Показано, что на удерживание неподвижной фазы влияет взаимодействие материала колонки с фазами экстракционных систем, оцениваемое по величине угла смачивания стенок колонки . Проведен сравнительный анализ возможностей использования хроматографических экстракторов с вращающейся и вибрирующей колонками на примере разделения цинка и кадмия. Выбраны условия разделения циркония и гафния с учетом кинетических особенностей предложенной экстракционной системы на хроматографическом екстракторе с вращающейся колонкой.
Практическая ценность работы. Разработаны и сконструированы хроматогрвфические экстракторы о вращающейся и вибрирующей колонками для разделения веществ методом ЖХСНФ. Предложен способ реализации ЖХСНФ на хроматографическом экстракторе с вибрирующей колонкой. Показана возможность разделения близких по свойствам элементов с использованием разработанных экстракторов и выявленных закономерностей гидродинамического поведения экстракционных жидкостных систем в спиральных колонках. С применением созданной планетарной центрифуги в Институте1 геохимии и аналитической химии им. В.И.Вернадского РАН разработаны методики разделения, концентрирования и определения различных элементов [3].
На защиту выносятся:
-
Аппаратурные решения для реализации метода ЖХСНФ на хроматографическом экстракторе с вращающейся колонкой.
-
Аппаратурные решения и технику реализации метода ЖХСНФ на хроматографическом экстракторе с вибрирующей колонкой.
-
Результаты по изучению гидродинамических особенностей двухфазных жидкостных систем во вращающейся и вибрирующей колонках.
-
Данные по концентрированию и разделению цинка и кадмия, циркония и гафния, демонстрирующие возможности разработанных установок и использования выявленных закономерностей гидродинамического.поведения "жидкостных систем во вращающейся и вибрирующей колонках.
Апробация работы. Основные результаты работ доложены на 3-й международной конференции по разделению ионных веществ (Чехо-Слова-кия, 1989 г.), на 5-м советско-японском симпозиуме по аналитической химии, ITAS'90 (Япония, 1990 г;), 1-й международной конференции молодых ученых "Приоритетные направления в научном приборостроении", PTSI-90 (Леїшнград, 1990 г.), 9-й Всесоюзной конференции по экстракции (Адлер, 1991 г.).
Публикации. Основное содержание работы изложено в 4 статьях и-4 тезисах докладов международных и национальных конференций,
получено 2 авторских свидетельства на изобретение СССР.
Структура и объеы работы. Диссертация состоит из введения, списка сокращений, обзора литературы (глава I), экспериментальной части (главы 2-5), выводов, списка литературы и приложения. Работа изложена на 124 страницах машинописного текста, содержит 8 таблиц, 41 рисунок и 134 литературные ссылки.
