Biodízel
A gyakorlat célja Az átészteresítési reakciók bemutatása a biodízelgyártás példáján. Bevezető1 Legalább három módja van annak, ahogyan növényi és állati eredetű zsiradékokat dízelmotorok meghajtására használhatunk. Mindhárom módszer alkalmazható friss és használt zsiradékkal is. •
• •
Használhatjuk a zsiradékot módosítás nélkül – a továbbiakban az angol straight vegetable oil (módosítatlan növényi olaj) név után az SVO rövidítést használjuk. Keverhetjük kerozinnal, benzinnel vagy biodízel üzemanyaggal. Átalakíthatjuk biodízellé.
A biodízel zsírsavak metil- vagy etilésztere. A biodízel tisztább, mint az SVO, bármilyen dízel-üzemű motorhoz használható, a motor átalakítása nélkül, ráadásul a hideg időben mutatott tulajdonságai jobbak. Az SVO-val ellentétben a biodízelt hosszú ideje tesztelik, használják a világ számos országában. A biodízel tiszta, biztonságos, használatra kész alternatív üzemanyag, az SVO üzemanyagrendszerek jó része azonban még mindig csak kísérleti fázisban van. Másrészt a biodízel jóval drágább, és először elő kell állítani. A bio- és petroldízel összehasonlítása2 A biodízel üzemanyagok bruttó (tömegegységre vonatkoztatott) égéshője 9-13%-kal alacsonyabb a D2-es üzemanyagénál (gázolajénál). A biodízel viszkozitása kétszer nagyobb, ám zavarosodási- és dermedéspontja jóval magasabb, mint a D2 üzemanyagé. A bioüzemanyagok kisebb erőt és nyomatékot adnak nagyobb fogyasztás mellett. Az etil- és metil-észterek fizikai és kémiai tulajdonságai, valamint a belőlük kihozható teljesítmény nagyban hasonlít egymáshoz, energiatartalmuk is közel azonos. Az etil-észterek viszkozitása valamivel nagyobb, míg zavarosodási-3 és dermedéspontja4 kisebb, mint a metilésztereké. Az égéstesztek alapján a metil-észterek némileg nagyobb erőt és nyomatékot produkálnak, mint az etil-észterek. Fogyasztásban gyakorlatilag nincs különbség. Az etilészterek néhány kedvező tulajdonsága az égés során keletkező jelentősen kevesebb korom, alacsonyabb kipufogó hőmérséklet és alacsonyabb dermedéspont. Az etil-észterek jobban elhasználják az injektorokat és nagyobb a glicerin-tartalmuk, mint a metil-észtereknek.
1
A gyakorlat a ‘Journey to Forever: Make your own biodiesel’ című cikk alapján készült. (Forrás: http://journeytoforever.org/biodiesel_make.html) 2 Production and Testing of Ethyl and Methyl Esters, University of Idaho, Dec 1994 3 Az a hőmérséklet, ahol a desztillált üzemanyagban megindul a kristályosodás. 4 Az a hőmérséklet, ahol a folyadék már nem összenyomható.
A biodízel előállítása Reakció A biodízel előállítási folyamata során triglicerideket (olajat és zsírt) alakítanak metil-, illetve etil-észterré, míg melléktermékként glicerin keletkezik. A termék és a melléktermék kétfázisú rendszert alkot, melyben a felső fázis az észter, az alsó a glicerin. A folyamatot átészteresítésnek nevezik, amelyben a glicerint (háromértékű alkohol) kémiai reakcióban egyértékű alkoholra cseréljük lúg katalizátor jelenlétében. Reakcióegyenlet:
HOOC-R1, R2, R3: - Palmitinsav - Sztearinsav - Olajsav - Linolsav
[CH3(CH2)14COOH]: [CH3(CH2)16COOH]: [CH3(CH2)7CH=CH(CH2)7COOH]: [CH3(CH2)4CH=CHCH2CH=CH(CH2)7COOH]:
4.0 - 9.0 % 1.0 - 7.0 % 14.0 - 40.0 % 48.0 - 74.0 %
Reakció mechanizmus R''O- + BH+
R''OH + B
O-
O R
O
R'
+ -OR''
R
O OR''
-
OR' + BH+
HOR + B
R'
RCOOR'' + -OR'
Szükséges vegyszerek: Név Növényi olaj
Képlet
Mennyiség
O H2 C
O
R1
n/mol
50 ml
M/g·mol-1 ~882*
O HC
O
H2 C
O
R2 R3 O
Vízmentes metanol Nátrium-hidroxid ecetsav magnézium-szulfát Aceton (propanon) toluol
CH3OH 10 ml/9,71 g NaOH 0,175 g + CH3COOH MgSO4 CH3C(O)CH3 C6H5CH3 -
0,3030 0,0044+ -
32,04 40,00 60,05 120,37 58,08 78,11
* Az általunk használt napraforgó olaj összetétele GC-MS mérés alapján: palmitinsav- (9%); linolsav- (90%); sztearinsav-glicerinészter (1%)
Eszközök: Fűthető mágneses keverő; gömblombik (100 ml); mágneses keverőbaba, rázótölcsér, léghűtő, Erlenmeyer lombikok, viszkoziméter Munkavédelem: A metanol mérgező, ne lélegezzük be a gőzeit. A nátrium-hidroxid maró hatású anyag, bőrre ne kerüljön! Gyakorlati munka: 1. A használt növényi olajból 1 ml-t izopropanollal 10 ml-re hígítunk, majd 0,01 M NaOH-dal, fenolftalein jelenlétében megtitráljuk. A kapott eredményből kiszámítjuk az olaj szabad karbonsav tartalmát. 2. Az olaj szabad karbonsav-tartalma alapján kiszámítjuk, hogy annak közömbösítésére mennyi NaOH-ra van szükség. Ezt a mennyiséget, és ezen felül 0,18 g szilárd NaOH-ot 10 ml 99+%-os metanolhoz adunk és oldódásig keverjük. Az egyensúlyi reakcióban kis mennyiségű nátrium-metoxid keletkezik. 3. Melegítsünk 50 ml növényi olajat (mérjük meg a tömegét, és számítsuk ki a hozzávetőleges moláris mennyiséget) a gyakorlatvezető által megadott hőmérsékletre (55°C – 70°C-ra) vízfürdőn. Adjuk hozzá a már elkészített nátrium-metoxid-oldatot, majd folytassuk a melegítést egy órán át intenzív keverés közben (léghűtő). A gyakorlatvezető által megadott időközönként vegyünk mintát* gázkromatográfiás analízishez, és végezzük el a meghatározást lángionizációs detektorral ellátott GC-n. 4. Hagyjuk lehűlni és szétválni a reakcióelegyet (rázótölcsérben**). A metil-észter a glicerines fázis tetején úszik majd. 5. Óvatosan engedjük le az alsó fázist, majd kis mennyiségű 10 %-os ecetsavval semlegesítsük a felső fázist (nem szabad erősen rázni, mert nehezen szétváló emulzió keletkezik!). Ismételt elválasztás után mossuk néhányszor vízzel a terméket, szintén óvatosan rázva, és válasszuk el. Az észteres fázist öntsük Erlenmeyer lombikba, adjunk hozzá szárított MgSO4-ot, és időnként rázogatva szárítsuk legalább 20 percig, majd redős szűrőn szűrjük.
6. Mérjük meg a termék tömegét és számoljunk kitermelést (jellemzően 87 %). Mérjük meg a termék törésmutatóját is (n = 1,435). Mérjük meg a termék és a kiindulási olaj sűrűségét, valamint viszkozitását*** Ostwald-féle viszkoziméterrel. *A minta összetételének meghatározása a gázkromatográfiás analízis során toluol belső standarddal történik. Ismert mennyiségű biodízel-reakcióelegy mintához (kb. 100 mg), valamint kontrollként tiszta biodízelhez ismert mennyiségű toluolt (kb. 30 mg) adunk (kisebb mennyiség esetén a mérés pontossága csökken), majd 1 ml acetonnal oldatot készítünk belőle. Ebből az oldatból 2 μl-t injektálunk a műszerbe. A biodízel mennyiségi meghatározása az alábbi képlet alapján történik: m mX = R f toluol Atoluol AX ahol m az adott anyag tömege, A az adott anyaghoz tartozó csúcsterület, Rf a detektor válaszfaktora (response factor). Az Rf faktor szerepe: mivel a gyakorlaton FID detektorral ellátott GC-t használunk, a különböző szerkezetű molekulák azonos mennyisége eltérő csúcsterületű jelet ad. Ezért minden vizsgált anyagra meg kell adni az Rf értékét a választott referenciamolekulához (amelyet belső standardnak nevezünk) viszonyítva. **Folyadék/folyadék extrakció Extrakció során két, egymással nem elegyedő fázis segítségével az egyik fázisban oldott anyagot a másik fázisba visszük át, lehetőleg a többi jelenlevő anyag átvitele nélkül. A biodízel feldolgozása során a maradék NaOH-ot, metanolt, glicerint a szerves reakcióelegyből vizes ecetsavoldattal, majd vízzel folyadék/folyadék extrakcióval távolítjuk el. Az egymással nem elegyedő vizes és szerves fázisban a vegyületek megoszlása a megoszlási hányadossal jellemezhető: K = cszerves/cvizes, ahol cszerves az adott anyag egyensúlyi koncentrációja a szerves fázisban, cvizes az adott anyag egyensúlyi koncentrációja a vizes fázisban. Ez az érték független a vegyület aktuális koncentrációjától (viszonylag híg oldatoknál), kizárólag az alkalmazott fázisok és a vegyület anyagi minősége határozza meg. Ha a reakcióelegy elvált (éles határvonal a fázisok között), óvatosan leengedjük a glicerint (a felső csap nyitva legyen, örvény ne keletkezzen). A rázótölcsér alatt mindig tartsunk egy lombikot! Kb. 15 mL 10 %-os ecetsavat öntünk a biodízelhez, és óvatosan rázzuk. Elválás után az alsó, ecetsavas fázist leengedjük, majd 3x15mL vízzel mossuk a biodízelt, az ecetsavas mosással megegyező módon. Az elválasztás végén a tisztított terméket a felső nyíláson öntjük ki. Mivel a biodízel ekkor még vizet tartalmaz, MgSO4 szárítószeren szárítjuk.
***Viszkozitásmérés Az olaj és a biodízel viszkozitását Ostwald-féle módosított viszkoziméterrel mérjük, az aktuális szobahőmérsékleten. A zsírtalanított, száraz viszkoziméterbe 5 ml mérendő folyadékot öntünk (az összehasonlítandó folyadékok térfogata feltétlenül azonos legyen), majd a termosztátba helyezzük a viszkozimétert. A folyadékot felszívjuk a felső jel fölé, majd stopperórával megmérjük, hogy mennyi idő alatt folyik le a felső jeltől az alsó jelig. 3-3 párhuzamos mérést végzünk vízzel, olajjal és biodízellel. Olaj vagy biodízel mérése után legalább kétszer kevés izopropanollal mossuk át a viszkozimétert, többször felszívva az izopropanolt a jel fölé, bő vízzel kimossuk, majd acetonos öblítés után sűrített levegővel kiszárítjuk. Víz mérése után elegendő acetonnal öblíteni és szárítani a készüléket. Ismerve a víz dinamikai viszkozitását, az alábbi képlet alapján számítsuk ki az olaj és a biodízel viszkozitását (ηx) az aktuális hőmérsékleten:
ηx / ηvíz = ρx·tx / ρvíz·tvíz ahol tx a mérendő folyadék átfolyásának ideje, t0 a víz átfolyásának ideje, ρx a mérendő folyadék sűrűsége, ρvíz a víz sűrűsége. A víz dinamikai viszkozitása és sűrűsége a hőmérséklet függvényében Hőmérséklet -T(oC) 10 15 20 22 25 30
Dinamikai viszkozitás -η(N s/m2) x 10-3 (mPa·s vagy centipoise) 1,307 1,139 1,002 0,955 0,891 0,798
Sűrűség -ρ(kg/m3) 999,7 999,1 998,2 997,8 997,0 995,7
A sűrűséget kalibrált mérőhenger segítségével határozzuk meg, szintén az aktuális szobahőmérsékleten, az olaj és a biodízel tömeg- és térfogatmérésével.
A GYAKORLAT ELMÉLETI HÁTTERE SZERVES ÉSZTEREK Ajánlott olvasmány alkoholokról, karbonsavakról és karbonsavszármazékokról: Náray-Szabó Gábor: Kémia http://szerves.chem.elte.hu/oktatas/ea/SzaboD/index Szerves kémia előadásanyag A szerves észterek karbonsavakból és alkoholokból vízkilépéssel származtathatók: R-COOH + R’-OH
R-COO-R’ + H2O
Nevezéktan: Alkánsav és alkil-alkohol észtere: alkil-alkanoát. Például: Ecetsav és metilalkohol észtere: metil-acetát vagy metil-etanoát CH3-COO-CH3 CH3-COOH + CH3-OH Vajsav (butánsav) és etilalkohol észtere: etil-butirát vagy etil-butanoát, stb. CH3-CH2-CH2-COOH + CH3-CH2-OH CH3-CH2-CH2-COO-CH2-CH3
Az észterek többféleképpen is előállíthatók: • Közvetlen, savkatalizált észteresítéssel karbonsavból és alkoholból, • Alkoholok savkloridokkal vagy savanhidridekkel történő acilezésével, • Karbonsavak sóit alkil-halogenidekkel reagáltatva, • Átészteresítéssel: Észtereket más észterekből átészteresítéssel is elő lehet állítani, ekkor az észterbe beépíteni kívánt alkoholból alkoholát-iont képzünk, amely nukleofil szubsztitúcióban beépül a kiindulási észterben lévő alkoxi-csoport helyére. Jó példa erre a trigliceridek átészteresítése metanollal (biodízel gyártás). R''O- + BH+
R''OH + B
O-
O R
O
R'
+ -OR''
R
O OR''
-
OR' + BH+
HOR + B
R'
RCOOR'' + -OR'
Közvetlen észteresítés (Fischer-módszer): A karbonsavak és alkoholok egymással vízkilépés közben közvetlenül észtert képeznek. Az egyensúly beállása protonkatalízissel gyorsítható. A közvetlen észteresítéskor egy nukleofil szubsztitúciós reakció játszódik le, melynek lépései a következők: O R C OH
OH
+H+ -H+
+R'OH
R C
-R'OH
OH
OH R' R C O O H H
-H2O +H2O
HO R' R C O H HO OH
+H
+H+ -H+
R C
+H+
OR'
+
O
-H+
R C
OH R' R C O OH
-H+
OR'
A folyamatot visszafelé is olvashatjuk, ez a savkatalizált észterhidrolízis mechanizmusa. Az észterképződés irányába többféleképp el lehet tolni az egyensúlyt: nagy feleslegét vesszük valamelyik kiindulási anyagnak (rendszerint az olcsóbb alkoholnak), illetve elvonjuk valamelyik terméket (rendszerint a vizet benzol vagy toluol hozzáadásával azeotróp desztillációval). Acilezés savkloriddal és savanhidriddel: Alkoholokból és fenolokból (illetve alkoholátokból és fenolátokból) savhalogenidek és savanhidridek segítségével is előállíthatunk észtereket. Ezek a reakciók is nukleofil szubsztitúciós mechanizmust követnek.
O R C
+ HO-R'
Cl
O R C O
+ HO-R'
R C O
O R' R C O H Cl O R' R C O O H R C O
-Cl-H+
O R C OR'
-H+
O
-RCOO-
R C OR'
Karboxilát-só észteresítése: Karbonsavak sói is észteresíthetők alkil-halogenidekkel. Jodidokkal és bromidokkal könnyen megy a reakció, míg alkilklorid esetén jodidion katalizátor hozzáadására lehet szükség (Finkelstein reakció – halogén csere alkilcsoporton). O R C ONa
O + R' Br
+ NaBr
R C OR'
Fontosabb észterek Etil-acetát: CH3COOC2H5, kellemes szagú, színtelen folyadék. Az egyik leggyakrabban használt észter, főleg oldószerként alkalmazzák, jó oldószere lakkoknak, ragasztóknak. Butirátok: A kellemetlen szagú vajsav (CH3CH2CH2COOH) kellemes, gyümölcsillatú észterei. A metilészter alma-, az etilészter ananász-, az izopentilészter körteillatú. Az izovajsav ((CH3)2CHCOOH) észterei közül a metilészter sárgabarack-, a propilészter eper-, az
izopentilészter banánillatú. Ezeket az észtereket főleg az illatszeripar és a likőripar hasznosítja. Zsírok és olajok: Állati vagy növényi eredetű természetes anyagok, nagy szénatomszámú karbonsavak glicerinnel alkotott észterei. A glicerin észterei a gliceridek. Ezek közül azokat, amelyekben a glicerin mindhárom hidroxilcsoportja acilezve van, triglicerideknek nevezzük. A zsírok és olajok a természetes trigliceridek közé tartoznak. H2C OOC-R HC OOC-R' H2C OOC-R''
Nem egységes vegyületek, hanem többféle triglicerid keverékei, amelyek egymástól a savkomponensekben különböznek. Nagyrészt táplálékként hasznosítják, ezen kívül szappanokat, bőrápoló szereket, gyertyákat, zsírsavakat, zsíralkoholokat, lágyítókat és biodízelt készítenek belőlük.
A GÁZKROMATOGRÁFIA ALAPJAI Forrás: ELTE Elválasztástechnikai Kutatási-Oktatási Laboratórium (EKOL) www.ekol.chem.elte.hu/dokuments/gclab 1.
Elméleti bevezetés 1.1. A kromatográfiás folyamat leírása A kromatográfiás eljárások célja többkomponensű gáz, gőz vagy folyadékelegyek összetevőinek elválasztása. Az elválasztás a komponensek két fázis közötti ismételt megoszlásán alapul. A kromatográfiás eljárások abban különböznek az egyéb megoszláson alapuló elválasztási módszerektől (pl.: folyadék-folyadék extrakció, desztilláció), hogy az elválasztásban résztvevő fázisok közül az egyik mozgásban van (mobil v. mozgófázis), a másik fázis helyhez kötött (álló v. stacioner fázis). A mozgófázis lehet gáz (GC), szuperkritikus fluidum (SFC) vagy folyadék (HPLC). Az állófázis lehet egy szilárd hordozón egy csőbe töltve, vagy a cső belső falán rögzítve, vagy sík réteget alkotva. Ennek megfelelően beszélhetünk oszlop- vagy rétegkromatográfiáról. A gázkromatográfiában a mozgó fázis mindig gáz, az állófázis pedig lehet szilárd (gáz-szilárd adszorpciós kromatográfia) vagy folyadék (gáz-folyadék megoszlási kromatográfia) is. Az oszlopról eluálódó komponensek által a detektorban keltett jel intenzitását az idő függvényében ábrázolva kapjuk a kromatogramot. 1.2. A gázkromatográf felépítése A gázkromatográf fő részei: Gázrendszer A gázrendszer tartalmazza a nagy tisztaságú mozgófázist és az esetlegesen szükséges segédgázokat, valamint ezek szabályozó egységeit. A vivőgáz (mozgófázis) folyamatosan áramlik az oszlopon.
Injektor Az injektor feladata a minta elpárologtatása (gőz- vagy gáz-halmazállapotba), továbbá az analitikai oszlopra való juttatása az itt belépő vivőgáz segítségével. Ebből következik, hogy az injektor magas hőmérsékletre fűthető (max. 400 °C). Általában a minta fecskendő segítségével egy szilikon tömítést (szeptum) átszúrva kerül az injektorba. Folyadékoknál mikrofecskendőt, gázmintáknál gázfecskendőt alkalmazunk. A korszerű készülékekben a vivőgáz belépőnyomása és esetenként az injektor hőmérséklete időprogramozható. Termosztát Légtermosztátban helyezkedik el az elválasztást végző oszlop (kolonna). Az intenzív levegő-ventilláció biztosítja az egyenletes hőelosztást és a pontos hőmérsékletet, amely a retenciós idők ismételhetősége szempontjából elengedhetetlen. Követelmény, hogy a termosztát programozottan fűthető legyen 400 °C-ig, 0-100 °C/perc tartományban, valamint a megadott hőmérséklettől való eltérés maximum ±0,1 °C lehet. Az elválasztás ideje alatt a termosztálás történhet állandó hőmérsékleten (izoterm), vagy hőprogram alkalmazásával. A gyakorlaton a biodízel reakcióelegy komponenseinek elválasztását hőprogrammal valósítjuk meg, 1 perc 80 °C-on, 30 °C/perc sebességgel 270 °C-ig, 15 C/perc °300 C-ig, 2 perc °300 C-on. Oszlop (kolonna) A gázkromatográfiában használatos oszlopok két típusba sorolhatók, töltetes oszlopok és kapilláris oszlopok. Töltetes oszlopok kialakítása során a mechanikai szilárdságot acél- vagy üvegcső biztosítja, melybe a szilárd halmazállapotú állófázis van betöltve. A töltet lehet egy szilárd halmazállapotú anyag vagy szilárd hordozó felületén megkötött fázis. A kapilláris oszlopok felépítésüket tekintve egy vékony üvegkapilláris, melyet kívülről poliimid-réteg borít. Ez adja a rendkívüli mechanikai tulajdonságait (hajlékonyság). A megosztófázis a kapilláris belső falán található, típusa alapján két csoportba soroljuk. Az egyik esetben az állófázis anyaga folyadékfilm (gáz-folyadék megoszlási kromatográfia), míg másik esetben szilárd adszorbens (gáz-szilárd adszorpciós kromatográfia). A gyakorlaton 50 m hosszú, 0,2 mm belső átmérőjű kapilláris oszlopot használunk, 0,33 µm fenil-metil szilikon filmréteggel.
Detektor A gázkromatográfiában használatos detektorok az oszlopról eluálódó anyagok mennyiségével arányos elektromos jelet szolgáltatnak, amelyet az adatfeldolgozó rendszer alakít át értékelhető információvá. A detektorok fűthetőek, hőmérsékletük általában kb. 20-30 °C-kal haladja meg a termosztát végső hőmérsékletét a kedvezőtlen lerakódások megelőzése végett. Adatfeldolgozó rendszer A modern adatfeldolgozó rendszerek alkalmas az adatok gyűjtésére, feldolgozására, tárolására, a gázkromatográfiás rendszer vezérlésére, valamint laborinformációs rendszerek felépítésére, kezelésére.
1.3. Mintabeviteli eljárások (injektor típusok) A hatékony elválasztás megkívánja, hogy a mintaadagolás pillanatszerű legyen, a minta keskeny dugó formájában kerüljön a kolonnára. Ennek érdekében különböző injektortípusokat fejlesztettek ki az analitikai feladatokhoz megfelelően. Néhány a gyakrabban alkalmazott típusok közül: On column: töltetes és wide-bore oszlopok esetén alkalmazható. Programozottan fűthető (PTV): pl. hőérzékeny vegyületek, illetve oldószer elpárologatatásos technika esetén alkalmazható. Split-splitless: kapilláris oszlopok esetén alkalmazzák. Split üzemmód: az injektált mintának csak egy része kerül ténylegesen az oszlopra, így a kis átmérőjű kapilláris oszlopon pillanatszerű lesz az injektálás, a felesleget erős gázáram fújja ki az injektorból. A gyakorlaton ezt az injektálási módot alkalmazzuk. Splitless üzemmód: kicsi koncentrációk kimutatása esetén alkalmazzák, az injektált mennyiség legnagyobb része az oszlopra kerül.
A split-splitless injektor vázlata injektálás után közvetlenül 1.3.1. Split injektálási üzemmód
Az injektor hőmérsékletén gőzállapotba került minta kisebb része az oszlopra jut, míg a nagyobb rész a split ágon meghatározott térfogati sebességgel eltávozik. Az oszlopra kerülő anyag mennyiségét az oszlopra jutó vivőgáz áramlási sebessége és a split ágon szabályzott áramlási sebesség aránya szabja meg. Ezt az arányt nevezzük split aránynak. Például, ha a split szelepen az áramlási sebesség 100 cm3/perc, az oszlop végén mért áramlási sebesség 1 cm3/perc, a split arány 100:1, azaz a mintának kb. 1%-a jut az oszlopra. Az áramlási sebességeket nagy pontosságú tömegáramlás-mérők érzékelik, szelepek szabályozzák, melyek az ábrán nincsenek feltüntetve. Az injektor ezen üzemmódja során a beinjektált minta jelentős része elvész, ezért nyomelemzésnél, ahol nagyon kis mennyiséget kell meghatározni korlátozottan alkalmazható, viszont a minta bejuttatása pillanatszerű. 1.3.2. Splitless injektálási üzemmód A splitless injektálási módszer biztosítja, hogy nagyobb mennyiségű minta kerüljön az oszlopra, de ez egyben az elválasztás hatékonyságának kismértékű csökkenését eredményezheti, mivel az injektálás időben nem pillanatszerű. Ezért az elválasztandó komponenseket fókuszálni kell az oszlop elején. Injektáláskor a termosztátban az oszlop hőmérséklete min. 20°C-kal kisebb, mint a minta legillékonyabb komponensének a forráspontja (legtöbbször az oldószernek). A split ág az injektálás pillanatában, továbbá azt követően meghatározott ideig (splitless idő, általában 0,5-1,0 perc) zárva van. Ekkor az oszlopon mérhető áramlási sebességgel a vivőgáz ráöblíti az injektor gőzterét kolonnára, ahol fókuszálódnak. A splitless idő eltelte után a split ág nyit, az injektorban visszamaradó komponensek azonnal távoznak a split ágon, az injektor kitisztul. Ezzel egyidőben induló hőmérsékletprogram következtében a komponensek forráspontjaik, illetve gőznyomásuk sorrendjében szeparálódnak az oszlopon. 1.4. Detektorok Néhány fontosabb típus: Lángionizációs detektor (FID) Az egyik legelterjedtebben használt általános detektor, elsősorban a C-H kötésre ad jelet, a gyakorlat során ilyet használunk. Tömegspektrométer (MS) Napjainkban széles körben elterjedt, a komponensek azonosítására is alkalmas univerzális vagy szelektív detektor. (kötelezően választható labor anyaga) Hővezetőképességi detektor (TCD) Főként elemi gázok meghatározásában van jelentősége. Specifikus detektorok Egy-egy vegyületcsoport különösen nagy érzékenységű mérését teszik lehetővé, pl. Elektronbefogásos detektor (ECD) Nitrogén-foszfor detektor (NPD) Láng-fotometriás detektor (FPD) Atom-emissziós detektor (AED) 1.4.1. Lángionizációs detektor (FID)
A lángionizációs detektor széleskörű alkalmazhatósága (szinte minden szerves molekulára jelet ad), valamint széles lineáris tartománya (~107) miatt a legáltalánosabban használt gázkromatográfiás detektor. Az oszlopról eluálódó komponensek a lángionizációs detektorban (FID: Flame Ionization Detector) egy kb. 2000-2500 K hőmérsékletű hidrogén-levegő lángba jutnak. A lángban a C-H kötéseket tartalmazó molekulák, azaz a szerves vegyületek fragmentálódnak és egy részük ionizálódik. A képződött ionok a jet, és a jet körül elhelyezkedő, henger alakú kollektor közötti potenciálkülönbség hatására a kollektorra jutva a detektorba eluálódó anyagmennyiséggel arányos ionáramot eredményeznek.
Lángionizációs detektor vázlata A detektor jelének intenzitása az egyes összetevők mennyisége mellett függ a molekulában lévő C-atom – H-atom aránytól, pontosabban a lángban képződő CH gyökök számától. A keletkező CH gyökök száma pedig jelentősen függ a heteroatomok számától, minőségétől, molekulán belüli helyzetétől, kötéstípusától. A különböző szerkezetű molekulákban lévő szénatomok tehát eltérő módon járulnak hozzá a CH gyökök ill. az ionok képződéséhez. A láng égése során víz képződik, ezért üzemben levő detektor sosem hűlhet 100 °C alá, mivel a kollektorban kondenzálhat, így a detektor korrodálódik, élettartama csökken. A mérendő ionáram optimális értéke a hidrogén-levegő 1:10 arány esetén érhető el. Kapilláris oszlop esetén a jelintenzitás növelése céljából a hidrogénhez segédgázt (make-up gas) kell keverni, ezáltal biztosítható a detektor optimális működéséhez szükséges hidrogén – (make-up + mozgó fázis) 1:1 arány, amely a töltetes oszlopok esetén a hidrogén – mozgó fázis 1:1 aránynak felel meg. Segédgázként nitrogént célszerű használni. A szerves molekulák közül a formaldehid és a hangyasav esetén nem kapunk értékelhető jelet. 1.5. A gázkromatográfiás folyamatok matematikai leírása Egy adott komponens retenciós idejének (tR) az injektálástól a detektálásig (a csúcs maximum megjelenéséig) eltelt időt nevezzük. A vivőgázban valamennyi komponens azonos időt tölt el. Azok a komponensek, amelyek nem lépnek kölcsönhatásba az állófázissal, egyszerűen áthaladnak a vivőgázzal az oszlopon, áthaladási idejük a holtidő (tm), amit a kolonna hossza és a vivőgáz áramlási sebessége határoz meg. (Ez utóbbi természetesen függ a kolonna hőmérsékletétől.) Az állófázissal kölcsönhatásba lépő komponensek a megoszlási hányadosuknak (K) megfelelően hosszabb-rövidebb időt töltenek az állófázisban.
K=
C( állófázis ) C( vivőgáz )
K : adott komponens megoszlási hányadosa C(állófázis): adott komponens egyensúlyi koncentrációja az állófázisban C(vivőgáz): adott komponens egyensúlyi koncentrációja a vivőgázban A megoszlási hányados az egyes komponensek állófázishoz való affinitását jellemzi egy adott hőmérsékleten. Minél nagyobb K értéke egy adott komponensre nézve annál több időt tölt el a komponens az állófázisban, azaz annál nagyobb a retenciós ideje. Tehát az egyszerre injektált komponensek eltérő idővel érik el az oszlop végét, így jöhet létre az elválasztás. Míg a vivőgázban eltöltött idő a holtidővel jellemezhető, addig az állófázisban eltöltött időt a korrigált retenciós idő (tR’) adja meg.
tR’=tR-tm Ezt a holtidőre vonatkoztatva kapjuk meg az ún. retenciós tényezőt (ki). t ' k i = Ri tm ki: az i-edik komponens retenciós tényezője tRi’: az i-edik komponens korrigált retenciós ideje Ez az érték megadható a komponenseknek a két fázisban kialakuló tömegarányával is: ki =
mi ( állófázis ) mi ( vivőgáz )
mi(állófázis): az i-edik komponens tömege az állófázisban mi(vivőgáz): az i-edik komponens tömege a vivőgázban A megoszlási hányadost részletesebben kifejtve:
Ki =
Ci ( állófázis) Ci ( vivőgáz)
=
mi ( állófázis) ⋅ Vvivőgáz mi ( vivőgáz) ⋅ Vállófázis
= ki β
Vvivőgáz : az oszlopot kitöltő vivőgáz térfogata
Vállófázis : az oszlop állófázisának a térfogata β=
Vvivőgáz : az oszlopot jellemző fázisarány Vállófázis
Az eddig bevezetett megoszlási hányados (K) és retenciós tényező (ki) egy adott komponensnek és az állófázisnak a viszonyát jellemezték csak. Az elválasztás feltétele, hogy az elválasztandó komponensek K ill. ki értékei egymástól eltérőek legyenek. Két konkrét komponensnek és az állófázisnak a viszonyát (más szavakkal, hogy az adott fázis mennyire tud különbséget tenni a két komponens között) a szelektivitási tényezővel (α) vagy más néven elválasztási együtthatóval jellemezhetjük. K k t ' α1, 2 = 2 = 2 = R 2 K1 k1 t R '1
α-val kifejezve tehát az elválasztásnak feltétele, hogy α≠1, α > 1.
Ideális esetben a nagy sebességgel beinjektált minta komponensei csak nagyon szűk sávot töltenek ki a kolonnán és igen keskeny, Gauss-görbe alakú csúcsként detektálhatók.
Az ideális kromatográfiás csúcs wb : A csúcs alapvonalon mért szélessége wh : A csúcsmagasság felénél mért ún. csúcs félérték-szélesség σ : A haranggörbe két inflexiós pontja közötti távolságot jelenti az időtengely mentén (standard deviáció). wb =
2 ⋅ wh ln 2
A gyakorlatban a kezdeti szűk sáv számos fizikai folyamat (pl. hosszirányú diffúzió) révén kiszélesedik. Ennek következtében, ha két komponens retenciós ideje el is tér egymástól a diffúzió okozta átfedés miatt nem biztos, hogy a kolonna végéhez érve is teljesen el tudnak különülni. Az elválasztás másik feltétele tehát, hogy a kolonnában óhatatlanul végbemenő csúcskiszélesedés nem lehet túl nagy mértékű. Míg a megoszlási hányadosok ill. a retenciós tényezők közti különbségek és a szelektivitási tényező az állófázis szelektivitására jellemző adatok, addig a csúcskiszélesedés a kolonna hatékonyságát jellemzi. A kolonnáról akkor mondhatjuk, hogy hatékony, ha a csúcskiszélesedés olyan kicsi, hogy egyhez közeli α érték esetén (azaz kis retenciós idő különbségeknél) is képes elválasztani két komponenst. Az elválasztást jellemző, mindkét tényezőt magába foglaló mérőszám a felbontás (R):
R1, 2 =
t R ' 2 −t R '1 t ' −t ' =2 R 2 R1 wb 2 wb1 wb 2 + wb1 + 2 2
A 2-es index a nagyobb, az 1-es index pedig a kisebb retenciós idejű komponensre vonatkozik. Ha két csúcs egyáltalán nem fed át, akkor alapvonal elválasztásról beszélünk. Az ennek megfelelő minimális R érték kb. 1,5.
1.6. A kromatogram kiértékelése A kromatogramban a minőségi információt a retenciós idők, a mennyiségit a csúcsok alatti területek hordozzák. Az egyes komponensek minőségének meghatározására a retenciós adatok csak abban az esetben elegendőek, ha ismerjük a mintánk szennyezés-profilját.
Amennyiben ilyen információkkal nem rendelkezünk, akkor a komponensek azonosítása csak erre alkalmas detektorok (pl. MS, FTIR) használatával végezhető el. A minta koncentrációja és az analitikai jel (csúcsterület) közötti kapcsolatot kalibráció segítségével határozzuk meg. A kromatogram csúcsainak területe a detektorba jutó anyag mennyiségével általában lineáris összefüggést mutat, anyagmennyiséget növelve telítésbe megy át. Mennyiségi elemzés céljára általában a görbe egyenes szakasza (detektor dinamikus tartománya) alkalmazható. Mivel a detektorok érzékenysége (kalibrációs egyenes meredeksége) minden anyagra más és más, ezért a kalibrációt minden meghatározandó komponensre el kell végezni. 1.6.1. Minőségi azonosítás 1.6.1.1. Azonosítás retenciós idő alapján Ha egy csúcs (vegyület) minőségi azonosítását akarjuk elvégezni egy kromatogramból és rendelkezésre áll a kérdéses vegyület, mint összehasonlító standard, az azonosítás elvégezhető szigorúan azonos körülmények között felvett kromatogramokból, a retenciós idők összehasonlításával. Azonos retenciós idők esetén azonosítottnak tekintjük a csúcsot. A tévedések elkerülése céljából szokás az azonosítást két különböző polaritású oszlopon (konfirmációs analízis) elvégezni. 1.6.1.2.
Minőségi standard addíció
Ez a módszer az előzőtől csak abban különbözik, hogy a standard vegyület adott mennyiségét a vizsgálandó elegyhez adagolják és az azonosítás az adott kromatográfiás csúcs intenzitásának növekedése alapján történik. 1.6.2. 1.6.2.1.
Mennyiségi meghatározás Külső-standard módszere (ESTD: external standard)
A kalibráció a mérendő anyagokat ismert koncentrációban tartalmazó standard oldat sorozatok mérésével történik. A kapott adatokra egyenest illesztve határozhatjuk meg az Ai = a i + bi wi alakú kalibrációs egyenes ai és bi paramétereit (Ai: az i-edik komponenshez tartozó csúcs területe, wi az iedik komponens mennyisége). A módszer nagymértékben terhelt a minta-előkészítés veszteségétől, injektálásnál a mátrixhatás torzításának hibájától. 1.6.2.2. Belső-standard módszere (ESTD: extraction standard) A kalibráció ebben az esetben is a mérendő anyagokat ismert koncentrációban tartalmazó standardoldat sorozatok mérésével történik. A módszer annyiban tér el az előzőtől, hogy itt a standardoldatokhoz, és minden egyes mintához is hozzáadunk egy ún. belső-standardot, mindig azonos mennyiségben. A kiértékelés során az egyes komponensek csúcsterületeit minden esetben a belső standard csúcsterületére vonatkoztatva adjuk meg. (Azaz ahol az előző módszerben egyszerűen a csúcsterületekkel számoltunk, ott most az aktuális kromatogramban a belső standardhoz tartozó csúcsterülettel osztott csúcsterületekkel számolunk.) Így kalibrációs egyenes a következő alakban írható fel:
Ai AESTD
= a i + bi ⋅ wi
ahol az AESTD a belső-standard csúcsterülete az aktuális kromatogramban, wi az i-edik komponens mennyisége a belső standard mennyiségével osztva. Az így kapott eredmények függetlenek a minta-előkészítési és injektálási hibáktól. Kritikus pontja a megfelelő belső-standard kiválasztása, mely fizikailag és kémiailag is megfelelően jellemzi a mérendő vegyület-csoportot. Általában szokás deuterált standardokat alkalmazni, valamint 13C jelölteket,
azonban ezek használata jelentősen növeli az analízis költségeit. Több belső-standardot is szokás használni, ha a feladat megkívánja. Az eljárás gázanalitikában azonban nem alkalmazható. Hasznos információt rejt a minta-előkészítés hatékonyságáról a belső-standard visszanyerése. A visszanyerés definíciója esetünkben, a mintában mért belső-standard csúcsterülete (AESTD,i) a kalibráló oldatban mért belső-standard csúcsterületének (AESTD,kalib) százalékában megadva.
Re c% =
AESTD ,i AESTD ,kalib
⋅ 100%
A belső-standard megválasztásának főbb szempontjai:
A mintában biztosan ne forduljon elő. Kémia és fizikai tulajdonságai hasonlóak legyenek a meghatározandó komponensekéihez. A minta egyik komponensével se lépjen fel koelúció.
Ellenőrző kérdések:
Szerkezeti képletek: Metanol, etanol, glicerin, ecetsav, vajsav (butánsav), etilacetát, olajsav, linolsav, palmitinsav, sztearinsav, triglicerid, biodízel, aceton (2-propanon), toluol. 1. Hogyan használhatunk állati és növényi eredetű zsiradékokat dízelmotorok meghajtására? 2. Mi a biodízel? (szerkezet, definíció) 3. Milyen zsírsavak fordulnak elő a napraforgóolajban? 4. Írja fel a biodízel előállítás reakcióegyenletét! 5. Írja fel a felhasznált vegyszerek szerkezeti képletét! Melyiket mire használja a gyakorlat során? 6. Mire kell odafigyelni a gyakorlaton a veszélyes anyagok használatánál (munkavédelem)? 7. Vázolja fel a gyakorlat menetét! 8. A biodízel előállítás reakciója után melyik fázist dolgozzuk fel? 9. Írja fel a megoszlási hányadost a folyadék/folyadék extrakcióban! 10. Milyen módszerekkel jellemezzük a kapott biodízelt? 11. Milyen adatokat kell ismerni a biodízel viszkozitásának kiszámításához? 12. Soroljon fel 4-féle észteresítési eljárást! 13. Hogyan számítja ki a biodízel response factorát (Rf) toluolra vonatkoztatva? Miért van erre szükség? 14. Mik a gázkromatográf főbb részei (felsorolás)? 15. Soroljon fel 4-féle, gázkromatográfiában használt detektort! 16. Milyen gázt égetnek a FID-detektorban? 17. Mi a holtidő, a retenciós idő, a retenciós tényező, a megoszlási hányados?
