Nguyên tắc của sắc ký hấp phụ lỏng

A. Sắc đồ một chiều đi lên

1.6.1. Nguyên tắc của sắc ký hấp phụ lỏng

Phương pháp sắc ký hấp phụ lỏng dựa trên tính chất hấp phụ khác nhau của các cấu tử trong hỗn hợp cần tách. Giữa nồng độ chất trong dung dịch và nồng độ chất bị hấp phụ trên bề mặt chất hấp phụ có một cân bằng động, cân bằng đó phụ thuộc vào nhiệt độ. Sự phụ thuộc của lượng chất bị hấp thụ vào nồng độ của nó trong dung dịch ở một nhiệt độ không đổi được đặc trưng bởi đường đẳng nhiệt hấp phụ. Căn cứ vào đường đẳng nhiệt hấp phụ ta có thể chọn được điều kiện sắc ký thích hợp.

Theo thuyết Langmuir có hai giả thiết: 1) trên bề mặt chất hấp phụ có những trung tâm hoạt động, trường lực tự do của chúng có thể hút các phân tử khí hoặc chất tan trong dung dịch; 2)chỉ một lớp đơn phân tử tạo thành trên bề mặt chất rắn do các phân tử đó làm mất trường lực của chất hấp phụ. Mặt khác các phân tử bị hấp phụ lại có thể được giải phóng trở lại môi trường xung quanh (bay hơi hoặc giải hấp). Kết quả là cân bằng được thiết lập giữa chất hấp phụ và môi trường xung quanh, nghĩa là tốc độ hấp phụ (dính) và tốc độ giải hấp (nhả) bằng nhau.

Trước khi bị hấp phụ, phân tử chuyển động tự do và phải va chạm vào bề mặt chất hấp phụ và dính vào chỗ trống (chỗ bề mặt chưa bị hấp phụ). Vì số lần va chạm tỷ lệ với nồng độ chất trong dung dịch C, còn xác suất rơi vào chỗ trống tỉ lệ với diện tích trống nên tốc độ quá trình hấp phụ Uh được biểu diễn bởi phương trình:

Uh = k1C(1-fs) (1)

Trong đó: k1 là hằng số

fs là phần chỗ đã bị chiếm trên bề mặt chất hấp phụ 1-fs là phần chỗ trống.

Tốc độ quá trình giải hấp Ug tỉ lệ với số phân tử bị hấp phụ, nghĩa là tỉ lệ với diện tích bề mặt bị chiếm:

Ug = k2fs (2)

Trong đó k2 là hằng số.

Khi hệ đạt tới trạng thái cân bằng, ta có Uh = Ug: k1C(1-fs) = k2fs (3) Giải phương trình (3) theo fs và đặt k = k1/k2 ta có

fs =

kC 1

kC

 (4)

Nếu gọi qlà lượng chất cực đại có thể bị hấp phụ (tỉ lệ với bề mặt chất hấp phụ) và q là lượng chất bị hấp phụ ở một nồng độ nào đó (tỉ lệ với diện tích bị chiếm), ta có kC 1 kC q q    (5).

Đây là phương trình đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir, có dạng như hình vẽ dưới đây

Hình 1.5. Đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir

Qua phương trình và hình vẽ ta thấy sự hấp phụ có giới hạn, nghĩa là khi tăng nồng độ quá giới hạn nào đó, lượng chất bị hấp phụ không tăng lên nữa (đoạn nằm ngang trên hình).

phương trình Langmuir giải thích được đa số các trường hợp hấp phụ khí, lỏng cũng như chất tan trong dung dịch. Tuy nhiên, sự hấp phụ trong dung dịch xảy ra phức tạp hơn nhiều do lượng dung môi thường rất lớn so với chất tan. Do đó sự hấp phụ xảy ra ít nhất với hai loại phân tử: dung môi và chất tan. Khi bị hấp phụ dung môi làm giảm khả năng hấp phụ chất tan. Do đó trong sắc ký cần chọn dung môi nào bị hấp phụ kém nhất đối với chất hấp phụ dùng. Khi xác định đường đẳng nhiệt hấp phụ của các chất phải tiến hành trong cùng một loại dung môi. Dạng đường đẳng nhiệt hấp phụ trong dung dịch bị sai lệch, khác với đường hấp phụ đẳng nhiệt thông thường, bó có hình chữ S, nghĩa là lượng chất

bị hấp phụ tăng theo nồng độ chất trong dung dịch, vì các phân tử bị hấp phụ trên bề mặt lại có thể làm phân cực các phân tử trong dung dịch hấp phụ chúng. Kết quả tạo thành hấp phụ nhiều lớp. Như vậy, muốn chọn đúng điều kiện tách sắc ký phải biết đường đẳng nhiệt hấp phụ của mỗi cấu tử trong hỗn hợp. Có thể dùng phương pháp sắc ký để xác định các đường đẳng nhiệt hấp phụ đó. Trong sắc ký hấp phụ lỏng trên cột thì phương pháp rửa giải có ứng dụng rộng rãi nhất.

Giả sử tiến hành phân tích rửa giải một cấu tử. Sau khi đưa mẫu vào cột ta thu được sắc đồ sơ cấp

Hình 1.6. Sơ đồ phân bố chất trên cột chất hấp phụ (sắc đồ) với trường hợp đường đẳng nhiệt hấp phụ phi tuyến tính (a, b) và tuyến tính (c) Trong vùng đó nồng độ chất không đổi và nồng độ cân bằng trong dung dịch là Co. Lượng chất bị hấp phụ trên một đơn vị chiều dài cột là mf(Co), trong đó m là khối lượng chất hấp phụ trên một đơn vị chiều dài, còn f(Co) là hấp phụ năng riêng (lượng chất bị hấp phụ bởi một đơn vị khối lượng chất hấp phụ) ứng với nồng độ dung dịch Co. Ở tuyến trước, nồng độ tụt xuống không (dốc thẳng đứng).

Nếu V1olà thể tích pha lỏng trên một đơn vị chiều dài cột thì tổng lượng chất có trong một đơn vị chiều dài cột là V1oCmf(Co). Sau khi cho qua cột một thể tích dung môi rửa giải Vr , vùng dịch chuyển một đoạn :

o o o 1 r o o o 1 o r C ) C ( mf V ) C ( mf C C V V V      (19)

Như vậy khi cho thể tích dung môi V, tuyến trước của chất chuyển dịch một đoạn là L: o o o 1 C ) C ( f m V L V   (20)

nếu hệ lý tưởng tuyến tính, toàn bộ vùng một được dịch chuyển y nguyên. Trong trường hợp đường hấp phụ đẳng nhiệt “lồi”, nghĩa là f(Co) bị biến đổi theo Co, lúc đó mức độ chuyển dịch L sẽ tính theo công thức:

)C C ( ' mf V L Vo1 *   (21) Vì f’(C)> o o C ) C ( f

(do đường cong lồi) nên L* X, nghĩa là vùng nồng độ nhỏ sẽ chuyển động chậm hơn. Kết quả là sắc đồ bị kéo dài đuôi (hình 4, vùng II). Khi cho dung môi qua càng nhiều (V càng lớn), nồng độ chất bị giảm xuống và đuôi kéo dài hơn (hình 4, vùng III).

Đối với trường hợp đường đẳng nhiệt hấp phụ “lõm” (thực tế rất ít gặp) sắc đồ có dạng ngược lại, phía trước là mũi nhọn và đuôi bằng. Còn khi đường đẳng nhiệt hấp phụ tuyến tính, sự phân bố chất gần như đối xứng (hình 4, c).

Theo các công thức ở trên, chất cùng bị hấp phụ, nghĩa là đường đẳng nhiệt hấp phụ càng dốc, chất chuyển động càng chậm. Chính vì thế khi rửa giải cột chứa một số chất bị hấp phụ chúng sẽ được giải hấp với những tốc độ khác nhau và nếu cột đủ dài ta có thể thu được từng chất riêng.

Vấn đề tốc độ hấp phụ và giải hấp cần được đặc biệt chú ý như đã nói trong phương trình Van Deemter. Phải chọn tốc độ tối ưu đối với dung môi rửa giải để đảm bảo thiết lập cân bằng hấp phụ, đồng thời giảm độ khuếch tán dọc.