Теоретические аспекты методов разделения и концентрирования

 

Методы разделения и концентрирования занимают важное место среди приемов современной аналитической химии. В наиболее общем виде процесс химического анализа включает отбор пробы и ее подготовку к определению, собственно определение и обработку результатов. Современное развитие аналитического приборостроения и компьютерной техники обеспечивает надежное проведение второй и третьей стадий анализа, которое достаточно часто осуществляется в автоматическом режиме. Напротив стадия пробоподготовки, составной и неотъемлемой частью которой являются операции разделения и концентрирования, по-прежнему остается наиболее трудоемкой и наименее точной операции химического анализа. Если длительность измерения и обработки результатов имеет порядок минут и реже секунд, то продолжительность пробоподготовки – порядок часов и реже минут. По мнению специалистов, работающих в области экоаналитического контроля, только 10% суммарной погрешности анализа приходится на стадию измерения сигнала, 30% – на пробоподготовку и 60% – на проботбор. Ошибки, допущенные при отборе проб и их подготовке, могут полностью исказить результаты химического анализа.

Интерес к методам разделения и концентрирования не ослабевает по ряду причин, из которых можно выделить несколько: возрастающие требования к чувствительности анализа и его правильности, зависящей от возможности устранения матричного эффекта, а также требование обеспечения приемлемой стоимости анализа. Многие современные приборы позволяют проводить анализ без предварительного разделения и концентрирования, но они сами и их эксплуатация очень дороги. Поэтому часто более выгодно использовать так называемые комбинированные и гибридные методы, обеспечивающие оптимальное сочетание предварительное разделение и концентрирование компонентов с их последующим определением с помощью сравнительно недорогих аналитических приборов.

Основные понятия и термины. Виды концентрирования

Уточним смысловое понятие основных терминов, которые используют при описании методов разделения и концентрирования

  Под разделением подразумевают операцию (процесс), в результате которой из исходной смеси веществ получается несколько фракций ее компонентов, то есть компоненты, составляющие исходную смесь, отделяются один от другого. При разделении концентрации компонентов могут быть близки друг к другу, но могут и отличаться.

Концентрирование — операция (процесс), в результате которой повышается отношение концентрации или количества микрокомпонентов по отношению к матрице или матричным компонентам. Под микрокомпонентами подразумевают компоненты, содержащиеся в промышленных, геологических, биологических и других материалах, а также в объектах окружающей среды, в концентрациях менее 100 мкг/г. Под матрицей в данном случае подразумевается среда, в которой находятся микрокомпоненты. Часто в качестве матрицы выступает вода или водный раствор кислот или солей. В случае твердых образцов концентрирование проводят после переведения образца в раствор, в этом случае в растворе наряду с микрокомпонентами присутствуют матричные компоненты. Концентрирование проводят в условиях, когда концентрации компонентов резко отличаются.

К концентрированию микрокомпонентов при их определении прибегают, прежде всего, в тех случаях, когда чувствительность методов прямого определения этих компонентов недостаточна. Главное достоинство концентрирования – снижение относительных, а иногда и абсолютных пределов обнаружения микрокомпонентов благодаря устранению или резкому уменьшению влияния макрокомпонентов на результаты определения. Концентрирование также необходимо, если компонент распределен в анализируемом образце негомогенно, оно позволяет работать с представительными пробами. Кроме того, концентрирование дает возможность обойтись без большого числа образцов сравнения, в том числе стандартных образцов, поскольку в результате концентрирования можно получать концентраты на единой основе, например на угольном порошке в случае атомно-эмиссионного анализа. В процессе концентрирования удобно также вводить так называемые внутренние стандарты, если они нужны. Однако концентрированию свойственны и недостатки: оно удлиняет и усложняет анализ, в ряде случаев возрастают потери и загрязнения, иногда уменьшается число определяемых компонентов.

Разделение и концентрирование имеют много общего, как в теоретическом аспекте, так и в технике исполнения. Очевидно, что концентрирование является частным случаем разделения. Выделение "концентрирования" в разряд самостоятельных понятий аналитической химии оправдано благодаря практической важности этой операции в химическом анализе и различиям в его назначении по сравнению с разделением. Благодаря применению разделения удается упростить анализ и устранить влияние мешающих компонентов, тогда как основная цель концентрирования – повышение чувствительности определения.

Различают абсолютное и относительное концентрирование. При абсолютном концентрировании микрокомпоненты переводят из большой массы образца в малую массу концентрата; при этом концентрация микрокомпонентов повышается. Примером абсолютного концентрирования может служить упаривание матрицы при анализе вод, растворов минеральных кислот, органических растворителей. Скажем, при упаривании 20 мл раствора свинца до 1 мл мы увеличиваем отношение массы определяемого компонента к общей массе пробы в 20 раз (при условии, что определяемый компонент полностью остался в растворе). Другими словами, мы сконцентрировали в 20 раз.

В результате проведения относительного концентрирования происходит замена матрицы, по тем или иным причинам затрудняющей анализ, на иную органическую или неорганическую матрицу и возрастает соотношение между микро- и главными мешающими макрокомпонентами. В этом случае отношение масс исходной и конечной проб большого значения не имеет. Допустим, что в тех же 20 мл раствора свинца содержался еще и цинк, причем его было в 100 раз больше, чем свинца. Мы провели концентрирование свинца, например экстракцией, при этом количество цинка сократили в 20 раз, теперь его лишь в 5 раз больше, чем свинца. Мы можем получить концентрат того же объема в 20 мл, при этом концентрация свинца не изменилась, но зато изменилась концентрация цинка, причем те количества цинка, что остались в растворе, уже не будут мешать последующему определению свинца. На практике абсолютное и относительное концентрирование часто комбинируют; заменяют матричные элементы на иную органическую или неорганическую матрицу и «сжимают» концентрат микроэлементов до необходимой массы дополнительным воздействием, например простым упариванием.

Практика химического анализа требует как индивидуального, так и группового концентрирования. Индивидуальное концентрирование – это операция, в результате которой из анализируемого объекта выделяют один микрокомпонент или последовательно несколько микрокомпонентов, тогда как при групповом концентрировании за один прием выделяют сразу несколько микрокомпонентов. Оба способа используют на практике. Выбор способа зависит от природы анализируемого объекта и используемого метода концентрирования. Групповое концентрирование обычно сочетают с последующим определением методами хроматографии, хромато-масс-спектрометрии, инверсионной вольтамперометрии, а индивидуальное – с такими одноэлементными методами анализа, как спектрофотометрия, атомно-абсорбционная спектрометрия, флуориметрия.

Концентрирование можно осуществить двумя способами: удалением матрицы и выделением микроэлементов. Выбор способа зависит от характера анализируемого объекта. Если матрица простая (один два элемента) легче удалять именно матрицу. Если же основа многоэлементная (сложные минералы и сплавы, почвы), выделят микроэлементы. Выбор зависит и от используемого метода концентрирования. Например, соосаждение используют только для выделения микроэлементов, а выпаривание применяют для отделения матрицы сравнительно простых объектов: природных вод, кислот и органических растворителей.

Количественные характеристики разделения и концентрирования

Большинство методов разделения основано на распределении вещества между двумя фазами (I и II). Для количественного описания процесса распределения вещества между фазами и оценки эффективности разделения и концентрирования используют коэффициент распределения, степень извлечения, коэффициент разделения и коэффициент концентрирования.

Коэффициент распределения D определяется как отношение общей концентрации вещества в фазе II (концентрате) к общей концентрации его в фазе I (исходном растворе):

Степень извлечения R: – это отношение количества вещества в концентрате n_к к его количеству в исходной пробе n_пр:

 

Степень извлечения – безразмерная величина, она показывает, какая доля абсолютного количества микрокомпонента сосредоточена в концентрате. Степень извлечения чаще выражают в процентах. Очевидно, что для полного извлечения компонента значение R должно быть, как можно ближе к 100%.

О возможности разделения двух веществ А и В судят при помощи коэффициента разделения α_А/В:

На практике извлечение считают количественным, если R ³ 99 %. Для количественного разделения двух веществ А и В, необходимо, чтобы 99 % вещества А перешло в органическую фазу, а 99 % вещества В осталось в водной фазе. Иначе говоря, для практически полезного разделения двух веществ нужно, чтобы коэффициент разделения был высоким (α_А/В ³ 10⁴), а произведение коэффициентов распределения веществ – близким к единице (D_A·D_B ≃ 1).

Для оценки эффективности концентрирования служит коэффициент концентрирования К_к :

где n_к , n_пр — количество микрокомпонента в концентрате и пробе; Q_к , Q_пр — количество макрокомпонента в концентрате и пробе. Коэффициент концентрирования показывает во сколько раз изменяется отношение абсолютных количеств микро- и макрокомпонентов в концентрате по сравнению с этим же отношением в исходной пробе.

Классификация методов

Целям аналитического разделения и концентрирования служат многочисленные методы; в научно-методическом плане они развиты в разной степени и сильно отличаются масштабами использования. Их арсенал все время пополняется за счет появления новых методов или новых вариантов уже известных. Для решения задач используют почти все химические и физические свойства веществ и процессы, происходящие с ними. Для того чтобы можно было ориентироваться в многообразии методов разделения и концентрирования, предложены различные классификации.

Ю.А. Золотов предложил классифицировать методы концентрирования по фазовому состоянию системы в процессе концентрирования и конечному состоянию концентрата. В рамках этой классификации наибольшее значение имеют методы, основанные на на различиях в распределении веществ между двумя фазами такими, как жидкость – жидкость, жидкость – твердое тело, жидкость – газ и твердое тело – газ. При этом однофазная система может превращаться в двухфазную путем какой-либо вспомогательной операции (осаждение и соосаждение, испарение, дистилляция, кристаллизация и др.), либо введением вспомогательной фазы – жидкой, твердой, газообразной (таковы методы экстракции, сорбции, хроматографии). В табл. 1 приведена классификация наиболее распространенных методов концентрирования, построенная по принципу распределения вещества между фазами.

Степень использования указанных методов концентрирования различна. Выбор метода концентрирования применительно к конкретному объекту анализа зависит от многих факторов. Решать эту задачу нельзя в отрыве от объекта анализа и метода анализа концентрата. При выборе метода концентрирования учитывают следующие факторы: природу анализируемого объекта; перечень микрокомпонентов, которые необходимо выделить и определить в этом объекте и их содержание; сочетаемость выбранного метода концентрирования и метода последующего определения компонентов в концентрате; количественные и метрологические характеристики методики концентрирования (степень извлечения, коэффициент концентрирования, воспроизводимость и др.); приборную и кадровую оснащенность лаборатории, которая будет использовать выбранную методику; экономические затраты на стадию концентрирования; необходимость обеспечения безопасных условий работы. Кроме того, при выборе метода концентрирования необходимо учитывать взаимное влияние матрицы и микрокомпонентов. Например, экстракции нередко сопутствует соэкстракция, осаждению – соосаждение, испарение осложняется образованием азеотропных смесей.

Классификация методов по фазовому состоянию системы в процессе концентрирования и конечному состоянию концентрата

Фазовое состояние системы в процессе концентрирования	Конечное фазовое состояние концентрата	Метод концентрирования
Жидкость – жидкость	Жидкость	Жидкость – жидкостная экстракция
	Твердое тело	Экстракция расплавами Пробирная плавка
Жидкость – твердое тело	Жидкость	Жидкостная экстракция из твердых матриц Мокрая минерализация
	Твердое тело	Осаждение и соосаждение Сорбция Электролитическое выделение Направленная кристаллизация и зонная плавка
Жидкость – газ	Жидкость или газ	Экстракция газовая Упаривание, отгонка с водяным паром, испарение в результате химических превращений Криогенное концентрирование
Твердое тело – газ	Твердое тело или газ	Сорбция Сублимация
Твердое тело (жидкость) – вещество в сверхкритическом состоянии	Вещество в сверхкритическом состоянии	Сверхкритическая флюидная экстракция