Углеродные адсорбенты

Основными представителями этой группы адсорбентов являются:

• графитированная термическая сажа;

• активированный уголь;

• углеродные молекулярные сита;

Графитированная термическая сажа представляет собой непористый, инертный и устойчивый к высокой температуре адсорбент с физически и химически однородной поверхностью и высокой удельной поверхностной энергией.

Поверхность сажи состоит только из атомов углерода и имеет структурные параметры графита. Расстояние между соседними атомами углерода в гексагональном слое составляет 0.1418 нм, а между слоями 0.3385 нм. При адсорбции на базисной плоскости графита электроны проводимости существенной роли не играют, так что адсорбция любых молекул осуществляется в основном за счет дисперсионных сил.

Графитированную термическую сажу получают нагреванием сажи до 3000 ^оС в отсутствие кислорода и других окислителей. В процессе графитирования происходит рост кристаллов до размеров примерно 500 нм, а также удаление летучих веществ. При этом доля водорода и кислорода, содержащихся на поверхности в составе осмолившихся веществ и свободных радикалов, падает до 0.4 %. Оставшиеся загрязнения являются причиной асимметрии пиков и необратимой адсорбции полярных соединений. Большую часть загрязнений можно удалить в процессе обработки сажи водородом при 1100 ^оС после графитирования.

Графитированная термическая сажа представляет собой тонкий порошок, непригодный для непосредственного заполнения насадочных хроматографических колонок. В результате длительного встряхивания, которое проводится без добавления связующего, сажа скатывается в маленькие шарики, которые можно осторожно рассеять на фракции и заполнить выбранной фракцией колонку.

Из-за небольшой механической прочности этих частиц, обращаться с колонками, заполненными графитированной термической сажей, следует достаточно осторожно. Добавлением небольших количеств вязких полимеров (0.01 % апиезона L) можно улучшить механическую стабильность частиц графитированной термической сажи.

Известно, что интенсивность дисперсионного взаимодействия зависит от величины, формы и поляризуемости взаимодействующих частиц. В этой связи на графитированной термической саже при разделении методом газо-адсорбционной хроматографии циклические углеводороды элюируются из колонки раньше н-алкана с тем же числом атомов углерода, так как они не могут расположиться копланарно по отношению к поверхности графита и соответственно имеют меньшее число взаимодействующих с поверхностью атомов водорода.

Благодаря своей высокой чувствительности к геометрии молекулы, графитированная термическая сажа особенно хорошо подходит для разделения структурных и стереоизомеров, которые вследствие малых различий в их физических свойствах на жидких неподвижных фазах можно разделить лишь при очень высокой эффективности колонки.

Еще одно преимущество графитированной термической сажи состоит в том, что она легко модифицируется различными жидкими и твердыми фазами, а это позволяет производить селективное разделение самых различных соединений.

Активные угли представляют собой неспецифические адсорбенты с сильно развитой пористой структурой, образованной главным образом макро- и мезопорами различного диаметра.

Большая удельная поверхность (8001000 м²/г) обуславливает высокую адсорбционную емкость.

Получают активный уголь пиролизом различных углеродсодержащих материалов: дерева, торфа, бурого угля, фенолформальдегидных смол.

В зависимости от типа исходного материала и методики его обработки различные сорта активного угля содержат различного рода загрязнения (золу, серу, азот). На адсорбирующей поверхности угля имеются следы неорганических оксидов, а также функциональные кислородсодержащие группы.

Вследствие очень большой геометрической и химической неоднородности поверхности регистрируемые на хроматограмме пики даже низкокипящих газов обнаруживают асимметрию (“хвосты”).

Углеродные молекулярные сита. Термическим разложением виниленхлорида при соответствующих условиях можно получить микропористый углерод с удельной поверхностью 10001200 м²/кг и структурой молекулярного сита.

Эти углеродные молекулярные сита поставляются в виде гранул или сферических частиц с улучшенными механическими свойствами.

Молекулярно-ситовой эффект обусловлен наличием системы пор со средним диаметром 11.5 нм.

Углеродные молекулярные сита обладают следующими важными для хроматографии свойствами:

• Отличаются незначительной полярностью. Они относятся к неспецифическим адсорбентам и поэтому для полярных веществ характерно малое время удерживания.

• Обладают исключительно чистой поверхностью, что позволяет использовать их для разделения высокополярных соединений и выделения микропримесей при программировании температуры.

Удерживание на углеродных молекулярных ситах, как и удерживание на графитированной термической саже, зависит от числа атомов углерода в молекуле и степени насыщенности связей.

Первыми элюируются соединения с меньшим числом ненасыщенных связей, что очень важно при выявлении следов ненасыщенных соединений в насыщенных и менее ненасыщенных соединениях.

Типичным примером является определение микропримесей метана и ацетилена в этилене.