DE1258631B - Trennkolonne fuer die Durchfuehrung gaschromatographischer Analysen - Google Patents

Description

• Trennkolonne für die Durchführung gaschromatographischer Analysen Für die gaschromatographische Trennung von Gasgemischen werden häufig Trennkolonnen verwendet, deren stationäre Phase aus einer Füllung von dicht gepackten Partikeln eines Materials mit großer Oberfläche (2 bis 100 m2/g) besteht. Die Trennung wird entweder dadurch erreicht, daß die Oberfläche adsorbierende Eigenschaften hat oder mit einem dünnen hochsiedenden Flüssigkeitsfilm überzogen wird.
• Üblicherweise werden Kolonnen von 4 bis 6 mm Innendurchmesser und Partikeln von 0,1 bis 0,5 mm Durchmesser verwendet. Diese Kolonnen haben einen hohen Strömungswiderstand und benötigen bei der für eine Auftrennung erforderlichen Länge eine lange Durchlaufzeit, da sowohl in der Konstruktion der drucksicheren Probeaufgabe als auch durch die Druckabhängigkeit des Trennvermögens dem Eingangsdruck eine obere Grenze gesetzt ist. Der Grund für den hohen Druckabfall ist die Packungsdichte.
• Bei der Schaffung gepackter Kolonnen mit fester, körniger Füllung war man bisher immer bestrebt, die Füllung, z. B. durch Vibrieren oder Klopfen, möglichst homogen und dicht zu machen. Die Homogenität der Füllung wurde als Notwendigkeit angesehen. Demgemäß waren der weiteren Verengung des Kolonnendurchmessers unter 2 mm Grenzen gesetzt, da dann eine entsprechend feinkörnige und dicht gepackte Füllung unmöglich wurde, weil sie entweder mechanisch nicht erreichbar ist oder weil der Druckabfall zu hoch wird.
• Um diese Schwierigkeiten zu umgehen, wurde eine Kolonne mit engem, kapillarähnlichem Innendurchmesser geschaffen, deren Innenwand als feste stationäre Phase dient und mit einer Trennflüssigkeit überzogen wird. Da nur die flüssige Phase trennend wirkt, eignen sich solche Kolonnen vornehmlich für höhersiedende Kohlenwasserstoffe. Eine in der Fachliteratur beschriebene Maßnahme zur Verbesserung der Trenneigenschaften dieser Kolonne durch Aufrauhen der Innenwand oder Belegen derselben mit einem sehr feinkörnigen Pulver kann bisher weder technisch zufriedenstellend gehandhabt werden, noch brachte sie die erwarteten günstigen Resultate.
• Die Erfindung geht von einer Trennkolonne für die Durchführung gaschromatographischer Analysen mit einem Innenrohrdurchmesser, der weniger als 1 mm beträgt, aus. Die Kolonne nach der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß die Füllung aus über den ganzen Querschnitt verteilten Festkörperpartikeln besteht, deren Abmessungen größer als ein Fünftel des Kolonnen-Innendurchmessers sind. Nach einer Ausgestaltung der Erfindung wird die Kolonne im Gegensatz zu den bekannten Trennkolonnen mit fester Füllung nur sehr locker mit festen Partikeln gefüllt, und zwar so, daß das Volumen der festen körnigen Füllung nicht mehr als zwei Drittel des Innenvolumens der Kolonne ausmacht. Diese Angabe bezieht sich nicht auf das Volumen der meist porösen Stoffe, das der feste Körper in einen Gasraum verdrängt, sondern das Volumen, das ein Partikel in einer durch Klopfen oder Schütteln hergestellten dichten Packung einnimmt.
• A b b. 1 zeigt schematisch einen stark vergrößerten Längsschnitt durch ein Teilstück einer Kolonne nach der Erfindung. Ein Rohr hat einen inneren Durchmesser von etwa 1/4 mm. Es ist mit Partikeln aus Aluminiumoxyd gefüllt. Der Durchmesser der Partikeln beträgt etwa die Hälfte bis ein Drittel des Rohrdurchmessers. Die Zahl der Partikeln und ihr Volumen ist nur so groß, daß sie nicht einmal zwei Drittel des Innenraumes einnehmen. Die Trennkolonnen nach der Erfindung weisen insbesondere für niedrigsiedende Stoffe sehr gute Trenneigenschaften auf und können, bezogen auf die lineare Trägergasgeschwindigkeit, mit einem wesentlich niedrigeren Eingangsdruck betrieben werden als auf klassische Art hergestellte gepackte Trennkolonnen. Im Gegensatz zu den bekannten engen, kapillarähnlichen Kolonnen, deren Innenwand durch eine Flüssigkeit benetzt ist, erfolgt der Durchfluß des Gases durch die Kolonne nach der Erfindung derart, daß seine Geschwindigkeitsverteilung nicht überall stetig ist, denn das Gas muß die unregelmäßig angeordneten und unregelmäßig geformten Partikeln der Kolonnenfüllung umströmen.
• Als Beispiel für die Leistungsfähigkeit einer Trennkolonne nach der Erfindung ist in Ab b. 2 das Chromatogramm der Trennung eines Gasgemisches aus einer Anzahl von Kohlenwasserstoffkomponenten gezeigt, die innerhalb von 20 Sekunden erfolgte. Der Peak 1 entspricht dem Methan, der Peak 2 dem äthan, der Peak 3 dem Athylen. Die weiteren Peaks entsprechen dem Propan (4), dem Propylen (5), dem Isobutan (6) und dem Normalbutan (7). Dieses Chromatogramm wurde aufgenommen mit Hilfe einer gemäß der Erfindung gefüllten Kolonne von 2 m Länge und einem Kolonnendurchmesser von 1/4 mm. Die Kolonnentemperatur betrug 900 C. Der Druck des als Trägergas verwendeten Wasserstoffs betrug am Eingang der Kolonne 2 atü. Eine auf klassische Art gepackte Kolonne mit größerem Innendurchmesser, aber mit demselben Trägermaterial und der gleichen Länge, hat einen wesentlich höheren Strömungswiderstand (bezogen auf die lineare Trägergasgeschwindigkeit), so daß in den praktisch erreichbaren Druckgebieten eine solche schnelle Trennung sich als nicht möglich erwiesen hat. Im Rahmen des praktisch möglichen Druckabfalls trennen die bekannten gepackten Kolonnen daher wesentlich schlechter oder langsamer.
• In an sich bekannter Weise kann das feste Trägermaterial auch bei den Kolonnen gemäß der Erfindung mit einer Flüssigkeit belegt werden, um die Kolonne auch für die sogenannte Gas-Flüssigkeits-Chromatographie verwendbar zu machen.
• Zur Herstellung einer Kolonne nach der Erfindung wird mit Vorteil ein Rohr aus verformbarem Material und einem Durchmesser verwendet, der zunächst wesentlich größer ist als der Durchmesser der herzustellenden Kolonne. In dieses Rohr wird das körnige Füllmaterial lose geschüttet. Dann wird das Rohr ausgezogen, bis es den gewünschten Durchmesser aufweist. Als Material für das Rohr kann Glas verwendet werden, wie es an sich für Kolonnen mit engem Durchmesser ohne Füllkörper bekannt ist.
• Es können aber auch Rohre aus anderen verformbaren Materialien, z. B. Metallrohre, benutzt werden.
• Die bei der Zimmertemperatur oder wenig über Zimmertemperatur verformbaren Kunststoffe bieten besondere Vorteile, wenn das Füllmaterial eine Erwärmung nicht aushält.
• Zur Sicherung einer lockeren Füllung kann in das unausgezogene Rohr vor der Einfüllung des Trägermaterials ein Stab aus beliebigem Material, z. B.
• Metall, von geringerem Durchmesser als dem Rohrdurchmesser eingeführt werden, der nach der Einfüllung aus dem horizontal gelegten Rohr herausgezogen wird.
• Es ist schon vorgeschlagen worden, bei sogenannten Kapillar- oder Golaysäulen, bei denen nur die Innenwandung mit Trennsubstanz belegt wird, die feste körnige Trennsubstanz in ein ungezogenes Rohr einzufüllen und mit ihn durch eine Ziehdüse zu ziehen, wodurch dann die Trennsubstanz sich in die Wandung des Kapillarrohres einbettet. Bei dem angegebenen Verfahren zur Herstellung einer Kolonne nach der Erfindung wird zwar ebenfalls das mit einer Trennsubstanz gefüllte Rohr einem Ziehverfahren unterworfen. Es geschieht dies aber zur Herstellung der über den ganzen Querschnitt verteilten Füllung aus Festkörperpartikeln nach der Erfindung und nicht zur Einbettung nur in die-Wandung unter Freihaltung einer durchgehenden Bohrung.
• Das Ziehen von Kapillarröhren für die Gaschromatographie zum Zweck der Querschnittsverkleinerung gehört zum Stand der Technik.

Claims (5)

1. Patentansprüche: 1. Trennkolonne für die Durchführung gaschromatographischer Analysen mit einem inneren Durchmesser, der weniger als 1 mm beträgt, d a -durch gekennzeichnet, daß die Füllung aus über den ganzen Querschnitt verteilten Festkörperpartikeln besteht, deren Abmessungen größer als ein Fünftel des Kolonneninnendurchmessers sind.
2. 2. Trennkolonne gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Volumen der Partikeln weniger als zwei Drittel des Kolonneninnenraumes einnimmt.
3. 3. Trennkolonne gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Partikeln mit einer Flüssigkeit belegt sind.
4. 4. Verfahren zur Herstellung von Kolonnen nach Anspruch 1 bis 3, bei dem ein Rohr aus verformbaren Material, beispielsweise Glas oder Kunststoff, unter Verkleinerung seines Durchmessers auf das gewünschte Maß ausgezogen wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr mit einer losen Aufschüttung der die Füllung bildenden Partikeln vor dem Ausziehen derart gefüllt wird, daß nach dem Ziehvorgang die vorgeschriebene Füllung besteht.
5. 5. Verfahren gemäß Anspruch4, dadurch gekennzeichnet, daß in das Rohr vor Einfüllung des Trägermaterials ein Stab aus beliebigem Material von geringerem Durchmesser eingeführt und nach Einfüllung wieder herausgezogen wird.

   In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Auslegeschrift Nr. 1 131 920; deutsches Gebrauchsmuster Nr. 1 815229; Analytical Chemistry, Bd. 32, Februar 1960, S. 302 bis 304.