DE2317455A1 - Chromatographisches fuellmaterial - Google Patents
Chromatographisches fuellmaterialInfo
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Description
E.I. DU PONO? DB MEMOURS AND COMPANY
10th and Market Streets, Wilmington, Delaware 19 898, Y.St.A,
Chromatographisches Füllmaterial
Das Bedürfnis nach, verbessertem Füllmaterial für chromato- ·
graphische Säulen ist bekannt.
Eine für chromatographische Zwecke verwendete Füllung besteht
aus einem Pulver aus vollständig massiven Teilchen. Ein solcher Träger hat den Nachteil, dass er für das jeweilige Verfahren
nur ein Minimum an spezifischer Oberfläche zur Verfügung stellt.
Ferner sind als chromatographische Träger auch schon vollständig poröse Körper von gesteuerter Porosität verwendet worden,
wie sie in der britischen Patentschrift 1 171 651 beschrieben sind; diese Teilchen leiden aber an dem Nachteil, dass sie
nicht aus Siliciumdioxid bestehende Verunreinigungen in Form von Alkali- und Erdalkaliionen, wie Na+, als integrierenden
Bestandteil enthalten. Körper, die solche Verunreinigungen enthalten, haben eine nicht-homogene Oberflächenzusammensetzung,
die dazu führen kann, dass ein gelöster Stoff in der Trägerphase an einigen Oberflächenstellen bevorzugt gegenüber
" 1 "" 309842/0971
IHM 5 &
anderen Stellen adsorbiert wird. '
Völlig poröse teilchen ohne derartige Verunreinigtingen/sind
durch Zerstäubungstrocknung eines, kolloidalen Kieselsäuresole
hergestellt worden, wie es in der USA-Patentschrift 3 301 635
beschrieben ist. Das Zerstäubungstrocknen führt aber zur Bildung von Teilchen von ungleichmässiger Grosse, die im allgemeinen
grosser als 20 μ sind» Diese beiden Paktoren beeinträchtigen die Verwertbarkeit solcher Teilchen für chromatographische
Zwecke.
Bei vollständig porösen Teilchen, die nach den bisher bekannten Verfahren hergestellt werden, liegt die Hauptschwierigkeit
darin, dass sie ungleichmässige Grossen aufweisen. Die Verwendung eines Pulvers von ungleichmässiger Teilchengrösse
ist wegen des Unterschiedes in der Zeit, die erforderlich" ist, damit die mobile Phase in die Teilchen von verschiedenen Grossen
hinein und aus den Teilchen von verschiedenen Grossen hinausdiffundieren
kann, gleichbedeutend mit der Verwendung eines nicht-homogenen Trägermediums, lerner.ist die Erhöhung des
Auflösungsvermögens bei den neuzeitlichen chromatographischen Methoden weitgehend von einer Erhöhung im Wirkungsgrad der
-Säulenfüllung abhängig. Wenn die Teilchen ungleichmässige Grossen haben, wird der Wirkungsgrad der Füllung vermindert.
Es ist zwar möglich, ein Pulver aus Teilchen von sehr verschiedenen Grossen herzustellen und die Teilchen dann durch
Klassierung in Teilchen von gleichmässigen Grossen zu zerlegen; dies hat sich jedoch als sehr schwierig erwiesen, wenn
die Teilchengrösse weniger als 20 μ beträgt»
Die andere Schwierigkeit bei den bekannten Produkten liegt in
der Grosse der entstehenden Teilchen. Grosse Teilchen, bei
denen die Poren tief im Inneren der einzelnen Teilchen liegen,
führen zur Ausbildung von tiefen Ansammlungen von stagnierender mobiler Phase, was wiederum eine Bandverbreiterung und
•eine Verminderung des Auflösungsvermögens des chromatographi-
" 2' 3098 42/0 971
IPD-15 3
sehen Gerätes nach sich zieht. Diese Schwierigkeit ist durch Verwendung von oberflächlich porösen Teilchen vermindert worden,
wie sie in der USA-Patentschrift 3 505 785 beschrieben sind. Bei diesen oberflächlich porösen Teilchen besteht der
Teilchenkern aus einer massiven Kugel, die von mehreren monomolekularen
Schichten kleinerer Siliciumdioxidteilchen umgeben ist. Die kleineren äusseren Teilchen liefern eine erhöhte
spezifische Oberfläche, und das Ausmass der stagnierenden Ansammlungen
von mobiler Phase wird dadurch verringert,'dass der Mittelkern der Teilchen undurchlässig ist. Die Verwendung
eines massiven Mittelkerns ist aber eine für die Lösung der durch tiefe Poren bedingten Probleme unwirksame Methode,
weil die Erhöhung der spezifischen Oberfläche in'diesem
lalle durch eine Vergrösserung der Teilchen erkauft werden muss.
Gegenstand der Erfindung ist ein chromatographisches füllmaterial,
bestehend aus einem Pulver aus porösen Mikrokugeln, deren Oberfläche aus einem hitzebeständigen Metalloxid besteht,
dadurch gekennzeichnet, dass (a) praktisch alle Mikrokugeln einen Durchmesser im Bereich von etwa dem 0,5- bis
1,5-fachen des mittleren Durchmessers der Mikrokugeln in dem
Pulver aufweisen, (b) die Mikrokugeln, aus vielen gleichmässig
grossen kolloidalen Teilchen zusammengesetzt sind, die in Form eines dreidimensionalen Gerüsts miteinander verbunden
sind, und (c) die kolloidalen Teilchen weniger als 50 $> des
Volumens der Mikrokugeln einnehmen, während der Rest des Volumens aus untereinander verbundenen Poren von gleichmässiger
Porengrössenverteilung besteht.
Gemäss der bevorzugten Ausfuhrungsform haben die Mikrokugeln
einen Durchmesser von etwa dem 0,8- bis 1,2-fachen des mittleren Durchmessers der Mikrokugeln in dem Pulver. Nach einer
noch, weiter bevorzugten Ausführungsform sind die kolloidalen
Teilchen aus Siliciumdioxid, Aluminiumoxid, Zirkoniumoxid, Titanoxid, Eisen(III)-oxid, Antimonoxid und/oder Zinnoxid zusam-
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IPD-15 M
mengesetzt.. Nach einer noch stärker bevorzugten Ausführungsform haben die Mikrokugeln einen mittleren Durchmesser von etwa 1,0 bis IQ· μ. Gemäss einer noch stärker bevorzugten Ausführungsform
haben die Mikrokugeln eine spezifische Oberfläche von mehr als 75 $>
der spezifischen Oberfläche, die die kolloidalen Teilchen, aus denen sie bestehen, aufweisen.
Die Erfindung stellt ferner ein chromatographisches Trennverfahren
zur Verfügung, bei dem das zu zerlegende Material zusammen mit einer Trägerphase mit einer Auflösezone in Berührung
gebracht wird., die ein Pulver aus porösen Mikrokugeln enthält, die eine hitzebeständige Metalloxidoberfläche auf- '
weisen, welches .dadurch gekennzeichnet ist, dass (a) praktisch alle Mikrokugeln einen Durchmesser im Bereich von etwa dem
0,5- bis 1,5-fachen des mittleren Durchmessers der Mikrokugeln in dem Pulver aufweisen, (b) die Mikrokugeln aus vielen
gleichmässig grossen kolloidalen Teilchen zusammengesetzt sind, die in Form eines dreidimensionalen Gerüsts miteinander
verbunden sind, und (c) die kolloidalen Teilchen weniger als
50 # des Tolumens der Mikrokugeln einnehmen, während der Rest
des Yolumens aus untereinander verbundenen Poren von gleichmassiger
Perengrössenverteilung besteht.
Zur' weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnungen
Bezug genommen.
Fig. 1 zeigt ein einzelnes poröses Pulverteilchen, das sich
als Bestandteil der chromatographisehen Füllung gemäss der Erfindung eignet. Das Mikroteilchen ist durch das Bezugszeichen
10 angedeutet, die kolloidalen Grundteilchen sind mit 11 und
die Poren in den Mikrokugeln mit 12 bezeichnet»
Fig. 2 ist eine schematische Ansicht eines Schnittes durch ein Mikroteilchen und zeigt die leicht zusammengewachsenen
kolloidalen Teilchen 11, die durch Poren 12 von gleichmässiger Grosse voneinander getrennt werden.,
" ■. " " 4 ■" 30984270971
IPD-15 6 Ζα '
Pig. 3 erläutert eine hochgradig wirksame Zerlegung eines Gemisches
aus aromatischen Hydroxyverbindungen durch Flüssigflüssig-Chromatographie
unter Verwendung eines ehroma-tographischen Füllmaterials gemäss der Erfindung.
Fig. 4 erläutert eine hochgradig wirksame Zerlegung eines Gemisches
aus aromatischen Hydroxyverbindungen durch Flüssigfest-Chromatographie unter Verwendung eines chromatographischen
Füllmaterials gemäss der Erfindung.
Fig. 5 erläutert eine hochgradig wirksame Trennung dreier Polystyrolfraktionen
durch Exklusionschromatographie unter Verwendung der chromatographischen Füllstoffe gemäss der Erfindung
.
Die erfindungsgemäss als Füllmaterial verwendeten Mikrokugeln
haben einen mittleren Durchmesser von etwa 0,1 bis 20 μ, vorzugsweise von etwa 1,0 bis 10 μ. Ferner haben sie gleichmässige
Grossen, was bedeutet, dass weniger als 5 # der Teilchen
in dem Pulver Durchmesser von weniger als dem etwa 0,5-fachen des mittleren Durchmessers der Mikrokugeln in dem Pulver aufweisen,
und dass weniger als 5 i° einen Durchmesser von mehr
als dem etwa 1,5-fachen des mittleren Durchmessers aufweisen. Vorzugsweise reicht dieser Bereich von dem etwa 0,8-fachen
bis zu dem etwa 1,2-fachen des mittleren Durchmessers. Schliesslich haben die Mikrokugeln gesteuerte Porenabmessungen
sowie eine verhältnismässig grosse spezifische Oberfläche und ein grosses Porenvolumen. Durch Steuerung des Sinterverfahrens,
das angewandt wird, um den Teilchen Festigkeit zu verleihen, kann man zu Mikrokugeln mit spezifischen Oberflächen
gelangen, die bis etwa 90?$ der spezifischen Oberfläche der kolloidalen Teilchen betragen, aus denen die Mikrokugeln
bestehen, und trotzdem weisen solche Mikrokugeln immer noch eine so hohe Festigkeit auf, dass sie verwendet werden können,
ohne zu zerbrechen. Die Grosse der in den Mikroteilchen enthaltenen
Poren hängt in erster Linie von der Grosse der zur
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Herstellung der Mikrokugeln verwendeten kolloidalen Teilchen
ab.
Der mittlere Durchmesser der Poren in den Mikrokugeln gemäss
der Erfindung "beträgt bei einem Porendurchmesser von 1000 JL
etwa die Hälfte des berechneten Durchmessers der Grundteilchen,
aus denen die Mikrokugel besteht. Dieser Durchmesser wird nach,
der Gleichung
η 6000
berechnet, in der D den berechneten Durchmesser des Grundteilchens,
'd die Dichte des massiven anorganischen Materials (z.B. 2,2 g/cm für amorphes S-.'g") und A. die spezifische Oberfläche
der Mikrokugel, bestimmt durch Stickstoffadsorption gemäss
P.M. HeIson und F.T. Eggerstein, "Analytical Chemistry", 30_,
1587 (1958), bedeutet. Bei 100 Ä ist der Porendurchmesser etwa gleich dem Durchmesser des kolloidalen Teilchens, und bei etwa
50 £ beträgt er das etwa 1 1/2-fache des Durchmessers des kolloidalen Teilchens.
Bei Verwendung ,von kolloidalen Teilchen gemäss der nachstehenden
Definition haben die Mikroteilchen gemäss der Erfindung Durchmesser im Bereich von etwa 50 bis 2500 S. oder vorzugsweise
von etwa 75 bis 1000 £.
Die als Füllmaterial für die chromatographische Säule oder die Auflösezone erfindungsgemäss verwendbaren Mikroteilchen
können nach einem Verfahren hergestellt werden, bei dem zunächst
ein wässriges Sol von hitzebeständigen Oxidteilchen
hergestellt und dieses mit einem copolyraerisierbaren Gemisch
aus Harnstoff und Formaldehyd oder aus Melamin und Formaldehyd
gemischt wird. Dann wird die Polymerisation eingeleitet, und es erfolgt eine Koazervation des organischen Materials zu Mikrokugeln, die die kolloidalen Teilchen enthalten. Die Mikrokugeln
werden dann verfestigt, gesammelt, gewaschen und getrocknet. In diesem Stadium des Verfahrens bestehen die Mikro-"
" 6■ " ' 309842/0971
kugeln aus vielen kolloidalen Teilchen, die in eine' Polymerisatkugel
eingebettet sind. Dann wird das organische Material bei einer Temperatur abgebrannt, die so hoch ist, dass die
organischen Bestandteile oxydiert werden, das anorganische Material jedoch nicht schmilzt. Im allgemeinen erfolgt dies
bei etwa 550° C. Die porösen Mikrokugeln werden dann bei
einer erhöhten Temperatur von etwa 1000° C so lange gesintert, bis die Mikroteilchen fest genug geworden sind, damit sie bei
der Anwendung nicht zerbrechen. Ein gutes Anzeichen dafür, ob eine Sinterung stattgefunden hat, ist die Verminderung der
spezifischen Oberfläche der Mikrokugel auf einen Wert, der um
mindestens 10 i° geringer ist als die spezifische Oberfläche
der kolloidalen Teilchen selbst.
Die Bildung der Mikrokugeln erfolgt durch Zusammentreten der anorganischen kolloidalen Teilchen mit dem organischen Koazervat.
Es wird angenommen, dass die aus s er ordentliche G-leiebmässigkeit
sowohl in der G-rÖsse der Mikrokugeln als auch in der Verteilung der kolloidalen Teilchen in den Mikrokugeln auf
eine Wechselwirkung zwischen Hydroxylgruppen an der Oberfläche der kolloidalen Teilchen und Teilen der Polymerisatkette zurückzuführen
ist. Daher weisen die zur Herstellung des Füllmaterials
gemäss der Erfindung verwendeten kolloidalen Teilchen
an ihren Oberflächen Hydroxylgruppen auf, die denjenigen einer hydratisieren Oxidoberfläche äquivalent sind. Das Innere
der Teilchen kann aus einem anderen Stoff bestehen, die Oberfläche muss sich aber hydroxylieren lassen. Pur die
Zwecke der Erfindung wird als anorganisches Kolloid ein solches bezeichnet, das einen festen Rückstand hinterlässt,
nachdem das Polymerisat entfernt worden ist. Die bevorzugten
Kolloide sind daher hitzebeständige. Metalloxide, die bei etwa 500 C nicht schmelzen und sieh nicht anderweitig zersetzen.
Dieses ist etwa die niedrigste Temperatur, die zum Ausbrennen des organischen Materials angewandt werden kann. Im allgemeinen
haben die hitzebeständigen Teilchen jedoch Schmelzpunkte von mehr als 1000° C; man kann aber auch niedriger schmelzen-
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IPD-15
de Oxide verwenden, wenn das Polymerisat durch langsame Oxy-dation
bei niedrigeren Temperaturen entfernt wird. Beispiele
für hitzebeständige Metalloxide, die erfindungsgemäss verwendet
werden können, sind Aluminiumoxid, Zirkoniumoxid, Titanoxid, Eisen(III)-oxid, Antominoxid, Zinnoxid und Kombinationen
derartiger Oxide, wobei Siliciumdioxid bevorzugt wird.
Die erfindungsgemäss verwendeten Grundteilchen sind kolloidale
Teilchen. Dies bedeutet für die Zwecke der Erfindung, dass
die Teilchen in mindestens zwei Dimensionen Grossen im Bereich von 3 bis 500 ΐπμ und in der dritten Dimension eine Grosse im
Bereich von 3 bis 1000 ΐημ haben. Teilchen, die in einer Dimension
grosser als 1 μ sind, oder die in irgendeiner Dimension
grosser als das etwa 0,1-fache des Durchmessers der Mikrokugel
sind, lassen sich nur schwierig in kugelförmige Mikroteilchen
einlagern, da die grosse Abmessung die Bildung kugelförmiger Einzelteilchen stört.
Die erfindungsgemäss verwendeten organischen Stoffe sind anfänglich
in Wässer löslich und mit dem anorganischen Kolloid mischbar, ohne es bei dem pH-Wert, bei dem die Reaktion vor
sich geht, auszuflocken oder zu lösen. Das sich bildende Polymerisat
ist unlöslich in Wasser, Es· gibt zwar eine Reihe
verschiedener organischer Stoffe, die sich für die Zwecke der Erfindung eignen; den höchsten Grad von Gleichmässigkeit in
der Teilchengrösse und in der Porengrössenverteilung erzielt
man jedoch durch Copolymerisation eines Gemisches aus Harnstoff und Formaldehyd oder eines Gemisches aus Melamin und
Formaldehyd. Im Falle von Harnstoff und Formaldehyd eignen sich Molverhältnisse von etwa 1 bis "I92· oder 1,5 bei einem
pH-Wert von etwa 1,0 bis 4,5S und im lalle von Melamin und
Formaldehyd eignen sich Molverhältnisse von etwa 1 bis 3 bei einem pH-Wert von etwa 4 bis 6.
Das Yerhältnis von organischem zu anorganischem Material wird so bemessen, dass der volumprozentuale Anteil des anorgani-
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IPD-15 3
sehen Materials in den ausgefallenen Teilchen nach der Polymerisation
etwa 10 "bis 50 $> "beträgt. Um nach dem Ausbrennen
des organischen Materials zusammenhängende poröse Kugeln zu erhalten, soll die Konzentration der anorganischen Teilchen
in der Einbettungsmasse so hoch sein, dass sie sich unter Bildung eines dreidimensionalen Gerüsts aneinander "binden.
Dieses Gerüst kann, wenn es "bei 550° C hergestellt wird, sehr
zerbrechlich sein; wenn es aber ungestört auf höhere Temperaturen erhitzt wird, um das Sintern herbeizuführen, nehmen die
porösen Kugeln Festigkeit an. Um zu gewährleisten, dass eine für die gewünschte !Festigkeit ausreichende Sinterung stattgefunden
hat, werden die Teilchen im allgemeinen bei einer erhöhten Temperatur, gewöhnlich oberhalb 900° C, gesintert, die
so hoch ist, dass die spezifische Oberfläche des Teilchens um mindestens 10 $ unter den Wert herabgesetzt wird, den die
spezifische Oberfläche der kolloidalen Teilehen aufweist, aus denen sieh die kugelförmigen Teilchen bilden.
Die Mikrokugeln gemäss der Erfindung haben gleichmässige Poren,
deren Durehmesser von der Grosse der zu ihrer Herstellung
verwendeten kolloidalen Teilehen und dem Yolumenverhältnis von organischem Polymerisat zu anorganischem Material abhängt. Je
grosser die Teilchen sind, desto grosser sind auch die Poren
zwischen den Teilchen, und je grosser das relative Volumen des organischen Polymerisats in den Mikrokugeln bei deren Entstehen
ist, desto offener wird das Gerüst der anorganischen Teilchen, und desto weiter werden die Poren.
Bei den günstigsten Abmessungen weisen diese Mikrokugeln ein hervorragendes Verhalten bei verschiedenen Formen der ITüssigkeitschromatographie,
nämlich bei der Flüssig-flüssig-Chromatographie,
bei der Flüssig-fest-Chromatographie und bei der
Exklusionschromatographie, auf. Eine hochgradig wirksame ITüssig-fest-Chromatographie
(Dünnschichtchromatographie und Säulenchromatographie) kann z.B. mit Mikrokugeln mit Durchmessern
im Bereich von 1,0 bis 10,0 μ durchgeführt werden, die aus
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IPD-15 4r
kolloidalen Teilchen mit Grossen von 3 Ms 100 ΐημ hergestellt
werden. Sehr schnelle flüssig-flüssig-chromatographische
Trennungen können durchgeführt werden, indem man Mikrokugeln mit einem Durchmesser im Bereich von 1,0 "bis 10,0 μ, die aus
kolloidalen Teilchen mit Grossen von 20 bis 80 πιμ hergestellt
sind, mit entsprechenden stationären flüssigen Phasen überzieht.
Diese Teilchen können auch mit Ionenaustauschern umgesetzt werden, um Träger für die Ionenaustauschchromatographie
zu erhalten. Sie können mit Reagenzien zu chromatographischen
Füllungen mit chemisch gebundenen stationären Phasen umgesetzt werden. Hochgradig wirksame gas-flüssig- und gas-fest-chromatographische
Trennungen können mit Mikrokugeln mit Durchmessern im Bereich von 50 b.'.., 150 μ durchgeführt werden, die aus
kolloidalen Teilchen mit Grossen von 50 bis 200 ταμ hergestellt
werden. Der Bereich wertvoller Mikroteilchendurchinesser
erstreckt sich daher von etwa 0,5 bis 500 μ.
Da die aus einer jeden Grosse von kolloidalen Teilchen hergestellten
Mikrokugeln eine vollständig poröse Struktur mit enger Porengrössenverteilung haben, kann man durch Variieren
der Grosse der kolloidalen Teilchen Mikrokugeln mit einem bestimmten
Bereich von verhältnismässig homogenen Porengrössen herstellen. Mikrokugeln aus Siliciumdioxid mit Poren von bekannter
Abmessung können für Schnelltrennungen durch Exklusionschromätographie
(Geldiffusion und Gelfiltration) durchgeführt werden, die auf der unterschiedlichen Wanderung der
Moleküle auf Grund der Molekülgrösse und des Molekulargewichts beruhen. Die kleine Teilchengrösse begünstigt einen
schnellen Massenübergang, so dass man mit viel höheren als normalen Trägergeschwindigkeiten arbeiten und trotzdem noch
ein Gleichgewicht in der diffusionsgesteuerten Wechselwirkung
aufrechterhalten kann, die zwischen den Poren in der vollständig porösen Struktur stattfindet. Die festigkeit und
Starrheit der Mikrokugeln ermöglicht die Anwendung sehr hoher Drücke (mindestens bis 420 kg/cm ) ohne Zerfall oder Verformung der Teilchen. Die kugelförmige Natur der Teilchen ermög-
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licht das Pullen von Säulen mit einer grösseren Anzahl von
theoretischen Böden, was von "besonderer Bedeutung für die
Trennung kleiner Moleküle ist. Yon vorrangiger Bedeutung bei der Exklusionschromatographie ist das innere Volumen der für
die Trennung verwendeten Teilchen. Das Porenvolumen in den Mikrokugeln ist verhältnismässig hoch, gewöhnlich 50 bis 65 i°
(bestimmt durch Stickstoffadsorption nach der B.E.T.-Methode)
und hängt von der Porengrösse ab, die derjenigen Porengrösse vergleichbar ist, wie sie bei den in grossem Umfange für die
Exklusionschromatographie verwendeten porösen Gläsern und porösen organischen Gelen vorkommt.
Es lässt sich voraussagen, dass die Mikrokugeln aus Siliciumdioxid
sich für Gelfiltrationstrennungen in wässrigen Systemen eignen und besonders wertvoll für die Trennung kleiner
polarer Moleküle sein werden. Mikrokugeln mit Poren im Bereich von 50 bis 2500 2. sollten die exklusionschromatographisehe
Trennung vieler verschiedener Verbindungen sowohl in wässrigen als auch in nicht-wässrigen Systemen mit hoher Geschwindigkeit
ermöglichen.
Einer der Paktoren, die den Wirkungsgrad der Säule beeinflussen, ist die füllung der Säule oder die Struktur, die die Auflösezone
darstellt. Die Mikroteilchen gemäss der Erfindung
haben in dieser Beziehung einen eindeutigen Vorteil, weil jehre
Kugelform und gleichmässige Grosse zu der Leichtigkeit beiträgt, mit der sie sich unter Bildung eines dichten Bettes
einfüllen lassen. Das üblichste Püllverfahren ist das Trockenfüllen.
Die Leistung der Säule kann aber bedeutend verbessert werden, wenn die Säule beim Trockenfüllen in senkrechter Richtung
mit gesteuerter Frequenz bewegt wird, während das Trokkenfüllmaterial der Säule mit konstanter Geschwindigkeit zugeführt
wird.
Das Trockenfüllen wird schwierig, wenn die Teilchen Durchmesser von weniger als 20 μ haben. Bei solchen Teilchen ist eine
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IPD-15 4l I.
andere Methode, nämlich das Hoehdruckschlaminfüllen, mit Erfolg
angewandt worden. Die gleiehmässigen porösen Siliciumdioxid-Mikrokugeln
gemäss der Erfindung lassen sich, leicht
durch Hochdruckschlammfüllen in Säulen einbringen, nachdem
man eine stabile wässrige Suspension hergestellt hat. Diese Suspension erhält man durch Ultraschallmischen der Füllung in
entgaster, 0,001-molarer Ammoniumhydroxidlösung. Durch das
adsorbierte IJH.+ erhält jedes Teilchen eine positive Ladung,
so dass sieh die Teilchen gegenseitig abstossen und die Aufschlämmung unter minimaler Aggregatbildung stabilisiert wird.
Diese Methode arbeitet besonders gut bei Yerwendung der vollständig
porösen Siliciumdioxid-Mikrokugeln gemäss der Erfindung, weil sie eine gleichmässige Teilchengrösse haben. Der
mit Ammoniak stabilisierte Schlamm wird schnell in der übli- »
chen Weise unter einem Druck von 420 kg/cm in leere Säulen
gepumpt. Das Wasser wird aus der Füllung entfernt, indem man
absolutes Methanol hindurchpumpt. Dann wird die Füllung mit
dem für die ehromatographische Trennung zu verwendenden Lösungsmittel
oder System aus Lösungsmittel und stationärer
Phase ins Gleichgewicht gebracht. Für die Flüssig-fest-Chromatographie
werden die mit Methanol behandelten Mikrokugeln z.B. mit zur Hälfte mit Wasser gesättigtem Ither konditioniert, um
den Wassergehalt in der Struktur einzuregeln. Ghromatographische Säulen, die mit diesem durch Ammoniak stabilisierten
Schlamm gefüllt sind, haben sieh als reproduzierbar nicht nur hinsichtlich ihres Wirkungsgrades, sondern auch hinsichtlich
der Beibehaltung ihrer Selektivität erwiesen. Solche Säulen sind stabil und können offenbar bei Drücken von mindestens
420 kg/em eingesetzt werden.
Infolge, der Kugelform und des engen Teilchengrössenbereichs
haben mit Mikrokugeln beschickte Säulen eine verhältnismässig
hohe spezifische Permeabilität K°, wie die nachstehende Wergleichstabelle
I zeigt.
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30 9 8 42/097 1
Teilchen- K0 Art der Füllung ■ grösse, μ cm^ x 10
Teilchen mit poröser Oberfläche <37 2,2
("Zipax" der E.I. du Pont de
Hemours and Comp.)
Hemours and Comp.)
Diatomeenerde, Kieselgur 5-15 0,20
Siliciumdioxidgel 5-10 0,092
poröse Silieiumdioxid-Mikrokugeln . 8-9 0,16
poröse Silieiumdioxid-Mikrokugeln 5-6 0,077
Die porösen Silieiumdioxid-Mikrokugeln von engem Teilchengrössenbereich
haben eine höhere Permeabilität (einen geringeren Strömungswiderstand) als unregelmässig geformte Teilchen
aus Siliciumdioxidgel und aus Diatomeenerde von der gleichen Grösse, aber mit weiterem Teilehengrössenbereieh. Der Druckbedarf
von mit Mikrokugeln gefüllten Säulen ist so niedrig, dass die meisten, in der neuzeitlichen Flussigkeitsehromatographie
üblicherweise verwendeten Pumpen eingesetzt werden können. Mit Mikrokugeln mit Teilchengrössen von 5 bis 6 μ gefüllte
Säulen von 1 m Länge können bei Drücken von nur 168 kg/cm mit Trägergesehwindigkeiten von 0,5 cm/see betrieben
werden. Eine solche Säule würde mehr als 20 000 effektive Böden aufweisen, was sehr schwierige Trennungen ermöglichen
sollte»
Ein bedeutungsvolleres Maß für die Säulenleistung ist der von L.R. Snyder in "Gas Chromatography 1970", herausgegeben von
The Institute of Petroleum, Seite 81, vorgeschlagene leistungsfaktor.
Dieser Leistungsfaktor ist gleich
(K/0,5) ά /D,
worin K die Permeabilität der Säule, <\ die Tiscosität des Trägers
bedeutet und D aus der Gleichung H = Dvn berechnet wird,
worin ν die Trägergeschwindigkeit, H die Bodenhöhe, D eine Säulenkonstante und η ein Exponent ist. Im Tabelle II werden
- 13 -
309842/0971
IPD-15
die effektiven Böden je Sekunde mit den Leistungsfaktoren, für
verschiedene Säulenfüllungen verglichen.
Art der Füllung
"Zipax" (siehe oben) Silieiumdiöxidgel
Diatomeenerde, Kieselgur
Diatomeenerde, Kieselgur
poröse Siliciumdioxid-Mikrokugeln
poröse Siliciumdioxid-Mikrokugeln
Teilchengrösse, μ
<37-5-10
5-15
8-9
5-6
Effektive
Böden je
Sekunde --
Böden je
Sekunde --
10
.15
.15
14
23
23
leistungsfaktor
37 28 16
126 170
Je höher der Leistungsfaktor ist, desto besser ist das Trennvermögen
der Säule. Aus der obigen Tabelle ist ersichtlich, dass die porösen Siliciumdioxid-Mikrokugeln gemäss der Erfindung
beim Vergleich mit den bisher bekannten Füllungen recht günstig abschneiden.
Die Durchführung der Erfindung und die dadurch erzielten Vorteile
werden durch die folgenden Beispiele erläutert.
Plüssig-flüssig-Chromatographie wird mit hoher Geschwindigkeit
mit einem Füllmaterial aus Mikroteilchen mit Durchmessern τοη
5 bis 6 μ und einem mittleren Porendurchmesser von 350 £ durchgeführt.
Diese Teilchen werden folgendermassen hergestellt: Ein im wesentlichen von Natrium freies Sol von 50 ΐημ grossen Siliciumdioxidteilchen
wird nach der USA-Patentschrift 2 680 721 durch Entmineralisieren eines technischen Kieselsäuresols ("Ludox-HS"),
das Teilchen von etwa 14 ιημ Durchmesser enthält und auf
21 Gewichtsprozent SXO2 verdünnt worden ist, und anschliessen-
- 14 -
309842/G-971
des Erhitzen des Sols im Autoklaven auf 325' C unter autogenem
Druck für einen Zeitraum von vier Stunden, um die Teilchen "bis auf Durchmesser von 50 ΐημ wachsen zu'lassen, hergestellt.
25 ml dieses Sols mit Teilchen von 50 ΐημ Grosse, die 16,7 g
SiO2 enthalten, werden mit Wasser auf 100 ml verdünnt, und
der pH-Wert wird unter schnellem Kühren mit konzentrierter Salzsäure auf 2 eingestellt. Dann setzt man 15g Harnstoff zu
und rührt, bis der Harnstoff in Lösung gegangen ist. Schliesslieh.
versetzt man die Lösung mit 25 g 37-prozentiger wässriger lormaldehydlösung und stellt den pH-Wert durch Zusatz von
weiterer konzentrierter Salzsäure wieder auf 2 ein, wobei man das Gemisch schnell rührt. Dann wird das Rühren unterbrochen,
und man lässt die Lösung 2 Stunden bei Raumtemperatur stehen.
Innerhalb weniger Minuten wird das Gemisch infolge der Bildung von kuegelf örmigen Teilehen aus einer Komplexverbindung
von Siliciumdioxid und Harnstoff-Formaldehydpolymerisat weiss und undurchsichtig. Nach 2-stündiger Alterung wird das Gemisch
1,5 Minuten mit hoher Geschwindigkeit in einem Mischer gerührt, um die kugelförmigen Teilchen zu dispergieren, und dann
lässt man 16 Stunden absitzen, worauf sich am Boden des Gefässes
ein weisser Feststoffkuchen angesammelt hat. Die klare
wässrige überstehende Flüssigkeit wird verworfen. Der weisse Kuchen wird in 250 ml Wasser aufgeschlämmt, wieder absitzen
gelassen, die überstehende Flüssigkeit abgegossen und der Kuchen wiederum in Wasser aufgeschlämmt. Dies wird viermal wiederholt.
Das gewaschene Produkt in Form eines nassen, abgesetzten Kuchens wird 16 Stunden im Vakuum bei 60° C getrocknet.
!Dieses Produkt ist ein Pulver aus Mikroteilchen, die aus 5G ΐημ grossen Siliciumdioxidteilchen in einem Harnstoff-Formaldehydpolymerisat
bestehen. Die Teilchen haben einen mittleren Durchmesser von 5 μ. Die chemische Analyse des im
Vakuum getrockneten Produkts ergibt 3,8 ft Wasserstoff, 17,2 $
Kohlenstoff, 19,1 ft Stickstoff und 49 ft Asche, die aus Siliciumdioxid
besteht.
" 15 " 309842/0971
Das im Vakuum getrocknete Material wird dann im Luftöfen auf
550° C erhitzt, wobei man die Temperatur langsam erhöht, um
das organische Material abzubrennen* Dabei färbt sich das
Pulver durch die Wärmezersetzung schwarz; später, wenn das
kohlenstoffhaltige Material oxydiert wird, wird es aber wieder
weiss, und es hinterbleiben 15*4 g Produkt*
Diese besonderen Mikrokugelii werden wegen ihrer verhältnismäs*-
sig grossen Poren ausgewählt, weil gelöste Moleküle leichten
Zugang zu der stationären Phase in der gesamten porösen Struktur
haben, !fach der oben beschriebenen HoehdrucksGhlaminfullmethode
wird eine Säule aus rostfreiem Stahl von 250 mm Länge
und 3,2 mm lichter Weite gefüllt» Die porösen Teilchen in der
Säule werden dann nach einem "in situ"-Verfahren mit ß,ß*-Gxyaipropionitril
gefüllt. Nach dieser Behandlung enthält die
Säule 30 Gewichtsprozent stationäre Flüssigkeit.
Mg. 3 zeigt eine hochgradig wirksame Zerlegung eines Gemisches aus aromatischen .Hydroxyverbindungen mit Hilfe einer mit
Mifcrokugeln gefüllten Säule. Der Träger ist Hexan, der Druck
ρ
beträgt 42 kg/cm und die Strömungsgegchwindigkeit 1,0 ml/min. Die Zerlegung erfolgt bei einer Temperatur von 27° Ö mit 4 μΐ Lösung. Der letzte Kurvengipfel (2-Phenyiäthanol; fc' = 12) zeigt 6600 'theoretische Böden (I) oder eine Bodenhöhe (H) von 0,038 mm bei einer Trägergeschwindigkeit von 0y44 cm/sec. Zum Betrieb der Kolonne bei dieser Strömungsgeschwindigkeit ist nur ein verhältnismässig niedriger Druck erforderlich. Bei einer Trägergeschwindigkeit von 3,3 cm/sec (350 kg/dm , Strö-TZ.
beträgt 42 kg/cm und die Strömungsgegchwindigkeit 1,0 ml/min. Die Zerlegung erfolgt bei einer Temperatur von 27° Ö mit 4 μΐ Lösung. Der letzte Kurvengipfel (2-Phenyiäthanol; fc' = 12) zeigt 6600 'theoretische Böden (I) oder eine Bodenhöhe (H) von 0,038 mm bei einer Trägergeschwindigkeit von 0y44 cm/sec. Zum Betrieb der Kolonne bei dieser Strömungsgeschwindigkeit ist nur ein verhältnismässig niedriger Druck erforderlich. Bei einer Trägergeschwindigkeit von 3,3 cm/sec (350 kg/dm , Strö-TZ.
mung 7,7 cw*/min) wird dieser letzte Kurvengipfel in 73 Sekunden
mit einer Bodenhöhe von 0,11 mm und 23 U ff/t (effektiven
Böden/sec) eluiert. .
B e i s ρ i e 1 2
Plüssig-fest-chromatographische Trennungen von hoher Geschwin
digkeit werden mit Siliciumdioxid-Mikrokugeln von 8 bis 9 μ durchgeführt, die nach dem Verfahren des Beispiels 1 aus Teil
- 16 - ■
309842/0971
2117455
IPD-15 A\
chen mit einem mittleren Durchmesser von 5 ταμ hergestellt worden
sind. Diese Teilchen haben Poren von etwa 75 A und eine durch Stickstoffadsorption "bestimmte spezifische Oberfläche
von 350 m /g. Pig. 4 zeigt eine hochgradig wirksame Zerlegung
eines Gemisches von aromatischen Hydroxyverbindungen mit einer Säule und unter Bedingungen ähnlich denjenigen des Bei-
spiels 1, mit dem Unterschied, dass der Druck 140 kg/cm , die
Temperatur 27° C, die Strömungsgeschwindigkeit 10,5 ml/min beträgt und als Trägerflüssigkeit Dichlormethan (zur Hälfte
mit Wasser gesättigt) verwendet wird.
Bei diesem Arbeitsgang werden sieben Hauptverbindungen in etwa 65 Sekunden aufgelöst, und der letzte Kurvengipfel für
3-Phenyl-1-äthanol (Kapazitätsfaktor k1 *= 10) zeigt, den Wert
von 825 effektiven Böden oder 15 effektiven Böden je Sekunde
(N~p/t) bei einer Trägergeschwindigkeit von 4,7 cm/sec. Bei
einer Trägergeschwindigkeit von 9,5 cm/sec (280 kg/cm ) weist diese Säule 18 bzw. 24 effektive Böden/sec für 3-Phenyläthanol
bzw. Benzhydrol (kf -~ 4) auf.
Eine Exklusionstrennung wird mit hoher Geschwindigkeit mit
Hilfe von 5 "bis 6 μ grossen Teilchen mit Poren von etwa 350 £
durchgeführt. Diese Teilchen werden aus kleinen Teilchen mit einem mittleren Durchmesser von 50 ΐημ nach dem Verfahren des
Beispiels 1 hergestellt. Mg. 5 zeigt drei Polystyrolfraktionen (Molekulargewicht 2030, 51 000 bzw. 411 000), die in
etwa 38 Sekunden im wesentlichen bis zur Grundlinie mit einer 250 mm langen und 2,1 mm weiten Säule getrennt worden sind,
die <0,5 g Füllung enthält. Als Trägerflüssigkeit verwendet man Tetrahydrofuran bei einer Temperatur von 60° G, einem
Druck von 114 kg/cm und einer Strömungsgeschwindigkeit von
1,0 ml/min. Eine solche Trennung von Polystyrolfraktionen ist aussergewöhnlieh.
- 17 -
309842/0971
Claims (1)
- E.I. du Pont de Nemoursand Company IPD-15Patent ans pruchChromatographisches Füllmaterial,-"bestehend aus einem Pulver aus porösen Mikrokugeln, deren Oberfläche aus einem hitzebeständigen Metalloxid besteht, dadurch gekennzeichnet, dass (a) praktisch alle Mikrokugeln einen Durchmesser im Bereich von etwa dem 0,5- bis 1,5-fachen des mittleren Durchmessers der Mikrokugeln in dem Pulver aufweisen, (Td) die Mikrokugeln aus vielen gleichmässig grossen kolloidalen Teilchen zusammengesetzt sind, die in Form eines dreidimensionalen Gerüsts miteinander verbunden sind, und (c) die kolloidalen Teilchen weniger als 50 <fo des Volumens der Mikrokugeln einnehmen, während der Rest des Volumens aus untereinander verbundenen Poren von gleichmässiger Porengrössenverteilung besteht.- 18 -309842/0971
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Date | Code | Title | Description |
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C3 | Grant after two publication steps (3rd publication) | ||
E77 | Valid patent as to the heymanns-index 1977 |