1/9/2008

Cromatografia del Gas Natural

INTRODUCCION

La presente investigación tiene como finalidad investigar los términos básicos de la cromatografía, como lo son los soportes utilizados en la cromatografía y la columna cromatográfica, asimismo desarrollar puntos acerca de los detectores y algunos tipos de cromatografía como la de capa fina y la cromatografía liquida de alta resolución.

Todos estos conceptos son de una alta importancia ya que la cromatografía ayuda al ingeniero de gas a conocer mediante el cromatógrafo, las características de una muestra de gas natural.

JUSTIFICACION

Este informe tiene como objetivo adquirir los conocimientos necesarios acerca de algunos tipos de cromatografía y generalidades acerca de conceptos que deben ser conocidos como son los detectores y la columna cromatográfica, además de dar a conocer conceptos básicos como lo son tiempo muerto, tiempo de retención entre otros.

1.- SOPORTES SÓLIDOS.

La función básica del soporte es la de "mantener" (sostener, retener) la fase estacionaria. Idealmente debería ser un material inerte que "mantiene" la fase estacionaria sobre su superficie como una película delgada.

La mayoría de los soportes cromatográficos está hecha de distomita. Químicamente es casi todo sílice, con algunas impurezas. También se conoce como Tierras Diatomáceas ó Kiselguhr (palabra alemana). Domina el campo de los soportes debido a su estructura, superficie y disponibilidad.

Hay que tener en cuenta dos cosas a la hora de escoger un soporte:

* La Estructura, ó Características Físicas (contribuye a la eficiencia de la columna cromatográfica): Tamaño de partícula, Diámetro del poro, Densidad, Área Superficial.

* La Química de Superficie ó Características Superficiales (gobierna la participación del soporte en los resultados de la separación): Grupos silanoles activos, Iones metálicos.

Además de las características anteriores, la selección del soporte va a depender también de: la naturaleza de la muestra

* la naturaleza de la Fase Líquida

* el uso que se le va a dar a la columna: General, Específico

* Precio

Podemos resumir que un buen soporte debe reunir las siguientes características:

* Elevada Superficie por unidad de volumen

* Estabilidad Térmica

* Dureza mecánica suficiente para que pueda resistir los procedimientos de revestimientos y relleno

* Inactividad química o de adsorción

* Baja resistencia al paso de la fase móvil

La eliminación ó reducción de los sitios activos de adsorción (también conocido como Desactivación de la Superficie) de un soporte cromatográfico puede efectuarse de varias maneras:

* Remoción por lavado con ácido (NAW ó AW)

* Eliminación ó Remoción por reacción del Grupo Silanol

* Saturación de la superficie con una fase líquida

* Impregnando ó recubriendo con material sólido inerte

2.- COMPUESTOS TERMOLÁBILES.

Los compuestos que se descomponen rápidamente sobre superficies metálicas calientes son llamados “termolábiles”.

3.- ECUACIÓN DE VAN DEEMTER

La aproximación matemática al comportamiento de las columnas cromatográficas empezó con los estudios, en los años cincuenta, de los ingenieros químicos holandeses y que condujeron a la ecuación de Van Deemter, la cual puede escribirse de la siguiente forma:

Donde H es la altura de plato, en centímetros, y u es la velocidad lineal de la fase móvil, en centímetros por segundo, y A, B y C son los coeficientes, que se relacionan respectivamente con los fenómenos de los caminos múltiples de flujo, la difusión longitudinal y la transferencia de masa entre las fases. Como aparece en la expresión de la derecha, el coeficiente C puede desdoblarse en dos coeficientes, uno relacionado con la fase estacionaria (CS) y el otro relacionado con la fase móvil (CM).

* Aplicación

La principal aplicación de la Ecuación de Van Deemter es describir los efectos de ciertas variables sobre las alturas de plato de diversos tipos de columnas.

* Uso de Las Constantes

Término del camino múltiple (A). El ensanchamiento por camino múltiple puede ser compensado parcialmente por la difusión ordinaria, lo que tiene como consecuencia la transferencia de las moléculas de una corriente de flujo que sigue un determinado camino a otra corriente de flujo que sigue otro diferente. Si la velocidad del flujo es muy pequeña tiene lugar un gran número de transferencias y cada molécula en su desplazamiento descendente en la columna prueba numerosos caminos de flujo empleando en cada uno un tiempo breve. Por tanto, la velocidad a la que cada molécula desciende por la columna tiende a aproximarse a la media. Así, con velocidades pequeñas de la fase móvil, las moléculas no se dispersan apreciablemente por el camino múltiple natural del relleno.

El término de la difusión longitudinal (B/u). La difusión longitudinal en la cromatografía en columna es una causa del ensanchamiento de banda por la que los solutos difunden desde la zona central donde es mayor la concentración hacia las regiones mas diluidas situadas por delante y detrás del centro de la banda, es decir, en el mismo sentido y en el opuesto al flujo de la fase móvil. La contribución de la difusión longitudinal resulta ser inversamente proporcional a la velocidad de la fase móvil. Esta relación no es sorprendente si se considera que, cuanto más alto es el caudal, más breve es el período de tiempo que el analito reside en la columna. Así, la difusión desde el centro de la banda hacia los extremos tiene menos tiempo para poder producirse. Obsérvese que el efecto es mucho menos pronunciado en la cromatografía de líquidos, debido a que los coeficientes de difusión en líquidos son algunos órdenes de magnitud menores que los correspondientes en los gases.

Los coeficientes de transferencia de masa (CS y CM). El ensanchamiento de banda por los efectos de transferencia de masa se debe a que tanto las muchas corrientes de flujo que tiene la fase móvil en el interior de la columna, como también la capa que constituye la fase estacionaria, poseen un ancho determinado. Como consecuencia de ello, se requiere un tiempo para que las moléculas de analito difundan desde el interior de esas fases hacia la interfase donde se produce la transferencia entre ambas. La existencia de este lapso de tiempo explica que se mantengan a lo largo de toda la columna condiciones lejanas a las del equilibrio. Si las velocidades de transferencia de masa dentro de las dos fases fuesen infinitas, no ocurriría este tipo de ensanchamiento.

Obsérvese qué los ensanchamientos tanto longitudinal como de transferencia de masa dependen de la velocidad de difusión de las moléculas de analito, pero que la dirección de la difusión es distinta en los dos casos. El ensanchamiento longitudinal se presenta por la tendencia que tienen las moléculas a moverse en direcciones que tienden a ser paralelas al flujo, mientras que en el ensanchamiento por transferencia de masa se debe a la difusión que tiende a ocurrir perpendicularmente a la dirección del flujo. Por ello, la extensión del ensanchamiento longitudinal resulta estar inversamente relacionado con el caudal. Por el contrario, en relación con el ensanchamiento por transferencia de masa, cuanto más rápidamente se mueve la fase móvil, menos tiempo hay para que se alcance el equilibrio.

El término de la transferencia de masa en la fase estacionaria (Csu). Cuando la fase estacionaria es un líquido inmovilizado, el coeficiente de transferencia de masa es proporcional a una función compleja fs(k') del factor de retención k', y es directamente proporcional al cuadrado del grosor de la película que hay sobre las partículas del soporte df2, e inversamente proporcional al coeficiente de difusión DS del soluto en la película. Las consecuencias de esta relación pueden entenderse teniendo en cuenta que estos factores influyen en la frecuencia promedio con la que las moléculas de analito alcanzan la interfase donde puede tener lugar la transferencia a la fase móvil. Por ejemplo, si la película es gruesa, las moléculas deberán recorrer por término medio más camino para llegar a la superficie, y con coeficientes de difusión menores, irán más despacio. La consecuencia de todo ello será una menor velocidad de transferencia de masa y un aumento de la altura de plato.

El término de la transferencia de masa en la fase móvil (CMu). El coeficiente de transferencia de masa en la fase móvil CM es una función compleja f (k') del factor de retención k', y es directamente proporcional al cuadrado del diámetro de partícula del relleno dp2, y es inversamente proporcional al coeficiente de difusión en la fase móvil DM.

4.- EFICIENCIA DE LA COLUMNA.

La Eficiencia de una Columna es la capacidad de la misma para realizar un trabajo de la manera más rápida y eficiente, esta efectividad se ve afectada por factores como:

El diámetro interno de la columna: afecta directamente su eficiencia. A menor diámetro, mayor eficiencia y resolución sin embargo, aumenta el coeficiente de partición k, aumenta el tiempo de retención y el tiempo de análisis se puede aumentar entonces sin problemas el gasto con prácticamente nula pérdida de eficiencia.

El incremento de la longitud de la columna: incrementa el número de platos teóricos, y así la resolución sin embargo esto implica un aumento de presión en la columna y del tiempo de análisis resolución directamente proporcional al cuadrado de la longitud de la columna tiempo de retención directamente proporcional a la longitud de la columna (análisis isotérmico) la longitud óptima será la más corta que permita una adecuada eficiencia.

Se requiere una temperatura que permita que los componentes se encuentren vaporizados a menor temperatura mejor resolución, pero mayo tiempo de retención. A mayores temperatura menor resolución y se puede degradar la fase estacionaria o bien la muestra se puede realizar una variación controlada de la temperatura para mejorar los resultados del análisis cromatográfico. Se pueden variar los parámetros de control para mejor los resultados.

5.- DIFERENCIAS ENTRE WCOT Y SCOT.

Las WCOT son simplemente tubos capilares donde la pared interna se ha recubierto con una finísima capa de fase estacionaria. Las columnas SCOT tienen en su parte interna una fina capa de material adsorbente como el empleado en las columnas de relleno (tierra de diatomeas) donde se ha adherido la fase estacionaria. Las ventajas de las SCOT frente a las WCOT es la mayor capacidad de carga de esta última, ya que en su fabricación se emplean mayores cantidades de fase estacionaria, al ser la superficie de intercambio mayor. Por orden de eficacia, en primer lugar están las WCOT, luego las SCOT y por último las columnas de relleno.

6.- TIEMPO DE RETENCIÓN.

El tiempo que transcurre después de la inyección de la muestra hasta que el pico de concentración del analito alcanza el detector se denomina tiempo de retención y se le da el símbolo tR.

7.- TIEMPO MUERTO.

Es el tiempo necesario para que, por término medio, una molécula de la fase móvil pase a través de la columna. Es también el tiempo t, necesario para que la especie no retenida alcance el detector.

8.- RESPUESTA DEL DETECTOR.

Hay dos maneras de definir respuesta del detector, como salida del detector (generalmente en el milivoltio) por cambio de unidad en la concentración del solute o como la salida del detector por cambio de unidad en las unidades de la medida del detector (e.g. la sensibilidad de un detector de la conductividad sería definida en términos de detector hecho salir por cambio de unidad en conductividad eléctrica). La respuesta del detector (RD) es determinada inyectando una masa sabida (m) sobre la columna y midiendo la altura máxima (h) adentro (el milivoltio), entonces,

9.- RESOLUCIÓN Y FACTOR DE CAPACIDAD.

La resolución entre dos sustancias es la proporción entre la diferencia de las distancias de migración y el promedio de los anchos de las bandas y esta definida como:

O, si el ancho de los picos fuesen próximos,

El Factor de Capacidad es un parámetro (k´) que se utiliza para describir las velocidades de migración de los analitos en las columnas y se interpreta considerando que mientras mayor sea el valor de este factor menor es la velocidad de migración de los solutos en la columna. Para una especie A, el factor de capacidad k'A se define como:

Donde K’A es la constante de distribución, VS es el volumen de la fase estacionaria y VM es el volumen de la fase móvil.

10.- TERMODINÁMICA DE LA CROMATOGRAFÍA.

10.1.- Análisis de Energía Estándar de Distribución.

La energía estándar de la distribución (∆┌) se puede dividir en diversas piezas fuentes de cada diversas energías de representación que contribuyan al proceso del equilibrio. Hay dos modos importantes de la distribución estándar de la energía; las porciones de energía estándar se pueden asignar a los tipos específicos de interacción molecular que pueden ocurrir entre las moléculas y las dos fases (e.g. energías del solute implicadas en interacciones dispersivas, las interacciones polares y las interacciones iónicas, o las subdivisiones de estos procesos interactivos tales como complexation, vinculación “supuestos” etc. del hidrógeno); alternativamente, la molécula se puede dividir en diversas piezas o los grupos químicos (e.g., grupos metílicos, grupos del metileno, grupos fenilos etc.) y las interacciones de cada grupo asignaron una porción de la energía estándar. Debido al hecho de que es extremadamente difícil separar los diversos procesos interactivos que ocurren durante la distribución, la última distribución de la energía estándar (es decir entre los diversos grupos o átomos químicos) ha proporcionado la información más útil.

10.2.- Interacciones Entre los Átomos del Hidrogeno, Carbón, Cloruros y Bromo y una Fase Inmóvil Estacionaria.

Está claro que la energía estándar de la distribución de un soluto entre dos fases puede también estar asignada a los átomos que obran recíprocamente que proporcionan datos convenientes. Si una serie apropiada de solutos es elegida por ejemplo metanos, conteniendo diversos elementos, (Cl y Br de e.g.H,) y diversos números de átomos de cada elemento (e.g. 1, 2, 3, y 4), las medidas de la retención de la cromatografía gaseosa tomadas en diversas temperaturas, pueden rendir las entalpías y las entropías estándares para la interacción de cada elemento del sustituto con la fase estacionaria. Tales datos pueden, ayudar a aclarar la naturaleza de las interacciones y pueden diferenciar a partir de un elemento a otro e influenciar selectividad de la fase. Sin embargo, los datos termodinámicos serán solamente válidos (por lo menos hasta que más se sabe sobre interacciones mezcladas) si una clase de interacción es solamente activa. Si otras interacciones son presentes entonces estará claro que, sin la fabricación de ciertas asunciones teóricas, el número de parámetros desconocidos excede el número de las ecuaciones pertinentes que pueden ser derivadas y una solución matemática práctica no es posible. Datos divulgados de la retención de la cromatografía gaseosa para los solutos pertinentes siguientes usando el n-octadecano como la fase estacionaria y así, solamente las interacciones dispersas eran perceptiblemente activos como: Diclorometano, Cloroformo, Carbontetracloridrico, Dibromomethane, Bromoform, Carbón Tetrabromide, Chlorobromomethane, Dichlorobromomethane, Trichlorobromomethane, Dibromochloromethane, etc.

11.- CLASIFICACIÓN DE LOS DETECTORES.

El Detector es un dispositivo capaz de convertir una propiedad física, no medible directamente, en una señal elaborable y ofrecernos información sobre la naturaleza y magnitud de la propiedad física.

Estos pueden ser clasificados:

Detectores según su Grado de Selectividad:

Universales. Responde a la mayoría de los solutos que pasan por él.

Específicos ó Selectivos. Exhibe una gran respuesta a un grupo particular de substancias con un mínimo de respuesta a otras.

Detectores Destructivos y No destructivos:

Esta clasificación, obviamente, es en referencia a si la muestra es destruida o no.

Detectores según su Modo de Respuesta:

Dependientes del Flujo Másico. Producen una señal que es proporcional a la cantidad de soluto que pasa a través de él en la unidad de tiempo pero es independiente del volumen de gas portador requerido para la elución.

Dependiente de la Concentración. Dan una señal proporcional a la cantidad de soluto por unidad de volumen de gas portador que pasa a través de él.

12.- TIPOS DE DETECTORES.

* Detector de ionización de llama

Es un detector utilizado en cromatografía de gases. Es uno de los detectores más usados y versátiles. Básicamente es un quemador de hidrógeno/oxígeno, donde se mezcla el efluente de la columna (gas portador y analito) con hidrógeno. Inmediatamente, este gas mezclado se enciende mediante una chispa eléctrica, produciéndose una llama de alta temperatura. La mayoría de compuestos orgánicos al someterse a altas temperaturas pirolizan y se producen iones y electrones, que son conductores eléctricos. Este hecho se aprovecha estableciendo una diferencia de potencial de unos centenares de voltios entre la parte inferior del quemador y un electrodo colector situado por encima de la llama. La corriente generada es baja (del orden de los 10-12 A), por lo tanto debe ser amplificada mediante un amplificador de alta impedancia.

* Detector de conductividad térmica

El detector de conductividad térmica se utiliza en cromatografía de gases y es uno de los primeros utilizados. Tiene una amplia aplicación y su uso se basa en la diferencia de conductividad térmica del gas portador cuando circula también analito. Este tipo de detector se denomina también catarómetro. El sensor de un catarómetro consiste en un elemento calentado eléctricamente (resistencia). Esta resistencia, para una potencia eléctrica constante, tiene una temperatura que depende del gas circundante. La resistencia puede ser un hilo fino de platino, oro o tungsteno, o un termistor semiconductor. La diferencia básica entre los detectores de metal y el termistor semiconductor es que el segundo tiene un coeficiente de temperatura negativo, en otras palabras, que su resistencia disminuye conforme la temperatura aumenta.

* Detector termoiónico

Este detector tiene un principio de funcionamiento parecido al detector de ionización de llama: el gas de salida de la columna se mezcla con hidrógeno y se quema. Este gas pasa alrededor de una esfera de rubidio calentada eléctricamente hasta unos 600-800ºC, y mantenida a un potencial de 180 V respecto al colector, alrededor de la cual se forma un plasma. Mediante un mecanismo no muy bien establecido, se forma una gran cantidad de iones a partir de las moléculas fosforadas y nitrogenadas, y al tener un medio conductor dicha diferencia de potencial permite la aparición de una pequeña corriente eléctrica amplificable y medible. Por lo general, la intensidad de la corriente será proporcional al número de iones formados, y por tanto a la cantidad de analito.

* Detector de captura de electrones

El detector de captura de electrones es un tipo de detector utilizado en cromatografía de gases. Fue inventado por James Lovelock. Su funcionamiento básico se basa en la emisión de una partícula β (electrón) por parte de átomos como el 63Ni o tritio adsorbido sobre una placa de platino o titanio.

Este detector es muy selectivo, y es sensible a la presencia de moléculas con grupos electronegativos como halógenos, peróxidos, quinonas y grupos nitro, grupos que contienen átomos de halógeno (cloro, bromo, yodo), oxígeno y nitrógeno. Otros grupos como el alcohol, amina e hidrocarburos no dan señal.

* Detector de emisión atómica

Un detector de emisión atómica (AED) se utiliza en cromatografía de gases. Es uno de los tipos de detectores más recientes, y como su nombre indica se basa en la emisión atómica.

13.- CROMATOGRAFÍA DE CAPA FINA.

Por este método se pueden analizar mezclas de aminoácidos. La muestra para análisis se aplica por medio de un tubo capilar en la superficie de una capa fina adsorbente en forma de banda, punto o mancha y es adsorbida en la superficie por la acción de fuerzas electrostáticas (Fuerzas de Van der. Waals, puentes de hidrogeno, efectos inductivos, etc.). Los adsorbentes más utilizados son gel de silica, alumina, tierra silícea, celulosa y poliamidas. Como soportes del adsorbente se utilizan laminas o placas de vidrio, plásticas o metálicas, algunas placas tienen indicador de fluorescencia: f254 ó f366.

La placa seca se coloca en el tanque cromatográfico o cámara, en el cual debe encontrarse saturado el eluente (Fase Móvil líquida).El eluente ascenderá o desplazara por capilaridad en la placa y arrastrará los componentes a lo largo de ésta produciendo “manchas” que representan a los componentes, la separación se da por migración diferencial, es decir que la fase móvil arrastra a las substancias apolares y aquellas más polares son retenidas por la fase estacionaria dando lugar a la separación. Posteriormente se evapora el eluente y la placa se analiza por medio de métodos químicos en el que por inmersión o rociado se obtienen derivados coloreados o fluorescentes (Adición de Ninhidrina a aminas, Ácido sulfúrico para carbonizar compuestos orgánicos, etc.), o por medio de métodos físicos ópticos utilizando radiación UV o luz visible.

El análisis es de tipo cualitativo, semicuantitativo o cuantitativo. En el primero se hacen comparaciones visuales de color e intensidad y propiedades UV entre otras. En el semicuantitativo se observa diámetro y comparación visual e intensidad del color de la mancha contra manchas patrones de concentración conocida. Y en la forma cuantitativa se pueden realizar medidas de transmisión a través de la sustancia y medidas de emisión o medida de luz reflejada desde la sustancia, y espectrofotometría por fluorescencia.

14.- CROMATOGRAFÍA DE ALTA RESOLUCIÓN (HPLC).

Es una Cromatografía de alta presión es decir se aplica el flujo a presión (entre 1500 a 2200 psi). El tamaño de partícula es entre 3 y 10 micras, la longitud de la columna es entre 5 y 25 cm. y requiere de equipo sofisticado. Se pueden analizar muestras proteicas. La reducción del tiempo en que la sustancia se encuentra en el interior de la columna, limita el ensanchamiento por difusión de las bandas, aumentando por tanto la resolución.

El sistema HPLC requiere una mezcladora de solventes, un inyector, y una bomba que inyecte el líquido a la columna. Generalmente las columnas de silica requieren alta presión para que el flujo de líquido sea adecuado, la mezcladora se requiere para variar la proporción de solvente en la fase móvil y el inyector permite la aplicación de la muestra. A la salida de la columna se coloca un detector generalmente de absorción ultravioleta o de fluorescencia y si se desea recuperar las moléculas que eluyen de la columna, se requiere un colector.

En los sistemas modernos el análisis de la información obtenida se realiza mediante una computadora acoplada al equipo; lo que permite estandarizar la cromatografía, identificar la naturaleza los picos eluídos y cuantificar su contenido. Los picos se relacionan según su "tiempo de retención" con estándares, que permiten identificar los aminoácidos presentes en la mezcla. La cantidad relativa de cada uno de ellos se determina calculando el área la curva del pico correspondiente.

BIBLIOGRAFIA

http://es.wikipedia.com

http://www.textoscientificos.com

BURGET,C.A.; GREEN,L.E. and BONELLI, E.J. Chromatographic Methods in Gas Analysis. Hewlett Packard. USA. 1979

CRIPPEN, Raymond C. Identification of Organic Compounds with Aid of Gas Chromatography. Mc Graw-Hill. USA. 1973.

DABRIO,M.V. et.al. Cromatografía de Gases. Vol. I. Serie Química. Colección Exedra. Editorial Alhambra.España.1971.