主题:【原创】新手入门-色谱基础理论7:速率理论

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皮皮鱼
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如前所述,根据塔板理论,分离度R与载气流速应该完全没有关系。但事实上载气流速对分离度的影响很大,过高或过低的载气流速严重影响色谱峰的分离。因此,在1942年Martin和Synge发表塔板理论论文,1952年获得诺贝尔化学奖之后,很快研究人员对此提出了疑问,并指出了塔板理论四个假设的不足。

让我们在这里重温并分析这四条假设:

1、在柱内一小段长度H内,组分可以在两相间迅速达到平衡。这一小段柱长称为理论塔板高度H。
显然,达到平衡的传质过程是需要时间的,不可能在零时间达到平衡。为了缩短这个平衡时间,我们在选择固定液的时候,一个最主要的要求就是粘度小。粘度小可以带来低的传质阻力,当然同时也有助于固定液的图渍和色谱柱装填。

2、流动相(如载气)进入色谱柱不是连续进行的,而是脉动式,每次进气为一个塔板体积(ΔVm)。
这条假设显然并不成立,但据此分析,为理论推导提供了可能。

3、所有组分开始时存在于第0号塔板上,而且试样沿轴(纵)向扩散可忽略。
显然,气相色谱纵向扩散是不可忽视的,因为气体分子热运动是很剧烈的。

4、分配系数在所有塔板上是常数,与组分在某一塔板上的量无关。
在高浓度下,溶质分子在溶剂中所占比例大到不能忽视的时候,会改变溶液的性质,从而不能保持稳定的分配系数K。同时,高浓度下溶质可能透过溶剂(固定液)与担体发生相互作用,从而发生深度吸附。对固体固定相而言,更容易发生饱和吸附。

1956年,荷兰人Van Deemter针对塔板理论的这些不足,经过严格的计算,提出了速率理论。主要分析了传质和扩散两方面因素,造成载气流速u对理论塔板高度H的影响。

由于推导过程如此麻烦和深奥,我们放弃其推导过程,这里仅仅给出结论:

这个公式说明,色谱柱的理论塔板高度并不是固定不变的,而是随着载气流速的变化而变化的。这种变化情况,将受到三方面的影响,即:涡流扩散项、分子扩散项 和 传质阻力项。
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皮皮鱼
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事实上,后人的很多研究指出三个影响因素的系数ABC并不是常数。但由于变化很小,在我们这个层面,把他们完全当作是一个常数来看。这里我们分别对这三项进行分析:

1、涡流扩散项A
本项与载气流速无关。
当两个人在同一地点同时出发以相同的速度向前走时,如果没有遇到阻碍,将保持平行。但如果一个人遇到一个障碍物,他将不得不绕开障碍物,落后于没有遇到障碍物的另一个人。显然,他们因此而拉开的距离,仅仅与障碍物的大小有关,与他们前进的速度无关。
组分分子在色谱柱中运动时,情形与此相同。而障碍物,就是担体颗粒。因此,毛细管柱因为没有担体颗粒而避免了这一问题,A=0。由于这一问题是色谱峰展宽、柱效率下降、理论塔板高度H增大的主要原因,毛细管柱因此具有比填充柱小的多的理论踏板高度H。

2、分子扩散项B/u
气体分子是不停运动的,因此在色谱柱内必然发生纵向扩散导致色谱峰展宽,从而造成分离度下降,H增加。这一扩散与扩散速度和扩散时间成正比。由于扩散速度由温度决定,扩散时间由组分在色谱柱内的停留时间决定,因此在固定的柱箱温度、固定色谱柱长度下,纵向扩散与载气流速成反比。即速度越快,停留时间就越短,纵向扩散就越小。

3、传质阻力项Cu
两个人同时向前走,其中一个人因为陷入泥坑而耽误了时间,必然造成他落后于另一个人。组分分子在色谱柱内的情形也与此相似。按照塔板理论,默认这个人陷入泥坑再出来的时间为0,即两相迅速达到平衡。但这是需要一定时间的。两个人因此而产生的距离与两方面因素有关,即两个人走路的速度和在泥坑中花费的时间。花费的时间由色谱柱和载气决定,因此是一个常数,所以因此拉开的距离与载气运动速度u成正比。
陷入泥坑的时间,即传质阻力,包括三方面:气相传质阻力,液相传质阻力,接界阻力。由于游泳的速度明显小于跑步速度,即液相传质阻力在三者中占据了主要地位,因此液相传质阻力的影响是最明显的。因此厚液膜的色谱柱,理论踏板高度H更大。薄液膜有利于提高柱效率。
longjian0315
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支持一下,楼主幸苦了。

yuen72老师比喻的非常形象,看的不累。

yuen72老师能不能推荐一本气象色谱讲的比较精彩的书呢?
happy水中月
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原文由 nemoium 发表:
支持一下,楼主幸苦了。

yuen72老师比喻的非常形象,看的不累。

yuen72老师能不能推荐一本气象色谱讲的比较精彩的书呢?

跟着yuen72老师学习,不懂就问,比哪一本书都方便
aayanchao
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沙漠之舟
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原文由 lianlxh 发表:

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那倒是。

我想问问,yuen72老师。塔板理论和速率理论,都是现在用的比较多的理论。

那他们分别在什么情况下应用呢?

谢谢yuen72老师。
皮皮鱼
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速度方程、塔板理论和速率理论 三个理论,应该看成是一个有机的整体。主要用于解决固定相选择、分离条件优化等有关色谱柱的问题。因为这些理论只涉及了色谱柱,对进样口、检测器、数据处理、温度压力控制基本没有涉及。

在另一篇回答里,我解释了色谱峰展宽的因素,包括柱内和柱外两方面。这些理论只能解释柱内因素,柱外因素很难用这些理论解释。可以解释的这些柱内因素包括:载气流速,保留时间,增加柱效,等等。

有些因素可以利用自身对这些理论的理解和修正来解释。
例如:厚液膜柱子经常表现的比薄液膜柱效更高;大进样量会造成峰展宽和峰拖尾。

另外一些因素则只能用其他部件的理论和原理来解释。
例如:尾吹气流不给,会造成峰拖尾和展宽。


色谱学习是一个循序渐进的过程。第一次学习总是一知半解,然后重新回头学习,忽然发觉前面讲授的内容竟然可以用后面讲授的知识来解释,于是理解加深了,再看到后面忽然又发现原来不明白的,因为前面理解了而理解了。就这样多次学习会不断有新体会。
其实这个也可以理解:色谱知识是一门多学科知识组成的复杂网络知识群,书本的一条线讲授总是很难遍及全貌。为了书的可读性,却必须坚持一个主线,其他枝杈只能涉及但不深入。第一次学习对枝杈也就无法深入理解。但多次学习后,会对整个网络有了进一步的了解,看到这些枝杈的时候就能够按照自己理解的网络自动连接一个新的线(思路),于是理解就加深了。

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其次如化验员读本中色谱部分,或者薄一点的色谱通论类专著。这一部分涉及较多,对仪器组成部件的介绍多了一些,对色谱总体把控上开始有了可能。许国旺老师的《现代实用气相色谱法》我个人觉得不错。
最后读色谱方面专项性的读物,例如故障分析和排除,色谱检测器,色谱在环境分析的应用,色谱数据的处理等等。这里《色谱技术丛书(第二版)》我觉得很不错。

对了,最重要的一点:色谱是一门应用科学。因此只有在实践中不断印证知识,才能更深入了解。在不断解决问题的过程中,不断用理论去解决问题,色谱水平提升很快。死学书本是没用的。
往往外
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非常感谢老师的指导、
有个问题不解。
讲课中你说到“厚液膜的柱子,理论塔板高度大”
那么后面怎么会出现了。
厚液膜的柱子经常表现的比薄液膜的柱子柱效要高呢!

因为我这方面的经验比较少。理论的知识我能理解。
但是后面的那个常识该怎么解释?
谢老师指点
~
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