Электродиализный генератор элюента для ионной хроматографии
Использование: в области ионохроматографического анализа, для приготовления элюентов. Сущность: электродиализный генератор включает резервуар источника ионов, камеру генерации элюента, имеющую входной и выходной порты, барьер в виде ионообменной мембраны, расположенной между резервуаром источника ионов и камерой генерации элюента, источник водного раствора, источник тока, обеспечивающий наложение разности потенциалов между электродами. Первый электрод расположен в резервуаре - источнике ионов, а второй - в камере генерации элюента и выполнен в виде ионообменной мембраны с нанесенным на ее поверхность пористым электронопроводящим слоем. Причем электронопроводящий слой нанесен на внешнюю по отношению к камере генерации элюента и противоположную барьеру сторону ионообменной мембраны. Технический результат заключается в устранении мешающего влияния газа в элюенте. 3 з.п. ф-лы, 4 ил.
Изобретение относится к области ионохроматографического анализа, а более конкретно к области устройств приготовления элюентов для ионной хроматографии.Одним из самых эффективных методов анализа анионных компонентов в водных растворах является ионная хроматография. В этом методе определяемые анионы пробы разделяются на аналитической колонке с использованием щелочных элюентов (растворов солей слабых кислот и сильных оснований, гидроксидов щелочных металлов и т.д.) с последующим кондуктометрическим детектированием. Несмотря на то, что растворы гидроксидов щелочных металлов являются наиболее эффективными элюентами при разделении и анализе анионов (существенно более низкий уровень фоновой проводимости аналитического сигнала после подавления, уверенно прогнозируемые элюирующие характеристики, отсутствие системных пиков на хроматограммах), их применение в настоящее время ограничено вследствие сложности приготовления чистых растворов гидроксидов и поддержания стабильных элюирующих характеристик - любой контакт элюента (при приготовлении или в процессе использования) с воздухом приводит к неконтролируемому изменению элюирующих характеристик вследствие поглощения элюентом атмосферного углекислого газа, а также увеличению фоновой проводимости элюента после подавления.Известно устройство (Гурский B.C., Годон Л.А., Тимофеев С.В. Генератор гидроксидного элюента для ионохроматографического определения анионов. Заводская лаборатория, т.63, №12, с.11, 1997) для диффузионной генерации щелочного элюента. В этом устройстве высокочистая вода пропускается через катионообменный капилляр, внешняя поверхность которого контактирует с концентрированным раствором щелочи, например раствором гидроксида калия. Под действием градиента концентраций гидроксид калия диффундирует внутрь капилляра и на выходе из капилляра образуется раствор гидроксида калия (элюент), который направляется в разделительную колонку. Т.к. в концентрированных растворах щелочей карбонаты щелочных металлов практически не растворимы, образующийся в устройстве элюент (раствор гидроксида калия) не содержит карбонат-ионов. Концентрация гидроксида калия в элюенте определяется скоростью потока элюента через капилляр и может варьироваться изменением площади контакта капилляр - концентрированный раствор гидроксида калия.Недостатками описанного устройства является необходимость его термостатирования, так как диффузионный поток гидроксида калия через мембрану зависит от температуры. Кроме того, устройство может работать при давлении в линии элюента не более 3-4 атм, и, соответственно, не может быть установлено в гидравлической линии высокого давления хроматографа (после насоса).Более эффективными для генерации элюентов являются устройства, в которых элюент образуется в результате переноса требуемых ионов через ионообменные мембраны под действием электрического поля. В этом случае концентрацию элюента легко варьировать изменением электрических параметров, например силы тока.В устройстве, описанном в патенте США № 5045204, неочищенные кислота или основание пропускаются через канал-источник вдоль селективной ионообменной мембраны, которая отделяет канал-источник от канала продукта. Через канал продукта пропускается высокочистая вода. Мембрана позволяет селективно пропускать катионы или анионы. Между каналами создается такой электрический потенциал, который позволяет катионам основания или анионам кислоты проходить из первого в последний для генерации здесь же основания или кислоты с электролитически генерируемыми ионами гидроксида или водорода соответственно. Выделяющийся в элюент в результате электролиза газ мешает последующему хроматографическому разделению и детектированию. По патенту газ удаляется пропусканием элюента через устройство дегазации, в котором канал с элюентом отделен от канала с газом газопроницаемой мембраной, которая пропускает газ, но не пропускает жидкость. В результате протекание элюента через такое устройство приводит к удалению газа благодаря газопроницаемой мембране.В качестве прототипа выбрано устройство для генерации кислоты или основания по патенту США № 6225129, включающее:- резервуар источника ионов - анионов или катионов;- камеру генерации кислоты или основания, имеющую входной и выходной порты;- барьер между резервуаром источника ионов и камерой генерации элюента (кислоты или основания), препятствующий перетеканию жидкости из камеры генерации в резервуар и, наоборот, в то же время обеспечивающий перенос ионов, причем только одного заряда - или положительных, или отрицательных;- источник водного раствора, связанный с входным портом камеры генерации элюента;- первый электрод в резервуаре - источнике ионов;- второй электрод в камере генерации элюента;- источник тока, обеспечивающий наложение разности потенциалов между электродами для обеспечения переноса катионов (анионов) в камеру генерации основания (кислоты) под действием электрического поля;- устройство для удаления газа из элюента.Устройство можно использовать для генерации кислоты или основания в хроматографической системе или любой другой аналитической системе, где нужны высокочистые кислота или основание.Как утверждают авторы патента-прототипа, предлагаемый ими вариант электродиализного генератора элюента существенно превосходит ранее предлагавшиеся устройства. Заявляемые преимущества следующие.Хроматографическое разделение можно осуществить, используя только лишь деионизованную воду в качестве элюента. Так как кислота или основание генерируются on-line нужного качества, специальное приготовление элюентов можно исключить.Элюирующую способность элюента (концентрацию кислоты или основания) можно контролировать точно и удобно, контролируя электрический ток в устройстве для генерации кислоты или основания и скорость потока.Возможно градиентное хроматографическое разделение при изменении электрического тока во время элюирования и применение более дешевого насоса для изократического режима вместо более дорогого насоса для градиентного элюирования.Использование устройства для генерации кислоты или основания позволяет усовершенствовать хроматографические методы, поскольку элюент, генерируемый on-line, свободен от примесей, которые часто вносятся при "внешнем" приготовлении элюента. Например, присутствие карбоната в гидроксидном элюенте, обусловленное сорбцией углекислого газа из воздуха, часто серьезно мешает работе ионохроматографического метода; эта проблема устраняется, если использовать высокочистый гидроксидный элюент, генерируемый on-line.Можно повысить надежность работы насосов и увеличить срок их службы, поскольку насос используется для прокачивания деионизованной воды вместо коррозионно-активных кислот и оснований.Изобретение обеспечивает значительные улучшения генерации растворов высокочистых кислот и оснований на больший период времени для ионной и жидкостной хроматографии и других применений.Вместе с тем предлагаемое устройство не лишено ряда недостатков. Прежде всего, это достаточно высокое тепловыделение в устройстве из-за высокого электрического сопротивления водных растворов, заполненных электролизными газами.Использование двух и более резервуаров - источников ионов, соединенных с камерой генерации элюента двумя и более барьерами. Преимущество использования двух и более камер заключается в том, что действующее в системе напряжение может быть снижено благодаря тому, что ток, используемый для генерации КОН, распределяется между несколькими камерами. Так что можно приложить более высокие токи для генерации основания с более высокой концентрацией с более равномерным выделением избыточного тепла.Использование в камере генерации двух или более электродов, предпочтительно располагающихся вдоль всей длины камеры по направлению водного потока, например, вблизи входа и выхода. Это снижает электрическое сопротивление камеры и, соответственно, рабочее напряжение в системе.Использование нескольких барьеров с одним резервуаром. Использование нескольких барьеров может уменьшить рабочее напряжение устройства. Следовательно, в камеру генерации можно подавать более высокий ток для генерации элюента высокой концентрации без избыточного выделения тепла.Тем не менее, использование предлагаемых вариантов для снижения тепловыделения связано с усложнением конструкции генератора элюента.Еще одним серьезным недостатком прототипа является выделение газа в камере генерации элюента, приводящее к невозможности прямого последующего хроматографического разделения.Для устранения мешающего влияния газов, выделяющихся в элюентной камере генератора элюента, в патенте-прототипе заявляются два способа.В первом случае помещают ограничитель потока после детектора для повышения давления во всей хроматографической системе (генератор элюента - разделительная колонка - детектор). При высоком давлении (например, 70 атм или выше) газ практически полностью успевает раствориться в элюенте и достаточно мало влияет на протекание хроматографического процесса разделения и детектирования. Такой способ требует использования детектора с проточной ячейкой, способной выдерживать давление 70 атм и выше. В ионной хроматографии при использовании подавления проводимости элюента вышеописанный метод требует также, чтобы и подавитель тоже мог выдерживать давление 70 атм и более. Это существенно усложняет конструкцию детекторов и подавителей и не позволяет использовать стандартные хроматографические системы.Другой способ решения проблемы с выделяющимся газом заключается в установке после генератора элюента дополнительного устройства для удаления газа из раствора. Поток элюента вместе с выделившимся газом после генератора элюента направляется под высоким давлением в полимерный капилляр. Газ проникает через стенки полимерного капилляра. С внешней стороны газопроницаемого капилляра, расположенного внутри защитной трубки, протекает жидкость. Диффундирующий через стенки капилляра газ удаляется из устройства благодаря протеканию жидкости, которая также служит для предотвращения адсорбции двуокиси углерода из окружающей среды в элюент.В любом случае для удаления газа из элюента или устранения его мешающего влияния в патенте-прототипе необходимо использовать дополнительное устройство или предъявлять повышенные требования к элементам хроматографического измерительного канала.Целью изобретения является устранение указанных недостатков. Поставленная цель достигается тем, что в электродиализном генераторе элюента для ионной хроматографии, включающем:- резервуар источника ионов - анионов (катионов);- камеру генерации кислоты (основания), имеющую входной и выходной порты;- барьер между резервуаром источника ионов и камерой генерации элюента (кислоты или основания), препятствующий перетеканию жидкости из камеры генерации в резервуар и, наоборот, в то же время обеспечивающий перенос ионов, выполненный в виде ионообменной мембраны;- источник водного раствора, связанный с входным портом камеры генерации элюента;- первый электрод в резервуаре - источнике ионов;- второй электрод в камере генерации элюента;- источник тока, обеспечивающий наложение разности потенциалов между электродами для обеспечения переноса катионов (анионов) в камеру генерации основания (кислоты) под действием электрического поля, при этомвторой электрод выполнен в виде ионообменной мембраны с нанесенным на ее поверхность пористым электронопроводящим слоем, мембрана служит внешней стенкой камеры генерации элюента и расположена напротив барьера, разделяющего резервуар - источник ионов и камеру генерации элюента, причем электронопроводящий слой нанесен на внешнюю (по отношению к камере генерации элюента) сторону ионообменной мембраны.В предпочтительном варианте электрод в резервуаре источнике катионов (анионов) выполнен в виде пористого электронопроводящего слоя, нанесенного на поверхность барьера, разделяющего резервуар источник катионов (анионов) и камеру генерации элюента, причем пористый электронопроводящий слой нанесен на внешнюю (по отношению к камере генерации элюента) сторону барьера.В предпочтительном варианте пористые электронопроводящие слои выполнены из палладия или платины.В предпочтительном варианте на пористые электронопроводящие слои укладывается металлическая сетка из нержавеющей стали (при катодной нагрузке) или из титана (при анодной нагрузке).Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых изображены схемы предлагаемых устройств, их сборки, схемы протекающих процессов в устройстве.На фиг.1 изображена схема предлагаемого устройства.На фиг.2 изображена схема процессов, происходящих в устройстве при генерации щелочного элюента.На фиг.3 изображена схема процессов, происходящих в устройстве при генерации кислотного элюента.На фиг.4 изображена одна из возможных схем сборки устройства.На фиг.1 камера генерации элюента 1 с портами 2 (входным) и 3 (выходным) отделена от резервуара - источника ионов 4 барьером 5, который представляет собой ионообменную мембрану. Барьер 5 непроницаем для потока раствора и обладает способностью пропускать ионы только одного знака заряда. На поверхность барьера, обращенную в сторону резервуара - источника ионов нанесен электрод 6 в виде электронопроводящего пористого слоя. Со стороны, противоположной барьеру 5, камера генерации элюента ограничена вторым электродом 7. Электрод 7 выполнен в виде ионообменной мембраны 8 с нанесенным на одну из ее поверхностей электронопроводящим пористым слоем 9. Электропроводящий слой нанесен на внешнюю (по отношению к камере генерации элюента) сторону ионообменной мембраны. Электроды подключены к источнику питания 10.Нанесение электронопроводящих слоев на поверхность ионообменных мембран проводилось методом химического осаждения на поверхность мембран. В качестве электронопроводящих слоев использовались слои из платины или палладия. Выбор материалов слоев обусловлен высокой химической стойкостью платины и палладия при их работе в качестве анодов и катодов в используемых растворах. Для нанесения электронопроводящего слоя может использоваться, например, следующая методика.Мембрана вымачивается в течение 1-2 ч в воде для набухания. После этого поверхность мембраны, на которую необходимо нанести слой металла, приводится в контакт с раствором следующего состава:Хлористый палладий 5 г/лГидроксид аммония 100 г/лВремя контакта 20 минПосле этого поверхность мембраны промывается водой и приводится на 1 мин в контакт с раствором гидразина (100 г/л), нагретым до 80










Формула изобретения
1. Электродиализный генератор элюента для ионной хроматографии, включающий резервуар источника ионов; камеру генерации элюента, имеющую входной и выходной порты; барьер между резервуаром источника ионов и камерой генерации элюента, препятствующий перетеканию жидкости из камеры генерации в резервуар и наоборот, в то же время обеспечивающий перенос ионов, выполненный в виде ионообменной мембраны; источник водного раствора, связанный с входным портом камеры генерации элюента; первый электрод в резервуаре - источнике ионов; второй электрод, размещенный в камере генерации элюента; источник тока, обеспечивающий наложение разности потенциалов между электродами для обеспечения переноса ионов в камеру генерации элюента под действием электрического поля, отличающийся тем, что второй электрод выполнен в виде ионообменной мембраны с нанесенным на ее поверхность пористым электронопроводящим слоем, мембрана служит внешней стенкой камеры генерации элюента, причем пористый электропроводящий слой нанесен на внешнюю по отношению к камере генерации элюента и противоположную барьеру сторону ионообменной мембраны.2. Генератор элюента по п.1, отличающийся тем, что электрод в резервуаре - источнике ионов выполнен в виде пористого электронопроводящего слоя, нанесенного на поверхность барьера, разделяющего резервуар - источник ионов и камеру генерации элюента, причем пористый электронопроводящий слой нанесен на внешнюю по отношению к камере генерации элюента сторону барьера.3. Генератор элюента для ионной хроматографии по пп.1 и 2, отличающийся тем, что пористые электронопроводящие слои выполнены из палладия или платины.4. Генератор элюента для ионной хроматографии по пп.1-3, отличающийся тем, что на пористые электронопроводящие слои укладывается металлическая сетка из нержавеющей стали (при катодной нагрузке) или из титана (при анодной нагрузке).РИСУНКИ
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4NF4A Восстановление действия патента Российской Федерации на изобретение
Извещение опубликовано: 20.11.2006 БИ: 32/2006
NF4A Восстановление действия патента СССР или патента Российской Федерации на изобретение
Дата, с которой действие патента восстановлено: 27.10.2009
Извещение опубликовано: 27.10.2009 БИ: 30/2009
MM4A Досрочное прекращение действия патента из-за неуплаты в установленный срок пошлины заподдержание патента в силе
Дата прекращения действия патента: 13.11.2010
Дата публикации: 27.12.2011