Фракционирование частиц во вращающихся спиральных колонках: теория и применение в вещественном анализе почв

Актуальность темы

В настоящее время при решении ряда научных и технологических задач все более актуальной становится проблема разработки новых методов фракционирования макромолекул и частиц различной природы. Методы разделения частиц важны для исследований не только в области биохимии и биофизики, макромолекулярной химии, порошковых технологий и т. д., но и для экологического мониторинга объектов окружающей среды (почв, донных отложений, природных вод). Различные микроэлементы (в том числе токсичные и радиоактивные), а также токсичные органические вещества присутствуют в природных объектах не только в виде ионов и растворенных низкомолекулярных соединений, но и могут быть связаны с макромолекулами, коллоидными и твердыми частицами. Для оценки токсичности, лабильности и других свойств ^ загрязняющих веществ следует определять формы их нахождения. При решении таких задач возникает необходимость проводить разделение частиц на фракции в соответствии с их размерами и плотностью.

Большинство современных методов разделения предложено для фракционирования низкомолекулярных соединений и частиц нанометрового размерного диапазона, и сравнительно немногие методы используются для разделения макромолекул и микрочастиц. Проточное фракционирование в поперечном силовом поле (ПФП), которое интенсивно развивается в последние годы и привлекает внимание все большего числа исследователей, является весьма эффективным методом разделения и определения ряда физических параметров макромолекул и частиц различной природы (от биологических клеток и ^ микроорганизмов до природных твердых и коллоидных частиц). Концентрационное распределение компонентов анализируемого объекта в поперечном силовом поле различной природы (центробежном, электрическом, магнитном, барическом и т. д.) и воздействие неоднородного потока жидкости-носителя приводят к дифференцированной миграции частиц и макромолекул в узком щелевидном канале, обеспечивающей их разделение. В некоторых аспектах метод ПФП сходен с хроматографическими методами. Основоположники определяют его как однофазную или поляризационную хроматографию, поскольку в данном случае отсутствует неподвижная фаза, и на распределение компонентов смеси в потоке жидкости-носителя оказывает влияние внешнее силовое поле. Однако по механизму разделения ПФП существенно отличается от большинства хроматографических методов, так как оно основано только на физических взаимодействиях. (<*' В 1999 году в лаборатории концентрирования ГЕОХИ РАН впервые предложено использовать планетарные центрифуги с вращающимися спиральными колонками (ВСК), ранее применяемые для метода жидкостной хроматографии со свободной неподвижной фазой (ЖХСНФ), как установки для ПФП. Сложное асимметричное силовое поле, возникающее при планетарном движении колонки, обуславливает различные скорости миграции компонентов анализируемого объекта вдоль стенки колонки в потоке жидкости-носителя. Применение ВСК для фракционирования частиц и макромолекул имеет ряд потенциальных преимуществ по сравнению с традиционными установками, используемыми для ПФП. В планетарной центрифуге нет вращающихся соединений, что снимает ограничения на давление в системе. Снимаются также ограничения на массу частиц в образце. В отличие от традиционных установок, где разделение проводят в узком канале и масса анализируемого объекта составляет не более I мг (что резко повышает требования к чувствительности последующего детектирования), объем ВСК можно менять, используя разное число витков и их слоев. Кроме того, в планетарной центрифуге создается сложное ассиметричное силовое поле, характер которого зависит от скорости вращения колонки и от соотношения ее радиусов вращения и обращения, что может сыграть существенную роль при оптимизации процессов фракционирования. Таким образом, используя ВСК, можно создать проточную систему фракционирования нового типа, в которой коллоидные и твердые частицы, а также макромолекулы разделяются в соответствии с их размерами и плотностью в сложном асимметричном поле центробежных сил.

Интересным и перспективным представляется использование ВСК для создания комплексной методики оценки подвижности элементов в сложных природных образцах почв, донных отложений) с целью их экологического мониторинга. В данном случае ВСК могут быть применены не только как установки ПФП для разделения образцов почв по гранулометрическому составу, но и для последовательного экстрагирования форм элементов из полученных фракций в динамическом режиме. Известно, что процессы, протекающие в природе, всегда являются динамическими, в то время как традиционные методики последовательного экстрагирования основаны на последовательности одноступенчатых статических экстракций. Следовательно, при изучении подвижности элементов целесообразно проводить экстрагирование именно в динамическом режиме. Определение содержания форм элементов в каждой из гранулометрических фракций позволит получить детальную картину распределения различных элементов в изучаемом образце и оценить их потенциальную опасность для окружающей среды.

Успех дальнейшего использования ВСК для удерживания и разделения частиц зависит от разработки теоретической модели их поведения, которая будет способствовать подбору и оптимизации условий их фракционирования.

Цель и задачи исследования

Основная цель работы заключается в изучении возможности использования ВСК для фракционирования твердых частиц. Для этого, прежде всего, необходимо исследовать влияние конструкционных и операционных параметров ВСК (тип вращения и скорость вращения, направление вращения ВСК и прокачивания подвижной фазы, начальная скорость потока подвижной фазы, внутренний диаметр колонки) на удерживание и разделение частиц различной природы. Теоретическая модель, которая может быть разработана на основе изученных закономерностей поведения частиц в колонке, в свою очередь должна позволить подобрать оптимальные условия фракционирования сложных природных образцов, содержащих частицы различной, в том числе несферической формы. Цель практической части работы заключается в создании комплексного подхода, включающего как разделение частиц сложных природных объектов (почв) на фракции, отличающиеся по гранулометрическому составу, так и последовательное экстрагирование форм элементов из каждой фракции. Применение комплексного подхода позволит получить полную информацию о распределения форм нахождения загрязняющих веществ в различных по составу фракциях анализируемого образца и показать преимущество использования ВСК для создания нового метода контроля состояния природных объектов. Конкретные задачи исследования были следующие:

— изучить закономерности удерживания и фракционирования частиц в зависимости от конструкционных и рабочих параметров планетарной центрифуги (тип вращения и скорость вращения, направление вращения ВСК и прокачивания подвижной фазы, начальная скорость потока подвижной фазы, внутренний диаметр колонки);

— исследовать закономерности поведения частиц в зависимости от присутствия электролитов и поверхностно-активных веществ (ПАВ);

— оценить интервал размеров и плотностей частиц, фракционирование которых целесообразно проводить в ВСК;

— разработать теоретическую модель поведения частиц в потоке жидкости-носителя в ВСК;

— на основе теоретической модели и данных, полученных для стандартных частиц сферической формы, подобрать и оптимизировать условия для фракционирования частиц несферической формы, содержащихся в сложных природных объектах;

— предложить оригинальный комплексный подход к анализу твердых природных образцов для оценки их загрязнения, включающий их фракционирование в соответствии с гранулометрическим составом и дальнейшее последовательное экстрагирование форм элементов из каждой полученной фракции.

Научная новизна.

1. Исследованы закономерности поведения твердых частиц в ВСК. Проведено систематическое изучение влияния конструкционных и рабочих параметров планетарной центрифуги (тип вращения и скорость вращения, направление вращения ВСК и прокачивания подвижной фазы, начальная скорость потока подвижной фазы, внутренний диаметр колонки), а также присутствия электролитов и ПАВ на удерживание и фракционирование модельных смесей и природных частиц несферической формы.

2. Предложена теоретическая модель поведения частиц в ВСК, описывающая влияние конструкционных параметров колонки, гидродинамических условий эксперимента и физических характеристик частиц на их удерживание и разделение.

3. Показана возможность использования ВСК для вещественного анализа твердых природных образцов. Подобраны условия для удерживания и фракционирования частиц несферической формы в ВСК.

4. Разработан оригинальный комплексный подход к оценке подвижности элементов в сложных природных объектов (почв, донных отложений), включающий фракционирование анализируемого образца в соответствии с его гранулометрическим составом и последовательное экстрагирование форм элементов (тяжелых металлов) из каждой фракции.

Практическая ценность работы.

Выявлены и экспериментально подтверждены закономерности удерживания и фракционирования частиц различной природы в зависимости от их физико-химических параметров, конструкционных и рабочих характеристик ВСК. Показана возможность разделения частиц сложных природных объектов в ВСК в соответствии с их размерами и плотностью. Предложенная теоретическая модель, позволила оптимизировать процесс фракционирования. Показана возможность использования ВСК для комплексной оценки подвижности элементов в образцах почв с учетом их гранулометрического состава.

Автор выносит на защиту:

1. Зависимости удерживания и фракционирования частиц различной плотности и размера от конструкционных и рабочих параметров ВСК.

2. Результаты, позволяющие оценить диапазон размеров частиц различной природы, фракционируемых в ВСК

3. Теоретическую модель, описывающую поведение частиц в зависимости от их физических характеристик, а также конструкционных и рабочих параметров ВСК.

4. Критерии, позволяющие оптимизировать условия для удерживания и фракционирования частиц различной природы.

5. Результаты фракционирования частиц сложных природных объектов в соответствии с их гранулометрическим составом.

6. Комплексный подход к анализу образцов почвы в ВСК, включающий последовательное экстрагирование форм элементов из каждой гранулометрической фракций анализируемого природного образца.

Апробация работы. Основные результаты доложены на 10ом Российско-Японском симпозиуме по аналитической химии (Москва — Санкт-Петербург, 2000) — на 70 м Российско-германо-украинском симпозиуме аналитической химии (Байкальск, 2001) — на Международном конгрессе по аналитической химии (Токио, Япония, 2001) — на Всероссийской конференции по аналитической химии (Москва, 2002) — на Международном симпозиуме по аналитической химии (Краснодар, 2002) — на 2ой Международной конференции по противоточной хроматографии (Пекин, Китай, 2002) — на Зей Международной конференции по противоточной хроматографии (Токио, Япония, 2004) — на Всероссийской конференции по аналитической химии (Москва, 2004), на 2ой Международной конференции «Современное приборное обеспечение и методы анализа почв, кормов, растений и сельскогохозяйственного сырья» (Москва, 2004).

Публикации. Основное содержание опубликовано в 3 статьях и 10 тезисах докладов.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, списка сокращений, обзора литературы (глава 1), экспериментальной части (главы 2, 3, 5), теоретической части (глава 4), выводов, списка литературы и приложения. Работа изложена на 119 страницах машинописного текста, содержит 43 рисунка, 10 таблиц, 130 литературных ссылок.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Предложена принципиально новая область применения ВСК как установок для проточного фракционирования в поперечном силовом поле. Исследовано влияние рабочих и конструктивных параметров колонки, а также свойств подвижной фазы на удерживание и фракционирование частиц различной природы. Показано, что выбор скорости и направления вращения колонки, а также направления прокачивания подвижной фазы обусловлен величиной плотности частицы. Например, для фракционирования частиц с плотностью более 1.5 г/см3 целесообразно использовать направление «хвост — голова» и невысокие скорости вращения центрифуги (до 350 об/мин). В данном случае направление действия сил Архимедова винта совпадает с направлением потока подвижной фазы. При удерживании и фракционировании частиц с плотностью, близкой по значению к плотности подвижной фазы, следует использовать противоположное направление и высокие скорости вращения ВСК (более 350 об/мин). Поведение частиц зависит от внутреннего диаметра колонки: при его увеличении удерживание частиц значительно улучшается, в то время как возможности их фракционирования при той же длине колонки сужаются.

2. Показано, что разделение частиц на фракции следует проводить с помощью ступенчатого изменения скорости потока жидкости-носителя. При этом при увеличении параметра р (соотношение радиусов вращения и обращения колонки) для выделения фракций частиц определенного размера требуется более высокая скорость потока. Важную роль в процессе разделения частиц играет начальная скорость потока подвижной фазы, которая так же, как и период релаксации (в режиме остановленного потока) при традиционном ПФП способствует равновесному распределению частиц разной природы и размера по всей длине колонки. Стоит также отметить, что на удерживание и разделение частиц существенное влияние оказывает природа подвижной фазы. С уменьшением значения Ар значительно снижается удерживание компонентов образца. Показано, что присутствие электролитов даже в низких концентрациях (порядка 10″ 6М) способствуют улучшению удерживания частиц в колонке, по-видимому, за счет образования агломератов и укрупнения частиц, а также взаимодействия частиц со стенкой колонки.

Введение

поверхностно-активных веществ нейтрализует влияние электролитов.

3. С учетом изученных экспериментальных закономерностей разработана теоретическая модель, описывающая поведение частиц в потоке жидкости-носителя в сложном асимметричном поле, возникающем при планетарном вращении ВСК. Рассмотрены режим движения частиц в потоке жидкости-носителя и режим миграции частиц вдоль стенки колонки. Предложен ряд математических уравнений, связывающих параметры удерживания и фракционирования частиц с конструктивными характеристиками планетарной центрифуги, а также гидродинамическими условиями проведения эксперимента. Сформулирован ряд практических рекомендаций по выбору и оптимизации условий фракционирования частиц в ВСК.

4. Исследована возможность фракционирования природных частиц несферической формы в ВСК на примере стандартного образца кварцевого песка BCR-70 (1.2−20 мкм). Оптимизированы условия фракционирования сложных природных объектов (почв) в соответствии с их гранулометрическим составом. Показан ряд преимуществ использования ВСК для фракционирования частиц по сравнению с традиционными установками, используемыми для реализации метода ПФП.

5. Разработан комплексный подход к оценке степени загрязнения твердых природных образцов. Показано, что использование ВСК позволяет проводить анализ образца почвы на содержание различных форм тяжелых металлов в соответствии с его гранулометрическим составом за 1−2 суток. Отмечено, что для диагностики состояния почв при локальном мониторинге необходим в первую очередь анализ наиболее подвижных форм элементов в тонкодисперсных фракциях — илистой и пылеватой. Применение разработанного комплексного подхода позволяет получить детальную картину распределения элементов в почвах и оценить их потенциальную опасность для окружающей среды.