Способ определения форм существования и молекулярно-массового распределения полимерных молекул кремниевой кислоты в геотермальных водных растворах
Владельцы патента RU 2330280:
Пронин Александр Яковлевич (RU)
Буряк Алексей Константинович (RU)
Институт физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина Российской академии наук (RU)
Хабаров Виктор Борисович (RU)
Сущность изобретения: используют высокоэффективные хроматографические колонки, заполненные сорбентом, характеризующиеся высокой эффективностью разделения. В качестве сорбента используют высокосшитый полидивинилбензол. В качестве элюента используют дистиллированную воду с величиной рН, равной величине рН анализируемой пробы. Сорбент водой смачивается, а кремниевая кислота и ее олигомеры и полимеры остаются в растворенном состоянии без изменения и выпадения осадка диоксида кремния. Калибровочную зависимость для расчетов предварительно получают с помощью эталонов полимеров декстрана с последующим пересчетом на полимерные молекулы кремниевой кислоты. Первый хроматографический пик для расчета молекулярно-массового распределения полимерных молекул кремниевой кислоты корректируют путем вычитания из хроматограммы примесей солей металлов. При определении молекулярно-массового распределения полимеров кремниевой кислоты в водных растворах инжектор, хроматографическая колонка, тракт элюента в рефрактометре, крепление кварцевой кюветы, подводящие и отводящие капилляры, соединяющие кварцевую кювету с хроматографической колонкой, выполнены в безметаллическом исполнении для исключения выпадения осадков диоксида кремния. Изобретение обеспечивает определение форм существования и молекулярно-массового распределения (ММР) полимерных молекул кремниевой кислоты в геотермальных водных растворах, в котором предотвращено высаждение солей металлов - катионов Na+, Ca2+ K+, Mg2+, изменение рН, снижение концентрации мономерной кремниевой кислоты и изменение ММР полимерных молекул кремниевой кислоты в геотермальных водных растворах. 4 табл., 3 ил.
Изобретение относится к высокоэффективной жидкостной хроматографии (ВЭЖХ). Изобретение может быть использовано для осуществления детектирования реакционноспособных веществ - кремниевой кислоты и ее олигомеров и полимеров в геотермальных водных растворах.
Несмотря на широкую распространенность кремния в природе, многие процессы миграции кремния в биосфере, аккумулирования организмами и трансформации остаются слабо изученными. Прежде всего это касается гидробиогеохимических и гидрогеохимических процессов миграции кремния. Так, недостаточно изучены процессы полимеризации кремниевой кислоты в водных растворах. Ранее наибольшая исследовательская активность фокусировалась на реакциях, в которых начальные концентрации мономера были относительно высокими, и на продуктах, таких как гели или коммерческие золи. Однако в настоящее время интерес сосредоточился на более разбавленных системах в геохимических процессах [1] (Makrides А.С. , Turner M. and Slaughter J. Study of silica scaling from geothermal brines. // J. Colloid Interface Sci. 1980. 73, 345-367).
С целью оценки процессов полимеризации кремниевой кислоты в растворах и природных водах применялись различные методы. Однако некоторые из них, например метод светорассеяния, дают только качественные результаты [2] (Rothbaum Н.Р. and Ronde A.G. Kinetics of silica polymerization and deposition from dilute solutions between 5 and 180°С. // J. Colloid Interface Sci. 1979. 71, 533-559).
Tarutani Т. первым применил гель-фильтрационную хроматографию для разделения полимерных молекул кремниевой кислоты [3] (Tarutani T. Chromatographic behanior of silicic acid on Sephadex columns. // J. Chromatogr. 1970. 50, 523-526).
Известен аналог - способ определения молекулярно-массового распределения (ММР) полимерных молекул кремниевой кислоты в геотермальных водных растворах методом гель-фильтрационной (эксклюзионной) хроматографии [4] (Crerar D.A., Axtmann E.V., Axtmann R.С. Growth and ripening of silica polymers in aqueous solutions. // Geochimica et Cosmochimica Acta. 1981. Vol.45. pp.1256-1266).
Для этого применяют стеклянную колонку длиной 70 см, внутренним диаметром 2,6 см, заполненную сорбентом сефадексом G-100. В качестве элюента использован 0,1 М раствор хлористого натрия с рН 3 (подогнан с помощью соляной кислоты), в котором сорбент набухает, и разделение полимерных молекул кремниевой кислоты осуществляется по эксклюзионному механизму. Скорость потока элюента от перестальтического насоса - 40 мл/ч (0,67 мл/мин).
Разделяемые на колонке полимерные молекулы кремниевой кислоты детектируют, пропуская элюент по капиллярам из нержавеющей стали и через проточную оптическую кювету устройства - дифференциального рефрактометрического детектора, сигналы которого записывают на диаграммной ленте самописца. В рефрактометрическом детекторе хроматографический тракт - подводящие и отводящие капилляры, соединяющие кварцевую кювету с хроматографической колонкой, и крепление кварцевой кюветы выполнены из нержавеющей стали.
Калибровку колонки с сорбентом сефадексом G-100 осуществляют с помощью двух глобулярных протеинов. В колонку вводят по 10 мл калибровочных стандартов, содержащих 500 ppm химотрипсиногена А (ММ=25 кДа (килодальтон) и альдолазы (ММ=158 кДа) в 0,14 моляльном растворе хлористого натрия. Мертвый объем колонки определяют с помощью декстрана голубого Т-2000 (ММ=2×106 Да), а также с помощью кремниевого раствора людокса (ММ=320 кДа).
Строят калибровочный график зависимости между объемом удерживания и логарифмом величины молекулярной массы стандартов химотрипсиногена А и альдолазы.
Недостатками аналога-способа являются
- не достаточно высокая эффективность колонки с сефадексом G-100 для разделения полимерных молекул кремниевой кислоты;
- большой объем вводимой пробы (2,7% от объема колонки) приводит к размыванию хроматографических пиков кремниевой кислоты и ее полимерных молекул при разделении на колонке;
- большая длительность времени разделения полимерных молекул кремниевой кислоты - до 7 часов на один анализ и большой расход элюента - 280 мл;
- сорбент - сефадекс G-100 имеет недостаточно высокую жесткость, что не позволяет осуществлять разделение при давлении выше одной атмосферы;
- полимеризация кремниевой кислоты в водных растворах сильно зависит от рН с максимумом скорости полимеризации при рН 6-8 и минимумом при рН 2-3, поэтому при использовании в качестве элюента и для растворения анализируемых проб 0,1 М водного раствора хлористого натрия с рН 3 происходит искажение результатов определения форм существования и ММР полимерных молекул кремниевой кислоты в геотермальных водах, так как электролиты в водных растворах кремниевой кислоты 3 ускоряют рост полимерных молекул, что отражается в уменьшении концентрации мономерной кремниевой кислоты.
- в хроматографическом тракте дифференциального рефрактометрического детектора происходит высаждение двуокиси кремния (SiO2) на металлических поверхностях из раствора мономерной кремниевой кислоты и ее полимерных молекул при анализе проб геотермальной воды, что приводит к искажению результатов определения ММР полимерных молекул кремниевой кислоты и форм ее существования.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому способу, выбранным в качестве прототипа, является способ определения ММР олигомеров этоксисилоксанов в гидролизованных и негидролизованных этилсиликатах [5] (Патент России №2280252, МПК7 G01N 30/26. Способ определения молекулярно-массового распределения олигомеров этоксисилоксанов в гидролизованных и негидролизованных этилсиликатах. / Пронин А.Я., Хабаров В.Б., Оспенникова О.Г., Пикулина Л.В., Антипин Л.М., Ларионов О.Г. Опубл. в Б.И. - 2006. - №20), который позволяет на высокоэффективной стеклянной колонке (150 мм × 3 мм) с высокосшитым полидивинилбензольным (ПДВБ) сорбентом в виде моносферических зерен диаметром 5 мкм разделять по эксклюзионному механизму олигомеры этоксисилоксанов и мономерную кремниевую кислоту в гидролизованных и негидролизованных этилсиликатах. В качестве элюента используют абсолютные алифатические спирты - этанол или метанол, пропанол.
Разделяемые на колонке этоксисилоксаны и мономерная кремниевая кислота детектируют при прохождении пробы через проточную оптическую кювету дифференциального рефрактометрического детектора, сигналы которого записывают на диаграммной ленте самописца.
При определении ММР олигомеров этоксисилоксанов и мономерной кремниевой кислоты в жидкостном хроматографе хроматографический тракт - крепление кварцевой кюветы дифференциального рефрактометрического детектора RIDK-102, капилляры, инжектор выполнены в безметаллическом исполнении, что исключает выпадение двуокиси кремния на их поверхностях.
Хроматографические условия следующие. Объемная скорость элюента - абсолютного этанола - 0,1 мл/мин. Температура термостата колонки, инжектора, рефрактометра - 25°С. Объем дозирующей петли - 7,5 мкл. На самописце скорость диаграммной ленты - 6 мм/мин. Чувствительность рефрактометрического детектора - 8-16×10-7 ед. рефракции. Рефрактометрический детектор юстирован по абсолютному этанолу, что обеспечивает получение положительного сигнала при детектировании мономерной кремниевой кислоты и ее полимерных молекул. Продолжительность анализа - 18 мин.
Для анализа пробы гидролизованного или негидролизованного этилсиликата приготавливают в концентрации 0,5% раствора в абсолютном алифатическом спирте - этаноле или метаноле, пропаноле и приготовленную пробу по 7,5 мкл вводят с помощью инжектора жидкостного хроматографа в высокоэффективную колонку с ПДВБ для разделения.
Калибровка высокоэффективной хроматографической колонки из стекла (150 мм × 3 мм), заполненной высокосшитым ПДВБ сорбентом, заключается в установлении зависимости между объемом удерживания и логарифмом величины молекулярной массы стандартов олигомеров этоксисилоксанов, тетраэтоксисилана и мономерной кремниевой кислоты в линейном диапазоне.
Калибровку осуществляют последовательным введением с помощью инжектора жидкостного хроматографа в высокоэффективную хроматографическую колонку с ПДВБ по 7,5 мкл в абсолютном алифатическом спирте - этаноле или метаноле, пропаноле 0,3% раствора каждого стандарта олигомеров этоксисилоксанов - димера, тримера, тетрамера, пентамера, гексамера и других, а также мономеров - тетраэтоксисилана и кремниевой кислоты.
Недостатками прототипа являются
- невозможно использовать абсолютные алифатические спирты - этанол, метанол, пропанол в качестве элюента из-за того, что соли металлов - катионов Na+, Ca2+, K+, Mg2+, содержащиеся в геотермальных водных растворах, выпадают в осадок, что приводит к изменению рН, снижению концентрации мономерной кремниевой кислоты и изменению ММР полимерных молекул кремниевой кислоты в геотермальных водных растворах;
- при определении ММР полимерных молекул кремниевой кислоты в геотермальных водных растворах для калибровки хроматографической колонки использовать стандарты молекулярных масс олигомеров этоксисилоксанов нельзя в связи с их гидролизом в водном растворе.
Целью предлагаемого изобретения является разработка способа определения форм существования и ММР полимерных молекул кремниевой кислоты в геотермальных водных растворах, в котором предотвращено высаждение солей металлов - катионов Na+, Ca2+, K+, Mg2+, изменение рН, снижение концентрации мономерной кремниевой кислоты и изменение ММР полимерных молекул кремниевой кислоты в геотермальных водных растворах.
Поставленная цель достигается способом, заключающимся в введении пробы геотермального водного раствора без разбавления в элюенте в инжектор, прохождении ее по хроматографическому тракту в потоке элюента - дистиллированной воде с величиной рН, подогнанной добавлением едкого натрия к величине рН пробы геотермальной воды, начиная из инжектора в высокоэффективную хроматографическую колонку (150 мм × 3 мм), заполненную высокосшитым ПДВБ сорбентом в виде моносферических зерен диаметром 10 мкм для эксклюзионного хроматографического разделения, детектировании разделяемых соединений при прохождении пробы через кварцевую кювету рефрактометрического детектора, сигналы которого регистрируют в виде хроматограммы, состоящей из трех пиков, по первому пику рассчитывают ММР полимерных и олигомерных молекул кремниевой кислоты, по второму пику - содержание примеси борной кислоты, по третьему пику - содержание мономерной кремниевой кислоты. Первый хроматографический пик для расчета ММР полимерных и олигомерных молекул кремниевой кислоты корректируют путем вычитания из хроматограммы хроматографического пика примесей солей металлов - катионов Na+, Ca2+, K+, Mg2+, который получают в отдельном эксперименте перед расчетом ММР. Для расчета по скорректированной хроматограмме ММР полимерных и олигомерных молекул кремниевой кислоты предварительно получают калибровочную зависимость между величиной логарифма молекулярных масс и объемом удерживания с помощью эталонов полимеров декстрана с молекулярной массой от 504 Да до 2000 кДа и пересчитывают на калибровочную зависимость для полимерных молекул кремниевой кислоты.
Принадлежность второго пика к примеси геотермальной воды - борной кислоте и принадлежность третьего пика к мономерной кремниевой кислоте определяют масс-спектрометрически.
Использование высокоэффективной хроматографической колонки с высокосшитым ПДВБ сорбентом и элюента - дистиллированной воды с величиной рН, равной величине рН анализируемой пробы, при анализе в пробах геотермальных водных растворах не приводит к изменению концентрации мономерной кремниевой кислоты, степени полимеризации полимерных молекул кремниевой кислоты, выпадению солей металлов - катионов Na+, Ca2+, K+, Mg2+ и определяется борная кислота.
Пример 1. Определение форм существования кремниевой кислоты в геотермальной воде. Анализ геотермальной воды Мутновского месторождения Камчатки (через 1,5 года хранения в условиях лаборатории) с рН 8,2, содержащей кремниевые кислоты в расчете на SiO2 - 800 мг/л, а также примесей солей металлов - катионов Na+, Ca2+, K+, Mg2+, анионов - Cl-, SO4 2-, НСО3 -, СО3 2-, F-, борную кислоту в суммарной концентрации 787 мг/л [6] (Потапов В.В. Коллоидный кремнезем в высокотемпературном гидротермальном растворе. Владивосток.: Дальнаука, 2003, с.107). Для разделения используют стеклянную хроматографическую колонку (150 мм × 3 мм) с высокосшитым ПДВБ сорбентом в виде моносферических зерен диаметром 10 мкм. В жидкостном хроматографе - хроматографический тракт в безметаллическом исполнении для исключения высаждения SiO2 из раствора кремниевой кислоты и ее полимерных молекул. Для введения пробы используют инжектор с дозирующей петлей из ПИИК.
Хроматографируемые на колонке мономерная кремниевая кислота, ее полимерные молекулы и борная кислота детектируют при прохождении пробы через проточную кварцевую кювету рефрактометрического детектора RIDK 102, сигналы которого записывают компьютером через интерфейс с помощью программы "Экохром" или самописца.
Условия анализа. Объемная скорость элюента - дистиллированная вода с рН 8,2 (подогнан водным раствором NaOH) - 0,1 мл/мин. Температура термостата колонки, инжектора, рефрактометра - 25°С. Объем петли инжектора - 10 мкл. Чувствительность RIDK 102 - 4×10-7 ед. рефракции. Продолжительность анализа - 25 мин.
В рефрактометрическом детекторе RIDK 102 подводящие (внутренним диаметром 0,25 мм) и отводящие (внутренним диаметром 0,5 мм) капилляры выполнены из политетрафторэтиленового полимера, соединяющие кварцевую кювету с хроматографической колонкой, и крепление кварцевой кюветы выполнено из политетрафторэтиленового полимера (фторопласта 4Д). Контактирующие поверхности фторопласта 4Д и кварцевой кюветы шлифуют до зеркальной поверхности. Фторопласт 4Д обладает хладотекучестью, что требует при длительной работе рефрактометрического детектора RIDK 102 дополнительно герметизировать кварцевую кювету.
Детектор RTDK 102 юстирован по метанолу, что обеспечивает получение положительного сигнала при детектировании мономерной кремниевой кислоты и ее полимерных молекул. Если этого не выполнить, а оставить стандартную юстировку RIDK 102 по циклогексану, то при детектировании полимерные молекулы кремниевой кислоты дают положительный сигнал, а мономерная кремниевая кислота - отрицательный сигнал. При этом высота (площадь) отрицательного сигнала хроматографического пика мономерной кремниевой кислоты в 3,5 раза меньше по сравнению с положительным сигналом мономерной кремниевой кислоты при юстировке RIDK 102 по метанолу.
На фиг.1 представлена хроматограмма пробы геотермальной воды. На хроматограмме получены три хроматографических пика. Пик 1 образован полимерными молекулами кремниевой кислоты и примесями солей металлов. Хроматографический пик солей металлов получают в отдельном эксперименте с использованием пробы водного раствора солей металлов с суммарной концентрацией 787 мг/л.
Пик 2 на фиг.1 образован примесью борной кислоты, что подтверждается в отдельном хроматографическом эксперименте с пробой водного раствора борной кислоты и снятием масс-спектров пробы (пика 2) на масс-спектрометре марки Ultraflex фирмы Broker методом инициированной матрицей лазерно-десорбционной ионизации (МАЛДИ) (проба ионизируется лазерным лучом в ультрафиолетовой области при 337 нм). В масс-спектре обнаруживаются протонированные массы с m/z 63 а.е.м. и 81 а.е.м., соответствующие молекулярным массам молекул борной кислоты [В(ОН)3] и В(ОН)4 с ММ 62 и ММ 80. По суммарной площади хроматографических пиков содержание борной кислоты составляет 4,7% от общего содержания веществ в пробе геотермальной воды.
Пик 3 на фиг.1 принадлежит мономерной кремниевой кислоте Si(OH4), что подтверждается снятием масс-спектров пробы (пика 3) на масс-спектрометре марки Ultraflex фирмы Broker методом инициированной матрицей лазерно-десорбционной ионизации (проба ионизируется лазерным лучом в ультрафиолетовой области при 337 нм), в которой обнаруживаются протонированные массы с m/z 97 а.е.м., соответствующие мономерной кремниевой кислоте Si(OH)4 с MM 96.
Полученные данные подтверждают, что в геотермальной воде кремниевые кислоты присутствуют в виде сосуществующих форм мономерной кислоты и полимерных форм кремниевой кислоты.
Вычисление площадей пиков показывает, что доля мономерной кремниевой кислоты составляет 4,1%, а доля олигомерных и полимерных кислот - 95,9% по отношению к суммарному содержанию кремниевых кислот. При этом площадь пиков полимерных молекул кремниевой кислоты определяют по пику, получающемуся при вычитании площади пика примесей солей металлов из площади пика 1.
Приведенные хроматографические условия позволяют определять формы существования кремниевой кислоты в геотермальной воде.
Пример 2. Получение калибровочной зависимости - логарифма величины молекулярной массы полимерных молекул кремниевой кислоты от объема удерживания.
Калибровка хроматографической колонки из стекла (150 мм × 3 мм), заполненной высокосшитым ПДВБ сорбентом в виде моносферических зерен диаметром 10 мкм, заключается в установлении зависимости между объемом удерживания и логарифмом величины молекулярной массы стандартов полимеров декстрана в линейном диапазоне с последующим пересчетом на калибровочную зависимость для полимерных молекул кремниевой кислоты. При выполнении калибровки хроматографической колонки должны быть соблюдены следующие условия.
Хроматографируемые на колонке стандарты полимеров декстрана детектируют при прохождении пробы стандарта через проточную оптическую кювету дифференциального рефрактометрического детектора, сигналы которого записывают компьютером через интерфейс с помощью программы "Экохром" или самописца.
Объемная скорость элюента - дистиллированной воды - 0,1 мл/мин. Температура термостата колонки, инжектора, рефрактометра - 25°С. Объем дозирующей петли инжектора -10 мкл. Чувствительность рефрактометрического детектора - 8-16×10-7 ед. рефракции. Продолжительность анализа - 10 мин.
Калибровку осуществляют последовательным введением с помощью инжектора жидкостного хроматографа в хроматографическую колонку с ПДВБ сорбентом по 10 мкл 0,05% водного раствора каждого из стандартов полимеров декстрана фирмы Serva. Пробу декстрана элюируют дистиллированной водой с величиной рН 8,2 и определяют объем удерживания по максимому хроматографического пика. Эту операцию проделывают с каждым стандартом декстрана известной ММ.
Строят калибровочный график зависимости между объемом удерживания (Vr, мл) и логарифмом величины молекулярной массы (ММ) стандартов полимеров декстрана, представленный на фиг.2, прямая 1. Хроматографическая колонка из стекла (150 мм × 3 мм) заполнена высокосшитым ПДВБ сорбентом в виде моносферических зерен диаметром 10 мкм. 1 - мальтотриоза (ММ 504 Да), 2 - декстран Т-1 (ММ 1 кДа), 3 - декстран Т-20 (ММ 20 кДа), 4 - декстран Т-500 (ММ 500 кДа), 5 - декстран Т-2000 (ММ 2000 кДа). Линейный диапазон находится в пределах ММ от 504 Да до 2000 кДа. Объемы удерживания стандартов ММ полимеров декстрана приведены в табл.1.
Переход (пересчет) от калибровочной прямолинейной зависимости для декстранов к калибровочной прямой для полимерных молекул кремниевой кислоты осуществляют путем сравнения их молярных объемов, произведя следующие расчеты.
| Таблица 1. | |||
| Объемы удерживания стандартов ММ полимеров декстрана | |||
| № п | MM декстрана, кДа | lg MM декстрана | Объем удерживания, мл |
| 1 | 0,504 (мальтотриоза) | 2,702 | 1,00 |
| 2 | 1,0 | 3,000 | 0,97 |
| 3 | 20 | 4,301 | 0,79 |
| 4 | 670 | 5,826 | 0,63 |
| 5 | 2000 | 6,301 | 0,56 |
При объеме удерживания 1 мл из колонки выходят молекулы мальтотриозы (ММ=504 Да), см. фиг.1, прямая 1. Мальтотриоза имеет молярный объем 504/1,54 г/см3 = 327 см3. Здесь величина 1,54 г/см3 есть плотность молекул мальтотриозы [7] (Краткий справочник химика. М., 1964, с.1580). Так как элюирование из колонки происходит по чисто эксклюзионному механизму, то определенные молекулы поликремниевой кислоты выходят из колонки при том же объеме 327 см3, как и молекулы декстрана. Поэтому ММ полимерных молекул кремниевой кислоты будет равна 327/2,3 г/см3 = 142,17 г. Здесь величина 2,3 г/см3 есть плотность молекул кремниевой кислоты [8] (Химическая энциклопедия. М., 1990, с.5070).
Полученная величина ММ=142,17 не соответствует какой-либо конкретной полимерной молекуле кремниевой кислоты, это число - расчетная величина, которую правомерно использовать для перерасчета калибровочной зависимости.
Значение ММ 142,1 соответствует логарифму lg 142,1=2,152. Поэтому точка для полимерной молекулы кремниевой кислоты на графике калибровочной зависимости опустится при объеме удерживания 1 мл от значения lg 504=2,702 (мальтотриоза) до значения lg 142,17=2,152 (кремниевая кислота). Разность величин логарифмов равна 2,702-2,152=0,550.
То же самое произойдет со всеми другими точками калибровочной прямолинейной зависимости молекул полимеров декстрана при пересчете их на значения для полимерных молекул кремниевой кислоты (см. табл.2). Например, для объема удерживания 0,79 мл для стандарта декстрана с ММ=20 кДа (г/моль) молярный объем этого декстрана будет 20000 г/1,54 г/см3 = 12987 см3. Поэтому ММ поликремниевой кислоты при этом же объеме удерживания 0,79 мл будет равна 12987 см3/2,3 г/см3 = 5646,5 г/моль (Да). Значения соответствующих величин логарифмов будут: lg 20000=4,301 и lg 5646,5=3,751. Разность этих величин равна 4,301-3,751=0,550, то есть такая же, как и при объеме удерживания 1 мл. Поэтому калибровочная прямая для полимерных молекул кремниевой кислоты пойдет ниже и параллельно калибровочной прямой для молекул декстранов, как это показано на фиг.2, прямая 2.
| Таблица 2. | |||
| MM полимерных молекул кремниевой кислоты, полученные расчетным методом по калибровочной прямой 2 фиг.1 | |||
| № п | Объем удерживания, мл, полимерных молекул кремниевой кислоты | lg MM полимерных молекул кремниевой кислоты (log MM декстрана - 0,55) | ММ полимерных молекул кремниевой кислоты, Да |
| 1 | 1,00 | 2,152 | 141,9 |
| 2 | 0,97 | 2,450 | 281,8 |
| 3 | 0,79 | 3,751 | 5636,38 |
| 4 | 0,63 | 5,276 | 18879,13 |
| 5 | 0,56 | 5,751 | 563637,65 |
Пример 3. Определение ММР полимерных молекул кремниевой кислоты в геотермальной воде Мутновского месторождения Камчатки (через 1,5 года хранения в условиях лаборатории) с рН 8,2.
Вычисления ММР полимерных молекул кремниевой кислоты в геотермальной воде по данным разделения методом эксклюзионной хроматографии и скорректированной калибровочной кривой (см. пример 1). Хроматографический пик 1 на фиг.1 элюируется из колонки с объемом удерживания, меньшим колоночного объема (1 мл), что соответствует эксклюзионному механизму удерживания компонентов пика 1. Поэтому для расчета ММР молекул полимерных молекул кремниевых кислот, содержащихся в пике 1, применима методика (программа), приведенная в [9] (W.W.Yau, J.J.Kirkland, D.D.Biy. Modem Size-Exclusion liquid chromatograhy. Practice of Gel permleation and Gel Filtration Chromatograhy. New York - Chichester - Brisban - Toronto, 1979. pp.318-322).
Предварительно пик 1 нужно скорректировать на содержание только полимерных молекул кремниевых кислот, для чего из показаний рефрактометра хроматографического пика 1 вычисляют показания рефрактометра хроматографического пика примесей солей металлов. Данные по ММР полимерных молекул кремниевой кислоты вычисляют по скорректированному пику 1 и полученной калибровочной прямолинейной зависимости логарифма (lg) MM полимерных молекул кремниевой кислоты от объема удерживания (см. пример 2).
При ручном расчете ММР полимерных молекул кремниевой кислоты по указанной методике основание пика 1 на фиг.1 разбивают на малые отрезки и при каждом объеме отрезка Vi мм определяют высоту от базовой линии до линии хроматографического пика, hi мм, величину логарифма ММ поликремниевой кислоты по калибровочной прямолинейной зависимости (фиг.2, прямая 2); по величине lg MM определяют величину молекулярной массы Mi г/моль, затем находят суммы (см. табл.3).
| Таблица 3. | ||||||||
| Данные по ММР полимерных молекул кремниевой кислоты в геотермальной воде Мутновского месторождения Камчатки через 1,5 года хранения пробы в условиях лаборатории | ||||||||
| i | Vi, мл | hi, мм | | Mi г/моль | lg Mi, | hi/Mi | hi·Mi |  |
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 |
| 37 | 0,393 | |||||||
| 36 | 0,405 | 3 | 1176 | |||||
| 35 | 0,42 | 3,5 | 1173 | |||||
| 34 | 0,425 | 3,5 | 1169,5 | |||||
| 33 | 0,44 | 3,5 | 1166 | 4,8·106 | 6,68 | 0,0000007 | 16800000 | 0,002976 |
| 32 | 0,45 | 3,5 | 1162,5 | 4,2·106 | 6,62 | 0,0000008 | 14700000 | 0,002976 |
| 31 | 0,47 | 4 | 1159 | 2,7·106 | 6,43 | 0,0000014 | 10800000 | 0,002976 |
| 30 | 0,488 | 4 | 1153 | 1,9·106 | 6,28 | 0,0000021 | 7600000 | 0,003401 |
| 29 | 0,506 | 4 | 1151 | 1,4·106 | 6,16 | 0,0000028 | 5600000 | 0,003401 |
| 28 | 0,52 | 4 | 1147 | 1,1·106 | 6,03 | 0,0000036 | 4400000 | 0,003401 |
| 27 | 0,54 | 5 | 1143 | 7,08·105 | 5,85 | 0,000007 | 3540000 | 0,004251 |
| 26 | 0,554 | 4 | 1138 | 5,9·105 | 5,77 | 0,0000067 | 2360000 | 0,003401 |
| 25 | 0,574 | 4 | 1134 | 3,9·105 | 5,59 | 0,0000102 | 1560000 | 0,003401 |
| 24 | 0,586 | 4 | 1130 | 3,02·105 | 5,48 | 0,0000132 | 1208000 | 0,003401 |
| 23 | 0,606 | 5 | 1126 | 2,1·105 | 5,33 | 0,0000238 | 1050000 | 0,004251 |
| 22 | 0,626 | 5 | 1121 | 1,5·105 | 5,18 | 0,0000333 | 750000 | 0,00425 |
| 21 | 0,64 | 6 | 1116 | 1,07·105 | 5,03 | 0,000056 | 642000 | 0,005102 |
| 20 | 0,65 | 7 | 1110 | 9,3·104 | 4,97 | 0,0000752 | 651000 | 0,0059523 |
| 19 | 0,67 | 12 | 1103 | 6,3·104 | 4,80 | 0,0001904 | 756000 | 0,010204 |
| 18 | 0,688 | 17 | 1091 | 3,98·104 | 4,60 | 0,0004271 | 676600 | 0,0144557 |
| 17 | 0,708 | 25 | 1074 | 3,02·104 | 4,48 | 0,0008278 | 755000 | 0,0212585 |
| 16 | 0,72 | 47 | 1049 | 2,5·104 | 4,4 | 0,00188 | 1175000 | 0,0399659 |
| 15 | 0,74 | 125 | 1002 | 2·104 | 4,3 | 0,00625 | 2500000 | 0,1062925 |
| 14 | 0,753 | 160 | 877 | 1,26·104 | 4,1 | 0,0126984 | 2016000 | 0,1360544 |
| 13 | 0,772 | 186 | 717 | 9,5·103 | 3,98 | 0,0195789 | 1767000 | 0,1581632 |
| 12 | 0,786 | 209 | 531 | 7,2·103 | 3,86 | 0,0290277 | 1504800 | 0,177721 |
| 11 | 0,807 | 155 | 322 | 5,0·103 | 3,70 | 0,031 | 775000 | 0,1318027 |
| 10 | 0,82 | 67 | 167 | 3,8·103 | 3,58 | 0,0176315 | 254600 | 0,0569727 |
| 9 | 0,84 | 23 | 100 | 2,4·103 | 3,38 | 0,0095833 | 55200 | 0,0195578 |
| 8 | 0,86 | 24 | 77 | 1,7·103 | 3,23 | 0,0141176 | 40800 | 0,0204081 |
| 7 | 0,873 | 23 | 53 | 1,35·103 | 3,13 | 0,017037 | 31050 | 0,0195578 |
| 6 | 0,893 | 14 | 30 | 9,55·102 | 2,98 | 0,01465596 | 13370 | 0,0119047 |
| 5 | 0,907 | 9 | 16 | 7,4·102 | 2,87 | 0,0121621 | 66600 | 0,007653 |
| 4 | 0,92 | 4 | 7 | 5,7·102 | 2,76 | 0,0070175 | 2280 | 0,0034013 |
| 3 | 0,938 | 2 | 3 | 3,4·102 | 2,53 | 0,0058829 | 680 | 0,0017006 |
| 2 | 0,953 | 1 | 1 | 3,0·102 | 2,48 | 0,0033333 | 300 | 0,0008503 |
| 1 | 0,974 | 0 | 0 | ∑0,2035419 | ∑83991640 |
Уравнения для расчета средневесовой (MW) и среднечисленной (МN) молекулярных масс были следующие: MW=2 (hi·Mi)/∑hi; MN=∑hi/∑(hi/Mi); MW/MN - дисперсия молекулярных масс,
где i - номер фрагмента хроматографического пика;
Vi - объем удерживания, мл;
hi - есть высота при каждом 25-секундном интервале хроматографического пика;
Mi - молекулярная масса полимерных молекул кремниевой кислоты i;
Wi=hi/∑hi - доля полимерных молекул кремниевой кислоты с заданной ММ исходной пробе.
По экспериментальным данным в табл.3 приведены результаты количественного определения ММР полимерных молекул кремниевой кислоты в геотермальной воде, которые характеризуются средневесовой (MW) и среднечисленной (МN) молекулярными массами и их отношением (MW/МN), приведенные в табл.4.
| Таблица 4. | |||
| Результаты количественного определения ММР величин MW, MN и MW/MN полимерных молекул кремниевой кислоты в геотермальной воде Мутновского месторождения | |||
| Наименование образца | Показатели | ||
| MW, г/моль | MN, г/моль | MW/MN | |
| Проба геотермальной воды через 1,5 года хранения в условиях лаборатории | 71421,46 | 5777,7 | 12,36 |
По данным табл.3 выявлены ММР - зависимость доли данной молекулярной массы (Wi=hi/∑hi) полимерных молекул от величины этой молекулярной массы (lg Mi). Полученное ММР полимерных молекул кремниевой кислоты в геотермальной воде показано на фиг.3 в виде графика - дифференциальная кривая ММР.
Данные графика на фиг.3 показывают, что наименьшая молекулярная масса полимерных молекул кремниевой кислоты, присутствующая в пике 1, фиг.1, для геотермальной воды, практически равна 252 (lg=2,402), что соответствует смеси димеров и тримеров кремниевой кислоты с преобладанием тримеров. Олигомеру, содержащему 21 атом кремния (Si21), соответствует величина lg 1666=3,23, и его доля составляет 0,02, то есть 2%.
Таким образом, предложенный способ эксклюзионного разделения на высокоэффективной хроматографической колонке с высокосшитым ПДВБ сорбентом позволяет выявлять формы существования кремниевой кислоты в геотермальной воде в виде мономерной кремниевой кислоты, Si(OH)4, в виде олигомеров до Si21 и в виде полимерных молекул с ММ более 1700 Да, а также определять ММР полимерных молекул кремниевой кислоты в геотермальной воде. Такие данные в научно-технической и патентной литературе до предлагаемого способа отсутствовали.
Предложенный способ определения форм существования и ММР полимеров кремниевой кислоты в водных растворах может быть использован для контроля коммерческих золей кремнезема, используемых в качестве связующего для изготовления форм при литье металлов, гидроизоляции пластов при добыче газа и нефти, при производстве древесно-стружечных плит, а также золей кремнезема, используемых в качестве связующего при изготовлении керамических оболочковых форм для точного литья металлов по выплавляемым моделям в авиационной и космической технике.
Разработанный способ определения форм существования и ММР полимерных молекул кремниевой кислоты в геотермальных водных растворах лишен недостатков, которые имеет прототип, а именно
1. Использование высокоэффективной хроматогафической колонки с высокосшитым ПДВБ сорбентом в виде моносферических зерен диаметром 10 мкм и элюента - дистиллированной воды с величиной рН, подогнанной добавлением едкого натрия к величине рН пробы геотермальной воды, обеспечивает высокую эффективность разделения в виде трех хроматографических пиков, по площадям которых определяется относительное содержание компонентов пробы, исключает выпадение солей металлов - катионов Na+, Ca2+, K+, Mg2+, не изменяет ММР полимерных молекул кремниевой кислоты и концентрации мономерной кремниевой кислоты и в геотермальных водных растворах.
2. Использование эталонов полимеров декстрана с ММ от 504 Да до 2000 кДа для получения калибровочной зависимости с пересчетом на калибровочную зависимость для полимерных молекул кремниевой кислоты обеспечивает проведение расчета ММР полимерных молекул кремниевой кислоты в геотермальных водных растворах.
Способ определения форм существования и молекулярно-массового распределения полимерных молекул кремниевой кислоты в геотермальных водных растворах, заключающийся в введении пробы в инжектор, прохождении ее по хроматографическому тракту в потоке элюента, начиная из инжектора в высокоэффективную хроматографическую колонку, заполненную высокосшитым полидивинилбензольным полимерным сорбентом для эксклюзионного хроматографического разделения, детектировании разделяемых соединений при прохождении пробы через детектор, сигналы которого регистрируют в виде хроматограммы, по площадям которых определяется относительное содержание компонентов пробы, расчета молекулярно-массового распределения полимерных молекул по хроматограмме с использованием калибровочной зависимости между величиной логарифма молекулярных масс и объемом удерживания, полученной на стандартах молекулярных масс полимеров без пересчета молекулярных масс стандартов, отличающийся тем, что пробу геотермальной воды берут без разбавления в элюенте, в качестве элюента используют дистиллированную воду с величиной рН, подогнанной добавлением едкого натрия к величине рН пробы геотермальной воды, на получаемой хроматограмме, состоящей из трех пиков, по первому пику рассчитывают молекулярно-массовое распределение полимерных и олигомерных молекул кремниевой кислоты, по второму пику - содержание борной кислоты, по третьему пику - содержание мономерной кремниевой кислоты, причем первый хроматографический пик для расчета молекулярно-массового распределения полимерных и олигомерных молекул кремниевой кислоты корректируют путем вычитания из него хроматографического пика примесей солей металлов, который получают в отдельном эксперименте перед расчетом молекулярно-массового распределения полимерных и олигомерных молекул кремниевой кислоты и подтверждение отнесения пиков к борной и мономерной кремниевой кислотам осуществляют масс-спектрометрически, а для расчета молекулярно-массового распределения полимерных молекул кремниевой кислоты предварительно получают калибровочную зависимость с помощью эталонов полимеров декстрана с молекулярной массой от 504 Да до 2000 кДа и пересчитывают на калибровочную зависимость для полимерных молекул кремниевой кислоты путем учета их молярных объемов.
