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Vorrichtung zur chromatographischen Trennung von in einer Flüssigkeit
gelösten Stoffen In der Chromatographie verwendete zylindrische Säulen eines Sorbens
sollen überall die gleiche Porox sität aufweisen, damit das Lösungsmittel an allen
Stellen eines zu der Strömungsrichtung senkrechten Querschnittes mit der gleichen
Geschwindigkeit fließt.
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Gleiche Porosität ist eine unerläßliche Bedingung dafür, daß das Lösungsmittel
beim Fließen eine gerade Front bildet, d. h. ein zu einem gewissen Zeitpunkt an
der oberen Oberfläche der Säule des Sorbens aufgegebenes Lösungsmittel zu einem
beliebigen späteren Zeitpunkt an allen Stellen gleichmäßig weit durchgeflossen ist.
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Die Forderung einer solchen geraden Front bedeutet aber nicht nur,
daß die Porosität innerhalb der eigentlichen Säule des Sorbens an allen Stellen
eines Querschnittes, der senkrecht zu der Strömungsrichtung steht, gleichmäßig sein
muß, sondern auch, daß die Säule des Sorbens sich eng an das umgebende flüssigkeitsdichte
Gehäuse anlegen muß, so daß zwischen dem Gehäuse und dem Umfang der Säule keine
Zone eines geringeren Durchflußwiderstandes gebildet wird. Das Problem der Verwirklichung
eines richtigen Anschlusses zwischen dem Sorbens und dem umgebenden Gehäuse erhält
besondere Bedeutung, wenn man für die Sorption Stoffe verwendet, welche unter der
Einwirkung gewisser Lösungsmittel quellen. Wenn man sich an die Forderung der geraden
Fronten halten wollte, war es bisher nicht möglich, eine Flüssigkeit, die eine starke
Quellwirkung auf das Sorbens ausübte, durch eine Flüssigkeit zu verdrängen, welche
eine weniger starke Quellwirkung ausübt, da die hierbei eintretende Schrumpfung
der Säule des Sorbens dazu führte, daß die Flüssigkeit an der Wandung des Gehäuses
schneller hindurchfloß als im Inneren der Säule.
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Zu den Sorptionsmitteln, welche quellen und schrumpfen, gehören beispielsweise
Ionenaustauscher und Papier. Papiersäulen können hergestellt werden aus einem Filterpapierstreifen,
der auf einen Kern gewickelt und dann in ein zylindrisches Gehäuse hineingezwängt
wird. Sobald nun das Papier naß wird, quillt es nicht völlig umkehrbar, so daß bei
dem Verdrängen des Wassers mit Alkohol eine Schrumpfung eintritt, wodurch sich an
der Wandung des Gehäuses eine Zone mit einem zu geringen Durchflußwiderstand bildet.
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Diese Erscheinungen des Quellens und Schrumpfens haben die Wahl der
zu verwendenden Lösungsmittel eingeschränkt. Man war bei der Durchführung eines
Trennprozesses gezwungen, Lösungsmittel zu verwenden, die im allgemeinen auf das
Sorbens die gleiche Quellwirkung ausüben.
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Diese Nachteile treten nicht auf, wenn man eine Vorrichtung verwendet,
die dadurch gekennzeichnet ist, daß zwischen dem festen Mantel und dem Papierzylinder
ein elastischer Mantel vorgesehen und an dem festen Mantel eine Öffnung zum Einführen
eines Druckmittels zwischen dem festen und dem elastischen Mantel angeordnet ist.
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Der Druck kann -dabei auch in einem Hohlraum der Säule des Sorbens
zur Wirkung kommen. Diese Ausführungsform ist von besonderem Interesse bei solchen
Säulen, wo das Sorbens aus einem auf einen Kern gewickelten Papierstreifen besteht.
Der Kern selbst kann dann aus einem Rohr bestehen, beispielsweise aus Glas, in dessen
Wandungen eine oder mehrere Öffnungen vorgesehen sind. Rund um dieses Rohr ist ein
Kautschukrohr gezogen, und an der Außenseite des letzteren ist eine Hülle aus einem
Plast, bzw. Kunststoff, angeordnet. Um diese Hülle wird der Papierstreifen zylindrisch
gewickelt, welcher dann in ein starres äußeres Gehäuse eingesetzt wird.
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Wenn nun das Druckmittel in das Rohrinnere eingeführt wird, dann geht
es durch- die Öffnungen in der Rohrwandung hindurch und drückt das Kautschukrohr
sowie die Kunststoffhülle gegen die Innenseite des Hohlraums in dem Papierwickel.
Da das Papier im- feuchten Zustande-verformbar ist, dehnt sich der zentrale Hohlraum
aus und drückt den Papierwickel zusammen, so daß dessen äußerer Umfang an das starre
äußere Gehäuse angepreßt wird. Man -erreicht auf diese Weise ein richtiges Anliegen
sowohl an der
inneren als auch an der äußeren Grenzfläche des Papierwickels,
was eine Vorbedingung ist für eine zu verwirklichende gerade Front.
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Die Anordnung elastischer Rohre in einem durch Quellen sich ausdehnenden
oder zusammenziehenden Bett ist an sich bekannt, allerdings in ganz anderem Zusammenhang.
Bei der bekannten Vorrichtung sind die elastischen Rohre in einem Bett aus Ionenaustauschermaterial
angeordnet und dienen lediglich dazu, die Reibung zwischen den Körnern des Materials
beim Schwellen und Schrumpfen derselben zu verhindern. Das hier vorliegende Problem
der Isoporosität bzw. der geraden Front, tritt bei einem Ionenaustauscherbett überhaupt
nicht auf.
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Die Erfindung soll nunmehr nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnung
ausführlicher beschrieben werden.
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Fig. 1 der Zeichnung zeigt eine Ausführungsform der Vorrichtung,
während Fig. 2 eine Modifikation darstellt.
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Bei der Vorrichtung nach Fig. 1 bedeutet 1 eine Säule eines Sorbens
in der Form eines Streifens Filterpapier, welcher in der Gestalt eines Zylinders
um einen Kern 2 aus Metall, Glas oder einem sonstigen Werkstoff, welcher den verwendeten
Lösungsmitteln widersteht, gewickelt ist. Der Papierzylinder befindet sich innerhalb
eines elastischen Rohres 3 aus einem Kunststoff oder einem sonstigen Werkstoff,
der den Lösungsmitteln widersteht, und dieses Rohr 3 wiederum ist von einem Kautschukrohr
4 umgeben.
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Das Ganze wird in einen Metallzylinder 5 eingesetzt, wobei die beiden
Enden des Kautschukrohres an Kegelflächen an der Innenwandung des Metallzylinders
5 befestigt werden, und zwar mittels der Ringe 6 und 9, welche ebenfalls Kegelflächen
besitzen und durch die Gewindemuffen 7 und 10 festgehalten werden. Zur Überbrückung
des Zwischenraumes zwischen dem Papierzylinder und der Innenwandung des Metallzylinders
sind die Gleitringe 8 und 11 angeordnet, die sich mit Kegelflächen an das Kautschukrohr
anlegen und durch Reibung an den Dichtungsringen 6 und 9 an Ort und Stelle gehalten
werden.
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Die Flüssigkeit wird oben durch ein Rohr 12 zugeführt und wird unten
durch einen Trichter 13 aufgefangen.
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In der Wandung des Metallzylinders ist eine Öffnung für ein Einlaßrohr
14 für das Druckgas oder für eine unter Druck stehende Flüssigkeit vorgesehen.
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Vorzugsweise befindet sich dort auch eine Öffnung für ein Manometer
16 zur Anzeige des Druckes in dem Zwischenraum 15 zwischen der Innenwandung des
Metallzylinders 5 und der Papiersäule.
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Wird ein Gas, z. B. Luft oder Stickstoff, durch das Rohr 14 hindurch
in den Raum 15 eingeführt und auf konstantem Druck gehalten, dann drückt das Kautschukrohr4
das Rohr 3 an den Umfang des Papierzylinders 1, und zwar mit einem Druck, welcher
an jeder Stelle des Umfanges die gleiche Größe besitzt.
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Dieser Druck ist auch im wesentlichen unabhängig von den Schwankungen
in dem Durchmesser des Papierwickels, welche durch das Quellen und Schrumpfen des
Papiers unter dem Einfluß der verschiedenen Lösungsmittel zustande kommen, vorausgesetzt,
daß das Gasvolumen im Verhältnis zu dem Volumen des Aufquellens reichlich bemessen
ist.
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Damit wird es möglich, bei ein und demselben Trennvorgange abwechselnd
beispielsweise Wasser Alkohol und mit Wasser nicht vermischbare organische Lösungsmittel
zu verwenden und dabei stets
gerade Fronten zu erhalten, trotz der verschiedenen
Quellwirkung dieser Lösungsmittel auf das Papier.
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Das Druckmittel muß in einer solchen Weise zugeführt werden, daß
selbst große Schwankungen in dem Durchmesser der Säule des Sorbens keine Druckänderung
verursachen. Bei Verwendung eines zusammendrückbaren Mediums, beispielsweise eines
Gases, kann das erreicht werden durch die reichliche Bemessung des Gasvolumens im
Verhältnis zu dem Volumen des Aufquellens. Man kann auch irgendeinen Manostaten
verwenden, um den Druck konstant zu halten. So kann man beispielsweise ein Gas einfach
von einem Druckgasbehälter aus zuführen, welcher mit einem Druckminderventil versehen
ist, das den gewünschten Druck aufrechterhält. -In der Fig. 1 sind einige wenige
Typen der Front der durchfließenden Flüssigkeit dargestellt. Eine gerade Front 17
erhält man der vorliegenden Erfindung zufolge, wenn der-Raum 15 mit einem Gas geeigneten
Druckes gefüllt gehalten wird. Bei Fehlen eines solchen Druckes und beim Übergang
von einem eine größere Quellung verursachenden auf ein eine geringere Quellung verursachendes
Lösungsmittel wird der Durchflußwiderstand sowohl am Außenumfang des Papierzylinders
als auch an der Wandung des Kerns 2 zu gering, aus welchem Grunde dann die Front
das mit 18 bezeichnete Aussehen annimmt. Wenn andererseits der Druck des Gases in
dem Raum 15 zu hoch ansteigt, dann wird der Durchflußwiderstand am Außenumfange
des Papierzylinders und neben dem Kern zu groß, aus welchem Grunde die Front das
Aussehen gemäß der Linie 19 annimmt.
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Fig. 2 zeigt eine Modifikation der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Ein Papierstreifen ist hier zu einem Zylinder 21 auf einem Kern 22 gewickelt, wobei
der letztere aus einem Rohr, beispielsweise aus Glas, besteht. Das Rohr ist in der
Wandung mit den Öffnungen 23 versehen. Das eine Ende des Rohres ist durch einen
Stopfen 27 luftdicht abgeschlossen, während das entgegengesetzte Ende durch einen
Stopfen 28 abgeschlossen ist, der mit einem Zuleitungsrohr 29 für Druckluft versehen
ist. Das Rohr 22 ist umgeben von einem Kautschukrohr 24, dessen Enden mittels der
Klemmringe26 dicht an dem Rohr 22 befestigt werden. Außerhalb des Kautschukrohres
ist ein elastisches Rohr 25 angeordnet; dieses letztere besteht aus einem den Lösungsmitteln
widerstehenden Werkstoff, beispielsweise einem Kunststoff. Das Ganze befindet sich
innerhalb eines starren Gehäuses 30.
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Wenn ein Gas unter einem geeigneten Druck in das Rohr 22 eingeleitet
wird, strömt das Gas durch die Öffnungen 23 und drückt das Kautschukrohr 24 sowie
das Rohr 25 an die Innenwandung des Papierzylinders 21. Das Papier ist in einem
solchen Ausmaße verformbar, daß der äußere Umfang des Papierzylinders an die Innenwandung
des starren Gehäuses 30 gedrückt wird, wodurch erreicht wird, daß die Durchflußgeschwindigkeit
in der ganzen Querschnittsfläche die gleiche ist.
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Bei Verwendung der Vorrichtungen nach den Fig. 1 und 2 beläuft sich
der dabei angewandte Druck zweckmäßigerweise auf 0,2 bis 1,0kg/cm2. Bei Verwendung
von Papier als Sorbens würde die Papiersäule zu stark verformt werden, wenn der
Druck über 2kg/cm2 ansteigt. Bei chromatographischen Adsorptionsanalysen unter Verwendung
einer Vorrichtung gemäß Fig. 1 mit einem Zylinder aus schnell wirkendem Filtrierpapier
von 80 mm Durchmesser sowie bei abwechselnder Verwendung von Wasser und Alkohol
als Lösungsmitteln wurde es für ratsam befunden,
einen Druck von
etwa 0,6 kg/cm2 aufrechtzuerhalten.
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Sollte der Wechsel zwischen anderen Lösungsmitteln andere Drücke erfordern,
dann kann man den richtigen Druck leicht in der Weise finden, daß man feststellt,
bei welchem Druck eine gerade Front zustande kommt.
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Die Vorrichtungen nach den Fig. 1 und 2 ermöglichen es auch, den Druck
im Verlauf des Trenuvorganges in einfacher Weise zu ändern, falls dies erforderlich
werden sollte.