DE2317455A1

DE2317455A1 - Chromatographisches fuellmaterial

Info

Publication number: DE2317455A1
Application number: DE2317455A
Authority: DE
Inventors: Joseph Jack Kirkland
Original assignee: EI Du Pont de Nemours and Co
Current assignee: EIDP Inc
Priority date: 1972-04-07
Filing date: 1973-04-06
Publication date: 1973-10-18
Also published as: JPS4917796A; JPS6035173B2; SE400383B; DE2317455B2; FR2179219A1; DE2317455C3; IT981900B; FR2179219B1; US3782075A; GB1430951A; CH590681A5; NL7304833A

Description

E.I. DU PONO? DB MEMOURS AND COMPANY 10th and Market Streets, Wilmington, Delaware 19 898, Y.St.A,

Chromatographisches Füllmaterial

Das Bedürfnis nach, verbessertem Füllmaterial für chromato- · graphische Säulen ist bekannt.

Eine für chromatographische Zwecke verwendete Füllung besteht aus einem Pulver aus vollständig massiven Teilchen. Ein solcher Träger hat den Nachteil, dass er für das jeweilige Verfahren nur ein Minimum an spezifischer Oberfläche zur Verfügung stellt.

Ferner sind als chromatographische Träger auch schon vollständig poröse Körper von gesteuerter Porosität verwendet worden, wie sie in der britischen Patentschrift 1 171 651 beschrieben sind; diese Teilchen leiden aber an dem Nachteil, dass sie nicht aus Siliciumdioxid bestehende Verunreinigungen in Form von Alkali- und Erdalkaliionen, wie Na⁺, als integrierenden Bestandteil enthalten. Körper, die solche Verunreinigungen enthalten, haben eine nicht-homogene Oberflächenzusammensetzung, die dazu führen kann, dass ein gelöster Stoff in der Trägerphase an einigen Oberflächenstellen bevorzugt gegenüber

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anderen Stellen adsorbiert wird. '

Völlig poröse teilchen ohne derartige Verunreinigtingen/sind durch Zerstäubungstrocknung eines, kolloidalen Kieselsäuresole hergestellt worden, wie es in der USA-Patentschrift 3 301 635 beschrieben ist. Das Zerstäubungstrocknen führt aber zur Bildung von Teilchen von ungleichmässiger Grosse, die im allgemeinen grosser als 20 μ sind» Diese beiden Paktoren beeinträchtigen die Verwertbarkeit solcher Teilchen für chromatographische Zwecke.

Bei vollständig porösen Teilchen, die nach den bisher bekannten Verfahren hergestellt werden, liegt die Hauptschwierigkeit darin, dass sie ungleichmässige Grossen aufweisen. Die Verwendung eines Pulvers von ungleichmässiger Teilchengrösse ist wegen des Unterschiedes in der Zeit, die erforderlich" ist, damit die mobile Phase in die Teilchen von verschiedenen Grossen hinein und aus den Teilchen von verschiedenen Grossen hinausdiffundieren kann, gleichbedeutend mit der Verwendung eines nicht-homogenen Trägermediums, lerner.ist die Erhöhung des Auflösungsvermögens bei den neuzeitlichen chromatographischen Methoden weitgehend von einer Erhöhung im Wirkungsgrad der -Säulenfüllung abhängig. Wenn die Teilchen ungleichmässige Grossen haben, wird der Wirkungsgrad der Füllung vermindert. Es ist zwar möglich, ein Pulver aus Teilchen von sehr verschiedenen Grossen herzustellen und die Teilchen dann durch Klassierung in Teilchen von gleichmässigen Grossen zu zerlegen; dies hat sich jedoch als sehr schwierig erwiesen, wenn die Teilchengrösse weniger als 20 μ beträgt»

Die andere Schwierigkeit bei den bekannten Produkten liegt in der Grosse der entstehenden Teilchen. Grosse Teilchen, bei denen die Poren tief im Inneren der einzelnen Teilchen liegen, führen zur Ausbildung von tiefen Ansammlungen von stagnierender mobiler Phase, was wiederum eine Bandverbreiterung und •eine Verminderung des Auflösungsvermögens des chromatographi-

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sehen Gerätes nach sich zieht. Diese Schwierigkeit ist durch Verwendung von oberflächlich porösen Teilchen vermindert worden, wie sie in der USA-Patentschrift 3 505 785 beschrieben sind. Bei diesen oberflächlich porösen Teilchen besteht der Teilchenkern aus einer massiven Kugel, die von mehreren monomolekularen Schichten kleinerer Siliciumdioxidteilchen umgeben ist. Die kleineren äusseren Teilchen liefern eine erhöhte spezifische Oberfläche, und das Ausmass der stagnierenden Ansammlungen von mobiler Phase wird dadurch verringert,'dass der Mittelkern der Teilchen undurchlässig ist. Die Verwendung eines massiven Mittelkerns ist aber eine für die Lösung der durch tiefe Poren bedingten Probleme unwirksame Methode, weil die Erhöhung der spezifischen Oberfläche in'diesem lalle durch eine Vergrösserung der Teilchen erkauft werden muss.

Gegenstand der Erfindung ist ein chromatographisches füllmaterial, bestehend aus einem Pulver aus porösen Mikrokugeln, deren Oberfläche aus einem hitzebeständigen Metalloxid besteht, dadurch gekennzeichnet, dass (a) praktisch alle Mikrokugeln einen Durchmesser im Bereich von etwa dem 0,5- bis 1,5-fachen des mittleren Durchmessers der Mikrokugeln in dem Pulver aufweisen, (b) die Mikrokugeln, aus vielen gleichmässig grossen kolloidalen Teilchen zusammengesetzt sind, die in Form eines dreidimensionalen Gerüsts miteinander verbunden sind, und (c) die kolloidalen Teilchen weniger als 50 $> des Volumens der Mikrokugeln einnehmen, während der Rest des Volumens aus untereinander verbundenen Poren von gleichmässiger Porengrössenverteilung besteht.

Gemäss der bevorzugten Ausfuhrungsform haben die Mikrokugeln einen Durchmesser von etwa dem 0,8- bis 1,2-fachen des mittleren Durchmessers der Mikrokugeln in dem Pulver. Nach einer noch, weiter bevorzugten Ausführungsform sind die kolloidalen Teilchen aus Siliciumdioxid, Aluminiumoxid, Zirkoniumoxid, Titanoxid, Eisen(III)-oxid, Antimonoxid und/oder Zinnoxid zusam-

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mengesetzt.. Nach einer noch stärker bevorzugten Ausführungsform haben die Mikrokugeln einen mittleren Durchmesser von etwa 1,0 bis IQ· μ. Gemäss einer noch stärker bevorzugten Ausführungsform haben die Mikrokugeln eine spezifische Oberfläche von mehr als 75 $> der spezifischen Oberfläche, die die kolloidalen Teilchen, aus denen sie bestehen, aufweisen.

Die Erfindung stellt ferner ein chromatographisches Trennverfahren zur Verfügung, bei dem das zu zerlegende Material zusammen mit einer Trägerphase mit einer Auflösezone in Berührung gebracht wird., die ein Pulver aus porösen Mikrokugeln enthält, die eine hitzebeständige Metalloxidoberfläche auf- ' weisen, welches .dadurch gekennzeichnet ist, dass (a) praktisch alle Mikrokugeln einen Durchmesser im Bereich von etwa dem 0,5- bis 1,5-fachen des mittleren Durchmessers der Mikrokugeln in dem Pulver aufweisen, (b) die Mikrokugeln aus vielen gleichmässig grossen kolloidalen Teilchen zusammengesetzt sind, die in Form eines dreidimensionalen Gerüsts miteinander verbunden sind, und (c) die kolloidalen Teilchen weniger als 50 # des Tolumens der Mikrokugeln einnehmen, während der Rest des Yolumens aus untereinander verbundenen Poren von gleichmassiger Perengrössenverteilung besteht.

Zur' weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnungen Bezug genommen.

Fig. 1 zeigt ein einzelnes poröses Pulverteilchen, das sich als Bestandteil der chromatographisehen Füllung gemäss der Erfindung eignet. Das Mikroteilchen ist durch das Bezugszeichen 10 angedeutet, die kolloidalen Grundteilchen sind mit 11 und die Poren in den Mikrokugeln mit 12 bezeichnet»

Fig. 2 ist eine schematische Ansicht eines Schnittes durch ein Mikroteilchen und zeigt die leicht zusammengewachsenen kolloidalen Teilchen 11, die durch Poren 12 von gleichmässiger Grosse voneinander getrennt werden.,

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Pig. 3 erläutert eine hochgradig wirksame Zerlegung eines Gemisches aus aromatischen Hydroxyverbindungen durch Flüssigflüssig-Chromatographie unter Verwendung eines ehroma-tographischen Füllmaterials gemäss der Erfindung.

Fig. 4 erläutert eine hochgradig wirksame Zerlegung eines Gemisches aus aromatischen Hydroxyverbindungen durch Flüssigfest-Chromatographie unter Verwendung eines chromatographischen Füllmaterials gemäss der Erfindung.

Fig. 5 erläutert eine hochgradig wirksame Trennung dreier Polystyrolfraktionen durch Exklusionschromatographie unter Verwendung der chromatographischen Füllstoffe gemäss der Erfindung .

Die erfindungsgemäss als Füllmaterial verwendeten Mikrokugeln haben einen mittleren Durchmesser von etwa 0,1 bis 20 μ, vorzugsweise von etwa 1,0 bis 10 μ. Ferner haben sie gleichmässige Grossen, was bedeutet, dass weniger als 5 # der Teilchen in dem Pulver Durchmesser von weniger als dem etwa 0,5-fachen des mittleren Durchmessers der Mikrokugeln in dem Pulver aufweisen, und dass weniger als 5 i° einen Durchmesser von mehr als dem etwa 1,5-fachen des mittleren Durchmessers aufweisen. Vorzugsweise reicht dieser Bereich von dem etwa 0,8-fachen bis zu dem etwa 1,2-fachen des mittleren Durchmessers. Schliesslich haben die Mikrokugeln gesteuerte Porenabmessungen sowie eine verhältnismässig grosse spezifische Oberfläche und ein grosses Porenvolumen. Durch Steuerung des Sinterverfahrens, das angewandt wird, um den Teilchen Festigkeit zu verleihen, kann man zu Mikrokugeln mit spezifischen Oberflächen gelangen, die bis etwa 90?$ der spezifischen Oberfläche der kolloidalen Teilchen betragen, aus denen die Mikrokugeln bestehen, und trotzdem weisen solche Mikrokugeln immer noch eine so hohe Festigkeit auf, dass sie verwendet werden können, ohne zu zerbrechen. Die Grosse der in den Mikroteilchen enthaltenen Poren hängt in erster Linie von der Grosse der zur

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Herstellung der Mikrokugeln verwendeten kolloidalen Teilchen ab.

Der mittlere Durchmesser der Poren in den Mikrokugeln gemäss der Erfindung "beträgt bei einem Porendurchmesser von 1000 JL etwa die Hälfte des berechneten Durchmessers der Grundteilchen, aus denen die Mikrokugel besteht. Dieser Durchmesser wird nach, der Gleichung

η 6000

berechnet, in der D den berechneten Durchmesser des Grundteilchens, 'd die Dichte des massiven anorganischen Materials (z.B. 2,2 g/cm für amorphes S-.'g") und A. die spezifische Oberfläche der Mikrokugel, bestimmt durch Stickstoffadsorption gemäss P.M. HeIson und F.T. Eggerstein, "Analytical Chemistry", 30_, 1587 (1958), bedeutet. Bei 100 Ä ist der Porendurchmesser etwa gleich dem Durchmesser des kolloidalen Teilchens, und bei etwa 50 £ beträgt er das etwa 1 1/2-fache des Durchmessers des kolloidalen Teilchens.

Bei Verwendung ,von kolloidalen Teilchen gemäss der nachstehenden Definition haben die Mikroteilchen gemäss der Erfindung Durchmesser im Bereich von etwa 50 bis 2500 S. oder vorzugsweise von etwa 75 bis 1000 £.

Die als Füllmaterial für die chromatographische Säule oder die Auflösezone erfindungsgemäss verwendbaren Mikroteilchen können nach einem Verfahren hergestellt werden, bei dem zunächst ein wässriges Sol von hitzebeständigen Oxidteilchen hergestellt und dieses mit einem copolyraerisierbaren Gemisch aus Harnstoff und Formaldehyd oder aus Melamin und Formaldehyd gemischt wird. Dann wird die Polymerisation eingeleitet, und es erfolgt eine Koazervation des organischen Materials zu Mikrokugeln, die die kolloidalen Teilchen enthalten. Die Mikrokugeln werden dann verfestigt, gesammelt, gewaschen und getrocknet. In diesem Stadium des Verfahrens bestehen die Mikro-"

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kugeln aus vielen kolloidalen Teilchen, die in eine' Polymerisatkugel eingebettet sind. Dann wird das organische Material bei einer Temperatur abgebrannt, die so hoch ist, dass die organischen Bestandteile oxydiert werden, das anorganische Material jedoch nicht schmilzt. Im allgemeinen erfolgt dies bei etwa 550° C. Die porösen Mikrokugeln werden dann bei einer erhöhten Temperatur von etwa 1000° C so lange gesintert, bis die Mikroteilchen fest genug geworden sind, damit sie bei der Anwendung nicht zerbrechen. Ein gutes Anzeichen dafür, ob eine Sinterung stattgefunden hat, ist die Verminderung der spezifischen Oberfläche der Mikrokugel auf einen Wert, der um mindestens 10 i° geringer ist als die spezifische Oberfläche der kolloidalen Teilchen selbst.

Die Bildung der Mikrokugeln erfolgt durch Zusammentreten der anorganischen kolloidalen Teilchen mit dem organischen Koazervat. Es wird angenommen, dass die aus s er ordentliche G-leiebmässigkeit sowohl in der G-rÖsse der Mikrokugeln als auch in der Verteilung der kolloidalen Teilchen in den Mikrokugeln auf eine Wechselwirkung zwischen Hydroxylgruppen an der Oberfläche der kolloidalen Teilchen und Teilen der Polymerisatkette zurückzuführen ist. Daher weisen die zur Herstellung des Füllmaterials gemäss der Erfindung verwendeten kolloidalen Teilchen an ihren Oberflächen Hydroxylgruppen auf, die denjenigen einer hydratisieren Oxidoberfläche äquivalent sind. Das Innere der Teilchen kann aus einem anderen Stoff bestehen, die Oberfläche muss sich aber hydroxylieren lassen. Pur die Zwecke der Erfindung wird als anorganisches Kolloid ein solches bezeichnet, das einen festen Rückstand hinterlässt, nachdem das Polymerisat entfernt worden ist. Die bevorzugten Kolloide sind daher hitzebeständige. Metalloxide, die bei etwa 500 C nicht schmelzen und sieh nicht anderweitig zersetzen. Dieses ist etwa die niedrigste Temperatur, die zum Ausbrennen des organischen Materials angewandt werden kann. Im allgemeinen haben die hitzebeständigen Teilchen jedoch Schmelzpunkte von mehr als 1000° C; man kann aber auch niedriger schmelzen-

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de Oxide verwenden, wenn das Polymerisat durch langsame Oxy-dation bei niedrigeren Temperaturen entfernt wird. Beispiele für hitzebeständige Metalloxide, die erfindungsgemäss verwendet werden können, sind Aluminiumoxid, Zirkoniumoxid, Titanoxid, Eisen(III)-oxid, Antominoxid, Zinnoxid und Kombinationen derartiger Oxide, wobei Siliciumdioxid bevorzugt wird.

Die erfindungsgemäss verwendeten Grundteilchen sind kolloidale Teilchen. Dies bedeutet für die Zwecke der Erfindung, dass die Teilchen in mindestens zwei Dimensionen Grossen im Bereich von 3 bis 500 ΐπμ und in der dritten Dimension eine Grosse im Bereich von 3 bis 1000 ΐημ haben. Teilchen, die in einer Dimension grosser als 1 μ sind, oder die in irgendeiner Dimension grosser als das etwa 0,1-fache des Durchmessers der Mikrokugel sind, lassen sich nur schwierig in kugelförmige Mikroteilchen einlagern, da die grosse Abmessung die Bildung kugelförmiger Einzelteilchen stört.

Die erfindungsgemäss verwendeten organischen Stoffe sind anfänglich in Wässer löslich und mit dem anorganischen Kolloid mischbar, ohne es bei dem pH-Wert, bei dem die Reaktion vor sich geht, auszuflocken oder zu lösen. Das sich bildende Polymerisat ist unlöslich in Wasser, Es· gibt zwar eine Reihe verschiedener organischer Stoffe, die sich für die Zwecke der Erfindung eignen; den höchsten Grad von Gleichmässigkeit in der Teilchengrösse und in der Porengrössenverteilung erzielt man jedoch durch Copolymerisation eines Gemisches aus Harnstoff und Formaldehyd oder eines Gemisches aus Melamin und Formaldehyd. Im Falle von Harnstoff und Formaldehyd eignen sich Molverhältnisse von etwa 1 bis "I₉2· oder 1,5 bei einem pH-Wert von etwa 1,0 bis 4,5_S und im lalle von Melamin und Formaldehyd eignen sich Molverhältnisse von etwa 1 bis 3 bei einem pH-Wert von etwa 4 bis 6.

Das Yerhältnis von organischem zu anorganischem Material wird so bemessen, dass der volumprozentuale Anteil des anorgani-

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sehen Materials in den ausgefallenen Teilchen nach der Polymerisation etwa 10 "bis 50 $> "beträgt. Um nach dem Ausbrennen des organischen Materials zusammenhängende poröse Kugeln zu erhalten, soll die Konzentration der anorganischen Teilchen in der Einbettungsmasse so hoch sein, dass sie sich unter Bildung eines dreidimensionalen Gerüsts aneinander "binden. Dieses Gerüst kann, wenn es "bei 550° C hergestellt wird, sehr zerbrechlich sein; wenn es aber ungestört auf höhere Temperaturen erhitzt wird, um das Sintern herbeizuführen, nehmen die porösen Kugeln Festigkeit an. Um zu gewährleisten, dass eine für die gewünschte !Festigkeit ausreichende Sinterung stattgefunden hat, werden die Teilchen im allgemeinen bei einer erhöhten Temperatur, gewöhnlich oberhalb 900° C, gesintert, die so hoch ist, dass die spezifische Oberfläche des Teilchens um mindestens 10 $ unter den Wert herabgesetzt wird, den die spezifische Oberfläche der kolloidalen Teilehen aufweist, aus denen sieh die kugelförmigen Teilchen bilden.

Die Mikrokugeln gemäss der Erfindung haben gleichmässige Poren, deren Durehmesser von der Grosse der zu ihrer Herstellung verwendeten kolloidalen Teilehen und dem Yolumenverhältnis von organischem Polymerisat zu anorganischem Material abhängt. Je grosser die Teilchen sind, desto grosser sind auch die Poren zwischen den Teilchen, und je grosser das relative Volumen des organischen Polymerisats in den Mikrokugeln bei deren Entstehen ist, desto offener wird das Gerüst der anorganischen Teilchen, und desto weiter werden die Poren.

Bei den günstigsten Abmessungen weisen diese Mikrokugeln ein hervorragendes Verhalten bei verschiedenen Formen der ITüssigkeitschromatographie, nämlich bei der Flüssig-flüssig-Chromatographie, bei der Flüssig-fest-Chromatographie und bei der Exklusionschromatographie, auf. Eine hochgradig wirksame ITüssig-fest-Chromatographie (Dünnschichtchromatographie und Säulenchromatographie) kann z.B. mit Mikrokugeln mit Durchmessern im Bereich von 1,0 bis 10,0 μ durchgeführt werden, die aus

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kolloidalen Teilchen mit Grossen von 3 Ms 100 ΐημ hergestellt werden. Sehr schnelle flüssig-flüssig-chromatographische Trennungen können durchgeführt werden, indem man Mikrokugeln mit einem Durchmesser im Bereich von 1,0 "bis 10,0 μ, die aus kolloidalen Teilchen mit Grossen von 20 bis 80 πιμ hergestellt sind, mit entsprechenden stationären flüssigen Phasen überzieht. Diese Teilchen können auch mit Ionenaustauschern umgesetzt werden, um Träger für die Ionenaustauschchromatographie zu erhalten. Sie können mit Reagenzien zu chromatographischen Füllungen mit chemisch gebundenen stationären Phasen umgesetzt werden. Hochgradig wirksame gas-flüssig- und gas-fest-chromatographische Trennungen können mit Mikrokugeln mit Durchmessern im Bereich von 50 b.'.., 150 μ durchgeführt werden, die aus kolloidalen Teilchen mit Grossen von 50 bis 200 ταμ hergestellt werden. Der Bereich wertvoller Mikroteilchendurchinesser erstreckt sich daher von etwa 0,5 bis 500 μ.

Da die aus einer jeden Grosse von kolloidalen Teilchen hergestellten Mikrokugeln eine vollständig poröse Struktur mit enger Porengrössenverteilung haben, kann man durch Variieren der Grosse der kolloidalen Teilchen Mikrokugeln mit einem bestimmten Bereich von verhältnismässig homogenen Porengrössen herstellen. Mikrokugeln aus Siliciumdioxid mit Poren von bekannter Abmessung können für Schnelltrennungen durch Exklusionschromätographie (Geldiffusion und Gelfiltration) durchgeführt werden, die auf der unterschiedlichen Wanderung der Moleküle auf Grund der Molekülgrösse und des Molekulargewichts beruhen. Die kleine Teilchengrösse begünstigt einen schnellen Massenübergang, so dass man mit viel höheren als normalen Trägergeschwindigkeiten arbeiten und trotzdem noch ein Gleichgewicht in der diffusionsgesteuerten Wechselwirkung aufrechterhalten kann, die zwischen den Poren in der vollständig porösen Struktur stattfindet. Die festigkeit und Starrheit der Mikrokugeln ermöglicht die Anwendung sehr hoher Drücke (mindestens bis 420 kg/cm ) ohne Zerfall oder Verformung der Teilchen. Die kugelförmige Natur der Teilchen ermög-

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licht das Pullen von Säulen mit einer grösseren Anzahl von theoretischen Böden, was von "besonderer Bedeutung für die Trennung kleiner Moleküle ist. Yon vorrangiger Bedeutung bei der Exklusionschromatographie ist das innere Volumen der für die Trennung verwendeten Teilchen. Das Porenvolumen in den Mikrokugeln ist verhältnismässig hoch, gewöhnlich 50 bis 65 i° (bestimmt durch Stickstoffadsorption nach der B.E.T.-Methode) und hängt von der Porengrösse ab, die derjenigen Porengrösse vergleichbar ist, wie sie bei den in grossem Umfange für die Exklusionschromatographie verwendeten porösen Gläsern und porösen organischen Gelen vorkommt.

Es lässt sich voraussagen, dass die Mikrokugeln aus Siliciumdioxid sich für Gelfiltrationstrennungen in wässrigen Systemen eignen und besonders wertvoll für die Trennung kleiner polarer Moleküle sein werden. Mikrokugeln mit Poren im Bereich von 50 bis 2500 2. sollten die exklusionschromatographisehe Trennung vieler verschiedener Verbindungen sowohl in wässrigen als auch in nicht-wässrigen Systemen mit hoher Geschwindigkeit ermöglichen.

Einer der Paktoren, die den Wirkungsgrad der Säule beeinflussen, ist die füllung der Säule oder die Struktur, die die Auflösezone darstellt. Die Mikroteilchen gemäss der Erfindung haben in dieser Beziehung einen eindeutigen Vorteil, weil jehre Kugelform und gleichmässige Grosse zu der Leichtigkeit beiträgt, mit der sie sich unter Bildung eines dichten Bettes einfüllen lassen. Das üblichste Püllverfahren ist das Trockenfüllen. Die Leistung der Säule kann aber bedeutend verbessert werden, wenn die Säule beim Trockenfüllen in senkrechter Richtung mit gesteuerter Frequenz bewegt wird, während das Trokkenfüllmaterial der Säule mit konstanter Geschwindigkeit zugeführt wird.

Das Trockenfüllen wird schwierig, wenn die Teilchen Durchmesser von weniger als 20 μ haben. Bei solchen Teilchen ist eine

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andere Methode, nämlich das Hoehdruckschlaminfüllen, mit Erfolg angewandt worden. Die gleiehmässigen porösen Siliciumdioxid-Mikrokugeln gemäss der Erfindung lassen sich, leicht durch Hochdruckschlammfüllen in Säulen einbringen, nachdem man eine stabile wässrige Suspension hergestellt hat. Diese Suspension erhält man durch Ultraschallmischen der Füllung in entgaster, 0,001-molarer Ammoniumhydroxidlösung. Durch das adsorbierte IJH.⁺ erhält jedes Teilchen eine positive Ladung, so dass sieh die Teilchen gegenseitig abstossen und die Aufschlämmung unter minimaler Aggregatbildung stabilisiert wird. Diese Methode arbeitet besonders gut bei Yerwendung der vollständig porösen Siliciumdioxid-Mikrokugeln gemäss der Erfindung, weil sie eine gleichmässige Teilchengrösse haben. Der mit Ammoniak stabilisierte Schlamm wird schnell in der übli- » chen Weise unter einem Druck von 420 kg/cm in leere Säulen gepumpt. Das Wasser wird aus der Füllung entfernt, indem man absolutes Methanol hindurchpumpt. Dann wird die Füllung mit dem für die ehromatographische Trennung zu verwendenden Lösungsmittel oder System aus Lösungsmittel und stationärer Phase ins Gleichgewicht gebracht. Für die Flüssig-fest-Chromatographie werden die mit Methanol behandelten Mikrokugeln z.B. mit zur Hälfte mit Wasser gesättigtem Ither konditioniert, um den Wassergehalt in der Struktur einzuregeln. Ghromatographische Säulen, die mit diesem durch Ammoniak stabilisierten Schlamm gefüllt sind, haben sieh als reproduzierbar nicht nur hinsichtlich ihres Wirkungsgrades, sondern auch hinsichtlich der Beibehaltung ihrer Selektivität erwiesen. Solche Säulen sind stabil und können offenbar bei Drücken von mindestens 420 kg/em eingesetzt werden.

Infolge, der Kugelform und des engen Teilchengrössenbereichs haben mit Mikrokugeln beschickte Säulen eine verhältnismässig hohe spezifische Permeabilität K°, wie die nachstehende Wergleichstabelle I zeigt.

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Tabelle I

Teilchen- K⁰ Art der Füllung ■ grösse, μ cm^ x 10

Teilchen mit poröser Oberfläche <37 2,2

("Zipax" der E.I. du Pont de
Hemours and Comp.)

Diatomeenerde, Kieselgur 5-15 0,20

Siliciumdioxidgel 5-10 0,092

poröse Silieiumdioxid-Mikrokugeln . 8-9 0,16

poröse Silieiumdioxid-Mikrokugeln 5-6 0,077

Die porösen Silieiumdioxid-Mikrokugeln von engem Teilchengrössenbereich haben eine höhere Permeabilität (einen geringeren Strömungswiderstand) als unregelmässig geformte Teilchen aus Siliciumdioxidgel und aus Diatomeenerde von der gleichen Grösse, aber mit weiterem Teilehengrössenbereieh. Der Druckbedarf von mit Mikrokugeln gefüllten Säulen ist so niedrig, dass die meisten, in der neuzeitlichen Flussigkeitsehromatographie üblicherweise verwendeten Pumpen eingesetzt werden können. Mit Mikrokugeln mit Teilchengrössen von 5 bis 6 μ gefüllte Säulen von 1 m Länge können bei Drücken von nur 168 kg/cm mit Trägergesehwindigkeiten von 0,5 cm/see betrieben werden. Eine solche Säule würde mehr als 20 000 effektive Böden aufweisen, was sehr schwierige Trennungen ermöglichen sollte»

Ein bedeutungsvolleres Maß für die Säulenleistung ist der von L.R. Snyder in "Gas Chromatography 1970", herausgegeben von The Institute of Petroleum, Seite 81, vorgeschlagene leistungsfaktor. Dieser Leistungsfaktor ist gleich

(K/0,5) ^ά /D,

worin K die Permeabilität der Säule, <\ die Tiscosität des Trägers bedeutet und D aus der Gleichung H = Dvⁿ berechnet wird, worin ν die Trägergeschwindigkeit, H die Bodenhöhe, D eine Säulenkonstante und η ein Exponent ist. Im Tabelle II werden

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die effektiven Böden je Sekunde mit den Leistungsfaktoren, für verschiedene Säulenfüllungen verglichen.

Tabelle

Art der Füllung

"Zipax" (siehe oben) Silieiumdiöxidgel
Diatomeenerde, Kieselgur

poröse Siliciumdioxid-Mikrokugeln

Teilchengrösse, μ

<37-5-10

5-15

8-9

5-6

Effektive
Böden je
Sekunde --

10
.15

14
23

leistungsfaktor

37 28 16

126 170

Je höher der Leistungsfaktor ist, desto besser ist das Trennvermögen der Säule. Aus der obigen Tabelle ist ersichtlich, dass die porösen Siliciumdioxid-Mikrokugeln gemäss der Erfindung beim Vergleich mit den bisher bekannten Füllungen recht günstig abschneiden.

Die Durchführung der Erfindung und die dadurch erzielten Vorteile werden durch die folgenden Beispiele erläutert.

Beispiel

Plüssig-flüssig-Chromatographie wird mit hoher Geschwindigkeit mit einem Füllmaterial aus Mikroteilchen mit Durchmessern τοη 5 bis 6 μ und einem mittleren Porendurchmesser von 350 £ durchgeführt.

Diese Teilchen werden folgendermassen hergestellt: Ein im wesentlichen von Natrium freies Sol von 50 ΐημ grossen Siliciumdioxidteilchen wird nach der USA-Patentschrift 2 680 721 durch Entmineralisieren eines technischen Kieselsäuresols ("Ludox-HS"), das Teilchen von etwa 14 ιημ Durchmesser enthält und auf 21 Gewichtsprozent SXO2 verdünnt worden ist, und anschliessen-

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des Erhitzen des Sols im Autoklaven auf 325' C unter autogenem Druck für einen Zeitraum von vier Stunden, um die Teilchen "bis auf Durchmesser von 50 ΐημ wachsen zu'lassen, hergestellt.

25 ml dieses Sols mit Teilchen von 50 ΐημ Grosse, die 16,7 g SiO₂ enthalten, werden mit Wasser auf 100 ml verdünnt, und der pH-Wert wird unter schnellem Kühren mit konzentrierter Salzsäure auf 2 eingestellt. Dann setzt man 15g Harnstoff zu und rührt, bis der Harnstoff in Lösung gegangen ist. Schliesslieh. versetzt man die Lösung mit 25 g 37-prozentiger wässriger lormaldehydlösung und stellt den pH-Wert durch Zusatz von weiterer konzentrierter Salzsäure wieder auf 2 ein, wobei man das Gemisch schnell rührt. Dann wird das Rühren unterbrochen, und man lässt die Lösung 2 Stunden bei Raumtemperatur stehen. Innerhalb weniger Minuten wird das Gemisch infolge der Bildung von kuegelf örmigen Teilehen aus einer Komplexverbindung von Siliciumdioxid und Harnstoff-Formaldehydpolymerisat weiss und undurchsichtig. Nach 2-stündiger Alterung wird das Gemisch 1,5 Minuten mit hoher Geschwindigkeit in einem Mischer gerührt, um die kugelförmigen Teilchen zu dispergieren, und dann lässt man 16 Stunden absitzen, worauf sich am Boden des Gefässes ein weisser Feststoffkuchen angesammelt hat. Die klare wässrige überstehende Flüssigkeit wird verworfen. Der weisse Kuchen wird in 250 ml Wasser aufgeschlämmt, wieder absitzen gelassen, die überstehende Flüssigkeit abgegossen und der Kuchen wiederum in Wasser aufgeschlämmt. Dies wird viermal wiederholt. Das gewaschene Produkt in Form eines nassen, abgesetzten Kuchens wird 16 Stunden im Vakuum bei 60° C getrocknet. !Dieses Produkt ist ein Pulver aus Mikroteilchen, die aus 5G ΐημ grossen Siliciumdioxidteilchen in einem Harnstoff-Formaldehydpolymerisat bestehen. Die Teilchen haben einen mittleren Durchmesser von 5 μ. Die chemische Analyse des im Vakuum getrockneten Produkts ergibt 3,8 ft Wasserstoff, 17,2 $ Kohlenstoff, 19,1 ft Stickstoff und 49 ft Asche, die aus Siliciumdioxid besteht.

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Das im Vakuum getrocknete Material wird dann im Luftöfen auf 550° C erhitzt, wobei man die Temperatur langsam erhöht, um das organische Material abzubrennen* Dabei färbt sich das Pulver durch die Wärmezersetzung schwarz; später, wenn das kohlenstoffhaltige Material oxydiert wird, wird es aber wieder weiss, und es hinterbleiben 15*4 g Produkt*

Diese besonderen Mikrokugelii werden wegen ihrer verhältnismäs*- sig grossen Poren ausgewählt, weil gelöste Moleküle leichten Zugang zu der stationären Phase in der gesamten porösen Struktur haben, !fach der oben beschriebenen HoehdrucksGhlaminfullmethode wird eine Säule aus rostfreiem Stahl von 250 mm Länge und 3,2 mm lichter Weite gefüllt» Die porösen Teilchen in der Säule werden dann nach einem "in situ"-Verfahren mit ß,ß*-Gxyaipropionitril gefüllt. Nach dieser Behandlung enthält die Säule 30 Gewichtsprozent stationäre Flüssigkeit.

Mg. 3 zeigt eine hochgradig wirksame Zerlegung eines Gemisches aus aromatischen .Hydroxyverbindungen mit Hilfe einer mit Mifcrokugeln gefüllten Säule. Der Träger ist Hexan, der Druck

ρ
beträgt 42 kg/cm und die Strömungsgegchwindigkeit 1,0 ml/min. Die Zerlegung erfolgt bei einer Temperatur von 27° Ö mit 4 μΐ Lösung. Der letzte Kurvengipfel (2-Phenyiäthanol; fc' = 12) zeigt 6600 'theoretische Böden (I) oder eine Bodenhöhe (H) von 0,038 mm bei einer Trägergeschwindigkeit von 0_y44 cm/sec. Zum Betrieb der Kolonne bei dieser Strömungsgeschwindigkeit ist nur ein verhältnismässig niedriger Druck erforderlich. Bei einer Trägergeschwindigkeit von 3,3 cm/sec (350 kg/dm , Strö-TZ.

mung 7,7 cw*/min) wird dieser letzte Kurvengipfel in 73 Sekunden mit einer Bodenhöhe von 0,11 mm und 23 U _ff/t (effektiven Böden/sec) eluiert. .

B e i s ρ i e 1 2

Plüssig-fest-chromatographische Trennungen von hoher Geschwin digkeit werden mit Siliciumdioxid-Mikrokugeln von 8 bis 9 μ durchgeführt, die nach dem Verfahren des Beispiels 1 aus Teil

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chen mit einem mittleren Durchmesser von 5 ταμ hergestellt worden sind. Diese Teilchen haben Poren von etwa 75 A und eine durch Stickstoffadsorption "bestimmte spezifische Oberfläche

von 350 m /g. Pig. 4 zeigt eine hochgradig wirksame Zerlegung eines Gemisches von aromatischen Hydroxyverbindungen mit einer Säule und unter Bedingungen ähnlich denjenigen des Bei-

spiels 1, mit dem Unterschied, dass der Druck 140 kg/cm , die Temperatur 27° C, die Strömungsgeschwindigkeit 10,5 ml/min beträgt und als Trägerflüssigkeit Dichlormethan (zur Hälfte mit Wasser gesättigt) verwendet wird.

Bei diesem Arbeitsgang werden sieben Hauptverbindungen in etwa 65 Sekunden aufgelöst, und der letzte Kurvengipfel für 3-Phenyl-1-äthanol (Kapazitätsfaktor k¹ *= 10) zeigt, den Wert von 825 effektiven Böden oder 15 effektiven Böden je Sekunde (N~p/t) bei einer Trägergeschwindigkeit von 4,7 cm/sec. Bei einer Trägergeschwindigkeit von 9,5 cm/sec (280 kg/cm ) weist diese Säule 18 bzw. 24 effektive Böden/sec für 3-Phenyläthanol bzw. Benzhydrol (k^f -~ 4) auf.

Beispiel 3

Eine Exklusionstrennung wird mit hoher Geschwindigkeit mit Hilfe von 5 "bis 6 μ grossen Teilchen mit Poren von etwa 350 £ durchgeführt. Diese Teilchen werden aus kleinen Teilchen mit einem mittleren Durchmesser von 50 ΐημ nach dem Verfahren des Beispiels 1 hergestellt. Mg. 5 zeigt drei Polystyrolfraktionen (Molekulargewicht 2030, 51 000 bzw. 411 000), die in etwa 38 Sekunden im wesentlichen bis zur Grundlinie mit einer 250 mm langen und 2,1 mm weiten Säule getrennt worden sind, die <0,5 g Füllung enthält. Als Trägerflüssigkeit verwendet man Tetrahydrofuran bei einer Temperatur von 60° G, einem

Druck von 114 kg/cm und einer Strömungsgeschwindigkeit von 1,0 ml/min. Eine solche Trennung von Polystyrolfraktionen ist aussergewöhnlieh.

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Claims

E.I. du Pont de Nemours

and Company IPD-15

Patent ans pruch

Chromatographisches Füllmaterial,-"bestehend aus einem Pulver aus porösen Mikrokugeln, deren Oberfläche aus einem hitzebeständigen Metalloxid besteht, dadurch gekennzeichnet, dass (a) praktisch alle Mikrokugeln einen Durchmesser im Bereich von etwa dem 0,5- bis 1,5-fachen des mittleren Durchmessers der Mikrokugeln in dem Pulver aufweisen, (Td) die Mikrokugeln aus vielen gleichmässig grossen kolloidalen Teilchen zusammengesetzt sind, die in Form eines dreidimensionalen Gerüsts miteinander verbunden sind, und (c) die kolloidalen Teilchen weniger als 50 <fo des Volumens der Mikrokugeln einnehmen, während der Rest des Volumens aus untereinander verbundenen Poren von gleichmässiger Porengrössenverteilung besteht.

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