Perrothon Sandrine Chromatographie gazeuse. Détermination des conditions de séparation, et dosage de l'éthanol et du méthanol

Transcription

1 Détermination des conditions de séparation, et dosage de l'éthanol et du méthanol 1

2 1.Introduction: Le but de ce travail pratique est, dans un premier temps, de déterminer les conditions optimales de séparation, et dans un deuxième temps de doser l'éthanol dans une bière sans alcool et le méthanol dans du marc. Dans cette expérience, l'échantillon à analyser est injecté directement sous forme gazeuse. En effet, une solution saturé de sel est ajoutée à tous les échantillons, ce qui a pour effet d'établir un équilibre de concentration des différents constituants entre la solution et la phase vapeur. En quelque sorte, la solution saturée de sel a pour but de pousser l'alcool en phase gazeuse. 2.Théorie: Dans une séparation par chromatographie, l'efficacité de la séparation dépend du nombre de plateaux, celui-ci varie en fonction du débit de la phase mobile. Le nombre de plateau théorique est définit comme suit: N = 16 (t R / W) 2 t R : Le temps de rétention, le temps qu'a passé l'échantillon dans la colonne. W: La largeur du pic à sa base. Dans notre cas la largeur du pic donnée par le chromatographe est celle à mi hauteur, l'équation est donc modifiée comme suit: N = 5.54 (t R / W 1/2 ) 2 La hauteur des plateaux théoriques est donnée par la formule suivante: H = L / N L: La longueur de la colonne, ici 25 m. Pour optimiser le débit de la colonne, il existe l'équation de Van Deemter: H = A + B / ū + C ū L'efficacité maximale est obtenue pour un H minimal. 3.Partie pratique: 3.1.Détermination de la courbe de Van Deemter: Manipulations: Le débit du chromatographe est déterminé à des pressions de 30 KPa, 40 KPa..., 100 KPa. 2

3 Une solution de 4 g/l d'éthanol est préparée (la concentration réelle est de 4.02 g/l). 0.5 ml de cette solution ainsi que 0.5 ml d'une solution saturée de (NH 4 ) 2 SO 4 dans H 2 SO 4 1M sont placés dans un flacon étanche. Le flacon est agité au vortex afin d'établir l'équilibre. 300 µl sont injectés dans le chromatographe (T injecteur = 150 C, T colonne = 60 C, T détecteur = 255 C). Le débit varie entre 1 et 4.32 ml/minute ce qui donne: cm/min à cm/min Résultats: Les résultats pour les débits en fonction de la pression sont les suivants: Pression [KPa] Temps [s] 1/Temps [min -1 ] Débit [ml/min] Débit [cm/min] Les mesures prisent pour établir la courbe de Van Deemter n'ont dans notre cas rien donné, elles nous donnaient des valeurs entre 70 et 90 plateaux pour une colonne de 25 mètres de long, ce qui est vraiment trop peu. Un esprit maléfique semble s'être emparé de la machine vu que les calculs de concentration ont été refaits, tout comme l'échantillon lui même. Les valeurs présentées ici sont celles d'un autre groupe, celui de Soeila, Victor, Stéphane et Jonathan. Les valeurs sont les suivantes: Pression [KPa] Temps de rétention [min] Largeur du pic à mi hauteur N H E E E E E E E E-02 Les valeurs pour les pressions de 60 et 100 KPa semblent bizarres, elles ne seront pas 3

4 prisent en compte pour le graphique. Le graphique de la courbe de Van Deemter est le suivant: Titre de l'axe Y H en fonction du débit Débit [cm/min] Nous constatons que le débit minimisant la valeur de H correspond à une pression de 40 KPa. L'équation de Van Deemter est la suivante: H = A + B / ū + C ū Le paramètre A peut être estimé par la hauteur du minimum, c'est à dire à Ce paramètre est indépendant du débit, il est dû au différents «chemins» que peuvent suivre les composés, et dépend donc du remplissage de la colonne. Afin d'optimiser ce paramètre, les particules doivent être les plus petites possibles, afin de remplir les espaces morts. Le paramètre C peut être estimé où la pente augmente et est régulière, c'est à dire, Ce paramètre est la résistance au transfert de masse, il est dû au fait que les processus n'atteignent pas l'équilibre entre les molécules adsorbées et celles en solution. Pour optimiser ce paramètre il faudrait que les composés restent le plus de temps possible dans la colonne. Le paramètre B peut être trouvé connaissant les deux autres paramètres. Ce paramètre est estimé à Ce chiffre semble bizarre car il est négatif. Ce paramètre est dû à la diffusion longitudinale, dans le sens et dans le sens opposé de la chromatographie dû à la diffusion. Ce paramètre est proportionnel à la constante de remplissage de la colonne et au coefficient de diffusion du soluté dans la phase mobile. Ce deux grandeurs étant positives, il semble bizarre que B soit négatif. Pour optimiser se paramètre il faut que les composés passent le moins de temps possible dans la colonne. 4

5 3.2.Dosage de l'éthanol: Manipulations: Sept solutions contenant 0.5 ml de solutions de: 0, 1, 1.5, 2.3, 3, 3.5 et 4 g/l d'éthanol, 0.1 ml de dioxanne 1% et 0.5 ml de la solution saturée de (NH 3 ) 2 SO 4 sont préparées et agitées au vortex. 300 µl de la phase gazeuse sont ensuite placées dans le chromatographe. La vitesse de la phase mobile est réglée à une pression de 40 KPa. Ensuite une solution de 0.5 ml d'une bière sans alcool mélangée à 0.1 ml de dioxanne et 0.5 ml de solution de sel saturée. La solution est alors mesurée. Le but du dioxanne est d'avoir une référence. Le rapport des aires entre celle de l'éthanol et celle du dioxanne nous permet de faire une droite d'étalonnage qui nous permettra de déterminer la concentration de l'éthanol dans cette dernière Résultats: Les résultats sont les suivants: Concentration initial [g/l] Temps de rétention de l'éthanol [min] Temps de rétention du dioxanne [min] Bière sans alcool Les aires et les rapports sont les suivants: Concentration initial [g/l] Aire de l'éthanol Aire du dioxanne Rapport des aires Bière sans alcool Le graphique est le suivant: 5

6 Rapport des aires Rapport des aires vs concentration Concentration [g/l] Le graphique a été fait en laissant de côté les points des concentrations de 2.3 g/l et de 4 g/l les valeurs trouvées pour ces deux points sont vraiment trop élevées par rapport à celles trouvées pour les autres mesures. La droite est: Y = 0.64 c 0.13 Si l'on néglige l'ordonnée à l'origine, et en introduisant nos valeurs nous trouvons une concentration d'éthanol de 11.5 g/l, soit1.15 % en masse, ou encore 0.9 % en volume. Pour une bière normale contient environ 5 % en volume. La valeur obtenue semble donc correcte Dosage du méthanol: Manipulations: Sept solutions contenant 0.5 ml de solutions de: 0, 1, 1.5, 2.3, 3, 3.5 et 4 g/l d'éthanol, 0.1 ml de dioxanne 1% et 0.5 ml de la solution saturée de (NH 3 ) 2 SO 4 sont préparées et agitées au vortex. 300 µl de la phase gazeuse sont ensuite placées dans le chromatographe. La vitesse de la phase mobile est réglée à une pression de 40 KPa. Ensuite une solution de 0.5 ml d'une bière sans alcool mélangée à 0.1 ml de dioxanne et 0.5 ml de solution de sel saturée. La solution est alors mesurée Résultats: Les résultats sont les suivants: 6

7 Concentration initial [g/l] Temps de rétention de l'éthanol [min] Temps de rétention du dioxanne [min] Marc Les aires et les rapports sont les suivants: Concentration initial [g/l] Aire de l'éthanol Aire du dioxanne Rapport des aires Marc La mesure du marc est non-interprétable car le pic de méthanol englobe le pic du dioxanne. La droite est la suivante, même si elle ne peut pas être utilisée pour déterminer la concentration de méthanol dans le marc. Rapport des aires Rapport des aires vs concentration Concentration [g/l] Le graphique a été fait en laissant le point avec une concentration de 1 g/l qui donnait une valeur trop bizarre. 7

8 La droite est la suivante: Y = 0.12 c La concentration doit être déterminée de la façon suivante: Un volume tout petit a été injecté, (20 µl au lieu de 300), ce qui a eu pour conséquence de faire passer le signal du dioxanne pour du bruit de fond. Ainsi l'aire du méthanol va être comparée à celles des mesures faites avec 300 µl tout en tenant compte de la différence de volume, soit un volume 15 fois plus petit. Les résultats sont les suivants: Concentration initial [g/l] Aire de l'éthanol Concentration dans le marc [g/l] Marc Moyenne 238 Ce qui donne en moyenne une concentration en méthanol de 229 g/l ce qui donne 22.9 % en masse et 18.1 % en volume. Ces valeurs semblent énormes, il faut tout de même rappeler que cette méthode est approximative, et que la machine n'est pas non plus toujours fiable, mais mieux vaut ne pas y goûter!!! 4.Questions: Les deux composés ont des temps de rétention tout à fait comparables, pour mieux pouvoir les séparés, il faudrait baisser la température du four (il nous semble que c'est impossible sur cet appareil) ce qui a pour but de diminué la mobilité des composés. Le composé avec la plus grande affinité pour la colonne y restera encore plus longtemps, ce qui devrait pouvoir mieux séparer les pics. Il faut également veiller à ne pas avoir des temps de rétention trop longs, ce qui serait une perte de temps. Un programme isothermique pourrait éviter que les temps de rétention ne deviennent trop grands. La colonne pourrait également être plus grande, ce qui donnerait un plus grand nombre de plateaux théoriques et donc une meilleure séparation. Si les composés à doser sont dans une forêt de pic, une méthode d'étalonnage interne pourrait être envisagée. Il faudrait tout d'abord trouver les paramètres qui permettent d'avoir tous les pics bien séparés. Il faudrait ensuite faire un chromatograme de l'échantillon tel quel, puis plusieurs autres une concentration connue et croissante du composé à doser est ajoutée. Ainsi un des pic aurait une aire qui augmenterait (d'un facteur proportionnel à la différence de concentration ajoutée) ce qui permettrait de la 8

9 doser. Pour cette méthode, il faudrait être certain que le volume injecté est toujours et scrupuleusement le même. 5.Conclusion: Ce travail pratique nous a permis de nous familiariser avec la technique de la chromatographie gazeuse. Nous avons pu déterminer le débit nécessaire pour avoir la meilleure séparation, puis nous avons pu doser de l'éthanol dans une bière sans alcool et essayer de faire de même avec le méthanol dans le marc (ce qui n'a pas été une franche réussite). Ce que nous a appris ce TP c'est que la théorie est des fois loin de la pratique. 9