В первых двух разделах книги изложены основы хроматографии и описаны различные хроматографические модели. В третьем разделе подробно рассмотрены основы математического аппарата, необходимые для теоретического моделирования процессов адсорбции и тепломассопереноса, происходящих в хроматографических системах.
На сегодняшний день не существует универсальной адсорбционной модели, описывающей различные хроматографические системы. Каждая из известных моделей обладает своими особенностями и своей областью применения. Выбор наиболее подходящей модели проводится опытным путем; любой эмпирический выбор требует времени и реагентов. Поэтому исследователям очень важно формализовать подход к выбору наиболее близкой к эксперименту модели, научиться прогнозировать порядок выхода компонентов из колонки и выбирать самую эффективную комбинацию состава элюента и сорбента.
В предложенной книге моделирование процессов физической химии производится методом механики сплошных гетерогенных сред. Если классические модели описывают взаимодействие конкретного адсорбата с функциональными группами сорбента, то механика сплошных гетерогенных сред позволяет более детально изучить взаимодействие адсорбата с сорбентом.
Данная теория разработана российским ученым-механиком, академиком РАН Нигматулиным Р.И. Она успешно используется во многих областях науки. Авторы решили применить данную теорию и для хроматографических процессов. Для математического описания нестационарного трехмерного движения гетерогенных сред вводится понятие многоскоростного континуума.
Разработка специального математического аппарата, описывающего физико-химические взаимодействия компонентов хроматографических систем, — глобальная задача, стоящая перед учеными. Предполагается, что исследователь с помощью рассматриваемой теории сможет более рационально спланировать свой эксперимент, значительно сократить количество опытов и, соответственно, уменьшить затраты времени и реактивов.
Использование данного метода и последующая разработка специализированного программного комплекса позволит подробно рассчитать физические параметры течения жидкости вдоль слоя сорбента в колонке. Численное моделирование дает возможность прогнозировать предельные значение температуры, давления, скорости потока и других теплофизических параметров.
«Хроматографическая колонка — это цилиндр, заполненный зернами сорбента. Чем меньше диаметр частиц сорбента, тем плотнее они упакованы, и тем большее давление требуется, чтобы инициировать движение элюента в порах сорбента. При слишком высоком давлении твердые частицы начинают деформироваться и разрушаться. Это ведет к искажению хроматографических данных, которые мы получаем, – рассказывает один из авторов книги, научный сотрудник лаборатории физико-химических основ хроматографии и хромато-масс-спектрометрии Юлия Иванова. – Информация о предельных параметрах, при которых возможна эксплуатация колонки, берутся из научной литературы и сертификатов. Если же используется новый сорбент, который еще недостаточно изучен, то в ходе эксперимента можно случайно повредить колонку».
Такое программное обеспечение позволит рассчитать предельные значения эксплуатационных характеристик колонок, заполненных некоммерческими сорбентами, и спрогнозировать особенности их работоспособности.
Также оно позволит при подготовке эксперимента спроектировать для него специальную хроматографическую колонку или выбрать наиболее подходящую из коммерчески доступных.
Учебное пособие адресовано студентам химических и математических специальностей вузов, а также аспирантам и всем интересующимся проблемами математического моделирования в хроматографических процессах.
Материал подготовлен: Ольга Макарова / Пресс-служба ИФХЭ РАН