Brevet FR2604525A1 — publié le 19880401

COLONNE D'ANALYSE CHROMATOGRAPHIQUE ECHANGEUSE D'ANIONS, PROCEDE DE SEPARATION D'ANIONS ET PROCEDE D'ECHANGE D'IONS CORRESPONDANTS. La présente invention concerne une composition de substance de garnissage chromatographique, échangeuse d'anions, de rendement élevé. Plus précisément, l'invention a pour objet une com- position de garnissage échangeuse d'anions, qui est consti- tuée par une résine hydrophile, soluble dans l'eau et fil- mogène. Cette résine présente des sites d'échange des anions, qui exercent une attraction sur les sites accessibles des particules de son substrat et qui forment ainsi un revête- ment liquide sur les surfaces accessibles de ces particules. Depuis l'apparition de la chromatographie par échan- ge d'ions (brevet US 3 920 397), la technologie de base pré- vue pour l'échangeur d'anions utilisé dans la colonne d'ana- lyse servant à l'identification des anions n'a pas varié. Des microparticules pleines d'échangeur d'anions sont agglomé- rées avec des macroparticules de copolymère styrène-divinyl- benzène sulfoné en surface ou totalement sulfoné, de façon à produire un échangeur d'anions "de type pelliculaire" de faible capacité (brevet US 4 101 460). Les améliorations à cette technologie de base sont venues d'une part, de l'utilisation de latex échangeurs d'anions monodispersés à la place des résines échangeuses d'anions broyées précédemment utilisées (comme décrit dans le brevet US 4 101 460), et d'autre part, de l'exécution d'une opération d'agglomération dans une solution de sel polyvalent (brevet US 4 119 580). L'utilisation des latex échangeurs d'anions monodispersés a éliminé le problème consistant à affiner une résine échangeuse d'ions broyée, en vue d'obtenir la granulométrie voulue; par contre, l'agglo- mération dans une solution de sel polyvalent a permis un dépôt de microparticules dense et reproductible en raison de la suppression, qui en résulte, des forces de répulsion anioniques entre ces microparticules. Un autre perfectionnement se trouve divulgué dans le brevet US 4 383 047 o l'on décrit l'utilisation de micro- particules de latex de très petit diamètre. Les échangeurs d'anions de ce type fournissent un niveau de performance auquel la séparation de base des ions fluorure, chlorure, nitrite, phosphate, bromure, nitrate et sulfate se trouve achevée en environ 6 minutes (ce qui est illustré par le chromatogramme de la figure 3 du brevet US 4 383 047). Tout au long des mises au point de cette technologie, les compositions de garnissage se sont trouvées limitées à des résines insolubles dans les éluants en-ce qui concerne à la fois les composants agglomérés et les composants du substrat. Aucune suggestion n'a été faite selon laquelle on pourrait utiliser d'autres types de composants ou qu'ils pourraient présenter un intérêt pratique. L'invention a pour objet une colonne d'analyse chro- matographique contenant une substance de garnissage chro- matographique échangeuse d'anions, caractérisée en ce qu'elle comprend un substrat formé de particules non gonflantes pré- sentant, au moins sur leurs surfaces accessibles, des sites échangeurs de cations, ces particules ayant un diamètre de 1 à 75 microns, et un revêtement liquide échangeur d'anions et actif sur le plan chromatographique, qui est fixé de ma- nière irréversible sur les surfaces accessibles des particu- les, ce revêtement liquide étant constitué par une résine aminée hydrophile, soluble dans l'eau et filmogène, qui présente des sites échangeurs d'anions exerçant une attrac- tion sur des sites échangeurs de cations, accessibles et si- tués sur les particules, ce revêtement liquide étant retenu par des liaisons électrostatiques sur les surfaces accessi- bles de ces particules. L'invention a également pour objet un procédé de séparation chromatographique de divers anions, caractérisé par le fait que l'on fait passer une solution liquide com- prenant les anions, à travers un lit de particules non gon- flantes, qui présentent, au moins sur leurs surfaces acces- sibles, des sites échangeurs de cations, ces particules ayant un diamètre de 1 à 75 microns, un revêtement liquide échangeur d'anions et actif sur le plan chromatographique, étant fixé de manière irréversible sur les surfaces accessi- bles des particules, ce revêtement liquide étant constitué par une résine aminée hydrophile, soluble dans l'eau et fil- mogène qui présente des sites échangeurs d'anions exerçant une attraction sur des sites échangeurs de cations, accessi- bles et situés sur les particules, ce revêtement liquide étant retenu par des liaisons électrostatiques sur les sur- faces accessibles de ces particules, les sites échangeurs d'anions exerçant au moins à la surface de ce revêtement liquide, une attraction sur au moins l'un desdits anions, et que l'on élue le lit à l'aide d'un éluant qui extrait de manière différentielle du lit les anions subissant l'attraction. L'invention a enfin pour objet un procédé d'échange d'ions, caractérisé par le fait que l'on utilise un polymère soluble dans l'eau présentant des radicaux fonctionnels échangeurs d'anions et un substrat fonctionnel échangeur d'ions formé de particules insolubles. D'autres caractéristiques et avantages de la pré- sente invention ressortiront de la description qui va sui- vre, à titre d'exemple non limitatif, et qui se réfère au dessin annexé. Sur ce dessin, la figure 1 reproduit un chro- matogramme réel obtenu avec une composition de garnissage à rendement élevé conforme à un mode de réalisation particu- lier de l'invention. Conformément à l'invention, des particules de subs- trat, de manière typique des perles de résine, servent à re- tenir à demeure un revêtement liquide qui comporte des sites échangeurs d'anions, actifs et utilisés pour une séparation chromatographique. Chaque particule du substrat est insolu- ble dans les systèmes de solvant utilisés pour la séparation. Elles sont avantageusement constituées par des perles de ré- sine, de préférence d'une forme sensiblement sphérique, de 1 à 75 microns de diamètre, de préférence de 3 à 20 microns. On préfère fortement, pour les utiliser dans l'invention, les particules qui ont un diamètre de 4 à 10 microns. On connaît bien dans la technique des compositions appropriées pour ces particules de substrat et elles sont décrites en détail dans le brevet US 4 351 909 et dans le brevet US 4 383 047. Dans la présente invention, ces particu- les peuvent être "macroporeuses", comme cela est décrit dans le brevet US 4 351 909, ce qui donne des colonnes chromato- graphiques offrant des capacités très élevées, mais des durées d'analyse très longues; ou bien, de préférence, ces particules peuvent avoir une faible porosité, comme cela est décrit dans le brevet US 4 383 047, ce qui donne des colonnes présentant des durées d'analyse plus courtes. On connaît dans la technique ces particules de faible porosité sous le nom de résines du type gel et des exemples en sont constitués par les résines échangeuses d'ions DOWEX (marque déposée) 50W. Comme cela est le cas dans l'un et l'autre des documents antérieurs cités, ces particules de substrat sont, de préférence, monodispersées quant à leurs diamètres. En raison de la nature des liaisons électrostatiques, qui se forment avec le revêtement liquide, les surfaces accessibles de ces particules de substrat sont, de préféren- ce, relativement "dures" plutôt que gonflées. Cela signifie que les particules de substrat des résines du type gel devraient présenter un degré relativement élevé de réticula- tion. On a obtenu de bons résultats avec une réticulation d'environ 35 pour cent à l'intérieur des particules. Des perles de verre ou de silice, que l'on connaît également dans la technique comme constituant des particules avantageuses pour substrat, offrent les surfaces "dures" des particules que l'on préfère. On a toutefois constaté que des éluants basiques retirent le revêtement liquide de ces perles de verre. Dans la mise en oeuvre de l'invention, on peut par conséquent utiliser des perles de verre pour le substrat sauf dans le cas o on utilise avec la composition de garnissage un éluant basique, qui présente un pH d'envi- ron 8 ou plus, auquel cas on préfère une résine synthétique. Parmi des matières convenant pour le revêtement li- quide échangeur d'anions, on peut citer les résines polyvi- nylaromatiques aminées, solubles dans l'eau, qui sont bien connues, telles que les résines à ammonium quaternaire con- ductrices de l'électricité, qui sont décrites en détail dans le brevet US 3 887 496 (en particulier, colonne 2, lignes 34-47). On préfère utiliser les résines polyvinylaromatiques présentant des sites échangeurs d'anions sensiblement tout le long d'une majorité des chaînes du polymère. Ces sites échangeurs d'anions peuvent être soit des bases fortes, en général des radicaux fonctionnels d'ammonium quaternaire, soit des bases faibles, en général des radicaux fonctionnels d'amines tertiaires, secondaires et primaires. Préparation de la colonne On prépare avantageusement des colonnes utilisant les compositions de substance de garnissage de l'invention en garnissant tout d'abord convenablement la colonne à l'aide des particules de substrat, puis en ajoutant une solution de la résine de revêtement liquide par utilisation d'un pro- cédé de revêtement in situ. La quantité de résine, qui se dépose sous forme d'un revêtement sur les particules de substrat du fait de l'attraction électrostatique, fait l'ob- jet d'une autolimitation, l'excès de résine se trouvant entraîné par écoulement hors de la colonne. Afin d'assurer une liaison convenable entre le substrat et le revêtement liquide, les particules de substrat ne devraient venir au contact d'aucun agent tensioactif ou d'aucun autre agent qui pourrait interférer avec l'attrac- tion électrostatique existant entre ce revêtement et ces particules de substrat. Ces particules devraient être net- toyées de manière approfondie de tout agent tensioactif ou autre agent de ce type dans le cas o on ne peut pas éviter le contact. Dans sa portée la plus large, l'invention recouvre également des variantes du procédé permettant de préparer la colonne garnie ou la composition de substance de gar- nissage ici décrites. De telles variantes de procédé sont décrites dans le brevet US 4 119 580 et le brevet US 4 101 460, selon lesquels on amène les particules de subs- trat dans une solution de la résine de revêtement liquide, sous forme d'une solution aqueuse d'un sel polyvalent, avec à la suite une procédure classique de garnissage d'une colon- ne en utilisant la substance de garnissage prérevêtue, qui résulte de cette préparation. Les compositions échangeuses d'anions de la présente invention se sont avérées être stables. Le revêtement liqui- de est fixé de manière irréversible sur les surfaces accessi- bles des particules de substrat, d'une façon telle qu'une quantité notable de ce revêtement ne se trouvera pas séparée par des éluants normalement utilisés dans la technique, comme par exemple des solutions d'électrolyte de 0,1 M ou moins. De même, une quantité notable du revêtement liquide ne se trouvera pas séparée sous l'effet d'efforts de cisaillement tels que ceux que l'on rencontre lorsqu'on fait passer un liquide à travers un lit échangeur d'ions sous des débits élevés. Conditions chromatographiques On a utilisé les conditions chromatographiques sui- vantes pour analyser la colonne chromatographique garnie décrite dans l'exemple ci-dessous. Colonne: 9 x 242 mm, DOWEX (marque déposée) 50W X 35 (10 - 20 ô) traité avec un polystyrène quaternisé. Eluant: Na2CO3 (0,0024 molaire) NaHC03 (0,003 molaire) Débit: 138 ml/heure Colonne primaire: 2,8 x 300 mm DOWEX (marque déposée) 50W X 16, résine de forme H+ ayant une taille de particules définies entre des tamis ayant 200 et 400 mailles pour 2,54 cm (200 - 400 mesh) Volume d'injection: boucle de 50 microlitres. Détection: conductivité à 7,5 I Mho cm 1, déviation sur le total de l'échelle. Echantillon standard On a utilisé, à une dilution 4X, les sept ions stan- dards suivants: F 3,3 ppm Cl- 4 ppm N02 10 ppm P04 54 ppm Br 10 ppm NO3 34 ppm S04-- 50 PM SO4 so 50 ppm Les conditions et solutions standards ci-dessus sont largement utilisées pour l'interprétation des colonnes d'analyse chro- matographique à ions (voir brevet US 4 119 580). Exemple Afin de comparer le rendement d'un mode de réalisa- tion conforme à la présente invention à celui de colonnes déjà connues dans la technique, on a préparé une colonne "à garnissage par aspiration" à l'aide du substrat décrit ci-dessus sur lequel on a déposé sous forme de revêtement une résine de polystyrène aminé soluble dans l'eau. Le pro- cédé de garnissage utilisé est décrit de manière détaillée dans le brevet US 4 383 047. La figure 1 reproduit un chromatogramme réel, qui a été obtenu en utilisant la colonne du présent exemple. Cette figure montre clairement que la colonne a fourni une bonne séparation des composants des sept solutions standards d'ions en approximativement sept minutes. REVENDICATIONS 1 - Colonne d'analyse chromatographique contenant une substance de garnissage chromatographique échangeuse d'anions, caractérisée par le fait qu'elle comprend un subs- trat de particules non gonflantes présentant, au moins sur leurs surfaces accessibles, des sites échangeurs de cations, ces particules ayant un diamètre de 1 à 75 microns, et un revêtement liquide échangeur d'anions et actif sur le plan chromatographique, qui est fixé de manière irréversible sur les surfaces accessibles des particules, ce revêtement li- quide étant constitué par une résine aminée hydrophile, so- luble dans l'eau et filmogène qui présente des sites échan- geurs d'anions exerçant une attraction sur des sites échan- geurs de cations, accessibles et situés sur les particules, ce revêtement liquide étant retenu par des liaisons électro- statiques sur les surfaces accessibles de ces particules. 2 -Colonne selon la revendication 1, caractérisée par le fait que les particules ont un diamètre de 3 à 20 microns. 3 - Colonne selon la revendication 1, caractérisée par le fait que les particules ont un diamètre de 4 à 10 microns. 4 - Colonne selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisée par le fait que les particules sont monodisper- sées. - Colonne selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisée par le fait que les particules sont des particu- les de résine synthétique insoluble. 6 - Colonne selon la revendication 5, caractérisée par le fait que les particules de résine synthétique insolu- ble sont du type gel. 7 - Colonne selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 6, caractérisée par le fait que le revêtement liquide est une résine polyvinylaromatique aminée soluble dans l'eau. 8 - Procédé de séparation chromatographique de divers anions, caractérisé par le fait que l'on fait passer une solution liquide comprenant les anions, à travers un lit de particules non gonflantes, qui présentent, au moins sur leurs surfaces accessibles, des sites échangeurs de cations, ces particules ayant un diamètre de 1 à 75 microns, un revê- tement liquide échangeur d'anions et actif sur le plan chro- matographique, étant fixé de manière irréversible sur les surfaces accessibles des particules, ce revêtement liquide étant constitué par une résine aminée hydrophile, soluble dans l'eau et filmogène qui présente des sites échangeurs d'anions exerçant une attraction sur des sites échangeurs de cations, accessibles et situés sur les particules, ce revêtement liquide étant retenu par des liaisons électrosta- tiques sur les surfaces accessibles de ces particules, les sites échangeurs -d'anions exerçant, au moins à la surface de ce revêtement liquide, une attraction sur au moins l'un desdits anions, et que l'on élue le lit à l'aide d'un éluant qui extrait de manière différentielle du lit les anions subis- sant l'attraction. 9 - Procédé selon la revendication 8, caractérisé par le fait que les particules sont choisies parmi des per- les de silice et de verre et que le pH de l'éluant est inférieur à 8. 10 - Procédé d'échange d'ions, caractérisé par le fait que l'on utilise un polymère soluble dans l'eau présen- tant des radicaux fonctionnels échangeurs d'anions et un substrat fonctionnel échangeur d'ions formé de particules insolubles.