chromato ionique

Axe " Génie des Procédés", centre SPIN, Ecole des Mines de Saint-Etienne

METHODES INSTRUMENTALESD'ANALYSE

ET DE CARACTERISATION

CHROMATOGRAPHIE IONIQUE

ECOLEDES

MINESSAINT-ETIENNE


ECOLEDES

MINESSAINT-ETIENNE

SOMMAIRE CHROMATOGRAPHIE IONIQUE

1. I-) INTRODUCTION :.......................................................................................................................... 3

1.1. 1.1 HISTORIQUE................................................................................................................................ 3

2. -II-) LES COLONNES DE SEPARATION :........................................................................................ 4

2.1. 2.1 GRANDEURS CARACTÉRISANT LES COLONNES : ............................................................................. 42.1.1. 2.1 a Exemples de colonnes DIONEX....................................................................................... 42.1.2. 2.1.b Résolution ....................................................................................................................... 52.1.3. 2.1.c Facteur de capacité ......................................................................................................... 52.1.4. 2.1.d Sélectivité........................................................................................................................ 52.1.5. 2.1.e Efficacité ......................................................................................................................... 5

2.2. 2.2 LES RÉSINES ÉCHANGEUSES D’IONS : ............................................................................................ 72.2.1. 2.2.1 Les groupements fonctionnels.......................................................................................... 72.2.2. La structure de l’échangeur. .................................................................................................... 7

3. -III-) MODES DE DETECTION :........................................................................................................ 8

3.1. 3.1 LE CONDUCTIMÈTRE. .................................................................................................................. 93.1.1. 3.1.a Définition ........................................................................................................................ 93.1.2. 3.1.b Principe de mesure :.......................................................................................................10

3.2. 3.2 LE SPECTROPHOTOMÈTRE UV-VISIBLE. .......................................................................................113.2.1. 3.2.a Détection directe :..........................................................................................................113.2.2. 3.2.b Mesure indirecte ............................................................................................................113.2.3. 3.2.c Détection d'un complexe coloré......................................................................................12

3.3. 3.3 LES DÉTECTEURS ÉLECTROCHIMIQUES.........................................................................................133.3.1. 3.3.a Caractéristiques .............................................................................................................133.3.2. 3.3.b Principe de mesure.........................................................................................................13

4. LA CHROMATOGRAPHIE ANIONIQUE : .....................................................................................15

4.1. 4.1 DÉTECTION CONDUCTIMÉTRIQUE, AVEC SUPPRESSEUR. ................................................................154.1.1. 4.1.a L'appareillage ................................................................................................................164.1.2. 4.1.c L'unité de suppression ....................................................................................................18

4.2. 4.2 DÉTECTION SPECTROPHOTOMÉTRIQUE. .......................................................................................214.2.1. 4.2.a En mesure directe...........................................................................................................21

5. -V-) LA CHROMATOGRAPHIE CATIONIQUE : ...........................................................................24

5.1. 5.1 SUPPRESSION ET DÉTECTION CONDUCTIMÉTRIQUE. ......................................................................245.1.1. 5.1.a Séparation des cations monovalents ...............................................................................245.1.2. 5.1.b Séparation des cations bivalents.....................................................................................245.1.3. 5.1.c Utilisation d'un suppresseur à sulfate .............................................................................255.1.4. 5.1.d Méthode sans suppresseur ..............................................................................................25

5.2. 5.2 MÉTHODES SANS SUPPRESSEUR ET DÉTECTION SPECTROPHOTOMÉTRIQUE. ....................................275.2.1. 5.2.a Détection indirecte .........................................................................................................275.2.2. 5.2.b Formation d'un complexe coloré ....................................................................................27

5.3. 5.3 SÉPARATION AVEC DÉTECTION ÉLECTROCHIMIQUE. .....................................................................29

6. CONCLUSIONS : ................................................................................................................................30


ECOLEDES

MINESSAINT-ETIENNE

1. Introduction

1.1. Historique.

Cette technique récente est apparue dans les années 70 grâce à Small, Stevens etBauman (DOW CHEMICAL) et le terme "chromatographie ionique" désignait alors laséparation d'ions inorganiques par une détection conductimétrique. A l'heure actuelle, ceterme regroupe toutes les méthodes de dosage d'ions (organiques ou pas) parchromatographie en phase liquide, quel que soit le mode de séparation et de détection.

REPERES HISTORIQUES POUR LA CHROMATOGRAPHIE EN PHASELIQUIDE

1903 Tswett : Invention et développement de la chromatographie1941 Martin Synge : Chromatographie de séparation (prix nobel de chimie pour

leurs travaux)1948 Stern et More : Séparation d’acides aminés par chromatographie d’échange

ionique.1952 Martin et James : Chromatographie en phase gazeuse.1953 Weaton et Bauman : Observation du principe d’exclusion.1959 Porath et Flodin : Chromatographie par perméation sur gel1962 More : Perméation sur gel (gel de polystyrène liquide)1965 More : Les premiers chromatographes à phase liquide haute pression sont

brevetés.

REPERES HISTORIQUES POUR LA CHROMATOGRAPHIE IONIQUE

1971 Première utilisation pour la chromatographie ionique1972 Première utilisation de la chromatographie ionique chez Dow Chemical1972 Premier prototype de chromatographie ionique utilisant une cellule de

conductivité1975 Le premier rapport de recherche en chromatographie ionique et publié « par

Small, Stevens et Bauman dans » Analytical Chemistry.1975 Dionex Corporation est crée sous la licence Dow.1975 Premier chromatographe ionique commercialisé.1977 Premier symposium EPA sur l’analyse par chromatographie ionique pollution

de l’environnement.1977 Small, Stevens et Bauman reçoivent le prix de la Conférence de Pittsburgh

pour l’avance la plus significative en chimie analytique appliquée.

1.2 Définition de la chromatographie ionique.

C’est une technique analytique qui permet l’analyse qualitative (par séparation desespèces présentes) et quantitative des espèces ioniques présentes dans un échantillon liquidedépourvu de matières en suspension.


ECOLEDES

MINESSAINT-ETIENNE

D'un point de vue analytique, cette technique est devenue intéressante grâce auxprogrès réalisés que l'on peut regrouper en 4 catégories :

- meilleurs composants chromatographiques,- résines échangeuses de plus grande efficacité,- échantillons de faible volume,- détection automatique.De part les très nombreuses configurations possibles, la chromatographie ionique

désigne plus un ensemble de méthodes de dosage des espèces ioniques qu'une séparationseule. Mais la configuration la plus fréquente demeure la détection des anions couplée àune détection conductimétrique. Néanmoins, nous verrons que d'autres moyens deséparation et de détection sont possibles, en sachant que pour un appareil donné, on ne peuttrouver plusieurs configurations simultanées.

2. Les colonnes de separation

2.1. Grandeurs caractérisant les colonnes

2.1.1. Exemples de colonnes DIONEX

Colonne Commentaires Eluant typeHPIC-AS1 Séparation des anions « standards » 0.3 M NaHCO3

0,0024 M Na2CO3

HPIC-AS2 - Retient NO3 très fortement.- Sépare les anions qui sont élués trèsrapidement.

0.3 M Na2CO3

0,2 M NaOH

5 % V/V acetonitrile0.00071 M 4 - cyanophénol

HPIC-AS3 - haute performance 0,0028 M NaHCO3

- Séparation des anions « standards » 0,0022 M Na2CO3

- Sépare les ions sulfate et oxalateHPIC-AS4 - haute performance 0,0028 M NaHCO3

0,0022 M Na2CO3

HPIC-AS4A - haute performance 0,00075 M NaHCO3

0,0022 M Na2CO3

HPIC-AS5 Force éluante importante 2 % V/V acetolnitrile0,0008 M 4-cyanophenol

HPIC-AS6 a) Stable à pH élevé pour séparer les sucres,alcools et saccharines.

0,16 M NaOH

HPIC-AS7 b) sépare les anions polyvalents commeNTA, EDTA et les polyphosphates

0,06 M HNO3

Légendes :a) utilisation d’une détection ampérométrique pulséeb) utilisation d’un réacteur post-colonne, détecteur UV à 330 nm


ECOLEDES

MINESSAINT-ETIENNE

2.1.2. Résolution

Le but de chaque séparation est d'obtenir la meilleure résolution possible, c'est-à-dire la capacité de séparer deux composés 1 et 2 quelconques :

( )RV V

W W= −

+2 1

12 1 2/

2.1.3. Facteur de capacité

Il se définit, pour un composé donné, dans un système chromatographique donné,par la relation :

k ' = tR

- tm

tm

avec tR : temps de rétention du composétm : temps mort ou temps de rétention d'un composé non retenu sur la

colonne.

2.1.4. Sélectivité

Ce facteur se définit comme le rapport des facteurs de capacité du composé le plusretenu et du composé le moins retenu :

α = =−−

k

k

t t

t tR m

R m

'

'2

1

2

1

2.1.5. Efficacité

Elle se définit par deux termes :- le nombre de plateaux théoriques N :

N = 5,54t R

W

2

1/2

V1 V2} }

W1 W2


ECOLEDES

MINESSAINT-ETIENNE

- la hauteur équivalente à un plateau théorique H (HEPT) :

H = l

Nl étant la longueur de la colonne.L'efficacité d'une colonne augmente avec la diminution de la taille des

particules et avec l'homogénéisation à l'intérieur de la résine car en effet, plus celles-ci sontpetites, plus le parcours de diffusion est faible, la figure ci-dessous en est la parfaiteillustration :

Pour résumer ces propos, l'influence des paramètres (sélectivité, capacité etefficacité) sur la résolution est montrée sur la figure ci-dessous:

A

CAPACITE

B

EFFICACITE

C

SELECTIVITE

Taille des particules nonuniforme

INITIAL

Remplissage non uniforme

Vary K’

Remplissage et taille desparticules non-uniformes

Vary N

Vary a


ECOLEDES

MINESSAINT-ETIENNE

2.2. Les résines échangeuses d’ions La séparation des composés est assurée, dans tout système chromatographique, par

la phase stationnaire qui, dans le cas de la chromatographie ionique (CI), est une résineéchangeuse d’ions.

Cette phase stationnaire est un support solide comportant des groupes fonctionnelsionisés (positifs ou négatifs) permettant la rétention des espèces dont on désire obtenir laséparation.

2.2.1. Les groupements fonctionnels

On les classe en deux catégories : les groupements chargés positivement et ceuxchargés négativement.

Dans chaque catégorie, le principal groupement utilisé est :3 le groupement sulfonate : -SO3

- pour les échanges de cations.3 le groupement ammonium quaternaire : -NR3

+ pour les échanges d’anions.Ces groupements sont dits « forts » car leur capacité d’échange est constante et

indépendante du pH.D’autres groupements peuvent être utilisés mais sont dits « faibles » car à certains

pH, ils ne sont pas ionisés et n’assurent donc pas leur rôle d’échangeur.

2.2.2. La structure de l’échangeur.

Les résines échangeuses d’ions se sont beaucoup améliorées ces dernières années(d’où le développement de la technique) afin d’accroître l’efficacité des colonnes. Larésistance au transfert de masse était le principal problème des colonnes et celle-ci a étéatténuée par la réduction de la distance parcourue par les solutés ; ceci se concrétise enaméliorant les deux caractéristiques suivantes :

l diminution de la taille des particules pour les supports poreux ;l greffes de sites actifs à la surface d’un support imperméable (non-poreux).

Ceci nous amène à décrire les trois principaux types de résines :3 La structure gel :


ECOLEDES

MINESSAINT-ETIENNE

La matrice est constituée par un réseau macromoléculaire, le plus souvent à basedu copolymère styrène/divinylbenzène sur lequel sont greffés les groupes fonctionnels.

Cette répartition tridimensionnelle de la résine (support poreux) et donc desgroupements fonctionnels confère à ce type de d’échangeur une grande capacité d échange.

Cette propriété s’avère être un avantage lorsque le détecteur n’est pas très sensibleet un inconvénient pour les composés fortement retenus (long temps d’analyse).

Néanmoins, cette résine présente une très bonne efficacité si la taille des particulesest faible et de distribution granulométrique étroite. De ce fait, une telle réalisation engendreun coût de fabrication élevé.

Le principal handicap de ces colonnes demeure la médiocre résistance mécanique,qui oblige une utilisation à faible pression.

3 La structure pelliculaire :

Les sites actifs sont greffés à la surface de la résine et plus dans le réseau dupolymère, comme ce qui a été cité précédemment.

L’avantage d’un tel échangeur est de pouvoir réaliser des séparations très « fines »e de très courts temps.

Le fait de ne disposer de sites actifs qu’en surface diminue fortement la capacitéd’échange, ce qui impose l’injection de faibles volumes et d’avoir une dilution très sensible.

Par opposition à l’échangeur précédent (gel), celui-ci présente une excellenterésistance mécanique et à la pression car les sites sont greffés sur un support compact etimperméable.

3 La structure en silice : Pour remédier aux inconvénients décrits ci-dessus, on peut utiliser un support

constitué de macroparticules de silice. : on a alors un échangeur résistant à la pression(analyses rapides) de granularité fine et serrée (meilleure efficacité), possédant une grandesurface de contact grâce à la structure poreuse de la silice (grande capacité d’échange).

Le principal inconvénient est que ce type d’échangeur doit être utilisé avec unéluant dont le pH est compris entre 2 et 9.

3. Modes de detection

Même si de nombreux détecteurs ont été développés ces dernières années, le pluscourant reste le conductimètre car c'est un détecteur universel pour les substancesioniques. Mais il faut quand même citer et préciser le fonctionnement du détecteur


ECOLEDES

MINESSAINT-ETIENNE

spectrophotométrique UV-visible (mesure directe en UV ou développement d'uncomplexe coloré) ainsi que la famille des détecteurs électrochimiques (ces 2 derniers étantdes détecteurs sélectifs).

3.1. Le conductimètre.

Ce détecteur présente l'avantage de détecter n'importe quelle substance ioniquemais par contre ne peut détecter la présence d'eau, de méthanol, d'acides faibles.

3.1.1. Définition

Lorsqu’on applique une tension entre deux électrodes dans une solution aqueuse,un courant passe entre les deux électrodes et suit la loi d’Ohm :

E = RIoù E est la tension appliquée, I le courant mesuré entre les deux électrodes et R la

résistance électrique.

La conductance se définit alors comme suit : GR

=1

en Siemens (S)

On relie alors conductance et conductivité par la relation : γ = KG

où K est une constante fonction de la géométrie de la cellule.La conductivité (et donc la conductance) est directement reliée à la concentration

de l’espèce présente (dans une certaine mesure) comme le montre la relation :

G = Λ C

1000 K

où : C est la concentration (équiv/l)K la constante de la cellule (en ½-1.cm-1)Λ la conductance équivalente qui est la somme des conductivités ioniques

limites de chaque ion, affecté de son coefficient stoechiométrique.Le tableau ci-dessous donne les conductivités ioniques limites pour chaque ion, à

25°C et en ohm-1cm2equiv. -1.


ECOLEDES

MINESSAINT-ETIENNE

Anions λλ - Cations λλ +OH- 198 H+ 350F- 54 Li+ 39

NO3- 71 Mg2+ 53HCO3- 45 Ca2+ 60

Formate 55 Sr2+ 59Acetate 41 Ba2+ 64

Propionate 36 Zn2+ 53Benzoate 32 Hg2+ 53

SCN- 66 Cu2+ 55SO4

2- 80 Pb2+ 71CO3

2- 72 CO2+ 53C2O4

2- 74 Fe3+ 68CrO4

2- 85 La3+ 70PO4

3- 69 Ce3+ 70Fe(CN)6

3- 101 CH3NH3+ 58

Fe(CN)64- 111 N(Et)4

+ 33

3.1.2. Principe de mesure :

Si on applique un champ électrique à 2 électrodes plongeant dans un électrolyte,les ions vont se diriger vers l'électrode de charge opposée de manière à créer une résistancequi sera fonction du nombre d'ions ainsi que de leur mobilité (qui elle-même est fonction dela charge et de la taille de l'ion, de la température et de la nature de l'électrolyte).

Le fait d'imposer un potentiel alternatif évite tout problème d'électrolyse à lasurface des électrodes.

La représentation d’un conductimètre figure ci-dessous :

BRIDGE AND CURRENT SOURCE

ELECTRODE

Double Layer CapacitanceC+

C+

C+

C+

-

-

-

-

A-

A-

A-

A-

+

++

+

C+

A-+

-

BULK ELECTROLYTE

ELECTROLYSIS(FARADAIC IMPEDANCE)

ELECTROLYSISFARADAICIMPEDANCE

Zr Zr

Double LayerCapacitance

Double LayerCapacitance

E l e c t r o l y t eR e s i s t a n c e

Figure 2.1


ECOLEDES

MINESSAINT-ETIENNE

3.2. Le spectrophotomètre UV-visible.Il y a plusieurs façons d'utiliser un tel détecteur en chromatographie ionique mais

ce procédé repose toujours sur la même loi, la loi de Beer-Lambert qui relie l'absorbance àla concentration :

A = εlc

où 1 : longueur : de la cellule ou trajet optique

ε : coefficient d’absorptivité de l’espèce c : concentration de l’espèce en question.

3.2.1. Détection directe :

Cette mesure est rendue possible par le fait que certains anions absorbent dans larégion UV du spectre. La longueur d’onde généralement utilisée est 254 nm mais la gamme190 à 220 nm apparaît plus utile pour détecter les anions suivants : bromates, iodures,iodates, nitrites, nitrates, sulfites (les autres n’absorbent pas).

D’autre part, les complexes de chlorures métalliques absorbent aussi dans la régionUV - visible comme le souligne le tableau suivant . Il reste alors à choisir la longueur d’ondede détection qui permettra de doser plusieurs ions avec une sensibilité suffisante : unedétection à 225 nm semble un bon compromis pour détecter la plupart des ions qui figurentdans le tableau ci-dessous :

Ion métallique λmax[nm] ∈max

[l mole-1cm -1]Ion métallique λ max [ nm] ∈max

[l mole-1cm -1]Aluminium (III) N Magnésium (II) NAntimoine (III) 229 2,2 x 104 Manganèse (II) 215 1,4 x 102

Arsenic (III) 215 4,5 x 103 Mercure (II) 229 2,7 x 104

Cadmium (II) 215 1,1 x 102 Molybdène (VI) 227 5,7 x 103

Calcium (II) N Nickel (II) 215 1,5 x 102

Chrome (III) 215 7,1 x 103 Platine 262 2,7 x 104

Chrome (VI) 248 2,1 x 103 Potassium (I) N280 1,6 x 103 Argent (I) 215 1,5 x 104

355 1,2 x 103 Sodium (I) NCobalt (II) 215 2,2 x 102 Thorium (IV) NCuivre (II) 275 3,4 x 103 Titane (IV) 215 9,6 x 102

385 5,7 x 102 Tungstène (VI) IOr (III) 225 6,8 x 104 Uranium (VI) 236 3,4 x 103

Fer (III) 225 7,0 x 103 Zinc (II) N320 2,9 x 103 Zirconium (IV) N360 3,1 x 103 Lithium (I) N

Lanthane (III) N Plomb (II) 271 1,1 x 104

3.2.2. Mesure indirecte

Pour réaliser cette mesure, il faut deux conditions :n l’éluant doit absorber le rayonnement incident ;n les composés doivent être transparents à celui-ci.


ECOLEDES

MINESSAINT-ETIENNE

Ainsi, pour chaque élément élué, on mesure une variation d'absorbance de l'éluant,c'est-à-dire son taux de dilution. L'inconvénient de cette méthode est que l'on se heurte àdes problèmes de non-linéarité (loi de Beer-Lambert) dans des zones extrêmes maisl'avantage est que l'on réalise ainsi un détecteur universel

3.2.3. Détection d'un complexe coloré

Là-encore, il s'agit d'une détection spécifique car le complexe choisi ne réagiraqu'avec un certain nombre de composés ; le tableau ci-dessous indique les élémentssusceptibles de réagir avec trois complexants : le PAR (4- (2- pyridylazo) résorcinol) est leréactif choisit par les constructeurs en raison du grand nombre de composés détectables.

Ion métallique Arsenazo I Arsenazo III PARThorium (IV) X XZirconium (IV) X XAluminium (III) XChrome (III) XLanthane (III) X XBismuth (III) XFer (III) XFer (II) XVanadium (IV) XManganèse (II) XCobalt (II) XNickel (II) XCuivre (II) X XZinc (II) X XCadmium (II) XMercure (II) XPlomb (II) X XMagnesium (II) XCalcium (II) X XBarium (II) XStrontium (II) X

Pour la détection des anions inorganiques, une méthode de complexation par leperchlorate de fer a été mise au point et dont les conditions opératoires se trouvent dans letableau ci-dessous

:


ECOLEDES

MINESSAINT-ETIENNE

Anion λ max (nm) Detection b)limit (nmol)

Anion λ max (nm) Detection b)(nmol)

Cr42- 305, 344 0,4 SO3

2- 308 12,7SCN- 310 1,3 PO3

3- < 300 24,8Fe(CN)6

4- 305 1,6 H2PO2- < 300 28,8

Fe(CN)63- 305 1,9 IO3

- < 300 73,7SO4

2- 306 2,8 CO32- < 300 141,3

CI- 335 4,8 Br- < 300 144,3P2O7

4- 310 5,2 B4O72- < 300 206,4

I- 306, 350 5,6 BrO3- < 300 931,7

P3O105- 310 6,4 CN- < 300 392,2

S2- < 300 7,1 SiO32- < 300 285,7

S2O32- 308 8,1 NO3

- c) -NO2

- 372, 360 10,8 F- c) -PO4

3- 310 11,8 CIO3- c) -

Légende : a) 0,8 MHCIO4, 0,05 M Fe(CIO4,)3

b) Limite de détection sans une colonne de séparation : λ = 340 nmc) Ne réagit pas.

Néanmoins, cette détection de complexes colorés nécessite un appareillagespécifique : en sortie de colonne, il faut non seulement une chambre de mélange afin deformer le complexe mais aussi une cellule de mesure où l’échantillon complexé seratraversé par un faisceau lumineux.

3.3. Les détecteurs électrochimiques.

3.3.1. Caractéristiques

On trouve quatre groupes de détecteurs : ampérométriques, coulométriques,polarographiques et potentiométrique. Ce sont tous les quatre des détecteurs sélectifs carpour déclencher l'électrolyse, il faut appliquer un potentiel qui diffère selon les ions.

Les avantages de ces détecteurs sont d'une part l'excellente sensibilité de mesurequi permet de doser des traces et d'autre part la gamme de mesure très étendue. Par contre,ces détecteurs sont sensibles au débit d'éluant, au pH et à des substances comme l'oxygènedissous qui peuvent, selon le potentiel appliqué, perturber la mesure.

3.3.2. Principe de mesure

Afin de s'assurer que l'oxydo-réduction de l'espèce soit complète, on impose unpotentiel variant de -1,5 V à +1,5 V, ce qui, dans le cas où l'électrode de travail est enargent, conduit à la réaction :

Ag + X- → Ag X + e-

Selon le potentiel appliqué, on va donc recueillir un courant qui sera fonction de laconcentration de l'espèce en solution (courant de diffusion) comme le montre la courbeintensité-potentiel ci-dessous :


ECOLEDES

MINESSAINT-ETIENNE

Le principal facteur limitant est la réduction de l'oxygène dissout dans l'éluant etqui va générer un courant de base.

En pratique, le détecteur doit être calé sur le plateau du courant de diffusion maisau potentiel le plus bas pour limiter la réalisation d'autres réactions.

Les cellules électrochimiques sont régies par la loi de Faraday :

Q = n FN

Q : nombre de coulombsF : constante de FaradayN : nombre de moles électroactivesn : nombre d'électron par réaction.

Par unité de temps, on mesure le nombre de coulombs, on obtient l'intensité.La figure ci-dessous indique les électrodes de travail à choisir en fonction de

l'application donnée.

Electrode indicatrice solution basique b)(volts) solution acide c)(volts)

Carbone vitreux - 1,5 à 0,6 - 0,8 à 1,3Or - 1,25 à 0,75 - 0,35 à 1,1Argent - 1,2 à 0,1 - 0,55 à 0,4Platine - 0,9 à 0,65 - 0,2 à 1,3Mercure - 1,9 à 0,65 - 1,1 à 0,6

Légende :a) 0,1 N KOH,b) 0,1 N HCIO

4

Potentiel de demi - vague

Courant de diffusion

Potentiel de travailoptimal

E(Réduction) -

i


ECOLEDES

MINESSAINT-ETIENNE

Types d’électrodes de travail en fonction des ions

Ions ElectrodePhénols, catechols, catecholamines, aromatiques amines,acide fumarique, acide ascorbique, acide oxalique

Verre

Ions inorganiques oxydable (comme arsénite et hydrazine) PlatineHypochlorite Platinecyanide, sulfite, sulfite, thiocyanate, thiosulfate. Argent

MercureAliphatique amines, acides aminés Or, mercuremétaux réductibles, métaux formant des amalgames Mercure

4. La chromatographie anionique

4.1. Détection conductimétrique, avec suppresseur.

Cette configuration est celle qui est la plus répandue et est commercialisée parDIONEX Corporation.

Elle permet la détermination d'anions organiques et inorganiques, en reprenant lesprincipes déjà vus précédemment : résine échangeuse d'anions et détectionconductimétrique. Mais entre ces 2 éléments, on a besoin d'une unité que l'on détailleradans ce chapitre : le suppresseur chimique.


ECOLEDES

MINESSAINT-ETIENNE

4.1.1. L'appareillage

Cette figure nous montre les différents éléments que l'on retrouve sur le systèmeDIONEX :

1. Réservoir d'éluant2. Pompe à piston3. Vanne d'injection, permettant d'isoler un volume d'échantillon précis et

répétable (dans notre cas 120 µl)4. Colonne de séparation avec précolonne5. Unité de suppression chimique6. Détecteur conductimétrique

4.1.2 La résine échangeuse

Afin d'augmenter la rapidité de séparation des espèces, DIONEX prépare pour sessystèmes des colonnes de faible capacité avec des résines à surface agglomérées : lecopolymère est le styrène- divisylbenzène sur lequel est déposée une fine couche de latexéchangeur d'anions. La surface est recouverte alors de groupements d'acide sulfonique puiscette résine est transformée en échangeuse d'anions après traitement avec une substancequaternaire échangeuse d'anions (particules de polymère de 0,5 µm de diamètre).


ECOLEDES

MINESSAINT-ETIENNE

Le produit final est donc formé d'un noyau (le copolymère), de la couche sulfonéeet de la couche de particules échangeuses d'anions, représentée ci-dessous :

HCO3-

SulfateSulfonatedSubstrate

Actives Sites.

Anion Latex Partic les.

L A T E X E D A N I O NE X C H A N G E P A R T I C L E

Anion Pellicular

N +O O

S

R R

N

O R

R3N +

R3N +

R3

C O 3 2-

L'avantage de ces résines est de permettre un échange plus rapide, doncd'améliorer l'efficacité. D'autre part, ces colonnes sont très stables dans le temps et avecdes éléments très basiques.

D'un point de vue pratique, considérons (et telle est notre configuration) un

système élué par un mélange Na+HCO3- et (Na+)2CO

32-

où on injecte un échantillon

contenant Cl-, NO3- et SO

42-

(eaux de consommation par exemple). En symbolisant la résine

échangeuse d'anions par R+, on a la réaction :

R+HCO3- + Cl- → R+ Cl- + HCO3

-

Au bout d'un certain temps, l'éluant va libérer les ions de l'échantillon, remplacéspar ceux de l'éluant :

R+ Cl- + HCO3- → R+ HCO3

- + Cl-

Remarque : on retrouve les mêmes réactions en considérant CO32-

en lieu et place de HCO3-

(éluant) et en prenant NO3- ou SO4

2- à la place de Cl- (Echantillon).

En un temps relativement court, on va séparer ces 3 espèces car le temps derésidence des composés sur les sites est propre à chaque espèce.


ECOLEDES

MINESSAINT-ETIENNE

En sortie de colonne, on a donc séparé Cl-, NO3-, SO

42-

dans un "bain" de HCO3- et

CO32-

(puisque l’éluant est pompé en continu). Cet éluant est gênant car il a une conductivité

importante par rapport à celle des quelques anions de l'échantillon (importante différence devolume). Il va falloir le neutraliser et ceci va être réalisé dans l'unité de suppression.

4.1.2. L'unité de suppression

Ce système a été inventé par Stevens, Davis et Small (DOW CHEMICAL) : c'estla membrane à fibre creuse, schématisée ci-dessous :

Regenerant outEluent in Eluent out

Regenerant in

C’est une membrane en polyéthylène sur laquelle ont été greffés des groupements

sulfoniques SO3-. L’éluant et les espèces séparées qui proviennent de la colonne passent à

l’intérieur de cette fibre alors qu’un courant d’acide sulfurique H2SO4 passe à l’extérieur.Ce dispositif est régit par la force d’équilibre de Donnan, qui permet le passage à traversla membrane aux seuls cations. On a ainsi la réaction, dans le cas commencé au paragrapheprécédent :

→ pour l’éluant : CO32-

+ 2H+ → H2CO3 ) acide

HCO3- + H+ → H2CO3 )

carbonique

→ pour l’échantillon : 2Na+ + SO42-

→ Na2SO4

CL- + H+ → HCl

NO3- + H+ → HNO3

SO42-

+ H+ → H2SO4


ECOLEDES

MINESSAINT-ETIENNE

A l’entrée du détecteur, on retrouve donc différents acides car les produits deréaction avec l’ion sulfate sont mis à l’égout. Le tableau des constantes d’ionisation kA (ci-dessous) des principaux acides qui sont susceptibles de passer dans le détecteur montre quetous ceux-ci ne sont pas au même stade de dissociation, donc n’ont pas la mêmeconductivité :

ACIDE KaAcétique 1,74 x 10 -5

Arsenic K1 6,5 x 10 -3

K2 1,3 x 10 -7

K3 3,2 x 10 -12

Benzoïque 6,3 x 10 -5

Borique 5,9 x 10 -10

Carbonique K1 4,3 x 10 -7

K2 4,8 x 10-11

Formique 1,70 x 10 -4

Chlorhydrique a)

Fluorhydrique 6,75 x 10 -4

Nitrique 5,1 x 10 -5

Oxalique K1 8,8 x 10 -2

K2 5,1 x 10 -5

Phosphorique K1 7,5 x 10 -3

K2 6,2 x 10 -8

K3 4,8 x 10 -13

Propionique 1,34 x 10 -5

Sulfurique a)

Légende : a) Non-défini car cet acide est ionisé à 100 %.


ECOLEDES

MINESSAINT-ETIENNE

On voit ainsi que les anions de l'échantillon sont devenus des acides forts,partiellement voir complètement ionisés, qui ont donc une conductivité très importante alorsque l'éluant est devenu un acide faible (acide carbonique H2CO3), très peu dissocié, qui aune conductivité négligeable.

Le problème de la forte conductivité de l'éluant est résolu. Récemment, lamembrane à fibre creuse a vu son efficacité s'accroître avec l'unité AMMS (Anion MicroMembrane Suppressor) qui associe deux membranes à un double contre-courant derégénérant.

Eluent Flowpath inMicromembrane Suppressors

RegenerantScreen

EluentScreen

M e n b r a n e

Menbrane

GasketMaterial

RegenerantScreen

Figure 6 - 4 AMMS Unit. (Courtesyof Dionex Corporation.)

Un nouveau suppresseur chimique existe maintenant sur les derniers appareilscommercialisés par Dionex : l’auto-suppresseur. Dans celui-ci, les H+ sont apportés par larecirculation des acides détectés : l’apport de H2SO4 devient inutile.


ECOLEDES

MINESSAINT-ETIENNE

Une illustration de ces propos figure ci-dessous où avec le système décritprécédemment, on sépare 9 anions inorganiques avec une très bonne résolution et unebonne sensibilité:

4.1.d. Eluant et colonnesLe tableau ci-dessous permet de choisir l'éluant et de l'utiliser dans les conditions

optimales.

Eluant Concentration (M) Force éluante Produit forméNa2B4O7 0,005 - 0,02 très faible H3BO3

NaOH 0,01 - 0,1 faible H2ONaHCO3 0,0015 faible H2CO3

NaHCO3 0,003 Moyenne H2CO3

Na2CO3 0,024Na2CO3 0,006 Forte H2CO3

NaC6H5O Forte C6H5OH

4.2. Détection spectrophotométrique.

4.2.1. En mesure directe

Comme on l'a déjà décrit précédemment, la mesure directe est certainement la plusfacile mais aussi la plus limitée car peu d'espèces absorbent dans la gamme spectrale UV-visible. Néanmoins, on peut trouver certaines applications comme le montre lechromatogramme ci-dessous, qui permet de doser des acides carboxyliques en moins de 10minutes.

0 2 4 6 8 10

Minutes

Injection

NO2HPO

4 2− Br

NO3

S O 42 −

B r O3

CI −

F − Formiate


ECOLEDES

MINESSAINT-ETIENNE

4.2.b Mesure d'absorbance indirecteLe principe a déjà été expliqué dans le chapitre "Modes de détection" et

l'application proposée permet la détection de traces d'anions minéraux par la mesure dediminution de l'absorbance de l'éluant (acide phtalique à pH = 8,9) à λλ = 260 nm, c'est-à-dire qu'à chaque passage d'espèces, l'éluant est dilué par un composé « transparent » et doncl'absorbance diminue.

Pour conclure ce chapitre, voici le tableau des anions que l'on peut détecter enchromatographie ionique (attention, on ne peut pas tout détecter avec une configurationdonnée)

Tartarique

1

Malique

3

Lactique

2

45

Acétique

6 7

Citrique

8

9

Succinique

0

UV 210

à

0 2 4 6 8

3

minutes


ECOLEDES

MINESSAINT-ETIENNE

INORGANIQUES ORGANIQUESArséniate Nitrite Acétate Formiate

Arsénite Nitrure Acides aminés Fumarate

Bromate Perchlorate Acrylate Glutamate

Bromure Periodate Adipate Glycérol

Carbonate Phosphate Aldéhydes Glycolate

Chlorate Pyrophosphate Alkyl-aryl-sulfates Hexoses

Chlorite Rhénate Alkyl-phosphates Isocitrate

Chlorure Séléniate Alkyl-Phosphonates Lactate

Chromate Sélénite Alkyl-sulfates Malate

Cyanure Silice Alkyl-sulfo-acétates Maléate

Dithionate Sulfate Alkyl-sulfonates Malonate

Dithiophosphate Sulfite Alpha-céto-glutarate Mercaptans

Fluorure Sulfure Aryl-phosphates Méthanol

Fluorophosphate Tétrafluoroborate Aryl-phosphonates N-acétyl-hexosamises

Fluorosilicate Tétrapolyphosphate Aryl-sulfates N-acétyl-neuraminate

Hypochlorite Tétrathionate Aryl-sulfonates Oligo-saccharides

Hypophosphite Thiocyanate Ascorbate Oxalate

Lodate Thiophosphate Benzoate Phénols

Lodure Thiosulfate Butyl-phosphates Phtalate

Molybdate Trimétaphosphate Butyne-diol Propionate

Nitrate Tripolyphosphate Butyrate Pyrrolidone carboxylate

Caproate Pyruvate

Caprylate Quinate

Céto-actanoate Saccharine

Chloro-acétates Shikimate

Chloro-phénols Succinate

Citrate Tartrate

Disfures Valériate

EDTA Ethanol


ECOLEDES

MINESSAINT-ETIENNE

5. La chromatographie cationique

Comme pour la chromatographie anionique, on retrouve plusieurs méthodes dedétection qui sont d'ailleurs sensiblement les mêmes qu'en chromatographie anionique:détection conductimétrique (avec ou sans suppresseur), détectionspectrophotométrique et électrochimique.

La différence la plus importante se situe au niveau de l'éluant et la colonne, cardans ce cas, c'est un acide qui doit passer à travers une résine échangeuse de cations. Ceciétant précisé, le schéma synoptique de l'appareillage reste le même.

5.1. Suppression et détection conductimétrique.

En chromatographie cationique, l'unité de suppression va échanger les anions nondésirés pour la détection. Cette unité de suppression va se comporter comme une résineéchangeuse d’anions, régénérée par un contre-courant de soude NaOH. Par exemple, sil'éluant est l'acide nitrique HNO3 et l'échantillon un mélange de NaNO3 et KNO3, on a lesréactions suivantes dans le suppresseur :

→ éluant : H+NO3- + R+OH- → R+NO3

- + H2O→ échantillon : K+NO3

- + R+OH- → R+NO3- + K+OH-

Na+NO3- + R+OH- → R+NO3- + Na+OH-

Il ne reste plus qu'à mesurer la conductivité de K+OH- et Na+OH- dans l’eau quipossède une conductivité négligeable à côté des produits formés.

5.1.1. Séparation des cations monovalents

Cette séparation se produit sans problème, avec un éluant comme l'acide nitriqueou l'acide perchlorique. Ceci est montré dans la figure ci-dessous.

5.1.2. Séparation des cations bivalents

Celle-ci est un peu plus délicate car les cations bivalents sont plus retenus sur lacolonne. La solution pourrait être d'utiliser des éluants plus concentrés mais comme il s'agitd'acides forts, ils deviendraient trop corrosifs.

L'éluant adapté est le m-phénylènediamine comme le montre la figure suivante.

0 4 8 12 16Temps en (minutes)

Li+ Na+ NH+4 K+

Rb+


ECOLEDES

MINESSAINT-ETIENNE

Néanmoins, on est limité, avec cette méthode, aux ions figurants sur ceschromatogrammes car les autres cations métalliques forment, dans le suppresseur, desprécipités insolubles.

5.1.3. Utilisation d'un suppresseur à sulfate

L'éluant utilisé est soit Ba(NO3)2, soit BaCl2 ou Pb(NO3)2. On élimine les cationsde l'éluant en formant des précipités de BaSO4 dans l'unité de suppression.

5.1.4. Méthode sans suppresseur

Le principe de détection est basé sur la diminution de conductivité lorsqu'un cationde l'échantillon passe. Pour se faire, la conductance équivalente de l'éluant doit être plusforte que celle des anions à doser.

1.d.1. Séparation des cations monovalents :

Ce chromatogramme a été volontairement renversé car le détecteur ne mesure quedes pics négatifs. Il nous montre la très bonne sensibilité de la méthode pour une analyse quidure moins de 10 minutes.

Cette méthode est très utilisée pour le dosage des cations les plus courants (Na+,

K+, NH4+) car ces 3 espèces-là sont séparées et détectées en 1 minute seulement.

Réponse du détecteur

LI+

Na+

NH4+

K+

Rb+

Cs+

(Li - Cs)

TEMPS

EN

MINUTES

Mg 2+

Ca 2+

Sr 2+

Ba 2+

0 4 8 12 16Temps en minutes


ECOLEDES

MINESSAINT-ETIENNE

Par contre, avec cette méthode-là, on observe une dérive de la ligne de base carles échantillons contiennent souvent, en plus des métaux que l'on désire doser, des métauxbivalents (Mg2+, Ca2+) qui sont retenus sur la résine : ceci diminue la longueur effectivede la colonne et donc les temps de rétention. La solution à ce problème est l'injection de100 µl d'acide nitrique (0,1 M) qui va pousser Mg2+ et Ca2+ en-dehors de la colonne.

1.d.2. Séparation des amines cationiques :

L'utilisation d'un acide fort (ex : HNO3) comme éluant permet l'ionisation desanions dans leur forme cationique et on peut ainsi les détecter avec une très bonnesensibilité.

D'autres méthodes utilisant un éluant complexant et/ou un réactif complexantrajouté à l'échantillon permettent d'obtenir les chromatogrammes ci-dessous :

LI+

Na+

NH4+

K+

UNE MINUTE

INJECTION

0

3

6

9

CH3NH3+

(CH3)2NH2+

TEMPS

EN

MINUTES


ECOLEDES

MINESSAINT-ETIENNE

5.2. Méthodes sans suppresseur et détection spectrophotométrique.On retrouve ici les 2 méthodes déjà expliquées en chromatographie anionique :→ détection indirecte→ détection d'un complexe coloré

5.2.1. Détection indirecte

L'éluant choisit est le sulfate de cuivre CuSO4 qui absorbe dans l'UV alors que lescations n'absorbent pas. La séparation des cations de l'échantillon entraîne une diminutionde la concentration de l'éluant et par conséquent, une diminution de l'absorbance de cedernier.

5.2.2. Formation d'un complexe coloré

L'appareillage utilisé est le suivant :

Zn (II)CO (II)

Mn (II)

Cd

Ca (II)

Pb (II)

Sr (II)

0 3 6 9 12 15

Lu

Tm

Ho

Gd

Nd

Pr

Ce La

0 3 6 9 12 15 16 19 21 24 27 30 33Temps de l’ élution en minutes

REPONSE

DU

DETECTEUR

0 3 6 9 12 0 3 6 9 12Temps (minutes) Temps (minutes)

REPONSE

DU

DETECTEUR

REPONSE

DU

DETECTEUR

(a)

Ca (II)

Sr (II)

Mg (II)

(b)

Ca (II)Fe (II)

Sr (II)

INJECTION


ECOLEDES

MINESSAINT-ETIENNE

Eluent

Pump

PressureReservoirReagent

Mixing Tee

Reactor

Detector

Recorder/Integrator Output

BASIC COMPONENTS OF AN IC WITHPRESSURIZED SINGLE REAGENT PCR

SeparatorColumn

Ce qui permet d'obtenir:

Ce chromatogramme a été obtenu par formation de complexes métal-arsenazo(1), tout comme le chromatogramme ci-dessous mais qui a nécessité des conditionsparticulières (gradient de concentration de l'éluant).

LaCe

Pr

0,010

Nd

0,005

Sm

0

Eu

0 3 6 9 12 15Temps de rétention en minutes

Tb

Gd

Mg

CaSr

Dy

Ba

Ho

Er

Injection

TmYb

Lu

0020

0016

0012

0008

0004

0 04 8 12 16 20 24

Temps de rétention en minutes

ABSORBANCE


ECOLEDES

MINESSAINT-ETIENNE

5.3. Séparation avec détection électrochimique.

Ces méthodes ont été décrites pour la chromatographie anionique et elles restentvalables pour la chromatographie cationique.

Un excellent exemple est représenté ci-dessous et permet de mettre en évidence latrès bonne sensibilité de mesure.

De manière analogue à la chromatographie anionique, voici le tableau des cationsque l'on peut doser à l'aide de ces méthodes:

INORGANIQUES ORGANIQUESAluminium Fer (II et III) Plomb Acétyl-choline Ethanol-amines

Ammonium Gallium Potassium Acides aminés Ethylamines

Argent (cyanure) Gadolinium Rubidium Alkyl-diamines Isopropanolamines

Baryum Holmium Samarium Alkyl-pyridiniums Methylamines

Cadmium Hydrazine Sodium Amino-guanidines Methyl-hydrazine

Calcium Lithium Strontium Amino-méthyl-propanol Morpholine

Césium Lutécium Terbium Benzalkoniums N-Méthyl-pyrrolidine

Chrome (III, VI) Magnésium Uranium Benzyltriméthylamine Putrescine

Cobalt Manganèse Vanadium(IV,V) Butylamines Tétrabutylammonium

Cuivre Mercure Yttrium Cadavérine Tétraméthylammonium

Dysprosium Nickel Ytterbium Choline Tétraéthylammonium

Erbium Or (I et III) Zinc Cyclohexylamine Tétrapropylammonium

Etain (II et IV) Palladium Platine Diméthylbutylamine Urée

Hg

Cu

ZnNi

Pb

CdCo

COURANT

ELECTROLYTIQUE 0 10 20 30 40

Temps en minutes


ECOLEDES

MINESSAINT-ETIENNE

6. Conclusions

Cet exposé a permis de voir le (ou plutôt les) principe (s) de la Chromatographieionique et l’ensemble des configurations que l’on trouve le plus couramment.

On aura pu mettre en évidence les avantages de cette technique récente qui aconnu un important développement, concrétisé par les deux importantes listesd’anions et de cations détectables à l’aide de ces méthodes.

On peut noter enfin que les systèmes commerciaux s’avèrent très fiables et trèssimples d’utilisation.

Néanmoins, il faut quand même noter les deux inconvénients majeurs de cettetechnique :

• Avec une configuration ionique donnée, on ne dose qu’un nombre limité decomposés ioniques

• Il faut faire attention à l’échantillon que l’on injecte. En effet, il est préférable dele diluer de manière importante car la saturation de la colonne impose de nombreuxrinçages pour libérer les sites actifs (ceci diminue notablement la durée de vie de lacolonne).Mais d’un autre côté, une dilution trop importante peut alors « masquer » laprésence d’un ion minoritaire quelconque dans une matrice d’ions fortementconcentrés.

Ces deux points faibles (configuration spécifique à un nombre donné d’espèces,concentrations assez proches) nous amène à parler d’une technique encore plusrécente et qui peut permettre de résoudre ces deux problèmes : l’électrophorèsecapillaire.

En effet, toutes les espèces ioniques sont détectées (anions et cations) par inversiondu champ électrostatique et comme il n’y a pas de mécanisme chimique (c’est uncapillaire inerte), on évite ainsi tout problème de saturation ou d’encrassement.

Néanmoins, la chromatographie ionique reste la méthode de référence en matièrede dosage des espèces ioniques car l’électrophorèse capillaire se heurte à quelquesproblèmes de développement, notamment en ce qui concerne l’analyse quantitative.

chromato ionique

Documents