• V . 1 - I N T R O D U C T I O N
Pour que deux éléments puissent être séparés par chromatographic i l est nécessaire que leurs coefficients de partage soient différents et que l'un d'eux soit suffisamment p e t i t pour que l'élément correspondant soit élue rapidement. Mais ces conditions ne sont pas suffisantes pour que la séparation soit possible : i l faut aussi que les équilibres entre les deux phases du système chromatographique soient établis rapidement pour que la séparation, puisse être réalisée avec des colonnes de hauteurs raisonnables. 11 faut en outre que la technique de la méthode soit simple et rapide pour que les séparations soient réalisées dans un temps l i m i t é . C'est pourquoi après avoir étudié la sélectivité de la chromatographic de partage avec phase aqueuse immobilisée par une résine échangeuse d'ions et les différents moyens d'agir sur les coefficients de partage et avant d'en chercher les applications possibles, nous nous sommes intéressés à la préparation et au fonctionnement des colonnes utilisées dans cette méthode .
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-I V . 2 - TECHN-IQUE DE LA CHROMATOGRAPHY DE PARTAGE SUR SUPPORT ECHANGEUR D ' I O N S IMBIBE D'EAU
I V . 2 A - Préparation des colonnes
Les grains de résine échangeuse d'ions imbibée d'eau et essorée ont tendance, lorsqu'ils sont plongés dans un solvant non miscible à l'eau,à s'agglutiner en grumeaux.
C'est vraisemblablement les films d'eau qui les recouvrent, qui sont responsables de ces agglomérats. O n réduit d'ailleurs fortement la formation de grumeaux en poussant le séchage de la résine, avant la mise en contact avec le solvant, un peu plus loin que le simple essorage. Toutefois i l est d i f f i c i l e d'obtenir, des suspensions homogènes de grains de résine dans le solvant organique. Ceci rend la préparation des colonnes moins facile qu'en milieu aqueux.
Cette préparation pourra être réalisée de deux façons différentes :
ou bien on verse dans la colonne un peu de solvant organique et l'on I n t r o -duit ensuite à la spatule la résine essorée que l'on entraine au fond de la colonne à l'cide d'une t i g e de t é f l o n .
- ou bien on remplit la colonne de façon classique en versant une suspension de grains de résine dans l'eau, puis on élimine l'eau par aspiration à l'aide d'une trompe à vide et l'on remplit de nouveau le volume interstitiel avec le solvant organique que l'on f a i t monter dans la colonne en l'introduisant ou niveau inférieur de c e l l e - c i . Notons que cette méthode de remplissage ne convient que pour des résines de granuloméfrie assez grosse ( < 100 mesh). Dans le cas des résines fines i l est d i f f i c i l e de remplir le volume interstitiel avec le solvant organique sans laisser de bulles d'air emprisonnées entre les grains.
Le tassement de la résine dans la colonne doit être réalisé avec soin. Dans la première méthode de remplissage i l peut être obtenu â l'aide de la tige de téflon au fur et â mesure du remplissage. Dans la deuxième méthode, le tassement est obtenu b e a u -coup plus facilement puisqu'il s'opère en milieu aqueux.
L ans certains cas et en particulier si l'on utilise un solvant de densité supérieure à c e l l e de la résine,il peut être nécessaire de coiffer le l i t de résine par un tampon de laine de verre qui maintient le tassement de la résine dans la colonne.
Remarquons que l'utilisation de colonnes spéciales dans lesquelles le l i t de résine est contenu entre deux pistons de téflon d'écartement réglable résout la plupart des problèmes que nous avons cités et s'avère particulièrement commode.
I V . 2 B - Introduction des échantillons dans la colonne
Lorsque !es éléments à séparer se trouvent en solution dans le solvant organique, soit après dissolution d'un solide, soit après extraction de ces éléments à partir d'une solution aqueuse, leur introduction au sommet de la colonne se f a i t de façon classique, soit manuellement, soit, dans le cas des colonnes à pistons, à l'aide d'un dispositif d'injection automatique.
Si les éléments à séparer sont initialement en solution aqueuse, on peut les fixer directement sur une colonne de résine en milieu aqueux, puis éliminer la phase aqueuse interstitielle et la remplacer par le solvant organique comme i l a été vu plus haut. O n peut aussi fixer les éléments à séparer sur une petite masse de résine mise en contact, en f l o c o n , avec la solution aqueuse de ces éléments. La masse de résine est ensuite f i l t r é e , essorée et introduite au sommet d'une colonne préparée au préalable en milieu organique.
Dans ces deux dernières méthodes, où la fixation a lieu en milieu aqueux, i l est bien sûr nécessaire de réaliser, en solution, les conditions dans lesquelles cette fixation est quantitative. Dans certains cas des problèmes peuvent se poser. Par exemple si la solution aqueuse où se trouvent les éléments à séparer contient des sels très concen-trés, la résine acide risque de changer de forme ionique au cours de la f i x a t i o n . D'autre part, si la résine est acide f a i b l e , une fixation quantitative des éléments métalliques ne peut être réalisée qu'en milieu peu acide que l'on obtiendra à l'aide d'un tampon.
Dans ces conditions, certains éléments peuvent être fixés dans la résine sous forme de complexes cationiques avec les ions du tampon. Ces complexes n'ont pas, vis à vis du chélafant, le même comportement que les cations simples et peuvent compromettre l'efficacité de la séparation.
L'extraction préalable des éléments à séparer et la fixation en milieu organique semble donc, lorsqu'elle est possible, préférable aux autres méthodes.
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-I V . 2 C - -Introduction de l'éluant dans la colonne
Dans certaines techniques chromatographiques, la nécessité d'introduire l'éluant dans la colonne à des vitesses petites et constantes impose l'utilisation de pompes. Les pompes péristalitiques dont les tuyaux ne résistent pas aux solvants organiques peuvent être utilisées si l'on emploie la méthode du vase à débordement. Cette méthode consiste à introduire une phase aqueuse à l'aide d'une pompe péristaltique dans un récipient clos initialement rempli de la phase organique non miscible à l'eau à introduire dans la colonne. La phase aqueuse pousse, hors du récipient, la phase organique à la vitesse imposée par la pompe. (Voir figure 39)
Les pompes à seringues dans lesquelles le liquide n'est en contact qu'avec des éléments en verre et en téflon sont d'un emploi beaucoup plus rapide et plus commode.
I V . 2 D - Analyse des effluents
Les solutions qui s'écoulent des colonnes sont des solutions de chelates m é t a l l i -ques et d'agent chélafant dans un solvant organique. Ceci permet d'envisager des méthodes de détection rarement possibles directement sur les solutions aqueuses. Très souvent les chelates absorbent la lumière et l'analyse de la solution effluente peut être réalisée directement par specfrophotométrie. Le dosage spectrophotoméfrîque peut être effectué, soit sur chaque fraction d'effluent si l'on utilise un collecteur, soit en continu si l'on a relié la colonne a une cuve de spectrophotométrie à c i r c u l a t i o n .
En général les agents chélatants absorbent la lumière dans l'ultraviolet ou dans le visible proche de l ' u l t r a v i o l e t . Comme ils sont utilisés en solution de grande concen-t r a concen-t i o n , i l arrive quelquefois que l'absorpconcen-tion du chélaconcen-tanconcen-t gêne le dosage specconcen-tropho- spectropho-tométrîque du c h e l a t e . Le problème peut être souvent résolu en ajoutant à la solution effluente une solution dans le même solvant d'un autre chélatant ou réactif acide capable de déplacer le métal et de donner un composé coloré absorbant la lumière à une longueur d'onde où l'absorption des chélatants n'interfère pas. L ' o x i n e , qui donnent des chelates très stables et très colorés, peut être fréquemment employé.
Enfin l'analyse des solutions organiques de chelates peut être envisagée à l'aide de détecteurs à ionisation de flammespécialementconçus pour la chromafographie liquide.
I V . 3 - EFFICACITE DES C O L O N N E S
L'efficacité des colonnes de chromatographic est caractérisée par la hauteur du plateau théorique équivalent qui peut être déterminée à partir de l'étalement des pics d'élutîon. (Voir Annexe expérimentale).
La hauteur de plateau théorique d'une colonne dépend de facteurs propres â l'élément élue (coefficients de diffusion des espèces qui migrent dans les deux phases, vitesses des réactions auxquelles elles participent) et de facteurs propres à la colonne et aux conditions dans lesquelles elle est utilisée (géométrie de la colonne, débit de l'éluant, tassement, granulométrie et taux de pontage de la résine, température).
Pour avoir un ordre de grandeur des hauteurs de plateau que l'on peut obtenir à l'aide de colonnes de résines imbibées d'eau en contact avec un solvant non miscible à l'eau, nous avons étudié l'élution de l'acétylacétonate de fer sur une colonne de résine acide fort et l'élution de l'acétylacétonate de cuivre sur une colonne de résine acide faible. Ces exemples ont été choisis pour des raisons pratiques : ces deux éléments sont en effet les seuls, parmi ceux étudiés, qui ont des coefficients de partage faibles permettant des élutions rapides et n'apportant pas de dilution excessive de l'élément élue.
Nous avons écarté a priori les oxinates car l'étude en flacon de l'oxinau d'aluminium nous a montré que les équilibres n'étaient atteints qu'au bout de 48 heures d'agitation ce qui ne laissait aucun espoir d'obtenir des hauteurs de plateau acceptables. Il est évident que les cas étudiés sont des cas particuliers et que pour d'autres éléments les hauteurs de plateau théorique peuvent être différentes de celles mesurées dans le cas de Fe (III) et de Cu ( I I ) . Toutefois l'ordre de grandeur des résultats obtenus nous permettra déjà de voir dans quel domaine de débit, de granulométrie, de faux de pontage i l est nécessaire de travailler pour obtenir des hauteurs de plateau acceptables.
Les élutions ont été réalisées à l'aide du dispositif représenté sur la figure 39 et comportant :
- une pompe péristaltique servant à introduire une solution aqueuse d'acéty-lacétone dans un vase â débordement rempli d'une solution benzénique d'acétyd'acéty-lacétone,
- une colonne a piston munie d'un dispositif d'injection,
- un collecteur de fractions ou un spectrophotomètre permettant d'analyse continue de l'effluent.