Les processus fondamentaux dans une colonne chromatographique

Les courbes chromatographiques, pic ou front selon le mode d’introduction des

molécules adsorbées (ou solutés), sont le résultat de la contribution de plusieurs phénomènes:

i) l’isotherme d’adsorption,

ii) l’hydrodynamique du flux de la phase mobile à travers un lit de particules (la

dispersion axiale),

iii) les cinétiques issues des phénomènes de transfert de matière (adsorbat ou soluté

entre les phases solide et liquide (diffusion de l’adsorbat extra et

intra-particulaire),

iv) la cinétique de l’adsorption.

La figure 12 montre la séparation chromatographique de deux constituants. Nous

pouvons observer que la distance entre les composés 1 et 2 augmente au fur et à mesure du

déplacement dans la colonne. Néanmoins, en parallèle se produit l’élargissement des bandes

séparées, ce qui diminue l’efficacité de la séparation. Plus l’élargissement de la bande dans la

colonne est petit, plus le pouvoir de séparation de la colonne est important (plus la colonne

est efficace). De nombreuses variables physiques et chimiques influencent la séparation et

l’élargissement de ces bandes.

Figure 12: Séparation d’un mélange de deux composants dans une colonne: a) immédiatement à l’entrée de la colonne, b) et c) montrent l’avancement des bandes dans la colonne et leurs élargissements. (Conder et Young, 1974)

Quelques définitions et termes relatifs à la chromatographie

La figure 13 montre les différentes contributions quant à la forme de la courbe

chromatographique (pics).

En chromatographie linéaire, les concentrations à l’équilibre de l’adsorbat (du soluté) dans

les phases stationnaire et mobile sont proportionnelles (l’isotherme d’adsorption est linéaire).

Dans ce cas, l’allure du profil du pic et le temps de rétention sont indépendants de la quantité

d’échantillon introduite sur la colonne.

En chromatographie non-linéaire, l’isotherme d’adsorption n’est pas linéaire et l’allure du pic

dépend de la quantité d’échantillon. Pour simplifier l’étude de la chromatographie

non-linéaire, il est nécessaire de faire la distinction entre lesmodèles idéal et non-idéal.

En chromatographie idéale, le profil de la courbe chromatographique est contrôlé seulement

par la thermodynamique (isotherme de distribution). Ceci suppose que la dispersion axiale

(ii) est négligeable, et les cinétiques de transfert (iii) et d’adsorption (iv) sont très rapides

(infinies) et n’influencent pas la forme de la courbe chromatographique. La surface des

particules est constamment en l’équilibre avec la solution qui percole le lit de particules.

En chromatographie non-idéale, tous les facteurs faisant référence à (i, ii, iii et iv) influencent

la courbe chromatographique. Nous pouvons distinguer plusieurs cas, qui dépendent de la

nature et de l’importance des contributions par rapport à la contribution thermodynamique.

Figure 13: Relation entre l’isotherme d’adsorption d’un composé et la forme de son pic chromatographique. 1er

rang: isotherme; 2e

rang: dérivée de l’isotherme; 3e

rang: la même dérivée qu’au 2e rang avec rotation des axes xy; 4e rang: pic correspondant au modèle idéal (influence de l’isotherme seulement); 5e

rang: pic correspondant au modèle non-idéal. (Guiochon et al., 1994)

Dans un tel contexte, il est nécessaire de prendre en considération tous les

phénomènes susceptibles d’influencer la courbe chromatographique (pics ou fronts). A titre

d’exemple, Ma et al., (1994) ont démontré l’impact possible de phénomènes de diffusion (iii)

sur l’allure des fronts chromatographiques (figure 14).

Figure 14: Influence de la diffusion inter et intra particulaire (surface poreuse) sur le front chromatographique. (Ma et al., 1994)

Alors, une courbe chromatographique obtenue dans des conditions données (nature du

remplissage de la colonne, de la phase mobile et du/des soluté(s) ou adsorbant(s)) peut être

modélisée, pour mettre en évidence la présence ou l’absence de certains phénomènes ayant

lieu dans la colonne.

Par conséquent, si une isotherme doit être calculée à partir d’un front

chromatographique, les facteurs non-thermodynamiques doivent être identifiés et doivent être

négligeables pour obtenir l’isotherme la plus juste, sinon l’isotherme peut être erronée; tout

dépend de la méthode utilisée.

Les méthodes principales pour mesurer des isothermes dépendent des conditions

expérimentales, la figure 15 en est une illustration: (1) l’analyse frontale FA (par un point ou

par multi-points), (2) l’analyse frontale par point caractéristique FACP, (3) l’élution par point

caractéristique ECP et (4) les impulsions sur un plateau EP.

Par exemple si la méthode FA est utilisée, la quantité adsorbée par unité d’adsorbant

(q) peut être déterminée par intégration de la courbe chromatographique et utilisée pour la

construction de l’isotherme (équation 2):

q= 1 /m [ Ci ( V

– V

) ⌠ c dV ]

Où:

-q est la quantité adsorbée (mg/g);

-m est la masse d’adsorbant (mg);

-Ci est la concentration de l’adsorbat (mg/L);

-V

est le volume de la phase mobile dans la colonne (intra et inter-particulaire);

-V

est le volume final de la phase mobile.

Des descriptions plus détaillées quant à la réalisation des essais, les avantages et

inconvénients peuvent être trouvés dans l’ouvrage de Guiochon et al., (1994).

Figure 15: Différentes méthodes chromatographiques utilisées pour obtenir une isotherme.

Dans certains travaux de recherche (Guiochon et al., 1994), les auteurs ont démontré

que les méthodes FA, FACP et ECP donnent les mêmes isothermes que les méthodes

statiques si les mesures sont effectuées dans des bonnes conditions. Habituellement, le

facteur thermodynamique est le plus important de toutes les autres contributions possibles.

Ceci dépend du compactage de la colonne et du matériau utilisé, qui doit être vérifié lorsque

le remplissage des colonnes est effectué manuellement pour la caractérisation d’un solide. Le

principal avantage de la méthode FA est que l’intégration du front FA donne la quantité totale

adsorbée q

juste même dans le cas d’une courbe déformée par la cinétique de transfert de

matière ou la dispersion axiale. Mais l’inconvénient est que cette méthode est très laborieuse,

car chaque point de l’isotherme demande une mesure chromatographique, de ce fait le

nombre de points est limité. Alors que les méthodes FACP et ECP permettent d’obtenir une

isotherme complète à partir d’un front ou d’un pic avec plusieurs centaines de points, mais à

condition que les phénomènes non-thermodynamiques dans la colonne sont négligeables.