Gas Chromatograpy를 이용한 탄화수소류의 정성 및 정량 백현 신하늘 김정현

목 차 1. 실 험 목 적 2. 이 론 3. 실험 기구 및 과정 4. 실험결과 및 분석 5. 참고문헌

1. 실 험 목 적 Gas Chromatography를 이용하여 분리 원리를 이해하고 hydrocarbon류의 정성 정량 분석을 하여 미지시료에 포함된 각 성분에 대한 분석을 하고자 한다.

2. 이 론 Chromatography 란? 시료가 고정상과 이동상에 대한 상호작용 차이로 인해 발생하는 이동속도의 차이를 이용하여 분석하는 방법

친화성을 결정하는 인자에 의한 분류 흡착 분배 이온교환 분자배제 고정상 고체 불활성 고체에 지지된 액체 고체 표면에 붙어있는 이온화된 그룹 크기가 고르고 다공성인 젤(gel) 이동상 기체 or 액체 액체 분류방법 고정상에 흡착되는 정도의 차이 고정상과 이동상간의 친화도 차이 고정상 이온과의 이온교환 정도의 차이 분자 크기의 차이 모식도

Liquid Chromatography 이동상에 의한 분류 Gas Chromatography Liquid Chromatography 이동상 기체 액체 분리의 요인 시료의 휘발성 or 끓는점 시료의 이동성에 대한 용해성 특징 좁은 분자량 범위 회수 곤란 이동상의 극성 작음 시료의 안정성 고려 넓은 분자량 범위 회수 용이 이동상의 극성 큼 시료의 안정성 영향↓

Gas Chromatography Carrier gas 화학적으로 불활성이고 순도가 높은 것을 사용 He이나 N2기체를 주로 사용

Injector Split vs Splitless

Column Open tubular column Packed column - Fused silica(SiO2) 코팅 - 좋은 분해능 - 짧은 분석 시간 - 적은 시료 수용 - 좋은 유연성 - 긴 column 가능 Packed column - 비휘발성의 액체 고정상으로 코팅된 고체로 구성 - 낮은 분해능 - 긴 분석 시간 - 많은 시료 수용가능

Detector 열전도도 검출기(Thermal Conductivity Detector, TCD) - 시료의 전기전도도와 운반가스의 전기전도도 차이를 이용 - 기체 조성의 변화 → 기체의 열전도도 변화 → 필라멘트의 온도 변화 → 저항의 변화 측정 - 비파괴형 검출기 - 비교적 낮은 감도 전자 포획 검출기(Electron capture detector, ECD) - 63Ni 붕괴 → beta 입자 생성 → beta 입자에 의해 N2 → N2+ + e- CX + e- → CX- CX- + N2+ → CX + N2 → electron의 변화 감지 - ECD 검출기는 방사능물질을 포함하고 있으므로 유의해야함

Detector 불꽃 이온화 검출기(Flame Ionization Detector, FID) - 시료성분이 H2, 공기와 혼합 → 전기로 점화, 연소 → CH ＋ O → CHO＋ ＋ e- → 전류 측정 - 탄화수소에 주로 감응 - 높은 감도 - 가장 보편적으로 사용

정성분석 머무른 시간(retention time): 시료주입 시점부터 시료성분의 봉우리까지의 시간 운반 기체 종류 일정 시, Tr동안 머무른 부피는 각 물질의 특유 값이 되고 운반 기체 유량 일정 시, Tr도 각 물질의 특유값이 된다. 동족 계열의 유기화합물일 경우 logTr 또는 logVr ∝ 질량수 (직선관계) 비등점

정량분석 크로마토그램의 봉우리 넓이 ∝ 관에 주입된 그 물질의 양 보정 넓이 백분율

반높이 나비법 크로마토그램 봉우리 넓이의 측정법 ⇒hxd로 봉우리의 넓이를 근사시킴

혼합물의 크로마토그램에서 한 성분의 mole % ? 성분i의 mole % = →미지시료(혼합물) 속 각 성분의 비율을 구할 수 있다.

3. 실험 기구 및 과정 실험조건 1) 관: 스테인리스 관 (i.d. 3mm*2m) 2) 충진제: Carbowax 3) 운반기체: He(10mL/min) 4) 관 온도: 50~90℃ 5) 검출기 온도: 약 300℃

6) 시료: pentane, hexane, heptane, octane, 미지시료(standard 혼합물) 분자량(g/mol) 72.15 86.18 100.20 114.23 밀도(g/mL) 0.626 0.6548 0.6795 0.703 녹는점(°C) −130.5 to −129.1 °C −96 to −94  −91.0 to −90.1 −57.1 to −56.6 끓는점(°C) 35.9 to 36.3 68.5 to 69.1 98.1 to 98.7 125.1 to 126.1

기기조작 1) He, H₂, 산소의 탱크 밸브를 열어준다 기기조작 1) He, H₂, 산소의 탱크 밸브를 열어준다. 2) GC기계를 켜고 컴퓨터의 분석프로그램(Autochro-3000)을 실행시킨다. 3) 프로그램 로그인 후 제어목록을 실행시킨다.

4) 제어목록에서 오븐 온도를 50℃, 주입구 온도 160℃ 및 유량 10 4) 제어목록에서 오븐 온도를 50℃, 주입구 온도 160℃ 및 유량 10.0mL/min, 검출기 설정내 온도 300℃, H₂ 및 산소 유량을 체크한 후에 기기 상태가 준비상태로 변하는지 확인한다. 이때 FID 검출기가 제대로 점화되었는지 확인하기 위하여 안경이나 고글 등을 검출기 쪽에 대어본다. 수증기가 생긴다면 정상적으로 점화된 것이다. (절대 검출기에 손을 대거나 눈으로 직접 보는 행위는 하지 않는다.)

5) 기기상태가 준비상태가 되었다면 hexane 1uL를 주입함과 동시에 검출 시작 버튼을 누른다 5) 기기상태가 준비상태가 되었다면 hexane 1uL를 주입함과 동시에 검출 시작 버튼을 누른다. Peak가 검출되었다면 검출 종료 버튼을 누르고 파일명 및 시료 정보를 노트에 적어 둔다. 6) 오븐 온도를 70 ℃로 높인 후에 hexane을 각각 0.5, 1, 1.5uL씩 주입하여 본다.

7) pentane, heptane, octane 및 미지시료를 1uL씩 주입하여 머무름 시간의 차이를 확인한다 7) pentane, heptane, octane 및 미지시료를 1uL씩 주입하여 머무름 시간의 차이를 확인한다. 8) 오븐 온도를 90 ℃로 높인 후 hexane 1uL를 주입한다. 9) 모든 실험이 끝나면 오븐, 주입구 및 검출기 온도를 30 ℃로 내린 후에 GC기계를 끈다. 10) 모든 탱크의 밸브를 잠그고 컴퓨터를 종료한다.

주의 사항 1) 수소 및 산소 가스를 사용하는 실험이므로 가스 밸브를 열고 닫는 것에 대하여 매우 주의를 기울여야 한다 주의 사항 1) 수소 및 산소 가스를 사용하는 실험이므로 가스 밸브를 열고 닫는 것에 대하여 매우 주의를 기울여야 한다. (폭발 위험) 2) GC syringe를 사용할 때에는 반드시 양 손을 모두 사용한다. 3) GC기계는 온도를 반드시 내린 후 끈다.

4. 실험결과 및 분석 결과 비교 - Hexane Signals of Different Volumes 결과 계산 미지시료 분석 - Hexane Signals at Different Temperatures - Signals of Pentane, Hexane and Octane at 70℃ 결과 계산 미지시료 분석

Hexane: Signals of Different Volumes Detector Response (mV) Time (s)

Hexane: Signals at Different oven Temperatures Detector Response (mV) Time (s)

Signals of Pentane, Hexane and Octane at 70℃ Detector Response (mV) Time (s)

결과 분석 순서 반높이 나비법과 Integration Program을 사용하여 Peak면적 구하기 각 물질의 mol 구하기 1과 2를 사용하여 Factor 구하기 Factor를 사용하여 미지시료 분석 반높이 나비법과 Integration Program을 사용하여 Peak면적 구하기 2. 각 물질의 mol 구하기 3. 1과 2를 사용하여 Factor 구하기 4. Factor를 사용하여 미지시료 분석

반높이 나비법 h (Height) ½ h d 봉우리의 면적= 2d XhX1/2

Peak 넓이 구하기 Example. n-Pentane Peak h: 1806549mV ½ h: 903274.5 mV d at ½ h: 67.4-57.6=9.8s Peak 넓이: 1806549 X 9.8 = 17704184 mV*s

표준물질의 정량분석 (s) d Pentane 919657 459828.5 7.05 6483582 8552659 Hexane Peak Height (mV) 1/2 Height d (s) Area (mV*s) by Origin Program Pentane 919657 459828.5 7.05 6483582 8552659 Hexane 1352913 676456.5 7.33 9916852.3 10418426 Octane 307471 153735.5 41.7 12821541 13135892

Mol 구하기 Example. n-Pentane Molecular Weight: 72.15 g/mol Density: 0.626 g/ml Mass: 1㎕ X (10-3 ml/㎕) X (0.626 g/ml) = 6.26 x 10-4 g Mole: (6.26 x 10-4 g) / (72.15 g/mol) =8.68 x 10-6 mol

표준물질의 정량분석 Pentane Hexane Octane 표준물질 M.W. (g/mol) Density (g/ml) Mass Mole (mol) Pentane 72.15 0.626 6.26.E-04 8.67637E-06 Hexane 86.18 0.659 6.59.E-04 7.64679E-06 Octane 114.23 0.703 7.03.E-04 6.15425E-06

Factor 구하기 Factor pentane= 1 Factor hexane =(6483582/9916852.3) * (7.65 X 10^-6 / 8.68 X 10^-6) = 0.576

Factor 계산 결과 Factor (반높이 나비법 사용) Pentane 1 Hexane 0.576 Octane 0.359 0.724 Octane 0.462

미지시료의 Retention Time 비교 분석 Detector Response (mV) RT (s) (Standard) RT (s) (미지시료) Pentane 61.30 69.95 Hexane 106.60 109.5 Octane 420.68 402

Area by Origin Program (mV*s) 미지시료의 봉우리 넓이 Peak Height (mV) 1/2 Height (mV) d (s) Area (mV*s) Area by Origin Program (mV*s) Pentane 462056 231028 4.43 2046908 2218328 Hexane 1017593 508796.5 6.84 6960336 7365026 Octane 130525.8 65262.9 23.92 3122177 3369028

보정 넓이 백분율을 사용한 Mole % 구하기 Example. Pentane Peak Area * Factor pentane = 2046908 * 1 = 2046908 Hexane Peak Area * Factor hexane = 6960336 * 0.576 = 4009154

보정 넓이 백분율을 사용한 Mole % 구하기 Pentane Hexane Octane Total 2046908 2218328 Area*Factor (반높이 나비법) Area*Factor (프로그램) Pentane 2046908 2218328 Hexane 4009154 5332279 Octane 1120862 1556491 Total 7176924 9107097

보정 넓이 백분율을 사용한 Mole % 구하기 Example. Pentane의 mole% = 2046908 / 7176924 * 100 = 28.520687

미지시료 분석 결과 Mol % Approx. Ratio Pentane 28.52069 1 1.8 Hexane 55.86173 Mol % Ratio (반높이 나비법) Approx. Ratio Pentane 28.52069 1 1.8 Hexane 55.86173 1.958639 3.6 Octane 15.61758 0.5475878 Mol % Mol % Ratio (프로그램) Approx. Ratio Pentane 24.358234 1 1.4 Hexane 58.550809 2.4037379 3.4 Octane 17.090957 0.70165010

5.참고문헌 연세대학교 이과대학 화학과 <분석화학실험> 2. Quantitative Chemical Analysis 8th Ed., Freeman, Daniel C. Harris