基于随机扩散理论的气相色谱分离模拟

摘要

色谱分离过程中的粒子扩散问题是色谱动力学研究的基础,深入理解粒子的扩散行为对优化分离操作条件、提升色谱性能和开发新型色谱柱尤为关键。现有的模拟方法多集中于局部过程的热力学研究,而整体的扩散分离过程报道并不多见。为此,该文基于微尺度受限空间内随机扩散的方法,通过动态追踪粒子的运动轨迹,实现粒子在气相色谱开管柱内的扩散全过程模拟。基于前期烷烃同系物的分离模拟研究,结合Kovats保留指数,分别建立了吸附步数与温度、吸附步数与碳数的函数关系,由此获得不同类型的同系物在不同温度条件下的分离参数系统。以醇类同系物的分离验证模拟的可靠性,结果表明保留时间的相对误差基本控制在5%以内,而峰宽相对误差在0.75%~60%之间。峰宽误差较大的原因在于:(1)参数化计算过程中未能充分迭代以及使用外推法;(2)模型中忽略了醇分子之间的氢键作用。该文提出的模拟方法虽然可以准确地预测色谱保留时间以及合理描述色谱峰的基本形貌特征,但尚有进一步发展空间,特别是增加对分子间相互作用的细节处理,例如可参考分子力学的方法建立分子间势函数和吸附步数的关系,利用分子力学计算的能量来取代参数化的吸附步数,从而实现更为精确的分离过程模拟。总体而言,该文所提出的模拟方法为优化色谱分离操作条件和开发新型色谱分离技术提供了有价值的参考。