Nafion干燥器去除的化合物

 Nafion干燥器去除的化合物

Nafion是全氟-3,6-二环氧-4-甲基-7-癸-硫酸和Teflon(聚四氟乙烯)的共聚物。简单来说Nafion有一个Teflon的主链和不常见的碳氟侧链。碳氟侧链终止于磺酸基(- SO3H)。

除了磺酸基, Nafion就是一个碳氟聚合物。像所有含氟聚合物一样,Nafion具有化学惰性(极强的抗化学侵蚀性)。它的磺酸基团被固定在大量的碳氟基层上不能被删除,但与碳氟基层不同的是磺酸基并不参与化学反应。磺酸的存在使得Nafion对于能和磺酸结合的化合物有了选择性渗透。

用于液态时,Nafion可以作为离子交换树脂。在液相状态下,离子化合物会分解成自由离子,自由离子可以通过Nafion的磺酸基相互易位,离子通过聚合物快速的渗透。

博纯干燥器设计用于气相状态下的采样处理。化合物在气相状态下不会分解成自由离子,除非温度超过一千度。而这个温度远远高于干燥器的运行温度范围。因此,Nafion管内的离子化合物不可能在气相状态下渗透,除非是专门和磺酸组成复合物。很少有气态化合物可以同磺酸复合(结合),因此在气相状态下Nafion对化合物是非常有选择性地渗透。

去除机制

Nafion通过以下三种方式移除气流中的化合物:

1.    结合在Nafion的磺酸基上的化合物通过聚合物快速渗透。这些化合物主要限于那些气体呈碱性的化合物(产生酸碱反应)。不是所有的,但大多数碱性化合物包含一个羟基(-OH)。因此,下列化合物都能被Nafion干燥器去除:

       1.    水(H-OH)
       2.    醇 (R-OH R为任意的常见有机基团)
       3.    氨 (和水反应形成羟胺, NH3 + H2O = NH2-OH)     
       同样的原理,一级胺(R-NH2)和二级胺(R1, R2-NH)也像氨一样被去除。

2.    Nafion的磺酸基使它具有强酸的特性,可以被用作酸催化剂。作为一个强酸催化剂,Nafion很容易的酸催化有机化合物转换成其他化合物。严格来说,这时化合物并未从采样气体中移除,但它转换成另一种化合物代替。酸催化发生的化合物有:

       1.    双碳和三碳原子之间或碳和其他原子之间
       2.    分子空间应力(构造应力,可解除分子重组)

有机化合物之间的碳单键被描述为简单的碳氢化合物,或烷烃(甲烷,乙烷,丙烷,丁烷,戊烷,己烷,庚烷,辛烷等)。这些化合物不进行酸催化和被去除。

有机化合物之间的碳双键被称为烯烃(乙烯,丙烯,丁烯等)。化合物具有碳三键被称为炔烃。烯烃和炔烃被酸催化有可能被转化,取决于该化合物的具体情况。

苯环是非常稳定的有机结构。即使它的环形结构内部有碳双键,苯不会受酸催化成为另一种复合物。EPA方法TO-14也证实了,其中特别列举了用Nafion干燥器干燥苯,甲苯,二甲苯和各种其他有机化合物。当其他基团附到苯环上,这一基团就决定是否会发生酸催化。例如,甲醛仍然是醛,仍然会进行酸催化。苯环的存在不会导致复合物酸催化,但它也不会保护另一活性基团不进行酸催化。含有苯环的化合物被描述为芳烃化合物,这类也不会被Nafion去除。

3.    综合上述两种方法,Nafion把化合物转化成醇,然后除去。许多有机化合物含羰基 (-C=O)。这个基团受到酸的催化形成醇。该反应称为酸催化下的烯醇化 (烯醇是醇的另一个名称)。 在这个反应中碳、氧和水的组合形成了一个二醇-单碳-羟基团(C = O+H2O形成了HO-C-OH)。醛,酮,有机酸都含有羰基。在受到酸催化的烯醇化都将被Nafion去除。这些化合物不只是转换成另一种化合物,实际上在转变为醇后经过Nafion渗透了。

因为通过这一过程除去的化合物必须首先是经过酸催化的烯醇化,所以去除化合物的比例取决于化合物的酸催化反应有多容易。这就取决于附在羰基上的有机基R的性质了。比如,甲醛在R基的位置只有一个羟基。由于羟基不会轻易进行电荷共享,羰基抗酸催化烯醇化,所以Nafion不会从气体中除去羰基。另一方面,苯甲醛在R的位置有一个苯环。苯环很容易进行电荷共享,所以苯甲醛会被酸催化烯醇化,随后被Nafion去除。

其他有机物,在碳和其他原子(氧或氮)间有二或三根链的,可能也会被酸催化然后被除去。举例来说腈化合物的碳和氮建有多根链,就可以被Nafion去除。二甲基亚砜(DSMO)和四氢呋喃(THF)是两种同样能被Nafion去除的化合物。

概括

Nafion气体干燥器能直接去除水、醇、氨、胺和其他有羟基或能被酸催化转换的化合物。一些复合物也能被去除,但在酸催化下变得面目全非。无机化合物一般不会被去除(除水和氨)。