干燥技术:微孔材料 VS. Nafion材料

干燥技术:微孔材料 VS. Nafion材料

微孔材料已经被用于干燥应用很多年了;比如分子筛和膜像Gortex®。这些材料纯粹是通过分子的物理大小有选择性的去除气体(通常是空气)中的水。用空气举例来说,水分子远比氮气或氧气的分子小。

当空气暴露于含小孔的材料中,水蒸汽渗透过这些小孔的速度远比氮气和氧气快速。随后大部分的水蒸汽进入小孔,较少的氮气和氧气(不可忽略)的进入小孔。如果材料是一种固体块,如用作干燥剂的分子筛的孔最终将被填满,水必须在材料能被再次用来干燥前去除。通过加热材料(例如放进烤箱)或减少分子筛周围空气的压力来清洗材料。

分子筛干燥

分子筛往往被视为一次性设备。我们的DM™系列干燥器在Nafion®管周围使用分子筛,在水分通过我们的干燥管渗透后进行吸收。一旦分子筛吸收满水后,它就可被移除,进行更新或简单的取代。

使用分子筛来制作干燥设备连续运行是很有可能的。通过提供两种分子筛干燥剂的空间,并用开关转化运行其中一个分子筛,同时另一个可以进行再生。如果是通过加热分子筛来再生,那么该设备被称为“变温”干燥器。这些通常是非常大的设备,具有非常高的流量。如果分子筛是通过降低环境压力再生,那么该设备被称为“变压”干燥器或 “非加热型”干燥器。这些可以做成很小的尺寸。博纯提供行业中最小的该类产品。当面临一种应用需要空气在适度的流速(我们产品最小型号满足高达60升每分钟的流速,最大型号满足高达100升每分钟的流速)下被干燥,我们的HD系列非加热干燥机是一个很好的解决方案,只要空气压力在60-100psi(4-7bar)范围。

微孔疏水过滤器

使用微孔塑料也可以制作干燥设备。有时只用一层材料;疏水过滤器就是很好的例子。这些过滤器可以让所有类型的气体通过,但是液体由于孔太小不能通过。“脱模”过滤器是我们这个行业中这类过滤器的典型。它们可以保护分析仪免受液体水的损害。它们的功能和凝聚过滤器很相似,但是有时在较低压降时能更完美的去除液态水。博纯为医疗行业供应含有Nafion干燥器的小型疏水过滤器。

微孔管干燥机

如果微孔塑料形成管状而不是一层,就可以去除气体(通常是空气)中的水蒸气。管壁的孔隙更小,功能就像是上面提到的分子筛的孔。干燥器起到提供一个管壁两边的压力差的作用。要么是管内的采样在高压下,或是管外局部真空。由于压力差,小分子如水蒸气被迫通过管壁的毛孔。较大的分子,如氮,氧,通过毛孔缓慢移动,而水则快速移动。因此大部分的水被去除而其他气体的只有一小部分被去除。当干燥空气时,为了脱去大量的水,丢失一点点氮和氧也是值得的。博纯不提供以此为标准的任何产品。

Nafion干燥器

Nafion管的干燥使用了与微孔材料完全不同的原理。Nafion没有小孔,也不会根据分子大小去除气体。相反Nafion是基于硫磺酸的化学亲和力来去除气体的。 Nafion基本上是Teflon®和硫磺酸(磺酸)基的化合物。硫磺酸对水有非常高的亲和力,所以Nafion会吸收水。一旦水被吸收到Nafion管内壁,水就通过一个磺酸基渗透到另一个,直到水渗透到达管的外壁,在那里水渗透蒸发到周围的气体中(空气或其他气体)。

干燥的动力是水蒸气的压力梯度,而不是总压。使用Nafion作为干燥器,没有必要提供有压力的采样或是真空的管外环境。事实上,Nafion可以在气体压力较低于环境压力的情况下干燥气体。唯一的问题是管内外是否潮湿。如果Nafion管内气体所含的水(有一个较高的水蒸汽压力)比管外多,水蒸汽就会从管内被排除。如果管外的气体含有更多的水,水蒸气会就进入管内(充当加湿器而不是干燥器)。

通常说,由于Nafion的化学亲和力,任何同硫磺酸能强烈结合的气体都会通过Nafion渗透。气体的碱性特征(与酸性完全相对的),能同硫磺酸强烈的结合(酸与碱强烈反应)。幸运的是,大多数碱性在我们所需要的温度下都是固体的。碱的分子构成中通常有羟基(-OH)。水(H – OH),有机碱被称为醇(一般公式为R–OH),和氨(当水存在时与氨反应生成氢氧化铵NH3 + H2O = NH4-OH),主要的两种碱的特性的气体能渗透Nafion。大多数环境或过程控制监测关注的气体是一些燃烧过程中的氧化物。这些氧化物不会渗透Nafion,或至少是极为缓慢的渗透。例如,氧(O2),臭氧(O3),一氧化碳(CO),二氧化碳(CO2),氮氧化物(NOx),硫氧化物(SOx)的不会通过Nafion管渗透。因此,由Nafion管制成的干燥器可以被用来去除气流中的水分,同时失去的气流中的化合物的量微不足道。博纯是世界上唯一的Nafion管和Nafion干燥器的供应商。

Nafion中的离子孔

Nafion确实是由两个完全不同的化学性质的化学基团组成。大部分的材料是四氟乙烯,和形成Teflon的的化合物相同。这种材料非常耐腐蚀,化学惰性。这具有疏水性(拒绝水)和非极性。它的结构是共价键,而不是离子特性。它有一个结晶聚合物结构。

在Nafion中,附着在整个Teflon矩阵的是磺酸基团。这些基团有亲水(汲取水),极性和离子特性。化学品具有亲水性和共价键(字面意思来说,他们是油和水)。因此,在Nafion内的每个磺酸基都结合在一起。它们形成了长长离子链,通过Teflon基质在Nafion内部扩散。这些离子链往往从Nafion管内表面延长至管的外表面。当水接触到内表面时,它绑定到内表面的磺酸基上,然后移动到管内邻近的磺酸基。这一进程一直持续进行直到水到达管外壁的磺酸基,在那里被释放到周围的气体(只要管内的水比管外的多)。这是水分子穿过Nafion的方式。这个过程是一级动力学反应,进行的非常快,因此,Nafion能快速干燥气体。

由于磺酸基彻底内嵌入聚四氟乙烯矩阵周围,他们不会暴露到可能使他们脱离矩阵的化学制剂中。因此Nafion具有极强的抗化学腐蚀性。

这些在Nafion管壁的磺酸基链有时被称为离子孔。不像分子筛和微孔管,Nafion并没有任何物理的空隙。只有内嵌入Teflon矩阵的离子团区域。这类材料相当不寻常,更为恰当的称为离子交联聚合物而不是聚合物。Nafion是主要的例子。这些离子通道约11埃的截面(他们可以很长、分支。关于Nafion的“孔径”是指这个尺寸。