温度对Nafion气体干燥器的影响

温度对Nafion气体干燥器的影响

最高工作温度

Nafion离子能承受相对较高的温度,其熔点超过200℃。该离子材料的制造商杜邦公司,列出的Nafion膜最高工作温度为190℃。博纯用这种材料制作的膜管的最高工作温度为150℃。这个指定的较低的最高工作温度是保守的,因为杜邦公司生产的膜是和加固材料粘合在一起,并在液体中使用,而博纯的气体干燥器是在气体中使用同时没有被加固。由于材料的软化性,我们也关注在较高温度下的压力,但相信Nafion膜能承受超过这种规范的温度。

最低工作温度

Nafion干燥器通过管内表面吸收水分,然后蒸发渗透到外围干燥的吹扫气体中(通常是空气)。水分在气相状态被吸收然后释放,没有任何状态的净变化,因此没有净能量消耗。如果管内的水是液态而非气态,水分仍会被吸收然后以气态形式释放,如果从液态变为气态的变化,需要外在的能源。

如果液态的水进入干燥器,从液态水转化到气态水需要从干燥器吸取热量,这样导致干燥器冷却。由于干燥器的冷却,会产生更多的冷凝水。吸收了这些额外的液态水,干燥器会更迅速地冷却。不久,干燥器变得又冷又湿,干燥器的功能就像是一个冷凝器而不是渗透膜。此时,干燥器失效,必须从整机中移除然后进行烘干才能重新正常工作。为了避免这种故障,在干燥器工作期间决不允许液态水进入。因此采样的露点限制了干燥器的最低工作温度。当气体采样通过干燥器,水被移除,采样的露点在干燥器长度内逐渐下降。最低工作温度是当时在干燥器内的采样露点,它是一个温度梯度,温度在采样入口较高而采样出口较低。

水的吸收率

Nafion膜主要是惰性的氟聚合物。通过碳氟基质扩散的是磺酸基团组成的离子通道(因此称为离子交联聚合物)。这些离子通道从管内表面延伸至外表面。磺酸组通过一个可逆的反应迅速和水结合称为水合。水分子一旦水合到管内表面的磺酸基上,就迅速通过离子通道传送到管外表面,在管外表面水分子渗透蒸发(假设在外表面的水蒸汽压力低于内表面)。这种水合过程遵循一阶反应动力学,所以反应速度与温度成正比。提高工作温度会提高初始除水速度,干燥器也会更快的达到最终的平衡露点。对于Nafion干燥器来说,工作温度每上升10℃,水的初始吸收率大致增加一倍。

最终平衡采样 Dew Point

Nafion膜主要功能是一个水的渗透膜,由膜壁两边水蒸汽的分压梯度来驱动水的传输。随着水分从采样中去除,压力梯度会减少。如果管足够长,就能为采样提供充足的停留时间,采样就能达到最终的平衡露点。这个最后的平衡露点受限于吹扫气体的露点或管壁上残余水分的露点,以较高者为准。

不论是采样或吹扫气体中的水分,总是有一部分残余在管内,牢牢地同Nafion管内的磺酸基结合。当吹扫气体的露点足够低时,管壁残余的水分就决定了可能达到的最终平衡采样露点。当采样的含水量大大降低并同管内的残余水匹配时,管内外就不再有梯度同时干燥也停止。在环境为20℃时,磺酸基上的残余水对应的采样露点为-45℃(约75ppm的水)。

在管内残余的水量和温度成正比。干燥器采样出口端的工作温度每增加1℃,最后能达到的平衡露点上升约1℃。

由于磺酸基周围有碳氟基质的存在,所以不管是Nafion管内的抑或是离子通道内的磺酸基都很稳定。磺酸很容易捐献一个质子使它具有酸的功能,因此Nafion也被认为是强酸。 Hammett (酸度)标度以增长的数字范围划分酸的强度。Nafion被划分为11-13,浓硫酸被划分为11。因此,Nafion可以作为非常有效的强酸性催化剂,它的这种功能也被用于工业生产。

反应度

Nafion干燥器的目的是移除水的同时尽量减少对采样的其他变化。在Nafion干燥器工作温度范围内大多数无机化合物不会受到酸催化,但一些有机化合物暴露于温度提高的Nafion管时会遇到不需要的化学反应。为此,最好是避免干燥器在超过必要工作温度时运行。通常运行温度低于100℃时不会出现问题,而高于120℃的温度更容易出现问题。只有在必要时才选择100℃-120℃范围的运行温度,除非绝对必要,一般不应在更高的温度使用。

结论

根据上述资料,博纯建议干燥器运行温度应以高于初始采样在入口处的露点温度为准,同时在采样出口处有一个较低温度。在实际操作中这就意味着在环境温度下处理采样不会冷凝。对于采样露点高于环境温度的,应在干燥器采样入口端安装伴热管线加热采样使其温度高于采样露点10℃以上,这时采样出口处仍保持环境温度(吹扫气体会起到冷却的作用),如此在干燥管长度内就形成了温度梯度。博纯推出的GASS™系列气体采样处理系统就为需要伴热管线的气体干燥提供了适当的温度控制来优化运行状况。