所有關于Nafion和常見問題回答

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關于Nafion

美國博純有限責任公司生產干燥和加濕氣體的主要部件和裝置。我們的核心技術是杜邦公司聚合物Nafion ?,它具有高選擇性的除水性能。我們生產多種直徑的Nafion管,優化Nafion轉移水的性能。水通過Nafion膜壁移動,隨后蒸發進入周圍空氣中,我們把這一過程稱為“滲透蒸發”。 管內外的濕度差驅動了這個過程。除了干燥和加濕,由于Nafion的獨特性能的優勢,我們的產品也可以作為離子交換膜和特殊的分離膜。

Nafion-完美的干燥和加濕材料

Nafion是聚四氟乙烯(Teflon?)和全氟-3,6-二環氧-4-甲基-7-癸烯-硫酸的共聚物。像Teflon一樣,Nafion具有極強的抗化學侵蝕特性,而磺酸基團的存在賦予Nafion不同尋常的特性。磺酸有很強的滲水性,聚合物中的每個磺酸基團最多可以接受13個水分子;因此,Nafion吸收水的重量的22%。

微孔膜滲透是通過相對緩慢的擴散過程來轉移水分,與此不同的是,Nafion通過滲水吸收來移除水份。發生這種吸收是一階動力學反應,因此非常迅速地達到平衡(通常以毫秒為單位)。因為這是一個特定的水合化學反應,氣體的干燥或處理通常是完全不受影響。

Nafion管在高溫下是非常穩定的。如上所述,它的耐化學侵蝕性和Teflon相似,很少有化合物可以攻擊它。即使采樣中含有高濃度的氟化氫或氯化氫這樣的腐蝕性氣體,也可以被干燥或處理。除了Nafion管,大部分博純的干燥器和加濕器都有外殼來容納吹掃氣體,還會有連接樣氣和吹掃氣體的轉接接頭。外殼及接頭,可以是不銹鋼,氟碳聚合物或聚丙烯材質。對于高流速的氣體,使用耐化學腐蝕的熱固性環氧樹脂固定的Nafion多束管。干燥器的耐高溫性能也取決于這些材料。氣流不會接觸到外殼,但氣流連接處的接頭會接觸氣體。

單管的MD系列氣體干燥器,聚丙烯外殼及接頭能承受的最高溫度為100℃,氟碳和不銹鋼的材料可以承受最高溫度為150℃。當使用Nafion多束管,環氧材料限制的最高溫度為120℃。所有干燥器的內壓最高通常限定為在20℃為80psig。一些特殊干燥器的最新發展是增加了對壓力的承受力。

單管Nafion干燥器和加濕器可以承受轉接頭能承受的各種氣流。由于引導氣流到每個管的環氧樹脂,多管的Nafion干燥器和加濕器比較敏感。博純的技術人員將核實可接受的高腐蝕性采樣。

成熟的技術

25年前,博純開發了第一臺Nafion干燥器。博純為全世界醫療、工業和科學、氫燃料電池和環境監測應用領域提供氣體采樣和預處理類產品。這項干燥器技術從環境氣體采樣分支后進入氣體處理領域,應用范圍從醫療干燥到工業上各種氣體的干燥處理。博純的加濕器也從分析和實驗室的功能應用擴充到醫療氣體和氫燃料電池的加濕。在每種應用中,博純產品都能保證可靠的性能。

博純Nafion應用信息

  1. 溫度對Nafion氣體干燥器的影響
  2. Nafion干燥器去除的化合物
  3. 氣體采樣中的硫磺酸
  4. 干燥技術:微孔材料 vs Nafion材料
  5. Nafion: 的物理和化學特性
  6. Nafion的自來水和離子交換特性
  7. Nafion的酸性
  8. 通過Nafion的甲醛滲透
  9. Nafion對氣體的穿透性

關于Nafion的常見問題

Nafion是什么?

Nafion?是聚四氟乙烯(Teflon?)和全氟-3,6-二環氧-4-甲基-7-癸烯-硫酸的共聚物。簡單的Nafion是Teflon結構伴有另一氟碳臨時側鏈。側鏈的終點是一個磺酸基(- SO3H)。

由于這個額外的磺酸基,Nafion是氟碳聚合物。如同大部分的含氟聚合物一樣,它具有極強的抗化學侵蝕性(抗腐蝕)。磺酸基固定在氟碳基上,不會被移除,但與氟碳基不同的是,磺酸基會參與化學反應。磺酸基的存在使得Nafion有了三個重要的特性:

1.?由于磺酸基的強酸特性,Nafion的功能就如酸催化劑;
2.?當接觸到溶液時,Nafion也能作為離子交換樹脂;
3.?Nafion可以在氣相或液相狀態快速的吸水。每個磺酸基可以吸收高達13個水分子。磺酸基通過大量疏水性聚合物形成離子通道,而水也很快通過通道被運送。Nafion的功能主要是一種對水氣有選擇性的半滲透膜。

Nafion的物理特質和其他含氟聚合物相似,它是半透明的塑料。作為離子交換膜使用時,生產商杜邦公司指定的工作溫度高達190℃。作為氣體干燥器使用時,博純公司指定的工作溫度高達150℃。Nafion管的爆破壓力一般大于200psig(超過13bar),但隨管的直徑和壁厚有變化。 Nafion的一個不尋常的特性是其改變物理尺寸的傾向。由于Nafion能吸水,尺寸可膨脹多達22%。當它接觸到醇時尺寸可膨脹多達88%。

Nafion的穩定性如何?

Nafion是由最耐化學腐蝕性的聚合物四氟乙烯(Teflon)組成的。 Nafion有一個強酸基可與一些物質發生反應。反應的產物是在空氣中微量的有機物質,是由于不完全燃燒或活性產品的化學泄漏產生的。由這些有機物引起的Nafion管的輕微顏色變化并不表明它已失去了它的干燥性能。Nafion干燥器應儲存在聚乙烯袋中以防止變色。

Nafion是非常穩定,不會發生化學變化,除非暴露于含鹽的水溶液中。該產品的熱穩定性可達160℃(329 ° F)的溫度。 在氣體連續排放監測應用中,Nafion不會與其中的常規氣體和蒸氣反應。

為什么存儲時Nafion膜變成褐色? Nafion膜是否有保質期?

隨著時間的推移,當Naion暴露在大氣中或明亮的光線中時,由無色變成棕色色調。我們的測試表明,這種變色對材料的水分除濕性能沒有影響 – 這樣你就可以安裝該產品,并繼續使用它。類似地,我們已經發現,只要Nafion膜被保持在清潔區域中,性能不會隨時間降解。在大多數應用中,Nafion管在裝置里,當樣氣中的污染物或灰塵存在堵塞管道內表面上的水轉移鏈,在這些情況下,該產品將有生命周期,長短取決于污染物的量。

Nafion目前的用處是什么?

Nafion主要是作為離子交換膜被用于氯堿生產中,其中鹽溶液電解分離為氯和氫氧化鈉。在這種環境下,Nafion必須經受高溫,高電流,和極其腐蝕性的化合物。 Nafion是專為此應用開發的。

博純基于Nafion對水的高選擇性傳輸的特性,提供多種氣體干燥器和加濕器。 Nafion也可用作燃料電池中的活性膜。酸的特性被用來驅動酸催化反應。離子交換性能在科學儀器方面有廣泛應用。導電性能使其適合作為心臟起搏器電極尖端的外膜,以抵抗周圍組織的過度生長同時仍能導電。

我找不一款嚴格滿足需求的博純產品。我有其他選擇嗎?

博純超過60%的業務是和OEM廠商一起完成的,他們需要自定義產品以滿足他們的設計規格。所有管材生產,管件成型和裝配都在內部完成。典型的改動包括自定義干燥器長度,特殊接頭和自定義成型外殼。

博純是如何介入Nafion的生產的?

博純是經杜邦獨家授權唯一的Nafion管材制造商。博純從杜邦公司購買Nafion樹脂技術,延伸到管材生產,通過執行一個復雜的化學處理來激活它。博純利用Nafion對水的傳輸性質生產了不同尺寸的干燥器和加濕器,從很小的研究模型到大型工藝版本。博純也為干燥應用以外的其他應用提供Nafion管材。

Nafion干燥器同傳統氣體干燥器有什么不同?

通常完成干燥過程需要四個裝置:冷凝器,干燥劑干燥器,滲透干燥器或Nafion干燥器。

冷凝器的功能是冷卻氣體至水和其他液體狀態,然后收集冷凝液并排掉。冷凝器運行很簡單。不幸的是,冷凝器不具排異性;他們不僅除去在較低的溫度下冷凝的氣體,而且至少有一定比例可以溶解于冷凝水的其他氣體也被排除。為了限制這種缺陷,冷凝系統的設計以盡量減少氣體與冷凝水的接觸,但是由于氣體溶解度的問題,總是有水溶性氣體存在不同程度的丟失。大量的氣體如二氧化硫在冷凝器中丟失,同時冷凝器完全不適用于含氯化氫或氯氣的氣體干燥(除非它的輸出經過特殊設計)。

干燥劑干燥器的功能是通過吸附劑吸收水。吸附劑可以是固體(如硅膠)或液體(如硫酸),液體吸附劑可吸附水至其化學結構中,此過程稱為水化。此類干燥器能簡單運行。不幸的是,如同冷凝器一樣,他們也不具有排異性能,除了水以外同時除去許多化合物。與冷凝器不同的是,水不會通過簡單的排出而從干燥劑中移除。在運行期間,干燥劑逐漸載滿了水,必須定期更新替換新的干燥劑或把水排除。連續運行干燥劑干燥器使用一種需要環境壓力急劇變化(變壓非加熱干燥劑干燥機)或環境溫度急劇變化(變溫干燥劑干燥機),把水從一個干燥劑室中移除的同時第二個干燥劑室會可以被使用。干燥劑室會交替運行且再生。

滲透干燥器的功能是由選擇分子大小原則而定。滲透干燥器是一種微孔材料。當整個微孔材料的表面被施加壓力時,大分子往往繼續留在氣流中而小分子將通過微孔材料被移除。滲透干燥器操作也很簡單,但主要適用于空氣干燥。氮氣和氧氣的分子比水的大,因此,空氣可以通過這種方法進行干燥。滲透干燥器的非排異性使它不適合干燥復雜的氣體采樣氣流。

Nafion干燥器的功能主要是基于磺酸基親和性的選擇性原理。雖然水穿過Nafion管壁被描述成滲透,Nafion干燥器的工作原理不同于滲透干燥器。 Nafion不是微孔材料,基于分子大小分離化合物。例如,Nafion干燥器可以從氫氣流中移除水分,即使氫分子比水小。驅動除水過程并不需要壓力;水氣的壓力差是反應的動力。與其他方法不同的是,Nafion干燥器高選擇性的在化合物中選擇水分并排出。

Nafion管干燥或加濕氣體的化學過程是怎么樣的?

Nafion干燥器包含一個或多個Nafion標準管。Nafion管壁大部分是惰性的氟碳聚合物,并不參與這一過程。由于磺酸的離子性質而其他不是,在Nafion內部的磺酸基傾向于聚集起來。Nafion的激活過程對磺酸基重新定位,從管壁一側的離子通道延伸到另一側。

當水接觸了管表面裸露的磺酸基,水最初被表面束縛。此外管壁內更深處的磺酸基附著的水分較少,因此對水有更高的親和力。水分子被管表面吸收,因此很快就傳送到底層的磺酸基團,直至水到達管壁另一端,然后水分子蒸發到周圍介質。這一過程將持續進行直到水氣在管壁上的壓力梯度消失。如果管壁外維持一個非常低的水氣壓力,水很快就流過管壁。

這是一個一階動力學反應,它的過程非常迅速。水在氣相狀態從氣流中去除,并直接以氣相狀態釋放到周圍環境中。沒有凈相變化,因此過程中不消耗能量。

除了水Nafion還會去除什么化合物?通過何種機制?

當Nafion被用于溶液(液相)接觸時,博純干燥器便是作為離子交換樹脂的功能被使用,傳輸水的同時也可從溶液中傳遞正電荷的離子(陽離子),同時能抵擋負電荷離子(陰離子)的通過。

當Nafion被用于氣相接觸,Nafion更具有選擇性。在干燥器工作溫度情況下,離子化合物不會在氣相狀態游離成正負離子,所以沒有自由的負離子能穿越過Nafion(管壁)。

發生遷移是一個不同機制的作用。化合物中裸露的羥基(-OH)基本上是目前已知的唯一在氣相狀態能通過Nafion遷移的化合物。這顯然是由于氫鍵與Nafion基質中被碳氟化合物包圍的磺酸基聯結。大多數氫氧化物是高沸點固體(氫氧化鈉,氫氧化鈣,等等),在干燥器工作溫度范圍內不會存在氣體中。只有3種化合物或化合物類通常能直接被Nafion干燥器移除:

1. 水(H-OH)
2. 氨(和水反應生成羥胺)
3. 醇(R-OH,其中R是任何有機基團)

除了這三類,某些有機化合物也可以被移除,如果它們可以轉換成乙醇。醛 (R-H-C=O)和酮 (R1-R2-C=O)都可以經過一個過程稱為烯醇化(轉變為酒精或“烯”)。醛和酮中的羰基經過酸催化,可與水反應,形成下列可逆反應生成一種醇:C=O + H2O <-> HO-C-OH.

由于磺酸基的存在,Nafion具有強酸性。

Nafion管為何既是干燥器又是加濕器呢?

Nafion基本上是對水氣具有高度選擇性和半滲透膜。如果Nafion管內氣體比管外的氣體更濕潤,Nafion就會干燥管內氣體。如果周圍的氣體更濕潤,Nafion就可以加濕管內氣體。

在最簡單的情況下,將一束Nafion管放置于環境空氣中,如果內部采樣氣體的濕度大于環境空氣的濕度(如呼吸采樣氣體),采樣氣體通過管道后濕度回落到環境空氣濕度。如果采樣氣體比環境空氣更干燥,采樣氣體的濕度會升至環境空氣的濕度。

想要干燥樣氣至較低的濕度,環境空氣必須是干燥的。在簡易便攜式應用中,Nafion管被安置在干燥劑中。干燥劑提供了一個非常干燥凈化的周邊環境,而Nafion管提供選擇性干燥。干燥劑逐漸吸水后飽和,必須定期更新或更換。

對于連續運行的情況,將一束或多束Nafion管安置于一個外殼內,同時需要干燥氣體吹掃。如果是加濕,外殼內裝滿水來創造一個高度潮濕的環境。

壓力對于Nafion干燥器和加濕器的影響是什么?

壓力除了對Nafion管造成純物理影響,所有壓力對Nafion干燥器基本上沒有影響。

Nafion管相對較硬但相當靈活。當受正壓時管材具有較高的抗暴點。管內的正壓能使它略微膨脹,顯現出最大的表面積,性能也略微提高。

由于管材的靈活性,管內的負壓會導致管材收縮。這種收縮會阻斷采樣流量且引起干燥器失效。如果干燥器被加熱,采樣的負壓應限于5英寸的水或更少。較大的負壓將收縮管材,減少活性的表面積,從而降低性能,或將徹底破壞管材。

雖然總壓力只對Nafion性能產生物理影響,這一過程的基礎動力是水氣壓力梯度差異。Nafion的主要功能是對水氣的滲透,最終會平衡管壁內外的水氣壓力。因為提高采樣壓力1倍會加倍采樣中水氣部分的壓力,增加采樣壓力或減少吹掃壓力可以促進干燥或加濕過程。

溫度對Nafion干燥器和加濕器的影響是什么?

溫度對Nafion性能的影響比壓力的影響更復雜。有兩個主要的影響。

主要影響是純動力學的。Nafion對水的吸收和傳輸遵循一階反應動力學。因此,反應速率是溫度的對數函數。

在正常工作溫度范圍內的Nafion干燥器/加濕器,水的吸收率大約為每上升10 °C的工作溫度,吸水率就上升一倍。因此,在較高的溫度下,管內的水氣壓力與外界水氣壓力更快地平衡,這意味著氣體干燥或加濕速度更快。

次要影響涉及到最終的平衡點。管壁內外必須要有水氣的壓力梯度才會發生干燥或加濕。當壓力梯度消失時,干燥和加濕就會停止;這時就達到了平衡。這樣似乎可以假設管外的水氣壓力為零,管內的水氣壓力最終也將下降到零。不幸的是并非如此。

在管壁始終留有一些殘余水,因為在Nafion聚合物內的磺酸基從不放棄他們對水的親和。這剩余的水取決于溫度。在較高溫度下更多的水被留在管壁上無法除去。管壁內的水濃度相當于管外一些水氣壓力水平。當采樣中水氣的壓力下降到管壁內殘余水壓力時,不再有梯度,達到平衡,干燥就停止了。管壁內殘留水量決定了一個干燥器所能達到的最低水量( Dew Point )。

在室溫20℃時,管壁內殘余水對應的最終 Dew Point 為-40℃左右(約75ppm的水)。工作溫度每比室溫(20℃)高1℃時,最終平衡 Dew Point 也上升約1℃。

這兩個影響因素意味著在較高的運行溫度下,最初Nafion管很快去除水,但會在較高的 Dew Point 停止干燥(達到平衡)。為了獲得最佳性能,必須存在溫度梯度以此縮短干燥器的長度。采樣入口端應該加熱以維持水的氣相狀態,保證最初能快速的去除水分,除去在潮濕的樣氣中的大部分水。由于采樣流經干燥器的長度后溫度會降低,因為采樣含水量較少時,它的 Dew Point 較低,因此采樣的溫度將仍高于 Dew Point 。采樣出口端會變冷,到達室溫(或更低,如果采用冷凝系統),存在于干燥器內的采樣的最終平衡 Dew Point 就會盡可能低。

干燥器失效的常見原因和限制是什么?

Nafion非常耐腐蝕。Nafion在工作溫度范圍內,氣相狀態下沒有化合物能攻擊它。Nafion能承受即使是氫氟酸或其他濃酸。Nafion干燥器和加濕器的腐蝕限制取決于外殼和連接處使用的材料。博純提供的產品配件幾乎能承受任何采樣條件。

干燥器和加濕器的壓力限制也取決于外殼和氣體連接處材料。產品型號可以承受最高達150psig(10bar),這取決于設計。

雖然Nafion可以承受高達190℃的溫度,Nafion干燥器和加濕器的建議最大工作溫度為150 ° C。Nafion是一種強酸催化劑,當工作溫度升至110℃以上,不需要的化學反應在采樣氣體中被激發了。為此,多數的干燥器在100℃或此溫度以下運行。

Nafion干燥器沒有初始含水量限制的規定。干燥器的最終性能取決于初始含水量、采樣流量和運行溫度。確定干燥器的尺寸需看濕氣的流量,而不是看分析儀所需的流量。

如前所述,氨、醇以及一些可以轉換為醇等有機化合物也可被Nafion干燥器去除。其他氣體都可被干燥,且不損失所需的氣體。

為了有效地發揮作用,Nafion管內外表面必須暢通。油性薄膜和其他沉淀會降低干燥器和加濕器的性能。隨著時間的推移,如果吹掃空氣中有油污會導致沉積,如果采樣過濾不足,或在采樣中發生不可預見的化學反應,干燥器中就會有殘留物。一般來說,經過幾個月或幾年這些情況將導致性能逐漸下降,通過定期清洗可以逆轉。

Nafion干燥器突發故障有兩個常見的原因,Nafion管的收縮和液態水進入干燥器。

  1. 管的收縮是由于管內的負壓,通常是因為在用泵抽取采樣氣流通過干燥器的同時在推入吹掃氣體通過。為了避免這個問題,吹掃氣的泵被安置在采樣氣流中干燥器的后面。
  2. 液態水進入干燥器引起故障是由于意外的成因機制。通常Nafion干燥器從采樣中去除水氣然后蒸發進入周圍介質。沒有凈相轉化也沒有能量消耗。如果液體水進入干燥器,水仍然被吸收然后蒸發成水蒸汽。由于能源消耗,干燥器開始降溫。由于溫度的冷卻,會凝結更多的水,造成更多的冷凝。有一個連環故障,干燥器逐漸變得寒冷和潮濕,直到完全被水浸透和失去功能。

在大多數情況下,當干燥器變濕,這個過程可以通過簡單的停止采樣流過,并允許吹掃氣體干燥設備來逆轉情況。 然后干燥器恢復正常的性能。不幸的是,在某些情況下,采樣可能在氣相狀態下包含離子化合物。如果存在,這些離子化合物會溶解在液體內然后干燥器內開始積水。一旦溶液存在,離子可以參與Nafion膜的離子交換,使得管轉換成另一種功能,吸水率變小。如果發生這種情況,在它完全恢復正常性能前有必要通過酸處理重新生成Nafion管。

如果合理謹慎地操作,并確保采樣氣體和干燥器足夠熱,以防止液體進入干燥器,如果避免產生過多的采樣氣體的負壓,干燥器可以無限期使用。

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