Nafion管干燥器使用效果向导

（1）Nafion管干燥器的结构和工作原理

Nafion管干燥器是Perma Pure公司开发的一种除湿干燥装置，其结构如图3.51所示。在一个不锈钢、聚丙烯或橡胶外壳中装有多根Nafion管，样品气从管内流过，净化气从管外流过，样品气中的水分子穿Nafion管半透膜被净化气带走，从而达到除湿目的。

图3.51　Nafion管干燥器示意图

Nafion管的干燥原理完全不同于多微孔材料的渗透管，渗透管基于气体分子的大小来迁移气体，而Nafion管本身并没有孔，它是以水合作用的吸收为基础来进行工作的。水合作用是一种与水的特殊化学反应，它不吸收或传送其他化合物。

具体地说，Nafion管中气体分子的迁移是以其对硫酸的化学亲和力为基础的。Nafion管是以Teflon（PTFE，聚四氟乙烯）为基体，在Teflon矩阵域内嵌入了大量的离子基——磺酸基制成的。磺酸基（—SO3H）是硫酸（HO—SO2—OH）分子中除去一个羟基（—OH）后残余的原子团（—SO2—OH）。磺酸基很容易与烃基或卤素原子连接，聚四氟乙烯中引入磺酸基后，会增强其酸性和水溶性。由于磺酸基具有很高的亲水性，水分子一旦被吸收进入Nafion管壁，它就会从一个磺酸基向另一个磺酸基渗透，直至最终到达管的外壁，即水分子会全部穿过Nafion管到达管壁外的净化气体中。

这里的驱动力是水蒸气的分压，而不是样品的总压。事实上，即使Nafion管内的压力低于管外的压力，Nafion管照样能对气体进行干燥。关键在于Nafion管内部的湿度大，还是外部的湿度大。如果Nafion管内气体所含的水分比管外气体所含的水分多（即具有更高的水汽分压），则水汽将会向外移动；反之，水汽则会向里移动（即充当加湿器，而不是干燥器）。

除了水分子以外，任何与硫酸具有极强结合力的气体分子都会穿过Nafion管。碱和酸具有极强的结合力，但大多数碱在常温下都是固体，碱性气体主要是一部分含有羟基（—OH）或水（H—OH）的有机碱醇（一般形式为R—OH）及NH3（当NH3中有水时就会形成氢氧化铵，即NH3+H2O=NH4—OH），它们能够穿过Nafion管。环境监测和过程分析中需要测量的大多数气体，都无法穿过Nafion管，或者穿过速度相当慢。因此，当所损失的组分含量可以忽略不计时，可以用Nafion管干燥器来去除这些气流中的水分。

气样通过Nafion管干燥器后被原封不动地保留下来的组分：

①大气：Ar、He、H2、N2、O2、O3。

②卤素：F2、Cl2、Br2、I2。

③烃类：简单的烃类（烷烃）。

④无机酸：HCl、HF、HNO3、H2SO4。

⑤其他有机物：芳香烃、酯、醚。

⑥氧化物：CO、CO2、SOx、NOx。

⑦硫化物：COS、H2S、硫醇。

⑧有毒气体：COCl2、HCN、NOCl。

气样通过Nafion管干燥器后被除去的组分：

①大气：H2O。

②无机物：NH3。

③有机物：醇、二甲基亚砜、四氢呋喃。(www.xing528.com)

④损失不定的组分：有机酸、醛、胺、酮、腈。

（2）Nafion管干燥器的特点和优点

①除湿能力强。常温常压下，气样经Nafion管干燥后可达到的最低露点温度是-45℃，相当于含水量为100×10-6。对于Nafion管来说，这是一个极限露点，即使用含水量为2×10-6、露点为-71℃的N2作为净化气，样品的露点也不会变得更低。

②除湿速度快。由于水合作用的吸收是一个一级化学反应，这个过程会在瞬间完成。所以，Nafion管干燥气体的速度非常快。

③气样经干燥后，其组成和含量基本不变。气态水分子可以随意通过Nafion管，而其他分子基本上都不能通过。

④Nafion管和聚四氟乙烯一样，具有极强的耐腐蚀性能，即使是氢氟酸或别的凝结酸，Nafion管都可以承受。

⑤耐温、耐压能力较好。Nafion管可以承受的最高温度为190℃，最高压力为1 MPa（G）。

⑥Nafion管干燥器无可移动部件，一般无须维护。

（3）使用维护注意事项

①谨防液态水进入Nafion管干燥器

Nafion管只能分离气态水而不能分离液态水，这一点对于正确使用Nafion管干燥器非常重要。这里所说的气态水是指气样中的水蒸气分子，液态水是指气样中的水滴或水雾，它们是集聚在一起的水分子群。聚结器和膜式过滤器只能分离液态水而不能分离气态水，Nafion管则恰好与之相反。这是因为Nafion管分离气态水分子的过程既无相态变化，也无能量消耗。如果液态水进入Nafion管，则它仍会被吸收，而后将其全部蒸发，变为水蒸气。这个过程发生了相态变化，随之产生了能量消耗，Nafion管开始变冷。随着Nafion管的变冷，就会使更多的水发生冷凝，从而使Nafion管变得更冷。这样，就会产生一系列的级联反应，Nafion管会变得越来越冷、越来越湿，直到它被完全浸湿并失去干燥功能。

在大多数情况下，当Nafion管被完全浸湿时，用净化气将Nafion管连续吹干，Nafion管又可恢复其干燥性能。然而，如果气态样品中含有离子化合物，这些离子化合物就会溶解于Nafion管中的液态水。一旦出现这种情况，则会发生该溶液与Nafion管间的离子交换。这时，就需将Nafion管替换下来，对其进行酸处理，从而使其再生。

②要定期对Nafion管进行清洗

要想使Nafion管干燥器发挥最大效率，则必须定期对管的内、外表面进行清洗，这是由于油膜或别的沉淀物都可能降低Nafion管的性能。如果净化气被油污染、样品过滤不充分或者样品中发生了有害的和不可预见的化学反应，时间长了，污染物残渣就会堆积在干燥器内。一段时间以后，将会造成Nafion管性能的逐渐衰退，所以要定期对其进行清洗。

③操作温度

尽管Nafion管可以承受的温度高达190℃，但其最高操作温度建议为110℃。由于Nafion管是极强的酸性催化剂，当操作温度上升到110℃以上时，气样中就有可能产生有害的化学反应，所以大多数Nafion管干燥器的操作温度应控制在110℃以下。

④操作压力

对Nafion管干燥器的操作压力并无严格规定，只要保持样品气和净化气之间有一定的压力差即可。但应注意避免在Nafion管内造成负压，当Nafion管内出现负压而管外净化气压力较高时，Nafion管可能会被压扁。这种情况往往是由于样品抽吸泵安装在Nafion管干燥器出口管路中所致。如需用泵抽吸样品，应将泵安装在Nafion管干燥器之前而不是其后。

⑤净化气

净化气可以采用干的空气或氮气，也可从Nafion管干燥器出口气流中引出一路旁流作为净化气，只要保持净化气的湿度低于样品气即可。为了得到最佳的干燥效果，建议将净化气流速设定为湿样品气流速的2倍。