Nafion

Nafion®是聚四氟乙烯（Teflon®）和全氟-3，6-二环氧-4-甲基-7-癸烯-硫酸的共聚物。简单的Nafion是Teflon结构伴有另一氟碳临时侧链。侧链的终点是一个磺酸基（-SO3H）。由于这个额外的磺酸基，Nafion是氟碳聚合物。如同大部分的含氟聚合物一样，它具有极强的抗化学侵蚀性（抗腐蚀）。磺酸基固定在氟碳基上，不会被移除，但与氟碳基不同的是，磺酸基会参与化学反应。磺酸基的存在使得Nafion有了三个重要的特性：1.由于磺酸基的强酸特性，Nafion的功能就如酸催化剂；2.当接触到溶液时，Nafion也能作为离子交换树脂；3.Nafion可以在气相或液相状态快速的吸水。每个磺酸基可以吸收高达13个水分子。磺酸基通过大量疏水性聚合物形成离子通道，而水也很快通过通道被运送。Nafion的功能主要是一种对水气有选择性的半渗透膜。Nafion的物理特质和其他含氟聚合物相似，它是半透明的塑料。作为离子交换膜使用时，生产商杜邦公司指定的工作温度高达190℃。作为气体干燥器使用时，博纯公司指定的工作温度高达150℃。Nafion管的爆破压力一般大于200psig（超过13bar），但随管的直径和壁厚有变化。Nafion的一个不寻常的特性是其改变物理尺寸的倾向。由于Nafion能吸水，尺寸可膨胀多达22％。当它接触到醇时尺寸可膨胀多达88％。Nafion的稳定性如何？Nafion是由最耐化学腐蚀性的聚合物四氟乙烯（Teflon）组成的。Nafion有一个强酸基可与一些物质发生反应。反应的产物是在空气中微量的有机物质，是由于不完全燃烧或活性产品的化学泄漏产生的。由这些有机物引起的Nafion管的轻微颜色变化并不表明它已失去了它的干燥性能。Nafion干燥器应储存在聚乙烯袋中以防止变色。Nafion是非常稳定，不会发生化学变化，除非暴露于含盐的水溶液中。该产品的热稳定性可达160℃（329°F）的温度。在气体连续排放监测应用中，Nafion不会与其中的常规气体和蒸气反应。Nafion目前的用处是什么？Nafion主要是作为离子交换膜被用于氯碱生产中，其中盐溶液电解分离为氯和氢氧化钠。在这种环境下，Nafion必须经受高温，高电流，和极其腐蚀性的化合物。Nafion是专为此应用开发的。博纯基于Nafion对水的高选择性传输的特性，提供多种气体干燥器和加湿器。Nafion也可用作燃料电池中的活性膜。酸的特性被用来驱动酸催化反应。离子交换性能在科学仪器方面有广泛应用。导电性能使其适合作为心脏起搏器电极尖端的外膜，以抵抗周围组织的过度生长同时仍能导电。我找不一款严格满足需求的博纯产品。我有其他选择吗？博纯超过60%的业务是和OEM厂商一起完成的，他们需要自定义产品以满足他们的设计规格。所有管材生产，管件成型和装配都在内部完成。典型的改动包括自定义干燥器长度，特殊接头和自定义成型外壳。博纯是如何介入Nafion的生产的？博纯是经杜邦独家授权唯一的Nafion管材制造商。博纯从杜邦公司购买Nafion树脂技术，延伸到管材生产，通过执行一个复杂的化学处理来激活它。博纯利用Nafion对水的传输性质生产了不同尺寸的干燥器和加湿器，从很小的研究模型到大型工艺版本。博纯也为干燥应用以外的其他应用提供Nafion管材。Nafion干燥器同传统气体干燥器有什么不同？通常完成干燥过程需要四个装置：冷凝器，干燥剂干燥器，渗透干燥器或Nafion干燥器。冷凝器的功能是冷却气体至水和其他液体状态，然后收集冷凝液并排掉。冷凝器运行很简单。不幸的是，冷凝器不具排异性；他们不仅除去在较低的温度下冷凝的气体，而且至少有一定比例可以溶解于冷凝水的其他气体也被排除。为了限制这种缺陷，冷凝系统的设计以尽量减少气体与冷凝水的接触，但是由于气体溶解度的问题，总是有水溶性气体存在不同程度的丢失。大量的气体如二氧化硫在冷凝器中丢失，同时冷凝器完全不适用于含氯化氢或氯气的气体干燥（除非它的输出经过特殊设计）。干燥剂干燥器的功能是通过吸附剂吸收水。吸附剂可以是固体（如硅胶）或液体（如硫酸），液体吸附剂可吸附水至其化学结构中，此过程称为水化。此类干燥器能简单运行。不幸的是，如同冷凝器一样，他们也不具有排异性能，除了水以外同时除去许多化合物。与冷凝器不同的是，水不会通过简单的排出而从干燥剂中移除。在运行期间，干燥剂逐渐载满了水，必须定期更新替换新的干燥剂或把水排除。连续运行干燥剂干燥器使用一种需要环境压力急剧变化（变压非加热干燥剂干燥机）或环境温度急剧变化（变温干燥剂干燥机），把水从一个干燥剂室中移除的同时第二个干燥剂室会可以被使用。干燥剂室会交替运行且再生。渗透干燥器的功能是由选择分子大小原则而定。渗透干燥器是一种微孔材料。当整个微孔材料的表面被施加压力时，大分子往往继续留在气流中而小分子将通过微孔材料被移除。渗透干燥器操作也很简单，但主要适用于空气干燥。氮气和氧气的分子比水的大，因此，空气可以通过这种方法进行干燥。渗透干燥器的非排异性使它不适合干燥复杂的气体采样气流。Nafion干燥器的功能主要是基于磺酸基亲和性的选择性原理。虽然水穿过Nafion管壁被描述成渗透，Nafion干燥器的工作原理不同于渗透干燥器。Nafion不是微孔材料，基于分子大小分离化合物。例如，Nafion干燥器可以从氢气流中移除水分，即使氢分子比水小。驱动除水过程并不需要压力；水气的压力差是反应的动力。与其他方法不同的是，Nafion干燥器高选择性的在化合物中选择水分并排出。Nafion管干燥或加湿气体的化学过程是怎么样的？Nafion干燥器包含一个或多个Nafion标准管。Nafion管壁大部分是惰性的氟碳聚合物，并不参与这一过程。由于磺酸的离子性质而其他不是，在Nafion内部的磺酸基倾向于聚集起来。Nafion的激活过程对磺酸基重新定位，从管壁一侧的离子通道延伸到另一侧。当水接触了管表面裸露的磺酸基，水最初被表面束缚。此外管壁内更深处的磺酸基附着的水分较少，因此对水有更高的亲和力。水分子被管表面吸收，因此很快就传送到底层的磺酸基团，直至水到达管壁另一端，然后水分子蒸发到周围介质。这一过程将持续进行直到水气在管壁上的压力梯度消失。如果管壁外维持一个非常低的水气压力，水很快就流过管壁。这是一个一阶动力学反应，它的过程非常迅速。水在气相状态从气流中去除，并直接以气相状态释放到周围环境中。没有净相变化，因此过程中不消耗能量。除了水Nafion还会去除什么化合物？通过何种机制？当Nafion被用于溶液（液相）接触时，博纯干燥器便是作为离子交换树脂的功能被使用，传输水的同时也可从溶液中传递正电荷的离子（阳离子），同时能抵挡负电荷离子（阴离子）的通过。当Nafion被用于气相接触，Nafion更具有选择性。在干燥器工作温度情况下，离子化合物不会在气相状态游离成正负离子，所以没有自由的负离子能穿越过Nafion（管壁）。发生迁移是一个不同机制的作用。化合物中裸露的羟基（-OH）基本上是目前已知的唯一在气相状态能通过Nafion迁移的化合物。这显然是由于氢键与Nafion基质中被碳氟化合物包围的磺酸基联结。大多数氢氧化物是高沸点固体（氢氧化钠，氢氧化钙，等等），在干燥器工作温度范围内不会存在气体中。只有3种化合物或化合物类通常能直接被Nafion干燥器移除：1.水（H-OH）2.氨（和水反应生成羟胺）3.醇（R-OH，其中R是任何有机基团）除了这三类，某些有机化合物也可以被移除，如果它们可以转换成乙醇。醛(R-H-C=O)和酮(R1-R2-C=O)都可以经过一个过程称为烯醇化（转变为酒精或“烯”）。醛和酮中的羰基经过酸催化，可与水反应，形成下列可逆反应生成一种醇：C=O+H2O-HO-C-OH.由于磺酸基的存在，Nafion具有强酸性。Nafion管为何既是干燥器又是加湿器呢？Nafion基本上是对水气具有高度选择性和半渗透膜。如果Nafion管内气体比管外的气体更湿润，Nafion就会干燥管内气体。如果周围的气体更湿润，Nafion就可以加湿管内气体。在最简单的情况下，将一束Nafion管放置于环境空气中，如果内部采样气体的湿度大于环境空气的湿度（如呼吸采样气体），采样气体通过管道后湿度回落到环境空气湿度。如果采样气体比环境空气更干燥，采样气体的湿度会升至环境空气的湿度。想要干燥样气至较低的湿度，环境空气必须是干燥的。在简易便携式应用中，Nafion管被安置在干燥剂中。干燥剂提供了一个非常干燥净化的周边环境，而Nafion管提供选择性干燥。干燥剂逐渐吸水后饱和，必须定期更新或更换。对于连续运行的情况，将一束或多束Nafion管安置于一个外壳内，同时需要干燥气体吹扫。如果是加湿，外壳内装满水来创造一个高度潮湿的环境。压力对于Nafion干燥器和加湿器的影响是什么？压力除了对Nafion管造成纯物理影响，所有压力对Nafion干燥器基本上没有影响。Nafion管相对较硬但相当灵活。当受正压时管材具有较高的抗暴点。管内的正压能使它略微膨胀，显现出最大的表面积，性能也略微提高。由于管材的灵活性，管内的负压会导致管材收缩。这种收缩会阻断采样流量且引起干燥器失效。如果干燥器被加热，采样的负压应限于5英寸的水或更少。较大的负压将收缩管材，减少活性的表面积，从而降低性能，或将彻底破坏管材。虽然总压力只对Nafion性能产生物理影响，这一过程的基础动力是水气压力梯度差异。Nafion的主要功能是对水气的渗透，最终会平衡管壁内外的水气压力。因为提高采样压力1倍会加倍采样中水气部分的压力，增加采样压力或减少吹扫压力可以促进干燥或加湿过程。温度对Nafion干燥器和加湿器的影响是什么？温度对Nafion性能的影响比压力的影响更复杂。有两个主要的影响。主要影响是纯动力学的。Nafion对水的吸收和传输遵循一阶反应动力学。因此，反应速率是温度的对数函数。在正常工作温度范围内的Nafion干燥器/加湿器，水的吸收率大约为每上升10°C的工作温度，吸水率就上升一倍。因此，在较高的温度下，管内的水气压力与外界水气压力更快地平衡，这意味着气体干燥或加湿速度更快。次要影响涉及到最终的平衡点。管壁内外必须要有水气的压力梯度才会发生干燥或加湿。当压力梯度消失时，干燥和加湿就会停止；这时就达到了平衡。这样似乎可以假设管外的水气压力为零，管内的水气压力最终也将下降到零。不幸的是并非如此。在管壁始终留有一些残余水，因为在Nafion聚合物内的磺酸基从不放弃他们对水的亲和。这剩余的水取决于温度。在较高温度下更多的水被留在管壁上无法除去。管壁内的水浓度相当于管外一些水气压力水平。当采样中水气的压力下降到管壁内残余水压力时，不再有梯度，达到平衡，干燥就停止了。管壁内残留水量决定了一个干燥器所能达到的最低水量（露点）。在室温20℃时，管壁内残余水对应的最终露点为-40℃左右（约75ppm的水）。工作温度每比室温（20℃）高1℃时，最终平衡露点也上升约1℃。这两个影响因素意味着在较高的运行温度下，最初Nafion管很快去除水，但会在较高的露点停止干燥（达到平衡）。为了获得最佳性能，必须存在温度梯度以此缩短干燥器的长度。采样入口端应该加热以维持水的气相状态，保证最初能快速的去除水分，除去在潮湿的样气中的大部分水。由于采样流经干燥器的长度后温度会降低，因为采样含水量较少时，它的露点较低，因此采样的温度将仍高于露点。采样出口端会变冷，到达室温（或更低，如果采用冷凝系统），存在于干燥器内的采样的最终平衡露点就会尽可能低。干燥器失效的常见原因和限制是什么？Nafion非常耐腐蚀。Nafion在工作温度范围内，气相状态下没有化合物能攻击它。Nafion能承受即使是氢氟酸或其他浓酸。Nafion干燥器和加湿器的腐蚀限制取决于外壳和连接处使用的材料。博纯提供的产品配件几乎能承受任何采样条件。干燥器和加湿器的压力限制也取决于外壳和气体连接处材料。产品型号可以承受最高达150psig（10bar），这取决于设计。虽然Nafion可以承受高达190℃的温度，Nafion干燥器和加