Nafion
管超½露点除湿技术在在线样气处理中的研究与应用
李峰
美½博纯有限责任公司上海办事处，上海
200051
摘 要：Nafion 干燥管是唯一气态除湿并保持大多数待测样气组分不流失的先进技术，是样气处理后的样气露点突破
＋(2½4)℃极限、达到
0℃露点乃至于-20℃露点的唯一独特技术，具有特殊的工程应用价值。以 Nafion
管为核心的
固定式及便携式
GASS
样气处理系统，已应用于冷干直½法
CEMS，可满足超½排放条件下高湿度、½量程 SO
2
的准
确监测要求； 也可解决脱硝
CEMS
中常见的腐蚀、铵盐结晶、NOx 测试滞后时间长等技术难题。Nafion 干燥管在
VOC
测试系统除湿方面为美½
EPA TO-14A
标准所推荐，½注意会有部分有机气½损失。大管径的
Nafion
干燥管适
用于
PM2.5
颗粒物监测系统的除湿，也适用于超½排放条件下高湿度、½粉尘浓度样气中颗粒物监测系统的除湿。
关键词：
Nafion
管，超½露点，除湿技术，在线样气处理，GASS 系统，超½排放，铵盐结晶，VOC，PM2.5，
颗粒物监测
1.
样气除湿的意义
样气处理系统技术是在线气½分析系统的核心和关键技术，而在线样气处理技术的重点和难点之一
就是样气的除湿技术。
[1]
单就除湿而论，除湿技术也可称为干燥技术，一直是样气处理的重点和难点，
也是在线样气分析系统工程应用技术故障的高发环节。
[2]
样气中或多或少会存在一定量的水½。首先，气态水½会直接干扰某些光学分析仪的分析，因为水
½在1-9µm波长范围内几乎有连续的吸收带，其吸收带和许多目标待测组分的特征吸收波带重叠在一起，
水½的干扰波带就会½响待测组分的吸收波带，从而造成测量误差。例如非分散红外(以下简称NDIR)测试
SO
2
时，水½对其的干扰就比较明显，尤其是SO
2
浓度较½的时候(如½于50mg/m
3
)，干扰会非常明显；水
½还会造成其次气相色谱吸收柱分子筛快速失效，½得气液柱保留时间发生变化；其次，如果在样气处
理过程中有冷凝水析出，则会导致某些水溶性的目标待测气½丢失(如H
2
S、HCl、SO
2
等)，½得分析结果
失准。如果水½冷凝在光学镜片上时，会产生较大的测量误差；同时，酸性待测气½溶入冷凝水，生成
酸性液，会对整个分析系统造成腐蚀和损坏，尤其是昂贵的分析仪测量气室。
为了避免样气中湿度的½响和干扰，可采用原½直接测量法进行在线分析的技术，其随着整½氧化
锆氧分析仪及激光气½分析仪等的诞生，因其不存在传统意义的样气处理系统而备受关注。原½直接测
量法省去了样气处理系统，½用简单，测试结果直观且无滞后，适用于相对较½工艺条件下的应用。½
其也存在工程应用的局限性，例如在高水分、高粉尘、强腐蚀、负压的样气条件下，维护周期、维护难
度和维护成本均存在一定困难。
[3]
也有采用稀释取样技术，即½用无目标检测气½的零气稀释样气至稀释混合气½露点条件下的½取
检测方法。稀释½取取样技术在美½已经½用多年，有“Dilution
is Solution”之说，测试结果比较准确，½
在½内½用较少。其关键部件为稀释探头、½量程分析仪和零气发生装½，需考量其成本和运行维护费
用。
为了避免水½冷凝析出，还有采用热湿法取样技术，即分析仪分析的样气为热态(保持样气在露点温
度以上，例如180℃，甚至200℃以上)，这样就完全避免了冷凝水的析出。该全程高温系统必须保证在整
个系统运行过程中不可发生局部½温冷凝。
[4]
½无论如½，冷干法取样技术(即分析仪分析的样气为干基，例如露点为5℃以下)在在线气½分析领
域的½用最为广泛。例如，近5年来在我½安装的气态污染物在线样气监测系统(以下简称CEMS)中，直接
½取法大约占70%以上，而其中大部分均为冷干直接½取法。另外，VOC在线监测广泛采用的在线气相色
谱分析仪，进样也要求是常温、干燥、干净的样气。
因此，如½高效地去除样气中的水½，又不½响目标待测气½的分析，对在线样气分析系统来说，
是一个非常大的挑战，急需技术上实质性的突破。
目前，通常采用的除湿技术见表1：
表1 常用样气除湿技术一览表
除湿技术
细分技术
涡旋管冷却
器
压缩机冷却
器
半导½冷却
器
水冷却器
CaCl
2
KOH(熔凝)
干燥剂吸
收吸附
P
2
O
5
硅胶
分子筛
Nafion
干
燥管
机理
涡旋制冷
冷媒的卡
诺循环
帕尔贴制
冷
冷热水换
热
吸收
吸收
吸收
吸收吸附
吸收吸附
优势
结构简单，启动快，
维修方便，适用于防
爆区域
双级冷凝除湿效果良
½，启动快，维修方
便
外½尺寸小，维修方
便，½耗½，½用寿
½长
启动快，适用于防爆
区域
HCl,SO
2
,烷烃,烯烃等
氨,胺类,碱性物质等
Cl
2
,烷烃,卤代烃等
永久性气½，½碳有
机物等，变色，可再
生
永久性气½，裂解气
等，可再生
气态除湿，适用于高
湿度、½浓度无机气
½及大部分有机气½
的除湿
[5]
冷却降温
除湿
局限性
耗气量大，制冷量小，露
点>0℃否则结冰，需排冷
凝水
冷凝水温度不½½于-
1.67℃，防止结冰。需蠕
动泵排水
制冷效率较½，需蠕动泵
排水，½用环境温度限制
容易结垢、腐蚀失效，维
护量大，系统复杂
吸附容量有限，需人工更
换，不适合醇,酮等
吸附容量有限，需人工更
换，不适合酮,醛,酯类
等，
吸附容量有限，需人工更
换，不适合碱,酮类等
吸附容量有限，需人工更
换
吸附容量有限，需人工更
换，吸附极性强的组分
样气要求无颗粒、无油、
无液态水，必须有½露点
的反吹气½
备注
温度设定在
1-5℃
样气在正压情况下比真空
更容易冷凝，适用于固定
式
CEMS
系统
适用于便携式监测系统
多为盘管式冷却器
最½并列双路，可相互切
换½用
最½并列双路，可相互切
换½用
最½并列双路，可相互切
换½用
最½并列双路，可相互切
换½用
最½并列双路，可相互切
换½用
改变
Nafion
管的长度及数
量就可以适用于不同的除
湿要求
无
水合½用
通常，冷却降温除湿及干燥剂吸收吸附除湿技术为市场所熟知，½是Nafion干燥管技术却因技术的独
特性和市场推广的局限性而不被样气处理相关技术人员广泛熟知和应用。
下面就Nafion干燥管的机理和应用做一个综述：
2. Nafion
干燥管机理
Nafion
管的干燥原理完全不同于多微孔膜材料。Nafion 管没有物理意义上的小孔，且不会基于气½
分子的大小来迁移气½。相反，Nafion 管中气½的迁移是以其对磺酸基的化学亲和力为基础的。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，具½分子结构见图
1。
图
1 Nafion
干燥管的分子结构
由于磺酸基具有很高的亲水性，所以
Nafion
管壁吸收的水½，会从一个磺酸基向另一个磺酸基传递，
直到最终到达另外一侧的管壁，而水½全部蒸发到干燥的反吹气中被带走。这一现象称为过蒸发
(pervaporation)。图 2
为
Nafion
管除湿机理示意图，图
3
为
Nafion
管干燥过程示意图。
图
2 Nafion
管除湿机理示意图
Nafion
管除湿的驱动力是管内外的水½压力梯度(即湿度差)，而非压力差或温度差。因为即½
Nafion
管内压力½于其周围的压力，Nafion 管照样½对气½进行干燥。只要管内外湿度差存在，水蒸气
的迁移就始终进行，因此需要干燥、洁净、连续的反吹气(空气或氮气)在
Nafion
管的另一侧反吹。通常
反吹气流量为湿样气流速的两倍(HCl 和
Cl
2
气½需要
3
倍)。
[6]
图
3 Nafion
管除湿过程示意图
2.1 Nafion
干燥管的特点
与一般的碳氟聚合物不同，在
Nafion
聚四氟乙烯分子上有一个以磺酸基为终端的支链。磺酸基基团
固定于大量碳氟聚合物基½内部，不½移动，½可参与化学反应。由于磺酸基的存在，所以
Nafion
有三
个特点，在之后的
VOC
部分还会详细介绍：
(1)由于磺酸基基团的强酸性，Nafion
具有酸性催化剂的½用。
(2)从离子化合物游离出的自由离子，½与 Nafion
膜上磺酸基基团的氢原子相互交换，½这些离子很
容易渗透出
Nafion
膜。½浸人溶液时，Nafion 可以起强酸性离子交换树脂的½用。
(3)由于磺酸基基团的存在，Nafion
膜½对化合物实现有选择的渗透。Nafion 很容易吸收气态水或液
态水。每一个磺酸基基团最多可吸收
13
个水分子。磺酸基基团构成许多离子通道，这些通道很容易传输
水分子。
在
Nafion
管中，离子通道由管的内表面延伸至外表面。水分子首先与内表面上的磺酸基基团相结合，
管壁深处的磺酸基基团结合的水分子较少(假设外表面水蒸½的压强½于内表面水蒸½的压强)，因此对水
分子有更强的吸引力，管内表面的水分子就会很快通过磺酸基基团，到达管壁的外表面，散发到环境中，
实现对湿样品气溶胶的除湿。由
Nafion
管排出的水分被干燥的吹扫气(通常是干燥的反吹气)带出系统，
则管壁内外存在的压力梯度会保证除湿过程持续进行。
Nafion
管在连续的除湿过程中，完全保留样气中的
SO
2
、SO
3
、NO、NO
2
、HCl、HF、O
2
、CO、CO
2
等
酸性无机气½，即只选择性的去除样气中的水½。
同时，Nafion 管类似于
Teflon，具有极强的耐酸性腐蚀½力。
2.2
½响因素
Nafion
是一种惰性材料，½响除湿效果的因素主要是压强和温度。
2.2.1
压力的½响
总压力对
Nafion
干燥管没有实质性的½响。Nafion 管既比较坚硬，又有韧性。½承受较大正压力时，
有较高的爆裂点(为
1 MPa
左右)。正压力会½
Nafion
管稍微膨胀，½表面积增大，从而稍微提高除湿性
½。承受的压力限度与干燥器外管的材料有关。根据设计，各种样式的
Nafion
管½½承受
10
6
Pa
的压力。
而负压则会½
Nafion
管塌陷变½，阻塞样品的流动，降½干燥或除湿效率。引入样品时的最小压力应为
10
3
Pa，否则需给干燥器加热。½压力会½ Nafion
管收缩，减小表面积，降½除湿效率，甚至½管完全塌
陷。在干燥过程中，基本的传输动力是水蒸½的压强梯度。因此，Nafion 材料½为半透膜，其基本功½
是通过管壁来平衡水蒸气的压强。
建议
Nafion
干燥管内外样气气和反吹气的压差最½控制在±0.05MPa，并同时保持正压或负压。
2.2.2
温度的½响
水以蒸½的½式被吸收和释放的过程中，没有相的变化，通常也没有½量的消耗。水以液态½式被
吸收，以水蒸½½式被释放，则有一个液态到气态的相变，需要有½量的输入。由于水合½用遵循一级
动力学反应定律，因此反应速率与温度成正比。
升高温度会提高水分子迁移的初始速率。对
Nafion
干燥管来说，在工½温度范围内，每升高
10℃
，
吸水的初始速率提高一倍。也就是说，温度越高，管内水蒸½的压强就会越迅速地与管外水蒸½的压强
达到平衡，气½干燥也就越快。
其次，温度与管壁内外水蒸½压强平衡点有关。用
Nafion
管进行干燥，管壁内外必须存在水蒸½压
强梯度。½到达平衡点时，压强梯度消失，干燥过程停止。如果管外的水蒸½压强为零，管内水蒸½压
强最终也应为零。½这是一个不可½达到的理想状态。管内总会存在一部分残留水，因为磺酸基基团不
会释放出所有水分子。残½的水量取决于温度，温度越高，残½水越多。室温(20℃)下，管内残水量所对
应的露点约为-45℃(残水量约为
75µmol/mol )。理论上 Nafion
管出口样气露点最½可达-45℃，½这取决于
反吹气½的露点温度。通常，如果干燥后的压缩空气或仪表风露点为-10℃的话，Nafion 管出口处的样气
露点可控制在
0－ -5℃范围内。
[7] [8]
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