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Nafion干燥器去除的化合物

?Nafion干燥器去除的化合物

Nafion是全氟-3,6-二環氧-4-甲基-7-癸-硫酸和Teflon(聚四氟乙烯)的共聚物。簡單來說Nafion有一個Teflon的主鏈和不常見的碳氟側鏈。碳氟側鏈終止于磺酸基(- SO3H)。

除了磺酸基, Nafion就是一個碳氟聚合物。像所有含氟聚合物一樣,Nafion具有化學惰性(極強的抗化學侵蝕性)。它的磺酸基團被固定在大量的碳氟基層上不能被刪除,但與碳氟基層不同的是磺酸基并不參與化學反應。磺酸的存在使得Nafion對于能和磺酸結合的化合物有了選擇性滲透。

用于液態時,Nafion可以作為離子交換樹脂。在液相狀態下,離子化合物會分解成自由離子,自由離子可以通過Nafion的磺酸基相互易位,離子通過聚合物快速的滲透。

博純干燥器設計用于氣相狀態下的采樣處理。化合物在氣相狀態下不會分解成自由離子,除非溫度超過一千度。而這個溫度遠遠高于干燥器的運行溫度范圍。因此,Nafion管內的離子化合物不可能在氣相狀態下滲透,除非是專門和磺酸組成復合物。很少有氣態化合物可以同磺酸復合(結合),因此在氣相狀態下Nafion對化合物是非常有選擇性地滲透。

去除機制

Nafion通過以下三種方式移除氣流中的化合物:

1.??? 結合在Nafion的磺酸基上的化合物通過聚合物快速滲透。這些化合物主要限于那些氣體呈堿性的化合物(產生酸堿反應)。不是所有的,但大多數堿性化合物包含一個羥基(-OH)。因此,下列化合物都能被Nafion干燥器去除:

?????? 1.??? 水(H-OH)
???????2.??? 醇 (R-OH R為任意的常見有機基團)
?????? 3.??? 氨 (和水反應形成羥胺, NH3 + H2O = NH2-OH)?????
?????? 同樣的原理,一級胺(R-NH2)和二級胺(R1, R2-NH)也像氨一樣被去除。

2.??? Nafion的磺酸基使它具有強酸的特性,可以被用作酸催化劑。作為一個強酸催化劑,Nafion很容易的酸催化有機化合物轉換成其他化合物。嚴格來說,這時化合物并未從采樣氣體中移除,但它轉換成另一種化合物代替。酸催化發生的化合物有:

?????? 1.??? 雙碳和三碳原子之間或碳和其他原子之間
?????? 2.??? 分子空間應力(構造應力,可解除分子重組)

有機化合物之間的碳單鍵被描述為簡單的碳氫化合物,或烷烴(甲烷,乙烷,丙烷,丁烷,戊烷,己烷,庚烷,辛烷等)。這些化合物不進行酸催化和被去除。

有機化合物之間的碳雙鍵被稱為烯烴(乙烯,丙烯,丁烯等)。化合物具有碳三鍵被稱為炔烴。烯烴和炔烴被酸催化有可能被轉化,取決于該化合物的具體情況。

苯環是非常穩定的有機結構。即使它的環形結構內部有碳雙鍵,苯不會受酸催化成為另一種復合物。EPA方法TO-14也證實了,其中特別列舉了用Nafion干燥器干燥苯,甲苯,二甲苯和各種其他有機化合物。當其他基團附到苯環上,這一基團就決定是否會發生酸催化。例如,甲醛仍然是醛,仍然會進行酸催化。苯環的存在不會導致復合物酸催化,但它也不會保護另一活性基團不進行酸催化。含有苯環的化合物被描述為芳烴化合物,這類也不會被Nafion去除。

3.??? 綜合上述兩種方法,Nafion把化合物轉化成醇,然后除去。許多有機化合物含羰基 (-C=O)。這個基團受到酸的催化形成醇。該反應稱為酸催化下的烯醇化 (烯醇是醇的另一個名稱)。 在這個反應中碳、氧和水的組合形成了一個二醇-單碳-羥基團(C = O+H2O形成了HO-C-OH)。醛,酮,有機酸都含有羰基。在受到酸催化的烯醇化都將被Nafion去除。這些化合物不只是轉換成另一種化合物,實際上在轉變為醇后經過Nafion滲透了。

因為通過這一過程除去的化合物必須首先是經過酸催化的烯醇化,所以去除化合物的比例取決于化合物的酸催化反應有多容易。這就取決于附在羰基上的有機基R的性質了。比如,甲醛在R基的位置只有一個羥基。由于羥基不會輕易進行電荷共享,羰基抗酸催化烯醇化,所以Nafion不會從氣體中除去羰基。另一方面,苯甲醛在R的位置有一個苯環。苯環很容易進行電荷共享,所以苯甲醛會被酸催化烯醇化,隨后被Nafion去除。

其他有機物,在碳和其他原子(氧或氮)間有二或三根鏈的,可能也會被酸催化然后被除去。舉例來說腈化合物的碳和氮建有多根鏈,就可以被Nafion去除。二甲基亞砜(DSMO)和四氫呋喃(THF)是兩種同樣能被Nafion去除的化合物。

概括

Nafion氣體干燥器能直接去除水、醇、氨、胺和其他有羥基或能被酸催化轉換的化合物。一些復合物也能被去除,但在酸催化下變得面目全非。無機化合物一般不會被去除(除水和氨)。

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