氣體產(chǎn)品中微量水分的測(cè)定

摘要：本文對(duì)氣體產(chǎn)品中微量水分的常用測(cè)定方法，包括電解法、露點(diǎn)法和光腔衰蕩光譜法的原理、應(yīng)用進(jìn)行了介紹，對(duì)幾種測(cè)定方法的檢出限、適用范圍、使用壽命等技術(shù)參數(shù)做了比較。

關(guān)鍵詞：氣體產(chǎn)品 水分 電解法 露點(diǎn)法 光腔衰蕩

氣體產(chǎn)品是指經(jīng)過(guò)物理或化學(xué)方法加工生產(chǎn)的能夠儲(chǔ)存、運(yùn)輸?shù)臍怏w或液化氣體。在現(xiàn)代化的工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，氣體產(chǎn)品的應(yīng)用非常廣泛，根據(jù)氣體的性質(zhì)，可以作為燃?xì)狻⒅細(xì)?、反?yīng)氣、保護(hù)氣、傳導(dǎo)氣、絕緣氣等等。例如鋼鐵、有色金屬冶煉工業(yè)用到的氧氣、氫氣、一氧化碳；石油化學(xué)工業(yè)用到的乙烯、丁二烯；電子工業(yè)用到的氮?dú)?、氬氣；電力工業(yè)用到的氫氣、六氟化硫等；食品工業(yè)用到的二氧化碳；多晶硅制造工業(yè)用到的氟化氫、氯化氫以及醫(yī)療衛(wèi)生行業(yè)用到的氧氣、氧化亞氮等?？梢哉f(shuō)氣體產(chǎn)品是現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的基礎(chǔ)。

在氣體產(chǎn)品的生產(chǎn)過(guò)程中，由于生產(chǎn)工藝的影響，總會(huì)帶入一些水分。如空氣分離制造氮、氧、氬等生產(chǎn)過(guò)程中，由于原料空氣中水的存在，會(huì)隨著生產(chǎn)流程進(jìn)入成品中；電解水制造氧氣和氫氣的過(guò)程中，水會(huì)隨著電解池的發(fā)熱進(jìn)入到氣體成品中。氣體中的水分含量影響到氣體產(chǎn)品的質(zhì)量，水分過(guò)高可以造成輸送氣體的管路銹蝕，造成化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)物分解，造成絕緣性能下降等等嚴(yán)重后果，因此氣體產(chǎn)品的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中大多對(duì)氣體中水分含量有著嚴(yán)格的要求。例如GB/T3634.2-2011《純氫、高純氫和純氫》中對(duì)純氫、高純氫和純氫的水分含量分別要求低于10×10-6、3×10-6和0.5×10-6。

氣體產(chǎn)品中的水分含量很低，需要通過(guò)水分測(cè)定儀器來(lái)檢測(cè)。根據(jù)檢測(cè)原理的不同，水分測(cè)定主要有以下三種測(cè)量方法：

一、電解法

電解法是通過(guò)測(cè)量電解電流的方法來(lái)測(cè)定氣體中微量水分的。用涂覆了磷酸的兩電極形成一個(gè)電解池，在兩電極之間施加一直流電壓，氣體內(nèi)的水分被作為氣體吸濕劑的五氧化二磷膜層連續(xù)吸收，生成磷酸，并被電解為氫和氧，同時(shí)五氧化二磷得以再生。當(dāng)吸收和電解達(dá)到平衡后，進(jìn)入電解池的水分全部被五氧化二磷膜層吸收，并全部被電解。在環(huán)境溫度、壓力、流經(jīng)電解池的氣體流量均為定值的情況下，氣體的水分含量與電極之間的電解電流成正比，測(cè)量電極之間的電解電流就可計(jì)算出氣體的水分含量。

電解法適用于不與五氧化二磷發(fā)生除吸濕以外的各種反應(yīng)的氣體中水分的測(cè)量，與五氧化二磷反應(yīng)的如氨或含有氨的混合氣體不能使用電解法測(cè)量。受限于五氧化二磷的吸濕能力，電解法水分測(cè)定儀對(duì)氣體中水分的檢測(cè)限大約在1×10-6。

二、露點(diǎn)法

露點(diǎn)法是通過(guò)測(cè)量氣體露點(diǎn)的方法來(lái)測(cè)定氣體中微量水分的。當(dāng)一定體積的氣體在恒定的壓力下均勻的降溫時(shí)，氣體和氣體中水分的分壓保持不變，直至氣體中的水分達(dá)到飽和狀態(tài)，該狀態(tài)下的溫度就是氣體的露點(diǎn)。通常是在氣體流經(jīng)的測(cè)定室中安裝鏡面及其附件，通過(guò)測(cè)定在單位時(shí)間內(nèi)離開(kāi)和返回鏡面的水分子數(shù)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)的鏡面溫度來(lái)確定氣體的露點(diǎn)。一定的氣體水分含量對(duì)應(yīng)一個(gè)露點(diǎn)溫度；同時(shí)一個(gè)露點(diǎn)溫度對(duì)應(yīng)一定的氣體水分含量。因此測(cè)定氣體的露點(diǎn)溫度就可以測(cè)定氣體的水分含量。由露點(diǎn)值可以計(jì)算出氣體中微量水分含量，由露點(diǎn)和所測(cè)氣體的溫度可以得到氣體的相對(duì)水分含量。

露點(diǎn)法適用于低沸點(diǎn)的氣體中微量水分的測(cè)定，不適用于在水分冷凝前就冷凝的氣體如丙烯以及能與水分發(fā)生反應(yīng)的氣體中的水分測(cè)定。露點(diǎn)法適用于露點(diǎn)在（0～-120）℃的氣體中水分的測(cè)定，相當(dāng)于水分含量6.1×10-3～0.14×10-9。實(shí)際上，由于儀器結(jié)構(gòu)及制冷能力的原因，露點(diǎn)在-85℃以下時(shí)已經(jīng)難以測(cè)量。此時(shí)對(duì)應(yīng)的氣體中水分含量約為0.2×10-6。

三、光腔衰蕩光譜法

光腔衰蕩光譜法是通過(guò)測(cè)量光在光腔內(nèi)的反射振蕩衰減時(shí)間來(lái)測(cè)定氣體中微量水分的。一束單波長(zhǎng)激光進(jìn)入光腔后，光束在腔鏡之間來(lái)回反射振蕩。當(dāng)切斷光源后，其能量就會(huì)隨時(shí)間而衰減，衰減的速度與光腔自身的損耗（包括透射、散射）和腔內(nèi)被測(cè)組分（介質(zhì)）的吸收有關(guān)。被測(cè)組分的含量與其分子在光腔內(nèi)的密度成正比。如果采用水分子的吸收峰譜線作為激光的波長(zhǎng)，則其衰蕩光譜將與水分含量有關(guān)。

光腔衰蕩光譜法的適用范圍較寬，絕大多數(shù)氣體產(chǎn)品都可以用這種方法來(lái)測(cè)量其中的微量水分。但是由于要使用激光作為光源，因此對(duì)受光照易分解或發(fā)生其他化學(xué)反應(yīng)的氣體如硅烷等不適用這種方法。光腔衰蕩光譜法適用于水分含量在20×10-6～0.2×10-9的氣體中水分的測(cè)定，是目前靈敏度高的商業(yè)化在線水分檢測(cè)方法。但是由于使用這種原理的水分測(cè)定儀結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價(jià)格昂貴，因此這種儀器主要用于高純氣體、純氣體中微量水分的測(cè)定。