壓差法水分測定原理

1、壓差法水分測定原理主講人：姚漢梁教育培訓(xùn)部整理上海思爾達(dá)科學(xué)儀器有限公司前 言常用塑料粒子微量水分的測定方法，有壓差法、電解法、卡爾費(fèi)休法等等。其中壓差法水分測定，以其快速、準(zhǔn)確、操作方便、使用成本低（接近于零，而像卡爾費(fèi)休等方法，試劑耗費(fèi)龐大）等優(yōu)點(diǎn)已被廣泛應(yīng)用在化纖、塑料工業(yè)的中間工藝過程中。壓差法水分測定裝置適用于測定極微量的水分。水在低壓狀態(tài)下的沸點(diǎn)很低，因此，在接近真空的壓力狀態(tài)下，水總會以氣態(tài)的形式存在，而隨著壓力的增加，又會重新凝結(jié)成水。本講座主要講的是壓差法水分測定的原理，這是一種比較法。先用不同質(zhì)量的具有已知含水率的標(biāo)準(zhǔn)試樣做試驗(yàn)，得出不同的水分所對應(yīng)的不同的壓力的標(biāo)示，然后

2、用待測樣品去做試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果同樣用壓力標(biāo)示，那么，在所對應(yīng)的壓力處，根據(jù)原先用標(biāo)準(zhǔn)試樣做得的結(jié)果，就可知道該待測樣品的含水量。壓差法水分測定原理一 引言1一個有關(guān)水分的實(shí)驗(yàn)一塊木塊，我們想知道它的含水量，最簡單的方法是什么呢？首先稱重，這時的重量包括木塊的重量和里面所包含的水分的重量；然后烘干；再稱重，這時的重量就只剩下木塊的重量了。這塊木塊的含水量（即水分含量），即原先這塊木塊所含有的水分，就是二次稱重之差。那末，我們平時所言的含水率是什么呢？注意這里的“率”，其意為“比率”，也可簡單理解為“百分比”，這里的含義是，占有百分之幾。比如，上面的例子中水分含量/原木塊重量原木塊的含水率這是個相對

3、值的概念，如原木塊重200g，烘干后為190g，那么，其中的水分含量就是10g，其含水率為5。要搞清這二個概念，10g水是個絕對值，而5的含水率是相對值。2液位的平衡圖1如圖1所示，在U形管內(nèi)加水，在管口都敞開的情況下，二側(cè)的壓力是相等的，液位也是相等的。如果使二端管口壓力不等， U形管二側(cè)的液位也不會相等。也就是：（1）當(dāng)U形管二端敞開（壓力相等）二液位處于同一水平面。（2）當(dāng)U形管一端增加壓力，二側(cè)液位發(fā)生變化，增壓端液位下降，另一端液位上升。液位的平衡與不平衡及其變化的程度，均與U形管二端的壓力差有關(guān)。二 壓差法水分測定的原理1測定裝置的結(jié)構(gòu) 圖 2圖3 試管測定裝置是由壓差管（圖2）、

4、試管（圖3）二套玻璃裝置組合而成。在壓差管中，包含了玻璃泡A、B，充注油的U形管，以及中閥和邊閥，它們一起構(gòu)成了一個氣密系統(tǒng)（參見圖4）。2工作原理圖4請參閱圖4（1）當(dāng)中閥開啟時，U形管二側(cè)液面處于同一水平面，二邊壓力差相等（見圖4）。（2）當(dāng)中閥關(guān)閉時，U形管二側(cè)液面的高低取決于中閥二側(cè)的壓力變化。3實(shí)驗(yàn)過程（1）開啟中閥，關(guān)閉邊閥，在邊閥左側(cè)，用真空膠管接上真空規(guī)（它是能夠指示真空程度的裝置）（見圖5a），同時通過緩沖瓶（其原理見后述）接上真空泵（圖6），注意真空規(guī)此時應(yīng)處于圖5a的位置。系統(tǒng)接好后，如圖7所示。（2）啟動真空泵，再緩緩開啟邊閥，系統(tǒng)抽真空。 U形管中加入硅油后第一次抽真

5、空，可能費(fèi)時需長達(dá)小時，因?yàn)楣栌椭谢煊锌諝猓檎婵諘r，將首先把油中的空氣抽出?？梢悦黠@地觀察到油中氣泡的形成。（3）5分鐘后，將真空規(guī)逆時針方向緩慢旋轉(zhuǎn)90，至圖5b的位置，看真空規(guī)中水銀在毛細(xì)管中的上升位置，應(yīng)100Pa（公司內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)20Pa）。 如未達(dá)到要求，將真空規(guī)順時針方向緩慢旋轉(zhuǎn)90，恢復(fù)到圖5a的位置后，繼續(xù)抽真空過幾分鐘再看。圖5a的位置，是真空規(guī)在被抽真空時的狀態(tài)，圖5b的位置是觀察被抽真空所達(dá)到真空程度的狀態(tài)。（4）如10分鐘后，還達(dá)不到預(yù)期的真空效果，應(yīng)考慮到系統(tǒng)氣密故障的可能性，如達(dá)到了預(yù)期真空效果，則抽真空過程結(jié)束。除了在觀察真空度的情況下，真空規(guī)都應(yīng)恢復(fù)(保持)到圖5

6、a的狀態(tài)。（5）關(guān)閉邊閥（此時也可以關(guān)閉真空泵了，但是必須先關(guān)閉邊閥）。此時中閥仍然是開啟的，管道內(nèi)各處壓力相等。（6）關(guān)閉中閥。原來整個管道，通過中閥平衡連通各處壓力，現(xiàn)在中閥關(guān)閉，只能靠U形管中的油，來傳遞左右二側(cè)的壓力了。如果左右二側(cè)壓力保持原態(tài)不變，油面也保持原態(tài)不變，在同一水平面上。如某處有泄漏、即使是輕微的泄漏，也將使二側(cè)壓力不平衡（泄漏側(cè)壓力增加），油位發(fā)生變化，泄漏側(cè)油位下降。當(dāng)然，如果二側(cè)的泄漏量是一樣的，液面也不會發(fā)生變化，不過，這種可能性幾乎沒有。圖5a圖5b圖6 真空泵注：1.中閥 用于連通和關(guān)斷U形管的左右側(cè)；2.邊閥 用于連通和關(guān)斷U形管裝置與真空泵，以及大氣的連接

7、狀態(tài)； 3.空閥 當(dāng)空閥開通時，可使真空泵 、真空規(guī)與大氣相連，也可使測試裝置與大氣相連（此時邊閥開啟）。圖74水分測定過程上述是在試管內(nèi)是空的情況，接下來敘述的，是在試管內(nèi)加入含有水分的物質(zhì)后的情況。（1） 在試管內(nèi)加入待測樣品，與壓差管連接。（2） 關(guān)閉空閥、開啟中閥、邊閥，抽真空至100Pa（公司內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)，20Pa），越小越好。（3） 關(guān)閉邊閥（后，也可關(guān)閉真空泵）。（4） 關(guān)閉中閥。 次序千萬不可搞錯，否則，由于U形管二側(cè)壓力驟變，其中的油將沖向上邊的水平管而難以清洗。（5） 加熱試管內(nèi)的樣品。加熱樣品到什么溫度是有一定要求的，加熱的溫度越高，水分跑出來固然越快，但也會導(dǎo)致樣品分子結(jié)構(gòu)

8、的破壞。一般試管內(nèi)樣品加熱的時間約10分鐘左右。（6） 在樣品加熱過程中，水分逐漸逸出，U形管右側(cè)油位逐漸下降，到一定程度（10分鐘左右）趨于穩(wěn)定。（7）U形管右側(cè)油位的下降程度（用h表示,見圖4）與樣品中逸出的水分量有關(guān)。我們可以根據(jù)油位的變化，推斷出樣品中的水分含量。為了知道油位的下降和樣品中的水分含量的關(guān)系，我們要對這套裝置進(jìn)行標(biāo)定。5水分測定裝置的標(biāo)定（1） 標(biāo)定目的如前所述，實(shí)驗(yàn)時，不同的水分含量在右側(cè)油面上會產(chǎn)生不同的壓力，也就是說，油位會有不同的下降程度h。那么，我們就可以建立一個直角坐標(biāo)（見圖8），縱坐標(biāo)為mW表示樣品中的水分含量，橫坐標(biāo)為油位的高度變化h（即下降的距離），那么

9、，我們將用不同的水分含量的樣品做的實(shí)驗(yàn)，結(jié)果以坐標(biāo)點(diǎn)的形式標(biāo)注在坐標(biāo)系中?？梢钥吹?，各點(diǎn)可近似地連接為一條直線。在數(shù)學(xué)中，縱坐標(biāo)為y，橫坐標(biāo)為x，如果在坐標(biāo)系中也有這么根斜線，它的方程式為：y=kx其中，K即為該直線的斜率。在此，我們同樣可以把水分量與油位的變化以下式表示：mW = kh 其中，K同樣為直線的斜率。如果，我們在已知水分含量的情況下，做了多次實(shí)驗(yàn)，并得到了這一條直線，那么，在以后的正式樣品的測試中，只要記錄U形管中的液位的變化h，那么，就可很快地求得樣品中的含水量mW = kh 。一般地，mW的單位用g表示，h的單位用mm表示。斜率大小由實(shí)驗(yàn)裝置（主要是壓差管）的內(nèi)容積決定，壓差

10、管的玻璃球小，斜率平坦，因?yàn)閮?nèi)部空間小，少的水分含量就能產(chǎn)生比較大的壓力，如球泡較大，要產(chǎn)生同樣大的壓力，就需要有比較多的水分含量了。（2） 標(biāo)定方法 首先要找到一種物質(zhì)，它應(yīng)該含有固定的含水率，而且在合適的高溫下，內(nèi)在的水分子能脫離物質(zhì)逸出而不致破壞其物質(zhì)本身。一般情況下，下列幾種物質(zhì)可供我們使用：a .鉬酸納鉬酸納的分子式為Na2MOO42H20,其分子量為241.92，在它的分子式中，含有二個結(jié)晶水（H20），其分子量為36，如果以W表示每克該物質(zhì)中的水分的含量（即含水率），那么：如在5mg的鉬酸納中，就會有結(jié)晶水0.74405mg,也就是說，在合適的高溫形態(tài)下（一般200左右），它們會

11、有0.74405mg的水逸出，以蒸汽的狀態(tài)充塞在處于真空狀態(tài)的水分測定裝置的管道和右邊的玻璃球中，繼而對右側(cè)油位面產(chǎn)生壓力。b .鎢酸納鎢酸納的分子式為Na2WO4 .2H20,其分子量為329.75，二個水分的分子量為36，那么： c .硫酸銅要注意，并不是所有含有結(jié)晶水的物質(zhì)，在合適的溫度下，其結(jié)晶水都能從物質(zhì)中逸出。這里所介紹的硫酸銅就是這樣的。硫酸銅的分子式是CuSO45H20,其分子量為249.6,但其5個結(jié)晶水中，只能逸出4個，因此，其含水率：我們目前使用的是第一種 鉬酸納。選定了試驗(yàn)用的標(biāo)準(zhǔn)樣品，我們就可以按下列步驟，進(jìn)行整個裝置的標(biāo)定工作：a.分4、8、12、16、20mg左右

12、稱取五種量的鉬酸納。稱量必須精確到0.1mg，記錄下來。由于稱量很小，因此，稱量時宜直接放入試管底部中稱取，不要粘到管壁上，嚴(yán)格防止粘落到管口。稱量以后，如不馬上實(shí)驗(yàn)，應(yīng)置于干燥皿中。b.將加熱爐筒搖至最低，升溫至200左右，穩(wěn)定。c.打開空閥，將裝有鉬酸納的試管的錐孔（管口）套上壓差管右側(cè)直管下的錐口，稍向上用力（另一只手協(xié)助，防止壓差管斷裂），朝一個方向旋轉(zhuǎn)數(shù)十圈，以保證密封。d.在試管與加熱爐筒之間墊入一塊隔熱墊塊。e.關(guān)閉空閥，抽真空，至100Pa（公司內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)20Pa）。f.關(guān)閉邊閥（也可再關(guān)閉真空泵），關(guān)閉中閥。g.移去隔熱墊塊，將加熱爐筒換上，試管插入爐筒中間的試管套中。試管底部

13、應(yīng)與試管套底接觸。小心操作，注意不要損壞。h.油位開始變化，且越來越大，約十分鐘，趨于穩(wěn)定。待變化十分緩慢，不易覺察時，記錄油位的變化h。i.開啟中閥，油位恢復(fù)平衡，慢慢地開啟邊閥，再慢慢開啟空閥，系統(tǒng)與大氣連通。j.取（旋轉(zhuǎn)）下試管，換上另一支裝有標(biāo)準(zhǔn)樣品并已稱重、記錄的試管，重復(fù)上述步驟，至已準(zhǔn)備的試管全部試驗(yàn)完畢。由此，得到了5組水分含量（mw）與油位變化量（h）的數(shù)據(jù)，將其標(biāo)注在mwh坐標(biāo)圖上，得到五個點(diǎn)，連接起來就是一條近似的直線（見圖8，圖9）。坐標(biāo)中m w是樣品的含水量，其中：W在這里是，標(biāo)準(zhǔn)樣品的含水率，如鉬酸納為0.14881。m標(biāo)準(zhǔn)樣品的質(zhì)量，用0.1mg精度的天平稱得，如

14、4.0mg。m與W的乘積即為質(zhì)量的m的樣品中的水分含量。如4.0mg的鉬酸納，內(nèi)含水分為：4mg14.881=0.595mg如實(shí)驗(yàn)正確，五點(diǎn)可近似連為一直線，就可求得該mW的裝置的K值。如不能近似地連為一直線，就要檢查實(shí)驗(yàn)中的問題。如樣品稱重的不正確，氣密性不符合等等。如果我們繼續(xù)增加標(biāo)準(zhǔn)樣品的試驗(yàn)用量，我們會發(fā)現(xiàn)，當(dāng)達(dá)到一定值時，h不再隨樣品量的增加而成比例地增加，甚至不再增加，如圖9實(shí)線部分。這表明，由于水分量的增加，對該系統(tǒng)而言已達(dá)到了蒸汽的飽和狀態(tài)，如果繼續(xù)增加，還可觀察到玻璃泡壁上出現(xiàn)霧狀水汽凝結(jié)，這也就是過飽和蒸汽現(xiàn)象。在此已無使用價值，我們使用的只是直線部分即A點(diǎn)以左區(qū)域。注意，

15、K值與環(huán)境溫度有關(guān)，一般保持在250C左右的環(huán)境溫度下，以減少測試誤差。圖9三 裝配工藝要求1機(jī)械裝配看清圖紙和技術(shù)要求，嚴(yán)格按圖施工，是每一個操作工人的基本素質(zhì)；憑經(jīng)驗(yàn)自以為是，不看圖紙，是工作中的大忌。裝配工作，除了必須保證內(nèi)在技術(shù)指標(biāo)，還必須保證產(chǎn)品的外觀?？蛻魧Ξa(chǎn)品的直觀印象將直接關(guān)系到客戶對該產(chǎn)品的購買欲。因此，從裝配工人到技術(shù)人員、管理人員，必須是一絲不茍、認(rèn)真把關(guān)，確保產(chǎn)品質(zhì)量。（1）玻璃儀器玻璃儀器裝配時要做到輕拿輕放，注意防止破碎。安裝固定部分時要墊軟墊，要順其自然，不能過分用力。玻璃裝置安裝時要自然妥貼。如不能妥貼放置安裝，說明玻璃裝置本身質(zhì)量問題，如是硬性裝配，就可能造成

16、玻璃件的直接破碎，或由于玻璃應(yīng)力的客觀存在，而在運(yùn)輸中、使用中、甚至是在靜止一段時期后自然破裂。（2）玻璃裝置與膠管的連接連接時應(yīng)先在聯(lián)接處涂抹硅脂，讓玻璃裝置聯(lián)接處得以充分潤滑，手扶玻璃件的就近處，然后，再小心地將膠管緩慢地來回旋進(jìn)。上述要求絕不可掉以輕心，否則，稍不注意，就會造成玻璃件的損壞。（3）閥塞和閥體的安裝閥塞和閥體是加工單位按圖紙要求配磨加工的，密封性要求很高。我們安裝時要對號入座，不能搞錯，否則，直接影響到氣密性，在抽真空時可能達(dá)不到要求。我們裝配工在裝配調(diào)試后要把閥塞與閥體用橡皮筋對號定位固定，這樣就不會出現(xiàn)因閥塞和閥體搞錯而發(fā)生的不應(yīng)該發(fā)生的產(chǎn)品質(zhì)量問題。（4）加硅油時要注

17、意，不要沾污其它地方。如沾污了必須清理干凈，這是個相當(dāng)麻煩的事，應(yīng)充分注意。污染的產(chǎn)品是絕對不能出廠的。2氣密試驗(yàn)裝置裝配完畢，即可進(jìn)行氣密試驗(yàn)：（1） 連接真空泵和真空規(guī)。（2） 將試管與測試裝置連接。（3） 順序開啟中閥和邊閥，關(guān)閉空閥。（4） 抽真空至100Pa（公司內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)在10分鐘內(nèi)抽至20Pa）。（5） 關(guān)閉邊閥（后，也可再關(guān)閉真空泵）。（6） 關(guān)閉中閥，維持1小時，觀察U形管的油面變化應(yīng)1mm。（7） 順序開啟中閥，開啟邊閥，開啟空閥。氣密試驗(yàn)達(dá)不到要求，其它再好，也等于零。3其它裝置的裝配工藝及試驗(yàn)要求（1） 升降裝置升降裝置必須做到靈活、平穩(wěn)、晃動小，晃動過大，將損壞壓差玻璃

18、裝置。（2） 加熱筒加熱筒與試管套有硅油作導(dǎo)熱，使熱能能均勻傳遞到試管上（見圖10 ）。圖10試管和試管套的配合間隙有限，如把試管直接插入加熱爐爐膛，要么，存在有很大間隙，隔了一層空氣，熱傳遞慢且不均勻，要么由于實(shí)際上二部件不可能對準(zhǔn)，加熱筒上升時的晃動和二部件的中心偏差，將使玻璃部件破裂。所以我們的設(shè)計(jì)是將試管插入試管套中，再將試管套浸在油里，在試管套和爐膛間有充分的間隙，而間隙中充滿了硅油，既保證了試管和爐膛的自由配合，又保證熱能的均勻傳遞。油的多少，要控制得當(dāng)，加多了要溢出，加少了也不行，原則上是使油在高溫250時滿而不溢為最好。在裝配技術(shù)要求上給出了加油的量，應(yīng)嚴(yán)格掌握。此外，還要注意

19、硅油的高溫老化問題，硅油長時間處于高溫狀態(tài)下，會越來越稠，粘度增加，影響導(dǎo)熱，且容積減少，對傳導(dǎo)熱能影響很大。因此，必須經(jīng)常檢查，及時更換，確保裝置的質(zhì)量。4隔熱墊塊在標(biāo)定試驗(yàn)及正式試驗(yàn)時，加熱爐膛已達(dá)到設(shè)定溫度并恒溫。在還未進(jìn)行試驗(yàn)時，試管離爐膛的距離還是很近的，高溫將烘烤試管，因此，在這二者之間墊入隔熱墊塊（隔熱墊塊是一塊固形的棕色石棉橡膠板），也就是為了使溫度在不需要的時候不要傳到試管上去。5緩沖瓶緩沖瓶（見圖11）。為了避免在抽真空時，真空泵突然斷電（或抽真空停機(jī)），使真空泵油倒灌進(jìn)玻璃裝置，在真空泵與玻璃測試裝置之間串入緩沖瓶（見圖7），這樣，即使在意外情況下，真空泵油要倒灌入玻璃裝置（此時，裝置中可能處于真空狀態(tài)，而真空泵的另一側(cè)卻是大氣壓力），也是灌入緩沖瓶而不致影響玻璃測試裝置。圖11 緩沖瓶四 SF1裝置的技術(shù)指標(biāo)1含水率測定范圍SF1裝置可以測得的最高含水量約為1.5mg,這樣： 當(dāng)試樣質(zhì)量為3g時含水率測定范圍為5500PPm； 當(dāng)試樣質(zhì)量為0.5g時，含水率測定范圍為303000PPm。 限定測定范圍的原則是，下限值以肉眼能分辨為限，上限值以系統(tǒng)不產(chǎn)生過飽和蒸汽（即不進(jìn)入過飽和區(qū) 非線性區(qū)）為度。2實(shí)驗(yàn)溫度范圍 室 溫： 250 顯示誤差： 3（在80、200、220點(diǎn)上）溫度波動： 2五 壓差法水分測定的適用范圍壓差法水分測定只適用于53