气体产品中微量水分的测定

摘要：本文对气体产品中微量水分的常用测定方法，包括电解法、露点法和光腔衰荡光谱法的原理、应用进行了介绍，对几种测定方法的检出限、适用范围、使用寿命等技术参数做了比较。

关键词：气体产品 水分 电解法 露点法 光腔衰荡

气体产品是指经过物理或化学方法加工生产的能够储存、运输的气体或液化气体。在现代化的工业生产过程中，气体产品的应用非常广泛，根据气体的性质，可以作为燃气、助燃气、反应气、保护气、传导气、绝缘气等等。例如钢铁、有色金属冶炼工业用到的氧气、氢气、一氧化碳；石油化学工业用到的乙烯、丁二烯；电子工业用到的氮气、氩气；电力工业用到的氢气、六氟化硫等；食品工业用到的二氧化碳；多晶硅制造工业用到的氟化氢、氯化氢以及医疗卫生行业用到的氧气、氧化亚氮等。可以说气体产品是现代工业生产的基础。

在气体产品的生产过程中，由于生产工艺的影响，总会带入一些水分。如空气分离制造氮、氧、氩等生产过程中，由于原料空气中水的存在，会随着生产流程进入成品中；电解水制造氧气和氢气的过程中，水会随着电解池的发热进入到气体成品中。气体中的水分含量影响到气体产品的质量，水分过高可以造成输送气体的管路锈蚀，造成化学反应产物分解，造成绝缘性能下降等等严重后果，因此气体产品的国家标准中大多对气体中水分含量有着严格的要求。例如GB/T3634.2-2011《纯氢、高纯氢和纯氢》中对纯氢、高纯氢和纯氢的水分含量分别要求低于10×10-6、3×10-6和0.5×10-6。

气体产品中的水分含量很低，需要通过水分测定仪器来检测。根据检测原理的不同，水分测定主要有以下三种测量方法：

一、电解法

电解法是通过测量电解电流的方法来测定气体中微量水分的。用涂覆了磷酸的两电极形成一个电解池，在两电极之间施加一直流电压，气体内的水分被作为气体吸湿剂的五氧化二磷膜层连续吸收，生成磷酸，并被电解为氢和氧，同时五氧化二磷得以再生。当吸收和电解达到平衡后，进入电解池的水分全部被五氧化二磷膜层吸收，并全部被电解。在环境温度、压力、流经电解池的气体流量均为定值的情况下，气体的水分含量与电极之间的电解电流成正比，测量电极之间的电解电流就可计算出气体的水分含量。

电解法适用于不与五氧化二磷发生除吸湿以外的各种反应的气体中水分的测量，与五氧化二磷反应的如氨或含有氨的混合气体不能使用电解法测量。受限于五氧化二磷的吸湿能力，电解法水分测定仪对气体中水分的检测限大约在1×10-6。

二、露点法

露点法是通过测量气体露点的方法来测定气体中微量水分的。当一定体积的气体在恒定的压力下均匀的降温时，气体和气体中水分的分压保持不变，直至气体中的水分达到饱和状态，该状态下的温度就是气体的露点。通常是在气体流经的测定室中安装镜面及其附件，通过测定在单位时间内离开和返回镜面的水分子数达到动态平衡时的镜面温度来确定气体的露点。一定的气体水分含量对应一个露点温度；同时一个露点温度对应一定的气体水分含量。因此测定气体的露点温度就可以测定气体的水分含量。由露点值可以计算出气体中微量水分含量，由露点和所测气体的温度可以得到气体的相对水分含量。

露点法适用于低沸点的气体中微量水分的测定，不适用于在水分冷凝前就冷凝的气体如丙烯以及能与水分发生反应的气体中的水分测定。露点法适用于露点在（0～-120）℃的气体中水分的测定，相当于水分含量6.1×10-3～0.14×10-9。实际上，由于仪器结构及制冷能力的原因，露点在-85℃以下时已经难以测量。此时对应的气体中水分含量约为0.2×10-6。

三、光腔衰荡光谱法

光腔衰荡光谱法是通过测量光在光腔内的反射振荡衰减时间来测定气体中微量水分的。一束单波长激光进入光腔后，光束在腔镜之间来回反射振荡。当切断光源后，其能量就会随时间而衰减，衰减的速度与光腔自身的损耗（包括透射、散射）和腔内被测组分（介质）的吸收有关。被测组分的含量与其分子在光腔内的密度成正比。如果采用水分子的吸收峰谱线作为激光的波长，则其衰荡光谱将与水分含量有关。

光腔衰荡光谱法的适用范围较宽，绝大多数气体产品都可以用这种方法来测量其中的微量水分。但是由于要使用激光作为光源，因此对受光照易分解或发生其他化学反应的气体如硅烷等不适用这种方法。光腔衰荡光谱法适用于水分含量在20×10-6～0.2×10-9的气体中水分的测定，是目前灵敏度高的商业化在线水分检测方法。但是由于使用这种原理的水分测定仪结构复杂、价格昂贵，因此这种仪器主要用于高纯气体、纯气体中微量水分的测定。