水分测定仪的种类很多,根据水分测定仪原理,水分测定仪大体分为卡尔费休水分测定仪、红外水分测定仪、露点水分测定仪、微波水分测定仪、库伦法水分测定仪、中子水分测定仪、电容式水分测定仪、电子式水分测定仪、失重法水分测定仪等。现就各类水分测定仪的原理简介如下——
1、卡尔费休水分测定仪的原理:
卡尔费休法简称费休法,是1935年卡尔费休(KarlFischer)提出的测定水分的容量分拆方法。费休法是测定物质水分的各类化学方法中,对水为专一、为准确的方法。虽属经典方法但经过近年改进,提高了准确度,扩大了测量范围,已被列为许多物质中水分测定的标准方法。 费休法属碘量法,其基本原理是利用碘氧化二氧化硫时,需要—定量的水参加反应: I2十SO2十2H2O=2HI十H2SO4 上述反应是可逆的。为了使反应向正方向移动并定量进行,须加入碱性物质。实验证明,吡啶是适宜的试剂,同时吡啶还具有可与碘和二氧化硫结合以降低二者蒸气压的作用。因此,试剂必须加进甲醇或另一种含活泼OH基的溶剂,使硫酸酐吡啶转变成稳定的甲基硫酸氢吡啶。2、红外水分测定仪原理:
红外线加热机理:当远红外线辐射到一个物体上时,可发生吸收、反射和透过。但是,不是所有的分子都能吸收远红外线的,只有对那些显示出电的极性分子才能起作用。水、有机物质和高分子物质具有强烈的吸收远红外线的性能。当这些物质吸收远红外线辐射能量并使其分子,原子固有的振动和转动的频率与远红外线辐射的频率相一致时,极容易发生分子、原子的共振或转动,导致运动大大加剧,所转换成的热能使内部升高温度,从而使得物质迅速得到软化或干燥。 一般的加热方法是利用热的传导和对流,需要通过媒质传播,速度慢,能耗大,而远红外线加热是用热的辐射,中间无需媒质传播。同时,由于辐射能与发热体温度的4次方成正比,因此,不仅节约能源而且速度快、效率高。此外,远红外线具有一定的穿透能力,由于被加热干燥的物质在一定深度的内部和表层分子同时吸收远红外辐射能,产生自发热效应,使溶剂或水分子蒸发,发热均匀,从而避免了由于热胀程度不同而产生的形变和质变,使物质外观、物理机械性能、牢度和色泽等保持完好。 红外线水分测定仪主要由红外辐射加热器和电子天平确定其精度和稳定性. 红外辐射加热器:钨丝真空管可辐射近红外线,碳化硅属长波长的远红外辐射加热器,石英玻璃和陶瓷红外加热器能辐射中红外线。 红外线水分测定仪水分测定基准的公认标准测定法的「干燥减量法」极其类似的加热干燥、质量测定的红外线水分仪。公认标准测定法的「干燥减量法」也被称之为(105°C5小时法)、(135°C3小时法)等,通过在干燥机中放入样品进行长时间的加热干燥,来的测定干燥前与干燥之后的质量变化,以此计算出水分量。为此,需要测定人员对设备和技术非常精通。由于测定需要较长的时间,因此快速测定大量的样品比较困难。所以,对于高准确度的针对多种多样的样品进行测定而言,除红外线水分计之外不作他想。虽然也有一些其他的电气以及光学的测定方法,但是,都属于限定测定对象的专用仪器。从通用性的角度而言,都远不及红外水分计。 适用范围:可以测定谷物、淀粉、面粉、干面、酿造品、海产品、鱼类加工品、食用肉类加工品、调料、点、心、乳制品、干燥食品、植物油等食品相关物品,药品、矿石砂、焦碳、玻璃原料、水泥、化学肥料、纸、纸浆、棉、各种纤维等的工业制品等。3、露点水分测定仪原理: 露点水分测定仪操作简便,仪器不复杂,所测结果一般令人满意,常用于性气体中微量水分的测定。但此法干扰较多,一些易冷换气体特别在浓度较高时会比水蒸气先结露产生干扰。4、微波水分测定仪原理: 微波水分测定仪利用微波场干燥样品,加速了干燥过程,具有测量时间短,操作方便,准确度高、适用范围广等特点,适用于粮食、造纸、木材、纺织品和化工产品等的颗粒状、粉末状及粘稠性固体试样中的水分测定,还可应用于石油、煤油及其他液体试样中的水分测定。5、库仑水分测定仪原理: 库仑水分测定仪常用来测定气体中所含水分。此法操作简便,应答迅速,特别适用于测定气体中的痕量水分。如果用一般的化学方法测定,则是非常因难的事情。但电解法不宜用于碱性物质或共轭双烯烃的测定。
6、中子水分测定仪原理:
由中子源、探测器和相应的计数装置所组成测量物质水分的仪器叫作中子水分计。其基本测量原理是:由中子源发射出的中子在被测物质中的减速扩散、减速透射、衰减、散射都由被测物质内的氢含量所决定,水分子(H2O}含有两个氢原子,所以探测中子的计数率就能反映该物质中水分的大小。 中子水分计的种类很多,可按测量方式、测量原理和装置类型三种分类方法进行。按测量方式分类有插入型、表面型、透射型和散射型四种;按测量原理分有中子减速扩散法,中子减速透射法,中子衰减法和散射法;按装置类型分类有固定式、移动式和取样式三种。
7、电容式水分测定仪原理:
电容器的电容量与其两极间介质的介电常数ε成正比。不同的物质具有不同的介电常数。在干燥状态下,许多物质(如纤维、纸张、木材、谷物等)的介电常数都较低。约为1-5。而纯水的介电常数则很高,为80左右。因此,当介质中含有水分时,其介电常数就会大大提高,从而引起电容器电容量的增加,电容式水分计就是利用水的这个特性工作的。
电容式水分测定仪的主要特点是:结构简单、灵敏度高、量程宽、响应快、操作方便,价格低廉,还能实现有线和无线遥测。适用于粮食、建材、造纸、纺织,煤炭、铸造等行业快速检测粉状、粒状、片状、块状和浆料等非金属物料中的水分。8、电阻式水分测定仪:
固体物质中如有水分存在,其导电性能就会发生变化。一般干燥固体的电阻率为1010~1018Ω·cm,当含有水分时,电阻率可能会下降到10-2~10-3Ω·cm,并且电阻的变化与含水量的大小遵从一定的规律。根据这一特性,可在一定条件下测出物质的电阻(或电导)与水分含量的关系曲线。电阻式水分计就是根据这种原理工作的。
电阻式水分测定仪的主要特点:一是灵敏度高,当水分发生微小变化时,其直流电阻会发生较大变化;二是响应时间快,可用于连续的在线测量但由于物质中电解质的存在会严重影响导电性能,故不能用于含有电解质物质的水分测量。电阻式水分测定仪应用领域十分广泛。除含有电解质的物质外,其他物质的水分测量都可以采用,如木材、纸张、谷物、皮革、蔗渣、棉纱、纤维、型砂、干果、乳制品、面粉、食糖、水泥、土壤、焦炭、原油等。
重量法水分计的工作原理是把被测固体或液体样品至于干燥装置中,在某一温度和压力条件下脱水干燥,通过称量干燥前后样品的质量变化,按照公式计算出被测物质的湿基水分和干基水分。由于样品的种类繁多,其物理性质和化学性质各不相同,其中水分的存在形式有很大的差别,例如有的物质受热容易分解,氧化和挥发以及升华等,水分存在的形式有游离状态的物理吸附水,化学吸附水和化学结合水等。因此,在用重量法水分计测量固体或液体的含水量时,必须根据测量对象的特点采用不同的处理方法。 在重量法测试操作中,温度、压力、干燥时间以及干燥剂的选择。条件不同测量方法和所用仪器也不同,因此重量法水分计又分为烘箱法、热天平法和干燥剂法三种类型。精泰牌JT-K系列卤素水分测定仪就是这种水分测定仪的代表产品,测量准确,效果好。1 烘箱法 对于具有热化学稳定性的样品,常用的方法是常压下的烘箱法。其操作步骤是通常把试样置于烘箱中,在合适的温度下烘干至恒重,干燥前后的质量差即为样品的含水量。加热的方式可用电加热或红外线加热。此方法简单方便,因而使用*为广泛。但要注意干燥后冷却吸水以及是存在易挥发成分,是否容易受热分解、氧化或升华等。试样如果宜在减压和较低温度条件下进行干燥,用真空烘箱法。2 热天平法 热天平法是研究热解的有效方法,既可以用来测定固体物质的吸附水和结晶水,又可以用来判断固体化合物的热化学性质。其工作原理简单来说就是将加热炉中的试样悬挂在天平的一臂上,加热前天平的指针或示值处于平衡位置,在加热过程中由于水分的解吸或热解,天平失去平衡。连续记录读数,即可测出试样质量的变化。加热炉基本上都采用红外辐射加热,因为红外辐射能量高,穿透性强,可以实对样品的快速干操。3干燥剂法 有些物质热稳定性较差,在温度较高的情况下容易分解。对于这类试样,不宜采用加热干燥的测量方法,而宜采用干燥剂使之在室温和常压(或减压)下干燥,以测定其水分。常用的干燥剂按其干燥能力顺序为五氧化二磷、高氯酸镁、氢氧化钾、三氧化二铝、氧化钡、无水浓硫酸、硅胶、氧化镁、氧化钙、氯化钙、浓硫酸、氯化锌、无水硫酸铜等。为了达到干燥目的,可以采用两种不同的方式:其一是试样经过干燥剂干燥之后,称量其质量变化;其二是将试样置于一个干燥的空间中用真空泵进行减压于燥。由泵吸出的气体通过五氧化二磷吸收管收集其中的水分,吸收管的增重即为试样的含水量。