膜法空氣除濕的研究與進展
提要:介紹了膜除濕的優(yōu)點
關(guān)鍵詞:空調(diào)工程除濕膜進展
AbstractPresentstheadvantagesofmoistureremovalbymembranetechnologyovertraditionalmethods,proceduresofcompression,vacuumandmembrane/desiccantcombination,featuresanddehumidificationmechanismofmembraneofhighpolymer,molecularscreenandliquidsubstances,andrelatedadvancementsinresearch.Anticipatestheirapplications.
Keywords:airconditioningengineering
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近年來隨著膜技術(shù)研究的發(fā)展
表1空氣除濕裝置的性能比較
操作方法
冷凍法
吸收法
吸附法
轉(zhuǎn)輪法
膜法
分離原理
冷凝
吸收
吸附
吸附
滲透
除濕后露點/℃
0~-20
0~-30
-30~-50
-30~-50
-20~-40
設備占地面積
中
大
大
小
小
操作維修
中
難
中
難
易
生產(chǎn)規(guī)模
小~大型
大型
中~大型
小~小型
小~大型
主要設備
冷凍機
表冷器
吸收塔
換熱器
泵
吸附塔
換熱器
切換閥
換熱器
膜分離器
換熱器
耗能
大
大
大
大
小
可見,用膜法除濕具有很多突出優(yōu)點:除濕連續(xù)進行
膜法除濕過程實際上就是空氣中的水蒸氣優(yōu)先通過膜而與空氣中的氧氣、氮氣相分離的過程
1膜法空氣除濕模式
要使水蒸氣透過膜
1.1壓縮法
這種系統(tǒng)是靠壓縮輸入氣流來造成傳質(zhì)勢差
從外界來的新鮮空氣經(jīng)壓縮機加壓后進入膜組件,由于進氣側(cè)總壓提高
為了將滲透側(cè)的水蒸氣及時帶走
當原料氣體中水蒸氣會含量較高時
1.2真空法
此方法主要是將降低滲透側(cè)壓力來傳遞水蒸氣,它從滲透蒸發(fā)流程演變而來
1.3膜/干燥劑復合法
此方法主要是將膜空氣除濕跟固體吸濕劑結(jié)合起來
2除濕膜的種類
除濕膜一般是采用親水性膜
2.1高分子聚合物膜
復合膜、均質(zhì)膜
均質(zhì)膜為致密膜,通過均質(zhì)膜的推動力為壓力梯度
非對稱膜具有物質(zhì)分離最基本的兩種性質(zhì)
復合膜是將選擇性膜層(或稱活性膜層)沉積于具有微孔的支撐層(底膜)表面上
,就像非對稱性膜的連續(xù)性表皮,只是表層與底層的材料不同。復合膜的分離性能主要是由表層決定的,但也要受到微孔支撐層的結(jié)構(gòu)、孔徑、孔分布和孔隙率影響[6]。多孔膜結(jié)構(gòu)的孔隙率愈高愈好,可以使膜表層與支撐層接觸部分最小,而有利于物質(zhì)傳遞
。然而,孔徑應愈小愈好,可使高分子層不起支撐作用的點間距離減小。此外,交聯(lián)和未反應的高分子滲透作用的點間距離減小。此外,交聯(lián)和未反應的高分子滲透入支撐層的情況,也是決定復合膜總體傳遞特性的重要因素。已制成的復合膜中作為復合膜極薄的皮層
用膜進行空氣除濕
,首先考慮的是采用親水膜[7~15],如聚乙烯醇膜,賽璐玢膜,藻酸膜,殼聚糖膜,芳香聚酰亞胺,聚丙烯腈和醋酸纖維素膜。另一類值得注意的膜是浸滲劑改性膜。所謂"浸滲劑"是指填充在膜中的高吸水性物質(zhì),常用CsF、LiBr、季胺鹽等鹽類。在空氣除濕過程中只有蒸汽與膜接觸,浸滲劑可長期保留在膜內(nèi)不被洗脫,增加了膜對水蒸氣的溶解和擴散能力。據(jù)報道,添加CsF的聚乙烯醇復合膜處理乙醇-水蒸氣時,在保持相當高分離系數(shù)的情況下,滲透通量提高一倍多;添加CsF的纖維素膜處理丙醇-水蒸氣時,滲透通量增加10倍數(shù)。Cussler等人[3]應用聚醚硯復合膜
,Pan等人[10]應用非對稱三醋酸纖維素中空纖維來對空氣進行除濕。他們的研究都表明這些膜具有較高的水蒸氣透過度和選擇度。但是,聚醚硯復合膜比較昂貴,而三醋酸纖維素膜則很容易被液態(tài)水破壞,所以應避免接觸液態(tài)水。復合膜的表層的任何小洞將嚴重影響復合膜的分離性能。Bonne等人[11]采用多孔均質(zhì)纖維素膜來對空氣除濕,但是這種膜只適用于相對濕度較大的空氣除濕。因為相對濕度較小時,膜中空隙的存在將使空氣很容易滲透通過,從而影響膜對水蒸氣的分離性能。而當空氣濕度較大時,水會在這些空隙中冷凝非對稱三醋酸纖維素中空纖維在35℃
Wang等人[2]研究了中空纖維膜除濕的傳質(zhì)過程。實驗中使用的中空纖維膜單元參數(shù)如下:每個單元類似于一個管殼式換熱器
,外殼由尼龍做成,外徑1.0或2.5cm,分別內(nèi)含30根和400根纖維,每根纖維長94cm,外徑600um,纖維由充滿微孔的聚硯做支撐層,內(nèi)壁覆蓋一層界面交聯(lián)的硅氧烷酰胺做選擇性活性層。這種膜的水蒸氣與空氣的選擇性可以高達4000:1;水在單位膜厚的透過度也很高,達5cm/s。所以,傳質(zhì)過程不僅與膜本身的阻力有關(guān),而且膜兩側(cè)的邊界也有很重要的影響。通過對實驗與模型對比的分析,他們認為:對于分離空氣和水的膜過程,空氣穿過膜的傳質(zhì)阻力主要由膜本身的擴散阻力組成;而水蒸氣穿過膜的傳質(zhì)阻力主要由膜本身的擴散阻力構(gòu)成。所以可以認為膜本身對水的透過度有無窮大。另外,水蒸氣與空氣的選擇性并非越大越好與纖維素膜不同
Cha等人通過實驗測定了這種凝膠膜的透濕性
,結(jié)果表明,在真空除濕模式下,該膜的透濕率對空氣的相對濕度非常敏感,膜的透濕率是膜進口空氣相對濕度的指數(shù)函數(shù)這種膜的缺點是在低相對濕度時
2.2無機膜
2.2.1分子篩膜的性質(zhì)
與有機高分子膜相比
沸石具有規(guī)則孔道,孔徑(0.3~1.2nm①)可調(diào)
分子篩膜的滲透性能取決于滲透溫度壓力和處理介質(zhì)的性質(zhì)
2.2.2分子篩膜的傳濕機理
對分子篩膜分離氣體的機理的研究已有許多報道,其中Asaeda等人認為多孔固體膜分離氣體的歷程一般分為4種類型[17~19]
2.2.3分子篩膜的應用
沸石膜具有均一的孔徑
Asaeda等人[17]使用鑄漿法制得了分子篩陶瓷膜來分離醇水的混合物蒸氣
王金渠等人[20]對用水熱液相合成法制備的A型沸廠膜的研究發(fā)現(xiàn),所制備的膜雖然對N2和O2的分離系數(shù)不高
2.3液膜
液膜有兩種形式
Deetz[21]研究了將液體LiBr溶液浸漬于醋酸/硝酸纖維膜中形成的液膜的透濕性能
,他主要研究了該膜的穩(wěn)定性,發(fā)現(xiàn),當將此膜置于相對濕度小于3%的干燥氮氣中時,薄膜中的LiBr液相會蒸發(fā),氮氣會在多孔的膜分子晶格間自由渡過,導致氣體分離失敗。如果渡過的是相對濕度較大的空氣,由于水會連續(xù)不斷地在膜的微孔中冷凝,冷凝后的水向低壓側(cè)滲透,又補低壓側(cè)的真空作用抽走,空氣中的水會繼續(xù)在微孔中冷凝,膜中的液相LiBr會穩(wěn)定下來,使空氣除濕過程連續(xù)進行。2.4VOC去除膜
VOC意為揮發(fā)性有機化合物,是英文VolatileOraganicCompound的縮寫
。這些物質(zhì)在封閉環(huán)境的空氣中達到一定濃度后,會對人的健康造成不良影響,引起疲勞、頭疼、惡心等反應。此外,VOC還有致癌作用。所以在對室內(nèi)送風進行除濕的同時,還應去除其中的VOC。PoddarTK等人[5]使用微孔憎水性對稱或非對稱中空纖維膜來去除空氣中的VOC
3除濕膜的形態(tài)和特性
除濕膜的形態(tài)基本有兩種:平板式和中空纖維式。平板式膜的制備工藝比較簡單
,適宜于在實驗室手工制作;用在工藝上時對流體的阻力小,結(jié)構(gòu)簡單,維護方便。目前在實驗室制備的大部分膜都是平板膜。一般來講
,膜分離過程的傳質(zhì)速率較小,尤其是在反滲透、氣體分離及滲透汽化過程中,由于膜中致密活性層的存在,傳質(zhì)速率非常低。為了滿足實際工業(yè)過程中處理大量物料的需要,發(fā)展了中空纖維,與平板膜相比,中空纖維具有如下優(yōu)點[22]:?div id="4qifd00" class="flower right">
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所以,采用中空纖維膜時
4結(jié)論
膜法除濕作為一種新的除濕方法,具有傳統(tǒng)除濕方法的不具有的許多優(yōu)點
有機強化傳濕
,應盡量增大膜兩側(cè)的壓力差。具體系統(tǒng)方案可采用壓縮法、真空法、吹掃氣法及混合法。這些方法都必須在膜兩側(cè)產(chǎn)生一個很大的壓力差,將對膜的強度提出很高要求。另外,對泵等設備也有較高要求。如果能在膜兩側(cè)產(chǎn)生一個溫差,靠膜造成的濃度差來實現(xiàn)傳濕,則將克服這些不利因素,這將是一種新型的除濕模式。有機高分子聚合物膜
、無機膜和液膜都能用來除濕。有機高分子聚合物膜具有較高的水蒸氣透過度和選擇度。無機膜具有耐熱沸石具有規(guī)則孔道
總的說來
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22王保國,蔣維鈞
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