高分子膜在空調(diào)中的應(yīng)用研究進(jìn)展

門玉葵

(桂林電子科技大學(xué)建筑與交通工程學(xué)院，廣西 桂林 541004)

高分子膜在空調(diào)中的應(yīng)用研究進(jìn)展

門玉葵

(桂林電子科技大學(xué)建筑與交通工程學(xué)院，廣西 桂林 541004)

空氣除濕在日常生活和工業(yè)生產(chǎn)中都具有極其重要的意義?？諝獬凉裼泻芏喾N方法，包括制冷除濕、冷卻除濕、液體吸收除濕，膜法除濕等多種方法。在這些除濕方法中膜除濕技術(shù)因具有除濕過程連續(xù)、不耗能、除濕效率高，節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，而受到了廣泛關(guān)注。本文介紹了用于除濕的高分子膜材料，以及膜在除濕中的應(yīng)用，分別介紹了它們的工作原理、優(yōu)缺點(diǎn)等，并且指出了它們未來的發(fā)展方向。

空氣除濕；膜法除濕；高分子膜

0 引 言

空氣濕度對(duì)人體的健康有著重要影響，因此需要采取有效的措施來保證空氣的濕度符合要求。適宜人體健康的空氣相對(duì)濕度在40%～60%之間[1]?？諝鉂穸冗^高或過低，不但造成大量生物污染物如真菌、細(xì)菌等滋生，還會(huì)影響化學(xué)污染物的釋放，這些污染物主要是通過呼吸系統(tǒng)進(jìn)入人體，進(jìn)而影響人們的健康；此外，高濕的氣候環(huán)境還會(huì)嚴(yán)重影響日常生產(chǎn)安全和產(chǎn)品質(zhì)量?？傊徽搶?duì)人們的生活質(zhì)量，還是對(duì)工業(yè)生產(chǎn)來說，空氣除濕都具有極其重要的意義。

空氣除濕有很多種方法，包括制冷除濕、冷卻除濕、液體吸收除濕、固體吸附除濕、電化學(xué)除濕、轉(zhuǎn)輪法除濕，膜法除濕等多種方法[2]。在這些除濕方法中膜除濕技術(shù)因具有除濕過程連續(xù)、無腐蝕問題、無需閥門切換、無運(yùn)動(dòng)部件不耗能、除濕效率高、高效的顯熱、潛熱效率、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，而受到了廣泛關(guān)注。此外，膜式全熱換熱器相對(duì)于傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)輪式全熱換熱器、板式全熱換熱器而言，主要的優(yōu)點(diǎn)在于提高了顯熱效率和潛熱效率，理論上效率可分別達(dá)到79%、62%。應(yīng)用膜式全熱換熱器的制冷系統(tǒng)解決了在高溫高濕度工況下系統(tǒng)性能下降的問題；另外膜式全熱換熱器優(yōu)點(diǎn)在于對(duì)空氣除濕，除去空氣中部分病毒、細(xì)菌，有效的提高了室內(nèi)空氣品質(zhì)，節(jié)省了能源[3]。

膜用于除濕的原理是在膜的兩端產(chǎn)生一個(gè)濃度差，水蒸氣就會(huì)透過膜，水蒸氣與空氣中其他成分在濃度差作用下也會(huì)選擇性透過膜以實(shí)現(xiàn)除濕。這種濃度差既可以由膜兩端壓力差造成，又可由膜兩端溫度差造成[4]。因?yàn)闈舛炔钍怯蓽囟群蛪毫餐饔玫慕Y(jié)果。目前對(duì)膜空氣除濕基本都是以膜兩邊的水蒸氣分壓差作為驅(qū)動(dòng)勢，因此為了強(qiáng)化傳濕，應(yīng)盡量增大膜兩側(cè)的壓力差。具體在系統(tǒng)方案上，常依靠壓縮處理空氣來造成傳質(zhì)勢差，或依靠降低滲透側(cè)壓力來傳遞水蒸氣，或吹掃氣法及膜/除濕劑混合系統(tǒng)。

1 膜除濕材料的研究進(jìn)展

1.1 分子復(fù)合篩膜

無機(jī)膜是以無機(jī)材料為分離介質(zhì)制成的具有分離功能的滲透膜，如陶瓷膜、金屬膜、分子復(fù)合篩膜和玻璃膜，它具有耐化學(xué)腐蝕、耐高溫、良好的機(jī)械強(qiáng)度等優(yōu)點(diǎn)，但由于陶瓷膜、金屬膜、玻璃膜的滲透系數(shù)低等缺點(diǎn)，不考慮作為除濕膜材料，目前分子復(fù)合篩膜是今年來膜除濕材料的研究的熱點(diǎn)[6-7]。

分子復(fù)合篩膜是指表觀孔徑小于1 nm的膜。分子篩膜作為復(fù)合膜的控制層來使用，由于具有均勻的孔徑，其孔徑大小與分子尺寸相近，氣體因分子大小不同而被分離，這種由分子篩分機(jī)制控制的選擇性是微孔膜中最高的。它具有與分子大小相當(dāng)、且均勻一致的孔徑，可進(jìn)行離子交換，具有高溫穩(wěn)定性、優(yōu)良的選擇催化性能、已被改性以及有多種不同的結(jié)構(gòu)可供選擇等優(yōu)點(diǎn)，是理想的膜分離和膜催化材料。沸石膜作為一種新型無機(jī)膜，不僅具有一般無機(jī)膜的所有特性，而且還具有沸石分子篩固有的獨(dú)特孔道結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)種類多樣性及其性質(zhì)的可調(diào)變性[8]。

這些無機(jī)膜則都需要對(duì)其進(jìn)行改性才能以更優(yōu)良的性能應(yīng)用于除濕。

1.2 醋酸纖維素膜

用高分子復(fù)合成的復(fù)合膜、均質(zhì)膜、非對(duì)稱膜都曾被應(yīng)用于空氣除濕?，F(xiàn)在用于除濕的有機(jī)高分子膜多是復(fù)合膜，是非對(duì)稱膜的一種，因非對(duì)稱膜具有物質(zhì)分離作用最基本的兩種特性，即高傳質(zhì)速率和良好的機(jī)械強(qiáng)度，現(xiàn)在仍有許多人對(duì)其進(jìn)行制備與研究[9]。

醋酸纖維膜通過特殊工藝制成非對(duì)稱膜，Pan 等[10]研究了非對(duì)稱三醋酸纖維素中空纖維的除濕性能。在35 ℃, 滲透側(cè)壓力2.3 kPa條件下, 水的透過率為7.2×10-10g/cm2s Pa，纖維內(nèi)徑70 mm, 外徑225 mm, 纖維的外表面是較厚的選擇性活性層。實(shí)驗(yàn)采用的除濕器單元類似于管殼式換熱器, 每個(gè)單元由32根14 cm長的纖維組成。經(jīng)過對(duì)膜透水結(jié)果的分析可知, 膜的有效活性層厚度是1.1 mm。

王安來等[12]研究了用中空纖維膜除濕的傳質(zhì)過程。實(shí)驗(yàn)中使用的中空纖維膜單元參數(shù)如下:每個(gè)單元類似于一個(gè)管殼式換熱器,外殼由尼龍做成,外徑1.0 cm或2.5 cm,分別內(nèi)含30根和400根纖維, 每根纖維長94 cm,外徑600 mm,纖維由充滿微孔的聚砜做支撐層, 內(nèi)壁覆蓋一層界面交聯(lián)的硅氧烷酰胺作選擇性活性層。這種膜的水蒸氣與空氣的選擇性可以高達(dá)4 000∶1，水在單位膜厚的透過度也很高,達(dá)5 cm/s,所以,傳質(zhì)過程不僅與膜本身的阻力有關(guān),而且與膜兩側(cè)的邊界層也有很大的關(guān)系。通過實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷膶?duì)比, 他們的分析認(rèn)為:對(duì)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(kuò)散阻力組成; 而水蒸氣穿過膜的傳質(zhì)阻力主要由膜兩側(cè)的傳質(zhì)邊界層的擴(kuò)散阻力構(gòu)成，所以可以認(rèn)為膜本身對(duì)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,合理選擇選擇性, 可以增加除濕量；減小膜面積，引入吹掃氣,或使部分空氣滲透流過膜,可減小滲透側(cè)的膜厚度,降低水蒸氣傳質(zhì)阻力,增加水蒸氣的透過。實(shí)驗(yàn)表明,多孔聚砜中空纖維在操作壓力0.7 MPa時(shí), 除濕率85%, 干燥氣露點(diǎn)可達(dá)-20 ℃以下。

2 膜在換熱器中的的應(yīng)用

2.1 膜式全熱換熱器

全熱換熱器的作用是從廠房、工作區(qū)等地的排放空氣中對(duì)焓進(jìn)行回收，對(duì)取用的外界空氣進(jìn)行預(yù)熱增濕、或者預(yù)冷減濕。熱交換過程除了傳遞顯熱外，還能同樣有效地傳遞潛熱。用膜作為全熱換熱器的芯體材料，相比傳統(tǒng)材料，膜材料的使用能大幅度增加全熱效率，優(yōu)化換熱性能。膜式全熱換熱器用以回收排風(fēng)中的余熱，降低新風(fēng)能耗。

膜式全熱換熱器原理圖如圖1所示，全熱換熱器工作時(shí)，室內(nèi)排風(fēng)和新風(fēng)分別交叉流經(jīng)換熱器芯體，由于膜兩側(cè)氣流存在著溫差和蒸汽分壓差,由于新風(fēng)和排風(fēng)兩股氣流通過膜時(shí)其中各種化學(xué)物質(zhì)在膜中的傳遞速度和溶解度不同，主要是擴(kuò)散率的影響,而產(chǎn)生分離作用，呈現(xiàn)傳熱傳質(zhì)現(xiàn)象，引起全熱交換過程，使空調(diào)房間的焓得到回收。夏季運(yùn)行時(shí)，新風(fēng)從空調(diào)排風(fēng)獲得冷量，使溫度降低，同時(shí)被空調(diào)風(fēng)干燥，這樣新風(fēng)的部分顯熱和潛熱就會(huì)被帶走，使新風(fēng)含濕量降低；冬季運(yùn)行時(shí)，新風(fēng)從空調(diào)室排風(fēng)獲得熱量，溫度升高，可以把排風(fēng)中的這部分熱和濕回收回來，同時(shí)被空調(diào)室排風(fēng)加濕。這樣，通過換熱芯體的全熱換熱過程，讓新風(fēng)從空調(diào)排風(fēng)中回收能量[12-13]。

圖1 膜式全熱換熱器原理示意圖

2.2 膜式液體除濕器

膜式液體除濕采用液體除濕與膜法除濕相結(jié)合的方法，既保留了液體除濕可利用低品位能源、除濕效率高、無液態(tài)水等優(yōu)點(diǎn)，又可以避免液體除濕帶來的液滴夾帶等缺點(diǎn)。膜式液體除濕的除濕器與再生器采用膜組件，可以將除濕溶液與空氣隔離開來，避免除濕溶液與空氣直接接觸，膜組件所用的膜材料一般為高選擇性透濕膜，對(duì)水蒸氣有很高的透過性，而對(duì)除濕溶液和其他氣體具有隔離作用。膜式液體除濕系統(tǒng)所用的除濕器或再生器主要有平行板式膜組件和中空纖維膜組件。

2.2.1 平板液體除濕器

Huang等人對(duì)平行板式膜接觸器熱質(zhì)傳遞及入口發(fā)展段的影響建模作出了分析。分析結(jié)果表明入口發(fā)展段對(duì)熱質(zhì)傳遞有很大的影響。平行板式膜接觸器中鹽溶液和氣流被膜分離，膜完全防止了液滴進(jìn)入到空氣，避免液體除濕帶來的液滴夾帶等缺點(diǎn)，還可以選擇性的使熱量和水蒸氣穿過膜。平板式膜接觸器，其結(jié)構(gòu)如圖2所示是最具代表性的液體除濕劑空氣除濕接觸器。它是最簡單且最方便組合的結(jié)構(gòu)[14-15]。

圖2 平行板式液體除濕器

2.2.2 中空纖維膜液體除濕器

中空纖維液體除濕膜是將液體除濕、膜法除濕與冷卻除濕結(jié)合起來，充分利用三種除濕的優(yōu)點(diǎn)，避免了各自的缺點(diǎn)。鐘文朝等[16]對(duì)中空纖維膜液體除濕組件進(jìn)行了研究和熱力學(xué)分析，設(shè)計(jì)并制作了中空纖維膜除濕組件/再生組件，改變膜兩側(cè)流體的入口工況，研究中空纖維膜特體除濕制冷過程的傳熱傳質(zhì)規(guī)律，并對(duì)對(duì)兩個(gè)典型的“干工況”“濕工況”的除濕性能進(jìn)行了分析及改性，在“濕工況”采用2%聚乙烯醇(PVA)溶液對(duì)中空纖維膜進(jìn)行外表面涂抹改性，提高了除濕性能。

張衛(wèi)兵等[17]提出采用多級(jí)中空纖維膜液體除濕系統(tǒng)將傳統(tǒng)的液體除濕、膜法除濕與冷卻除濕結(jié)合起來，利用中空纖維膜組件作為除濕系統(tǒng)的除濕器與再生器，避免了液體除濕帶來的液沫夾帶，中空纖維膜液體除濕器如圖3.2.2所示；系統(tǒng)采用了多級(jí)除濕模塊，可以對(duì)第一級(jí)除濕后的溶液進(jìn)行降溫，然后繼續(xù)用于除濕，從而避免了溶液在除濕與再生循環(huán)之間的能量損耗；采用液體除濕與冷卻除濕對(duì)空氣進(jìn)行逐級(jí)除濕，提高了系統(tǒng)的性能；系統(tǒng)中采用中空纖維膜組件代替金屬換熱器，避免了除濕溶液的腐蝕問題。中空纖維膜組件由數(shù)千根中空纖維膜組成，除濕溶液走中空纖維膜內(nèi)側(cè)，空氣走中空纖維膜外側(cè)，兩者透過中空纖維膜進(jìn)行熱濕傳遞，其采用了兩級(jí)的中空纖維膜組件，通過第二級(jí)中空纖維膜組件對(duì)第一級(jí)的除濕溶液進(jìn)行降溫，然后繼續(xù)用于除濕。中空纖維膜組件作為除濕器與再生器，通過除濕溶液對(duì)空氣進(jìn)行除濕，同時(shí)通過室內(nèi)排風(fēng)對(duì)除濕溶液進(jìn)行再生。

圖3 中空纖維膜液體除濕器

3 結(jié)束語

在全國提倡節(jié)能減排的大環(huán)境下，由于膜的顯熱效率、潛熱效率都很高，因此受到了專家學(xué)者、企業(yè)的廣泛的青睞。目前由于膜價(jià)格昂貴，抑制了膜在換熱器的實(shí)際應(yīng)用。未來的膜換熱器的工作和研究重點(diǎn)應(yīng)放在對(duì)膜材料的優(yōu)化工藝上，進(jìn)一步提高膜的性能，降低膜的生產(chǎn)成本，以促進(jìn)膜以及膜換熱器在節(jié)能領(lǐng)域中的應(yīng)用。

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Research Progress of Application of Polymer Film in Air Conditioning

MEN Yu-kui

(Guilin University of Electronic Technology, Architecture and Traffic Engineering College, Guilin 541004, Guangxi Province, China)

Air dehumidification has extremely significant on daily life and production. There are many kinds of methods for air dehumidification，including refrigeration dehumidification, cooling dehumidification, liquid absorptive dehumidification, membrane dehumidification and others. The membrane dehumidification has been widely concentrated for continuous dehumidification process, no energy consumption, high efficiency dehumidification, energy conservation and environment protection etc. In this paper, polymer membrane materials used for dehumidification and application of membrane dehumidification have been presented. Their operational principles，advantages and disadvantages are introduced. In addition, their future development directions are also introduced.

Air dehumidification; Membrane dehumidification; Polymer membrane materials

2015-03-28

2015-04-15

廣西大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃立項(xiàng)項(xiàng)目(No.20131059563)

門玉葵，桂林電子科技大學(xué)建筑與交通工程學(xué)院。

10.3969/j.issn.1009-3230.2015.05.013

TU831.3

B

1009-3230(2015)05-0040-06