海藻酸鈉-醋酸纖維素復(fù)合薄膜的制備及除濕性能測試

許晶翠，張傳禹，葛天舒，代彥軍，王如竹

（上海交通大學(xué)制冷與低溫工程研究所，上海 200240）

海藻酸鈉-醋酸纖維素復(fù)合薄膜的制備及除濕性能測試

許晶翠，張傳禹，葛天舒，代彥軍，王如竹

（上海交通大學(xué)制冷與低溫工程研究所，上海 200240）

為提高膜式全熱交換器的除濕效率，以海藻酸鈉為表面活性層，醋酸纖維素膜為支撐層，氯化鋰為親水添加劑制備了一種新型除濕復(fù)合膜。測試了復(fù)合膜的水蒸氣透過量和水溶性，對薄膜結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征及分析了應(yīng)用復(fù)合膜的全熱交換器的傳質(zhì)系數(shù)。研究結(jié)果表明：復(fù)合膜的水蒸氣透過量隨氯化鋰含量增加而高達(dá) 4.42×10?5g·m?2·s?1·Pa?1，是無氯化鋰復(fù)合膜的1.56倍，商用紙膜的2.63倍。表面活性層水溶性介于18.29%～28.55%之間，具有一定的防水耐水性。熱重曲線表明通入55℃干燥空氣復(fù)合膜可實(shí)現(xiàn)再生，紅外光譜圖顯示出海藻酸鈉為復(fù)合膜引進(jìn)大量親水性羥基。最后，將復(fù)合膜應(yīng)用到全熱交換器中，并與商用紙膜換熱器在傳質(zhì)系數(shù)上進(jìn)行了分析比較。

復(fù)合材料；膜；制備；空氣除濕；水蒸氣透過性；氯化鋰

引 言

近年來，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們對室內(nèi)空氣品質(zhì)（IAQ）及熱舒適性要求的不斷提高，導(dǎo)致空調(diào)系統(tǒng)耗能不斷增加。據(jù)統(tǒng)計(jì)，空調(diào)系統(tǒng)能耗占建筑電力的50%～60%，其中濕負(fù)荷占空調(diào)系統(tǒng)總能耗的20%～40%[1]。常規(guī)壓縮式空調(diào)系統(tǒng)利用7℃冷凍水把空氣溫度降到露點(diǎn)以下進(jìn)行冷凝除濕與降溫過程，由于送風(fēng)溫度較低而后伴隨再加熱過程，產(chǎn)生能量相互抵消現(xiàn)象，從而造成能源的大量浪費(fèi)。同時(shí)凝結(jié)水易使盤管表面滋生細(xì)菌，對人體健康不利[2]。而固體轉(zhuǎn)輪除濕則會出現(xiàn)新風(fēng)與排風(fēng)相混的現(xiàn)象且吸附熱會提高除濕劑再生溫度。因此如何高效進(jìn)行空氣除濕已成為制冷領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。膜式全熱交換器由于具有以下優(yōu)點(diǎn)[3-4]：① 除濕過程利用薄膜兩側(cè)的水蒸氣分壓差，不需要額外驅(qū)動力；② 交叉氣流通道可防止新風(fēng)與排風(fēng)之間交叉污染；③ 無運(yùn)動部件，運(yùn)行成本低等，因而提供了一條有效的途徑。

膜式全熱交換器（圖 1）利用新風(fēng)與排風(fēng)之間的溫差與水蒸氣分壓差作為驅(qū)動力，通過交叉氣流通道同時(shí)完成潛熱與顯熱的回收工作。夏季，新風(fēng)中的水分子在壓差作用下通過熱質(zhì)交換層向排風(fēng)處轉(zhuǎn)移，新風(fēng)濕度降低。冬季，室內(nèi)排風(fēng)對室外新風(fēng)進(jìn)行預(yù)加熱加濕處理。因此熱質(zhì)交換層決定了交換器的除濕效率。由于目前市場上全熱交換器的除濕效率普遍較低，針對此現(xiàn)象，近年來許多學(xué)者對除濕復(fù)合膜進(jìn)行了研究[5-8]，Zhang等[9]研究了不同流速下傳統(tǒng)紙膜與非對稱復(fù)合膜水蒸氣滲透率。Niu等[10]通過有限差分?jǐn)?shù)值法分析指出交換器顯熱效率主要取決于交換器的傳熱單元數(shù)，而潛熱效率則受薄膜材料和運(yùn)行條件共同影響。

圖1 膜式全熱交換器工作原理Fig.1 Operation principle of ERV

復(fù)合膜由表面活性層和微孔支撐層兩部分組成。這兩部分材料的性能是影響復(fù)合膜整體顯熱與潛熱交換效率的主要因素。致密的表面活性層具有較好的氣體選擇透過性，可阻止室內(nèi)CO2、有機(jī)揮發(fā)物（VOC）等對新風(fēng)造成污染，但同時(shí)增大了薄膜的傳質(zhì)阻力。使用全氟磺酸[11]，聚醚-聚氨酯[12]等親水材料可有效降低活性層的傳質(zhì)阻力。由于薄膜親水性越強(qiáng)，吸收的水分越多，水蒸氣透過性就越好，而僅依靠化合物的氫鍵作用對薄膜親水性提高能力有限。向活性層中加入吸濕性較強(qiáng)的無機(jī)鹽如氯化鈣、氯化鎂、氯化鋰[13]等可使薄膜的親水性進(jìn)一步增強(qiáng)。

首先，表面活性層材料的選擇對復(fù)合膜除濕性能有較大的影響。海藻酸鈉(SA)作為一種天然多糖類高分子，Goh等[14]研究SA在藥物緩釋包裝膜上的應(yīng)用。孫曉斌等[15]利用SA與磷鎢酸顆粒制備了一種高親水性薄膜，并將其用于甲醇水溶液的分離。SA來源廣泛，價(jià)格低廉，且含有大量親水性官能團(tuán)羥基，而在全熱交換器上的應(yīng)用卻鮮有報(bào)道，本文選用海藻酸鈉作為表面活性層材料進(jìn)行研究。由于SA膜可溶于水中，制備過程中需進(jìn)行交聯(lián)反應(yīng)，交聯(lián)劑有CaCl2、MgCl2等溶液。雖然交聯(lián)作用消耗了部分羥基減弱了薄膜的親水性，但提高了其防水能力及機(jī)械強(qiáng)度。選用LiCl作為添加劑以提高薄膜的親水性。其次，微孔膜如聚醚砜[5]，聚偏二氟乙烯[16]為表面活性層提供機(jī)械支撐作用，以提高復(fù)合膜的穩(wěn)定性及使用壽命。醋酸纖維素 (CA) 膜因加工簡單，透水量大，故而將其選為微孔支撐層。

基于上述分析，以提高薄膜除濕性能為目標(biāo)，本文制備了海藻酸鈉-醋酸纖維素（SA-CA）除濕復(fù)合膜，首先對復(fù)合膜的水蒸氣透過性和水溶性進(jìn)行了測試，其次從表面結(jié)構(gòu)、熱穩(wěn)定性、再生溫度等方面對薄膜進(jìn)行表征，最后對不同類型的全熱換熱器的傳質(zhì)系數(shù)進(jìn)行分析比較。

1 實(shí)驗(yàn)材料與薄膜制備

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

海藻酸鈉（SA），國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司提供，由一定長度的G（α-L-古洛糖醛酸）、M（β-D-甘露糖醛酸）及GM交替嵌段組成，含有大量親水性基團(tuán)—OH。其中G段中氧原子會與Ca2+發(fā)生交聯(lián)作用形成如圖2所示的“蛋-盒”結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生乳白色三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)水凝膠；選取 CaCl2溶液作為 SA薄膜的交聯(lián)劑。醋酸纖維素膜(CA)由海鹽新東方科技有限公司提供，微孔孔徑0.12 μm。無水氯化鋰為親水性添加劑，丙三醇為薄膜增塑劑。

圖2 海藻酸鈉與Ca2+形成的“蛋-盒”結(jié)構(gòu)[17]Fig.2 Structure of “egg-box” formed by cross-linking reaction of SA and Ca2+[17]

1.2 復(fù)合薄膜的制備

復(fù)合膜制備包括以下過程：① 把CA膜在蒸餾水中浸泡4 h后備用。② 將LiCl溶解于蒸餾水中，然后緩慢加入SA粉末，待SA完全溶解后，再加入甘油作為增塑劑，以提高薄膜的柔韌性。溶液配制結(jié)束后常溫靜止8 h脫泡處理。③ 在CA膜兩邊分別固定0.75 mm厚的長條，刮刀沿長條方向移動即可在CA膜上得到0.75 mm厚的SA溶液。然后水平放入50℃，30%相對濕度（RH）的恒溫恒濕箱中進(jìn)行干燥處理，4 h后把干燥薄膜從玻璃板取下，浸泡在質(zhì)量濃度為5% CaCl2溶液中進(jìn)行交聯(lián)反應(yīng)，5 min后取出置于室溫下自然干燥24 h。溶液配比及薄膜成分如表1所示。C0、C1、C2、C3中數(shù)字分別代表每100 ml蒸餾水中LiCl的含量，C0作為對照組。為檢驗(yàn)交聯(lián)作用對復(fù)合膜的影響，制作出未交聯(lián)的復(fù)合膜C00備用。表1中“+”代表“有支撐層”或“經(jīng)過交聯(lián)作用”，“?”表示“無支撐層”或“無交聯(lián)作用”。以下表格同理。

表1 復(fù)合薄膜配制信息Table 1 Information of composite membranes

2 實(shí)驗(yàn)方法介紹

2.1 復(fù)合膜水蒸氣透過量測試

水蒸氣透過量直接反應(yīng)了復(fù)合膜應(yīng)用于全熱換熱器的除濕性能，在其他工況不變的情況下，水蒸氣透過量越高，全熱換熱器的整體除濕性越好。利用ASTM Method E96M—05對其進(jìn)行測試。同時(shí)實(shí)驗(yàn)中增加商業(yè)全熱換熱器紙膜（TP）作為對照。用精度為 0.001 mm的數(shù)顯千分尺對薄膜厚度進(jìn)行測量。

2.2 SA薄膜水溶性測試

夏季新風(fēng)濕度過高可能會在功能層表面產(chǎn)生凝結(jié)水，對復(fù)合膜的活性層SA膜性質(zhì)有一定影響。下面用水溶性對其進(jìn)行評估，將SA膜放在105℃烘箱內(nèi)4 h，稱重S0，然后浸泡在100 ml蒸餾水中20 h，取出后放入105℃干燥4 h脫去水分，稱重S。表2為測試薄膜信息，利用式（1）計(jì)算薄膜水溶性

表2 水溶性測試中交聯(lián)SA膜（S0、S1、S2、S3）與未交聯(lián)SA膜（S00、S10、S20、S30）組成信息Table 2 Information of cross-linked SA membranes (S0, S1, S2, S3) and uncross-linked SA membranes (S00, S10, S20, S30) in measurement of water solubility

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 薄膜水蒸氣透過量測試結(jié)果與分析

表3顯示復(fù)合膜在厚度基本相同情況下，水蒸氣透過量隨LiCl含量的增加而增加，C3水蒸氣透過量達(dá)到4.42×10?5g·m?2·s?1·Pa?1，分別較C2、C1、C0及TP的水蒸氣透過量提高了9.68%、32.3%、56.2%、163%。表4為15 mm靜止空氣層阻力占薄膜水蒸氣透過量總阻力的百分比，隨薄膜親水性的提高由55.86%增加到76.99%。說明扣除靜止空氣層阻力對于計(jì)算薄膜水蒸氣透過量具有重要意義。

表3 復(fù)合膜與傳統(tǒng)商業(yè)紙膜水蒸氣透過量與厚度Table 3 Water vapor permeance, thickness of composite membranes and traditional commercial paper

表4 薄膜與水面靜止空氣層阻力占薄膜總阻力百分比Table 4 Percentage of resistance of still air between membranes and water surface in total mass transfer resistance

對于C0膜，雖不含氯化鋰，但膜內(nèi)大量的羥基通過氫鍵作用把水分子吸收在薄膜表面，再利用兩側(cè)水蒸氣的分壓差使水分子從高壓側(cè)向低壓側(cè)轉(zhuǎn)移，完成除濕過程。對于含有氯化鋰的復(fù)合膜，水分子則分別在羥基的氫鍵作用與氯化鋰的水合作用下完成空氣除濕過程。TP膜雖然較薄，但親水性不足，導(dǎo)致水蒸氣透過量較低，如提高TP膜親水性可改善水蒸氣透過性及全熱交換器除濕效果。相比商業(yè)紙膜，如能降低復(fù)合膜厚度，則可進(jìn)一步提高復(fù)合膜的水蒸氣透過量。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果的不確定性主要源于天平稱量誤差、恒溫恒濕箱相對濕度誤差、時(shí)間誤差及薄膜直徑測量誤差，參照文獻(xiàn)[18]計(jì)算得出薄膜的水蒸氣透過量的誤差為±1.6%。

3.2 SA薄膜水溶性測試分析

表5表明交聯(lián)SA膜水溶性集中在18.29%～28.55%之間，且隨LiCl含量增加水溶性逐漸增大，說明 LiCl的加入在一定程度上增大了薄膜在水中的溶解度。而未交聯(lián)SA膜在水中全部溶解，即水溶性為100%。Ca2+交聯(lián)作用大幅度降低了SA膜水溶性。

表5 交聯(lián)前后SA薄膜的水溶性Table 5 Water solubility of unmodified and modified SA films

以上數(shù)據(jù)表明復(fù)合膜表面有凝結(jié)水存在時(shí)，短時(shí)間內(nèi)不會對復(fù)合膜的活性層造成影響，但凝結(jié)水長時(shí)間存在會使活性層部分溶于水分中，對全熱交換器正常使用造成一定影響。如果天氣過于惡劣，導(dǎo)致表面長時(shí)間有凝結(jié)水產(chǎn)生，可及時(shí)利用干燥熱空氣使薄膜脫水再生，恢復(fù)正常使用功能。

4 薄膜結(jié)構(gòu)表征

實(shí)驗(yàn)利用SEM、同步熱分析、傅里葉變換紅外光譜對薄膜進(jìn)行結(jié)構(gòu)表征。

4.1 SEM觀測

使用掃描電子顯微鏡SEM（JSM-7800F Prime）對支撐膜CA及復(fù)合膜C3的表面結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察。圖3(a) 展示了CA膜的微孔結(jié)構(gòu)，在圖3(b) 中，C3表面覆蓋了一層海藻酸鈉膜，完全覆蓋了CA膜的微孔結(jié)構(gòu)，圖中凸起則為海藻酸鈉與氯化鈣交聯(lián)形成的不溶物。

Fig.3 CA支撐膜與復(fù)合膜C3的SEM圖Fig.3 SEM images of CA and C3

4.2 DSC與TGA分析

利用同步熱分析儀 STA449測試薄膜的熱穩(wěn)定性，圖4～圖6分別是S00、S0及S3的熱重曲線、DSC曲線和熱失重速率曲線。薄膜在20～300℃溫升下包含兩步熱解過程，第1步為薄膜結(jié)合水蒸發(fā)過程，第2步為高溫下SA分子中相鄰羥基結(jié)合脫去水分子過程。對于S00膜，在初始溫升階段薄膜質(zhì)量隨溫度升高而逐漸下降，下降速率（圖 6）先增大而后逐漸降低。在31℃附近失重速率達(dá)到最大且出現(xiàn)較大吸熱峰，這是由氫鍵結(jié)合水失水過程所引起，結(jié)合水在蒸發(fā)過程中導(dǎo)致35.15%薄膜質(zhì)量丟失。溫度升高到180℃時(shí)SA膜開始分解。相鄰羥基結(jié)合脫去水分子，為放熱反應(yīng)。在 192℃時(shí)分解速率達(dá)到最大，在275℃左右分解平衡。剩余30.58%的質(zhì)量。

圖4 S00、S0和S3熱失重曲線Fig.4 Thermal gravity analysis of S00, S0 and S3 membranes

圖5 S00、S0和S3的DSC曲線Fig.5 Differential scanning calorimetry of S00, S0 and S3 membranes

圖6 S00、S0和S3熱失重速率曲線Fig. 6 Derivative thermal gravity of S00, S0 and S3 membranes

與S00相比較，S0膜在內(nèi)部結(jié)合水蒸發(fā)過程中，速率明顯減緩，且質(zhì)量只有17.62%的損失。這是因?yàn)榻宦?lián)作用形成的“蛋-盒”三維結(jié)構(gòu)對薄膜內(nèi)部結(jié)合水有一定的握持作用[19]，分解過程中吸熱強(qiáng)度減弱。并且S0薄膜的分解溫度升高到188℃。并且在300℃薄膜相鄰羥基失水反應(yīng)仍在繼續(xù)中，伴隨吸熱反應(yīng)。說明Ca2+交聯(lián)作用使SA分子結(jié)合更為穩(wěn)固。而S3膜內(nèi)結(jié)合水分為兩種，羥基結(jié)合水及LiCl水合作用的LiCl·H2O，S3膜失水速率在3種薄膜中最大。LiCl·H2O水分子結(jié)合鍵能較氫鍵作用弱，易分解，同時(shí)也反映出添加LiCl的復(fù)合膜的水蒸氣透過量較高的原因。結(jié)合水失水過程伴隨強(qiáng)烈吸熱現(xiàn)象。在 187℃開始分解，與 S0薄膜相似，說明LiCl的加入并沒有影響薄膜的熱分解過程。

交聯(lián)作用降低了薄膜分解速率即提高了薄膜的穩(wěn)定性。相比氫鍵作用，LiCl·H2O結(jié)合鍵能較弱，在受熱或其他驅(qū)動力時(shí)易分解，有利于薄膜水蒸氣的傳遞過程，這也說明復(fù)合膜水蒸氣透過量隨氯化鋰含量增加而增大的原因。SA膜在55℃左右基本完成結(jié)合水分蒸發(fā)過程，表明復(fù)合膜如表面有凝結(jié)水產(chǎn)生，可通過55℃的干燥空氣完成再生，恢復(fù)正常使用功能。

4.3 傅里葉變換紅外光譜分析

傅里葉變換紅外光譜儀可檢測復(fù)合薄膜表面的親水性官能團(tuán)。在圖7中，對于支撐膜CA，3460 cm?1處為CA的羥基伸縮振動吸收峰，但振動不明顯，正如圖9所顯示出CA膜中含有少量的羥基。1748 cm?1處為C═O的伸縮振動峰，O═C—O酯內(nèi)C—O對稱伸縮振動峰在1277 cm?1處，而1059 cm?1則是糖苷鍵C—O—C不對稱伸縮振動峰。與CA薄膜相比，C00薄膜在3338 cm?1處羥基的伸縮振動峰加強(qiáng)。C0薄膜在3352 cm?1處羥基的伸縮振動峰也十分明顯，并且氫鍵的存在導(dǎo)致該處吸收峰較寬，正如圖10分子式中顯示海藻酸鈉薄膜含有大量羥基。1436 cm?1是—COO—彎曲伸縮振動峰，與—OH彎曲振動和 O—C—C的對稱伸縮振動的合頻。1014 cm?1處為羥基的彎曲振動峰，與Ca2+與海藻酸鈉G段的氧原子耦合作用相關(guān)聯(lián)[20]。光譜圖8中無新波峰出現(xiàn)，說明LiCl的加入沒有引起新的化學(xué)鍵形成。同時(shí)表明氯化鋰與海藻酸鈉可相互共容。

圖7 CA、C00與C0膜的紅外光譜圖Fig.7 Spectra of CA, C00 and C0 membranes

圖8 復(fù)合膜的紅外光譜圖Fig.8 Spectra of laminated membranes

SA膜為復(fù)合膜引入大量羥基，提高了薄膜的親水性，同時(shí)表明不含氯化鋰的復(fù)合膜的水蒸氣透過性大于傳統(tǒng)紙膜的原因。

圖9 醋酸纖維素的分子結(jié)構(gòu)式Fig.9 Molecular structural formula of CA

5 全熱交換器傳質(zhì)系數(shù)分析計(jì)算

綜上測試及表征結(jié)果，由于復(fù)合膜C3的水蒸氣透過量上表現(xiàn)出較明顯的優(yōu)勢，現(xiàn)分別對復(fù)合膜C3與傳統(tǒng)紙膜 TP制作的全熱換熱器 ERV-C3與ERV-TP進(jìn)行傳質(zhì)系數(shù)的分析與比較。

圖11為計(jì)算物理模型，參考文獻(xiàn)[21]中計(jì)算方法。

圖11 基本物理模型Fig.11 Basic physical model

文獻(xiàn)[22]指出在等溫邊界條件下，平行板流充分發(fā)展的層流區(qū)域，Nu=7.54。

在0～40℃，Le約為0.85。

圖10 海藻酸鈉的分子結(jié)構(gòu)式Fig.10 Molecular structure of SA

薄膜表面吸濕性通過式(4)計(jì)算

傳質(zhì)過程中有

薄膜的總的傳質(zhì)系數(shù)為

其中，薄膜及換熱器參數(shù)如表6所示。

表6 薄膜與換熱器參數(shù)Table 6 Parameters of C3, TP and ERV

換熱器測試工況在GB/T 21087—2007規(guī)定的夏季工況(表7)下進(jìn)行，氣流速度在0.04～0.1 kg·s?1變化，對應(yīng)的通道內(nèi)氣流的速度為0.4～1 m·s?1，對應(yīng)的Re為100～250。

表7 夏季測試工況Table 7 Testing conditions in summer

可以得出

ERV-C3的傳質(zhì)系數(shù)是 ERC-TP傳質(zhì)系數(shù)的3.8DC3/DTP倍。

6 結(jié) 論

本文以海藻酸鈉為親水材料，氯化鋰為添加劑，制備了海藻酸鈉-醋酸纖維素除濕復(fù)合膜，從薄膜水蒸氣透過量、水溶性、結(jié)構(gòu)表征及全熱換熱器分析中得出以下結(jié)論。

（1）復(fù)合膜水蒸氣透過量隨氯化鋰含量增加而增加，最大為4.42×10?5g·m?2·s?1·Pa?1，是無氯化鋰復(fù)合膜的1.56倍，商用紙膜的2.63倍。

（2）交聯(lián)的海藻酸鈉膜水溶性在 18.29%～28.55%，說明交聯(lián)作用提高了薄膜的防水性能，如凝結(jié)水存在時(shí)，短時(shí)間內(nèi)對復(fù)合膜表面活性層影響不大；但長時(shí)間存在時(shí)，可及時(shí)55℃干燥空氣下實(shí)現(xiàn)復(fù)合膜再生。

（3）將復(fù)合膜應(yīng)用到一定規(guī)格的全熱換熱器中，其傳質(zhì)系數(shù)是傳統(tǒng)紙膜換熱器的3.8DC3/DTP倍。

符 號 說 明

C——薄膜吸附常數(shù)

cp——空氣比熱容，kJ·kg?1·K?1

D——水蒸氣在薄膜中的擴(kuò)散系數(shù)，kg·m?1·s?1

d——?dú)怏w通道的寬度，m

h——對流傳熱系數(shù)，W·m?2·K?1

k——對流傳質(zhì)系數(shù)，kg·m?2·s?1

Le——Lewis數(shù)

N——?dú)饬魍ǖ罃?shù)量

Nu——Nusselt數(shù)

UM——傳質(zhì)系數(shù)，kg·m?2·s?1

δ——薄膜厚度，μm

θ——薄膜吸濕量，kg·kg?1

λ——?dú)怏w的熱導(dǎo)率，W·m?1·K?1

φ ——相對濕度，%

ωmax——薄膜最大吸濕量，kg·kg?1

下角標(biāo)

e——排氣

m——薄膜

s——新風(fēng)

w——水蒸氣

[1]葛天舒. 轉(zhuǎn)輪式兩級除濕空調(diào)理論與實(shí)驗(yàn)研究[D]. 上海: 上海交通大學(xué), 2008. GE T S. Theoretical and experimental investigation on a two-stage rotary desiccant cooling system[D]. Shanghai: Shanghai Jiao Tong University, 2008.

[2]LING J, HWANG Y, RADERMACHER R. Separate sensible and latent cooling[M]//Desiccant-Assisted Cooling. Springer, 2014: 143-187.

[3]蘇銘, 閔敬春. 通道構(gòu)型對全熱換熱器性能的影響[J]. 清華大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2006, (8): 1485-1488. SU M, MIN J C. Channel structre effects on the performance of an enthalpy exchanger[J]. J. Tsinghua Univ. (Sci. & Tech.), 2006, (8): 1485-1488.

[4]張炎, 張立志, 項(xiàng)輝, 等. 基于親水/憎水復(fù)合膜的全熱交換器換熱換濕性能[J]. 化工學(xué)報(bào), 2007, 58(2): 294-298. ZHANG Y, ZHANG L Z, XIANG H, et al. Performance of heat and mass transfer based on hydrophilic/hydrophobic composite membrane[J]. Journal of Chemical Industry and Engineering(China), 2007, 58(2): 294-298.

[5]ZHANG L Z, WANG Y Y, WANG C L, et al. Synthesis and characterization of a PVA/LiCl blend membrane for air dehumidification[J]. J. Membr. Sci., 2008, 308(1/2): 198-206.

[6]ZHANG L Z. Numerical study of heat and mass transfer in an enthalpy exchanger with a hydrophobic-hydrophilic composite membrane core[J]. Numerical Heat Transfer, Part A: Applications, 2007, 51(7): 697-714.

[7]ZHANG X R, ZHANG L Z, LIU H M, et al. One-step fabrication and analysis of an asymmetric cellulose acetate membrane for heat and moisture recovery[J]. J. Membr. Sci., 2011, 366(1/2): 158-165.

[8]LI Z X, ZHONG T S, NIU J L, et al. Conjugate heat and mass transfer in a total heat exchanger with cross-corrugated triangular ducts and one-step made asymmetric membranes[J]. Int. J. Heat Mass Transfer, 2015, 84: 390-400.

[9] ZHANG X R, ZHANG L Z, PEI L X. The analysis of moisture mass transfer resistance and permeability for a novel asymmetric membrane[J]. J.Eng. Thermophys., 2011, 32(8): 33.

[10]NIU J, ZHANG L. Membrane-based enthalpy exchanger: material considerations and clarification of moisture resistance[J]. J. Membr. Sci., 2001, 189(2): 179-191.

[11]YE X, LEVAN M D. Water transport properties of Nafion membranes(Ⅰ): Single-tube membrane module for air drying[J]. J. Membr. Sci., 2003, 221(1): 147-161.

[12]DI LANDRO L, PEGORARO M, BORDOGMA L. Interactions of polyether-polyurethanes with water vapour and water-methane separation selectivity[J]. J. Membr. Sci., 1991, 64(3): 229-236.

[13]ARISTOV Y I. New family of solid sorbents for adsorptive cooling: material scientist approach[J]. Journal of Engineering Thermophysics, 2007, 16(2): 63-72.

[14]GOH C H, HENG P W S, CHAN L W. Alginates as a useful natural polymer for microencapsulation and therapeutic applications[J]. Carbohydr. Polym., 2012, 88(1): 1-12.

[15]孫曉斌, 董銳, 張建勛, 等. 高親水性海藻酸鈉膜滲透汽化分離甲醇水溶液[J]. 化工進(jìn)展, 2013, 34(1): 72-76. SUN X B, DONG R, ZHANG J X, et al. High water selectivity sodium alginate hybrid membranes for pervaporation of methanol/water mixtures[J]. Chem. Ind. Eng. Prog., 2013,34(1): 72-76.

[16]ZHANG L Z. A fractal model for gas permeation through porous membrane [J]. Int. J. Heat Mass Transfer, 2008, 51(21): 5288-5295.

[17] HAGEN A, SKJAK-BRAEK G, DORNISH M. Pharmacokinetics of sodium alginate in mice[J]. Eur. J. Pharm. Sci., 1996, (4): S100.

[18]KLINE S J, MCCLINTOCK F A. Describing uncertainties in single-sample experiments[J]. Mech. Eng., 1953, 75(1): 3-8.

[19]楊慶. 高強(qiáng)度殼聚糖纖維的制備及結(jié)構(gòu)性能研究[D]. 上海: 東華大學(xué), 2005. YANG Q. Study on the preparation, structure and properties of chitosan fibers with high tenacity[D]. Shanghai: Donghua University, 2005.

[20]PERRY C C, LI X, WATERS D N. Structural studies of gel phases(Ⅳ): An infrared reflectance and Fourier transform Raman study of silica and silica/titania gel glasses[J]. Spectrochimica Acta Part A: Molecular Spectroscopy, 1991, 47(9/10): 1487-1494.

[21]MIN J, DUAN J. Comparison of various methods for evaluating the membrane-type total heat exchanger performance[J]. Int. J. Heat Mass Transfer, 2016, 100: 758-766.

[22]KUEHN T H, RAMSEY J W, THRELKELD J L. Thermal Environmental Engineering[M]. 3rd ed. NJ: Prentice Hall, 1998: 246.

Preparation and dehumidification properties of sodium alginate-cellulose acetate composite membranes

XU Jingcui, ZHANG Chuanyu, GE Tianshu, DAI Yanjun, WANG Ruzhu
(Institute of Refrigeration and Cryogenic, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China)

In order to improve dehumidification efficiencies of membrane-based energy recovery ventilator (ERV), composite membranes based on cellulose acetate, sodium alginate and lithium chloride (LiCl) were fabricated. Cellulose acetate was adopted as supporting constructions and sodium alginate and LiCl were the corresponding active layer and hydrophilic additive. Then their key characteristics were tested and analyzed to investigate practical performance in the ERV. The highest permeance of composite membranes reaches up to 4.42×10?5g·m?2·s?1·Pa?1, which is 1.56 and 2.63 times higher than those of the asymmetric membrane without LiCl and the traditional commercial paper, respectively. Water solubility of the modified active layer ranges from 18.29% to 28.55% for cross-linking improves the waterproofness. Moreover, thermal gravity curves indicate membranes can be regenerated by contacting 55℃ dry air. Fourier transform infrared spectra illustrates that there are plenty of hydrophilic hydroxyl groups on the surface of composite membranes. Finally, the total mass transfer of ERV composed by the composite membranes is analyzed and compared with the commercial one. These properties demonstrate this membrane has great potential to be applied on the ERV.

composites; membranes; preparation; air dehumidification; water vapor permeance; lithium chloride

Prof. GE Tianshu, baby_wo@sjtu.edu.cn

TK 124

：A

：0438—1157（2017）01—0256—08

10.11949/j.issn.0438-1157.20160791

2016-06-08收到初稿，2016-10-08收到修改稿。

聯(lián)系人：葛天舒。

：許晶翠（1990—），女，碩士研究生。

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51576121）。

Received date: 2016-06-08.

Foundation item: supported by the National Natural Science Foundation of China (51576121).