基于大孔硅膠電滲再生的正交回歸實(shí)驗(yàn)

段東新，劉曉宇，何 靜，韓天一

(山東科技大學(xué) 機(jī)械電子工程學(xué)院，山東 青島 266590)

大孔硅膠目前在民用、化工、煤礦領(lǐng)域的空氣除濕上應(yīng)用越來越廣。為了使硅膠能夠循環(huán)使用，必須對(duì)其進(jìn)行再生。而傳統(tǒng)的熱能再生法[1]能耗大，為滿足環(huán)保、節(jié)能、安全的要求，電滲再生的方法越來越受到關(guān)注[2-3]。

正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)簡稱正交設(shè)計(jì)，它是利用正交表科學(xué)地安排與分析多因素試驗(yàn)的方法，是一種將正交設(shè)計(jì)與回歸分析的優(yōu)點(diǎn)相結(jié)合的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方法。通過合理的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)以及較少的實(shí)驗(yàn)次數(shù)，建立有效的數(shù)學(xué)模型，它可以在因素的實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)選擇適當(dāng)?shù)膶?shí)驗(yàn)點(diǎn)，采用較少的實(shí)驗(yàn)建立一個(gè)高精度、統(tǒng)計(jì)性質(zhì)好的回歸方程，從而解決實(shí)驗(yàn)優(yōu)化問題。本文作為進(jìn)一步研究將正交回歸實(shí)驗(yàn)應(yīng)用到分析大孔硅膠電滲再生效果中，在研究固體除濕劑電滲再生應(yīng)用領(lǐng)域提供有益的參考。

1 正交回歸實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)指標(biāo)的選取

硅膠在電滲作用下的出水量越大表明電滲再生效果越好，而在某些情況下，受除濕劑厚度、電壓大小、除濕劑含水率等因素影響并沒有出現(xiàn)再生水，但并不能說明除濕劑不存在電滲再生效應(yīng)。而該過程中產(chǎn)生的電流i主要有兩部分組成，分別是離子流動(dòng)而產(chǎn)生的電流i1和水分的傳導(dǎo)電流i2。因此，本文中以電流的變化為實(shí)驗(yàn)指標(biāo)，這是因?yàn)樵谡麄€(gè)過程中，傳導(dǎo)電流i2基本不發(fā)生變化，可以根據(jù)試驗(yàn)過程中的電流i變化即離子流動(dòng)而產(chǎn)生的電流i1來判定除濕劑的電滲效應(yīng)以及水分的遷移，電流i越大，電滲效應(yīng)越強(qiáng)。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

正交回歸實(shí)驗(yàn)裝置如圖1，實(shí)驗(yàn)指標(biāo)為電流y，影響實(shí)驗(yàn)指標(biāo)的因素主x 要有兩個(gè)：電壓(V)、含水量(g/g)[4]。結(jié)合本文的實(shí)驗(yàn)研究以及參考前人研究知，電壓對(duì)電滲效應(yīng)影響較大，電壓越大，電滲效應(yīng)越好，由于焦耳熱效應(yīng)和電極腐蝕，因此，電壓的范圍是30～60 V。由張桂英等對(duì)大孔硅膠吸濕和電滲再生性能研究可知，大孔硅膠在95%相對(duì)濕度時(shí)的飽和含水量為1.13 g/g，同時(shí)在含水量為0.9 g/g時(shí)電流變化很小，電滲效應(yīng)不明顯，因此，含水量的范圍為0.9 g/g～1.13 g/g。在此基礎(chǔ)上通過該裝置可測(cè)得各因素的數(shù)值，具體實(shí)驗(yàn)方法如下：

1-直流電源;2-燒杯;3-高精度電子天平;4-漏斗；5-負(fù)極板;6-電導(dǎo)儀;7-硅膠;8-正極板;9-數(shù)據(jù)采集儀;10-電腦

圖1 電滲再生實(shí)驗(yàn)臺(tái)

(1)電壓的測(cè)定：硅膠兩端分別與直流電源的正負(fù)極相連，實(shí)驗(yàn)過程中改變電壓值，觀察電流的示數(shù)變化和燒杯中出水量，同時(shí)記錄下數(shù)據(jù)采集儀采集到的數(shù)據(jù)。

(2)硅膠含水量的測(cè)定：采用稱重法測(cè)出硅膠的含水量。電滲再生過程中，硅膠與極性水發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，利用電導(dǎo)儀可測(cè)試溶液的導(dǎo)電率，可進(jìn)一步了解硅膠的電滲再生效果。

1.3 模型求解

在實(shí)際生產(chǎn)和科學(xué)試驗(yàn)中，試驗(yàn)指標(biāo)與試驗(yàn)因素之間的關(guān)系往往不宜用一次回歸方程來描述，所以需用二次或者更高次的方程來擬合，故假設(shè)電壓x1、含水量x2與試驗(yàn)指標(biāo)y的二元二次回歸方程為：

通過對(duì)各個(gè)實(shí)驗(yàn)因素進(jìn)行編碼，得到每個(gè)因素的規(guī)范變量zj。查表計(jì)算各個(gè)回歸系數(shù)值，從而可以得到含規(guī)范變量zj的回歸方程：

最后，通過顯著性檢驗(yàn)確定回歸方程：

2 結(jié)果分析

由回歸方程各項(xiàng)系數(shù)的大小可以初步判斷各個(gè)因素對(duì)電流大小的影響程度，把回歸方程用立體圖來表達(dá)。從圖2可以看出電壓一定的情況下，電流隨著含水量的增大而增大，含水量中離子濃度增大，從而電流值增大。越大，電流值越大，且變化的速率較快。在含水量一定的情況下，電流隨著電壓的增大而增大，電壓越大電流值越大，變化速率較小。

圖2 電壓和含水量與電流之間的關(guān)系曲線圖

從圖3可以看出，隨著電壓值增加，電流值先增大后減小，這是由于電壓不能無限增大過高的電壓值會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的焦耳熱效應(yīng)[5]，反而會(huì)破壞除濕劑的功能，影響除濕劑除濕再生效果。因此，超過電壓的允許范圍后會(huì)產(chǎn)生逆向效應(yīng)，電流值會(huì)減小，不利于電滲效應(yīng)的產(chǎn)生。此外，電流隨著含水量的增加，電流值增大，且最優(yōu)電壓值逐漸變大。

圖3 電壓與電流的關(guān)系曲線圖

從圖4可看出，在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)，隨著電壓的增大，電流值增大，最低含水量逐漸減小，這是由于電壓增大，電流值增大，溶液中的離子濃度增大，所需含水量較小，電滲效果明顯。

圖4 含水量與電流的關(guān)系曲線圖

3 結(jié)論

大孔硅膠在含水率較高和合適的電壓下具有較為明顯的電滲效應(yīng)，電滲再生固體除濕劑有一定的可行性。正交多項(xiàng)式設(shè)計(jì)回歸實(shí)驗(yàn)為探討電滲再生的影響因素提供了新的思路。

[1] 方玉堂,郭敬化,李大艷,等.稀土改性分子篩的表征與性能[J].化工學(xué)報(bào)，2011，62(6):1581-1586.

[2] Qi R H,Tian C Q,Shao S Q,et al.Experimental investigation on performance improvement of electro-osmotic regeneration for solid desiccant[J].Applied Energy,2011,88:2816-2823.

[3] Li B,Lin Q Y,Yan Y Y.Development of solid desiccant dehumidification using electro-osmosis regeneration method for HVAC application[J].Building and Environment,2012,48(1):128-134.

[4] 張桂英,邵雙全,樓向明,等.常用固體除濕劑吸附機(jī)理與電滲再生效果研究[J].制冷學(xué)報(bào),2014,35(1):8-13.

[5] 綦戎輝,田長青,邵雙全.固體除濕劑電滲再生[J].化工學(xué)報(bào),2013,61(3):642-647.