水蒸氣分離膜組件形式對除濕效率的影響度研究

常 達(dá)，許 劍，王 寵

（中國樂凱集團(tuán)有限公司研究院 河北 保定 071054）

0 引言

水蒸氣分離膜又名除濕膜，包括有機(jī)溶劑除濕、空氣除濕、液體除濕等，除濕廣泛存在于我們的日常生產(chǎn)生活中，它是我們研究社會的一個重要課題，不同的濕度環(huán)境對人體有很大的影響，在濕度30%～60%的范圍內(nèi)是人們從事生產(chǎn)生活的最佳條件[1]。工業(yè)生產(chǎn)中，鋰電原材料、鋰電制備、精密設(shè)備、軍艦潛艇、航空航天等對氣體濕度的要求更高。例如，生產(chǎn)線和廠房等環(huán)境的有機(jī)氣體監(jiān)測系統(tǒng)中，過高的濕氣會造成其中水溶性組分的流失，導(dǎo)致檢測結(jié)果誤差偏大，造成檢測不準(zhǔn)[2]；空氣濕度過大時，跨海大橋常用的橋梁鋼材易發(fā)生電化學(xué)腐蝕，而造成橋梁壽命的縮短[3]。

目前生產(chǎn)生活中常用的除濕方式有家用的冷凍降低露點(diǎn)和工業(yè)上的轉(zhuǎn)輪吸附再生等方式，但是能耗高、深度除濕效率低限制了除濕行業(yè)的發(fā)展，對于除濕暴露出來的缺點(diǎn)，研究人員開發(fā)出了膜法除濕方式，該方式具有耗能低、節(jié)能環(huán)保、系統(tǒng)占地面積小、應(yīng)用場景廣泛等優(yōu)點(diǎn)[4-5]。本文從不同的應(yīng)用場景出發(fā)，探討了適配不同場景的組件形式，包括：中空纖維[6]、管式、卷式、板式等。

1 壓縮機(jī)式氣體除濕

在科研實(shí)驗中，壓縮空氣作為高壓氣體是必不可少的設(shè)備用氣，但是過高的濕度會導(dǎo)致設(shè)備在使用壓縮空氣時出現(xiàn)損害，同時對于實(shí)驗環(huán)境也會產(chǎn)生不可逆轉(zhuǎn)的損壞，所以需要對壓縮空氣進(jìn)行除濕。目前壓縮空氣采用的除濕是在壓縮空氣末端加裝干燥劑，這種方法除濕不徹底。吳庸烈等[7]將采用一定流量的脫濕后的壓縮空氣作為吹掃氣來為乙醇?xì)庀嗝撍?，將中空纖維膜除濕的壓縮空氣與乙醇（氣相）脫水兩者相結(jié)合起來，采用一定流量的脫濕后的壓縮空氣作為反吹氣體，實(shí)驗表明，壓縮空氣的脫濕程度越高，乙醇?xì)庀嗝撍男Ч胶?，大大提高了乙醇的脫水效率?/p>

日本大金、UBE 等公司研發(fā)了應(yīng)用于壓縮氣體除濕的膜法除濕裝置，采用中空纖維膜組件，在很小的體積增大了除濕面積，適用于高壓氣體，直接在末端加裝組件，即可隨時使用，具體原理圖如圖1所示[8]。

圖1 中空纖維膜除濕原理Fig1 Desiccant principle of hollow fiber membrane

2 環(huán)境除濕

2.1 膜法除濕原理

針對不同的環(huán)境（家用和工業(yè)）除濕，常用的除濕手段為降溫冷凍、吸濕劑吸附及加熱再生等方式，但是這些方法的除濕效率低、占地面積大、冷凍的不能深度除濕等，限制了除濕行業(yè)的發(fā)展。本文通過對比板式、卷式、管式、簾式等不同組件形式的優(yōu)缺點(diǎn)，分析了膜法除濕的優(yōu)點(diǎn)，為未來除濕指明方向。本文通過實(shí)驗室制備的水蒸氣分離膜，膜法分離的原理[9]如圖2所示，制備了不同的組件。

圖2 膜法除濕原理Fig2 Principle of membrane dehumidification

2.2 不同組件優(yōu)缺點(diǎn)

根據(jù)使用場景的不同，本文制備了不同形式的組件，其優(yōu)缺點(diǎn)如表1所示。

表1 不同組件形式優(yōu)缺點(diǎn)Table1 Advantages and disadvantages of different component forms

2.3 不同組件水蒸氣分離性能分析

通過在實(shí)驗室搭建除濕環(huán)境，本文對兩種有代表性的組件進(jìn)行了除濕量的對比，首先是柔性平板組件，除濕量如圖3所示。經(jīng)過400 min 的測試，柔性平板組件的除濕量首先增加，然后趨于平緩，因為膜法除濕與環(huán)境里面的含水量有關(guān)系，當(dāng)濕度大的時候，含水量大，水蒸氣與膜的接觸概率大，所以前期除濕速率快，同時柔性平板組件除濕效果達(dá)到30%以下，表明可以進(jìn)行深度除濕，而對于傳統(tǒng)的冷凍除濕來說，這是一個非常大的優(yōu)勢。

圖3 柔性平板組件除濕效果Fig3 Dehumidification effect of flexible flat panel component

接下來本文對多孔管式組件進(jìn)行了除濕效果測試，測試結(jié)果如圖4所示，從圖中可以看出多孔管式組件除濕效果要好于柔性平板組件，除濕效果也是符合膜法除濕原理，最開始濕度高的時候水蒸氣與膜的接觸概率大，除濕效果顯著，隨著環(huán)境中水蒸氣的減少，除濕速率逐漸降低，但是整體濕度可以下降至30%及以下，除濕效果要好于傳統(tǒng)的冷凍除濕方式。

圖4 多孔管式組件除濕效果Fig4 Dehumidification effect of porous tubular module

3 應(yīng)用場景

本文根據(jù)膜法除濕的工作原理，對其組件工作場景進(jìn)行了總結(jié)，同時也設(shè)計了水蒸氣分離膜的應(yīng)用方式，如圖5和圖6所示，水蒸氣分離膜不受溫度與露點(diǎn)的影響，可以應(yīng)用到深度除濕領(lǐng)域，同時變換不同的組件形式，可以應(yīng)用到?。校蟾鞣N環(huán)境中，例如在狹窄的橋梁管道中，可以應(yīng)用柔性多孔組件；在手套箱、船舶、航空航天領(lǐng)域，可以應(yīng)用卷式組件，以最小的體積換取最大的除濕面積等。

圖5 水蒸氣分離膜應(yīng)用示意圖Fig5 Schematic diagram of water vapor separation membrane application

圖6 膜法除濕應(yīng)用場景Fig6 Application of membrane dehumidification

4 總結(jié)

水蒸氣分離膜不受場所、露點(diǎn)等影響，廣泛應(yīng)用于各種場景，不同組件形式的設(shè)計，極大拓寬了它的應(yīng)用范圍，同時不同組件由于有效面積與體積比不同，除濕效果也有一些差異，但是均可以滿足深度除濕的要求，本文開發(fā)的水蒸氣分離膜，在選擇透過水蒸氣的同時，保證了其余氣體的截留，同時搭配不同的組件形式，在鋰電、橋梁、船舶等小空間深度除濕場所有很大的除濕效果。