高分子膜在空調中的應用研究進展

門玉葵

(桂林電子科技大學建筑與交通工程學院，廣西 桂林 541004)

高分子膜在空調中的應用研究進展

門玉葵

(桂林電子科技大學建筑與交通工程學院，廣西 桂林 541004)

空氣除濕在日常生活和工業生產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因具有除濕過程連續、不耗能、除濕效率高，節能環保等優點，而受到了廣泛關注。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用，分別介紹了它們的工作原理、優缺點等，并且指出了它們未來的發展方向。

空氣除濕；膜法除濕；高分子膜

0 引 言

空氣濕度對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、細菌等滋生，還會影響化學污染物的釋放，這些污染物主要是通過呼吸系統進入人體，進而影響人們的健康；此外，高濕的氣候環境還會嚴重影響日常生產安全和產品質量?？傊?，不論對人們的生活質量，還是對工業生產來說，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、電化學除濕、轉輪法除濕，膜法除濕等多種方法[2]。在這些除濕方法中膜除濕技術因具有除濕過程連續、無腐蝕問題、無需閥門切換、無運動部件不耗能、除濕效率高、高效的顯熱、潛熱效率、節能環保等優點，而受到了廣泛關注。此外，膜式全熱換熱器相對于傳統的轉輪式全熱換熱器、板式全熱換熱器而言，主要的優點在于提高了顯熱效率和潛熱效率，理論上效率可分別達到79%、62%。應用膜式全熱換熱器的制冷系統解決了在高溫高濕度工況下系統性能下降的問題；另外膜式全熱換熱器優點在于對空氣除濕，除去空氣中部分病毒、細菌，有效的提高了室內空氣品質，節省了能源[3]。

膜用于除濕的原理是在膜的兩端產生一個濃度差，水蒸氣就會透過膜，水蒸氣與空氣中其他成分在濃度差作用下也會選擇性透過膜以實現除濕。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]。因為濃度差是由溫度和壓力共同作用的結果。目前對膜空氣除濕基本都是以膜兩邊的水蒸氣分壓差作為驅動勢，因此為了強化傳濕，應盡量增大膜兩側的壓力差。具體在系統方案上，常依靠壓縮處理空氣來造成傳質勢差，或依靠降低滲透側壓力來傳遞水蒸氣，或吹掃氣法及膜/除濕劑混合系統。

1 膜除濕材料的研究進展

1.1 分子復合篩膜

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

分子復合篩膜是指表觀孔徑小于1 nm的膜。分子篩膜作為復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、且均勻一致的孔徑，可進行離子交換，具有高溫穩定性、優良的選擇催化性能、已被改性以及有多種不同的結構可供選擇等優點，是理想的膜分離和膜催化材料。沸石膜作為一種新型無機膜，不僅具有一般無機膜的所有特性，而且還具有沸石分子篩固有的獨特孔道結構和結構種類多樣性及其性質的可調變性[8]。

這些無機膜則都需要對其進行改性才能以更優良的性能應用于除濕。

1.2 醋酸纖維素膜

用高分子復合成的復合膜、均質膜、非對稱膜都曾被應用于空氣除濕。現在用于除濕的有機高分子膜多是復合膜，是非對稱膜的一種，因非對稱膜具有物質分離作用最基本的兩種特性，即高傳質速率和良好的機械強度，現在仍有許多人對其進行制備與研究[9]。

醋酸纖維膜通過特殊工藝制成非對稱膜，Pan 等[10]研究了非對稱三醋酸纖維素中空纖維的除濕性能。在35 ℃, 滲透側壓力2.3 kPa條件下, 水的透過率為7.2×10-10g/cm2s Pa，纖維內徑70 mm, 外徑225 mm, 纖維的外表面是較厚的選擇性活性層。實驗采用的除濕器單元類似于管殼式換熱器, 每個單元由32根14 cm長的纖維組成。經過對膜透水結果的分析可知, 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過程。實驗中使用的中空纖維膜單元參數如下: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 cm或2.5 cm,分別內含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, 內壁覆蓋一層界面交聯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4 000∶1，水在單位膜厚的透過度也很高,達5 cm/s,所以,傳質過程不僅與膜本身的阻力有關,而且與膜兩側的邊界層也有很大的關系。通過實驗模型的對比, 他們的分析認為:對于分離空氣和水的膜過程, 空氣穿過膜的傳質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阻力主要由膜兩側的傳質邊界層的擴散阻力構成，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,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,可減小滲透側的膜厚度,降低水蒸氣傳質阻力,增加水蒸氣的透過。實驗表明,多孔聚砜中空纖維在操作壓力0.7 MPa時, 除濕率85%, 干燥氣露點可達-20 ℃以下。

2 膜在換熱器中的的應用

2.1 膜式全熱換熱器

全熱換熱器的作用是從廠房、工作區等地的排放空氣中對焓進行回收，對取用的外界空氣進行預熱增濕、或者預冷減濕。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，相比傳統材料，膜材料的使用能大幅度增加全熱效率，優化換熱性能。膜式全熱換熱器用以回收排風中的余熱，降低新風能耗。

膜式全熱換熱器原理圖如圖1所示，全熱換熱器工作時，室內排風和新風分別交叉流經換熱器芯體，由于膜兩側氣流存在著溫差和蒸汽分壓差,由于新風和排風兩股氣流通過膜時其中各種化學物質在膜中的傳遞速度和溶解度不同，主要是擴散率的影響,而產生分離作用，呈現傳熱傳質現象，引起全熱交換過程，使空調房間的焓得到回收。夏季運行時，新風從空調排風獲得冷量，使溫度降低，同時被空調風干燥，這樣新風的部分顯熱和潛熱就會被帶走，使新風含濕量降低；冬季運行時，新風從空調室排風獲得熱量，溫度升高，可以把排風中的這部分熱和濕回收回來，同時被空調室排風加濕。這樣，通過換熱芯體的全熱換熱過程，讓新風從空調排風中回收能量[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、無液態水等優點，又可以避免液體除濕帶來的液滴夾帶等缺點。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，對水蒸氣有很高的透過性，而對除濕溶液和其他氣體具有隔離作用。膜式液體除濕系統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等人對平行板式膜接觸器熱質傳遞及入口發展段的影響建模作出了分析。分析結果表明入口發展段對熱質傳遞有很大的影響。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入到空氣，避免液體除濕帶來的液滴夾帶等缺點，還可以選擇性的使熱量和水蒸氣穿過膜。平板式膜接觸器，其結構如圖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構[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合起來，充分利用三種除濕的優點，避免了各自的缺點。鐘文朝等[16]對中空纖維膜液體除濕組件進行了研究和熱力學分析，設計并制作了中空纖維膜除濕組件/再生組件，改變膜兩側流體的入口工況，研究中空纖維膜特體除濕制冷過程的傳熱傳質規律，并對對兩個典型的“干工況”“濕工況”的除濕性能進行了分析及改性，在“濕工況”采用2%聚乙烯醇(PVA)溶液對中空纖維膜進行外表面涂抹改性，提高了除濕性能。

張衛兵等[17]提出采用多級中空纖維膜液體除濕系統將傳統的液體除濕、膜法除濕與冷卻除濕結合起來，利用中空纖維膜組件作為除濕系統的除濕器與再生器，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；系統采用了多級除濕模塊，可以對第一級除濕后的溶液進行降溫，然后繼續用于除濕，從而避免了溶液在除濕與再生循環之間的能量損耗；采用液體除濕與冷卻除濕對空氣進行逐級除濕，提高了系統的性能；系統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千根中空纖維膜組成，除濕溶液走中空纖維膜內側，空氣走中空纖維膜外側，兩者透過中空纖維膜進行熱濕傳遞，其采用了兩級的中空纖維膜組件，通過第二級中空纖維膜組件對第一級的除濕溶液進行降溫，然后繼續用于除濕。中空纖維膜組件作為除濕器與再生器，通過除濕溶液對空氣進行除濕，同時通過室內排風對除濕溶液進行再生。

圖3 中空纖維膜液體除濕器

3 結束語

在全國提倡節能減排的大環境下，由于膜的顯熱效率、潛熱效率都很高，因此受到了專家學者、企業的廣泛的青睞。目前由于膜價格昂貴，抑制了膜在換熱器的實際應用。未來的膜換熱器的工作和研究重點應放在對膜材料的優化工藝上，進一步提高膜的性能，降低膜的生產成本，以促進膜以及膜換熱器在節能領域中的應用。

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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

廣西大學生創新創業訓練計劃立項項目(No.20131059563)

門玉葵，桂林電子科技大學建筑與交通工程學院。

10.3969/j.issn.1009-3230.2015.05.013

TU831.3

B

1009-3230(2015)05-0040-06