多孔干燥劑除濕性能實(shí)驗(yàn)研究

牛永紅，郭 寧，李 瑩，顧 潔

（內(nèi)蒙古科技大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014010）

0 引 言

除濕技術(shù)是一種有效的空氣濕度調(diào)節(jié)手段，對(duì)濕度進(jìn)行準(zhǔn)確的控制能夠保證空調(diào)環(huán)境中的空氣質(zhì)量達(dá)到工藝性和舒適性要求。常用的空氣除濕方法包括冷卻除濕、固體除濕、液體除濕和膜法除濕[1]。其中固體除濕法是利用多孔固體干燥劑本身的吸附特性進(jìn)行除濕，多孔固體還能夠?qū)κ覂?nèi)空氣污染物進(jìn)行吸附[2-4]從而對(duì)空氣凈化，是一種有效的空氣調(diào)節(jié)技術(shù)。目前，固體除濕材料主要有硅膠、分子篩、活性氧化鋁、氯化鋰、活性炭等[5]。由于固體除濕系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，工作噪音低、運(yùn)行可靠、方便維護(hù)，且使用固體除濕技術(shù)還能有效降低用電需求[6]；沸石分子篩和活性氧化鋁在低溫低濕、高溫高濕等特殊環(huán)境中依然有一定的除濕能力，具有適用范圍廣等優(yōu)勢(shì)受到關(guān)注[7]。因此對(duì)固體除濕材料的研究也是除濕領(lǐng)域的研究重點(diǎn)[8-10]。本文采用實(shí)驗(yàn)室自行研制的沸石分子篩和活性氧化鋁作為固體除濕吸附劑[11]，利用自行建設(shè)的固體除濕實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行空氣除濕實(shí)驗(yàn)，對(duì)比研究兩者的除濕性能。

1 實(shí)驗(yàn)材料及脫附性能分析

多孔介質(zhì)材料的比表面積和平均孔徑的不同對(duì)吸附性能有很大的影響，本文采用的除濕劑是利用廉價(jià)原料自行研制合成的活性氧化鋁和沸石分子篩。活性氧化鋁合成方法為：利用工業(yè)級(jí)的硝酸鋁與碳酸氫銨為主要原料，將其分別溶解在二次蒸餾水配制的一定濃度的CTAB溶液中，得到濃度為27%硝酸鋁溶液和濃度為12%碳酸氫銨溶液，然后將碳酸氫銨溶液緩慢滴加到硝酸鋁溶液中，并不斷攪拌，待反應(yīng)液呈微酸性并產(chǎn)生溶膠狀物質(zhì)，停止滴加，然后繼續(xù)攪拌防止快速凝膠而造成結(jié)構(gòu)不均勻，之后對(duì)凝膠進(jìn)行陳化后干燥、獲得粉末，經(jīng)高溫煅燒后將粉末研磨、制球即得活性氧化鋁干燥劑。

沸石分子篩的合成方法：利用某電廠粉煤灰為原料，將粉煤灰研磨后進(jìn)行過篩，將活化劑氫氧化鈉按照比例進(jìn)行充分混合，將混合物裝入鎳坩堝在一定溫度下進(jìn)行高溫煅燒，隨爐冷卻至室溫后將得到的材料放入研缽中研細(xì)，再將所得材料按照一定固液比加入水并攪拌陳化，然后在水熱條件下晶化一段時(shí)間，最后固液混合反應(yīng)物經(jīng)過濾、洗滌、干燥后成球得到沸石分子篩干燥劑。

實(shí)驗(yàn)室采用美國Quantachrome公司生產(chǎn)的NOVA 3000e型物理吸附分析儀，通過氮?dú)馕椒▽?duì)自制活性氧化鋁和沸石分子篩的比表面積進(jìn)行BET法測(cè)算，計(jì)算公式為式（1），測(cè)得活性氧化鋁比表面積約415m2/g，沸石分子篩比表面積約148m2/g。由BJH方程計(jì)算得到活性氧化鋁的平均孔徑約4.9 nm。沸石分子篩的平均孔徑約3.8nm。

式中：Sg——被測(cè)樣品比表面積，m2/g；

Vm——標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下單分子層飽和吸附量，mL；

Am——氮分子等效最大橫截面積（一般取0.162nm2）；

NA——阿伏加德羅常量，6.022×1023；

W——被測(cè)樣品質(zhì)量，g。

采用熱重分析儀（型號(hào)為STA449F3），升溫速率為10K/min，從30～500℃，保護(hù)氣為氮?dú)狻?duì)自制沸石分子篩和活性氧化鋁進(jìn)行了脫附性能分析，圖1為飽和材料熱重分析動(dòng)態(tài)T-G曲線，對(duì)比了沸石分子篩和活性氧化鋁物料在升溫到500℃過程樣品的質(zhì)量保持率，并依此分析其脫附效果。由圖可知兩種物料在30～200℃溫度范圍內(nèi)失重明顯，失重率占整個(gè)失重過程的90%，200℃之后盡管溫度繼續(xù)升高但失重率變化很小，活性氧化鋁在整個(gè)脫附過程中失重達(dá)到34.5%，沸石分子篩失重率為29.2%。相較而言，沸石分子篩的失重率小，說明其自身的飽和吸附量較活性氧化鋁小。由T-G曲線可知，自制活性氧化鋁和沸石分子篩的脫附過程都主要發(fā)生在中低溫段，可以采用低溫?zé)嵩慈缣柲艿瓤稍偕苓M(jìn)行再生。

圖1 活性氧化鋁和沸石分子篩的T-G曲線

2 多孔固體除濕實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及功能

建立了多孔固體空氣除濕的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由可填加多孔除濕干燥劑的除濕柱和再生柱組成，輔助設(shè)備有風(fēng)機(jī)、空氣加濕器、溫濕度調(diào)控箱、溫濕度檢測(cè)點(diǎn)及在線檢測(cè)裝置等，可實(shí)現(xiàn)空氣的除濕和干燥劑的再生兩個(gè)可交替的過程。除濕過程，空氣經(jīng)過加濕器定量加濕后由風(fēng)機(jī)引入溫濕度調(diào)控箱，經(jīng)溫濕度調(diào)控箱將濕空氣的濕度和溫度調(diào)節(jié)到實(shí)驗(yàn)所需工況后進(jìn)入除濕柱中進(jìn)行吸附除濕，被除濕干燥的空氣上行排出系統(tǒng)，當(dāng)固體除濕材料除濕能力下降到一定程度后（接近飽和）進(jìn)入再生階段。再生階段，將干空氣由再生風(fēng)機(jī)引入熱交換器進(jìn)行加熱后送入再生柱對(duì)除濕材料進(jìn)行脫附再生。在實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的除濕柱和再生柱中部設(shè)置了溫度測(cè)點(diǎn)，空氣進(jìn)口和出口處分別設(shè)置了溫度、濕度和壓力的測(cè)點(diǎn)。溫濕度采用PTH-A24型精密溫濕度巡檢儀測(cè)量（溫度測(cè)量準(zhǔn)確度為0.01℃，相對(duì)濕度測(cè)量準(zhǔn)確度為0.01%RH），可對(duì)除濕和再生過程在線監(jiān)測(cè)。

3 除濕性能實(shí)驗(yàn)測(cè)試和分析

利用空氣除濕試驗(yàn)系統(tǒng)展開了自制沸石分子篩和活性氧化鋁除濕性能的實(shí)驗(yàn)測(cè)試和分析。實(shí)驗(yàn)工況為，空氣進(jìn)口溫度27℃，空氣進(jìn)口含濕量23.5g/kg，流量為56.5m3/h，再生溫度60℃，再生時(shí)間3000s。

圖2給出了實(shí)驗(yàn)工況條件下，經(jīng)沸石分子篩和活性氧化鋁除濕后的空氣出口含濕量隨處理時(shí)間的關(guān)系曲線。從圖2可以看出，兩種除濕劑的除濕過程可以分為初始的高效除濕和之后的穩(wěn)定除濕兩個(gè)過程。沸石分子篩的高效除濕過程約發(fā)生在前500s時(shí)間內(nèi)，500～1000s時(shí)間內(nèi)除濕效率迅速降低，1000s以后進(jìn)入低效率的穩(wěn)定除濕階段。活性氧化鋁的高效除濕過程約發(fā)生在前800s時(shí)間內(nèi)，之后逐步進(jìn)入效率較低相對(duì)平穩(wěn)的除濕階段。在高效除濕階段，由于固體除濕劑不飽和程度高，其吸附能力較強(qiáng)，空氣經(jīng)活性氧化鋁除濕后出口含濕量的平均增加速率約為0.016g/（kg·s），而空氣經(jīng)沸石分子篩除濕后出口含濕量的平均增加速率約為0.013 g/（kg·s），即活性氧化鋁除濕速率比沸石分子篩約慢0.003g/（kg·s）。隨著除濕時(shí)間的增加，除濕劑的不飽和率降低，對(duì)空氣的除濕率降低，到800s時(shí)，兩種除濕劑處理空氣出口含濕量相等，為14.9g/kg，除濕率為36.6%。約在800s之后，經(jīng)活性氧化鋁除濕后空氣出口的含濕量趨于平緩上升階段，效率降低到23%以內(nèi)。沸石分子篩約在1 000 s之后除濕效率降低到6%以內(nèi)。盡管實(shí)驗(yàn)時(shí)間內(nèi)除濕過程尚未達(dá)到平衡態(tài)，但除濕的最終結(jié)果是可以預(yù)期的，即達(dá)到除濕吸附和脫附的平衡態(tài)，此時(shí)除濕劑失效，除濕率降為0，濕空氣出口含濕量等于進(jìn)口含濕量。

結(jié)合圖2，采用除濕量計(jì)算式（2）計(jì)算活性氧化鋁和沸石分子篩不同除濕時(shí)間的除濕量。可進(jìn)一步分析兩種除濕材料的除濕性能。除濕量反映了處理空氣經(jīng)過除濕柱后絕對(duì)含濕量的變化，是除濕性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)之一，固體除濕劑單位時(shí)間的除濕量越大，說明其除濕能力越強(qiáng)。在800s之前，沸石分子篩的除濕量高于活性氧化鋁的除濕量。800s之后，活性氧化鋁的除濕量較沸石分子篩明顯上升，進(jìn)入穩(wěn)定階段后除濕量約為沸石分子篩的3.4倍。

圖2 空氣出口含濕量隨時(shí)間的變化

式中：D——除濕量，g/kg；

Y1，Y2——進(jìn)出口空氣的含濕量，g/kg。

為了分析固體除濕產(chǎn)生的吸附熱對(duì)除濕效果的影響，實(shí)驗(yàn)過程中同步測(cè)定了不同時(shí)間節(jié)點(diǎn)經(jīng)除濕后空氣出口的溫度。圖3為經(jīng)干燥劑除濕后空氣的出口溫度與除濕時(shí)間的關(guān)系曲線。可以看出，隨著時(shí)間的增加，除濕劑迅速釋放出吸附熱，該吸附熱使除濕干燥劑自身溫度升高，多余的吸附熱傳遞給了被處理的空氣使空氣出口溫度亦明顯升高。結(jié)合圖2、圖3綜合分析，隨著空氣出口溫度的增加除濕劑的除濕性能逐漸減弱。800s之后經(jīng)沸石分子篩除濕后空氣出口平均溫度達(dá)到55℃，經(jīng)活性氧化鋁除濕后空氣出口平均溫度達(dá)到42℃，沸石分子篩除濕過程釋放的吸附熱明顯高于活性氧化鋁。之后均進(jìn)入穩(wěn)定段，隨著時(shí)間增長，空氣出口溫度稍有降低。在空氣出口溫度進(jìn)入穩(wěn)定段的同時(shí)除濕劑的吸附性能亦進(jìn)入穩(wěn)定段。這是由于除濕劑吸附放熱后溫度升高，促使空氣中水分子熱運(yùn)動(dòng)的劇烈程度增加，部分與除濕劑表面接觸碰撞的水分子不能被吸附，同時(shí)也會(huì)使已吸附在除濕劑表面上的水分子獲得能量而脫附，因此降低了除濕效率。由此可見吸附熱對(duì)固體除濕劑的除濕效果影響很大，若對(duì)固體除濕劑進(jìn)行內(nèi)部冷卻，進(jìn)而抵消吸附熱能有效提高除濕效率。

圖3 空氣出口溫度隨時(shí)間的變化

4 結(jié)束語

1）實(shí)驗(yàn)室采用廉價(jià)的硝酸鋁和碳酸氫銨為原料制備活性氧化鋁和工業(yè)粉煤灰為原料制備的沸石分子篩兩種除濕干燥劑，均具有較大的比表面積和較小的孔徑，其脫附過程主要發(fā)生在中低溫段，可以采用低溫?zé)嵩慈缣柲艿瓤稍偕茉醋雒摳綗嵩矗一钚匝趸X干燥劑的脫附速率明顯高于沸石分子篩。自制的兩種干燥劑在固體除濕空調(diào)領(lǐng)域具有優(yōu)越的應(yīng)用前景[12]。

2）自制的兩種干燥劑的除濕過程可以分為初始的高效除濕和之后的穩(wěn)定除濕兩個(gè)階段，初始階段活性氧化鋁和沸石分子篩和的吸附性能都較強(qiáng)，除濕量相差不大，當(dāng)進(jìn)入穩(wěn)定階段后活性氧化鋁的除濕量是沸石分子篩除濕量的3.4倍,活性氧化鋁對(duì)空氣的穩(wěn)定除濕效果更好。

3）隨著時(shí)間的增加，除濕干燥劑迅速釋放出吸附熱使溫度升高，從而使除濕劑的吸附性能降低且逐漸趨于平緩。因此對(duì)于沸石分子篩和活性氧化鋁的吸附除濕系統(tǒng)，采用冷源進(jìn)行內(nèi)冷卻從而抵消吸附熱會(huì)大大提高除濕干燥劑的除濕效率。

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