固體吸附劑對小空間濕度緩沖特性的實(shí)驗(yàn)研究

楊靖

東南大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院

0 引言

精密儀器、重要檔案以及珍貴文物通常存放在的相對封閉的小空間內(nèi)，對存放環(huán)境的濕度有較嚴(yán)格的要求，一般要采取低濕或恒濕處理[1]。因完全密閉存放空間比較困難，漏濕現(xiàn)象不可避免。為了維持存放空間的濕度條件，需要采取除濕或加濕的措施[2]。但由于小空間的濕度慣性相對較小，加濕或除濕過程中可能會(huì)引起濕度的劇烈波動(dòng)，對存放的物品產(chǎn)生不利影響。例如書畫等紙質(zhì)文物在濕度波動(dòng)較大的情況下，會(huì)造成文物的濕脹干縮，從而在文物內(nèi)部不斷累積微小的應(yīng)力應(yīng)變，至一定程度后將引起文物無法挽回的破壞[3]。因此，減緩濕度波動(dòng)是小空間濕度控制過程中亟需解決的問題。目前的濕度調(diào)節(jié)可以利用機(jī)械調(diào)節(jié)，主要有去濕機(jī)、加濕機(jī)和恒溫空調(diào)等；同時(shí)，也可以用非機(jī)械調(diào)節(jié)的方式，主要利用調(diào)濕材料吸放濕性能自主，自適的調(diào)節(jié)環(huán)境濕度這種方式無需機(jī)械設(shè)備和能源消耗，是一種生態(tài)性的控制調(diào)節(jié)方式。而固體吸附劑作為一種無機(jī)調(diào)濕材料，具有濕緩沖效果，可以用于調(diào)節(jié)封閉空間內(nèi)的濕度變化，有效減緩空間內(nèi)部的濕度波動(dòng)[4-5]。

本文采用實(shí)驗(yàn)的方法研究固體吸附劑對小空間內(nèi)濕度緩沖特性的影響。建立一個(gè)尺寸與常用文物陳列柜尺寸相近的陳列柜模型，輔以加濕、除濕、溫濕度測量系統(tǒng)等，研究加濕和除濕過程中，固體吸附劑種類、數(shù)量、布置方式等對空間內(nèi)濕度變化的緩沖作用。

1 基本理論

1.1 濕緩沖原理

在一個(gè)內(nèi)含固體吸附劑的理想封閉空間內(nèi)，空氣和吸附劑的總含濕量不變，空氣中水蒸氣濃度的變化僅受環(huán)境溫度和吸附劑特性控制。在空間與外加有質(zhì)量交換的條件下，例如泄漏、加濕或除濕過程，水蒸氣方程的變化還與進(jìn)出空間的空氣流量和含濕量有關(guān)。由于固體吸附劑的吸附或脫附作用，在空間內(nèi)空氣濕度變化時(shí)會(huì)吸附或脫出水分，會(huì)減緩空間內(nèi)的濕度變化率。

1.2 濕平衡方程

對于某一時(shí)刻，體積為V的空間內(nèi)空氣的中水蒸氣濃度的變化率可以用以下平衡方程來表示

式中：Cw為空間內(nèi)水蒸氣的質(zhì)量濃度；Cwi和Cwo分別為進(jìn)出空間的水蒸氣濃度；Vf為進(jìn)出空間的空氣的體積流量；Sa(Cw)為單位時(shí)間內(nèi)吸附劑吸附或脫附的質(zhì)量，與吸附劑性質(zhì)和Cw有關(guān)。

1.3 影響Sa(Cw)的因素

根據(jù)冉茂宇的調(diào)濕材料動(dòng)態(tài)調(diào)濕性能的評價(jià)方法[6]，假設(shè)環(huán)境空氣的溫度和含濕比在周期性條件下變動(dòng)，最后求解可以得出：含固體吸附劑的封閉空間，空氣的含濕量的振幅與空氣溫度振幅成正比，兩者比值為一常數(shù)C在溫度恒定情況下，C值越大，固體吸附劑的吸放濕性能越好；C值越小，吸附劑的吸放濕性能越差。現(xiàn)實(shí)中相對封閉的小空間內(nèi)環(huán)境空氣的溫度和含濕比較難以控制在周期性條件下變動(dòng)，所以無法用文獻(xiàn)[6]中的方法計(jì)算固體吸附劑的緩沖特性。但根據(jù)吸附理論以及文獻(xiàn)[6]中的分析可知，固體吸附劑的種類、質(zhì)量以及其布置方式都會(huì)對其緩沖特性產(chǎn)生影響，從而影響Sa(Cw)。

本文采用實(shí)驗(yàn)方法研究封閉空間內(nèi)固體吸附劑的濕緩沖特性。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 常用固體吸附劑種類及特性

目前常用的固體除濕劑有坡縷石、硅膠、分子篩、活性炭等；不同固體吸附劑特性不一樣，其在加濕、除濕的過程中起到的緩沖效果也有所差別。本文對坡縷石、硅膠、分子篩、活性炭這四種固體吸附劑分別進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。

2.2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示。在試驗(yàn)箱內(nèi)布有溫濕度探頭，且空氣泵、加濕或除濕裝置和試驗(yàn)箱之間是一個(gè)密閉的管路，空氣在其中流通。利用加濕或除濕裝置對進(jìn)入玻璃箱的氣體進(jìn)行加濕或者干燥，從而達(dá)到對試驗(yàn)箱內(nèi)氣體的加濕或者除濕。并將試驗(yàn)箱內(nèi)的溫濕度探頭通過控制模塊與計(jì)算機(jī)相連，輸出測得的溫濕度數(shù)據(jù)。

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)圖

2.3 實(shí)驗(yàn)裝置

試驗(yàn)箱采用邊長50cm的密閉玻璃箱，在玻璃箱其中一面上開有進(jìn)氣口、出氣口，內(nèi)部模擬陳列柜環(huán)境。同時(shí)采用Sensirion公司生產(chǎn)的SHT75系列的溫濕度傳感器[7]對試驗(yàn)箱內(nèi)環(huán)境溫濕度進(jìn)行測量。所測得的試驗(yàn)箱溫濕度數(shù)據(jù)通過由STC單片機(jī)[8-9]和輔助裝置組成的溫濕度模塊，再傳至計(jì)算機(jī)設(shè)備。計(jì)算機(jī)設(shè)備采用Delphi編寫的程序作為數(shù)據(jù)采集軟件，對試驗(yàn)箱內(nèi)溫濕度數(shù)據(jù)進(jìn)行采集記錄。軟件可以將采集到的溫濕度數(shù)據(jù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)繪圖顯示，數(shù)據(jù)采集時(shí)采集時(shí)間間隔取5 s。同時(shí)，由于環(huán)境溫度會(huì)對試驗(yàn)箱內(nèi)的加濕、除濕過程產(chǎn)生極大的影響，導(dǎo)致所得到的數(shù)據(jù)有誤差或者不正確，自制恒溫箱[10]以保持環(huán)境溫度的穩(wěn)定。恒溫箱是由保溫板制作的長方形箱體，體積比試驗(yàn)箱稍大，恒溫箱箱體內(nèi)部表面上均勻布有電伴熱帶，箱內(nèi)安裝有小風(fēng)扇以保證內(nèi)部空氣流動(dòng)及內(nèi)部溫度均勻，箱內(nèi)同時(shí)布有溫濕度傳感器，利用溫濕度傳感器、雙回路溫度控制模塊、繼電器和編寫的計(jì)算機(jī)軟件程序?qū)﹄姲闊釒У募訜徇M(jìn)行控制，從而使恒溫箱內(nèi)部溫度保持穩(wěn)定在25℃。除濕、加濕裝置分別采用的是250 ml洗氣瓶和500 ml干燥塔。實(shí)驗(yàn)利用型號為VQY6538、平均流量為26.5 L/min的空氣泵，為實(shí)驗(yàn)空氣循環(huán)提供動(dòng)力。

2.4 實(shí)驗(yàn)方案

試驗(yàn)箱內(nèi)布置有溫濕度探頭，分別在其內(nèi)部有、無任何吸附劑的情況下分別對其進(jìn)行加濕、除濕處理，測得其內(nèi)部溫濕度變化并記錄。固體吸附劑布置時(shí)采用圓形底面平鋪的布置方式，通過改變底面直徑改變其布置方式。實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)情況如表1所示：

表1 實(shí)驗(yàn)方案

3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理及分析

3.1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

加濕、除濕過程，實(shí)驗(yàn)測得多個(gè)溫濕度，通過計(jì)算，將每個(gè)溫濕度轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的含濕量。初始含濕量的差異會(huì)導(dǎo)致曲線無法對比分析，所以對數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的處理：選取開始實(shí)驗(yàn)時(shí)的含濕量作為基數(shù)，計(jì)算每個(gè)時(shí)刻含濕量與這個(gè)基數(shù)的差值。并將時(shí)間作為自變量，將含濕量的差值作為因變量，繪制加濕、除濕過程中的含濕量變化曲線。

3.2 不同種類固體吸附劑緩沖效果比較

相同質(zhì)量的不同種類吸附劑，布置方式相同，并且在相同的加濕或除濕時(shí)間下，實(shí)驗(yàn)過程中含濕量隨時(shí)間變化如圖2所示。

通過對比初始含濕量和結(jié)束含濕量的差，從圖2中可以看出，四種固體吸附劑都對加濕和除濕過程起到了一個(gè)緩沖的作用。相較之下，活性炭的緩沖效果最差，而硅膠的緩沖效果最佳，坡縷石和分子篩的緩沖效果則處于活性炭和硅膠之間。

圖2（a）是加濕過程含濕量隨時(shí)間變化，從圖中可以看出，不論有無固體吸附劑，上升趨勢的大概情況基本一致，含濕量差隨著時(shí)間的推移不斷上升，但是上升的速度在不斷的減小。試驗(yàn)?zāi)M箱內(nèi)放置有活性炭時(shí)，其含濕量變化曲線幾乎與內(nèi)部未放置吸附劑的曲線重合，可見活性炭對濕度上升時(shí)的緩沖作用幾乎沒有。其他三種固體吸附劑，200 min之前，分子篩和藍(lán)色硅膠的曲線相似，緩沖效果相似，且兩者緩沖效果皆比坡縷石好；200 min后，藍(lán)色硅膠仍然保持一個(gè)很好的緩沖效果，但分子篩的緩沖效果慢慢下降，并漸漸趨向于坡縷石，最終結(jié)果與坡縷石較為相近。

圖2 不同種類固體吸附劑加濕、除濕過程含濕量隨時(shí)間變化

圖2（b）是除濕過程含濕量隨時(shí)間變化，從圖中可以看出，不論有無固體吸附劑，上升趨勢的大概情況基本一致，含濕量差隨著時(shí)間的推移不斷上升，但是上升的速度在不斷的減小，最后趨于平緩，濕度不再下降。200 min前，藍(lán)色硅膠和活性炭的曲線相似，緩沖效果相似；分子篩和坡縷石的曲線相似，緩沖效果相似，并且比藍(lán)色硅膠和活性炭好。200 min后，藍(lán)色硅膠仍然保持一個(gè)很好的緩沖效果，漸漸超過分子篩和坡縷石，最為緩沖效果最佳；活性炭則正好相反，始終是緩沖效果最差，最后曲線漸漸趨向于無吸附劑的曲線，緩沖效果幾乎不存在；坡縷石和分子篩曲線漸漸分開，分子篩緩沖效果略高于分子篩，但400 min后又開始趨向相同緩沖效果，最終結(jié)果相似。

3.3 不同質(zhì)量坡縷石緩沖效果比較

不同質(zhì)量的坡縷石，布置方式相同，并且在相同的加濕或除濕時(shí)間下，實(shí)驗(yàn)過程中含濕量隨時(shí)間變化如圖3所示。

圖3 不同質(zhì)量的坡縷石加濕、除濕過程含濕量隨時(shí)間變化

通過對比初始含濕量和結(jié)束含濕量的差，從圖3中可以看出，不論坡縷石質(zhì)量如何都對加濕和除濕過程起到了一個(gè)緩沖的作用。相較之下，隨著模擬試驗(yàn)箱內(nèi)坡縷石質(zhì)量的增加，含濕量差在減少，代表緩沖效果也在增加，但是增加的幅度卻不確定。

圖3（a）是加濕過程含濕量隨時(shí)間變化，從圖中可以看出，不論有無固體吸附劑，上升趨勢的大概情況基本一致，含濕量差隨著時(shí)間的推移不斷上升，但是上升的速度在不斷的減小。采用同樣布置方式的坡縷石，質(zhì)量不同，其能吸附的水蒸氣量不同，吸附效果則會(huì)不同。從圖中可以看出，隨著質(zhì)量的增加，其緩沖效果開始起作用的時(shí)間越早，其起到的作用越大。同樣是增加25 g的坡縷石，25 g和50 g之間差距較小，同樣75 g和100 g之間差距也較小，但50 g和75 g之間差距則較大。可見質(zhì)量的增加導(dǎo)致緩沖效果增加的幅度并不能確定。

圖3（b）是除濕過程含濕量隨時(shí)間變化，從圖中可以看出，不論有無固體吸附劑，上升趨勢的大概情況基本一致，含濕量差隨著時(shí)間的推移不斷上升，但是上升的速度在不斷的減小，最后趨于平緩，濕度不再下降。從圖中可以看出，隨著質(zhì)量的增加，其起到的作用越大。從25 g到100 g，緩沖效果在不斷增強(qiáng)，但75 g和100 g坡縷石起到的緩沖效果幾乎一致。

3.4 不同布置方式坡縷石緩沖效果比較

相同質(zhì)量的坡縷石，改變布置方式，可以改變其擺放的位置，也可以改變其布置時(shí)的底面積，并且在相同的加濕或除濕時(shí)間下，實(shí)驗(yàn)過程中含濕量隨時(shí)間變化如圖4所示。

圖4 不同布置方式坡縷石加濕、除濕過程含濕量隨時(shí)間變化

通過對比初始含濕量和結(jié)束含濕量的差，從圖4中可以看出，不論100 g坡縷石布置時(shí)底面積如何都對加濕和除濕過程起到了一個(gè)緩沖的作用。相較之下，隨著模擬試驗(yàn)箱內(nèi)100 g坡縷石布置方式的底面積增加，含濕量差在減少，代表緩沖效果也在增加。

圖4（a）是加濕過程含濕量隨時(shí)間變化，從圖中可以看出，不論有無固體吸附劑，上升趨勢的大概情況基本一致，含濕量差隨著時(shí)間的推移不斷上升，但是上升的速度在不斷的減小。同樣100 g的坡縷石，布置時(shí)底面積不同，則其與空氣接觸的面積不同，吸附效果則會(huì)不同。從圖中可以看出，隨著底面積的增加，其緩沖效果開始起作用的時(shí)間越早，其起到的作用越大。而當(dāng)?shù)酌娣e較小，兩種底面積布置方式的差距就會(huì)變小，底面直徑為10 cm和15 cm時(shí)，兩者曲線相差較20 cm和25 cm時(shí)小，其緩沖效果差別也小。

圖4（b）是除濕過程含濕量隨時(shí)間變化，從圖中可以看出，不論有無固體吸附劑，上升趨勢的大概情況基本一致，含濕量差隨著時(shí)間的推移不斷上升，但是上升的速度在不斷的減小，最后趨于平緩，濕度不再下降。從圖中可以看出，隨著底面積的增加，其緩沖效果開始起作用的時(shí)間越早，其起到的作用越大。特別的是底面直徑為20 cm和25 cm時(shí)，兩者的緩沖效果幾乎一致。

4 結(jié)論

當(dāng)文物陳列柜內(nèi)濕度變化時(shí)，在其內(nèi)部放入一定量的固體吸附劑充當(dāng)緩沖劑，確實(shí)可以減少濕度變化的幅度，從而對陳列柜內(nèi)的文物起到保護(hù)作用。不同種類的固體吸附劑的緩沖效果不一樣，在活性炭、坡縷石、分子篩和硅膠這四種常用的固體吸附劑中，硅膠的緩沖效果最佳，且穩(wěn)定性高，適合用作文物陳列柜內(nèi)的固體緩沖劑。文物陳列柜內(nèi)的固體吸附劑質(zhì)量越多則其緩沖效果越好，但這種上升是有限度的，可以用最小的固體吸附劑質(zhì)量達(dá)到緩沖效果最佳的情況，避免文物陳列柜內(nèi)空間和固體吸附劑的浪費(fèi)。至于固體吸附劑在文物陳列柜內(nèi)的布置方式，布置時(shí)底面積越大，其緩沖效果越好，但是這種上升也是有限度的，也可以用最小的布置時(shí)底面積達(dá)到最佳的緩沖效果，減少了固體吸附劑所占的空間。由于試驗(yàn)箱的大小原因，改變布置的位置的緩沖效果并不明顯，但在實(shí)際的大型文物展示柜內(nèi)，改變固體吸附劑的擺放位置，應(yīng)該會(huì)對空間內(nèi)的濕度分布產(chǎn)生影響；同時(shí)布置方式還要考慮文物陳列柜內(nèi)文物的布置，配合文物布置起到最佳的效果，并且需要考慮固體吸附劑在文物陳列柜內(nèi)布置的美觀性。