全氟磺酸樹脂中空纖維膜壓縮空氣除濕性能研究

任春波 沈兆欣 吳慶元 付志剛

(北京航天計量測試技術研究所，北京 100076)

1 引 言

壓縮空氣是僅次于電力的第二大動力能源，又是具有多種用途的工藝氣源，其應用范圍遍及化工、機械、電力、醫藥、電子、儀表、科研、國防等行業和部門。壓縮空氣主要通過壓縮機將空氣壓縮后取得。空氣中含有水蒸氣，經壓縮冷凝后，成為濕飽和空氣，并產生大量的液態水滴。如果不進行處理，會導致管路銹蝕、增加運行成本，影響產品質量[1]。因此，很多領域需要對壓縮空氣進行干燥處理。

目前常用的壓縮氣體除濕技術有冷卻法、吸附法、吸收法、轉輪法等，但這些方法都存在效率低、需要再生等問題[2,3]。膜除濕是近年來發展的一種新型除濕技術，利用高分子膜對水分子的選擇透過性，使空氣中的水分子優先通過膜材料而與空氣中的氧氣、氮氣等氣體相分離，從而實現空氣除濕的目的[4,5]。與傳統方法相比，膜除濕技術具有高效、節能、無污染、長壽命等優點[6,7]。

目前用于壓縮空氣除濕的膜材料主要有乙基纖維素、聚二甲基硅氧烷、聚酰亞胺、磺化聚醚砜等高分子材料，但這些膜材料存在水分子透過率低、不耐壓差等問題，影響其用于壓縮空氣除濕的性能[8]。全氟磺酸樹脂是一種新的高分子材料，該材料的水分子透過率要遠高于常規的高分子材料[9,10]。本文采用全氟磺酸樹脂樹脂制備了中空纖維膜組件，并對其壓縮空氣除濕性能進行了研究，取得了良好的實驗結果。

2 工作原理與膜組件設計

2.1 膜除濕的工作原理

對于特定的膜材料，水蒸氣在膜中的滲透系數比其他氣體高至少兩個數量級。當濕空氣經過時被膜表面吸收，從而在膜兩側表面產生濃度梯度，水蒸氣在極薄的膜壁中遷移至另一側，并通過吹掃或真空系統帶出膜除濕組件。整個過程中，膜兩側始終存在水蒸氣分壓差，保證了水分子的不斷遷移，形成連續不間斷的干燥過程[3]。水蒸氣的遷移速率與膜兩側的水蒸氣分壓差成正比。為了提高除濕效率，需要通過反吹或真空等方式盡量增大膜兩側的水蒸氣分壓差。膜除濕工作原理如圖1所示。

圖1 膜除濕工作原理Fig.1 Membrane dehumidification working principle

2.2 中空纖維膜

全氟磺酸樹脂由四氟乙烯(PTFE)與全氟磺酰烯醚單體(PSVE)共聚而成一種高分子材料，其分子結構見圖2。全氟磺酸樹脂的主鏈結構為四氟乙烯，具有疏水性和非極性。側鏈端含有磺酸基團(-SO3H)，具有強親水性。磺酸基團與水分子結合形成離子簇，含水的離子簇分散在樹脂的基體中，離子簇相互連接形成通道，這些通道約11埃的截面，水分子可以通過離子簇之間的通道進行傳遞[11]。

將全氟磺酸樹脂熔融，并注塑紡制成外徑1.0mm、壁厚0.1mm的中空纖維膜管；紡制的膜管經過水解、酸化、清洗；然后將膜管利用真空烘箱干燥后備用。

圖2 全氟磺酸樹脂的分子結構Fig.2 Molecular structure of perfluorosulfonic resin

2.3 膜組件的設計與結構

膜除濕性能與其工作面積有關，為提高工作面積需要將膜材料加工成膜組件。中空纖維管束式結構是將高分子材料加工成很細的中空纖維管，然后將大量的中空纖維管集成在一起形成管束結構，如圖3所示。中空纖維管束結構耐壓差能力強，集成度高，裝填密度高。

將經過干燥處理的全氟磺酸樹脂中空纖維膜利用環氧膠封裝在長20cm、內徑2.5cm膜殼中，膜殼利用不銹鋼材料加工，制備成有效工作面積260cm2的膜組件。

圖3 中空纖維管束膜組件結構示意圖Fig.3 Stucture diagram of hollow fiber bundle membrane module

3 實驗儀器與方法

3.1 儀器與設備

空氣壓縮機：天津市醫療器械二廠，WM-2H型無油空壓機；

露點儀：芬蘭VAISALA，DMT143；

真空泵，浙江黃巖天龍真空泵廠，2XZ-1型旋片濕真空泵；

真空烘箱，DZF6020型，蘇州克洛思工業設備有限公司。

3.2 試驗方法

本研究分別試驗了膜組件在反吹法和真空法兩種工作模式下，進氣流量、工作壓力、反吹比例、真空度等工作參數對膜組件除濕性能的影響。

利用空氣壓縮機產生的壓縮空氣對膜組件進行試驗，試驗溫度為25℃±1℃；為了保證試驗的一致性，壓縮氣體首先經過加濕罐進行加濕，使其濕度接近飽和狀態；經過加濕處理的壓縮空氣進入膜組件，通過中空纖維膜的內側；膜組件的下游安裝背壓閥，調節膜組件的工作壓力；最終得到的干燥氣體利用露點儀和流量計分別檢測露點和流量。

反吹模式的膜組件除濕性能試驗流程如圖4所示。在反吹工作模式下，膜組件產生的干燥氣體被分流，其中一部分用于對中空纖維膜外側進行吹掃，通過調節閥控制反吹比例。

圖4 反吹模式工作流程Fig.4 Workflow of reverse-sweep mode

圖5 真空模式工作流程Fig.5 Workflow of vacuum mode

真空模式的膜組件除濕性能試驗流程如圖5所示。在真空工作模式下，膜組件的外側連接真空泵，通過閥門調節真空度；保持膜管外側的低壓狀態，并將通過膜材料的水蒸氣排出系統外。

4 結果與討論

分別按照反吹模式和真空模式對全氟磺酸樹脂中空纖維膜組件的除濕性能進行了試驗。

4.1 反吹工作模式除濕性能試驗

反吹模式是將膜組件產生的干燥氣體分出一部分，用于中空纖維膜外側的吹掃，其作用是把透過膜材料到達膜管外側的水蒸氣吹掃并帶出膜組件，防止膜材料的兩側產生濃差極化，維持膜兩側的水蒸氣分壓差，以提高膜組件的除濕效率。反吹比例是吹掃氣占總進氣量的百分比。反吹工作模式，影響膜組件除濕性能主要有三個工作參數：工作壓力、進氣流量、反吹比例。

4.1.1 反吹比例對除濕性能的影響

進氣流量為5L/min，不同工作壓力下反吹比例對膜組件的除濕性能影響如圖6所示。從圖中可以看出，隨著工作壓力的增大，膜組件產生的干燥氣體的露點呈下降趨勢。例如，反吹比例為50%的情況下，當工作壓力從0.2MPa增大到0.4MPa，膜組件產氣的露點從-20.6℃降低為-27.9℃。其原因是隨著工作壓力的升高，壓縮氣體中水蒸氣的分壓也隨之升高，增大了膜兩側的水蒸氣分壓差，從而提高了水蒸氣的透過速率。因此，增加工作壓力有利于提高膜組件的除濕性能。

圖6 不同工作壓力下反吹比例對除濕性能的影響Fig.6 Effect of reverse-sweep ratio on dehumidification performance under different pressures

從圖6中還可以看出，工作壓力一定的情況下，隨著反吹比例的增大，膜組件產氣的露點明顯降低。在工作壓力為0.3MPa的情況下，當反吹比例從10%提高到50%，膜組件產氣的露點從-7.3℃降低至-25.2℃。反吹過程是壓力氣體中水蒸氣在膜兩側的重新分配過程，當膜的內側壓力高于外側，隨著反吹比例的增大，壓縮空氣中的水蒸氣大量地從膜的內側轉移至外側，同時提高反吹比例有利于將外側的水蒸氣迅速帶出。因此，提高反吹比例有利于膜組件的除濕性能，但在進氣流量一定的情況下，提高反吹比例，最終得到的干燥氣體也隨之減少。

4.1.2 不同工作壓力下進氣流量對除濕性能的影響

反吹比例為10%的情況下，不同工作壓力下進氣流量對膜組件的除濕性能影響如圖7所示。

圖7 不同工作壓力下進氣流量對除濕性能的影響Fig.7 Effect of inlet flow rate on dehumidification performance under different pressures

從圖7可以看到，在反吹比例和工作壓力一定的情況下，進氣流量的增大，膜組件產氣的露點也隨之升高。在工作壓力0.4MPa情況下，當進氣流量從1L/min增大至5L/min，膜組件的產氣露點從-33.8℃升高至-14.7℃。說明增加進氣流量不利于膜組件的除濕性能。其原因是膜組件的除濕性能與膜組件的工作面積有關，單位面積的膜材料其除濕能力是一定的，因此提高進氣流量不利于膜組件除濕性能。

從圖中還可以看到，0.2MPa，0.3MPa，0.4MPa工作壓力，產氣露點隨進氣流量的變化曲線呈三條平行的曲線狀態。例子，在3L/min時，當工作壓力從0.2MPa升高至0.4MPa時，產氣露點從-6.2℃降至-21.3℃。其原因是隨著工作壓力的增大，提高了膜兩側的水蒸氣分壓差，從而提高了水蒸氣透過速率，有利于膜組件的除濕性能。

4.2 真空工作模式除濕性能試驗

4.2.1 不同進氣壓力下真空度對除濕性能的影響

進氣流量為5L/min，不同進氣壓力下真空度對膜組件的除濕性能影響如圖8所示。其中真空度是指在真空泵的作用下中空纖維膜外側的絕對壓力，絕對壓力越大，真空度越高。

從圖8可以看到，在工作壓力一定的情況下，真空度增大，膜組件產氣露點也隨之降低。以0.3MPa工作壓力為例，當真空度從70kPa提高至5kPa，產氣露點從-19.3℃降低至-26.5℃。其原因是隨著真空度的提高，膜兩側的水蒸氣分壓差也隨之增大，從而提高了水蒸氣的透過速率，有利于膜組件的除濕性能。圖中還可以看到，但真空度低于30kPa的時候，產氣露點隨真空度的變化趨緩。

圖8 不同壓力下真空度對除濕性能的影響Fig.8 Effect of vacuum degree on dehumidification performance under different pressures

從圖中還可以看出，真空工作模式下，提高工作壓力也同樣有利于膜組件的除濕性能。在真空度為30kPa的情況下，當工作壓力從0.2MPa升高至0.4MPa，產氣露點從-21.8℃降至-27.9℃。原因是提高工作壓力和增加真空度同時起到增加膜兩側水蒸氣分壓差的作用。

4.2.2 進氣流量對除濕性能的影響

真空度為5kPa的情況下，不同壓力下進氣流量對膜組件的除濕性能影響如圖9所示。

圖9 不同壓力下進氣流量對除濕性能的影響Fig.9 Effect of inlet flow rate on dehumidification performance under different pressures

從圖中可以看出，隨著進氣流量的增大，膜組件的產氣露點明顯升高。0.3MPa的情況下，進氣流量從5L/min減小至1L/min，產氣露點從-29.5℃降低至-36.7℃。其原因是在膜組件的工作面積一定的情況下，制約了其壓縮空氣進行除濕的能力。

圖中還可以看到，進氣流量3L/min的情況下，當工作壓力從0.2MPa提高至0.4MPa，膜組件產氣露點從從-29.4℃降至-34.7℃。其原因與反吹工作模式下工作壓力對膜組件除濕性能的影響相同，即工作壓力的增大提高了膜兩側的水蒸氣分壓差，從而提高了水蒸氣透過速率，有利于膜組件的除濕性能。

4.3 反吹工作模式與真空工作模式的比較

全氟磺酸樹脂中空纖維膜在反吹工作模式和真空工作模式都具有良好的除濕性能。兩種工作模式的區別在于實現膜兩側水蒸氣分壓差的方式不同。在工作壓力和進氣流量相同的情況下，膜組件在真空工作模式下的除濕性能要優于反吹工作模式。如圖10所示，在工作壓力0.4MPa、進氣流量1L/min的情況下，反吹模式下反吹比例50%時產氣露點為-33.8℃，真空工作模式下真空度5kPa時產氣露點為-39.4℃。其原因是真空工作模式下，中空纖維膜的外側保持低壓，不僅能夠增加膜兩側的水蒸氣分壓差，而且其效果相當于增大了膜組件的工作壓力。

兩種工作模式各有優缺點。真空工作模式雖然可以提高膜組件的除濕性能，但是需要利用真空泵為中空纖維膜的外側保持低壓，一方面增加了系統的復雜程度，同時真空泵持續工作也會增加能耗和成本。反吹模式的優勢在于直接利用膜組件產生的部分干燥氣體用于吹掃，系統簡單，成本低；缺點是膜組件產生的干燥氣體有一部分用于反吹，會存在壓縮空氣的損耗。

圖10 兩種工作模式除濕性能的比較Fig.10 Comparison of dehumidification performance of two working modes

5 結束語

將全氟磺酸樹脂中空纖維膜用于壓縮空氣除濕，具有很好的試驗效果。膜組件的除濕性能與其工作面積及水蒸氣透過速率成正比。工作面積由膜組件的裝填密度決定，水蒸氣透過速率在反吹工作模式下由反吹比例和工作壓力決定，在真空工作模式下由真空度和工作壓力決定。工作壓力和進氣流量一定的情況下，真空工作模式要優于反吹工作模式。真空工作模式下，工作壓力0.4MPa、真空度5kPa時產氣露點可達-39.4℃。將兩種工作模式結合可以進一步提高工作效率，相關研究正在更深入地開展。本研究的相關成果可以在壓縮空氣除濕、天然氣脫濕、密閉環境除濕等領域得到應用。