幾種常用固體吸附劑吸濕性能與再生效果實驗研究

劉露露 ，王庚 ，王震 ，胡寧

(1.安徽建筑大學建筑能效控制與評估教育部工程研究中心，安徽 合肥 230022；2.智能建筑與建筑節能安徽省重點實驗室 安徽 合肥 230022)

0 引言

室內空氣濕度的控制對人們工作生活的舒適性、物品保存以及工業生產過程都扮演著十分重要的角色[1]。可見，除濕是生活生產中必須解決的一個重要問題。目前空氣除濕方式有冷凝除濕、膜法除濕、固體除濕、液體除濕等各種技術[2]。本文主要研究固體除濕方式，完整的固體吸附循環過程包括除濕、再生和冷卻，再生方式有電滲再生[3][4]、超聲波再生[5]、微波再生[6][7]、加熱再生等。

目前，國內外的學者對利用固體吸附劑除濕及其再生做了大量的研究。Dunkle于1965年首次提出了固體吸附除濕型空調系統。Dai Y J等[8]使用數學模型建立了瞬態耦合傳熱傳質的連續性和能量守恒方程，從除濕和再生兩方面詳細討論了吸附熱、轉速、再生溫度、干燥劑基質厚度等問題來評價轉輪除濕機性能。隨后的研究和開發工作表明:新的干燥劑材料和新型轉輪除濕空調系統配置具有提高除濕性能和可靠性的巨大潛力[9]。此外，輪速和再生與除濕的面積比亦作為關鍵的操作和設計參數[10]。涂壤等[11]分析比較了不同固體除濕方式的熱質交換過程，并建立了相應的傳熱傳質模型及驗證了模型的準確性，結果表明:熱泵型內冷固體除濕床的傳熱傳質過程最優。呂寧等[12]提出一種內熱再生式固體除濕器，該除濕器在連續運行且不采用內冷措施的情況下仍能對高濕氣體長時間保持較高的除濕效率，再生過程所需要的時間遠遠小于有效除濕時間。楊晚生等[7]從再生能耗和再生效果兩方面對除濕材料(硅膠)的熱風和微波再生的性能進行研究分析，結果表明:當達到相同的效果時，微波的再生速率遠高于熱風的再生速率，而微波能耗只有熱風能耗的25.2%～37.7%，且微波再生平均能源利用率為熱風再生的2.51～3.21倍。李維等[13]利用吸附能效評價指標分析了不同組合填裝方式的固體吸附材料在吸附過程的節能效果。結果表明:固體吸附除濕材料硅膠+13X分子篩的組合填裝方式更適用于固定床固體吸附除濕。還有一些學者在開發新型改性吸附除濕材料方面做了研究[14][15]。

國內外學者既對除濕方式做了大量的研究，又對材料的不同再生方式各種改進，對常用單一固體材料的吸濕和再生特性研究較少。本文設計搭建了一種常用固體吸附劑除濕與加熱再生實驗裝置，選取三種固體材料:硅膠、活性氧化鋁、及13X分子篩，對吸濕量、吸濕速率、再生量及再生速率進行了實驗研究。研究結果對固體除濕材料的選擇及應用具有一定的借鑒作用。

1 吸附材料處理空氣的機理

吸附現象是相異二相界面上的一種分子積聚現象。吸附就是把分子配列程度較低的氣相分子濃縮到分子配列程度較高的固相中。物理吸附主要是依靠普遍存在于分子間的范德華力起作用。干燥劑的吸濕與析濕(再生)是由干燥劑表面的蒸汽壓力差與環境空氣的蒸汽壓力差造成的，因而不同的干燥劑具有不同的吸濕與吸濕能力。

2 實驗介紹

2.1 實驗裝置與測試儀器

吸濕再生裝置如圖1所示，主要包括保溫層，電加熱層，材料吸濕再生層以及加濕器加濕四個部分。整個裝置外部尺寸為1020 mm×1020 mm×630 mm(長×寬×高)，由厚度均為10mm的鋼化玻璃所拼接構成的箱體，所有縫隙均用玻璃膠進行密封；裝置底部設有硬質聚氨酯板，起到保溫作用；加熱層鋪設硅橡膠加熱板，提供吸濕飽和后0～180℃的加熱再生溫度；材料層是用無紡布盛放的各種吸附材料；箱體外部擺放加濕器用在除濕過程中材料的人工加濕。實體圖如圖2所示，主要測試儀器如表1。

圖1 實驗平臺平面示意圖

表1 實驗儀器及性能參數

圖2 實驗平臺實體圖

2.2 測試方法及工況

試驗前，將三種除濕材料放置在硅橡膠加熱板上進行預處理至完全干燥后冷卻至室溫并稱重，三種材料取相同質量2kg，記為mg。

室內溫度27℃，相對濕度68%。

吸濕過程:在常溫下利用加濕器分別對三種吸附材料進行不斷加濕，通過重力傳感器測量其質量變化，每十分鐘記錄一組數據，記為mt，直到傳感器示數在一段時間內有穩定微小波動且恒定后，停止吸濕試驗，此時除濕材料達到吸濕與加濕平衡點，吸濕達到飽和或基本達到飽和。

再生過程:對飽和吸濕狀態的固體吸附材料進行加熱再生實驗，每十分鐘記錄一組數據，直至一段時間內質量不發生變化，此時除濕材料再生過程結束，停止再生測試。

3 實驗結果及分析

3.1 吸濕過程分析

固體吸附材料的吸濕性能常采用吸濕量、吸濕速率等指標進行評價分析。本文通過測定吸附材料的吸濕量隨時間的變化(每種材料進行三次)來分析其吸濕性能。吸濕量W吸[17]，即單位質量吸附劑吸附水蒸汽的質量，其計算公式為:

其中:Δm=mt-mg為吸濕材料吸濕前后質量的變化，kg；mg為除濕材料完全干燥狀態下的質量，kg；mt為吸濕過程中t時刻除濕材料的質量，kg。

3.1.1 逐時吸濕量變化規律

將某一時刻吸濕前后的吸濕量之差定義為逐時吸濕量，其計算公式為ΔW吸=W吸后-W吸前，不同吸附劑逐時吸濕量變化曲線如圖3所示:

圖3 相同吸濕工況下，三種材料逐時吸濕量ΔW吸隨時間的變化

圖4 三種材料擬合曲線

取每種吸附材料三次逐時吸濕量的平均值得到吸濕量隨時間變化的的規律如表3所示:

由表3可知:3種材料的吸濕量均隨時間呈對數遞減規律。

由圖3可見，隨著吸濕過程的進行，硅膠、活性氧化鋁和13X分子篩的吸濕量在前1 h內急劇上升達到最大值，然后呈線性下降趨勢，直到吸濕能力達到最小穩定值。由于硅膠、活性氧化鋁、13X分子篩為多孔介質材料，在吸濕開始階段，吸附劑在吸附一定的水蒸氣以后，發生了毛細冷凝現象[14]，其吸附能力得到了一定的提高。隨著時間的進行，水蒸氣將多孔介質微孔填滿，吸附能力降低。吸附的初始一小時，硅膠、活性氧化鋁、13X分子篩達到了最大小時吸濕量，分別為26g kg，24.98 g kg，29.67g kg。在10小時內，13X分子篩的吸濕量大于硅膠的吸濕量大于活性氧化鋁的吸濕量，之后13X分子篩的吸濕量持續下降并低于硅膠的吸濕量，達到平衡為5g(kg·h)。10小時后硅膠的吸濕量保持穩定在10g(kg·h)，18小時后逐漸下降維持在5g(kg·h)。

表2 實驗材料參數表

表3 穩定后(1 h后)逐時除濕量與時間的擬合公式

圖5 三種吸附材料有效吸濕時間內逐時吸濕量隨時間變化曲線

圖6 三種吸附材料有效吸濕時間內吸濕量隨時間變化曲線

由圖4可以看出吸濕過程中硅膠、活性氧化鋁及13X分子篩的吸濕量在前1 h內急劇上升逐漸達到最大值，緊接著吸濕量均隨時間呈遞減變化的趨勢，再吸濕能力達到一定穩定值，最后失去吸濕的能力。

3.1.2 有效吸濕時間與有效吸濕量的分析

由于除濕材料的運行時間較長，逐時吸濕量快速增長后線性下降，故本文定義最初達到最大逐時吸濕量的時刻到其首次達到吸濕與加濕穩定平衡點(5g kg)時刻為實際有效吸濕時間；期間的吸濕量即為有效吸濕量。

由圖5可知，本文以逐時除濕量5g kg為標準，硅膠、活性氧化鋁、13X分子篩有效除濕時間段分別為0-20 h，0-9 h，0-13 h，其有效除濕時間分別為 20 h、9 h、13 h。

由圖6可知在有效吸濕時間內，硅膠的有效吸濕量達到極限，總的吸濕量為281.63g(kg·h)，其平均吸濕量為 14.08g(kg·h)；活性氧化鋁為147.97g(kg·h)，平均吸濕量為 16.44g(kg·h)；13X分子篩為 216.03g kg，平均吸濕量為16.62g kg。而在相同吸濕時間9小時內，硅膠、活性氧化鋁、13X分子篩的平均吸濕量分別為20.01g(kg ·h)、16.44g(kg ·h)、20.57g(kg ·h)。對于三種吸濕材料來說從平均吸濕量來講吸濕效果最佳的依次是分子篩，硅膠，活性氧化鋁，且硅膠與13X分子篩的平均吸濕量明顯大于活性氧化鋁；從有效吸濕量上來講吸濕效果最佳的依次是硅膠、分子篩、活性氧化鋁，且硅膠的吸濕量是活性氧化鋁的1.90倍，吸濕效果明顯。

3.2 再生過程分析

再生是使得吸濕材料水分高溫解析脫附而重新具備除濕性能的方法，而再生量是直接反映其再生效果的重要參數之一，其計算公式為:

其中:Δm為吸濕材料再生前后質量的變化，kg；mg為除濕材料完全干燥狀態下的質量，kg；(再生溫度60℃)。

3.2.1 逐時再生量變化規律

將某一時刻再生前后的再生量之差定義為逐時再生量，其計算公式為

ΔW生=W生前-W生后，不同吸附劑逐時再生量變化曲線如圖7所示:

圖7 相同再生工況下，三種材料逐時再生量ΔW生隨時間的變化曲線

由圖7可知，三種不同的除濕材料在前三個小時再生速率比較快，這是因為加熱板使材料在短時間內獲得較高的溫度，使其材料孔隙間附著的水蒸氣隨著溫度的升高逐漸獲得了擺脫除濕材料束縛的能力而脫附。前三個小時內硅膠、活性氧化鋁、13X分子篩的再生量分別為153.14g kg、104.18g kg、82.88g kg，占總量的 60.7%、73.7%、65.3%。而在三小時后再生速率逐漸回歸平穩，逐時再生量降低，說明材料再生能力在逐漸減弱，最后逐漸趨于零。硅膠的最大逐時再生量為16.2g kg，活性氧化鋁為14.3g kg，而分子篩只有6.8g kg，硅膠是其2.38倍。這是因為較低的吸附熱使得硅膠和水蒸氣分子的結合較弱，有益于硅膠的解析再生，而13X分子篩的水蒸氣吸附熱相當高，故而需要很高的再生溫度，60℃完全達不到。

3.2.2 有效再生時間與有效再生量的分析

取1小時內，再生量不超過5g kg為再生過程的終點，有效再生時間即再生過程起點到終點的時間為有效再生時間；有效再生時間內的再生量為有效再生量，可得到本次研究吸濕-再生中不同材料的有效再生時間和有效再生量如圖8和表4:

圖8 吸濕-解吸工況下，吸附量(再生量)W隨時間的變化

表4 不同材料有效再生時間和有效再生量

3.2.3 再生率

再生率是指是除濕材料再生量與其飽和吸濕量的比值，有效再生時間內對應的再生率即為除濕裝置的有效再生率，再生率的計算公式如下:

式中，η-吸濕材料的再生率，%；

W吸-吸濕材料飽和時的吸濕總量，g kg；

W生-除濕材料再生量，g kg

由圖7，圖8和表4可知，在同樣再生溫度為60℃的工況下，硅膠、活性氧化鋁、13X分子篩有效再生時間內的平均再生速率分別為30.54g(kg·h)、25.68g(kg·h)、20.09g(kg·h)。再生速率相差不大，分子篩相對略小些；從再生量來說，硅膠的再生量是分子篩的2.03倍，是活性氧化鋁的1.90倍；從再生率來說，三種材料的再生率分別為86.09%、75.06%和48.24%。說明低溫條件下硅膠和活性氧化鋁再生效果好；而會使得分子篩再生時間的延長或者再生效果不明顯。

4 結論

實驗研究了三種常用固體吸附劑(包括硅膠、活性氧化鋁、13X分子篩)的吸濕與再生性能與特征，得到了如下結論:

(1)在吸濕工況下，硅膠、活性氧化鋁、13X分子篩三種吸附材料的逐時除濕量隨時間變化趨勢一致，均隨時間呈對數遞減規律；且小時吸濕量在前1 h內急劇上升達到最大值，分別為26g kg、24.98g kg、29.67g kg，然后呈線性下降趨勢，直到吸濕能力達到最小穩定值。

(2)實驗條件下，硅膠、活性氧化鋁、13X分子篩實現濕平衡的有效吸濕時間分別為20 h、9 h、13 h，吸濕量分別為281.63g kg、147.97g kg、216.03g kg，且硅膠的吸濕量是活性氧化鋁的1.90倍，分子篩的吸濕量是活性氧化鋁的1.50倍，吸濕效果都明顯優于活性氧化鋁。

(3)在60℃再生工況下，硅膠、活性氧化鋁、13X分子篩前三個小時內再生量分別為153.14g kg、104.18g kg、82.88g kg，再生速率分別為51.05g(kg·h)、34.73g(kg·h)、27.63g(kg·h)，硅膠的再生速率明顯大于活性氧化鋁、13X分子篩的再生速率；有效再生時間內硅膠、活性氧化鋁、13X分子篩的有效再生量分別為235.84g kg、128.41g kg、120.55g kg，平均再生速率分別為30.54g(kg·h)，25.68g(kg·h)，20.09g(kg·h)；且活性氧化鋁、13X分子篩的有效再生量是硅膠有效再生量的近50%。

(4)吸濕-再生循環下，硅膠、活性氧化鋁、13X分子篩的再生率分別為86.09%、75.06%、48.24%。60℃再生條件下，硅膠和活性氧化鋁的再生率比13X分子篩的再生率要高，說明低溫情況下不利于分子篩的再生。