水蒸氣分離膜組件形式對除濕效率的影響度研究

常 達，許 劍，王 寵

（中國樂凱集團有限公司研究院 河北 保定 071054）

0 引言

水蒸氣分離膜又名除濕膜，包括有機溶劑除濕、空氣除濕、液體除濕等，除濕廣泛存在于我們的日常生產生活中，它是我們研究社會的一個重要課題，不同的濕度環境對人體有很大的影響，在濕度30%～60%的范圍內是人們從事生產生活的最佳條件[1]。工業生產中，鋰電原材料、鋰電制備、精密設備、軍艦潛艇、航空航天等對氣體濕度的要求更高。例如，生產線和廠房等環境的有機氣體監測系統中，過高的濕氣會造成其中水溶性組分的流失，導致檢測結果誤差偏大，造成檢測不準[2]；空氣濕度過大時，跨海大橋常用的橋梁鋼材易發生電化學腐蝕，而造成橋梁壽命的縮短[3]。

目前生產生活中常用的除濕方式有家用的冷凍降低露點和工業上的轉輪吸附再生等方式，但是能耗高、深度除濕效率低限制了除濕行業的發展，對于除濕暴露出來的缺點，研究人員開發出了膜法除濕方式，該方式具有耗能低、節能環保、系統占地面積小、應用場景廣泛等優點[4-5]。本文從不同的應用場景出發，探討了適配不同場景的組件形式，包括：中空纖維[6]、管式、卷式、板式等。

1 壓縮機式氣體除濕

在科研實驗中，壓縮空氣作為高壓氣體是必不可少的設備用氣，但是過高的濕度會導致設備在使用壓縮空氣時出現損害，同時對于實驗環境也會產生不可逆轉的損壞，所以需要對壓縮空氣進行除濕。目前壓縮空氣采用的除濕是在壓縮空氣末端加裝干燥劑，這種方法除濕不徹底。吳庸烈等[7]將采用一定流量的脫濕后的壓縮空氣作為吹掃氣來為乙醇氣相脫水，將中空纖維膜除濕的壓縮空氣與乙醇（氣相）脫水兩者相結合起來，采用一定流量的脫濕后的壓縮空氣作為反吹氣體，實驗表明，壓縮空氣的脫濕程度越高，乙醇氣相脫水的效果越好，大大提高了乙醇的脫水效率。

日本大金、UBE 等公司研發了應用于壓縮氣體除濕的膜法除濕裝置，采用中空纖維膜組件，在很小的體積增大了除濕面積，適用于高壓氣體，直接在末端加裝組件，即可隨時使用，具體原理圖如圖1所示[8]。

圖1 中空纖維膜除濕原理Fig1 Desiccant principle of hollow fiber membrane

2 環境除濕

2.1 膜法除濕原理

針對不同的環境（家用和工業）除濕，常用的除濕手段為降溫冷凍、吸濕劑吸附及加熱再生等方式，但是這些方法的除濕效率低、占地面積大、冷凍的不能深度除濕等，限制了除濕行業的發展。本文通過對比板式、卷式、管式、簾式等不同組件形式的優缺點，分析了膜法除濕的優點，為未來除濕指明方向。本文通過實驗室制備的水蒸氣分離膜，膜法分離的原理[9]如圖2所示，制備了不同的組件。

圖2 膜法除濕原理Fig2 Principle of membrane dehumidification

2.2 不同組件優缺點

根據使用場景的不同，本文制備了不同形式的組件，其優缺點如表1所示。

表1 不同組件形式優缺點Table1 Advantages and disadvantages of different component forms

2.3 不同組件水蒸氣分離性能分析

通過在實驗室搭建除濕環境，本文對兩種有代表性的組件進行了除濕量的對比，首先是柔性平板組件，除濕量如圖3所示。經過400 min 的測試，柔性平板組件的除濕量首先增加，然后趨于平緩，因為膜法除濕與環境里面的含水量有關系，當濕度大的時候，含水量大，水蒸氣與膜的接觸概率大，所以前期除濕速率快，同時柔性平板組件除濕效果達到30%以下，表明可以進行深度除濕，而對于傳統的冷凍除濕來說，這是一個非常大的優勢。

圖3 柔性平板組件除濕效果Fig3 Dehumidification effect of flexible flat panel component

接下來本文對多孔管式組件進行了除濕效果測試，測試結果如圖4所示，從圖中可以看出多孔管式組件除濕效果要好于柔性平板組件，除濕效果也是符合膜法除濕原理，最開始濕度高的時候水蒸氣與膜的接觸概率大，除濕效果顯著，隨著環境中水蒸氣的減少，除濕速率逐漸降低，但是整體濕度可以下降至30%及以下，除濕效果要好于傳統的冷凍除濕方式。

圖4 多孔管式組件除濕效果Fig4 Dehumidification effect of porous tubular module

3 應用場景

本文根據膜法除濕的工作原理，對其組件工作場景進行了總結，同時也設計了水蒸氣分離膜的應用方式，如圖5和圖6所示，水蒸氣分離膜不受溫度與露點的影響，可以應用到深度除濕領域，同時變換不同的組件形式，可以應用到小－中－大各種環境中，例如在狹窄的橋梁管道中，可以應用柔性多孔組件；在手套箱、船舶、航空航天領域，可以應用卷式組件，以最小的體積換取最大的除濕面積等。

圖5 水蒸氣分離膜應用示意圖Fig5 Schematic diagram of water vapor separation membrane application

圖6 膜法除濕應用場景Fig6 Application of membrane dehumidification

4 總結

水蒸氣分離膜不受場所、露點等影響，廣泛應用于各種場景，不同組件形式的設計，極大拓寬了它的應用范圍，同時不同組件由于有效面積與體積比不同，除濕效果也有一些差異，但是均可以滿足深度除濕的要求，本文開發的水蒸氣分離膜，在選擇透過水蒸氣的同時，保證了其余氣體的截留，同時搭配不同的組件形式，在鋰電、橋梁、船舶等小空間深度除濕場所有很大的除濕效果。