多孔干燥劑除濕性能實驗研究

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)勢受到關(guān)注[7]。因此對固體除濕材料的研究也是除濕領(lǐng)域的研究重點[8-10]。本文采用實驗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)的固體除濕實驗系統(tǒng)進(jìn)行空氣除濕實驗，對比研究兩者的除濕性能。

1 實驗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吸附性能有很大的影響，本文采用的除濕劑是利用廉價原料自行研制合成的活性氧化鋁和沸石分子篩?；钚匝趸X合成方法為：利用工業(yè)級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。

實驗室采用美國Quantachrome公司生產(chǎn)的NOVA 3000e型物理吸附分析儀，通過氮氣吸附法對自制活性氧化鋁和沸石分子篩的比表面積進(jìn)行BET法測算，計算公式為式（1），測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——被測樣品質(zhì)量，g。

采用熱重分析儀（型號為STA449F3），升溫速率為10K/min，從30～500℃，保護(hù)氣為氮氣。對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態(tài)T-G曲線，對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 多孔固體除濕實驗系統(tǒng)及功能

建立了多孔固體空氣除濕的實驗系統(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、溫濕度檢測點及在線檢測裝置等，可實現(xiàn)空氣的除濕和干燥劑的再生兩個可交替的過程。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)到實驗所需工況后進(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除濕材料進(jìn)行脫附再生。在實驗系統(tǒng)的除濕柱和再生柱中部設(shè)置了溫度測點，空氣進(jìn)口和出口處分別設(shè)置了溫度、濕度和壓力的測點。溫濕度采用PTH-A24型精密溫濕度巡檢儀測量（溫度測量準(zhǔn)確度為0.01℃，相對濕度測量準(zhǔn)確度為0.01%RH），可對除濕和再生過程在線監(jiān)測。

3 除濕性能實驗測試和分析

利用空氣除濕試驗系統(tǒng)展開了自制沸石分子篩和活性氧化鋁除濕性能的實驗測試和分析。實驗工況為，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℃，再生時間3000s。

圖2給出了實驗工況條件下，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)定除濕兩個過程。沸石分子篩的高效除濕過程約發(fā)生在前500s時間內(nèi)，500～1000s時間內(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時間內(nèi)，之后逐步進(jìn)入效率較低相對平穩(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）。隨著除濕時間的增加，除濕劑的不飽和率降低，對空氣的除濕率降低，到800s時，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)。盡管實驗時間內(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，采用除濕量計算式（2）計算活性氧化鋁和沸石分子篩不同除濕時間的除濕量?？蛇M(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)過除濕柱后絕對含濕量的變化，是除濕性能的評價指標(biāo)之一，固體除濕劑單位時間的除濕量越大，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)生的吸附熱對除濕效果的影響，實驗過程中同步測定了不同時間節(jié)點經(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間的關(guān)系曲線。可以看出，隨著時間的增加，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動的劇烈程度增加，部分與除濕劑表面接觸碰撞的水分子不能被吸附，同時也會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。由此可見吸附熱對固體除濕劑的除濕效果影響很大，若對固體除濕劑進(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 空氣出口溫度隨時間的變化

4 結(jié)束語

1）實驗室采用廉價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?，且活性氧化鋁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,活性氧化鋁對空氣的穩(wěn)定除濕效果更好。

3）隨著時間的增加，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大大提高除濕干燥劑的除濕效率。

[1] 田銳，吳中華.氣體干燥技術(shù)及裝置[J].干燥技術(shù)與設(shè)備，2012，10（3）：46-51.

[2] 譚和平，錢杉杉，高楊，等.室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)研究[J].中國測試，2012，38（5）：39-43.

[3] 方正，王佳黎，李凱，等.室內(nèi)空氣污染物降解效果的動態(tài)測試方法研究[J].中國測試，2010，36（4）：50-52.

[4] 王承霞，黃曉天，王喜元，等.室內(nèi)空氣污染治理產(chǎn)品及應(yīng)用[J].中國測試，2010，36（4）：47-49.

[5] 賈金才.膜分離法空氣凈化的應(yīng)用與研究進(jìn)展[J].深冷技術(shù)，2011（4）：33-38.

[6] Belding W A，Delmas M P F.Novel desiccant cooling system using indirect evaporative cooler[J].ASHRAE Transactions，1997，103（1）：841-847.

[7] 張立志.除濕技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005：251-259.

[8] Koronaki I P， Rogdakis E， Kakatsiou T.Thermodynamic analysis of an open cycle solid desiccant cooling system using artificial neural network[J].Energy Conversion and Management，2012（60）：152-160.

[9] 崔群，陳海軍，姚虎卿.固體吸附除濕劑的制備及性能研究[J].化工時刊，2001（11）：21-25.

[10]方玉堂，蔣贛.轉(zhuǎn)輪除濕機(jī)吸附材料的研究進(jìn)展[J].化工進(jìn)展，2005，24（10）：1131-1135.

[11]Niu Y H， Li Y，Zhang X F.Experimental study on synthesis of adsorption material of porous zeolite with fly ssh[J].Advanced Materials Research，2012（535）：2143-2147.

[12]李鑫，李忠，韋利飛，等.除濕材料研究進(jìn)展[J].化工進(jìn)展，2004，23（8）：811-814.