膜法空气除湿的研究与进展

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1、膜法空气除湿的研究与进展Progressofmembrane-basedairdehumidification膜法空气除湿的研究与进展:2除湿膜的种类　　除湿膜一般是采用亲水性膜，膜的种类可以是有机膜、无机膜和液膜；膜的形态可以是平板式，也可以是具有很高装填密度的中空纤维式。　2．1高分子聚合物膜　　复合膜、均质膜、非对称膜都曾被应用于空气除湿。　　均质膜为致密膜，通过均质膜的推动力为压力梯度、浓度梯度或电势梯度。这种膜的分离作用是由于各种化学物质在膜中的传递速度和溶解度不同而产生的，主要是扩散率的影响，因此，一般渗透率较低，制图时应使膜尽可能薄，可制成平板式和中空纤维式。均质的高分子

2、膜多用于气体分离或渗透汽化，如硅橡胶膜就是用于气体分离（氮氧分离）中渗透率很高的均质膜。　　非对称膜具有物质分离最基本的两种性质，即高传质速率和良好的机械强度。它有很薄的表层（0.1～1um）和多孔支撑层（100～200um），这非常薄的表层为活性膜，其孔径和表层的性质决定了分离特性，而厚度主要决定传递速度。多孔的支撑层只起支撑作用，对分离特性和传递速度影响很小，甚至几乎没有。连续性的非对称膜在同样的压力差推动下，其渗透速率与相似性能的对称膜相比为10～100倍。现在醋酸纤维素和多种高分子材料都可以用相似的方法制成非对称膜。　　复合膜是将选择性膜层（或称活性膜层）沉积于具有微孔的支撑层

3、（底膜）表面上，就像非对称性膜的连续性表皮，只是表层与底层的材料不同。复合膜的分离性能主要是由表层决定的，但也要受到微孔支撑层的结构、孔径、孔分布和孔隙率影响[6]。复合膜的结构如图5所示。　　　　　　　　　　　　　　　　　　图5复合膜结构示意图　　多孔膜结构的孔隙率愈高愈好，可以使膜表层与支撑层接触部分最小，而有利于物质传递。然而，孔径应愈小愈好，可使高分子层不起支撑作用的点间距离减小。此外，交联和未反应的高分子渗透作用的点间距离减小。此外，交联和未反应的高分子渗透入支撑层的情况，也是决定复合膜总体传递特性的重要因素。已制成的复合膜中，常用聚砚做多孔支撑，因其化学性能稳定，机械性能良

4、好。现在也有用其它高分子化合物，如聚丙烯脯偏氟乙烯等。最近也有试用无机物，如石英玻璃和硅酸盐类做多孔支撑层。无机膜的一般分离系数小，但渗透率高，且可耐高温。　　作为复合膜极薄的皮层，要求其有效厚度小于1um，一般为0.2～1um，因为渗透速率与其厚度成反比。　　用膜进行空气除湿，首先考虑的是采用亲水膜[7～15]，如聚乙烯醇膜，赛璐玢膜，藻酸膜，壳聚糖膜，芳香聚酰亚胺，聚丙烯腈和醋酸纤维素膜。另一类值得注意的膜是浸渗剂改性膜。所谓"浸渗剂"是指填充在膜中的高吸水性物质，常用CsF、LiBr、季胺盐等盐类。在空气除湿过程中只有蒸汽与膜接触，浸渗剂可长期保留在膜内不被洗脱，增加了膜对水蒸气

5、的溶解和扩散能力。据报道，添加CsF的聚乙烯醇复合膜处理乙醇-水蒸气时，在保持相当高分离系数的情况下，渗透通量提高一倍多；添加CsF的纤维素膜处理丙醇-水蒸气时，渗透通量增加10倍数。　　Cussler等人[3]应用聚醚砚复合膜，Pan等人[10]应用非对称三醋酸纤维素中空纤维来对空气进行除湿。他们的研究都表明这些膜具有较高的水蒸气透过度和选择度。但是，聚醚砚复合膜比较昂贵，而三醋酸纤维素膜则很容易被液态水破坏，所以应避免接触液态水。复合膜的表层的任何小洞将严重影响复合膜的分离性能。Bonne等人[11]采用多孔均质纤维素膜来对空气除湿，但是这种膜只适用于相对湿度较大的空气除湿。因为相

6、对湿度较小时，膜中空隙的存在将使空气很容易渗透通过，从而影响膜对水蒸气的分离性能。而当空气湿度较大时，水会在这些空隙中冷凝，从而使氮气、氧气难以通过，达到水和空气分离的目的。　　非对称三醋酸纤维素中空纤维在35℃，渗透侧压力2.3kPa条件下，水在标准状态时的透过度为7.2×10-10g/(Pa·cm2·s)。纤维内径70um，外径225um，纤维的外表面是较厚的选择性活性层。实验采用的除湿器单元类似于管壳式换热器，每个单元由32根14cm长的纤维组成。经过对膜透水结果的分析可知，膜的有效活性层厚度是1.1um。　　Pa时，除湿率85%，干燥气露点可达-20℃以下。　　与纤维素膜不同，

7、同样为有机高分子膜的凝胶膜具有不同的除湿机理。Cha等人[12]研究了凝胶膜空气除湿的过程。他们使用由再生的纤维素经过铜铵化处理获得的被称为Cuprophan的膜，这种膜具有强烈的亲水性，并且膜分子与水分子接触时，能立刻生成水凝胶，进一步将分子链撑大。这样，当膜与很湿的空气接触时，聚合物分子链遇水发生膨胀，膨胀后的分子链之间充满水，成为透水的良好通道。而由于空气在水中的溶解度很小，所以分子链间的这些水又成为使空气难以透过的屏障。当这种膜与较为干