转轮除湿机吸附材料的研究进展

空气中相对湿度的大小不但对改善人类的生活环境, 而且对工业生产以及科研设备的运行都有重要影响。尤其在我国广东等空气湿度较高的地区,如何保证所需要的低湿度环境, 对改善人居条件、发展生产技术、保障生产工艺、提高产品质量都具有非常重要的意义。

常用的除湿方法有:冷冻除湿法、热风除湿法和吸附除湿法。冷冻除湿法是把空气温度降低到露点以下使其中的水蒸气冷凝析出而进行除湿, 主要存在设备结构复杂、耗电量大、压缩机使用氟里昂等缺点, 并且受冷却介质温度的影响很难达到低湿度除湿要求; 热风除湿法是通过加热空气使其相对湿度降低, 通过控制温度来实现相对湿度的降低,并不能真正减少空气中水蒸气的含量, 难以确保除湿效果; 吸附除湿法是采用吸附材料动态吸附空气中的水蒸气, 分为湿式液体吸收式除湿和固体吸附式除湿, 其中以固体吸附剂为核心成分的转轮吸附式除湿因其具有除湿效率高、运行连续、湿度可控、结构紧凑、节能节材等特点, 且还可利用太阳能、工业废热等低品位的热源, 而具有广阔的应用前景。目前欧美及日本等国家大型除湿机使用的大多是吸附式转轮除湿机。

除湿转芯是吸附式转轮除湿机的心脏, 主要由吸附剂和无机基材所构成, 其中吸附剂性能是整个系统除湿性能的决定性因素, 因此对转轮除湿机吸附材料的研究一直是除湿领域研究的重点。

转轮除湿机的工作原理

转轮除湿机的工作原理, 转轮以8～15 r/ h 转的速度缓慢旋转, 待处理的湿空气经过空气过滤器过滤后, 进入转轮3/ 4 除湿区(吸附区) , 处理空气中的水分被吸附剂吸附, 通过转轮的干燥空气即被送入室内。在转轮吸湿的同时, 再生空气经再生加热器逆向于处理空气流向转轮1/ 4再生区, 带走吸附剂上的水分, 在再生通风机作用下, 这部分热湿空气便从另外一端排至室外。

转轮除湿机吸附材料研究进展

氯化锂

氯化锂是最早用来作为转轮除湿机的吸附材料, 它属于一种高含湿量的吸湿盐, 易再生, 具有高度化学稳定性。与硅胶、分子筛等多孔吸附剂相比, 氯化锂的吸湿能力大1 倍左右, 再生温度较低, 仅120 ℃左右。在氯化锂—水蒸气系统中, 既存在物理吸附也存在化学吸附, 氯化锂可以以无水盐或以水合物晶体固态吸附水, 也可以在吸附水之后由固态变成盐水溶液而继续吸水。此外, 氯化锂吸附剂具有强烈的杀菌能力, 经氯化锂转轮除湿机处理后, 空气中90 %以上的有害细菌将被杀死,因此, 氯化锂作为除湿剂被广泛应用医药、食品等对空气洁净度和湿度要求较高的领域。

但是氯化锂作为吸附剂也有其自身的缺点, 如在低湿度范围除湿量小、除湿能力低。而且当氯化锂吸湿时易形成液体从基体逸出, 会对除湿设备周围的金属产生腐蚀, 在很大程度上限制了除湿机中氯化锂吸附剂的用量, 也即限制了除湿机的除湿量。

采用氯化锂、氯化镁及精制棉纤维、交联剂等有机添加剂复合制得复合氯化锂吸附材料, 由于添加了黏度较大的有机物, 不会发生氯化锂液体逸出除湿轮基体而腐蚀周边设备的现象, 这样可适当增加氯化锂的使用量, 增大除湿机的除湿量。而添加的有机添加剂本身也有数倍于自身质量的吸湿能力, 使复合材料吸附剂的性能参数明显优于纯氯化锂吸附。

硅胶

硅胶是继氯化锂后研究应用比较多的一种吸附剂, 其吸湿能力、再生能耗等方面较氯化锂稍差,但由于在吸附/ 解吸过程中始终保持固态, 有良好的物理化学稳定性, 克服了氯化锂吸附剂容易液化逸出的缺点, 即使在高湿度下(100 %) 也能保持转轮表面不结露, 对周边设备无腐蚀。同时当转轮长期使用过程中因灰尘或油污覆盖表面影响除湿效率时, 可采用清水(除灰尘) 或清洁剂(除油污) 直接清洗掉使之恢复, 因此得到了广泛的应用。

制作硅胶除湿转轮的关键是硅胶与无机纤维基材的有机结合。制作除湿转芯的工艺有许多,

Fukushima报道采用混炼挤出成型法, 由于在较高温度、压力下硅胶等多孔材料易产生压溃、熔融、黏合剂堵塞孔道等现象。Ichiura等采用造纸工艺, 以吸附剂为填料, 在复合纤维浆液中抄片, 亦存在吸附剂流失及难加工成型(瓦楞状) 等缺陷。利用溶胶—凝胶法在陶瓷薄片上制备了多微孔活性硅胶薄膜, 所制得的活性硅胶比颗粒状硅胶的吸附热低, 改变了固体吸附剂的微孔界面的物理化学性质, 分子扩散过程得到了有效的强化, 实验结果显示: 在t = 25 ℃、相对湿度为50 %时, 吸附量可以达到013 g/ g。该方法主要存在反应条件复杂、产品(溶胶) 稳定性差、使用有机溶剂等不足之处。KueiSen Chan 等按( TEOS) ∶n( H2O) ∶n( HCl) ∶n (N H4O H) = 1 ∶14 ∶0102 ∶01015 5 比例在80 ℃下凝胶化, 并在60 ℃下干燥,制得改性硅胶, 其再生温度和再生时间和一般硅胶相比都得到很大改善, 实验中利用太阳能在90 ℃下30 min 即可进行再生, 且实验结果显示3 h 后其吸附量约为一般硅胶的3 倍。

目前制备硅胶转轮最有效方法为浸渍法, 其工作原理是: 在无机纤维基材上让水玻璃与酸就地反应, 使生成的硅胶较为均匀地分散在纤维表面及其空隙中, 构成块体吸附剂, 它归属于第三代吸附剂材料(活性硅胶) , 由于不需外加黏合剂, 制备过程中对环境无污染, 故具有工艺简便、环保、产品性能稳定、吸附剂与纤维作用较好等优点, 特别适用于制作除湿转芯。该方法主要存在的问题是: 受溶胶稳定性的制约难以形成高浓度溶胶, 加之无机纤维不溶于水, 溶胶与纤维间接触面小, 因而在无机纤维上附着的溶胶量少, 生成的硅胶少, 除湿效率较低。近期, 方玉堂等报道高效纳米孔径硅胶吸附材料制备方法, 与浸渍法相类似, 不同点是让水玻璃与聚沉剂(絮聚剂) 反应生成硅酸盐沉积在无机纤维上, 然后与酸作用生成硅胶, 该方法提高了硅胶在纤维基材的挂胶量, 如絮凝剂质量分数为15 %条件下浸渍, 挂胶量增幅达40187 % , 相应地, 硅胶饱和吸附量增幅达55198 % , 因而可显著提高吸附效率。

尽管如此, 作为硅胶吸附材料本身, 仍存在下列不足: ①吸附性能有待提高; ②耐热性能需要加强, 由于硅胶耐热性能较弱, 除湿转芯长时间处于80～150 ℃再生环境中, 易出现熔融、塌陷、堵塞孔道等现象, 从而使系统吸附效率降低;③机械强度有待增强, 由于硅胶与陶瓷纤维作用力较弱, 使得转芯材料机械强度较差, 在系统运行过程中, 易出现粉化、掉粉现象, 从而影响其使用寿命。因此, 必须对硅胶进行改性。