多孔干燥剂除湿性能实验研究

牛永红，郭 宁，李 莹，顾 洁

（内蒙古科技大学能源与环境学院，内蒙古 包头 014010）

0 引 言

除湿技术是一种有效的空气湿度调节手段，对湿度进行准确的控制能够保证空调环境中的空气质量达到工艺性和舒适性要求。常用的空气除湿方法包括冷却除湿、固体除湿、液体除湿和膜法除湿[1]。其中固体除湿法是利用多孔固体干燥剂本身的吸附特性进行除湿，多孔固体还能够对室内空气污染物进行吸附[2-4]从而对空气净化，是一种有效的空气调节技术。目前，固体除湿材料主要有硅胶、分子筛、活性氧化铝、氯化锂、活性炭等[5]。由于固体除湿系统结构简单，工作噪音低、运行可靠、方便维护，且使用固体除湿技术还能有效降低用电需求[6]；沸石分子筛和活性氧化铝在低温低湿、高温高湿等特殊环境中依然有一定的除湿能力，具有适用范围广等优势受到关注[7]。因此对固体除湿材料的研究也是除湿领域的研究重点[8-10]。本文采用实验室自行研制的沸石分子筛和活性氧化铝作为固体除湿吸附剂[11]，利用自行建设的固体除湿实验系统进行空气除湿实验，对比研究两者的除湿性能。

1 实验材料及脱附性能分析

多孔介质材料的比表面积和平均孔径的不同对吸附性能有很大的影响，本文采用的除湿剂是利用廉价原料自行研制合成的活性氧化铝和沸石分子筛。活性氧化铝合成方法为：利用工业级的硝酸铝与碳酸氢铵为主要原料，将其分别溶解在二次蒸馏水配制的一定浓度的CTAB溶液中，得到浓度为27%硝酸铝溶液和浓度为12%碳酸氢铵溶液，然后将碳酸氢铵溶液缓慢滴加到硝酸铝溶液中，并不断搅拌，待反应液呈微酸性并产生溶胶状物质，停止滴加，然后继续搅拌防止快速凝胶而造成结构不均匀，之后对凝胶进行陈化后干燥、获得粉末，经高温煅烧后将粉末研磨、制球即得活性氧化铝干燥剂。

沸石分子筛的合成方法：利用某电厂粉煤灰为原料，将粉煤灰研磨后进行过筛，将活化剂氢氧化钠按照比例进行充分混合，将混合物装入镍坩埚在一定温度下进行高温煅烧，随炉冷却至室温后将得到的材料放入研钵中研细，再将所得材料按照一定固液比加入水并搅拌陈化，然后在水热条件下晶化一段时间，最后固液混合反应物经过滤、洗涤、干燥后成球得到沸石分子筛干燥剂。

实验室采用美国Quantachrome公司生产的NOVA 3000e型物理吸附分析仪，通过氮气吸附法对自制活性氧化铝和沸石分子筛的比表面积进行BET法测算，计算公式为式（1），测得活性氧化铝比表面积约415m2/g，沸石分子筛比表面积约148m2/g。由BJH方程计算得到活性氧化铝的平均孔径约4.9 nm。沸石分子筛的平均孔径约3.8nm。

式中：Sg——被测样品比表面积，m2/g；

Vm——标准状态下单分子层饱和吸附量，mL；

Am——氮分子等效最大横截面积（一般取0.162nm2）；

NA——阿伏加德罗常量，6.022×1023；

W——被测样品质量，g。

采用热重分析仪（型号为STA449F3），升温速率为10K/min，从30～500℃，保护气为氮气。对自制沸石分子筛和活性氧化铝进行了脱附性能分析，图1为饱和材料热重分析动态T-G曲线，对比了沸石分子筛和活性氧化铝物料在升温到500℃过程样品的质量保持率，并依此分析其脱附效果。由图可知两种物料在30～200℃温度范围内失重明显，失重率占整个失重过程的90%，200℃之后尽管温度继续升高但失重率变化很小，活性氧化铝在整个脱附过程中失重达到34.5%，沸石分子筛失重率为29.2%。相较而言，沸石分子筛的失重率小，说明其自身的饱和吸附量较活性氧化铝小。由T-G曲线可知，自制活性氧化铝和沸石分子筛的脱附过程都主要发生在中低温段，可以采用低温热源如太阳能等可再生能进行再生。

图1 活性氧化铝和沸石分子筛的T-G曲线

2 多孔固体除湿实验系统及功能

建立了多孔固体空气除湿的实验系统，该系统主要由可填加多孔除湿干燥剂的除湿柱和再生柱组成，辅助设备有风机、空气加湿器、温湿度调控箱、温湿度检测点及在线检测装置等，可实现空气的除湿和干燥剂的再生两个可交替的过程。除湿过程，空气经过加湿器定量加湿后由风机引入温湿度调控箱，经温湿度调控箱将湿空气的湿度和温度调节到实验所需工况后进入除湿柱中进行吸附除湿，被除湿干燥的空气上行排出系统，当固体除湿材料除湿能力下降到一定程度后（接近饱和）进入再生阶段。再生阶段，将干空气由再生风机引入热交换器进行加热后送入再生柱对除湿材料进行脱附再生。在实验系统的除湿柱和再生柱中部设置了温度测点，空气进口和出口处分别设置了温度、湿度和压力的测点。温湿度采用PTH-A24型精密温湿度巡检仪测量（温度测量准确度为0.01℃，相对湿度测量准确度为0.01%RH），可对除湿和再生过程在线监测。

3 除湿性能实验测试和分析

利用空气除湿试验系统展开了自制沸石分子筛和活性氧化铝除湿性能的实验测试和分析。实验工况为，空气进口温度27℃，空气进口含湿量23.5g/kg，流量为56.5m3/h，再生温度60℃，再生时间3000s。

图2给出了实验工况条件下，经沸石分子筛和活性氧化铝除湿后的空气出口含湿量随处理时间的关系曲线。从图2可以看出，两种除湿剂的除湿过程可以分为初始的高效除湿和之后的稳定除湿两个过程。沸石分子筛的高效除湿过程约发生在前500s时间内，500～1000s时间内除湿效率迅速降低，1000s以后进入低效率的稳定除湿阶段。活性氧化铝的高效除湿过程约发生在前800s时间内，之后逐步进入效率较低相对平稳的除湿阶段。在高效除湿阶段，由于固体除湿剂不饱和程度高，其吸附能力较强，空气经活性氧化铝除湿后出口含湿量的平均增加速率约为0.016g/（kg·s），而空气经沸石分子筛除湿后出口含湿量的平均增加速率约为0.013 g/（kg·s），即活性氧化铝除湿速率比沸石分子筛约慢0.003g/（kg·s）。随着除湿时间的增加，除湿剂的不饱和率降低，对空气的除湿率降低，到800s时，两种除湿剂处理空气出口含湿量相等，为14.9g/kg，除湿率为36.6%。约在800s之后，经活性氧化铝除湿后空气出口的含湿量趋于平缓上升阶段，效率降低到23%以内。沸石分子筛约在1 000 s之后除湿效率降低到6%以内。尽管实验时间内除湿过程尚未达到平衡态，但除湿的最终结果是可以预期的，即达到除湿吸附和脱附的平衡态，此时除湿剂失效，除湿率降为0，湿空气出口含湿量等于进口含湿量。

结合图2，采用除湿量计算式（2）计算活性氧化铝和沸石分子筛不同除湿时间的除湿量。可进一步分析两种除湿材料的除湿性能。除湿量反映了处理空气经过除湿柱后绝对含湿量的变化，是除湿性能的评价指标之一，固体除湿剂单位时间的除湿量越大，说明其除湿能力越强。在800s之前，沸石分子筛的除湿量高于活性氧化铝的除湿量。800s之后，活性氧化铝的除湿量较沸石分子筛明显上升，进入稳定阶段后除湿量约为沸石分子筛的3.4倍。

图2 空气出口含湿量随时间的变化

式中：D——除湿量，g/kg；

Y1，Y2——进出口空气的含湿量，g/kg。

为了分析固体除湿产生的吸附热对除湿效果的影响，实验过程中同步测定了不同时间节点经除湿后空气出口的温度。图3为经干燥剂除湿后空气的出口温度与除湿时间的关系曲线。可以看出，随着时间的增加，除湿剂迅速释放出吸附热，该吸附热使除湿干燥剂自身温度升高，多余的吸附热传递给了被处理的空气使空气出口温度亦明显升高。结合图2、图3综合分析，随着空气出口温度的增加除湿剂的除湿性能逐渐减弱。800s之后经沸石分子筛除湿后空气出口平均温度达到55℃，经活性氧化铝除湿后空气出口平均温度达到42℃，沸石分子筛除湿过程释放的吸附热明显高于活性氧化铝。之后均进入稳定段，随着时间增长，空气出口温度稍有降低。在空气出口温度进入稳定段的同时除湿剂的吸附性能亦进入稳定段。这是由于除湿剂吸附放热后温度升高，促使空气中水分子热运动的剧烈程度增加，部分与除湿剂表面接触碰撞的水分子不能被吸附，同时也会使已吸附在除湿剂表面上的水分子获得能量而脱附，因此降低了除湿效率。由此可见吸附热对固体除湿剂的除湿效果影响很大，若对固体除湿剂进行内部冷却，进而抵消吸附热能有效提高除湿效率。

图3 空气出口温度随时间的变化

4 结束语

1）实验室采用廉价的硝酸铝和碳酸氢铵为原料制备活性氧化铝和工业粉煤灰为原料制备的沸石分子筛两种除湿干燥剂，均具有较大的比表面积和较小的孔径，其脱附过程主要发生在中低温段，可以采用低温热源如太阳能等可再生能源做脱附热源，且活性氧化铝干燥剂的脱附速率明显高于沸石分子筛。自制的两种干燥剂在固体除湿空调领域具有优越的应用前景[12]。

2）自制的两种干燥剂的除湿过程可以分为初始的高效除湿和之后的稳定除湿两个阶段，初始阶段活性氧化铝和沸石分子筛和的吸附性能都较强，除湿量相差不大，当进入稳定阶段后活性氧化铝的除湿量是沸石分子筛除湿量的3.4倍,活性氧化铝对空气的稳定除湿效果更好。

3）随着时间的增加，除湿干燥剂迅速释放出吸附热使温度升高，从而使除湿剂的吸附性能降低且逐渐趋于平缓。因此对于沸石分子筛和活性氧化铝的吸附除湿系统，采用冷源进行内冷却从而抵消吸附热会大大提高除湿干燥剂的除湿效率。

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