水蒸气分离膜组件形式对除湿效率的影响度研究

常 达，许 剑，王 宠

（中国乐凯集团有限公司研究院 河北 保定 071054）

0 引言

水蒸气分离膜又名除湿膜，包括有机溶剂除湿、空气除湿、液体除湿等，除湿广泛存在于我们的日常生产生活中，它是我们研究社会的一个重要课题，不同的湿度环境对人体有很大的影响，在湿度30%～60%的范围内是人们从事生产生活的最佳条件[1]。工业生产中，锂电原材料、锂电制备、精密设备、军舰潜艇、航空航天等对气体湿度的要求更高。例如，生产线和厂房等环境的有机气体监测系统中，过高的湿气会造成其中水溶性组分的流失，导致检测结果误差偏大，造成检测不准[2]；空气湿度过大时，跨海大桥常用的桥梁钢材易发生电化学腐蚀，而造成桥梁寿命的缩短[3]。

目前生产生活中常用的除湿方式有家用的冷冻降低露点和工业上的转轮吸附再生等方式，但是能耗高、深度除湿效率低限制了除湿行业的发展，对于除湿暴露出来的缺点，研究人员开发出了膜法除湿方式，该方式具有耗能低、节能环保、系统占地面积小、应用场景广泛等优点[4-5]。本文从不同的应用场景出发，探讨了适配不同场景的组件形式，包括：中空纤维[6]、管式、卷式、板式等。

1 压缩机式气体除湿

在科研实验中，压缩空气作为高压气体是必不可少的设备用气，但是过高的湿度会导致设备在使用压缩空气时出现损害，同时对于实验环境也会产生不可逆转的损坏，所以需要对压缩空气进行除湿。目前压缩空气采用的除湿是在压缩空气末端加装干燥剂，这种方法除湿不彻底。吴庸烈等[7]将采用一定流量的脱湿后的压缩空气作为吹扫气来为乙醇气相脱水，将中空纤维膜除湿的压缩空气与乙醇（气相）脱水两者相结合起来，采用一定流量的脱湿后的压缩空气作为反吹气体，实验表明，压缩空气的脱湿程度越高，乙醇气相脱水的效果越好，大大提高了乙醇的脱水效率。

日本大金、UBE 等公司研发了应用于压缩气体除湿的膜法除湿装置，采用中空纤维膜组件，在很小的体积增大了除湿面积，适用于高压气体，直接在末端加装组件，即可随时使用，具体原理图如图1所示[8]。

图1 中空纤维膜除湿原理Fig1 Desiccant principle of hollow fiber membrane

2 环境除湿

2.1 膜法除湿原理

针对不同的环境（家用和工业）除湿，常用的除湿手段为降温冷冻、吸湿剂吸附及加热再生等方式，但是这些方法的除湿效率低、占地面积大、冷冻的不能深度除湿等，限制了除湿行业的发展。本文通过对比板式、卷式、管式、帘式等不同组件形式的优缺点，分析了膜法除湿的优点，为未来除湿指明方向。本文通过实验室制备的水蒸气分离膜，膜法分离的原理[9]如图2所示，制备了不同的组件。

图2 膜法除湿原理Fig2 Principle of membrane dehumidification

2.2 不同组件优缺点

根据使用场景的不同，本文制备了不同形式的组件，其优缺点如表1所示。

表1 不同组件形式优缺点Table1 Advantages and disadvantages of different component forms

2.3 不同组件水蒸气分离性能分析

通过在实验室搭建除湿环境，本文对两种有代表性的组件进行了除湿量的对比，首先是柔性平板组件，除湿量如图3所示。经过400 min 的测试，柔性平板组件的除湿量首先增加，然后趋于平缓，因为膜法除湿与环境里面的含水量有关系，当湿度大的时候，含水量大，水蒸气与膜的接触概率大，所以前期除湿速率快，同时柔性平板组件除湿效果达到30%以下，表明可以进行深度除湿，而对于传统的冷冻除湿来说，这是一个非常大的优势。

图3 柔性平板组件除湿效果Fig3 Dehumidification effect of flexible flat panel component

接下来本文对多孔管式组件进行了除湿效果测试，测试结果如图4所示，从图中可以看出多孔管式组件除湿效果要好于柔性平板组件，除湿效果也是符合膜法除湿原理，最开始湿度高的时候水蒸气与膜的接触概率大，除湿效果显著，随着环境中水蒸气的减少，除湿速率逐渐降低，但是整体湿度可以下降至30%及以下，除湿效果要好于传统的冷冻除湿方式。

图4 多孔管式组件除湿效果Fig4 Dehumidification effect of porous tubular module

3 应用场景

本文根据膜法除湿的工作原理，对其组件工作场景进行了总结，同时也设计了水蒸气分离膜的应用方式，如图5和图6所示，水蒸气分离膜不受温度与露点的影响，可以应用到深度除湿领域，同时变换不同的组件形式，可以应用到小－中－大各种环境中，例如在狭窄的桥梁管道中，可以应用柔性多孔组件；在手套箱、船舶、航空航天领域，可以应用卷式组件，以最小的体积换取最大的除湿面积等。

图5 水蒸气分离膜应用示意图Fig5 Schematic diagram of water vapor separation membrane application

图6 膜法除湿应用场景Fig6 Application of membrane dehumidification

4 总结

水蒸气分离膜不受场所、露点等影响，广泛应用于各种场景，不同组件形式的设计，极大拓宽了它的应用范围，同时不同组件由于有效面积与体积比不同，除湿效果也有一些差异，但是均可以满足深度除湿的要求，本文开发的水蒸气分离膜，在选择透过水蒸气的同时，保证了其余气体的截留，同时搭配不同的组件形式，在锂电、桥梁、船舶等小空间深度除湿场所有很大的除湿效果。