几种常用固体吸附剂吸湿性能与再生效果实验研究

刘露露 ，王庚 ，王震 ，胡宁

(1.安徽建筑大学建筑能效控制与评估教育部工程研究中心，安徽 合肥 230022；2.智能建筑与建筑节能安徽省重点实验室 安徽 合肥 230022)

0 引言

室内空气湿度的控制对人们工作生活的舒适性、物品保存以及工业生产过程都扮演着十分重要的角色[1]。可见，除湿是生活生产中必须解决的一个重要问题。目前空气除湿方式有冷凝除湿、膜法除湿、固体除湿、液体除湿等各种技术[2]。本文主要研究固体除湿方式，完整的固体吸附循环过程包括除湿、再生和冷却，再生方式有电渗再生[3][4]、超声波再生[5]、微波再生[6][7]、加热再生等。

目前，国内外的学者对利用固体吸附剂除湿及其再生做了大量的研究。Dunkle于1965年首次提出了固体吸附除湿型空调系统。Dai Y J等[8]使用数学模型建立了瞬态耦合传热传质的连续性和能量守恒方程，从除湿和再生两方面详细讨论了吸附热、转速、再生温度、干燥剂基质厚度等问题来评价转轮除湿机性能。随后的研究和开发工作表明:新的干燥剂材料和新型转轮除湿空调系统配置具有提高除湿性能和可靠性的巨大潜力[9]。此外，轮速和再生与除湿的面积比亦作为关键的操作和设计参数[10]。涂壤等[11]分析比较了不同固体除湿方式的热质交换过程，并建立了相应的传热传质模型及验证了模型的准确性，结果表明:热泵型内冷固体除湿床的传热传质过程最优。吕宁等[12]提出一种内热再生式固体除湿器，该除湿器在连续运行且不采用内冷措施的情况下仍能对高湿气体长时间保持较高的除湿效率，再生过程所需要的时间远远小于有效除湿时间。杨晚生等[7]从再生能耗和再生效果两方面对除湿材料(硅胶)的热风和微波再生的性能进行研究分析，结果表明:当达到相同的效果时，微波的再生速率远高于热风的再生速率，而微波能耗只有热风能耗的25.2%～37.7%，且微波再生平均能源利用率为热风再生的2.51～3.21倍。李维等[13]利用吸附能效评价指标分析了不同组合填装方式的固体吸附材料在吸附过程的节能效果。结果表明:固体吸附除湿材料硅胶+13X分子筛的组合填装方式更适用于固定床固体吸附除湿。还有一些学者在开发新型改性吸附除湿材料方面做了研究[14][15]。

国内外学者既对除湿方式做了大量的研究，又对材料的不同再生方式各种改进，对常用单一固体材料的吸湿和再生特性研究较少。本文设计搭建了一种常用固体吸附剂除湿与加热再生实验装置，选取三种固体材料:硅胶、活性氧化铝、及13X分子筛，对吸湿量、吸湿速率、再生量及再生速率进行了实验研究。研究结果对固体除湿材料的选择及应用具有一定的借鉴作用。

1 吸附材料处理空气的机理

吸附现象是相异二相界面上的一种分子积聚现象。吸附就是把分子配列程度较低的气相分子浓缩到分子配列程度较高的固相中。物理吸附主要是依靠普遍存在于分子间的范德华力起作用。干燥剂的吸湿与析湿(再生)是由干燥剂表面的蒸汽压力差与环境空气的蒸汽压力差造成的，因而不同的干燥剂具有不同的吸湿与吸湿能力。

2 实验介绍

2.1 实验装置与测试仪器

吸湿再生装置如图1所示，主要包括保温层，电加热层，材料吸湿再生层以及加湿器加湿四个部分。整个装置外部尺寸为1020 mm×1020 mm×630 mm(长×宽×高)，由厚度均为10mm的钢化玻璃所拼接构成的箱体，所有缝隙均用玻璃胶进行密封；装置底部设有硬质聚氨酯板，起到保温作用；加热层铺设硅橡胶加热板，提供吸湿饱和后0～180℃的加热再生温度；材料层是用无纺布盛放的各种吸附材料；箱体外部摆放加湿器用在除湿过程中材料的人工加湿。实体图如图2所示，主要测试仪器如表1。

图1 实验平台平面示意图

表1 实验仪器及性能参数

图2 实验平台实体图

2.2 测试方法及工况

试验前，将三种除湿材料放置在硅橡胶加热板上进行预处理至完全干燥后冷却至室温并称重，三种材料取相同质量2kg，记为mg。

室内温度27℃，相对湿度68%。

吸湿过程:在常温下利用加湿器分别对三种吸附材料进行不断加湿，通过重力传感器测量其质量变化，每十分钟记录一组数据，记为mt，直到传感器示数在一段时间内有稳定微小波动且恒定后，停止吸湿试验，此时除湿材料达到吸湿与加湿平衡点，吸湿达到饱和或基本达到饱和。

再生过程:对饱和吸湿状态的固体吸附材料进行加热再生实验，每十分钟记录一组数据，直至一段时间内质量不发生变化，此时除湿材料再生过程结束，停止再生测试。

3 实验结果及分析

3.1 吸湿过程分析

固体吸附材料的吸湿性能常采用吸湿量、吸湿速率等指标进行评价分析。本文通过测定吸附材料的吸湿量随时间的变化(每种材料进行三次)来分析其吸湿性能。吸湿量W吸[17]，即单位质量吸附剂吸附水蒸汽的质量，其计算公式为:

其中:Δm=mt-mg为吸湿材料吸湿前后质量的变化，kg；mg为除湿材料完全干燥状态下的质量，kg；mt为吸湿过程中t时刻除湿材料的质量，kg。

3.1.1 逐时吸湿量变化规律

将某一时刻吸湿前后的吸湿量之差定义为逐时吸湿量，其计算公式为ΔW吸=W吸后-W吸前，不同吸附剂逐时吸湿量变化曲线如图3所示:

图3 相同吸湿工况下，三种材料逐时吸湿量ΔW吸随时间的变化

图4 三种材料拟合曲线

取每种吸附材料三次逐时吸湿量的平均值得到吸湿量随时间变化的的规律如表3所示:

由表3可知:3种材料的吸湿量均随时间呈对数递减规律。

由图3可见，随着吸湿过程的进行，硅胶、活性氧化铝和13X分子筛的吸湿量在前1 h内急剧上升达到最大值，然后呈线性下降趋势，直到吸湿能力达到最小稳定值。由于硅胶、活性氧化铝、13X分子筛为多孔介质材料，在吸湿开始阶段，吸附剂在吸附一定的水蒸气以后，发生了毛细冷凝现象[14]，其吸附能力得到了一定的提高。随着时间的进行，水蒸气将多孔介质微孔填满，吸附能力降低。吸附的初始一小时，硅胶、活性氧化铝、13X分子筛达到了最大小时吸湿量，分别为26g kg，24.98 g kg，29.67g kg。在10小时内，13X分子筛的吸湿量大于硅胶的吸湿量大于活性氧化铝的吸湿量，之后13X分子筛的吸湿量持续下降并低于硅胶的吸湿量，达到平衡为5g(kg·h)。10小时后硅胶的吸湿量保持稳定在10g(kg·h)，18小时后逐渐下降维持在5g(kg·h)。

表2 实验材料参数表

表3 稳定后(1 h后)逐时除湿量与时间的拟合公式

图5 三种吸附材料有效吸湿时间内逐时吸湿量随时间变化曲线

图6 三种吸附材料有效吸湿时间内吸湿量随时间变化曲线

由图4可以看出吸湿过程中硅胶、活性氧化铝及13X分子筛的吸湿量在前1 h内急剧上升逐渐达到最大值，紧接着吸湿量均随时间呈递减变化的趋势，再吸湿能力达到一定稳定值，最后失去吸湿的能力。

3.1.2 有效吸湿时间与有效吸湿量的分析

由于除湿材料的运行时间较长，逐时吸湿量快速增长后线性下降，故本文定义最初达到最大逐时吸湿量的时刻到其首次达到吸湿与加湿稳定平衡点(5g kg)时刻为实际有效吸湿时间；期间的吸湿量即为有效吸湿量。

由图5可知，本文以逐时除湿量5g kg为标准，硅胶、活性氧化铝、13X分子筛有效除湿时间段分别为0-20 h，0-9 h，0-13 h，其有效除湿时间分别为 20 h、9 h、13 h。

由图6可知在有效吸湿时间内，硅胶的有效吸湿量达到极限，总的吸湿量为281.63g(kg·h)，其平均吸湿量为 14.08g(kg·h)；活性氧化铝为147.97g(kg·h)，平均吸湿量为 16.44g(kg·h)；13X分子筛为 216.03g kg，平均吸湿量为16.62g kg。而在相同吸湿时间9小时内，硅胶、活性氧化铝、13X分子筛的平均吸湿量分别为20.01g(kg ·h)、16.44g(kg ·h)、20.57g(kg ·h)。对于三种吸湿材料来说从平均吸湿量来讲吸湿效果最佳的依次是分子筛，硅胶，活性氧化铝，且硅胶与13X分子筛的平均吸湿量明显大于活性氧化铝；从有效吸湿量上来讲吸湿效果最佳的依次是硅胶、分子筛、活性氧化铝，且硅胶的吸湿量是活性氧化铝的1.90倍，吸湿效果明显。

3.2 再生过程分析

再生是使得吸湿材料水分高温解析脱附而重新具备除湿性能的方法，而再生量是直接反映其再生效果的重要参数之一，其计算公式为:

其中:Δm为吸湿材料再生前后质量的变化，kg；mg为除湿材料完全干燥状态下的质量，kg；(再生温度60℃)。

3.2.1 逐时再生量变化规律

将某一时刻再生前后的再生量之差定义为逐时再生量，其计算公式为

ΔW生=W生前-W生后，不同吸附剂逐时再生量变化曲线如图7所示:

图7 相同再生工况下，三种材料逐时再生量ΔW生随时间的变化曲线

由图7可知，三种不同的除湿材料在前三个小时再生速率比较快，这是因为加热板使材料在短时间内获得较高的温度，使其材料孔隙间附着的水蒸气随着温度的升高逐渐获得了摆脱除湿材料束缚的能力而脱附。前三个小时内硅胶、活性氧化铝、13X分子筛的再生量分别为153.14g kg、104.18g kg、82.88g kg，占总量的 60.7%、73.7%、65.3%。而在三小时后再生速率逐渐回归平稳，逐时再生量降低，说明材料再生能力在逐渐减弱，最后逐渐趋于零。硅胶的最大逐时再生量为16.2g kg，活性氧化铝为14.3g kg，而分子筛只有6.8g kg，硅胶是其2.38倍。这是因为较低的吸附热使得硅胶和水蒸气分子的结合较弱，有益于硅胶的解析再生，而13X分子筛的水蒸气吸附热相当高，故而需要很高的再生温度，60℃完全达不到。

3.2.2 有效再生时间与有效再生量的分析

取1小时内，再生量不超过5g kg为再生过程的终点，有效再生时间即再生过程起点到终点的时间为有效再生时间；有效再生时间内的再生量为有效再生量，可得到本次研究吸湿-再生中不同材料的有效再生时间和有效再生量如图8和表4:

图8 吸湿-解吸工况下，吸附量(再生量)W随时间的变化

表4 不同材料有效再生时间和有效再生量

3.2.3 再生率

再生率是指是除湿材料再生量与其饱和吸湿量的比值，有效再生时间内对应的再生率即为除湿装置的有效再生率，再生率的计算公式如下:

式中，η-吸湿材料的再生率，%；

W吸-吸湿材料饱和时的吸湿总量，g kg；

W生-除湿材料再生量，g kg

由图7，图8和表4可知，在同样再生温度为60℃的工况下，硅胶、活性氧化铝、13X分子筛有效再生时间内的平均再生速率分别为30.54g(kg·h)、25.68g(kg·h)、20.09g(kg·h)。再生速率相差不大，分子筛相对略小些；从再生量来说，硅胶的再生量是分子筛的2.03倍，是活性氧化铝的1.90倍；从再生率来说，三种材料的再生率分别为86.09%、75.06%和48.24%。说明低温条件下硅胶和活性氧化铝再生效果好；而会使得分子筛再生时间的延长或者再生效果不明显。

4 结论

实验研究了三种常用固体吸附剂(包括硅胶、活性氧化铝、13X分子筛)的吸湿与再生性能与特征，得到了如下结论:

(1)在吸湿工况下，硅胶、活性氧化铝、13X分子筛三种吸附材料的逐时除湿量随时间变化趋势一致，均随时间呈对数递减规律；且小时吸湿量在前1 h内急剧上升达到最大值，分别为26g kg、24.98g kg、29.67g kg，然后呈线性下降趋势，直到吸湿能力达到最小稳定值。

(2)实验条件下，硅胶、活性氧化铝、13X分子筛实现湿平衡的有效吸湿时间分别为20 h、9 h、13 h，吸湿量分别为281.63g kg、147.97g kg、216.03g kg，且硅胶的吸湿量是活性氧化铝的1.90倍，分子筛的吸湿量是活性氧化铝的1.50倍，吸湿效果都明显优于活性氧化铝。

(3)在60℃再生工况下，硅胶、活性氧化铝、13X分子筛前三个小时内再生量分别为153.14g kg、104.18g kg、82.88g kg，再生速率分别为51.05g(kg·h)、34.73g(kg·h)、27.63g(kg·h)，硅胶的再生速率明显大于活性氧化铝、13X分子筛的再生速率；有效再生时间内硅胶、活性氧化铝、13X分子筛的有效再生量分别为235.84g kg、128.41g kg、120.55g kg，平均再生速率分别为30.54g(kg·h)，25.68g(kg·h)，20.09g(kg·h)；且活性氧化铝、13X分子筛的有效再生量是硅胶有效再生量的近50%。

(4)吸湿-再生循环下，硅胶、活性氧化铝、13X分子筛的再生率分别为86.09%、75.06%、48.24%。60℃再生条件下，硅胶和活性氧化铝的再生率比13X分子筛的再生率要高，说明低温情况下不利于分子筛的再生。