固体吸附除湿剂的制备及性能研究

固 体 吸 附 除 湿 剂 ~r~lN备 及 ，陛 能 研 究 * 崔 群 陈海军 姚虎卿 (南京工业大学 化工学院，南京，210009) 捕要 针对固体吸附除湿科砖的特点 ，开展了高效除湿剂的科备及性能研究 通过正交实验优选出吸附剂的原料配 比和制备条件；测定了吸附剂的吸附容量及吸附等温线 ；对自 吸附剂及 13 x分子筛的脱附过程进行了热分析研究。 结果表明：自制复台型吸附剂 Nw～l62和 Nw一164的吸附性能优于 13 x和5 A分子筛等常规吸附剂 。其中平衡吸附 量大于0 7 kg·kg ，峰顶温度低于 13 x分子筛 50℃左右 。是有着良好应用开发前景的高效固体除湿荆 关键词 除湿剂 吸附量 热分析 正交分析 除湿制冷 空气中相对湿度的大小不但影响人们的生活环 境，而且对物质的保存、生产过程和科技设备的运行 等有着重要的影响。因此 ，对空调环境中的湿度予以 调节，特别对一些特殊功能的建筑物及特殊生产环境 的空气湿度的控制显得尤为重要。 常用的除湿方法有冷凝法和吸附法 。冷凝 除湿法是将空气冷却到露点温度以下冷凝结水析出。 传统的空气除湿法普遍采用冷凝法，但它存在着设备 结构复杂、耗电量大、压缩机使用氟里昂等缺点，当被 处理湿空气的温度、湿度低时，除湿效率低 ，能耗大， 并且低温时压缩机无法启动。吸附除湿法是采用吸 附材料动态吸附空气 中的水蒸气，处理空气量大，可 在低温、低湿状态获得低露点的空气，再生热源除使 用电能外，还可利用水蒸气、煤气、太阳能、工业废热 等低品位的热源，节约大量的能源，不用压缩机，没有 氟氯烃对大气臭氧层的污染问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 。设备在接近大气 的条件下运行 ，旋转部件少 ，结构和维护简单，噪声 低，运行可靠 ，因而受到广泛重视。目前欧美国家大 型除湿机主要使用的是吸附式转轮除湿机，日本也相 继研制成功了吸附式转轮除湿机，已在船舶、化工、制 Microorganism Erosion of M aking Paper System Wang Shumei (College of Chemical Engineering，N ing Forestry ． University，Nanjing，210037) Abstract The paper ftOt only introduces the harm of microorganism erosion irt paper industry but also a|l s the mechanism of microorganism erosion、According to the present situations of pape r industry，the paper puts forward the safety solutions to preventing the micr00 gaism erosion． Keywords Mic~ rganism erosion，Mechanism，Safe~ solutions * 江苏省应 用基础项 目、基 盘项 日(BJ97067 21 维普资讯 http://www.cqvip.com I雹置圆 2001年第11期 科技进展《Advances Science＆Technology) 药、食品等许多工业领域应用。国外已开始重点发展 吸附式除湿空调系统．通过除湿和冷却两个步骤来达 到调温和调湿目的，被认为是一种很有潜力的新型空 调系统【 - 。我国吸附式转轮除湿机的使用主要依 赖进13，由于进 13价格 昂贵，更换备件困难，维修不 便 ．因而使用的单位很少。关于固体除湿空调的技术 尚处于实验研究阶段。 然而．目前应用的转轮除湿机能耗较高，转轮必 须经高温气流对其吸附剂再生，输 出干空气温升较 大，这些主要是固体除湿剂的性能决定。除湿转轮大 多采用合成沸石、硅胶和氰化锂为吸附剂 ．由物性分 析可知，这些吸附性强的物质其脱附所需要的温度也 高 ，再生耗热量大。其中合成沸石需要在较高温度下 脱附(200℃以上)；硅胶在吸附时放出大量的热量 ，影 响其吸附量；氯化锂吸附一定量的水后容易溢出，造 成设备腐蚀_5 J。因而开发具有较大吸附容量和较低 脱附温度的高效吸附除湿剂已经成为除湿干燥和除 湿制冷技术开发应用的关键之一。这类吸附剂的开 发成功也将降低工业干燥和除湿过程能耗，具有广泛 的实用性。本文针对固体除湿及除湿制冷的特点．进 行有关固体吸附剂的制备和性能测试工作，旨在为固 体除湿技术的开发应用提供基础研究。 口 回生堕!笪堕 厦堡 固体吸附除湿的基本原理是在应用固体吸湿剂 进行吸湿的过程中，同步对吸湿后的吸湿剂进行再生 脱水工序，使固体吸湿剂循环使用．整个吸湿工作可 以恒定连续进行 j。比较典型的结构是转轮除湿机。 如瑞典的 DST公司除湿机和 MUNTERS蒙特公 司除 湿机等 DST公司转轮除湿机是用大面积蜂巢状的 表面牯附有硅胶类吸湿剂的转轮作吸湿主体．转轮以 每小时 30转作低速转动，处理空气通过转轮的蜂巢 装表面时水分被吸附去而成千空气流出．达到除湿的 目的。吸湿后的转轮体旋转到再生区域又被再生热 空气吸除所含水分 ，并带 出机外，又回复原状态进行 下一次吸湿，同步循环的运转使除湿机可以恒定连续 地除湿。图 l为除湿转轮的工作原理图。 目 塞 堕 2．1 试剂及仪 器 原料：合成沸石、硅胶、氧化铝、高岭土和膨润土 一 22 一 等由南京无机化工厂提供。 干燥转轮 干空气 围 1 除湿转轮的工作原理图 仪器：薄膜式真空压力计．上海振太仪表有限公 司；DGF30／电热鼓风干燥箱．南京实验仪器厂；茂福 式电阻炉．南京电炉厂；TG328A电光分析天平，上海 天平仪器厂；CGY一65型测高仪，上海光学仪器厂； CS501型超级恒温器，重庆试验设备厂；w 一1微机 差热天平．北京光学仪器厂。 2．2 吸附剂制备 采用混合法制备吸附剂。按照选定的原料配比． 称取一定量样品。经过研磨成细粉末状，混合均匀， 然后加水搅拌 ，经手工加工成型或由挤条机挤条。将 上述加工成型的干燥剂经干燥箱烘干，然后在马福炉 中分段焙烧，最后取出放在干燥器中冷却备用。 2．3 吸附容量及等温线测定 二I l l 莆 嘴 e 卜一吸附柱 2一石英弹簧 3一吊篮 4、6、7、8一 阀门 5一试剂瓶 围 2 吸附等温线测量装置 维普资讯 http://www.cqvip.com 科技进展(Advances Science＆Technology~ 2001年第11期-雹置圈 吸附等温线用高真空重量法进行测定．实验装置 如图 2。 实验步骤：系统抽至真空，放人少量吸附质蒸气． 吸附后质量增加，引起石英弹簧伸长。读出石英弹簧 高度．记录相对应的系统压力。数据经处理后 ，可得 吸附容量。改变压力值 ，重复上述过程．就可 以测得 不同温度下的吸附等温线。 圈 堕墨 过监 3．1 吸附剂的原 料配 比 通过原料的筛选实验 ，选出材料 、w3、w 、wl0 和 W0作为除湿剂的主要原料。设计正交实验，对吸 附剂的原料配比进行了优化。 寰 l 因蠢和水平对照裹 实验选用正交表 k(4 )来安排 J，因素和水平的 规定如表 1。按正交设计的配比进行吸附剂的制备； 在真空重量吸附仪上测得 2 000 Pa下对水的平衡吸 附量；在 WCI"一l热重一差热分析仪上，对吸附剂失 重及脱附过程进行分析。其结果见表 2。以吸附剂 强度、吸附量和再生(峰顶)温度为评价指标。强度一 项分 为 4个指 标 ：好 (20)，较 好 (15)．较 差 (10)，差 (5)。 裹 2 吸附剂 配比试马奎结果裹 由极差分析结果可知，各因素对指标影响的主次 关 系如下 ： 主 次 强 度 ：C 一—— B．A，E 吸 附 量 ：E C A B 再生温度 ：E c B A 一 般认为强度是主要指标，吸附量和再生温度作 为次 要 指 标。优 选 得 到 最 优 组 台 为：C3A E2B2， c3A2E3B2o 在以上试验基础之上，利用优选的配比安排试 验，结果如表 3： 采 3 优化配比的实马奎结果 实验结果从几个指标来看．基本符合预测的情 况，与原来的吸附剂相比，具有较低的再生温度，较好 的强 度以及较太 的吸附量。这 一点在强度 和再生 温 度这两项体现得尤其清楚，因此分析得到的结果是可 靠的。 3．2 吸附量及吸附等温线 根据吸附剂原料配比优化结果制各两种吸附剂． 用高真空重量法测得上述吸附剂在 30℃下的平衡吸 附量列于表 4。 寰4 自制吸附剂的平衡吸附量 维普资讯 http://www.cqvip.com _囵置圃 2001年第11期 科技进展{Advances Science＆Technology} 图 3 自制吸附剂一水吸附等温线 (℃】 由表 4可见 ，Nw— l62和 Nw一 164对 吸附水的 平衡吸附量分别 0．860 kg／kg和 0．741 kg／kg．与常用 的硅胶 、l3 X、5 A和4 A分子筛相 比，吸附容量均有 较大幅度的提高 其等温线如图3所示。 3．3 吸附等温线的拟台 对上述测定的吸附平衡数据用 D—A方程进行 拟台，得到自制吸附剂的吸附平衡等温线方程 ，为吸 附剂的开发应用提供设计参数。 Dubinirr--Astakhov方程(简称 D—A方程)，是由 吸附势能模型为基础而推导得出。吸附势能模 型的 基本思想是：认为吸附力的作用范围远超过单个分子 的直径 ，且这种吸附力不会因为第一层吸附物的存在 而消失，因而在固体吸附剂的表面存在吸附势 能场 (只具有热力学的意义)，势能最大的点为吸附中心， 随着离该中心的距离增加，势能减小直到为零。 D—A方程的形式为 ： in u=in v0一 (Rnn(P ／P)／口) = In Vo—D(Tin(P ／P))“ (a) 若用吸附质与吸附剂的质量比表示，可以得到： in x=In Xo—D( ln(P ／P)) (b) 0 为极限吸附量：D， 为常数。对上述 4种吸 附剂 的 吸 附 等 温 线 数 据 使 用 D—A 方 程 采 用 GAUl--NEWTON法进行拟台 ，结果列于表 5。 拟合参数来看 ，拟合方差的数量级均为 lO～． 回归系数在99％以上 ，这表明D—A方程能较好地拟 合实验数据 。 一 24 一 寰 5 D--A方程的拟台参敲和拟台误差f30℃ 各吸附剂的吸附等温线见图 3，吸附等温线的形 状属于 Brunauer分 类的类 型 II。可认为在 吸附过 程 中完成单层 吸附后 ，有形成多分子层 吸附的可能。虽 然其不属于优惠的吸附等温线，但其吸附量很大，最 大吸附量达到0．860 kg／kg。对于除湿制冷过程而言， 对空气湿度要求并不高，而要求吸附剂应具有较大的 吸附容量 因此，该类吸附剂用于除湿过程将使装置 体积显著减小 ，从而可降低设备投资。 3 4 脱 附过程的热分析 采用 Tc—DTA分析对 13 X、5 A和自制吸附剂 的脱 附过程进行 了研究 ，其热 分析结果列于表 6 从表 6可见：自制 吸附剂的峰顶 温度 最高为 95℃，远低于 l3 x的峰顶温度 ；最大失重速率分别为 l3 x分子筛的2．96倍、2．73倍、2．81倍和 3．38倍，最 大失 重速率所对应的温度较 l3 x低分 别为 81℃、 8l℃、84℃和 80％；脱附终止温度 为也均 比l3 x低 50℃以上。这些表明这些 吸附剂具有较大的吸附容 量和较低脱附温度，可利用低品位的热能进行再生． 是性能优良、颇具开发潜力的吸附制冷用吸附剂。 ■ 笙 迨 (1)优选出性能优 良的吸附剂．同时分析出对强 度、再生温度和吸附量影响比较大的因素。适宜的吸 附剂配 比为 ： A2E2 和 c3A2 。 (2)自制 吸附 剂对 水 的 吸附 等 温线 都 属 于 Brunauer分类的类型 Ⅱ。用 D—A方程能较好地拟实 验 数据 。 维普资讯 http://www.cqvip.com