摘 要：基于透湿膜的空气除湿是一种比较新颖的空气除湿方法，本文介绍了膜在空气除湿领域的应用技术，特别是介绍了一种比较新颖的主动除湿方法—湿泵；对各种系统的优缺点也进行了比较。
关键词：空气除湿；湿泵；膜
1 引言
膜科学技术是一门新兴的高分离、浓缩、提纯、净化技术，随着本学科的发展，它的应用范围越来越广泛，越来越为人们所了解和重视。膜在除湿领域的应用是一个全新的方向，在实际应用时，还需要结合具体的工程，以满足整个系统的可靠性和经济性。
传统的空气除湿方法[1]，不是冷冻法就是干燥剂吸收（附）法。冷冻法除湿是通过表冷器将空气冷却到露点温度以下，空气中的水蒸气冷凝后从空气中脱除。冷冻法除湿不能达到非常低的露点，它适宜于将高温度的空气除湿到中等湿度状态。它需要消耗大量的冷量来冷却空气、使水蒸气冷凝并带走产生的汽化潜热，这样势必增加空调设备的负荷。干燥除湿却能使空气露点达到-40℃以下，它常常用于相对湿度较低的空气进一步除湿到很干燥的状态。但是，干燥剂吸水后需要再生，这使得干燥剂法比较累赘，而且需要很多运动部件，因而维护费用高；另外，干燥剂法除湿的再生过程要消耗大量的热能，能耗较高。液体吸湿剂的腐蚀问题也很难解决。吸收法采用的干燥剂通常是甘醇；吸附法采用的干燥剂是有机分子筛或硅胶。近年来随着膜技术研究的发展，利用膜的选择透过性进行除湿已经成为一个重要的研究方向，并使空气除湿方法有了重大发展。它与传统方法相比有许多突出优点：除湿过程连续进行、无腐蚀问题、无需阀门切换、无运动部件、系统可靠性高、易维护和能耗小等。
2 膜空气除湿模式
要使水蒸气透过膜，必须在膜的两端产生一个浓度差，这种浓度差既可由膜两端压力差造成，又可由膜两端温度差造成[2]，因为浓度是由温度和压力共同作用的结果。目前对膜空气除湿基本都是以膜两边的水蒸气分压差作为驱动势，因此为了强化传湿，应尽量增大膜两侧的压力差。具体在系统方案上，有压缩法[3]、真空法[4]、吹扫气法[5]及膜/除湿剂混合系统[6]。
2．1 压缩法
此法是靠压缩入气流压力来造成传质势差。如图1所示。
从外界来的新鲜空气经压缩机加压后进入膜组件，由于进气侧总压提高，其中水蒸气的分压也相应提高，水蒸气在膜进出侧压力差的作用下优先透过膜而散发到环境中去，被干燥的空气进入室内。
为了将渗透侧的水蒸气及时逞走，可以在渗透侧引入吹扫气，如图2所示。
当原料气体中水蒸气含量较高时，增大压力易使水蒸气在膜的表面凝结而形成一层水珠，影响水蒸气向膜内的溶解扩散作用，降低膜的除湿效果。另外，提高气体压力，必然导致对膜强度以及组件设备耐压性能的要求也相应提高，从而对实际应用造成某些局限。
2．2 真空法
此方法是靠降低渗透侧压力来传递水蒸气，它从渗透蒸发流程演变而来，靠一个真空泵降低渗透侧的空气压力，产生一个传湿驱动势。系统如图3所示。
2．3 膜/干燥剂复合法
此方法主要是将膜空气除湿跟固体吸湿剂结合起来，将新鲜空气首先用膜进行预处理，然后流经固体吸湿剂，这样充分利用膜在高温段的除湿能力和固体吸湿剂在低湿段的吸湿能力，能将空气除湿到很干燥状态。当空气中水蒸气含量较高时，水蒸气透过膜的速率较高，膜除湿的效率较高；当空气中水蒸气含量很少时，水蒸气透过膜的速率急剧减少，导致膜面积成倍增长，此时采用固体吸湿剂除湿效率最高。
3 除湿膜的形态
除湿膜的形态基本有二种：平板式和中空纤维式。
3．1 平板膜
平板式膜的制备工艺比较简单，适宜于在实验室手工制作，用在工艺上时对流体的阻力小，结构简单，维护方便。目前在实验室制备的大部分膜都是平板膜。
3．2 中空纤维膜
一般来讲，膜分离过程的传质速率较小，尤其是在反渗透、气体分离及渗透汽化过程中，由于膜中质密活性层的存在，传质速率非常低，为了满足实际工业过程中处理大量物料的需要，发展了中空纤维膜，与平板膜相比，中空纤维膜具有如下优点[7]：
a）膜呈自支撑结构，无需另加其它支撑体，可大大简化组装成膜组件时的复杂性。
b）中空纤维组件具有很高的装填密度，它可以提供很大的比表面积。如0.3m2的中空纤维组件可以提供500m2的有效膜面积，而同样条件下的平板膜组件为20m2，管式膜组件为5m2。
c）重现性好，放大容易。一般情形下，对于中空纤维膜实验室规模的膜组件与工业规模的膜组件相比，其流动形式与分离效果的差别均不大。
所以，采用中空纤维膜时，可以用很大的膜面积抵消膜过程中传质速率低的弱点，从而给膜分离技术在工业生产中的推广应用提供了有利条件。它的缺点是制备工艺复杂，如果是液体还要对料液进行预处理，以防堵塞。目前中空纤维膜在反渗透制取纯水方面已相当成熟，在超滤方面也已达到实用，国内就有20多个厂家生产超滤膜组件。中空纤维膜分离器在N2，O2气体分离（将硅橡胶复合到聚砚中空纤维上）；乙醇、水渗透蒸发分离（将壳聚糖涂到聚丙烯腈中空纤维外表面形成活性层）；牛磺酸废水溶液的膜蒸馏（以聚偏氟乙烯为膜原料，氯化锂为添加剂）以及膜反应器等方面都得到了成功应用。可以说，正是由于中空纤维形式的膜引入到这些膜过程中，才使这些膜过程向实用化的阶段迈进了一步。
4 湿泵
4．1 湿泵原理
二股气流流过膜两侧时，气流中的水蒸气通常是从分压较高的气流流向分压较低的气流，或从湿度较高的一侧流向湿度较低的一侧。但膜湿泵的工作原理正好相反：水蒸气从分压较低的一侧向水蒸气分压较高的一侧渗透。渗透的机理是膜中存在一湿度梯度，膜中水在这一温度梯度作用下形成一浓度梯度，这一梯度由分压较小一侧向分压较大一侧逐渐减小，从而驱动水由湿度较小一侧向湿度较大一侧渗透，这就是“湿泵”这一名称的由来。使用湿泵，可以实现除湿的连续进行，由于驱动热源可以是低品位余热，所以可以节约大量高品位的电能。
湿泵的原理如图5所示。一般新风分成两部分，一股作为供气，一股作为扫气。供气和扫气逆向流过膜，并通过膜进行热量和湿的交换。供气代表要向空调提供的气流，而扫气代表工作气流。在进入膜组件前，供气和扫气要流经一个面面换热器，以便回收一部分热量。扫气升温后，进一步流经一个余热加热器，温度进一步升高，到一设定值。供气和扫气之间的温差将造成膜两表面的温差，进一步造成膜的两表面上水浓度（膜材料含水质量百分比）的差。由于温度越高，膜对水的吸附量越小，导致扫气侧的膜表面的水浓度小于供气侧膜表面的水浓度，从而引起膜内水从供气侧表面向扫气侧表面的扩散，这样一来供气中的水蒸气就不断地被吸附到供气侧表面，并向扫气侧扩散，然后在扫气侧表面向扫气解吸出来，这个过程不断进行，使供气中的湿度不断降低，达到除湿的目的。这一原理也叫热渗透，水蒸气传递方向是逆压力方向。这是我们为什么称之为湿泵的原因。
为了增加装添密度，实际的湿泵是由许多平行的膜组件组成的一个空气换热器，膜和膜之间叠成高度相等的流道，供气和扫气逆流流过二相邻流道。
4．2 湿泵性能参数
湿泵的性能主要是由膜材料的物性系数决定的，为了分析膜材料的性能对湿泵性能的影响，需要定义一个因子，以综合反映膜材料的热物理参数和动力学参数。在实践过程中，发现如下因子对湿泵的性能有着至关重要的影响。这个因子被定义为：
式中：c1，c2——分别是材料吸附等温线中的系数；
w——膜吸水率；
φ——相对湿度；
Dwm——水在膜中的扩散系数，m2/s；
λm——膜材料的导热系数，kW/m·k；
Ψ——湿泵因子，m3·K/kJ。
对于UTRC-MEM，Ψ是值大概是0.004m3·K/kJ，在流体温差80℃时，相应的水的扩散速度是10-6kg/m2·s，湿泵性能随湿泵因子的变化情况如图6所示，湿泵性能随湿泵因子Ψ增加而增加。当Ψ小于0.012m3·K/kJ时，增加的步幅很大；但当Ψ大于0.015m3·K/kJ时，增加的步幅趋于缓慢。此后，再增加湿泵因子，对于性能的改善并无多大帮助，当Ψ大于0.012m3·K/kJ时，水的透过率大于1.0-5kg/m2·s，这也正是湿泵实现商品化的下限性能。此时，才能保证湿泵在合理的膜面积下具有理想的除湿效率。
因此，开发具有湿泵因子大于0.012m3·K/kJ的新型膜材料是下一步必须着手的工作，当然，从目前来看，还有很长的路要走[8]。
膜厚度对性能的影响是，随着厚度的增加，性能降低，膜越厚，扩散阻力越大，引起性能下降；但另一方面，厚度增加，膜两侧表面的温差增加，有利于性能的提高，总的趋势是这两种对立因素相互作用的结果。对于目前的材料来讲，主要矛盾是要降低传质阻力，所以最终表现为性能随厚度的增加而降低。
材料的扩散系数对系统的性能有着至关重要的影响。目前的膜材料扩散系数在10-11m2/s（沸石和硅胶）到10-10m2/s（UTRC-MEM）之间。当扩散系数大于1.0×10-8m2/s时，透过率已达一稳定值。再增加扩散系数对于改善系统的性能影响已不大，必须同时增加膜的热阻，才能进一步提高系统性能。
气流的质量流率对系统性能的影响呈现为：流率越大，温差越大，膜的透过率也越大，但是对供气来说，除湿效率在降低。
5 结语
在用膜进行除湿时，为了强化传湿，应尽量增大膜两侧的压力差。具体在系统方案上有压缩法、真空法、吹扫气法及复合法。这些方法都必须在膜两侧产生一个很大的压力差，将对膜的强度提出很高要求，另外，对泵等设备也有较高要求。如果能在膜两侧产生一个温差，靠温差造成的浓度差来实现传湿，则将克服这些不利因素，这是一种新型的除湿模式，并将引发空调领域的许多变革。
