一种低选择性真空除湿膜及其制备和测试方法

本发明涉及暖通空调节能设备制造，具体涉及一种低选择性真空除湿膜及其制备和测试方法。

背景技术：

1、为了更好的控制室内温湿度，实现高精度的空气调节，同时降低空调系统的能耗，早日实现“碳中和”目标，有必要开发新型空气除湿技术。常见的除湿技术包括转轮除湿、流化床除湿、溶液除湿等，这些除湿技术往往需要加热再生，在低品位热源充足的工况具有很好的节能潜力。然而，这些技术设备往往尺寸较大，实际安装会占用较大的空间。真空膜除湿技术具有尺寸小，无需加热再生的优点，近年来受到了国内外学者的广泛关注。

2、真空膜除湿技术的基本原理和真空干燥技术类似，其利用真空泵的抽吸作用在水蒸气选择性透过膜两侧形成化学势差，使湿空气中的水蒸气透过膜并通过真空泵排出。真空除湿膜是真空膜除湿装置的核心配件之一，一般通过水蒸气渗透率和水蒸气选择性系数这两个指标来评价膜的性能。然而，这两个指标随着供料侧和渗透侧压力的改变而改变，故无法很好的反映真空膜除湿系统的综合性能。举例如下：对于渗透侧真空度较高的工况，某些膜的水蒸气透过率和水蒸气选择性系数较高。然而，当真空度较低时，这些膜的水蒸气透过率和水蒸气选择性系数可能会变得很低。因此，从真空膜除湿系统运行能效的角度出发，不同的真空除湿膜存在不同的最优渗透侧真空度。前期研究表明，渗透侧真空度是影响真空膜除湿系统能效最重要的参数之一，降低渗透侧真空度可以明显提高真空膜除湿系统的能效。

3、在测量真空除湿膜水蒸气渗透率的过程中，常常面临着渗透侧水蒸气分压力难以测量的问题。主要是因为常规的温湿度传感器是在常压环境下标定的，无法适用于真空或近似真空环境。

4、为了提高真空膜除湿系统的运行能效，本发明提出了一种低选择性真空除湿膜。利用低选择性真空除湿膜，使真空膜除湿系统在渗透侧真空度较低的工况下，依旧具有一定的除湿能力。同时，为了解决渗透侧真空环境下水蒸气分压力测量困难的问题，提出了一种真空除湿膜性能测试方法，可实现便捷测量。

技术实现思路

1、为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供了一种低选择性真空除湿膜及其制备方法，使真空膜除湿系统可以在真空度较低的情况下依旧具有明显的除湿效果和较高的能效；具有适用工况更广、能耗低、除湿效果好的优点。同时，提供了一种用于测试真空膜除湿性能的真空膜除湿组件和便捷测量方法，可以快速测试真空除湿膜的性能，优选出质量合格的低选择性真空除湿膜，具有测量简便、可靠性高的优点。

2、本发明提供了一种低选择性真空除湿膜，其特征在于：包括支撑层、疏水层、亲水层、活性层；所述疏水层被安置在支撑层之上，所述亲水层粘附在疏水层之上，所述活性层被均匀涂敷在亲水层之上。所述低选择性真空除湿膜在透过水蒸气的同时，也会有一部分空气透过，这部分透过的空气对所述真空膜除湿组件的渗透侧具有吹扫的作用，可以使所述真空膜除湿系统在所述渗透侧的真空度较低、真泵功率较小的情况下依旧具有明显的除湿效果，具有明显的节能降噪潜力。

3、为了保证膜具有一定的机械强度，采用所述支撑层维持膜的形状。所述支撑层为采用铝、不锈钢或碳钢材料制作的孔板，孔板厚度为1~3mm，孔心间距为1~5mm，孔径为1~5mm。

4、由于所述低选择性真空除湿膜的活性层吸水后溶胀，出现液态的特性，为了避免所述活性层接触支撑层，对支撑层产生腐蚀，设置了所述疏水层。所述疏水层具有良好的阻水透气性，所述疏水层的材料为疏水纺织面料、ptfe膜、疏水无纺面料中的一种或多种，所述疏水层的总厚度为0.01mm-3mm。

5、为了使所述活性层维持均匀分布的形状，在疏水层的表面设置了所述亲水层。所述亲水层具有良好的透气性，所述亲水层的材料为尼龙网布、亲水涂层、亲水无纺面料中的一种或多种组合，所述亲水层的总厚度为0.001mm~3mm。

6、为了使所述低选择性真空除湿膜具有良好的水蒸气选择性，设置了所述活性层。所述活性层为水蒸气选择性透过层，其内部含有易吸水成分，所述活性层的材料包括有聚乙烯醇、海藻酸钠、聚丙烯酰胺、对甲苯磺酸钠中的一种或几种的共混物或共聚物，还包括有氯化锂、氯化钙、氧化石墨烯、亲水纳米二氧化钛中的一种或几种的共混物或共聚物。

7、所述一种低选择性真空除湿膜的制备方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

8、（ⅰ）制备形成活性层所需的铸膜液；将聚乙烯醇、海藻酸钠、聚丙烯酰胺、对甲苯磺酸钠中的一种或几种加入烧杯中，缓慢向烧杯中加入蒸馏水，将烧杯置于80~95℃的恒温水浴中加热1~5h，并对烧杯内的物质不停地搅拌；所述聚乙烯醇、海藻酸钠、聚丙烯酰胺、对甲苯磺酸钠中的一种或几种的总质量和蒸馏水的质量比为1:100~2:25；

9、（ⅱ）待烧杯内的混合液冷却至10~30℃，向烧杯中加入氯化锂、氯化钙、氧化石墨烯、亲水纳米二氧化钛中的一种或几种，然后将烧杯置于10~40℃的恒温水浴中，并对烧杯内的物质不停搅拌1~5h；所述氯化锂、氯化钙、氧化石墨烯、亲水纳米二氧化钛等材料中的一种或几种的总质量与步骤（ⅰ）中所述蒸馏水的质量比为1:100~2:25；

10、（ⅲ）静置脱泡10~1500分钟，形成铸膜液；

11、（ⅳ）采用铝、不锈钢或碳钢材料制成支撑层，在支撑层的上表面粘附由疏水纺织面料、ptfe膜、疏水无纺面料中的一种或多种制成的疏水层，接着在疏水层的上表面粘附由尼龙网布、亲水涂层、亲水无纺面料中的一种或多种制成的亲水层，需确保粘附亲水层之后形成的支撑-疏水-亲水膜表面平整光滑，无鼓包现象；

12、（ⅴ）将步骤（ⅲ）制备的铸膜液均匀地涂敷在步骤（ⅳ）制备的支撑-疏水-亲水膜上，活性层涂敷厚度为10um~500um，将涂敷好的膜移至恒温箱中，并维持40~80℃干燥5~15min；

13、（ⅵ）将步骤（ⅴ）制备好的膜置于水平光滑的玻璃板上，将步骤（ⅲ）制备的铸膜液再次均匀地涂敷在步骤（ⅴ）制备好的膜上，涂敷厚度为10um~500um，将再次涂敷好的膜移至恒温箱中，并维持40~80℃干燥5~15min；

14、（ⅶ）将步骤（ⅵ）制备好的膜置于水平光滑的玻璃板上，将步骤（ⅲ）制备的铸膜液再次均匀地涂敷在步骤（ⅵ）制备好的膜上，涂敷厚度为10um~500um，将再次涂敷好的膜移至恒温箱中，并维持40~80℃干燥5~15min；

15、（viii）至此，获得低选择性真空除湿膜。

16、所述一种用于测试真空除湿性能的真空膜除湿组件，其特征在于：该真空膜除湿组件包括供料侧和渗透侧，且如权利要求1-6任一项所述的低选择性真空除湿膜介于供料侧和渗透侧之间；所述供料侧的上方密封安装有一个上盖板，所述渗透侧的下方密封安装有一个下盖板；

17、所述供料侧至少具有两个孔，一个为湿空气的入口，另外一个为湿空气的出口；所述入口和出口设置在同一侧；

18、为了保证密封效果，且测试过程便于拆卸，所述供料侧与渗透侧接触处开有槽，用于安装密封垫片。所述槽的宽度为0.5mm~2mm，深度为0.5mm~2mm。

19、所述供料侧与渗透侧各提供一个低选择性真空除湿膜安装的平台，所述平台的长和宽比真空除湿膜的长和宽大0.5mm~5mm，且所述平台的深度为0.5mm~5mm。

20、所述供料侧内设置有若干与膜垂直的隔板，用于增加湿空气在供料侧的停留时间，所述隔板厚度为0.2mm~2mm。

21、所述渗透侧至少具有一个与真空泵抽吸端连接的孔。

22、所述湿空气的入口连接入口温湿度传感器，所述入口温湿度传感器连接入口流量计，所述出口流量计连接空气泵；所述湿空气的出口连接出口温湿度传感器，所述出口温湿度传感器连接出口流量计；所述渗透侧的孔与真空压力表相连，所述真空压力表连接于真空泵。

23、一种低选择性真空除湿膜的测试方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

24、(ⅰ)将制备好的所述低选择性真空除湿膜安装在所述真空膜除湿组件内， 并用g型夹将整个已安装低选择性真空除湿膜的真空膜除湿组件夹紧固定；

25、(ⅱ)打开空气泵和真空泵，空气泵用于将湿空气泵入湿空气入口至供料 侧内，真空泵用于从渗透侧进行抽吸；待真空压力表、入口流量计、出口流量 计、入口湿温度传感器、出口湿温度传感器的数值相对稳定时，此时利用入口 流量计、出口流量计、入口湿温度传感器、出口湿温度传感器记录流经真空膜 除湿组件的入口湿空气质量流量、出口湿空气质量流量、入口温度、出口温度、 入口相对湿度、出口相对湿度，利用真空压力表记录渗透侧真空度；根据测量 得到的入口温度、入口相对湿度数据，查阅湿空气焓湿图，容易获得入口含湿 量；根据测量得到的出口温度、出口相对湿度数据，查阅湿空气焓湿图，容易 获得出口含湿量；将测量得到的入口温度、出口温度进行算术平均，获得供料 侧的平均温度，查阅湿空气含湿图，获得供料侧平均饱和水蒸气分压力；将测 量得到的入口相对湿度、出口相对湿度进行算术平均，获得供料侧的平均相对 湿度；将供料侧的平均饱和水蒸气分压力与供料侧平均相对湿度相乘，获得供 料侧的平均水蒸气分压力；根据测量或查阅所得的入口湿空气质量流量、出口 湿空气质量流量和入口含湿量、出口含湿量的数值，利用公式(1)、(2)联立计算， 容易获得入口干空气质量流量、出口干空气质量流量；

26、(ⅲ)计算低选择性真空除湿膜的水蒸气渗透率、选择性系数、除湿cop； 分别通过式公式(3)、(4)、(5)进行计算；

27、(ⅳ)根据步骤(ⅲ)计算得到的参数，用于判断所测试的低选择性真空 除湿膜的性能是否合格：

28、所述公式(3)计算的水蒸气渗透率表示单位面积、单位水蒸气分压力、单 位时间条件下，通过膜的水蒸气物质的量，当其数值大于1×10-7mol/(pa m2s)， 则表明所测试的低选择性真空除湿膜的除湿能力合格；且其数值越大，说明所 测试的真空除湿膜的除湿能力越强；式(3)计算得到的水蒸气渗透率实际为渗 透侧压力为0pa时的当量值水蒸气渗透系数；

29、所述公式(4)计算的选择性系数表示膜对水蒸气的选择性，当其数值大于 0.01，则表明所测试的低选择性真空除湿膜的选择性合格；且其数值越高，说明 所测试的真空除湿膜的选择性越强；

30、所述公式(5)计算的除湿cop表示真空泵单位功耗的除湿潜热量，当其 数值大于1，则表明所测试的低选择性真空除湿膜节能性合格；且其数值越大， 说明所测试的真空除湿膜的节能性越好；

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36、其中，kw表示水蒸气渗透率，mol/(pa m2s)；ka表示空气渗透率，mol/(pa m2s)；表示入口干空气质量流量，kg/s；表示出口干空气质量流量，kg/s； min表示入口湿空气质量流量，kg/s；mout表示出口湿空气质量流量，kg/s；ωin表 示入口含湿量，kg/kg；ωout表示出口含湿量，kg/kg；pw表示供料侧平均水蒸 气分压力，pa；ql表示水的汽化潜热，在工程上可近似取值为43942j/mol；s表 示膜除湿面积，m2；ma表示空气相对分子质量，kg/mol；mw表示水蒸气相对分 子质量，kg/mol；sw/a表示膜的选择性系数。

37、本发明一种低选择性真空除湿膜及其制备和测试方法具有如下有益效果：

38、1、发明提供的一种低选择性真空除湿膜适用工况更广，且能耗低、除湿效果好，其在所述渗透侧真空度较低、真空泵功率较小的情况下依旧具有明显的除湿效果，具有明显的节能降噪的效果。

39、2、本发明提供了一种低选择性真空除湿膜的制备方法，通过该操作方法可获得适用工况更广、能耗低、除湿效果好的低选择性真空除湿膜，且该操作方法提高了低选择性真空除湿膜的稳定性和光滑度。

40、3、本发明提供了一种用于测试真空除湿性能的真空膜除湿组件和应用该组件对低选择性真空除湿膜进行测试的方法，可解决渗透侧真空环境下水蒸气分压力测量困难的问题，可便捷测量低选择性真空除湿膜的各项性能指标，可更准确地获得合格的适用工况更广、能耗低、除湿效果好的低选择性真空除湿膜。