环境湿度的控制在工业生产和人居生活中至关重要，需要借助暖通空调系统和运行控制方法来实现，而空气除湿过程的能耗通常占到空调能耗的20 ~ 40%。面向建筑领域“双碳”目标，绿色节能除湿技术的探索和创新具有重要意义。随着膜科学技术的发展，以选择性渗透高分子聚合物膜为介质的膜式空气除湿在压差驱动下能有效分离湿空气中的水蒸气，由于其分离过程无相变、耗能设备少，有望解决传统冷却除湿能耗大、溶液除湿雾沫夹带和送风系统空气污染等问题。然而，现有聚合物膜材料的水蒸气渗透性和选择性不够高且相互制约，多因素耦合作用下的膜除湿组件性能变化呈现非线性且复杂度高，制约膜式空气除湿技术的推广和应用。 为了探究高渗透性、高选择性除湿膜材料和低阻力、高传质性能除湿膜组件，本文采用分子模拟、性能实验与数值模拟手段，对压差驱动的中空纤维复合膜空气除湿过程开展基础理论和关键技术研究。从分子尺度探究了湿空气各组分在高分子复合膜内的微观迁移机理和复合膜水蒸气渗透选择性能的影响机制，在此基础上实验研究了纳米颗粒填充和聚多巴胺改性对复合膜水蒸气分离性能的影响规律，为高分子除湿膜材料的制备提供理论和技术支撑。采用数值模拟方法探究了湿空气在中空纤维复合膜内的输运机理，分析并评估了湿空气入口参数、运行参数及纤维膜分布不均匀性对膜组件除湿性能的影响，并基于膜组件性能的多因素分析提出了面向实际工程需求的中空纤维复合膜除湿组件配置参数的优化方法，为膜式空气除湿技术的工程应用提供可靠的理论依据和关键技术支持。主要研究内容及结论如下： （1）采用分子动力学和分子蒙特卡诺方法从分子尺度探究二元混合气体（水蒸气和氮气）在高分子复合膜中的输运特性及其与膜微观形态学特性之间的关联性。模拟分析二元混合气体在复合膜层内的迁移过程发现，水蒸气和氮气在复合膜层内的渗透分别受溶解过程和扩散过程主导。水蒸气分子的极性和聚乙烯醇（PVA，Polyvinyl alcohol）膜的亲水性增强了气体分子和聚合物膜间的相互作用，水蒸气分子相比氮气分子在PVA膜中获得较高的溶解度系数。氧化石墨烯（GO，Graphene oxide）纳米颗粒的嵌入改变了PVA膜内分子链的扭转和排列，扩展了聚合物膜内的自由体积空穴，增强了聚合物膜对水蒸气分子的吸附性，促进二元混合气体分子在膜内的扩散过程。 （2）针对聚偏二氟乙烯（PVDF，Polyvinylidene Fluoride）中空纤维膜内表面致密层的涂覆问题，搭建纤维膜致密层动态涂覆实验台，探究纳米颗粒（沸石、氧化石墨烯及二氧化钛）填充和聚多巴胺（PDA，Polydopamine）改性对中空纤维复合膜理化特性及其水蒸气渗透分离性能的影响规律。实验结果显示，在PVA浓度为5.0 wt.%、涂覆时间为90分钟的选择层涂覆条件下，合成的PVA/PVDF中空纤维复合膜具有优异的水蒸气分离性能，其渗透速率和选择性分别为5909 GPU和4.5。Zeolite（沸石）和GO纳米颗粒的嵌入有效增强了PVA/PVDF膜水蒸气渗透选择性。相比于纯PVA/PVDF膜，GO填充浓度为0.2 wt.%的PVA/PVDF纳米复合膜的水蒸气渗透速率增强了约1.5倍。致密层和多孔膜之间低浓度（0.1 g×L-1）PDA改性层的形成将PVA/PVDF复合膜的水蒸气/氮气选择性提高了约30%。 （3）构建湿空气在压差驱动中空纤维复合膜内的二维流动传质数值模型，通过跨膜质量通量表征湿空气组分在致密层内的渗透，采用有限元稳态分析方法求解湿空气在复合膜层内的输运过程，探究湿空气入口参数和跨膜压力对复合膜除湿性能的影响规律。模拟结果表明，随着水蒸气的扩散和跨膜渗透，纤维膜内腔的水蒸气质量分数沿径向（从轴心到膜壁面）递减，同时沿纤维轴向减小，然而沿轴向的变化幅度逐渐变小。当湿空气入口速度在0.01 ~ 0.035 m×s-1范围内变化时，出口无量纲湿度的变化幅度在速度为0.02 m×s-1左右时最大。当空气湿度在30 ~ 95%RH范围内变化时，纤维膜出口无量纲湿度受空气湿度的影响较小，几乎稳定在0.437左右。研究还发现，水蒸气在中空纤维膜内的渗透分离存在阈值跨膜压力，而该阈值压力与膜的固有特性以及湿空气中水蒸气分压力有关。 （4）为了揭示纤维膜分布不均匀性对中空纤维膜组件除湿性能的影响规律，构建随机构型的除湿膜组件，实验研究除湿膜组件在不同运行工况下的瞬态响应和除湿特性，并建立湿空气在随机和规则构型的中空纤维膜组件内三维流动传质数值模型，探究纤维排布方式和填充率对膜组件除湿性能及其能效的影响规律。实验结果显示，湿空气入口流量越小，入口含湿量越大，膜除湿组件的响应时间越长。当湿空气入口流量固定时，膜组件除湿率和水蒸气渗透速率几乎不受湿空气入口含湿量的影响，分别稳定在68%和2500 GPU左右。模拟结果表明，当纤维填充率小于35%时，规则构型膜组件的除湿性能略优于随机构型的。随着填充率的增加，规则构型膜组件的性能优势逐渐减弱。综合来看，纤维填充率为21.5 ~ 23%的膜组件能够实现均衡的除湿性能和膜面积利用效率。 （5）为了优化多因素（结构及运行参数）影响下膜组件的除湿性能，采用响应曲面法（RSM）分析了入口速度、水蒸气渗透系数、填充率、纤维长度和纤维直径对膜组件除湿性能影响的显著性及其交互作用，并采用遗传算法求解了中空纤维膜除湿组件构建过程的多目标优化问题。研究结果表明，湿空气入口参数和膜组件结构参数对除湿能效系数（COP）和摩擦系数（f×Re）的影响不显著。当水蒸气渗透系数和纤维直径分别在4.59 ~ 5.97mol×m-2×s-1×Pa-1和0.8 ~ 1.0 mm范围内，膜组件的除湿率可达75%以上。当纤维直径为0.6 ~ 0.7 mm时，纤维填充率为0.35的膜组件可获得较大的膜面积利用效率。此外，获得基于响应值除湿率（γ）和无量纲膜面积利用效率（mA*）的多目标问题的帕累托（Pareto）解集，实现多变量条件下根据实际工程需求选择性能均衡的膜组件参数配置方案，可有效指导膜式空气除湿技术的工程应用。 关键词：膜式空气除湿；分子动力学；水蒸气输运特性；纤维分布不均匀性；响应曲面法 |
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