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硅胶吸附等温线的评述与实验测定# 郑宇薇，刘晓华，涂壤** 基金项目：教育部博士点基金（20090002120022） 作者简介：郑宇薇（1990-），女，硕士生在读，固体除湿方向 通信联系人：刘晓华（1980-），女，副教授，温湿度独立控制空调系统. E-mail: lxh@tsinghua.edu.cn （清华大学建筑学院建筑技术科学系，北京 100084） 5 摘要： 硅胶是一种固体吸附剂，广泛应用在除湿床、除湿转轮、热回收转轮等固体除湿机 或全热回收装置中，传质动力为硅胶表面平衡水蒸气分压力与空气中水蒸气分压力之间的差 异。吸附等温线表示一定温度下硅胶含水率与空气平衡水蒸气分压力之间的对应关系，代表 了硅胶的吸湿能力，已知某种硅胶的吸附等温线对设备除湿与再生过程的模拟和设计与控制 的优化有重大意义。本文对比了文献中所提到的硅胶的各种吸附等温线表达方式，然后对某 10 种硅胶颗粒的吸附等温线进行了实验测试，并与已知方程对比。 关键词：硅胶；吸附等温线；文献；实验 中图分类号：TQ028 Review and experimental measurement of silica gel’s 15 adsorption isotherm ZHENG Yuwei, LIU Xiaohua, TU Rang (Department of Building Science, School of Architecture, Tsinghua University, Beijing 100084) Abstract: Silica gel is one kind of solid absorbent, which is applied widely in Solid dehumidifier and total heat recovery equipment such as dehumidification beds, solid desiccant wheels and total 20 heat recovery desiccant wheels. The dynamic of mass transfer is the difference between the pressure of water vapour on the surface of the silica gel in equilibrium and that in the air. Adsorption isotherm indicates the potential to dehumidify, which shows the correspondence between the moisture content of the silica gel and the pressure of vapour in the air in equilibrium. The given adsorption isotherm is important for simulating the process of dehumidifying and 25 regenerating of the equipment and optimizing the design and controlThis article reviews and compares the various adsorption isotherms in literature, meanwhile experimental results are compared with those from literature. Key words: silica gel, adsorption isotherm, literature, experiment 30 0 引言 硅胶是一种固体吸附剂，广泛应用在固体除湿机中，例如除湿床、除湿转轮、热回收转 轮等装置。硅胶通过吸附作用和脱附作用进行除湿和再生，从高温高湿的空气中吸收水分， 再将水分散发到低湿的空气中。硅胶除湿或再生过程中的传质动力为硅胶表面平衡水蒸气分 压力与空气中水蒸气分压力之间的差异，低温且含水率较低的硅胶表面水蒸气分压力较低， 35 水分会从空气转移到硅胶，反之，传质方向相反。硅胶表面平衡水蒸气分压力与硅胶温度和 硅胶的含水率相关，吸附等温线即表示一定温度下平衡状态时空气水蒸气分压力与硅胶含水 率之间的对应关系。获得准确的吸附等温线及其表达方式，有利于对传质过程的精确模拟， 以帮助更深入了解以硅胶为吸附剂的除湿机或全热回收装置中详细的传质过程，然后优化设 计与控制。本文综述了文献中提到的各种硅胶吸附等温线形式及表达方法，并从相关量、硅 40 胶结构与成分等方面对它们进行了对比，然后对某种硅胶颗粒的吸附等温线进行了实验测 试，并与已知方程对比。 1 国内外研究现状 不同文献通过实验测试与拟合等方式得到不同的硅胶吸附等温线方程，因被测硅胶颗粒 尺寸、硅胶微观结构、方程拟合方式不同，其结果有稍许差异。 Pesaran AA 于45 1980 年在文章中提到，根据制造商给出的RD（regular density）硅胶的 相应数据，拟合为四次多项式，得到吸附等温线为公式(1)[1]，其中RD 硅胶指在该类硅胶中， 孔径很小，于水的分子自由程数量级相当，故分子扩散作用忽略不计，而微孔中的表面传质 在硅胶中水分的传质过程中起主要作用[2]。同时，对于大孔硅胶，例如ID 硅胶，努森传质 与表面传质都是重要的传质途径，其根据厂家提供数据用相同方法拟合得到吸附等温线为公 50 式(2)[1]。 φ=0.0078−0.05759W+24.16554W2−124.478W3+204.226W4 (1) 1.235 267.99 2 3170.7 3 10087.16 4, 0.07 0.3316 3.18 , 0.07 W W W WW W W φ ⎧ + − + ≤ = ⎩⎨ + > (2) 55 式中，φ 为空气中的相对湿度；W 指硅胶颗粒中的含水率，kg/kg 干硅胶。 根据Satterfield Charles N, Sherwood Thomas K 等人在1963 年得到的实验数据[3]，A. Ramzy K.等人拟合得到硅胶的三次吸附等温线多项式为[4]： 60 φ = −0.02833+ 8.18612W− 41.7964W2+ 82.9974W3 (3) A.Kodama 等人提供A 型硅胶的吸附等温线为[5]： W = 0.24φ 2/3 (4) 65 A.Pesaran 在文章《硅胶颗粒除湿床的湿传递过程》中所用的硅胶吸附等温线为[6]： W=0.77φ−0.38φ 2 (5) 70 以上的吸附等温线均表达为硅胶含水量和空气相对湿度的关系，未涉及空气温度或水蒸 汽分压力变量。但实际上，硅胶与空气达到吸附平衡时，不同温度下，相同相对湿度环境下 硅胶的含水率也是略有差别的。 丁云飞、丁静等人在研究改性硅胶除湿转轮的传热传质性能时，所用Al3+掺杂的改性硅 胶的除湿性能好于一般的硅胶[7]，图1 中分别表示了它们的吸附等温线，容易看出改性硅胶 75 的吸湿能力强于一般硅胶。 图1 Al3+掺杂硅胶等温吸附曲线[7] Fig.1 Adsorption isotherm of the silica gel with Al3+ [7] 80 对于Al3+掺杂改性硅胶的吸附性能，拟合曲线得到吸附等温线为[8]： W=0.45exp{−4.78*10−4[Tln(1/φ )]2.06} (6) 式中，T 为稳态时硅胶颗粒的温度，℃。此外，其它文献[9]中指出，铜离子掺杂的硅胶的性 85 能同样优于普通的RD 硅胶。 Van Den Bulck E 等人提到另一种吸附等温线的表示方法为[10]： / / 1 (2.112 )qst hfg (29.91 )qst hfg vs φ W P − = (7) 式中， vs P 为该温度下水蒸气的饱和压力，Pa； st q 为吸附热，J/kg； fg 90 h 为水蒸气的汽化潜 热，J/kg。 Jongsoo Jeong、 Seiichi Yamaguchi 等人在研究除湿转轮时，所用硅胶的吸附等温线的 表达方式为[11]： 0.616238 16.7916 2 74.34228 3 116.6834 4 (1 ( 40) / 300) W W W W T φ + − + = − − （ ） 95 (8) M. Dupont 等人在文章中提到的吸附等温线的表达为[12]： 2 4 3 2 1 2 3 4 5 6 φ=STW +S TW+SW +S W +SW +S W (9) 100 式中， 1 2 3 4 5 6 S、S、S、S、S、S 六个参数分别为-0.04031298、0.02170245、125.470047、 -72.651229、15.5223665、0.00842660。 以上吸附等温线公式，同时考虑了空气相对湿度和硅胶温度的影响。同时综合以上所有 的公式出处，可以看到被测硅胶有RD 硅胶、ID 硅胶、改性硅胶等，从图2 中各表达式所 105 代表的吸附等温线的对比可得到：改性硅胶在温度较低时吸附能力较强，随着温度升高吸附 能力下降很明显；ID 硅胶吸附性能较差，RD 硅胶的吸附性能中等，吸附等温线近似线性。 以上公式得到20℃时各种硅胶最大含水率从0.20kg/（kg 干硅胶）到0.45kg/（kg 硅胶）不 等。 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100% 硅胶含水率kg/kg 相对湿度 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100% 硅胶含水率kg/kg 相对湿度 1 2 3 4 5 6 7 8 9 110 图2 不同温度下的硅胶吸附等温线，左图为20℃，右图为40℃ Fig.2 Adsorption isotherms from literatures with different temperature, 20℃ left and 40℃ right 以空气含湿量为横坐标，温度为纵坐标，类似焓湿图做硅胶不同含水率下的平衡空气状 态点，如图3。对于硅胶含水率仅与空气相对湿度相关的点，该状态线即为空气等相对湿度 115 线，故仅以公式(1)为例。其中，图中虚线表示所有状态点中最大相对湿度值的等相对湿度 线。从以上两张图可以看出，对于其它公式，虽然硅胶含水率不仅与空气相对湿度相关，还 与温度相关，但其等含水率的线与相对湿度线趋势相同。 120 图3 不同硅胶含水率下空气的平衡状态点 左图为0.1kg/(kg 干硅胶)，右图为0.2kg/(kg 干硅胶) Fig.3 Air state in equilibrium with different moisture content of silica gel, 0.1kg/(kg dry silica gel) left and 0.2kg/(kg dry silica gel) right 2 测试实验 125 测试硅胶吸附等温线，即在一定温度下，测量系统平衡时空气的相对湿度及硅胶的含水 率。由于动态吸附法对测试环境的密闭性有较大要求，故采用静态吸附法进行实验，即在稳 定的温湿度环境下，当吸附剂达到相同温度下的最大的吸水率，此时对应的表面平衡蒸汽压 与环境水蒸气分压力相等。静态吸附法的优点是：1）对测试环境的密闭性要求不严格；2） 容易控制空气的相对湿度；3）平衡时间短。在不同温湿度的环境下反复测试，可得出一簇 130 不同温度下吸附剂含水率同空气相对湿度（空气水蒸气分压力或者含湿量）的关系曲线，即 吸附等温线。 为创造稳定的温湿度环境，实验中用恒温箱保持恒定的温度，用过饱和盐溶液维持密闭 空间内的相对湿度。 由《船舶货仓温湿度仪技术要求及试验方法》（GB/T15309-94）已知几种过饱和盐溶 135 液在不同温度下实验装置空间的空气相对湿度如下表，实验中选取氯化钾（KCl）、氯化钠 （NaCl）、硝酸镁（Mg(NO3)2·6H2O）、氯化镁（MgCl2）、醋酸钾（CH3COOK）、氯化 锂（LiCl）过饱和溶液和纯水进行实验。 表1 过饱和盐溶液在不同温度下实验装置空间的空气相对湿度 Tab.1 Relative humidity of air in equilibrium with supersaturated 140 solution by temperature 温度/℃ 5 10 15 20 25 30 35 40 50 60 过饱和盐溶液 相对湿度/% 硫酸钾 98 98 97 97 97 97 96 96 96 96 硝酸钾 96 95 94 93 92 91 89 88 85 82 氯化钾 88 88 87 86 85 85 84 82 81 80 硫酸铵 82 82 81 81 80 80 80 79 79 78 氯化钠 76 76 76 76 75 75 75 75 75 75 硝酸铵 - 73 69 65 62 59 55 53 47 42 重铬酸钠 59 58 56 55 54 52 51 50 47 - 硝酸镁 59 58 56 55 54 52 50 49 46 - 氯化镁 34 34 34 33 33 33 32 32 31 30 醋酸钾 - 21 21 22 22 22 21 20 - - 氯化锂 14 14 13 12 12 12 12 11 11 11 实验时，选取干燥舱为实验载体（有盖，可密封），注入过饱和盐溶液至干燥舱容积的 2/3，其中有1/3 的盐晶体存在于溶液中。将称好质量的硅胶置于培养皿内平摊成一层，与温 湿度自记仪一同放在干燥舱的搭板上。盖上磨砂口玻璃盖密封，将干燥舱放在恒温箱内，设 学术论文网Tag：代写硕士论文 代写论文 代写MBA论文 代写博士论文 |
