固体吸附剂对小空间湿度缓冲特性的实验研究

杨靖

东南大学能源与环境学院

0 引言

精密仪器、重要档案以及珍贵文物通常存放在的相对封闭的小空间内，对存放环境的湿度有较严格的要求，一般要采取低湿或恒湿处理[1]。因完全密闭存放空间比较困难，漏湿现象不可避免。为了维持存放空间的湿度条件，需要采取除湿或加湿的措施[2]。但由于小空间的湿度惯性相对较小，加湿或除湿过程中可能会引起湿度的剧烈波动，对存放的物品产生不利影响。例如书画等纸质文物在湿度波动较大的情况下，会造成文物的湿胀干缩，从而在文物内部不断累积微小的应力应变，至一定程度后将引起文物无法挽回的破坏[3]。因此，减缓湿度波动是小空间湿度控制过程中亟需解决的问题。目前的湿度调节可以利用机械调节，主要有去湿机、加湿机和恒温空调等；同时，也可以用非机械调节的方式，主要利用调湿材料吸放湿性能自主，自适的调节环境湿度这种方式无需机械设备和能源消耗，是一种生态性的控制调节方式。而固体吸附剂作为一种无机调湿材料，具有湿缓冲效果，可以用于调节封闭空间内的湿度变化，有效减缓空间内部的湿度波动[4-5]。

本文采用实验的方法研究固体吸附剂对小空间内湿度缓冲特性的影响。建立一个尺寸与常用文物陈列柜尺寸相近的陈列柜模型，辅以加湿、除湿、温湿度测量系统等，研究加湿和除湿过程中，固体吸附剂种类、数量、布置方式等对空间内湿度变化的缓冲作用。

1 基本理论

1.1 湿缓冲原理

在一个内含固体吸附剂的理想封闭空间内，空气和吸附剂的总含湿量不变，空气中水蒸气浓度的变化仅受环境温度和吸附剂特性控制。在空间与外加有质量交换的条件下，例如泄漏、加湿或除湿过程，水蒸气方程的变化还与进出空间的空气流量和含湿量有关。由于固体吸附剂的吸附或脱附作用，在空间内空气湿度变化时会吸附或脱出水分，会减缓空间内的湿度变化率。

1.2 湿平衡方程

对于某一时刻，体积为V的空间内空气的中水蒸气浓度的变化率可以用以下平衡方程来表示

式中：Cw为空间内水蒸气的质量浓度；Cwi和Cwo分别为进出空间的水蒸气浓度；Vf为进出空间的空气的体积流量；Sa(Cw)为单位时间内吸附剂吸附或脱附的质量，与吸附剂性质和Cw有关。

1.3 影响Sa(Cw)的因素

根据冉茂宇的调湿材料动态调湿性能的评价方法[6]，假设环境空气的温度和含湿比在周期性条件下变动，最后求解可以得出：含固体吸附剂的封闭空间，空气的含湿量的振幅与空气温度振幅成正比，两者比值为一常数C在温度恒定情况下，C值越大，固体吸附剂的吸放湿性能越好；C值越小，吸附剂的吸放湿性能越差。现实中相对封闭的小空间内环境空气的温度和含湿比较难以控制在周期性条件下变动，所以无法用文献[6]中的方法计算固体吸附剂的缓冲特性。但根据吸附理论以及文献[6]中的分析可知，固体吸附剂的种类、质量以及其布置方式都会对其缓冲特性产生影响，从而影响Sa(Cw)。

本文采用实验方法研究封闭空间内固体吸附剂的湿缓冲特性。

2 实验设计

2.1 常用固体吸附剂种类及特性

目前常用的固体除湿剂有坡缕石、硅胶、分子筛、活性炭等；不同固体吸附剂特性不一样，其在加湿、除湿的过程中起到的缓冲效果也有所差别。本文对坡缕石、硅胶、分子筛、活性炭这四种固体吸附剂分别进行了实验。

2.2 实验系统

实验系统如图1所示。在试验箱内布有温湿度探头，且空气泵、加湿或除湿装置和试验箱之间是一个密闭的管路，空气在其中流通。利用加湿或除湿装置对进入玻璃箱的气体进行加湿或者干燥，从而达到对试验箱内气体的加湿或者除湿。并将试验箱内的温湿度探头通过控制模块与计算机相连，输出测得的温湿度数据。

图1 实验系统图

2.3 实验装置

试验箱采用边长50cm的密闭玻璃箱，在玻璃箱其中一面上开有进气口、出气口，内部模拟陈列柜环境。同时采用Sensirion公司生产的SHT75系列的温湿度传感器[7]对试验箱内环境温湿度进行测量。所测得的试验箱温湿度数据通过由STC单片机[8-9]和辅助装置组成的温湿度模块，再传至计算机设备。计算机设备采用Delphi编写的程序作为数据采集软件，对试验箱内温湿度数据进行采集记录。软件可以将采集到的温湿度数据进行动态绘图显示，数据采集时采集时间间隔取5 s。同时，由于环境温度会对试验箱内的加湿、除湿过程产生极大的影响，导致所得到的数据有误差或者不正确，自制恒温箱[10]以保持环境温度的稳定。恒温箱是由保温板制作的长方形箱体，体积比试验箱稍大，恒温箱箱体内部表面上均匀布有电伴热带，箱内安装有小风扇以保证内部空气流动及内部温度均匀，箱内同时布有温湿度传感器，利用温湿度传感器、双回路温度控制模块、继电器和编写的计算机软件程序对电伴热带的加热进行控制，从而使恒温箱内部温度保持稳定在25℃。除湿、加湿装置分别采用的是250 ml洗气瓶和500 ml干燥塔。实验利用型号为VQY6538、平均流量为26.5 L/min的空气泵，为实验空气循环提供动力。

2.4 实验方案

试验箱内布置有温湿度探头，分别在其内部有、无任何吸附剂的情况下分别对其进行加湿、除湿处理，测得其内部温湿度变化并记录。固体吸附剂布置时采用圆形底面平铺的布置方式，通过改变底面直径改变其布置方式。实验方案设计情况如表1所示：

表1 实验方案

3 实验数据处理及分析

3.1 实验数据处理

加湿、除湿过程，实验测得多个温湿度，通过计算，将每个温湿度转换为相应的含湿量。初始含湿量的差异会导致曲线无法对比分析，所以对数据进行进一步的处理：选取开始实验时的含湿量作为基数，计算每个时刻含湿量与这个基数的差值。并将时间作为自变量，将含湿量的差值作为因变量，绘制加湿、除湿过程中的含湿量变化曲线。

3.2 不同种类固体吸附剂缓冲效果比较

相同质量的不同种类吸附剂，布置方式相同，并且在相同的加湿或除湿时间下，实验过程中含湿量随时间变化如图2所示。

通过对比初始含湿量和结束含湿量的差，从图2中可以看出，四种固体吸附剂都对加湿和除湿过程起到了一个缓冲的作用。相较之下，活性炭的缓冲效果最差，而硅胶的缓冲效果最佳，坡缕石和分子筛的缓冲效果则处于活性炭和硅胶之间。

图2（a）是加湿过程含湿量随时间变化，从图中可以看出，不论有无固体吸附剂，上升趋势的大概情况基本一致，含湿量差随着时间的推移不断上升，但是上升的速度在不断的减小。试验模拟箱内放置有活性炭时，其含湿量变化曲线几乎与内部未放置吸附剂的曲线重合，可见活性炭对湿度上升时的缓冲作用几乎没有。其他三种固体吸附剂，200 min之前，分子筛和蓝色硅胶的曲线相似，缓冲效果相似，且两者缓冲效果皆比坡缕石好；200 min后，蓝色硅胶仍然保持一个很好的缓冲效果，但分子筛的缓冲效果慢慢下降，并渐渐趋向于坡缕石，最终结果与坡缕石较为相近。

图2 不同种类固体吸附剂加湿、除湿过程含湿量随时间变化

图2（b）是除湿过程含湿量随时间变化，从图中可以看出，不论有无固体吸附剂，上升趋势的大概情况基本一致，含湿量差随着时间的推移不断上升，但是上升的速度在不断的减小，最后趋于平缓，湿度不再下降。200 min前，蓝色硅胶和活性炭的曲线相似，缓冲效果相似；分子筛和坡缕石的曲线相似，缓冲效果相似，并且比蓝色硅胶和活性炭好。200 min后，蓝色硅胶仍然保持一个很好的缓冲效果，渐渐超过分子筛和坡缕石，最为缓冲效果最佳；活性炭则正好相反，始终是缓冲效果最差，最后曲线渐渐趋向于无吸附剂的曲线，缓冲效果几乎不存在；坡缕石和分子筛曲线渐渐分开，分子筛缓冲效果略高于分子筛，但400 min后又开始趋向相同缓冲效果，最终结果相似。

3.3 不同质量坡缕石缓冲效果比较

不同质量的坡缕石，布置方式相同，并且在相同的加湿或除湿时间下，实验过程中含湿量随时间变化如图3所示。

图3 不同质量的坡缕石加湿、除湿过程含湿量随时间变化

通过对比初始含湿量和结束含湿量的差，从图3中可以看出，不论坡缕石质量如何都对加湿和除湿过程起到了一个缓冲的作用。相较之下，随着模拟试验箱内坡缕石质量的增加，含湿量差在减少，代表缓冲效果也在增加，但是增加的幅度却不确定。

图3（a）是加湿过程含湿量随时间变化，从图中可以看出，不论有无固体吸附剂，上升趋势的大概情况基本一致，含湿量差随着时间的推移不断上升，但是上升的速度在不断的减小。采用同样布置方式的坡缕石，质量不同，其能吸附的水蒸气量不同，吸附效果则会不同。从图中可以看出，随着质量的增加，其缓冲效果开始起作用的时间越早，其起到的作用越大。同样是增加25 g的坡缕石，25 g和50 g之间差距较小，同样75 g和100 g之间差距也较小，但50 g和75 g之间差距则较大。可见质量的增加导致缓冲效果增加的幅度并不能确定。

图3（b）是除湿过程含湿量随时间变化，从图中可以看出，不论有无固体吸附剂，上升趋势的大概情况基本一致，含湿量差随着时间的推移不断上升，但是上升的速度在不断的减小，最后趋于平缓，湿度不再下降。从图中可以看出，随着质量的增加，其起到的作用越大。从25 g到100 g，缓冲效果在不断增强，但75 g和100 g坡缕石起到的缓冲效果几乎一致。

3.4 不同布置方式坡缕石缓冲效果比较

相同质量的坡缕石，改变布置方式，可以改变其摆放的位置，也可以改变其布置时的底面积，并且在相同的加湿或除湿时间下，实验过程中含湿量随时间变化如图4所示。

图4 不同布置方式坡缕石加湿、除湿过程含湿量随时间变化

通过对比初始含湿量和结束含湿量的差，从图4中可以看出，不论100 g坡缕石布置时底面积如何都对加湿和除湿过程起到了一个缓冲的作用。相较之下，随着模拟试验箱内100 g坡缕石布置方式的底面积增加，含湿量差在减少，代表缓冲效果也在增加。

图4（a）是加湿过程含湿量随时间变化，从图中可以看出，不论有无固体吸附剂，上升趋势的大概情况基本一致，含湿量差随着时间的推移不断上升，但是上升的速度在不断的减小。同样100 g的坡缕石，布置时底面积不同，则其与空气接触的面积不同，吸附效果则会不同。从图中可以看出，随着底面积的增加，其缓冲效果开始起作用的时间越早，其起到的作用越大。而当底面积较小，两种底面积布置方式的差距就会变小，底面直径为10 cm和15 cm时，两者曲线相差较20 cm和25 cm时小，其缓冲效果差别也小。

图4（b）是除湿过程含湿量随时间变化，从图中可以看出，不论有无固体吸附剂，上升趋势的大概情况基本一致，含湿量差随着时间的推移不断上升，但是上升的速度在不断的减小，最后趋于平缓，湿度不再下降。从图中可以看出，随着底面积的增加，其缓冲效果开始起作用的时间越早，其起到的作用越大。特别的是底面直径为20 cm和25 cm时，两者的缓冲效果几乎一致。

4 结论

当文物陈列柜内湿度变化时，在其内部放入一定量的固体吸附剂充当缓冲剂，确实可以减少湿度变化的幅度，从而对陈列柜内的文物起到保护作用。不同种类的固体吸附剂的缓冲效果不一样，在活性炭、坡缕石、分子筛和硅胶这四种常用的固体吸附剂中，硅胶的缓冲效果最佳，且稳定性高，适合用作文物陈列柜内的固体缓冲剂。文物陈列柜内的固体吸附剂质量越多则其缓冲效果越好，但这种上升是有限度的，可以用最小的固体吸附剂质量达到缓冲效果最佳的情况，避免文物陈列柜内空间和固体吸附剂的浪费。至于固体吸附剂在文物陈列柜内的布置方式，布置时底面积越大，其缓冲效果越好，但是这种上升也是有限度的，也可以用最小的布置时底面积达到最佳的缓冲效果，减少了固体吸附剂所占的空间。由于试验箱的大小原因，改变布置的位置的缓冲效果并不明显，但在实际的大型文物展示柜内，改变固体吸附剂的摆放位置，应该会对空间内的湿度分布产生影响；同时布置方式还要考虑文物陈列柜内文物的布置，配合文物布置起到最佳的效果，并且需要考虑固体吸附剂在文物陈列柜内布置的美观性。