聚乙烯醇/聚丙烯复合膜的制备及透湿性研究

李 楠,曹宇蒙,杨思凡

(西安交通大学城市学院,陕西 西安 710018)

水蒸气选择性透过薄膜在工业中应用较普遍,例如空气除湿、膜式全热交换器等[1]。与其它方法相比,膜法除湿具有结构简单、无转动部件、过程连续、维护方便、能耗较低的优点[2]。聚乙烯醇(PVA)是一种安全的水溶性高分子有机聚合物,主要由聚醋酸乙烯醇解得到,具有较好的亲水性、化学稳定性和成膜性[3]。PVA分子中含有大量羟基,水分子很容易透过,由于侧基氢原子和羟基的体积较小,可进入结晶点而不造成应力,故PVA有高度的结晶性,对气体有较高的阻隔性[4]。但PVA膜易吸湿发生溶胀,机械强度差[5]。针对上述问题,研究者对PVA膜进行了改性处理,如共混、交联、杂化、接枝、取代等[6]。Zhang等[7]研究发现,加入金属盐氯化锂(LiCl)对PVA膜进行改性可改善膜的结构和性能。

目前,大多数研究主要采用数值模拟的方法分析薄膜透湿性影响因素[8-10]。薄膜的透湿性主要受气流形式、膜两侧气流通道高度和操作条件等影响。研究[11-13]发现,湿交换率随气流速度、膜两侧气流通道高度、膜厚的增加而降低,在一定程度上随室外空气相对湿度的增加而升高,随温度的升高略有升高。在此,作者将LiCl添加到PVA水溶液中制成铸膜液,以微孔聚丙烯(PP)膜作为基膜和覆膜,制备PVA/PP复合膜,采用透湿性测量平台研究PVA/PP复合膜的透湿性,分析气体流量、高湿气体进口相对湿度和两侧通道高度对水蒸气传质通量和湿交换率的影响,为除湿或全热交换器相关设备的设计提供指导。

1 实验

1.1 试剂与仪器

PVA 1750±50,国药集团化学试剂有限公司;无水氯化锂,合肥巴斯夫生物科技有限公司;微孔聚丙烯膜,江苏闪创科技股份有限公司;所用试剂均为分析纯。

电子分析天平,上海浦春计量仪器有限公司;DF-101T-5型磁力搅拌器、电热恒温鼓风干燥箱,上海力辰邦西仪器科技有限公司; W-101-132P型喷枪,阿耐斯特岩田产业机械(上海)有限公司;透湿性测量平台,自制。

1.2 PVA/PP复合膜的制备

称取一定质量的PVA粉末与水混合,使PVA质量浓度为4%,稍静置后在90 ℃下磁力搅拌约1 h,至PVA粉末完全溶解;加入一定质量的LiCl,在70 ℃下搅拌约1 h,至LiCl粉末完全溶解,制得LiCl质量浓度分别为1%、2%、3%、4%、5%的铸膜液,静置脱泡。以微孔聚丙烯膜作为基膜,采用喷涂法将铸膜液均匀覆盖于基膜上,置于65 ℃恒温干燥箱中干燥30 min;再次向基膜喷涂铸膜液后,在湿润的铸膜液表面直接覆盖一层微孔聚丙烯膜作为覆膜,置于65 ℃恒温干燥箱中干燥30 min,得到PVA/PP复合膜。

1.3 PVA/PP复合膜的透湿性评价

1.3.1 透湿性测量平台(图1)

图1 透湿性测量平台示意图Fig.1 Schematic diagram of moisture permeability measurement platform

该测量平台通过产生两股湿度差别显著的气流,通过管道进入关键部件透湿单元,薄膜将透湿单元内的气体流动空间划分成两个宽度为2 mm的通道,高湿气体和低湿气体分别在薄膜的两侧以逆流的方式流动,在湿度差的作用下,高湿侧的水蒸气透过薄膜向低湿侧扩散,从而完成透湿过程,因此在流经透湿单元后高湿气体湿度会降低,而低湿气体湿度会上升;在两股气体流入、流出透湿单元处分别安装了温湿度传感器,通过温度和相对湿度计算气体流入、流出透湿单元时的绝对湿度,而后通过两股气体或某股气体流入、流出时绝对湿度的差值和气体流量来计算薄膜对水蒸气的传质通量。每股气体的流量通过气体流量计测量,通过阀门进行调控。

该测量平台通过CO2产生系统产生CO2并注入低湿气体中,在膜两侧气体流入透湿单元前、流出透湿单元后的位置安装CO2传感器,以监测气体流经透湿单元后CO2浓度的变化情况。若气体流经透湿单元后CO2含量几乎维持不变,则认为薄膜对其它气体不具有透过性。

1.3.2 水蒸气传质通量和湿交换率

按式(1)计算水蒸气的传质通量J[14](即单位面积膜在单位时间内透过水蒸气的质量,kg·m-2·s-1):

(1)

式中:Q为气体流量,m3·s-1;M为水蒸气的摩尔质量,为18×10-3kg·mol-1;t为温度,℃;A为传递水蒸气的膜面积,m2;R为气体常数,为8.314 5 J·mol-1·K-1;Фi、Фo分别为同侧进、出口处气体的相对湿度,%。

按式(2)计算薄膜的湿交换率ε[9]:

(2)

式中:ω1i表示高湿气体进口处的绝对湿度,kg·m-3;ω1o表示高湿气体出口处的绝对湿度,kg·m-3;w2i表示低湿气体进口处的绝对湿度,kg·m-3;w2o表示低湿气体出口处的绝对湿度,kg·m-3。

1.3.3 测量误差分析

本实验透湿性测量的误差主要包括气体流量计流量测量误差、温湿度传感器温度和相对湿度测量误差、透湿单元通道加工误差。采用的气体流量计量程范围为0～20 L·min-1,精度为0.01 L·min-1;温湿度传感器温度精度为0.3 ℃,相对湿度的精度为2%;透湿单元通道加工精度为0.1 mm。根据误差传递理论,测得的水蒸气传质通量的不确定度小于8.5%,湿交换率的不确定度小于8.2%。

2 结果与讨论

2.1 PVA/PP复合膜的透湿性分析

利用透湿性测量平台测量PVA/PP复合膜的透湿性和透CO2性,结果显示,普通PP膜能透过水蒸气和CO2;PVA/PP复合膜透过水蒸气的性能增强,但不能透过CO2,说明PVA功能层阻止了CO2透过。这是由于,PVA在PP膜的微孔表面形成了一层致密的均质薄膜,允许水蒸气透过,而阻止CO2透过。

2.2 LiCl质量浓度对PVA/PP复合膜水蒸气传质通量的影响(图2)

图2 LiCl质量浓度对PVA/PP复合膜水蒸气传质通量的影响Fig.2 Effect of LiCl mass concentration on mass transfer flux of water vapor of PVA/PP composite membrane

由图2可知,随着LiCl质量浓度的增加,PVA/PP复合膜的水蒸气传质通量逐渐增加,说明LiCl可显著增强PVA/PP复合膜的透湿性。当LiCl质量浓度为5%时,水蒸气传质通量最大,但与LiCl质量浓度为4%相比,水蒸气传质通量增幅不大。LiCl质量浓度增加会导致制备过程薄膜吸湿性太强不易干燥,因此,LiCl质量浓度以4%为宜。

2.3 水蒸气传质通量和湿交换率的影响因素

以PVA质量浓度为4%、LiCl质量浓度为4%制备的PVA/PP复合膜为测试对象,对影响水蒸气传质通量和湿交换率的因素进行研究。

2.3.1 气体流量对水蒸气传质通量和湿交换率的影响

在测试温度为17 ℃、高湿气体进口相对湿度为85%、低湿气体进口相对湿度为25%、两侧通道高度均为2 mm的条件下,考察两侧气体流量(1.5 L·min-1、2.0 L·min-1、2.5 L·min-1、3.0 L·min-1、3.5 L·min-1)对水蒸气传质通量和湿交换率的影响,结果如图3所示。

图3 气体流量对水蒸气传质通量和湿交换率的影响Fig.3 Effect of gas flow rate on mass transfer flux of water vapor and moisture exchange rate

由图3可知,当气体流量在1.5～3.5 L·min-1范围内变化时,PVA/PP复合膜的水蒸气传质通量在2.03×10-5～3.32×10-5kg·m-2·s-1之间,湿交换率在0.45～0.31之间。随着气体流量的增加,水蒸气传质通量逐渐增加,湿交换率逐渐降低。这是因为,气体流量增加时,渗透通过薄膜的水蒸气量会增加,因此水蒸气传质通量增加;但在通道高度不变的条件下,流速加快,水蒸气交换时间缩短,导致湿交换率降低。

2.3.2 高湿气体进口相对湿度对水蒸气传质通量和湿交换率的影响

在测试温度为17 ℃、气体流量为2.0 L·min-1、两侧通道高度均为2 mm、低湿气体进口相对湿度为30%的条件下,考察高湿气体进口相对湿度(70%、74%、77%、80%、84%)对水蒸气传质通量和湿交换率的影响,结果如图4所示。

图4 高湿气体进口相对湿度对水蒸气传质通量和湿交换率的影响Fig.4 Effect of relative humidity of high moisture flow at inlet on mass transfer flux of water vapor and moisture exchange rate

由图4可知,当高湿气体进口相对湿度在70%～84%范围内变化时,PVA/PP复合膜的水蒸气传质通量在1.06×10-5～2.21×10-5kg·m-2·s-1之间,湿交换率在0.26～0.40之间。随着高湿气体进口相对湿度的增大,水蒸气传质通量逐渐增加,湿交换率逐渐升高。这是因为,高湿气体中水蒸气含量增加时,渗透通过薄膜的水蒸气量增加,因此传质通量增加;高湿气体进口相对湿度增加时,与低湿气体的湿度差增大,从而促进水蒸气传质,湿交换率升高。

2.3.3 两侧通道高度对水蒸气传质通量和湿交换率的影响

在测试温度为17 ℃、气体流量为2.0 L·min-1、低湿气体进口相对湿度为30%、高湿气体进口相对湿度为84%的条件下,考察两侧通道高度(1 mm、2 mm、3 mm、4 mm、5 mm)对水蒸气传质通量和湿交换率的影响,结果如图5所示。

图5 两侧通道高度对水蒸气传质通量和湿交换率的影响Fig.5 Effect of channel height of two sides on mass transfer flux of water vapor and moisture exchange rate

由图5可知,当两侧通道高度在1～5 mm范围内变化时,PVA/PP复合膜的水蒸气传质通量在2.31×10-5～1.92×10-5kg·m-2·s-1之间,湿交换率在0.42～0.36之间。随着两侧通道高度的增加,水蒸气传质通量逐渐减小,湿交换率逐渐降低。这是因为,薄膜两侧通道高度增加时,空气层水蒸气的传质阻力增大,渗透通过薄膜的水蒸气量减少,导致水蒸气传质通量减小,湿交换率也相应降低。

3 结论

以添加了LiCl的PVA膜作为功能层,以微孔聚丙烯膜作为基膜和覆膜,制备了具有良好的透湿阻气功能的PVA/PP复合膜。设计了透湿性测量平台,对影响PVA/PP复合膜透湿性的因素进行了研究,得出以下结论:气体流量对PVA/PP复合膜的水蒸气传质通量和湿交换率的影响非常显著,气体流量增加时,水蒸气传质通量增加,湿交换率下降;水蒸气传质通量和湿交换率均与两侧气体湿度差成正相关,两侧气体湿度差增大,水蒸气传质通量增加,湿交换率升高;随着两侧通道高度的增加,水蒸气传质通量减少,湿交换率降低。