舰 船 防 化
2013 年第 2 期，26~32 CHEMICAL DEFENCE ON SHIPS №2,26~32
塑胶铆钉
张 琪
（中国船舶重工集团公司第七一八研究所，河北 邯郸，056027） 摘 要：从亲水膜除湿技术和疏水膜除湿技术这两方面分析了膜除湿技术用于空气除湿的工作原理
和技术优势，介绍了该技术国内外研究进展，并对膜除湿技术的发展做出了展望。 关键词：亲水膜；疏水膜；空气除湿；吸湿溶液 中图分类号：TQ028.8 文献标识码：A
Research Progress of Membrane-based Dehumidification Technologies in Air Drying
Zhang Qi
(The 718th Research Institute of CSIC, Handan 056027, China)
Abstract: The mechanism and advantages of hydrophilic membrane dehumidification technologies and
hydrophobic membrane dehumidification technologies in air drying were analyzed. The application of this technology in compressed gas drying was given. Research Progress at home and abroad were shown. And the development of membrane-based dehumidification technologies was prospected. Keywords：Hydrophilic membrane, Hydrophobic membrane, Air dehumidification, Hygroscopic liquid 型除湿技术， 已进入空气净化科学研究和工业应用领 域，成为研究前沿和应用热点。表 1 给出了各种空气 除湿方法的性能比较。 可见，膜除湿具有很多优点：除湿过程连续、无 污染问题、除湿效率高、设备简单易维护等。它按除 湿机理可分为亲水膜除湿和疏水膜除湿。 本文将从这 两个方面介绍一下膜除湿技术用于空气除湿的国内 外研究进展。
0 前 言
空气除湿是舰船舱室、 生活保障中必不可少的要 求。过高的空气湿度会造成人的不适感，诱发疾病； 而且对物质的保存和某些工艺过程， 以及要求在低湿 条件下运行的仪器仪表都有影响，比如地下工程、武 器仓库、坑道、精密仪器运行等场合，高湿的环境会 导致精密电子装置的准确性下降， 严重影响弹药的使 用等问题，甚至会造成重大事故，给国民经济造成损 失。因此，人们必须采取有效的措施来保证空气湿度 符合要求[1
体香糖
～3]
带电指示器1 亲水膜除湿技术
1.1 除湿原理 亲水膜除湿技术主要基于溶解-扩散机理， 对于特 定的膜材料，水蒸气在其中的透过速率比较大，其渗 透系数比氮气、 氧气和其他一些空气中的微量气体高 至少两个数量级。当湿润空气流经中空纤维膜（进气
。
目前常用的空气除湿方法有冷却法除湿、 固体吸 附剂除湿、转轮法除湿。这些传统的除湿方法虽然应 用广泛，但是仍然存在除湿效率低、设备复杂、二次 污染等不足 。膜除湿技术是近几十年发展起来的新
[4]
2 2013 年第 2 期
膜 膜除湿技术用 用于空气除湿 湿的研究进展 展
表 1 各种空 空气除湿方法的 的性能比较 Tab. 1 Perfor rmance contra ast of different dehumidificat tion means 方法 冷却法 冷凝 -20 中 中 小~大型 冷冻机、 表冷器 耗能 大 吸收法 法 吸收 收 -30 大
难 型 大型 吸收塔、 、泵、 换热器 器 大 吸附法 吸 吸附 -50 大 中 中~大型 附塔、换热 吸附 器、切换阀 大 转轮法 吸附 -50 小 难 小~大型 、 转轮除湿器、 换热器 大 膜法 渗透 -40 小 中 型 小~大型 膜分离 离器、 换热器 器 小
・ 27 ・
分离原理 除湿 湿后最低露点/℃ 设 设备占地面积 操作维修 生产规模
主要设备
侧 侧）时被膜表 表面吸收，从而在膜两侧表 表面产生浓度 度梯 度 度，水蒸气在 在极薄的膜壁 壁中扩散至膜丝的另一侧（渗 透 透侧） ，并由小 小部分干燥吹 吹扫气反吹带 带出膜干燥器 器， 得 得到的干燥空 空气从中空纤 纤维膜出口流 流出， 从而完成 成水 -气分离。整个 气 个过程中，膜 膜丝内外始终 终存在的水蒸 蒸气 分 分压差保证了 了水分子不断 断向外扩散， 形 形成一个连续 续不 间 间断的干燥过 过程，除湿原 原理见图1。
力差 差，从而提高 高膜两侧的水 水蒸气分压差 差，在分压差的 作用 用下水蒸气优 优先透过膜而 而散发到环境 境中去， 被干燥 燥 的空 空气进入室内 内[5]。压差的 的形成可以将输入的空气加 加 压后 后进入膜组件 件，渗透侧保 保持常压；也可以进气侧保 保 持常 常压，在渗透 透侧抽真空。通过 加压得到膜两侧压差 差 的工 工艺流程见图 图2，通过抽真空得到膜两侧压差的工 工 艺流 流程见图3，其中渗透侧吹扫气的引入是为了将渗 渗 透过 过来的水蒸气 气及时带走，消除浓差极 极化，保证膜两 两 侧水 水蒸气一直处 处于压力差下 下。
吹扫气 气 膜 膜组件
环境 空气
干燥 空气 吹扫气 气 空气泵 泵
图 1 亲水膜除湿 湿技术原理示意 意图 Fig.1 Sche ematic diagram m of hydrophil lic membrane dehumidificat tion technologies
图 2 加压形成压差 差的膜除湿流程 程 Fig.2 Pressur re route of mem mbrane dehum midification technol logies
亲水膜除 除湿技术有压 压差法和膜/干燥剂、膜 干 /冷凝 冷 复 复合法等，复 复合法还属于 于概念性研究阶段，本文重 重点 介 介绍压差法除 除湿。 1.2 研究进展 展 1. 1.2.1 工艺介 介绍 压差法是 是指在膜丝进 进气侧和渗透 透侧内外形成压
该工艺中， 膜组件的干 干燥能力是随着空气泵进气 气 压力的升高而增大。空气泵的进气压力至少在 0.03 3MPa以上，膜组件才能 能发挥除湿作用，将潮湿空 空 气干 干燥到相对湿 湿度50%左右 右，此时仅能满足人居生活 活
・ 28 ・ 舰 船 防 化 2013 年第 2 期 的 的湿度要求。 当进气压力增大到0.1M MPa以上时，出 出口 的 的干燥空气可 可达到相对湿 湿度30%，此时 时可满足多种 种生 产 产和存储的环 环境湿度要求 求。
气 吹扫气 膜组件
g.4 Membrane dehumidificat tion device for submarine an nd Fig a aircraft carrie er of America
环境 空气 风机 机 真空泵 吹扫气
新型秸秆气化炉
干燥 空气
图 3 抽真空形成 成压差的膜除湿 湿流程 uum route of membrane m dehumidification Fig.3 Vacu techn nologies
该方法降 降低了进气侧 侧对设备的要 要求， 只需用普 普通 风 风机将空气打 打入膜组件即 即可，无
需加压。真空泵只 只需 对 对吹扫气做功 功，即可形成 成膜丝内外压差，使膜组件 件发 挥 挥除湿作用。 而吹扫气量 量只占进气量 量的10%～30% %， 因 因此，真空法 法要比加压法 法节省能耗。 1. 1.2.2 研究进 进展 在国外， 研究开始于上 上个 膜技术用于气体除湿的研 世 世纪六十年代 代， 用于舰船设备用气的除 除湿和工业生 生产 气 气体除湿的膜 膜除湿技术已 已相对成熟，美国的 SSN-776 级 级核动力潜艇 艇、CVN-65 级核动力航空 级 空母舰、CVN N-68 级 级核动力航空 空母舰、 CVN-74 级核动力 力航空母舰、 L LHD 型 型救援打捞船 船、ARS-50 两栖攻击性登 登陆舰等都已 已装 备 备了膜除湿机 机，设备图片 片见图 4、图 5。
图 5 美国某公司开 开发的用于海军 军舰船、民船和 和核电厂的膜除 湿装 装置 Fig. .5 Membrane dehumidificati d ion device for ship s and nucle ear plant carrier of America
图4和图5所给出的膜除 所 除湿装备已在 在美国海军获 获 得了 了成熟的应用 用，主要应用 用在设备供气 气系统的除湿 湿。 它们 们的核心部件 件均为膜除湿 湿组件， 除湿膜材料为聚酰 酰 亚胺 胺，在80PSI（约0.55MPa a）压力下运 运行时，出口空 空 气露 露点可达-20℃。这些膜除 除湿装置几乎 乎不耗电，且 且 维护 护简单，只需 需定期更换前 前面的过滤器 器即可，寿命可 可 长达 达10年。 膜除 除湿装置的运 运用每年可为美国海军节省 省 二百 百多万美元。 太空植物生长 长的“PGBA A”计划中[6]， 在美国外太 美国 国研究者利用 用环境为真空 空的特点， 将膜除湿技术用 用 于植 植物生长室的 的湿度控制，该具有三个 个特点：微重力 力 下操 操作；回收冷 冷凝水供植物 物再利用。试
验中使用了三 三 种亲 亲水膜：烧结 结金属膜、陶 陶瓷膜和混合 合纤维素膜。 我国在膜除 除湿技术方面 面的研究开展 展较晚， 吴庸列 列
[7]
图 4 美国核动力 力潜艇和航空母 母舰用低压空气 气膜除湿装置和 和电 子供气系统 统膜除湿装置
等用共混改性 等 性的聚酰亚胺 胺中空纤维膜进行了压缩
空气 气除湿研究，在0.4MPa时 时露点达到-1 17℃，0.8MP Pa
2 2013 年第 2 期
膜 膜除湿技术用 用于空气除湿 湿的研究进展 展
・ 29 ・
时 时露点达到 -2 22℃；李国民 民[8]等人认为：吹扫气和抽 抽真 空 空都能有效地 地提高膜组件 件的除湿效率 率， 通过考察发 发现， 吹 吹扫气和抽真 真空联合使用 用能更有效地 地提高膜组件的 除 除湿效率，使 使产气露点降 降低5℃～6℃左右（与吹扫 扫气 法 法相比），在 在保证不增加新能耗
的前提 提下，吹扫气 气和 抽 抽真空联合使 使用是消除浓 浓差极化、 提高 高膜组件效率 率最 有 有效的方法。
] 根据飞机环境控制系统的特点，提出 出一 袁卫星[9]
术方向需要对 对膜材料进行 行改进，降低 低成本价格，同 技术 时要 要改进除湿工 工艺， 进行大 大气量膜除湿组件或膜除湿 湿 组件 件串/并联组合 合工艺的研究 究，使其可用 用于大气量气 气 体的 的处理。
种 种采用透湿膜 膜组件的新型 型高压除湿式 式飞机环境控制 系 系统， 解决了传统高压除水式环境控制 制系统结构复 复杂、 重 重量大的问题 题，图6为袁卫 卫星为飞机环 环控系统设计 计的 两 两轮升压式膜 膜高压除湿系 系统流程原理 理图。
图 7 七一八所研制 制的膜除湿组件 件和环境除湿用 用膜除湿装置原 理样 样机 图 6 两轮升压式膜高 两 高压除湿系统流 流程原理图 Fig.6 Flow process chart of f membrane dehumidificatio on system with h high pressure e Fi ig.7 Membrane dehumidifica ation module and a membrane e ation device of f 718th Researc ch Institute dehumidifica
锦纶6切片中船重工 工集团公司第 第七一八研究 究所研发的膜除 湿 湿组件打破了 了除湿膜材料 料只可在高压
涂料刮棒
压下使用的局限 性 性，不仅用于 于压缩空气除 除湿，也可用于 于低压的环境 境空 气 气除湿。图 7为研制的膜除 为 除湿组件和用 用于环境除湿 湿的 膜 膜除湿装置原 原理样机。 图 7 中，左图所示的膜 除湿组件适 适用于 0.4MP Pa ～ 0.8MPa 的压缩空气干燥，右图所示的 的膜除湿装置 置适 用 用于环境空气 气除湿或压力 力低于 0.4MP Pa 的气体干燥 燥， 这 这些膜除湿组 组件和膜除湿 湿装置都在不 不同场合进行 行了 使 使用和推广。 在市场使用 用中发现，这些 些膜除湿产品 品虽 然 然有着非常优 优秀的除湿性 性能和节能优 优势， 但是由于 于膜 材 材料成本比较 较昂贵，大大 大限制了其应用范围，而且 且单 一 一的膜组件不 不能处理较大 大气量的气体 体。因此，将来 来的
2 疏水膜除湿 疏 湿技术
疏水膜除湿 湿主要是指膜 膜基水蒸气吸 吸收法， 即膜分 分 离技 技术与液体除 除湿技术相结 结合的新型水 水蒸气吸收过 过 程。该技术气液 液流速范围宽 宽，可独立控 控制；气液接触 触 积大、 传质速 速率快、 能耗低 低； 并且膜吸收器体积小、 面积
0] 重量 量轻，没有液 液泛、雾沫夹 夹带、沟流等 等现象发生[10 。
有人 人已经证明，在低于0℃的低温下该除湿装置仍能 能 使用 用。 同时， 该装 装置中所用的 的吸湿液体还 还具有杀菌性 性， 能杀 杀死葡萄球菌 菌、链球菌、肺炎杆菌、大肠杆菌、变 变 形菌 菌、绿脓杆菌 菌等，可以制 制造无菌空气 气。因此，膜基 基 吸收 收法在空气除 除湿领域中具 具有广阔
的应 应用前景， 在国 内外 外展开了广泛 泛的研究。 2.1 除湿原理
・ 30 ・ 舰 船 防 化 20 013 年第 2 期 疏水膜除 除湿技术是将 将高分子中空 空纤维膜作为 为接 触 触器，膜的一 一侧为高湿空 空气，另一侧为 为液体吸湿剂 剂水 溶 溶液，两侧流 流体同时运行 行。由于液体吸 吸湿剂的主要 要成 分 分是一种吸水 水性极强的无 无机盐， 其溶液 液表面的水蒸 蒸气 分 分压力很低， 因此具有很 很强烈的吸收水蒸气能力。在 湿 湿空气与吸湿 湿液体接触的 的过程中， 由于 于湿空气的表 表面 蒸 蒸汽分压力大 大于溶液表面 面蒸汽分压力 力， 所以空气中 中的 水 水分子大量向 向吸湿液体转 转移，既被吸湿液体吸收， ，基 本 本原理见图 8。微孔疏水膜一侧流动高 高湿空气，其 其中 的 的水蒸气在浓 浓度梯度作用 用下经膜中微 微孔不断扩散 散到 膜 膜的吸湿溶液 液侧，在此气 气/ 液界面处被 被吸收剂吸收 收后 带 带走，而空气 气中其他气体 体组分（如 N2 、CO2、H2 、 O2 等）由于不能被吸收剂 剂反应吸收而 而顺气流流出 出膜 吸 吸收器，达到 到水蒸气与空 空气相分离的 的目的。 被重 重新提出，现 现已成为研究 究热点和工程 程应用热点，被 被 认为 为是一种很有 有发展潜力的 的绿除湿方 方式。 液体除湿 湿 系统 统中的关键设 设备是气液接 接触除湿器， 各种不同种类 类 的除 除湿器被提出 出、研究，其 其中随着近十几年膜分离技 技 术的 的发展， 利用 用高分子中空 空纤维膜作为气液接触除湿 湿 器进 进行空气除湿 湿的研究得到 到了重大进展 展。 意大利[13]Stefano S Berg gero 研究了疏 疏水膜接触器 器 用于 于居住和工作 作环境的除湿 湿。流程图见
见 9。研究中使 使 用了 了聚丙烯疏水 水膜组件作为 为接触器， LiC Cl 水溶液作为 为 吸湿 湿溶液， 处理 理风量为 30m m3/h～80m3/h， 可将 55%R RH 的室 室内环境除湿 湿到 14%~17%RH。
图 8 疏水膜除湿 湿技术原理示意 意图 Fig.8 Schem matic diagram m of hydrophob bic membrane dehumidificat tion technologies
该技术中 中所用的膜基 基材多为疏水 水聚砜、 疏水聚 聚丙 烯 烯和疏水聚四 四氟乙烯，要 要求疏水性能稳定、机械性 性能
11] 优 优良、 耐热性好 好、 耐微生物 物降解、 具有化 化学稳定性[1 。
常 常用的吸湿溶 溶剂有三甘醇 醇、LiBr、LiC Cl、CaCl2、乙 乙二 醇 醇等溶液。 其中三甘醇黏度 度较大， 影响 响系统的稳定 定性； 乙 乙二醇性能虽 虽好，但易挥 挥发，进入房间 间对人体造成 成危 害[12]。现在研 研究较多的是 是LiBr、LiCl、CaCl2水溶 溶液， 这 这些吸湿溶液 液不但再生温 温度低，而且 且吸湿性极强。 2.2 研究进展 展 第一个液 液体除湿系统 统是在上世纪 纪 50 年代中期 期开 始 始进行研究的 的，采用乙二 二醇作为除湿液体，之后研 研究 曾 曾一度中断， 液体除湿的理论研究到了 了80年代初期 期又
图 9 意大利开发的 的用于居住和工 工作环境除湿的 的疏水膜除湿技 技 术示意 意图 Fig.9 Schema at
ic diagram of hydrophobic c membrane deh humidification n system of dw welling environm ment with Italy
在欧洲航天 天局和荷兰航 航空航天局的 的项目资金支 支 持下 下， 荷兰研究 究者开发了用 用于航天器的膜吸收除湿系 系
14] 统[1 ，图10为该 该系统的原理 理图。该系统应用了四组膜 膜
