电渗析空气直接除湿系统中分子动力学模拟探讨

发布时间：2020-05-23 17:26

【摘要】：随着生活水平的不断改善,人们对室内空气环境的要求也随之提高,其中温度和湿度是影响室内空气环境的关键因素。在传统空调的运行过程中,为了满足室内湿度的要求,通常会将空气温度降至很低,同时为了达到送风状态点,需要对空气进行再热处理,造成部分能源损失。由于空气中的水蒸气具有荷电性,电渗析技术的引入有可能给湿空气中的水蒸气提供外加驱动力,从而实现独立除湿。本文结合电渗析技术和膜分离技术,对电渗析空气直接除湿过程进行了研究。鉴于目前外加电场在除湿领域还未得到广泛的应用,因此本文主要采用分子动力学模拟方法。主要研究内容如下:首先,在无机膜方面,氧化石墨烯是一种性价比良好的膜分离材料,在机械强度、化学稳定性等方面都表现优异。因此探究电场作用下空气中的水分子在氧化程度不同的氧化石墨烯膜中的扩散过程。研究结果表明,当电场强度从OV/m增大至109V/m,水分子在氧化石墨烯膜中的扩散系数也随之增大。尤其当电场强度为109V/m时,约为无电场作用下得到的扩散系数的3倍。这是因为强电场会破坏模拟体系中的部分氢键作用。同时在特定的电场作用下,当水分子分别在碳氧比为0.2、0.3、0.4的氧化石墨烯膜中扩散时,得到的扩散系数先增大后减小,尤其在碳氧比为0.3的氧化石墨烯膜中的扩散效果最为明显。这主要是因为碳氧比会影响膜表面的亲水性能以及膜中的可扩散空间。其次,在有机膜方面,聚酰亚胺是一种良好的气体膜分离材料,在其结构上含有氮芳杂环高分子,使其具有高透气性和高选择性等特点。因此探究电场作用下,空气中水分子在聚酰亚胺膜中的扩散过程。研究结果表明,当电场强度分别为OV/m、106V/m、107V/m和109V/m时,水分子在聚酰亚胺膜中的扩散系数随着电场强度的增大而增大。尤其当外加电场强度为109V/m时,约为无电场作用下得到的扩散系数的2倍,但其变化的幅度小于水分子在碳氧比为0.3的氧化石墨烯膜中扩散的变化幅度。这是因为两者的膜结构特性不同,与聚酰亚胺膜相比,氧化石墨烯膜表面具有亲水基团。再次,在实际生产应用中,绝大多数除湿设备在高温高湿环境中的运行效率比较低。因此探究温度及相对湿度对于电场作用下水分子在氧化石墨烯膜中扩散的影响。研究结果表明,在强电场作用下,当温度在270K至310K之间变化或相对湿度在30%至80%之间变化时,水分子扩散系数呈现出先增大后减小的变化趋势。并在温度为300K或相对湿度为60%的情况下,水分子在电场作用下的扩散效果最为明显。一方面是因为电场作用会影响水分子的布朗热运动,另一方面是因为水分子在膜中可自由扩散的空间有限。最后,根据在各个不同的工况下模拟得到的结果可知,当外加电场强度为109V/m时,相较于无电场作用时,水分子在除湿膜中的扩散系数的增大幅度最为明显。这初步表明电渗析技术用于空气直接除湿系统是可行的,有可能成为未来除湿技术的一部分,为以后的实验探究进行了理论基础的铺垫。
【图文】：

键势能函数在截断半径处的势能值不为零的情况，图２－２所示。利用开关函数使得曲线的样条宽度的势能达到要求。逡逑Ｕ—非键势能，ＥＷ逡逑１逦：联函敫．Ｓ＆），逡逑ｒ—＼一一一一一ｔＹ逡逑｜0．ａ－ｌ逦＾逡逑Ｓ逦＼邋Ｅ（ｒ）＊Ｓ（ｒ）邋逡逑＜ｒｎＥ逦＼逡逑截断邋７逡逑Ｉ邋样条宽度邋ｐ逦＞逡逑缓冲区宽度逡逑图２－２邋４肖键截断距离和开关函数逡逑步长逡逑

离［５２］进行计算量的控制。ｇ模拟体系中粒子间的距离比设定的截作用视为零。一般情况下，截断半径不应大于模拟系统边界长度的作用范围如图２－１所逡逑＿逡逑图２－１截断半径的作用范，

本文编号：2677704