固體吸附劑對小空間濕度緩沖特性的實驗研究

楊靖

東南大學能源與環境學院

0 引言

精密儀器、重要檔案以及珍貴文物通常存放在的相對封閉的小空間內，對存放環境的濕度有較嚴格的要求，一般要采取低濕或恒濕處理[1]。因完全密閉存放空間比較困難，漏濕現象不可避免。為了維持存放空間的濕度條件，需要采取除濕或加濕的措施[2]。但由于小空間的濕度慣性相對較小，加濕或除濕過程中可能會引起濕度的劇烈波動，對存放的物品產生不利影響。例如書畫等紙質文物在濕度波動較大的情況下，會造成文物的濕脹干縮，從而在文物內部不斷累積微小的應力應變，至一定程度后將引起文物無法挽回的破壞[3]。因此，減緩濕度波動是小空間濕度控制過程中亟需解決的問題。目前的濕度調節可以利用機械調節，主要有去濕機、加濕機和恒溫空調等；同時，也可以用非機械調節的方式，主要利用調濕材料吸放濕性能自主，自適的調節環境濕度這種方式無需機械設備和能源消耗，是一種生態性的控制調節方式。而固體吸附劑作為一種無機調濕材料，具有濕緩沖效果，可以用于調節封閉空間內的濕度變化，有效減緩空間內部的濕度波動[4-5]。

本文采用實驗的方法研究固體吸附劑對小空間內濕度緩沖特性的影響。建立一個尺寸與常用文物陳列柜尺寸相近的陳列柜模型，輔以加濕、除濕、溫濕度測量系統等，研究加濕和除濕過程中，固體吸附劑種類、數量、布置方式等對空間內濕度變化的緩沖作用。

1 基本理論

1.1 濕緩沖原理

在一個內含固體吸附劑的理想封閉空間內，空氣和吸附劑的總含濕量不變，空氣中水蒸氣濃度的變化僅受環境溫度和吸附劑特性控制。在空間與外加有質量交換的條件下，例如泄漏、加濕或除濕過程，水蒸氣方程的變化還與進出空間的空氣流量和含濕量有關。由于固體吸附劑的吸附或脫附作用，在空間內空氣濕度變化時會吸附或脫出水分，會減緩空間內的濕度變化率。

1.2 濕平衡方程

對于某一時刻，體積為V的空間內空氣的中水蒸氣濃度的變化率可以用以下平衡方程來表示

式中：Cw為空間內水蒸氣的質量濃度；Cwi和Cwo分別為進出空間的水蒸氣濃度；Vf為進出空間的空氣的體積流量；Sa(Cw)為單位時間內吸附劑吸附或脫附的質量，與吸附劑性質和Cw有關。

1.3 影響Sa(Cw)的因素

根據冉茂宇的調濕材料動態調濕性能的評價方法[6]，假設環境空氣的溫度和含濕比在周期性條件下變動，最后求解可以得出：含固體吸附劑的封閉空間，空氣的含濕量的振幅與空氣溫度振幅成正比，兩者比值為一常數C在溫度恒定情況下，C值越大，固體吸附劑的吸放濕性能越好；C值越小，吸附劑的吸放濕性能越差。現實中相對封閉的小空間內環境空氣的溫度和含濕比較難以控制在周期性條件下變動，所以無法用文獻[6]中的方法計算固體吸附劑的緩沖特性。但根據吸附理論以及文獻[6]中的分析可知，固體吸附劑的種類、質量以及其布置方式都會對其緩沖特性產生影響，從而影響Sa(Cw)。

本文采用實驗方法研究封閉空間內固體吸附劑的濕緩沖特性。

2 實驗設計

2.1 常用固體吸附劑種類及特性

目前常用的固體除濕劑有坡縷石、硅膠、分子篩、活性炭等；不同固體吸附劑特性不一樣，其在加濕、除濕的過程中起到的緩沖效果也有所差別。本文對坡縷石、硅膠、分子篩、活性炭這四種固體吸附劑分別進行了實驗。

2.2 實驗系統

實驗系統如圖1所示。在試驗箱內布有溫濕度探頭，且空氣泵、加濕或除濕裝置和試驗箱之間是一個密閉的管路，空氣在其中流通。利用加濕或除濕裝置對進入玻璃箱的氣體進行加濕或者干燥，從而達到對試驗箱內氣體的加濕或者除濕。并將試驗箱內的溫濕度探頭通過控制模塊與計算機相連，輸出測得的溫濕度數據。

圖1 實驗系統圖

2.3 實驗裝置

試驗箱采用邊長50cm的密閉玻璃箱，在玻璃箱其中一面上開有進氣口、出氣口，內部模擬陳列柜環境。同時采用Sensirion公司生產的SHT75系列的溫濕度傳感器[7]對試驗箱內環境溫濕度進行測量。所測得的試驗箱溫濕度數據通過由STC單片機[8-9]和輔助裝置組成的溫濕度模塊，再傳至計算機設備。計算機設備采用Delphi編寫的程序作為數據采集軟件，對試驗箱內溫濕度數據進行采集記錄。軟件可以將采集到的溫濕度數據進行動態繪圖顯示，數據采集時采集時間間隔取5 s。同時，由于環境溫度會對試驗箱內的加濕、除濕過程產生極大的影響，導致所得到的數據有誤差或者不正確，自制恒溫箱[10]以保持環境溫度的穩定。恒溫箱是由保溫板制作的長方形箱體，體積比試驗箱稍大，恒溫箱箱體內部表面上均勻布有電伴熱帶，箱內安裝有小風扇以保證內部空氣流動及內部溫度均勻，箱內同時布有溫濕度傳感器，利用溫濕度傳感器、雙回路溫度控制模塊、繼電器和編寫的計算機軟件程序對電伴熱帶的加熱進行控制，從而使恒溫箱內部溫度保持穩定在25℃。除濕、加濕裝置分別采用的是250 ml洗氣瓶和500 ml干燥塔。實驗利用型號為VQY6538、平均流量為26.5 L/min的空氣泵，為實驗空氣循環提供動力。

2.4 實驗方案

試驗箱內布置有溫濕度探頭，分別在其內部有、無任何吸附劑的情況下分別對其進行加濕、除濕處理，測得其內部溫濕度變化并記錄。固體吸附劑布置時采用圓形底面平鋪的布置方式，通過改變底面直徑改變其布置方式。實驗方案設計情況如表1所示：

表1 實驗方案

3 實驗數據處理及分析

3.1 實驗數據處理

加濕、除濕過程，實驗測得多個溫濕度，通過計算，將每個溫濕度轉換為相應的含濕量。初始含濕量的差異會導致曲線無法對比分析，所以對數據進行進一步的處理：選取開始實驗時的含濕量作為基數，計算每個時刻含濕量與這個基數的差值。并將時間作為自變量，將含濕量的差值作為因變量，繪制加濕、除濕過程中的含濕量變化曲線。

3.2 不同種類固體吸附劑緩沖效果比較

相同質量的不同種類吸附劑，布置方式相同，并且在相同的加濕或除濕時間下，實驗過程中含濕量隨時間變化如圖2所示。

通過對比初始含濕量和結束含濕量的差，從圖2中可以看出，四種固體吸附劑都對加濕和除濕過程起到了一個緩沖的作用。相較之下，活性炭的緩沖效果最差，而硅膠的緩沖效果最佳，坡縷石和分子篩的緩沖效果則處于活性炭和硅膠之間。

圖2（a）是加濕過程含濕量隨時間變化，從圖中可以看出，不論有無固體吸附劑，上升趨勢的大概情況基本一致，含濕量差隨著時間的推移不斷上升，但是上升的速度在不斷的減小。試驗模擬箱內放置有活性炭時，其含濕量變化曲線幾乎與內部未放置吸附劑的曲線重合，可見活性炭對濕度上升時的緩沖作用幾乎沒有。其他三種固體吸附劑，200 min之前，分子篩和藍色硅膠的曲線相似，緩沖效果相似，且兩者緩沖效果皆比坡縷石好；200 min后，藍色硅膠仍然保持一個很好的緩沖效果，但分子篩的緩沖效果慢慢下降，并漸漸趨向于坡縷石，最終結果與坡縷石較為相近。

圖2 不同種類固體吸附劑加濕、除濕過程含濕量隨時間變化

圖2（b）是除濕過程含濕量隨時間變化，從圖中可以看出，不論有無固體吸附劑，上升趨勢的大概情況基本一致，含濕量差隨著時間的推移不斷上升，但是上升的速度在不斷的減小，最后趨于平緩，濕度不再下降。200 min前，藍色硅膠和活性炭的曲線相似，緩沖效果相似；分子篩和坡縷石的曲線相似，緩沖效果相似，并且比藍色硅膠和活性炭好。200 min后，藍色硅膠仍然保持一個很好的緩沖效果，漸漸超過分子篩和坡縷石，最為緩沖效果最佳；活性炭則正好相反，始終是緩沖效果最差，最后曲線漸漸趨向于無吸附劑的曲線，緩沖效果幾乎不存在；坡縷石和分子篩曲線漸漸分開，分子篩緩沖效果略高于分子篩，但400 min后又開始趨向相同緩沖效果，最終結果相似。

3.3 不同質量坡縷石緩沖效果比較

不同質量的坡縷石，布置方式相同，并且在相同的加濕或除濕時間下，實驗過程中含濕量隨時間變化如圖3所示。

圖3 不同質量的坡縷石加濕、除濕過程含濕量隨時間變化

通過對比初始含濕量和結束含濕量的差，從圖3中可以看出，不論坡縷石質量如何都對加濕和除濕過程起到了一個緩沖的作用。相較之下，隨著模擬試驗箱內坡縷石質量的增加，含濕量差在減少，代表緩沖效果也在增加，但是增加的幅度卻不確定。

圖3（a）是加濕過程含濕量隨時間變化，從圖中可以看出，不論有無固體吸附劑，上升趨勢的大概情況基本一致，含濕量差隨著時間的推移不斷上升，但是上升的速度在不斷的減小。采用同樣布置方式的坡縷石，質量不同，其能吸附的水蒸氣量不同，吸附效果則會不同。從圖中可以看出，隨著質量的增加，其緩沖效果開始起作用的時間越早，其起到的作用越大。同樣是增加25 g的坡縷石，25 g和50 g之間差距較小，同樣75 g和100 g之間差距也較小，但50 g和75 g之間差距則較大。可見質量的增加導致緩沖效果增加的幅度并不能確定。

圖3（b）是除濕過程含濕量隨時間變化，從圖中可以看出，不論有無固體吸附劑，上升趨勢的大概情況基本一致，含濕量差隨著時間的推移不斷上升，但是上升的速度在不斷的減小，最后趨于平緩，濕度不再下降。從圖中可以看出，隨著質量的增加，其起到的作用越大。從25 g到100 g，緩沖效果在不斷增強，但75 g和100 g坡縷石起到的緩沖效果幾乎一致。

3.4 不同布置方式坡縷石緩沖效果比較

相同質量的坡縷石，改變布置方式，可以改變其擺放的位置，也可以改變其布置時的底面積，并且在相同的加濕或除濕時間下，實驗過程中含濕量隨時間變化如圖4所示。

圖4 不同布置方式坡縷石加濕、除濕過程含濕量隨時間變化

通過對比初始含濕量和結束含濕量的差，從圖4中可以看出，不論100 g坡縷石布置時底面積如何都對加濕和除濕過程起到了一個緩沖的作用。相較之下，隨著模擬試驗箱內100 g坡縷石布置方式的底面積增加，含濕量差在減少，代表緩沖效果也在增加。

圖4（a）是加濕過程含濕量隨時間變化，從圖中可以看出，不論有無固體吸附劑，上升趨勢的大概情況基本一致，含濕量差隨著時間的推移不斷上升，但是上升的速度在不斷的減小。同樣100 g的坡縷石，布置時底面積不同，則其與空氣接觸的面積不同，吸附效果則會不同。從圖中可以看出，隨著底面積的增加，其緩沖效果開始起作用的時間越早，其起到的作用越大。而當底面積較小，兩種底面積布置方式的差距就會變小，底面直徑為10 cm和15 cm時，兩者曲線相差較20 cm和25 cm時小，其緩沖效果差別也小。

圖4（b）是除濕過程含濕量隨時間變化，從圖中可以看出，不論有無固體吸附劑，上升趨勢的大概情況基本一致，含濕量差隨著時間的推移不斷上升，但是上升的速度在不斷的減小，最后趨于平緩，濕度不再下降。從圖中可以看出，隨著底面積的增加，其緩沖效果開始起作用的時間越早，其起到的作用越大。特別的是底面直徑為20 cm和25 cm時，兩者的緩沖效果幾乎一致。

4 結論

當文物陳列柜內濕度變化時，在其內部放入一定量的固體吸附劑充當緩沖劑，確實可以減少濕度變化的幅度，從而對陳列柜內的文物起到保護作用。不同種類的固體吸附劑的緩沖效果不一樣，在活性炭、坡縷石、分子篩和硅膠這四種常用的固體吸附劑中，硅膠的緩沖效果最佳，且穩定性高，適合用作文物陳列柜內的固體緩沖劑。文物陳列柜內的固體吸附劑質量越多則其緩沖效果越好，但這種上升是有限度的，可以用最小的固體吸附劑質量達到緩沖效果最佳的情況，避免文物陳列柜內空間和固體吸附劑的浪費。至于固體吸附劑在文物陳列柜內的布置方式，布置時底面積越大，其緩沖效果越好，但是這種上升也是有限度的，也可以用最小的布置時底面積達到最佳的緩沖效果，減少了固體吸附劑所占的空間。由于試驗箱的大小原因，改變布置的位置的緩沖效果并不明顯，但在實際的大型文物展示柜內，改變固體吸附劑的擺放位置，應該會對空間內的濕度分布產生影響；同時布置方式還要考慮文物陳列柜內文物的布置，配合文物布置起到最佳的效果，并且需要考慮固體吸附劑在文物陳列柜內布置的美觀性。