CN102335545A

CN102335545A - 用于空气除湿的除湿剂、空气除湿的方法和装置

Info

Publication number: CN102335545A
Application number: CN2010102375583A
Authority: CN
Inventors: 田长青; 罗伊默; 邵双全
Original assignee: Technical Institute of Physics and Chemistry of CAS
Current assignee: Technical Institute of Physics and Chemistry of CAS
Priority date: 2010-07-22
Filing date: 2010-07-22
Publication date: 2012-02-01
Anticipated expiration: 2030-07-22
Also published as: CN102335545B

Abstract

本发明公开了一种用于空气除湿的除湿剂，其为有机正离子和无机负离子构成的熔点接近室温或低于室温的离子液体溶于水后形成的离子液体溶液。并且进一步公开了采用上述除湿剂对空气进行除湿的方法和装置。与传统盐溶液(溴化锂、氯化锂、氯化钙等水溶液)相比，本发明具有如下优点：1)所用离子液体溶液在常温下为液态，与水互溶，在运行中不会结晶，保证系统可靠运行；2)所用离子液体溶液的水蒸气分压力与传统的除湿盐溶液类似或具有比其更低的水蒸气分压力，因而除湿效率高；3)所用离子液体溶液对钢铁等金属设备无腐蚀，设备成本低、寿命长；4)具有不挥发性，降低了对环境的污染等。

Description

用于空气除湿的除湿剂、空气除湿的方法和装置

技术领域

本发明涉及一种用于空气除湿的除湿剂，及采用该除湿剂对空气进行除湿的方法和装置。

背景技术

随着工业的发展和生活水平的提高，除湿逐渐得到人们的重视并产生了多种除湿方法，包括将空气温度降低到露点温度以下，使水分析出的冷凝除湿法；加压使空气的水蒸气分压升高，使水蒸气析出的加压法；使用具有除湿性能的固体或液体材料与空气直接接触，实现空气的除湿。由于液体除湿材料具有以下优点而得到广泛使用：(1)易于实现等温除湿，不可逆损失小，热力学完善度高；(2)可以使用更低品位的热能作为驱动能源；(3)无较大运动部件，结构简单，易于小型化；(4)可除去空气中的尘埃、细菌等有害物，提高空气品质。

对于常用的液体除湿而言，除湿溶液的性能是影响液体除湿空调系统的重要因素。人们所期望的除湿剂特性有：相同的温度、浓度下，除湿剂表面蒸气压较低；除湿剂对于空气中的水分有较大的溶解度，这样可提高吸收率并减小溶液除湿剂的用量；除湿剂在对空气中水分有较强吸收能力的同时，对混合气体中的其他组分基本不吸收或吸收甚微，否则不能有效实现分离；低粘度，以降低泵的输送功耗，减小传热阻力；高沸点，高冷凝热和稀释热，低凝固点；除湿剂性质稳定，低挥发性、低腐蚀性，无毒性；价格低廉，容易获得。

氯化钙、氯化锂和溴化锂等吸湿性溶液常被用作除湿剂，但其存在的固有缺点包括易结晶，具有腐蚀性以及污染环境等。

发明内容

本发明的目的首先是提供一种不挥发、与水互溶不结晶、对钢铁等金属无腐蚀性、高热稳定性、液程范围较宽、无毒无臭、对环境无污染的用于空气除湿的除湿剂。

本发明的另一个目的是提供一种采用上述除湿剂对空气进行除湿的方法。

本发明进一步的目的是提供用于上述方法的装置。

为了达到上述目的，本发明的技术方案如下：

一种用于空气除湿的除湿剂，为有机正离子和无机负离子构成的熔点接近室温或低于室温的离子液体溶于水后形成的离子液体溶液。溶液除湿技术采用具有调湿功能的离子液体溶液为工作介质，利用溶液的吸湿与放湿特性对空气湿度进行控制，离子液体溶液与空气中的水蒸气分压力差是二者进行水分传递的驱动势。本发明所使用的离子液体溶液的水蒸气分压力与目前常用的除湿盐溶液(如溴化锂，氯化锂和氯化钙等)类似或具有比其更低的水蒸气分压力。但是本发明使用的离子液体溶液具有不挥发、与水互溶不结晶、对钢铁等金属无腐蚀性、高热稳定性、液程范围较宽(为-40～300℃)、无毒无臭、对环境无污染的特点，因此将其用于除湿，可以有效解决常用盐溶液由于具有挥发性造成的污染环境的问题以及常用盐溶液对金属腐蚀性较大造成的设备成本高的问题。

上述除湿剂，其中所述有机正离子可以是任何具有良好除湿性能的有机正离子，优选季铵阳离子、季鏻阳离子、咪唑阳离子、吡啶阳离子、噻唑阳离子、三氮唑阳离子、吡咯啉阳离子、噻唑啉阳离子、胍阳离子、苯并三氮唑阳离子及其衍生物中的任意一种。

上述除湿剂，其中所述无机负离子可以是任何具有良好除湿性能的无机负离子，优选[BF₄]^-、[CF₃SO₃]^-、[CH₃COO]^-、[CF₃COO]^-、[C₃F₇COO]^-、[(CF₃S O₂)₂N]^-、[(CH₃)₂PO₄]^-、[C₃F₇COO]^-、[C₄F₉S O₃]^-[(C₂F₅SO₂)N]^-和[(CF₃SO₂)₃C]^-中的任意一种。

上述除湿剂，其中所述离子液体最优选为：1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐([BMIM]BF₄)、1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐([EMIM]BF₄)、1，3-二甲基咪唑磷酸二甲酯盐([MMIM][(CH₃)₂PO₄])、1-乙基-3-甲基咪唑啉双(三氟甲基磺酰基)亚胺([EMIM][(CF₃SO₂)₂N])、1-丁基-3-甲基咪唑啉双(三氟甲基磺酰基)亚胺([BMIM][(CF₃SO₂)₂N])、1，3-二甲基咪唑磷酸二甲酯([MMIM][(CH₃)₂PO₄])、1-丁基-3-甲基咪唑磷酸二乙酯([BMIM][(CH₃)₂PO₄])、1-乙基-3-甲基咪唑磷酸二乙酯([EMIM][(CH₃)₂PO₄])、1-丙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐([C₃MIM]BF₄)。

一种空气除湿方法，其是采用上述除湿剂对空气进行除湿的。具体方法可以为，采用高浓度的除湿剂与空气接触，从空气中吸收水分变为低浓度的溶液，空气经过除湿后变为湿度较低的干燥空气；所述低浓度的溶液将水分蒸发后再生为高浓度的溶液循环使用。

用于上述方法的空气除湿装置，包括空气除湿器、溶液泵、溶液再生器，由溶液管道循序连接成一个除湿再生循环，所述空气除湿器中设置有高浓度的除湿剂，所述除湿剂为有机正离子和无机负离子构成的熔点接近室温或低于室温的离子液体溶于水后形成的呈液态的熔盐体系。

上述装置，其中所述空气除湿器为绝热型除湿器或内冷型除湿器。在绝热型的空气除湿器内，高浓度的离子液体溶液吸收空气中的水分时，会释放水蒸气凝结的汽化潜热，使得空气和离子液体溶液的温度都升高，吸湿过程的不可逆损失增加。因此采用内冷型的空气除湿器，通过外部冷源对吸湿过程冷却，可实现等温除湿过程，从而减少不可逆损失、提高除湿效率。内冷型除湿器的冷源可以采用冷却塔制取的冷却水、地下水或高蒸发温度制冷(热泵)机组制取的冷水。为提高离子液体溶液与空气的接触面积、提高传质效率，在空气除湿器内填充填料，空气除湿器中所用填料可以为金属填料或有机填料或组合填料。金属填料在提高传质效率的同时可以提高传热性能，有助于实现等温除湿；有机填料性能稳定、使用寿命长；并可采用金属填料与有机填料的组合填料，以提高填料的性能和使用寿命。

上述装置，其中所述溶液再生器为可以利用热能使水分蒸发的器械，如已有的供热热网再生器、热泵供热再生器、太阳能再生器、电加热再生器或余热/废热利用再生器等。通过吸收外部的热量提高离子液体溶液的温度和表面水蒸气分压力，使得其中的水分得以蒸发，溶液变为浓溶液、恢复吸湿能力。

上述装置，还可以在溶液再生器和空气除湿器之间设置有浓溶液罐。利用浓溶液进行蓄能。溶液蓄能为化学能，储能密度高、耗散少，可以在热源不连续或充分利用低品位能源的情况下都能保证系统的稳定运行。

上述技术方案具有如下优点：通过采用特殊的有机正离子和无机负离子构成的熔点接近室温或低于室温的离子液体溶于水后形成的离子液体溶液作为除湿剂，达到了有效、快速去除空气中水蒸气的目的，并且1)除湿剂在常温下为液态，与水互溶，在运行中不会结晶，保证系统可靠运行；2)所用离子液体溶液的水蒸气分压力与传统的除湿盐溶液类似或具有比其更低的水蒸气分压力，因而除湿效率高；3)所用离子液体溶液对钢铁等金属设备无腐蚀，设备成本低、寿命长；4)所用离子液体溶液又具有不挥发性，降低了对环境的污染。

附图说明

图1为实施例1的装置示意图；

图2为实施例2的装置示意图；

图3为实施例2中的太阳能集热/再生器示意图；

图4为实施例3的装置示意图；

图5为实施例5的装置示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

实施例1：

采用1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐([BMIM][BF₄])的水溶液为除湿剂。

如图1所示，示出了根据本发明的一种空气除湿方法及装置。该除湿系统包括空气除湿器1，溶液再生器2以及溶液泵3，高浓度的离子液体溶液从d端进入空气除湿器1中吸收空气中的水蒸气后变为低浓度的离子液体溶液从a端流出，其在溶液泵3的作用下从b端进入溶液再生器2中进行再生，低浓度的离子液体溶液中的部分水分由于再生加热装置提供的热量而蒸发从k端排放到环境中，低浓度的离子液体溶液变成高浓度的离子液体溶液，从c端流出溶液再生器2，进入下一循环；再生介质从e端进入溶液再生器2中与离子液体溶液进行热质交换后从f端流出；高湿空气从i端进入空气除湿器1被除湿后变成低湿空气从j端排出，进行降温处理后送入空调房间；内冷介质从g端进入空气除湿器1吸收相变热后从h端流出。

实施例2：

采用1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐([EMIM][BF₄])的水溶液为除湿剂。

图2示出了根据本发明的另一种空气除湿方法及装置。该系统包括空气除湿器1、溶液再生器2、太阳能集热器4、集热泵5以及浓溶液罐6和溶液泵3，它们通过太阳能驱动离子液体溶液进行对空气的除湿。

太阳能最大优点在于它有很好的季节匹配性，天气越热、湿度越大的时候，太阳辐射条件越好，可提供的加热量也越大；由于太阳能是一种不连续性的能源，受天气变化影响比较大，为了保证太阳能除湿空调系统能够连续稳定的运行，蓄能是一项非常关键的技术。在系统热源比较充裕时，通过再生器再生储存一定量的浓溶液于浓溶液罐中，在系统热源供热不足时释放进入除湿器完成空气除湿，弥补了太阳能作为系统热源的不连续性的缺陷。同时也可以缓解电力高峰的矛盾，即利用低谷电对溶液进行再生，在高峰时进行释能，完成空气除湿过程。蓄能装置的采用，可以降低溶液系统对于持续热源的需求，同时可以降低系统的设计容量。

在图示中，太阳能集热器4为溶液再生提供热量：再生介质在溶液再生器2中与低浓度的离子液体溶液进行能量交换后从i端流出，在集热泵的作用下从j端进入太阳能集热器，吸收太阳辐射热后温度升高，从k端流出，然后从溶液再生器2的h端进入，进一步处理低浓度的离子液体溶液。

如图3，还可使用太阳能集热/再生器9取代太阳能集热器4和溶液再生器2。太阳能集热/再生器9同时具有太阳能集热和再生两种功能。该装置利用室外空气在太阳能集热/再生器内与低浓度的离子液体溶液进行传热传质，从而使溶液浓缩再生。

在图示中，浓溶液罐6，调节阀7和旁通阀8共同控制除湿量：当从溶液再生器2的c端流出的高浓度的离子液体溶液大于处理高湿空气所需的离子液体溶液量时，可通过调节旁通阀8减少实际进入空气处理器1中的高浓度的离子液体溶液流量，将部分高浓度的离子液体溶液储存于浓溶液罐6中备用；当从溶液再生器2的c端流出的高浓度的离子液体溶液小于处理高湿空气所需的离子液体溶液量时，则可通过调节调节阀7增大实际进入空气处理器1中的高浓度的离子液体溶液流量，用来满足实际需求。

实施例3：

采用1，3-二甲基咪唑磷酸二甲酯盐([MMIM][DMP])的水溶液为除湿剂。

图4示出了根据本发明的又一种空气除湿方法及装置。该系统包括空气除湿器1，溶液再生器2(一制冷机组的风冷式冷凝器)和溶液泵3，通过制冷机组冷凝器提供的冷凝热来对低浓度的离子液体溶液进行再生(在此冷凝器盘管外喷淋低浓度的离子液体溶液，利用蒸发冷凝原理，回收冷凝热从而达到除湿溶液的再生)。

在图示中，一制冷机组的风冷式冷凝器提供溶液再生热：低浓度的离子液体溶液从b端进入风冷式冷凝器2中，在其中吸收冷凝器放出的热量，部分水分蒸发被从e口进入的干燥空气吸收后从风冷式冷凝器2的f端排出；从压缩机10中流出高温高压的制冷剂从风冷式冷凝器2的g口流入，在其中释放出冷凝热后从h口排出，在节流阀11中进行节流降压，变成低温低压流体后进入蒸发器11蒸发吸热；介质从o端进入蒸发器，降温后从p端流出，用作其他用途如提供冷水等。

实施例4：

除湿剂为1-乙基-3-甲基咪唑啉双(三氟甲基磺酰基)亚胺([EMIM][(CF₃SO₂)₂N])的水溶液。

图5示出了根据本发明的又一种空气除湿方法及装置，本实施例是对实施例3的改进。该系统包括空气除湿器1，包括溶液再生器2(一热泵机组的风冷式冷凝器)，包括内冷装置12(一热泵机组的蒸发器)和溶液泵3，通过热泵机组冷凝器提供的冷凝热来对低浓度的离子液体溶液进行再生，通过热泵机组蒸发器处理由高浓度的离子液体溶液吸收空气中水蒸气产生的相变热。热泵机组的冷凝器如实例二提供离子液体溶液再生的加热源，同时也可以提供生活热水；热泵机组的蒸发器中制冷剂蒸发吸收相变热，从而实现等温除湿，提高系统的除湿效率，同时也可以提供冷水。

在图示中，将热泵机组蒸发器产生的部分冷媒通过管道引入空气除湿器2中，吸收相变热，维持除湿过程在等温下进行，提高系统的除湿效率。

实施例5-9：

其中除了除湿剂分别采用1-丁基-3-甲基咪唑啉双(三氟甲基磺酰基)亚胺([BMIM][(CF₃SO₂)₂N])、1，3-二甲基咪唑磷酸二甲酯([MMIM][(CH₃)₂PO₄])、1-丁基-3-甲基咪唑磷酸二乙酯([BMIM][(CH₃)₂PO₄])、1-乙基-3-甲基咪唑磷酸二乙酯([EMIM][(CH₃)₂PO₄])、1-丙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐([C₃MIM]BF₄)的水溶液之外，其余均同实施例1。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种用于空气除湿的除湿剂，其特征在于，所述除湿剂为有机正离子和无机负离子构成的熔点接近室温或低于室温的离子液体溶于水后形成的离子液体溶液。

2.如权利要求1所述的除湿剂，其特征在于，所述有机正离子包括季铵阳离子、季鏻阳离子、咪唑阳离子、吡啶阳离子、噻唑阳离子、三氮唑阳离子、吡咯啉阳离子、噻唑啉阳离子、胍阳离子、苯并三氮唑阳离子及其衍生物中的任意一种。

3.如权利要求1所述的除湿剂，其特征在于，所述无机负离子包括[BF₄]^-、[CF₃SO₃]^-、[CH₃COO]^-、[CF₃COO]^-、[C₃F₇COO]^-、[(CF₃SO₂)₂N]^-、[(CH₃)₂PO₄]^-、[C₃F₇COO]^-、[C₄F₉SO₃]^-、[(C₂F₅SO₂)N]^-和[(CF₃SO₂)₃C]^-中的任意一种。

4.如权利要求1-3任一项所述的除湿剂，其特征在于，所述离子液体包括1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐、1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐、1，3-二甲基咪唑磷酸二甲酯盐、1-乙基-3-甲基咪唑啉双(三氟甲基磺酰基)亚胺、1-丁基-3-甲基咪唑啉双(三氟甲基磺酰基)亚胺、1，3-二甲基咪唑磷酸二甲酯、1-丁基-3-甲基咪唑磷酸二乙酯、1-乙基-3-甲基咪唑磷酸二乙酯和1-丙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐中的任意一种。

5.一种空气除湿方法，其特征在于，采用权利要求1-4中任一项所述的除湿剂。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，采用高浓度的离子液体溶液与空气接触，从空气中吸收水分变为低浓度的离子液体溶液，空气经过除湿后变为湿度较低的干燥空气；所述低浓度的离子液体溶液将水分蒸发后再生为高浓度的离子液体溶液循环使用。

7.用于权利要求5或6所述方法的空气除湿装置，其特征在于，包括空气除湿器(1)、溶液泵(3)、溶液再生器(2)，由溶液管道循序连接成一个除湿再生循环，所述空气除湿器(1)中有高浓度的除湿剂，所述除湿剂为有机正离子和无机负离子构成的熔点接近室温或低于室温的离子液体溶于水后形成的离子液体溶液。

8.如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述空气除湿器(1)为绝热型除湿器或内冷型除湿器。

9.如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述溶液再生器(2)为供热热网再生器、热泵供热再生器、太阳能再生器、电加热再生器或余热/废热利用再生器。

10.如权利要求7-9任一项所述的装置，其特征在于，在溶液再生器(2)和空气除湿器(1)之间还设置有浓溶液罐(6)。