亲水/憎水复合膜的传热和选择性传湿机理研究

基于聚乙烯醇/聚偏氟乙烯 (PVA / PVDF )的亲水/憎水复合膜由于透湿性好而在新风全热回收领域得到重视，其实用化的技术瓶颈是它的性能有待于进一步提高，但其传热传质机理不明，导致缺乏强化热湿传递的有效手段。为了克服这个技术瓶颈，本项目提出研究亲水/憎水复合膜的传热和选择性传湿的机理，用分形理论来描述复合膜的微介观结构，结合它的理化性质、界面特性，建立其传热传质模型，探索膜的微介观结构、理化性质、界面特性对热量、水蒸汽、可挥发性有机物(VOCs)透过的影响，搞清影响复合膜性能的关键因素，找出强化热量和水蒸汽传递、阻止VOCs渗透、提高热湿交换性能的原理和方法。

本项目围绕透湿膜的传热与选择性传湿机理而展开，旨在揭示膜这种特殊介质的热质传递机理，实现膜的传热强化和选择性传湿的强化。透湿膜是一种新型热质交换介质，它在能源、空调、环保、生命、医药等领域都有重要应用价值，在工农业生产中有重大需求，但其技术障碍是导热系数低下和湿通量低，造成所需膜面积大，成本高，限制了推广应用。为了克服这个障碍，本项目通过对其传热和选择性传湿机理的研究，阐明了强化热质传递手段。开展的工作主要有：（1）对膜的渗透性能进行了分子动力学模拟。通过自由体积分析探讨膜材料中孔径和孔分布，通过径向分布函数探讨聚合物分子链之间以及聚合物分子链和小分子之间的相互作用力。重点揭示提高水蒸气渗透系数和水蒸气/VOCs的选择性系数的膜材料选取原则。（2）中空纤维膜管束气液热湿交换原理研究。对四边形排列和三角形排列错流中空纤维膜组件选取典型的周期性计算单元，对其分别建立层流和湍流数学模型，在相应的边界条件下求解控制方程，获得该新型膜组件的相应阻力系数、Nu数、Sh数等准则数，为膜组件设计提供理论指导。（3）对膜材料导热系数进行强化，掺杂高导热填料，通过求解传热反问题，利用非线性规划极值优化方法对高导热填料的形状进行优化，发明了一种“工”字形填料，实现在填料体积含量20%以下时，树脂材料的导热系数提高了4-5倍。上述研究阐释了膜传热和传质机理，促进了该新型分离技术向产业化的转移。本项目共发表SCI论文20篇，英文专著1部，国内刊物4篇，获得发明专利2项，获得教育部自然科学一等奖1项。经过3年努力，项目达到了预期成果，所取得的成果远超计划(SCI论文5篇)。