CN110016814A - 抗菌型非对称全热交换膜、全热交换机芯及全热交换机 - Google Patents

抗菌型非对称全热交换膜、全热交换机芯及全热交换机 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种抗菌型非对称全热交换膜、全热交换机芯及全热交换机。抗菌型非对称全热交换膜：将抗菌剂负载在多孔导热填料上得抗菌多孔导热填料；将高分子聚合物、吸湿性金属盐溶于溶剂中得亲水性聚合物溶液，将抗菌多孔导热填料、致孔剂与亲水性聚合物溶液混合得铸膜液；将铸膜液涂覆在固定在玻璃板上的无纺布上，浸入水中反应得基膜；将基膜放入水中浸泡，然后干燥得抗菌型非对称全热交换膜。全热交换机芯，使用抗菌型非对称全热交换膜制得。全热交换机，包括全热交换机芯。本申请提供的抗菌型非对称全热交换膜、全热交换机芯及全热交换机，导热性、透湿度高，工艺简单成本低，抗菌、防霉功效好，杜绝二次污染，使用寿命长。

Description

抗菌型非对称全热交换膜、全热交换机芯及全热交换机
技术领域
本发明涉及全热交换领域，具体而言，涉及一种抗菌型非对称全热交换膜、全热交换机芯及全热交换机。
背景技术
随着人们环保意识的增强及生活水平的提高，对室内空气质量的要求越来越高。新风流通是一种有效而经济的改善室内空气质量的方法，然而，大的新风比也使得空调能耗急剧增加，处理新风的能耗占到空调总能耗的20％-40％，在南方热湿的夏天这个占比甚至还要大很多。为了能够有效的节约能量，科研工作者们不断的寻求一种低能耗的新风热湿回收方法。
全热交换器具有较高的能量回收效率，是全热回收的一个关键技术，能很好的缓解提高室内空气质量舒适性、热舒适性和高能耗之间的矛盾。目前全热交换器市场上较早使用的转轮式全热交换器，能同时回收显热和潜热，效率较高，但转轮造价高、含运动部件，可靠性差，新风和排风容易相互掺杂等缺点限制了它们的推广和应用。另一种为热泵式全热交换器，其在使用时需要同时配置一系列的设备如压缩机、冷凝器、蒸发器等，动力消耗及投资成本均较高，因此发展及应用受到一定的限制。随着膜技术的发展，利用膜进行热湿回收的技术日渐引起人们的重视。
现有的膜换热器存在着只能回收显热部分、不能进行全热回收，流量小、膜层厚导热性较差，效率低等问题。而且现有技术使用的膜均不具有抗菌、防霉的功效，在长久使用过程中，空气中的湿润空气极易使膜表面成为细菌滋生的温床，极易使膜表面生长霉菌，不仅降低膜的使用寿命同时易造成空气的二次污染。
有鉴于此，特提出本发明。
发明内容
本发明的第一目的在于提供一种抗菌型非对称全热交换膜，导热性好、透湿度高，工艺简单成本低，抗菌、防霉功效好，杜绝二次污染，使用寿命长。
本发明的第二目的在于提供一种全热交换机芯，使用所述的抗菌型非对称全热交换膜制得，所述全热交换机芯导热性好、透湿度高，抗菌、防霉功效好，使用寿命长。
本发明的第三目的在于提供一种全热交换机，包括所述的全热交换机芯。
为了实现本发明的所述目的，特采用以下技术方案：
一种抗菌型非对称全热交换膜，其制备方法包括以下步骤：
A.将抗菌剂负载在多孔导热填料上得到抗菌多孔导热填料；
B.将高分子聚合物、吸湿性金属盐溶于溶剂中配置成亲水性聚合物溶液，然后将所述抗菌多孔导热填料、致孔剂与所述亲水性聚合物溶液混合，加热、搅拌、静置得到铸膜液；
C.将所述铸膜液涂覆在固定在玻璃板上的无纺布上，然后浸入水中，相转化反应后得到基膜；将所述基膜取出并放入水中浸泡，然后干燥得到所述抗菌型非对称全热交换膜。
选用具有导热功能的多孔材料作为导热填料，可避免导热填料堵孔，同时导热材料自身所具有的高比表面积和发达的空隙结构，可以极大的提高膜材料的孔径分布，可大幅提高膜的导热性能。以多孔导热填料作为载体负载抗菌剂，使全热交换膜在发挥导热性能的同时，具有抗菌效果。通过一步法制备膜材料，与传统的制备方法相比，制备流程简化，设备简化，成本降低。通过添加高分子聚合物、吸湿性金属盐和致孔剂有效的提升了膜的机械性能，使其强度大幅度提高，同时膜的透湿效率比传统复合膜提高90％～150％，进而提升膜的焓交换效率。
优选地，所述多孔导热填料为碳纳米管、活性炭、活性炭纤维中的一种或多种，所述抗菌剂为含有银离子、铜离子或锌离子的化合物中的一种或多种的混合物；优选地，所述碳纳米管的铁含量为3-10wt％，所述活性炭和所述活性炭纤维的铁含量为8-20wt％，所述抗菌剂的用量为所述多孔导热填料重量的0.5-1％。
与亲水性聚合物同时存在的情况下，采用碳纳米管、活性炭、活性炭纤维，尤其是采用高铁含量的碳纳米管、活性炭、活性炭纤维，可大幅度提高膜的导热系数。含有银离子、铜离子或锌离子的化合物如硝酸银、硫酸铜、氯化铜、硝酸锌、硫酸锌等。
在具体的实施例中，碳纳米管的铁含量可以是3wt％、4wt％、5wt％、6wt％、7wt％、8wt％、9wt％、10wt％以及3-10wt％之间的任意值；活性炭和活性炭纤维的铁含量可以为8wt％、9wt％、10wt％、11wt％、12wt％、14wt％、15wt％、16wt％、18wt％、19wt％、20wt％以及8-20wt％之间的任意值；抗菌剂的用量可以为多孔导热填料重量的0.5％、0.6％、0.7％、0.8％、0.9％、1.0％以及0.5-1％之间的任意值。
优选地，所述负载的过程为：
将抗菌剂加入到水中使其充分溶解，然后喷洒到所述多孔导热填料中，静置，然后在300-500℃条件下煅烧30-40min，得所述抗菌多孔导热填料。
同时在导热材料及抗菌剂的结合过程进行高温处理，使其在浸泡等过程中不会有抗菌剂的析出。通过喷洒而不是浸泡使抗菌剂负载，这样既可以使负载更均匀，同时节省了抗菌剂及水的用量，不会造成不必要的浪费。此处所用水的量由多孔导热填料的水容量Q1和多孔导热填料的用量W1决定，用水量等于水容量Q1*多孔导热填料的用量W1。通过计算多孔导热填料的水容量可准确把握其对水溶液的吸附量，根据这一吸附容量配置一定浓度的抗菌剂，可使所配置的溶液全部被吸附。与等体积浸渍法相比该方法即节约了用水量，避免抗菌剂的浪费，同时不会有剩余的抗菌剂溶液的排放和浪费。
优选地，所述高分子聚合物为醋酸纤维素、羟丙基纤维素中的一种，所述吸湿性金属盐为氯化锂、氯化钙、氯化钠、氯化钾、氯化镁中的一种，所述溶剂为质量分数为10-60％的乙酸或甲酸水溶液，所述致孔剂为聚乙烯醇或聚乙烯吡咯烷酮；优选的，所述致孔剂为聚乙烯醇-2000，所述亲水性聚合物溶液中，所述高分子聚合物的质量百分比为10-25％，所述吸湿性金属盐的质量比百分比为1.5-15％。
对高分子聚合物、吸湿性金属盐、溶剂、致孔剂的种类和用量的优选，有助于增强铸膜液的吸水性能、成型性能，提升焓交换效率。
在一个可选的实施方式中，乙酸水溶液或甲酸水溶液的质量分数可以为10％、20％、30％、40％、50％、60％以及10-60％之间的任意值；亲水性聚合物溶液中，高分子聚合物的质量百分比可以为10％、15％、20％、25％以及10-25％之间的任意值，吸湿性金属盐的质量比百分比可以为1.5％、2.0％、4％、5％、6％、7％、8％、9％、10％、11％、12％、13％、14％、15％以及1.5-15％之间的任意值。
更加优选地，所述抗菌多孔导热填料的添加量为所述亲水性聚合物溶液的1-10wt％，所述致孔剂的添加量为所述亲水性聚合物溶液的0.5-2wt％。
在一个可选的实施方式中，抗菌多孔导热填料的添加量为亲水性聚合物溶液的1％、2％、3％、4％、5％、6％、7％、8％、9％、10％以及1-10wt％之间的任意值；致孔剂的添加量为亲水性聚合物溶液的0.5％、1.0％、1.5％、2.0％以及0.5-2wt％之间的任意值。
进一步优选地，所述加热的温度为40-80℃，所述加热的时间为4-6h，所述静置在常温下进行，所述静置的时间为6-12h。
优选地，所述无纺布为涤纶、丙纶和腈纶中的一种；所述铸膜液涂覆在所述无纺布上的厚度为80-110μm。
在一个可实施的方案中，铸膜液涂覆在无纺布上的厚度可以为80μm、90μm、100μm、110μm以及80-110μm之间的任意值。
可选地，所述浸泡的时间为12-36h；所述干燥的温度为60-80℃，时间为2-4h。
一种全热交换机芯，使用所述的抗菌型非对称全热交换膜制得。
一种全热交换机，包括所述的全热交换机芯。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
(1)膜强度高、导热性好、透湿度高；
(2)工艺简单，成本低；
(3)具有抗菌、防霉功效，杜绝二次污染；
(4)使用寿命长。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
实施例1
称取100g铁含量为3wt％的碳纳米管，测试其水容量为70％。量取70g(100g*70％)的去离子水，向其中加入0.5g(100g*0.5％)的硝酸银，充分搅拌形成硝酸银溶液，将其均匀喷洒到碳纳米管上，静置6h。然后将其在400℃条件下煅烧30min，得抗菌多孔导热填料。
量取500ml质量分数为50％的乙酸水溶液，向其中加入醋酸纤维素、氯化锂配置成亲水性聚合物溶液，控制亲水性聚合物溶液中，醋酸纤维素的质量百分比为25％，氯化锂的质量比百分比为1.5％；然后加入抗菌多孔导热填料和聚乙二醇-2000，控制抗菌多孔导热填料的添加量为亲水性聚合物溶液的10wt％，聚乙二醇-2000的添加量为亲水性聚合物溶液的0.5wt％；充分搅拌并在60℃水浴锅中反应5h，并在常温下静止12h，形成均匀的铸膜液。将铸膜液涂敷在固定在玻璃板上的涤纶无纺布上，用刮膜器控制湿膜厚度为90μm，然后浸入到干净的水中，使膜与水相之间发生相转化反应，反应后的膜成型并自动与玻璃板分离得到基膜，将基膜浸泡到干净水中15h去除多余溶剂，然后放置在60℃烘箱中干燥4h，得抗菌型非对称全热交换膜。
该全热交换膜，可制作成平板膜元件。交换面积约15m2。经检测单膜二氧化碳透过率为2.3×105cm3/m2·day·0.1MPa，制成全热交换机芯，在新风和排风量约350m3/h条件下，温度交换率为75％，焓交换率为73.2％；抗菌防霉性能测试：对大肠埃希氏菌和金黄色葡萄球菌抗菌率>99.2％。
实施例2
称取100g铁含量为10wt％的煤质活性炭，测试其水容量为90％。量取90g(100g*90％)的去离子水，向其中加入1g(100g*1％)的硝酸锌，充分搅拌形成硝酸锌溶液，将其均匀喷洒到煤质活性炭上，静置6h。然后将其在300℃条件下煅烧40min，得抗菌多孔导热填料。
量取500ml质量分数为60％的乙酸水溶液，向其中加入醋酸纤维素、氯化钙配置成亲水性聚合物溶液，控制亲水性聚合物溶液中，醋酸纤维素的质量百分比为15％，氯化钙的质量比百分比为5％；然后加入抗菌多孔导热填料和聚乙烯吡咯烷酮，控制抗菌多孔导热填料的添加量为亲水性聚合物溶液的5wt％，聚乙烯吡咯烷酮的添加量为亲水性聚合物溶液的1wt％；充分搅拌并在40℃水浴锅中反应6h，并在常温下静止6h，形成均匀的铸膜液。将铸膜液涂敷在固定在玻璃板上的涤纶无纺布上，用刮膜器控制湿膜厚度为110μm，然后浸入到干净的水中，使膜与水相之间发生相转化反应，反应后的膜成型并自动与玻璃板分离得到基膜，将基膜浸泡到干净水中36h去除多余溶剂，然后放置在70℃烘箱中干燥3h，得抗菌型非对称全热交换膜。
该全热交换膜，可制作成平板膜元件。交换面积约10m2。经检测单膜二氧化碳透过率为6.9×104cm3/m2·day·0.1MPa，制成全热交换机芯，在新风和排风量约400m3/h条件下，温度交换率为89％，焓交换率为83％；抗菌防霉性能测试：对大肠埃希氏菌和金黄色葡萄球菌抗菌率>99.9％。
实施例3
称取100g铁含量为8wt％的活性炭纤维，测试其水容量为95％。量取95g(100g*95％)的去离子水，向其中加入0.8g(100g*0.8％)的硫酸铜，充分搅拌形成硫酸铜溶液，将其均匀喷洒到碳纳米管上，静置6h。然后将其在500℃条件下煅烧35min，得抗菌多孔导热填料。
取500ml质量分数为50％的甲酸水溶液，向其中加入羟丙基纤维素、氯化钠配置成亲水性聚合物溶液，控制亲水性聚合物溶液中，羟丙基纤维素的质量百分比为10％，氯化钠的质量比百分比为15％；然后加入抗菌多孔导热填料和聚乙二醇-2000，控制抗菌多孔导热填料的添加量为亲水性聚合物溶液的1wt％，聚乙二醇-2000的添加量为亲水性聚合物溶液的2wt％；充分搅拌并在80℃水浴锅中反应4h，并在常温下静止10h，形成均匀的铸膜液。将铸膜液涂敷在固定在玻璃板上的涤纶无纺布上，用刮膜器控制湿膜厚度为80μm，然后浸入到干净的水中，使膜与水相之间发生相转化反应，反应后的膜成型并自动与玻璃板分离得到基膜，将基膜浸泡到干净水中12h去除多余溶剂，然后放置在80℃烘箱中干燥2h，得抗菌型非对称全热交换膜。
该全热交换膜，可制作成平板膜元件。交换面积约15m2。经检测单膜二氧化碳透过率为1.6×104cm3/m2·day·0.1MPa，制成全热交换机芯，在新风和排风量约200m3/h条件下，温度交换率为71％，焓交换率为64％；抗菌防霉性能测试：对大肠埃希氏菌和金黄色葡萄球菌抗菌率>99％。
比较例1
与实施例1的不同之处在于，制备铸膜液时，不添加抗菌多孔导热填料。
比较例1制得的全热交换膜，制作成平板膜元件，交换面积约15m2。制成全热交换机芯，在新风和排风量约350m3/h条件下，温度交换率为21％，焓交换率为13.2％；抗菌防霉性能测试：对大肠埃希氏菌和金黄色葡萄球菌无抗菌性能。
比较例2
与实施例2的不同之处在于，制备铸膜液时，不添加抗菌多孔导热填料。
比较例2制得的全热交换膜，制作成平板膜元件，交换面积约10m2。制成全热交换机芯，在新风和排风量约400m3/h条件下，温度交换率为61.3％，焓交换率为34.2％；抗菌防霉性能测试：对大肠埃希氏菌和金黄色葡萄球菌无抗菌性能。
比较例3
与实施例3的不同之处在于，制备铸膜液时，不添加抗菌多孔导热填料。
比较例3制得的全热交换膜，制作成平板膜元件，交换面积约15m2。制成全热交换机芯，在新风和排风量约200m3/h条件下，温度交换率为51％，焓交换率为23.1％；抗菌防霉性能测试：对大肠埃希氏菌和金黄色葡萄球菌无抗菌性能。
与现有技术中以石墨烯、氮化铝或碳化硅作为导热填料的方案相比，本申请提供的抗菌型非对称全热交换膜，导热填料具有发达的孔隙结构，能够形成良好的导热通路，即使在添加量相对较大的情况下也不会阻塞膜中的微孔，透视率较高、力学性能优异。传统的复合膜技术生产的材料导热系数一般在0.1～1W/m·K，本发明中提供的一定铁含量的多孔导热填料可有效的解决上述问题，同时使导热系数提升至15-40W/m·K。
本申请提供的抗菌型非对称全热交换膜、全热交换机芯及全热交换机，导热性、透湿度高，可实现显热和潜热的整体回收，热交换率高，工艺简单成本低，抗菌、防霉功效好，杜绝二次污染，使用寿命长。
尽管已用具体实施例来说明和描述了本发明，然而应意识到，在不背离本发明的精神和范围的情况下可以作出许多其它的更改和修改。因此，这意味着在所附权利要求中包括属于本发明范围内的所有这些变化和修改。

Claims (10)

1.一种抗菌型非对称全热交换膜，其特征在于，其制备方法包括以下步骤：
A.将抗菌剂负载在多孔导热填料上得到抗菌多孔导热填料；
B.将高分子聚合物、吸湿性金属盐溶于溶剂中配置成亲水性聚合物溶液，然后将所述抗菌多孔导热填料、致孔剂与所述亲水性聚合物溶液混合，加热、搅拌、静置得到铸膜液；
C.将所述铸膜液涂覆在固定在玻璃板上的无纺布上，然后浸入水中，相转化反应后得到基膜；将所述基膜取出并放入水中浸泡，然后干燥得到所述抗菌型非对称全热交换膜。
2.根据权利要求1所述的抗菌型非对称全热交换膜，其特征在于，所述多孔导热填料为碳纳米管、活性炭、活性炭纤维中的一种或多种，所述抗菌剂为含有银离子、铜离子或锌离子的化合物中的一种或多种的混合物；优选地，所述碳纳米管的铁含量为3-10wt％，所述活性炭和所述活性炭纤维的铁含量为8-20wt％，所述抗菌剂的用量为所述多孔导热填料重量的0.5-1％。
3.根据权利要求2所述的抗菌型非对称全热交换膜，其特征在于，所述负载的过程为：
将抗菌剂加入到水中使其充分溶解，然后喷洒到所述多孔导热填料中，静置，然后在300-500℃条件下煅烧30-40min，得所述抗菌多孔导热填料。
4.根据权利要求1所述的抗菌型非对称全热交换膜，其特征在于，所述高分子聚合物为醋酸纤维素、羟丙基纤维素中的一种，所述吸湿性金属盐为氯化锂、氯化钙、氯化钠、氯化钾、氯化镁中的一种，所述溶剂为质量分数为10-60％的乙酸或甲酸水溶液，所述致孔剂为聚乙烯醇或聚乙烯吡咯烷酮；优选的，所述致孔剂为聚乙烯醇-2000，所述亲水性聚合物溶液中，所述高分子聚合物的质量百分比为10-25％，所述吸湿性金属盐的质量比百分比为1.5-15％。
5.根据权利要求4所述的抗菌型非对称全热交换膜，其特征在于，所述抗菌多孔导热填料的添加量为所述亲水性聚合物溶液的1-10wt％，所述致孔剂的添加量为所述亲水性聚合物溶液的0.5-2wt％。
6.根据权利要求5所述的抗菌型非对称全热交换膜，其特征在于，所述加热的温度为40-80℃，所述加热的时间为4-6h，所述静置在常温下进行，所述静置的时间为6-12h。
7.根据权利要求1所述的抗菌型非对称全热交换膜，其特征在于，所述无纺布为涤纶、丙纶和腈纶中的一种；所述铸膜液涂覆在所述无纺布上的厚度为80-110μm。
8.根据权利要求1-7任一项所述的抗菌型非对称全热交换膜，其特征在于，所述浸泡的时间为12-36h；所述干燥的温度为60-80℃，时间为2-4h。
9.一种全热交换机芯，其特征在于，使用权利要求1-8任一项所述的抗菌型非对称全热交换膜制得。
10.一种全热交换机，其特征在于，包括权利要求9所述的全热交换机芯。
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