萇現(xiàn)，楊文杰，李士洋，張秀敏，吳濤，薛立新，

（1 浙江工業(yè)大學(xué)化工學(xué)院膜分離與水科學(xué)技術(shù)中心，浙江 杭州 310014；2 浙江工業(yè)大學(xué)膜分離與水處理協(xié)同創(chuàng)新中心湖州研究院，浙江 湖州 313000）

全熱交換器以全熱交換膜作為媒介，通過(guò)顯熱交換和潛熱交換獲得高效率的能量回收。顯熱交換無(wú)傳質(zhì)過(guò)程，僅使新風(fēng)和排風(fēng)通過(guò)能量傳遞從而發(fā)生溫度的變化；而潛熱交換則是在新風(fēng)和排風(fēng)之間發(fā)生水蒸氣質(zhì)量交換，從而調(diào)節(jié)空氣中水汽濃度，達(dá)到節(jié)能的目的。由于空氣中水蒸氣的汽化潛熱很高，所以在濕空氣中的潛熱能量比重較大，全熱交換的潛熱貢獻(xiàn)率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于顯熱貢獻(xiàn)率。此外，全熱交換膜需要對(duì)排風(fēng)中的廢氣（如CO）有高度的阻隔性，來(lái)有效防止新風(fēng)受到污染。因此，為了提高全熱交換器的能量回收率，提升全熱交換膜的透濕阻氣性能是重要的研究方向。

提高聚合物膜中水分轉(zhuǎn)移的一般有效方法是包含極性或離子官能團(tuán)以形成透水通道。例如，由纖維素或合成聚合物制成的全熱交換膜顯示出優(yōu)良的空氣能量回收效率，不僅允許熱交換，還允許濕氣交換。聚乙烯醇是一種水溶性聚合物，主要由聚乙酸乙烯酯水解而成。由于其良好的親水性、化學(xué)穩(wěn)定性和生物相容性，它已被用作制備高性能全熱交換膜的良好基材。Rao 等研究了由殼聚糖和瓜爾膠制成的全熱交換膜。張立志等研究了用聚乙烯醇和氯化鋰制成的膜用于空氣除濕。將無(wú)機(jī)顆?；蚣{米材料添加到膜基質(zhì)中，可以提高聚合物膜的氣體阻隔性能。例如，劉秉鑫等制備了鈉基蒙脫土復(fù)合的聚合物全熱交換膜，王藝偉等制備了分子篩復(fù)合聚合物膜。

全熱交換膜在透濕和阻氣之間存在明顯的“trade-off”效應(yīng)。通過(guò)膜孔徑和孔隙率，可以提升膜的透濕性和熱量回收效率，但是會(huì)降低對(duì)不希望氣體（如CO）的阻隔性能，減小新風(fēng)系統(tǒng)的有效換氣率。本研究的目的是希望在提升全熱交換膜的透濕性時(shí)不犧牲其阻氣性，打破兩者之間的“trade-off”效應(yīng)，用于高能量回收的室內(nèi)空氣優(yōu)化系統(tǒng)。無(wú)水氯化鈣是一種親水性無(wú)機(jī)鹽，多用于空氣除濕、熱回收和廢水處理。Zhang 等研究了以氯化鈣為工作流體的新型全熱回收系統(tǒng)。Zheng等研究了氯化鈣/二氧化硅納米流體的中空纖維膜的熱濕傳遞性能。氯化鈣有望作為無(wú)機(jī)添加劑提升膜吸收水汽的性能，促進(jìn)水分子的透過(guò)，但是可能會(huì)降低膜的阻隔性能。蒙脫土（MMT）存在于天然黏土中，是一種典型的層狀硅酸鹽，由兩個(gè)四面體硅酸鹽片和夾在中間的氧化鋁八面體片組成，常被用作聚合物膜中的納米填料，多用于提高聚合物的力學(xué)性能、阻燃性能、熱穩(wěn)定性能和氣體阻隔性能，但是可能會(huì)降低膜的親水透水性能。本研究希望通過(guò)簡(jiǎn)單的溶液鑄膜法，制備同時(shí)含有氯化鈣和蒙脫土的聚乙烯醇基三元混合基質(zhì)全熱交換膜，系統(tǒng)研究其形態(tài)、接觸角、熱穩(wěn)定性、力學(xué)性能、透濕阻氣和總換熱效率；研究不同含量的蒙脫土和氯化鈣對(duì)膜性能的影響及其可能的機(jī)理，通過(guò)兩種填料對(duì)聚乙烯醇膜性能相輔相成的改性作用，探索打破全熱交換膜的透水性和阻氣性的“trade-off”效應(yīng)的可行性。

1 實(shí)驗(yàn)材料和方法

1.1 材料

聚乙烯醇-1799（聚合度1700，醇解度98%～99%），蒙脫土KSF（比表面積20～40m/g），無(wú)水氯化鈣（AR，96.0%），阿拉丁試劑股份有限公司。

1.2 薄膜的制造

1.2.1 聚乙烯醇/無(wú)水氯化鈣雜化膜的制造

利用溶液鑄膜法制備無(wú)水氯化鈣/聚乙烯醇雜化膜。稱(chēng)取一定量的聚乙烯醇和無(wú)水氯化鈣加入100mL 水中，90℃充分?jǐn)嚢?h 溶解混勻，冷卻至60℃，將溶液倒入水平放置的玻璃板框中，充分搖勻，置于通風(fēng)櫥中室溫風(fēng)干1天成膜?？刂颇さ暮穸仍?70±5)μm，鑄膜液的組成見(jiàn)表1。

1.2.2 聚乙烯醇/蒙脫土雜化膜的制造

利用溶液鑄膜法制備聚乙烯醇/蒙脫土雜化膜。稱(chēng)取一定質(zhì)量的天然蒙脫土（MMT）置于100mL水中，室溫?cái)嚢?4h，隨后超聲30min，制備納米MMT 分散液；稱(chēng)取一定質(zhì)量的聚乙烯醇加入納米MMT 分散液中，90℃充分?jǐn)嚢?h 溶解混勻，冷卻至60℃，將溶液倒入水平放置的玻璃板框中，充分搖勻，置于通風(fēng)櫥中室溫風(fēng)干1天成膜?？刂颇さ暮穸仍?70±5)μm。鑄膜液的組成見(jiàn)表1。

1.2.3 混合基質(zhì)膜的制造

稱(chēng)取一定質(zhì)量的無(wú)水氯化鈣和聚乙烯醇加入納米MMT 分散液中，90℃充分?jǐn)嚢?h 溶解混勻，冷卻至60℃，將溶液倒入水平放置的玻璃板框中，充分搖勻，置于通風(fēng)櫥中室溫風(fēng)干1天成膜?？刂颇さ暮穸仍?70±5)μm。同樣，鑄膜液的組成見(jiàn)表1。

表1 鑄膜液的組成

1.3 膜的表征

（1）掃描電子顯微鏡 通過(guò)使用場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡（SEM，SU-8010，日立，日本）在3kV的加速電壓下表征膜的SEM圖像，進(jìn)行基本形貌觀測(cè)，研究膜的結(jié)構(gòu)特征。測(cè)試前，樣品表面和截面進(jìn)行噴金處理。

（2）原子力顯微鏡 使用Seiko SPI3800N 工作站獲取膜表面的三維形貌。獲取的圖像是在室溫（約25℃）下捕獲的。膜的表面粗糙度參數(shù)用算術(shù)平均粗糙度（）和均方根平均粗糙度（）表示。

（3） 接觸角測(cè)試儀 用接觸角測(cè)量裝置（OCA15EC，Dataphysics，德國(guó)）評(píng)估膜的水接觸角。

（4）拉伸試驗(yàn) 樣品被切成大小為100mm×20mm的長(zhǎng)方形。用英斯特朗5567試驗(yàn)機(jī)以1mm/min的速度測(cè)量膜樣品的抗拉強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率。

（5）熱重分析 NETZSCH STA 449F3進(jìn)行了熱重分析，以測(cè)試蒙脫土/氯化鈣/聚乙烯醇納米復(fù)合材料的熱穩(wěn)定性。熱分解研究在30～790℃的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行。在氮?dú)猓?0mL/min）氛圍下使用梅特勒-托利多TGA/DSC1系統(tǒng)以20℃/min的速度加熱。

（6）水蒸氣和二氧化碳透過(guò)率試驗(yàn) 膜的水蒸氣透過(guò)率試驗(yàn)是用G-TRANS 測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行的。所有膜樣品是在(38.0±1)℃和相對(duì)濕度（RH）90.0%的測(cè)試條件下使用稱(chēng)重法測(cè)試，測(cè)試原理見(jiàn)圖1。二氧化碳（CO）透過(guò)率試驗(yàn)是用G-TRANS 系統(tǒng)在(23±1)℃下使用壓差（0.1MPa）法進(jìn)行，測(cè)試原理見(jiàn)圖2。商業(yè)紙膜作為制備膜的比較樣本。

圖1 水蒸氣透過(guò)試驗(yàn)示意圖

圖2 CO2透過(guò)試驗(yàn)示意圖

（7）總熱交換效率測(cè)試 如圖3 所示，自主搭建全熱交換測(cè)試系統(tǒng)來(lái)測(cè)量膜的總熱交換效率。

圖3 全熱交換效率測(cè)試系統(tǒng)

氣流1 代表夏季室外的濕熱新鮮空氣，氣流3代表來(lái)自室內(nèi)的涼爽干燥廢氣。氣流1與氣流3在全熱交換裝置內(nèi)交換熱量和濕度，位于膜具中間的薄膜作為氣流1和氣流3之間的媒介。由于膜兩側(cè)存在一定的熱濕差，熱量和水分通過(guò)膜自發(fā)地從氣流1 傳遞到氣流3。達(dá)到平衡狀態(tài)前，氣流1 向膜釋放一部分熱量和水分，同時(shí)氣流3從膜的另一側(cè)獲得熱量和水分。雖然氣流1和氣流2之間的熱濕差與氣流3和氣流4之間的熱濕差在理想情況下是相等的，但在實(shí)際操作中，設(shè)備與環(huán)境之間的熱濕損失是無(wú)法完全避免的。氣流1的溫度和相對(duì)濕度分別保持在(35±0.2)℃和(40±1)%RH。氣流3的溫度和相對(duì)濕度分別保持在(25±0.2)℃和(30±1)%RH。氣流1和氣流3的溫濕度通過(guò)改變兩股溫濕度不同的支流的比例來(lái)調(diào)節(jié)。當(dāng)氣流進(jìn)入控制器時(shí)分成兩股，其中一股流過(guò)U形鼓泡器，然后與另一股重新混合。兩股都是通過(guò)溫度控制器控制的加熱線進(jìn)行加熱。為了避免水蒸氣在管道中凝結(jié)，所有管道都用隔熱材料包裹。使用溫濕度傳感器監(jiān)測(cè)氣流2和氣流4 的溫度和相對(duì)濕度。氣流1 和氣流3 的空氣體積流量均保持在(400±5)mL/min。膜具中的矩形交換面積為12cm。每股氣流的焓和濕度是從焓濕圖中計(jì)算出來(lái)的。溫度交換效率（）、濕度交換效率（）和焓交換效率（）分別用式(1)、式(2)、式(3)計(jì)算。其中，代表溫度，代表濕度，代表焓。由獨(dú)立測(cè)量參數(shù)的不確定性導(dǎo)致的總熱交換效率的標(biāo)準(zhǔn)偏差為4.6%～7.9%。

2 結(jié)果與討論

2.1 掃描電鏡

用掃描電鏡分析了CaCl的加入對(duì)聚乙烯醇膜表面形貌的影響。拍攝了不同CaCl濃度的聚乙烯醇膜和雜化膜的表面和斷面圖像，結(jié)果如圖4 所示，發(fā)現(xiàn)所有鑄造的膜在性質(zhì)上都是致密的。純PVA 膜和PVA/CaCl(PC)雜化膜顯示出光滑和無(wú)缺陷的表面和斷面。這給出了CaCl在聚乙烯醇基質(zhì)中均勻分布的直觀證據(jù)。然而，隨著CaCl濃度的增加，掃描電鏡圖像顯示不均勻的表面上出現(xiàn)一些團(tuán)聚現(xiàn)象，這表明CaCl粒子在聚乙烯醇基體中的分布不太均勻。但從聚乙烯醇/氯化鈣雜化膜的斷面可以看出CaCl為膜提供了更多的輸送水通道。

圖4 聚乙烯醇膜、聚乙烯醇/氯化鈣雜化膜的表面[(a)～(d)]和斷面[(a')～(d')]圖

圖5 顯示了不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)蒙脫土的聚乙烯醇/蒙脫土雜化膜的表面和斷面圖像。結(jié)果表明，隨著蒙脫土的添加，膜表面變得粗糙和凹凸不平，氣體在膜表面上的突起區(qū)域產(chǎn)生湍流，增加氣體與膜表面接觸的概率和時(shí)間，因此熱量可以有效地通過(guò)膜進(jìn)行傳遞。但其表面的蒙脫土顆粒分散性較差。

圖5 聚乙烯醇膜、聚乙烯醇/蒙脫土雜化膜的表面[(a)～(d)]和斷面[(a')～(d')]圖

用掃描電鏡分析聚乙烯醇/氯化鈣/蒙脫土三元混合基質(zhì)膜的形貌特征，不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的蒙脫土的混合基質(zhì)膜的表面和斷面圖像如圖6所示。從表面圖像可以看出，隨著蒙脫土摻雜量的增加，其膜表面的粗糙程度增加，顆粒覆蓋在膜表面；從斷面圖像可以看出，隨著蒙脫土摻雜量的增加，膜基體以及表面附著的蒙脫土顆粒均勻地分散在膜的表面和斷面上。一方面可以有效阻隔二氧化碳?xì)怏w，另一方面氣體通過(guò)膜表面的凸起部分會(huì)產(chǎn)生湍流，增加氣體接觸膜的時(shí)間和頻率，提高其熱量傳遞效率。在氯化鈣和蒙脫土的共同作用下，膜的透濕阻氣性能遠(yuǎn)大于單一添加量的影響。

圖6 聚乙烯醇/氯化鈣/蒙脫土三元混合基質(zhì)膜的表面[(a)～(d)]和斷面[(a')～(d')]圖

2.2 原子力顯微鏡

用原子力顯微鏡分析膜表面的形貌，如圖7所示，從5μm×5μm 的掃描區(qū)域中得出谷和峰，很明顯，膜表面的粗糙度隨著蒙脫土含量的增加而大大增加。粗糙度的增加可以進(jìn)一步用表2所示的平均粗糙度（）和均方根平均粗糙度（）值來(lái)表示。這些測(cè)試結(jié)果與上一節(jié)所示的掃描電鏡圖像一致。

表2 表面粗糙度數(shù)據(jù)（掃描尺寸=5μm×5μm）

圖7 聚乙烯醇膜、聚乙烯醇/氯化鈣雜化膜、聚乙烯醇/氯化鈣/蒙脫土混合基質(zhì)膜的原子力顯微鏡

2.3 水接觸角

用接觸角測(cè)試儀分析膜的親水性，如圖8 所示，與純聚乙烯醇膜相比，添加無(wú)水氯化鈣，聚乙烯醇/氯化鈣雜化膜的接觸角減小，親水性增加，有利于水蒸氣的傳輸。但隨著蒙脫土加入量的增加，由于其表面親水組分含量減少，聚乙烯醇/氯化鈣/蒙脫土三元混合基質(zhì)膜的接觸角越來(lái)越大。此外，由于無(wú)機(jī)不透氣相的加入，二氧化碳等氣體的傳輸路徑變長(zhǎng)和孔道變少，更有利于二氧化碳?xì)怏w阻隔性能的提升。

圖8 聚乙烯醇膜、聚乙烯醇/氯化鈣雜化膜、聚乙烯醇/氯化鈣/蒙脫土混合基質(zhì)膜的水接觸角

2.4 力學(xué)性能

用萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)研究蒙脫土的含量對(duì)雜化膜力學(xué)強(qiáng)度的影響，主要涉及樣品膜的拉伸強(qiáng)度斷裂伸長(zhǎng)率。將不同蒙脫土含量的雜化膜制成規(guī)則的長(zhǎng)條（尺寸100mm×20mm），拉伸的速度為1mm/min，測(cè)試前樣品膜在25℃、38%RH環(huán)境下處理24h。圖9 是不同含量蒙脫土的PVA/CaCl/MMT 混合基質(zhì)膜的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率變化圖。結(jié)果顯示，與PVA/CaCl雜化膜相比，CaCl/MMT/PVA混合基質(zhì)膜的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率隨著蒙脫土含量的增加呈現(xiàn)明顯的上升趨勢(shì)，力學(xué)性能有所提高。

如圖9 所示，未摻雜任何顆粒的純聚乙烯醇（PVA）顯示出相對(duì)高的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率，這是因?yàn)榫垡蚁┐蓟w是完整的，將拉伸力分散到膜的每一部分。添加無(wú)水氯化鈣由于破壞了膜的完整性，產(chǎn)生了界面空隙，這些空隙在拉伸試驗(yàn)中變成膜的原始破損處，使膜變得脆弱。添加少量均勻分散到整個(gè)基體中的蒙脫土（如PCM），其拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率都有很大的提升，但是進(jìn)一步加入蒙脫土，由于界面間隙的增加，PCM～PCM膜的拉伸性能有明顯下降。總體上看，分子鏈取向和蒙脫土層結(jié)構(gòu)的組合效應(yīng)使PVA/CaCl/MMT 混合基質(zhì)膜（PCM～PCM）相比PVA/CaCl雜化膜（PC）具有更好的力學(xué)性能。

圖9 聚乙烯醇膜、聚乙烯醇/氯化鈣雜化膜、聚乙烯醇/氯化鈣/蒙脫土混合基質(zhì)膜的力學(xué)性能

2.5 熱重分析

通過(guò)熱重分析研究了添加蒙脫土和氯化鈣對(duì)聚乙烯醇膜熱穩(wěn)定性的影響。如圖10 所示，樣品膜的熱重分析曲線顯示了三個(gè)主要的質(zhì)量損失區(qū)域，在DTG 曲線中顯示為三個(gè)峰值。聚乙烯醇膜、聚乙烯醇/蒙脫土雜化膜、聚乙烯醇/氯化鈣和聚乙烯醇/氯化鈣/蒙脫土的第一個(gè)區(qū)域的溫度為80～100℃，這是由于物理弱結(jié)合和化學(xué)強(qiáng)結(jié)合的水的蒸發(fā)；聚乙烯醇膜和聚乙烯醇/蒙脫土雜化膜的質(zhì)量損失為4.5%～5.7%，而聚乙烯醇/氯化鈣雜化膜和聚乙烯醇/氯化鈣/蒙脫土三元混合基質(zhì)膜，由于吸附的物理水分的增加，這部分質(zhì)量損失增加為10.3%～11.6%。第二個(gè)過(guò)渡區(qū)在250～290℃，由于聚乙烯醇聚合物的側(cè)鏈降解，聚乙烯醇膜和聚乙烯醇/蒙脫土雜化膜對(duì)應(yīng)于該階段的總質(zhì)量損失為58%～70%，聚乙烯醇/氯化鈣雜化膜和聚乙烯醇/氯化鈣/蒙脫土三元混合基質(zhì)膜的質(zhì)量損失為32%～38%。第三階段的溫度在375～450℃，這是由于聚乙烯醇的碳碳主鏈斷裂。在600℃時(shí)，總質(zhì)量損失約為90%，如表3所示。

表3 不同溫度下樣品膜熱分析的質(zhì)量損失結(jié)果

圖10 幾種樣品膜的TGA曲線

加入氯化鈣，由于聚乙烯醇側(cè)鏈上的羥基與氯的氫鍵作用，導(dǎo)致聚乙烯醇膜和聚乙烯醇/氯化鈣雜化膜的熱重曲線發(fā)生較大改變。如圖10 所示，分別研究聚乙烯醇膜和聚乙烯醇/蒙脫土雜化膜、聚乙烯醇/氯化鈣雜化膜和聚乙烯醇/氯化鈣/蒙脫土三元混合基質(zhì)膜的熱重曲線，添加蒙脫土，聚乙烯醇/蒙脫土雜化膜和聚乙烯醇/氯化鈣/蒙脫土三元混合基質(zhì)膜的降解點(diǎn)都向高溫方向移動(dòng)。因此，可以得出結(jié)論，熱穩(wěn)定性的提高是由于蒙脫土填料的添加效應(yīng)以及聚乙烯醇上的—OH 和氯化鈣分子的強(qiáng)化學(xué)連接作用。

2.6 透濕阻氣性能

用水蒸氣透過(guò)率測(cè)試儀和氣體透過(guò)率測(cè)試儀分別測(cè)試膜的透濕阻氣性能，樣品膜的厚度均保持在(70±5)μm。圖11 表示不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)蒙脫土的聚乙烯醇/蒙脫土雜化膜的水蒸氣和CO透過(guò)量。由于加入蒙脫土，膜的親水性變差（2.3節(jié)），造成聚乙烯醇/蒙脫土雜化膜的水蒸氣透過(guò)量下降。對(duì)于膜的阻隔性，蒙脫土含量較低時(shí)，由于蒙脫土的突然加入破壞了純聚乙烯醇膜基質(zhì)的完整性，其CO透過(guò)量比PVA 膜要高；但是，進(jìn)一步加入的蒙脫土?xí)苟趸紨U(kuò)散路徑變長(zhǎng)，使膜的CO擴(kuò)散受到抑制，CO透過(guò)量呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。

圖11 純聚乙烯醇膜、聚乙烯醇/蒙脫土雜化膜的水蒸氣和二氧化碳透過(guò)量示意圖

圖12 為不同濃度氯化鈣的聚乙烯醇/氯化鈣雜化膜的水蒸氣和CO透過(guò)量。隨著氯化鈣添加量的增加，為膜基質(zhì)提供更多的水通道，膜的水蒸氣透過(guò)量提高了2 倍左右，CO透過(guò)量從 4.172cm/(m·24h·0.1MPa) 增 加 到24.530cm/(m·24h·0.1MPa)。雜化膜的透濕性能改善，但對(duì)CO的阻隔作用減弱，這是典型的“trade-off”效應(yīng)。

圖12 純聚乙烯醇膜、聚乙烯醇/氯化鈣雜化膜的水蒸氣和二氧化碳透過(guò)量示意圖

圖13 所示是不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)蒙脫土的聚乙烯醇/氯化鈣/蒙脫土三元混合基質(zhì)膜的水蒸氣和CO透過(guò)量。結(jié)果表明，適量添加蒙脫土不僅可以提升聚乙烯醇/氯化鈣雜化膜的阻隔性能，而且可以通過(guò)提高膜的表面積提升其透水性能。蒙脫土的添加量為0.8%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）時(shí)，膜的水蒸氣和CO透過(guò)量達(dá)到1753.64g/(m?24h)和6.594cm/(m?24h?0.1MPa)。但是，當(dāng)蒙脫土的添加量更大時(shí)，膜的親水性變差，同時(shí)膜基質(zhì)引入更多界面缺陷，造成膜的透濕阻氣性能變差。另外，與純聚乙烯醇膜相比，在氯化鈣和蒙脫土的共同作用下，聚乙烯醇/氯化鈣/蒙脫土三元混合基質(zhì)膜的水蒸氣透過(guò)量提高了2～3倍，CO透過(guò)量相當(dāng)，具體數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 聚乙烯醇膜、聚乙烯醇/氯化鈣雜化膜、聚乙烯醇/氯化鈣/蒙脫土混合基質(zhì)膜的水蒸氣和CO2透過(guò)量

圖13 純聚乙烯醇膜、聚乙烯醇/氯化鈣雜化膜、聚乙烯醇/氯化鈣/蒙脫土混合基質(zhì)膜的水蒸氣和二氧化碳透過(guò)量示意圖

綜上所述，適量氯化鈣的摻雜提高PVA 膜的透濕量，進(jìn)一步填入蒙脫土能同時(shí)提高膜的CO阻隔性和水透過(guò)性。商業(yè)紙膜與聚乙烯醇/氯化鈣/蒙脫土三元混合基質(zhì)膜PCM相比，雖然透濕量略高，但是其氣體阻隔性能卻差了11個(gè)數(shù)量級(jí)。

2.7 全熱交換效率

用自主搭建的全熱交換設(shè)備測(cè)試膜的溫度交換效率、濕度交換效率和焓交換效率。純聚乙烯醇膜、聚乙烯醇/氯化鈣雜化膜、聚乙烯醇/氯化鈣/蒙脫土混合基質(zhì)膜和商業(yè)紙膜的全熱交換效率用式(1)～式(3)進(jìn)行計(jì)算，數(shù)據(jù)結(jié)果如表5 所示。與聚乙烯醇/氯化鈣/蒙脫土三元混合基質(zhì)膜PCM、PCM相比，商業(yè)紙膜雖然焓交換效率（72%）略高，但是其氣體阻隔性能卻差了10個(gè)數(shù)量級(jí)。

表5 聚乙烯醇膜、聚乙烯醇/氯化鈣雜化膜、聚乙烯醇/氯化鈣/蒙脫土混合基質(zhì)膜的全熱交換效率

數(shù)據(jù)結(jié)果表明，隨著氯化鈣和蒙脫土的加入，聚乙烯醇/氯化鈣/蒙脫土三元混合基質(zhì)膜的濕度和焓交換效率均有所提高，具有更好的熱交換性能。這種趨勢(shì)與2.6 節(jié)討論的這些膜的水蒸氣透過(guò)性測(cè)試結(jié)果基本一致。在全熱交換過(guò)程中，排出的廢氣和引入的新鮮空氣在膜內(nèi)進(jìn)行熱量和水分交換，以回收能量。由于其比熱容大，水蒸氣在焓交換過(guò)程中起著重要作用。雖然蒙脫土的添加減小了膜的表面親水性和水的透過(guò)性，但是由于表面粗糙度的增加，也可以增加水蒸氣透過(guò)量。根據(jù)原子力顯微鏡分析，三元混合基質(zhì)膜的粗糙度隨著蒙脫土的增加而增加。其膜表面的突起影響氣流，在膜表面區(qū)域產(chǎn)生湍流現(xiàn)象。因此，增加了空氣與膜表面接觸的概率和時(shí)間，使更多的水分子進(jìn)入膜結(jié)構(gòu)，提高了總換熱效率。該結(jié)果與張立志等所述結(jié)果一致，降低空氣流速被證明對(duì)膜表面的熱和水分傳導(dǎo)性具有積極影響。總之，在適量的蒙脫土和氯化鈣的共同作用下，通過(guò)膜的水蒸氣透過(guò)速率變得更快，發(fā)生了更有效的熱交換，導(dǎo)致膜的濕度和焓交換效率大大增加。商業(yè)紙膜雖然具有更好的焓和濕度交換效率，但是其極端低的廢氣阻隔性能限制了其進(jìn)一步發(fā)展。

3 結(jié)論

氯化鈣和蒙脫土含量對(duì)聚乙烯醇/氯化鈣/蒙脫土三元混合基質(zhì)膜的結(jié)構(gòu)和性能起著很大的影響作用。高氯化鈣含量的聚乙烯醇/氯化鈣雜化膜具有較好的親水性、高的水蒸氣和CO透過(guò)量；較高蒙脫土含量的聚乙烯醇/蒙脫土雜化膜具有大的表面粗糙度、較好的機(jī)械性能、低的CO透過(guò)量以及良好的溫度、濕度和焓交換效率。在氯化鈣和蒙脫土的共同作用下，聚乙烯醇/氯化鈣/蒙脫土三元混合基質(zhì)膜的性能遠(yuǎn)大于單一添加量的影響。

水蒸氣透過(guò)量與焓交換效率具有一定的相關(guān)性。在蒙脫土和氯化鈣的作用下，膜的水蒸氣透過(guò)率和焓交換效率呈相同的遞增趨勢(shì)，進(jìn)而提高其熱回收性能。為了平衡高氣體阻隔、高水蒸氣和焓交換效率以及高機(jī)械性能的需求，PVA∶CaCl∶MMT 的質(zhì)量比為8∶1.6∶0.8 的三元混合基質(zhì)膜似乎最適合在空氣能量回收中應(yīng)用。PVA 基三元全熱交換膜溫濕度以及焓交換效率（68%）雖然略低于商業(yè)紙膜（72%），但是其極高的氣體阻隔性、無(wú)機(jī)填料帶來(lái)的良好的力學(xué)和熱穩(wěn)定性，值得進(jìn)一步關(guān)注。