盧曉江，朱明甜，趙曉杰，張書濤

(天津科技大學(xué)機械工程學(xué)院，天津 300222)

沸石分子篩[1]是一種含水架狀結(jié)構(gòu)的多孔硅鋁酸鹽礦物質(zhì)，獨特的晶體結(jié)構(gòu)使其具有大量均勻的微孔.與其他多孔物質(zhì)相比，沸石分子篩具有較大的比表面積(400～800,m2/g)，僅次于活性炭.但活性炭的吸附力完全是色散力，而沸石分子篩的強吸附力是由色散力和靜電力的共同作用產(chǎn)生，這決定了沸石分子篩在干燥領(lǐng)域中的優(yōu)勢.沸石分子篩不僅色散力很大，還有較大的靜電力，這是因為孔穴中含有陽離子，骨架氧含有負(fù)電荷，這樣就在陽離子的周圍形成強大的電場，正是由于這種靜電力的關(guān)系，使得沸石分子篩對極性、不飽和及易極化分子具有優(yōu)先的選擇吸附作用.水分子是極性最強的分子，它能與硅鋁格架形成氫鍵，因此，沸石分子篩有強烈的吸水性[2–4]，其吸水量是硅膠和氧化鋁的5～6 倍.沸石分子篩在高溫下也有較高的吸水量，例如100,℃時其吸水量可以達到13%,，200,℃時其吸水量仍有4%,.沸石分子篩在高速氣流中也有較高的吸水量，如當(dāng)氣體線速度為0.5,m/s 時，沸石分子篩的絕熱吸水量可以達到16.7%,[5].因此，沸石分子篩常被作為一種高效吸附劑用于吸附干燥中.沸石分子篩吸附干燥與傳統(tǒng)干燥方法相比具有能源消耗低、干燥效率高、干燥品質(zhì)好等優(yōu)點[6–8].

沸石分子篩多用于常壓吸附干燥或加壓吸附干燥過程中[9–10]，對于真空狀態(tài)下沸石分子篩的干燥性能鮮有研究.真空干燥的優(yōu)勢主要在于：在負(fù)壓狀態(tài)下水的沸點降低，較低溫度下就可以蒸發(fā)出大量水分，從而達到干燥目的.因此，真空干燥可以實現(xiàn)低溫干燥，常被用來干燥熱敏性物料.另外，由于真空干燥的整個干燥過程處于缺氧狀態(tài)，避免了被干燥物料在干燥過程中氧化和變質(zhì)，保證了被干燥物料的品質(zhì).然而，真空干燥往往因為能耗較高、干燥效率低及真空度難以維持等原因，其應(yīng)用受到限制.而吸附干燥是通過物理吸附作用吸附水分，通過降低空氣的露點溫度來獲得利于干燥進行的環(huán)境條件[11–13]，并且有利于真空度的保持.所以，沸石分子篩的吸附性能有利于改善真空干燥效果，適用于干燥熱敏性物料[14–15].本研究將沸石分子篩加入真空干燥系統(tǒng)中形成真空–吸附聯(lián)合干燥系統(tǒng)，以真空狀態(tài)下沸石分子篩的干燥性能為主要研究內(nèi)容進行了實驗研究.

1 材料與方法

1.1 實驗裝置與儀器

本實驗裝置是在真空干燥實驗裝置的基礎(chǔ)上，通過在被干燥物料上放置盛有沸石分子篩的篩盤改造而成的，實驗裝置示意圖見圖1.

圖1 實驗裝置示意圖Fig.1 Schema of the experiment device

實驗裝置主要由真空筒體、電加熱板、水環(huán)真空泵、沸石分子篩盤和傳感器組成.其中，水環(huán)真空泵為真空筒體提供真空環(huán)境，其真空度最高可以達到絕對壓力3,kPa；電加熱板為被干燥物料提供熱源，其溫度可通過溫控儀在30～150,℃實現(xiàn)無級調(diào)節(jié)；沸石分子篩在干燥過程中吸收物料的部分水分，起到吸附干燥的作用；壓力傳感器實時監(jiān)測真空干燥箱內(nèi)的壓力變化，溫濕傳感器實時監(jiān)測真空干燥箱內(nèi)的環(huán)境濕度和溫度變化.實驗時，被干燥物料均勻分布在帶有空隙的布料墊片上，然后放置在電加熱板上的沸石分子篩盤下進行干燥.

實驗用到的其他儀器有水分測定儀、打漿機、稱重天平、蒸煮鍋，主要用于實驗材料的準(zhǔn)備及實驗過程中數(shù)據(jù)的測量.

1.2 實驗物料的處理方法

干燥實驗選用進口越南紫薯.干燥得到的最終產(chǎn)品是紫薯粉，所以先對紫薯進行預(yù)處理，得到紫薯漿，用于干燥實驗.預(yù)處理步驟如下：將新鮮紫薯清洗并削皮，切成3～5,mm 的薄片.將紫薯薄片放入電蒸鍋里蒸煮5～7,min，然后自然冷卻.因為紫薯中含有的花青素極易被氧化，所以要將紫薯進行蒸熟處理，這樣也可以使紫薯保持良好的色澤和味道.將冷卻后的紫薯放入打漿機中，與水按照體積比3∶2 混合，打成漿狀.

1.3 沸石分子篩的吸附特性參數(shù)及用量

實驗選用上海沸石分子篩有限公司生產(chǎn)的4,A球形沸石分子篩，其性能指標(biāo)見表1.

表1 沸石分子篩的出廠參數(shù)Tab.1 Factory parameters of zeolite

在空氣相對濕度為100%,的條件下進行實驗，測定4,A 沸石分子篩在不同溫度(30、50、80、100,℃)、不同壓力(常壓、3,kPa)下的吸附特性數(shù)據(jù)，見圖2.沸石分子篩的吸附能力用吸附程度衡量，吸附程度指沸石分子篩所吸附水分的質(zhì)量與新鮮沸石分子篩(未吸水的沸石分子篩)的質(zhì)量的比值，用百分?jǐn)?shù)形式表示，數(shù)值越大表示沸石分子篩的吸附能力越強.

根據(jù)實驗布料所用紫薯漿的質(zhì)量、初始濕基含水率和4,A 沸石分子篩吸附特性曲線，計算所需沸石分子篩的用量(假定沸石分子篩可以將物料所含水分全部吸附).物料的初始濕基含水率為75%,，每組布料質(zhì)量約為140～160,g，真空條件下沸石分子篩的飽和吸附程度約為12.8%,，計算得需沸石分子篩800～950,g.因此，本實驗采用1,000,g 沸石分子篩.

圖2 4,A沸石分子篩吸附特性曲線Fig.2 Adsorption curves of 4,A zeolite

1.4 實驗方法

根據(jù)每組實驗要求對實驗裝置的加熱板進行溫度設(shè)定.取適量紫薯漿，平均分成兩份，分別布于兩塊質(zhì)量相同的加熱墊片上.保證兩組實驗的布料厚度、布料面積相同，并記錄物料的原始質(zhì)量.待加熱板升至設(shè)定溫度后，將兩組物料同時放入實驗裝置的加熱板上，在其中一組的上方加沸石分子篩吸附床層(1,000,g 沸石分子篩，分為4 層，放入填料篩中，為防止沸石污染物料，篩盤中增加一層透氣防塵膜)，沸石分子篩盤與紫薯物料間保持微小間距(約1,cm，可認(rèn)為沸石分子篩與物料緊密接觸)，另外一組不加.快速關(guān)閉真空筒體，并開啟真空泵，保證干燥過程在真空狀態(tài)下進行，同時開始記錄時間.每隔一段時間將兩組物料同時取出，測量物料的質(zhì)量，然后快速放回實驗裝置中，再次快速開啟真空泵，保證測量環(huán)節(jié)對物料干燥的影響最小.直至兩組物料的質(zhì)量都不再變動后，停止干燥實驗.

1.5 實驗指標(biāo)的計算方法

實驗物料的濕基含水率根據(jù)式(1)計算.

式中：mt為物料干燥t 時刻的質(zhì)量，kg；mc為物料的絕干質(zhì)量，kg.

兩組物料在某時刻的質(zhì)量差值根據(jù)式(2)計算.質(zhì)量差值越大說明沸石對干燥過程影響越大，反之則影響越小.

式中：m1和m2分別為同一時刻真空–吸附干燥和真空干燥兩組實驗物料的質(zhì)量，g.

2 結(jié)果與分析

2.1 沸石分子篩對真空干燥過程的影響

在實驗溫度為35,℃、真空度為3,kPa、布料厚度為1,mm 的條件下，兩組物料的干燥曲線見圖3.由圖3 可知：真空–吸附干燥的含水率曲線的平均斜率要大于真空干燥，即真空–吸附干燥的干燥速率快；在干燥結(jié)束時，真空–吸附干燥的含水率降至5%,左右，而真空干燥的含水率僅降至35%,左右.可見，沸石分子篩可以提高真空干燥的干燥速率，大幅度地降低被干燥物料的含水率，提高物料的干燥品質(zhì).

圖3 真空–吸附干燥與真空干燥的干燥曲線Fig.3 Drying curve of vacuum-adsorption drying and vacuum drying

2.2 溫度對沸石分子篩干燥性能的影響

在真空度為3,kPa、布料厚度為1,mm 的條件下，采用不同溫度(35、45、55、65,℃)進行干燥實驗，真空–吸附干燥與真空干燥過程中物料質(zhì)量差值的變化曲線見圖4.由圖4 可知：不同干燥溫度下物料的質(zhì)量差值都呈現(xiàn)先增加后下降的趨勢；其中，45,℃時的曲線最高，65,℃時的曲線最低，35,℃和55,℃時的曲線極值點數(shù)值相近，55,℃時的曲線的遞減階段較35,℃時的曲線先出現(xiàn).可見，溫度對沸石分子篩吸附動力的影響是非單調(diào)的.這是因為影響沸石分子篩吸附動力的因素主要是溫度和壓力.溫度升高，沸石分子篩內(nèi)部結(jié)構(gòu)中的水脫附動力增強，變得容易脫附，從而吸附作用減弱；壓力升高，吸附動力增強，吸附作用增強.但是，溫度和壓力是兩個相互影響的因素.溫度增高時，整個環(huán)境的水汽分壓增大.在一定溫度范圍內(nèi)，壓力增大對沸石分子篩吸附的促進作用大于溫度升高對沸石分子篩吸附的抑制作用，整體上就會表現(xiàn)出溫度對沸石分子篩吸附的促進作用.但是一旦超過這個溫度范圍的臨界點，壓力增大對沸石分子篩吸附的促進作用就會小于溫度升高對沸石分子篩吸附的抑制作用，整體上便會表現(xiàn)出溫度對沸石分子篩吸附的抑制作用.所以當(dāng)溫度設(shè)定為臨界點溫度時，沸石分子篩吸附性能對真空–吸附干燥的影響作用會達到最大.由圖4 可知，本次實驗的最佳溫度為45,℃.

圖4 不同溫度條件下物料的質(zhì)量差值變化曲線Fig.4 Changes of material weight under different temperature

2.3 布料厚度對沸石分子篩干燥性能的影響

在實驗溫度為45,℃、真空度為3,kPa 的條件下，采用不同的布料厚度(1、2、3,mm)進行干燥實驗，真空–吸附干燥的干燥曲線見圖5，真空–吸附干燥與真空干燥間物料濕基含水率差值變化曲線見圖6.

圖5 不同布料厚度時物料的干燥曲線Fig.5 Drying curve of the material with different thickness of fabric

由圖5 可知：對于真空–吸附干燥，干燥曲線的平均斜率在布料厚度為3,mm 時最小，布料厚度為1,mm 時最大.可見，布料厚度越大時干燥速率越慢.這是因為布料厚度為單一變量時，隨著布料厚度的增加干燥傳質(zhì)阻力增大，從而阻礙干燥過程的進行.

圖6 不同布料厚度時的物料濕基含水率差值變化曲線Fig.6 Changing curve of material moisture content with different thickness of fabric

由圖6 可知：兩組物料的濕基含水率差值在布料厚度為3,mm 時最大，布料厚度為1,mm 時最小，布料厚度為2,mm 時的濕基含水率差值也遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于1,mm 的，略低于3,mm 的.可見，布料厚度越大時，沸石分子篩吸附特性對提高真空干燥速率的作用越明顯.分析其原因是：在干燥過程中，物料表面?zhèn)鬟f出來的水分快速被沸石分子篩吸附，降低了物料表面濕度，形成了物料內(nèi)部與外部間的濕度差，從而加快物料內(nèi)部水分向外傳遞，提高干燥速率.當(dāng)布料厚度較小時，物料中水分的傳質(zhì)阻力小，不管有無沸石分子篩吸附，水分都容易從物料中脫附出來，所以此時沸石分子篩的吸附性能對干燥過程的影響不明顯.但是，隨著布料厚度的增大，水分傳質(zhì)阻力增大，干燥速率緩慢，沸石分子篩的吸附優(yōu)異性就會突顯出來.

3 結(jié)論

(1)在同等條件下，真空–吸附干燥的干燥速率高于真空干燥的干燥速率.本實驗中，在溫度為35,℃、真空度為3,kPa、布料厚度為1,mm 時，真空–吸附干燥紫薯物料的最終含水率為5%,，大大低于真空干燥紫薯物料的最終含水率(35%,)，充分說明了真空–吸附干燥的干燥優(yōu)勢.

(2)在本實驗條件下，當(dāng)干燥溫度低于45,℃時，溫度升高有利于提高沸石分子篩的吸附作用；當(dāng)干燥溫度高于45,℃時，溫度升高則會抑制沸石分子篩的吸附作用.真空–吸附干燥的干燥速率隨著布料厚度的減小而逐漸加快.

［1］高文遠(yuǎn)，王茹，周龍琴.鈉型斜發(fā)沸石對高鈣苦鹵中鉀離子的吸附研究[J].化學(xué)研究與應(yīng)用，2009，21(2)：239–242.

［2］高俊敏，鄭澤根，王琰，等.沸石在水處理中的應(yīng)用[J].重慶建筑大學(xué)學(xué)報，2001，23(1)：114–117.

［3］王春蓉.沸石分子篩的性能與應(yīng)用研究[J].化學(xué)與粘合，2010，32(4)：76–78.

［4］朱偉東，鐘依均，張富民，等.沸石分子篩吸附和擴散：研究現(xiàn)狀存在問題和展望[J].浙江師范大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2010，33(4)：369–376.

［5］盛志華.沸石的應(yīng)用研究[J].中南冶金地質(zhì)，1996(1)：98–107.

［6］Djaeni M，Bartels P，Sanders J，et al.Process integration for food drying with air dehumidified by zeolites[J].Drying Technology，2007，25(1)：225–239.

［7］Djaeni M，van Boxtel A J B.PhD thesis summary：Energy efficient multistage zeolite drying for heatsensitive products[J].Drying Technology，2009，27(5)：721–722.

［8］Djaeni M，Bartels P V，van Asselt C J，et al.Assessment of a two-stage zeolite dryer for energy-efficient drying[J].Drying Technology，2009，27(11)：1205–1216.

［9］楊華明，邱冠周.分子篩的研究現(xiàn)狀與發(fā)展前景[J].礦產(chǎn)綜合利用，1996(5)：24–28.

［10］Davis M E，Lobo R F.Zeolite and molecular sieve synthesis[J].Chemistry of Materials，1992，4(4)：756–768.

［11］Djaeni M，Bartels P，Sanders J，et al.Multistage zeolite drying for energy-efficient drying[J].Drying Technology，2007，25(6)：1053–1067.

［12］姚虎卿.氣體吸附干燥技術(shù)及其應(yīng)用[J].江蘇化工，1988(1)：28–31.

［13］王寶和.干燥動力學(xué)研究綜述[J].干燥技術(shù)與設(shè)備，2009，7(1)：51–56.

［14］Djaeni M，van Boxtel A J B，王娟.新型高能效沸石吸附食品干燥器的開發(fā)[J].干燥技術(shù)與設(shè)備，2013，11(1)：7–13.

［15］Djaeni M，van Asselt C J，Bartels P V，et al.Low temperature drying with air dehumidified by zeolite for food products：Energy efficiency aspect analysis[J].International Journal of Food Engineering，2011，7(6)：4-1–4-25.