非多孔聚二甲基硅氧烷( PDMS )中空纤维膜的热、氧、二氧化碳同时传输特性研究

ty10086 提交于 周三, 08/25/2021 - 15:54
文章英文标题
Characterization of simultaneous heat, oxygen, and carbon dioxide transfer across a nonporous polydimethylsiloxane (PDMS) hollow fiber membrane
正文
在人类航天任务期间,提供大气氧气、清除二氧化碳和热量对于维持船员健康至关重要。微重力和降低重力环境(如行星表面)限制了气泡形成技术的使用,因为表面张力和惯性或黏性力可能主导浮力,在系统中产生不利影响。气液接触膜将允许通过溶液扩散实现无鼓泡传质,如同膜蒸馏操作一样,具有同时传热的潜力。此前发表的工作,也有类似的应用,主要集中在微孔膜的表征上。在本研究中,一种商用的非多孔聚二甲基硅氧烷( PDMS )中空纤维膜将二氧化碳从环境气流( 296K )中分离出来,同时对冷却水( 274K )进行除氧。对照试验分别在常温( 296 K和292 K )下用气体和水进行。结果表明,提高给水率( 0.5 ~ 1.5 LPM )降低了氧气从水中向气流输送的百分比(约减少25 % )。同样,水温的降低显著降低了氧转移的百分比(约降低35 % )。系统传热和二氧化碳传递速率与气体流量呈正相关,表现出气相依赖性。由实验结果导出的系数用于建立半经验传质模型。本研究的结果发展了两个发现,非多孔PDMS膜可以用于同时传热和传质,也可以从一级原理描述。
文章内容(英文)
The provision of atmospheric oxygen, removal of carbon dioxide and heat is essential to sustain crew health during human spaceflight missions. Microgravity and reduced gravity environments (such as a planetary surface) limit the use of bubble-forming technologies, since surface tension and inertial or viscous forces may dominate buoyancy, creating an adverse effect in the system. Gas-to-liquid contacting membranes would allow for non-bubbling mass transfer through solution-diffusion, with the potential for simultaneous heat transfer, as done in membrane distillation operations. Previously published work, with similar applications, have focused on characterizing microporous membranes. In this study, a commercially available, nonporous polydimethylsiloxane (PDMS) hollow fiber membrane separated carbon dioxide from an ambient gas stream (296 K) while deoxygenating a cooling-water feed (274 K). Control experiments were conducted with gas and water at ambient temperatures (296 K and 292 K, respectively). Results show that increasing water feed rate (0.5 to 1.5 LPM) reduced the percentage of oxygen transferred from the water to the gas stream (approximately 25% less). Also, a reduction in water temperature significantly reduced percent oxygen transferred (approximately 35% reduction). System heat transfer and carbon dioxide transfer rates were positively correlated to gas flow rates, showing gas-phase dependence. Coefficients derived from the experimental results were used to form semi-empirical mass transport models. Results of this study developed two findings, that a nonporous PDMS membrane could be used for simultaneous heat and mass transfer which could also be described from first-order principles.
来源出处
Journal|[J]Chemical Engineering Journal Advances2021. PP 100106-
DOI
https://doi.org/10.1016/J.CEJA.2021.100106

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