شكرًا لك على زيارة Nature.com.إصدار المتصفح الذي تستخدمه لديه دعم محدود لـ CSS.للحصول على أفضل تجربة ، نوصي باستخدام مستعرض محدث (أو تعطيل وضع التوافق في Internet Explorer).في غضون ذلك ، لضمان استمرار الدعم ، سنعرض الموقع بدون أنماط وجافا سكريبت.
لا تزال الحصة السوقية لأنظمة التبريد والمضخات الحرارية بالامتزاز صغيرة نسبيًا مقارنة بأنظمة الضواغط التقليدية.على الرغم من الميزة الكبيرة لاستخدام الحرارة الرخيصة (بدلاً من الأعمال الكهربائية باهظة الثمن) ، فإن تنفيذ الأنظمة القائمة على مبادئ الامتزاز لا يزال مقصورًا على عدد قليل من التطبيقات المحددة.العيب الرئيسي الذي يجب إزالته هو انخفاض الطاقة المحددة بسبب الموصلية الحرارية المنخفضة والاستقرار المنخفض للمادة الماصة.تعتمد أحدث أنظمة التبريد التجارية بالامتزاز الحالية على الممتزات القائمة على المبادلات الحرارية للوحة المطلية لتحسين قدرة التبريد.النتائج معروفة جيدًا أن تقليل سماكة الطلاء يؤدي إلى انخفاض مقاومة نقل الكتلة ، وزيادة مساحة السطح إلى نسبة الحجم للهياكل الموصلة يزيد من الطاقة دون المساس بالكفاءة.يمكن أن توفر الألياف المعدنية المستخدمة في هذا العمل مساحة سطح محددة في حدود 2500-50.000 م 2 / م 3.تظهر ثلاث طرق للحصول على طبقات رقيقة جدًا ولكن ثابتة من هيدرات الملح على الأسطح المعدنية ، بما في ذلك الألياف المعدنية ، لإنتاج الطلاءات لأول مرة مبادل حراري عالي الكثافة للطاقة.يتم اختيار المعالجة السطحية التي تعتمد على أنودة الألومنيوم لخلق رابطة أقوى بين الطلاء والركيزة.تم تحليل البنية المجهرية للسطح الناتج باستخدام الفحص المجهري الإلكتروني.تم استخدام التحليل الطيفي للأشعة تحت الحمراء لتحويل فورييه والتحليل الطيفي للأشعة السينية المشتتة للطاقة للتحقق من وجود الأنواع المرغوبة في الفحص.تم تأكيد قدرتها على تكوين الهيدرات من خلال التحليل الحراري الوزني (TGA) / التحليل التفاضلي الحراري الوزني (DTG).تم العثور على جودة رديئة تزيد عن 0.07 جم (ماء) / جم (مركب) في طلاء MgSO4 ، تظهر علامات الجفاف عند حوالي 60 درجة مئوية وقابلة للتكاثر بعد إعادة التميؤ.تم الحصول على نتائج إيجابية أيضًا باستخدام SrCl2 و ZnSO4 بفرق كتلة يبلغ حوالي 0.02 جم / جم أقل من 100 درجة مئوية.تم اختيار هيدروكسي إيثيل سلولوز كمادة مضافة لزيادة ثبات الطلاء والالتصاق به.تم تقييم الخصائص الامتزازية للمنتجات عن طريق TGA-DTG المتزامن وتم تمييز التصاقها بطريقة تعتمد على الاختبارات الموضحة في ISO2409.تم تحسين تناسق ولصق طلاء CaCl2 بشكل كبير مع الحفاظ على قدرته على الامتصاص بفارق وزن يبلغ حوالي 0.1 جم / جم عند درجات حرارة أقل من 100 درجة مئوية.بالإضافة إلى ذلك ، يحتفظ MgSO4 بالقدرة على تكوين الهيدرات ، مما يظهر فرقًا في الكتلة يزيد عن 0.04 جم / جم عند درجات حرارة أقل من 100 درجة مئوية.أخيرًا ، يتم فحص الألياف المعدنية المطلية.أظهرت النتائج أن الموصلية الحرارية الفعالة لهيكل الألياف المطلي بـ Al2 (SO4) 3 يمكن أن تكون أعلى بـ 4.7 مرة مقارنة بحجم Al2 النقي (SO4) 3.تم فحص طلاء الطلاءات المدروسة بصريًا ، وتم تقييم البنية الداخلية باستخدام صورة مجهرية للمقاطع العرضية.تم الحصول على طلاء من Al2 (SO4) 3 بسمك حوالي 50 ميكرومتر ، ولكن يجب تحسين العملية الكلية لتحقيق توزيع أكثر اتساقًا.
اكتسبت أنظمة الامتزاز الكثير من الاهتمام على مدار العقود القليلة الماضية لأنها توفر بديلاً صديقًا للبيئة لمضخات الحرارة التقليدية أو أنظمة التبريد.مع ارتفاع معايير الراحة ومتوسط ​​درجات الحرارة العالمية ، قد تقلل أنظمة الامتزاز الاعتماد على الوقود الأحفوري في المستقبل القريب.بالإضافة إلى ذلك ، يمكن نقل أي تحسينات في التبريد بالامتزاز أو مضخات الحرارة إلى تخزين الطاقة الحرارية ، مما يمثل زيادة إضافية في إمكانية الاستخدام الفعال للطاقة الأولية.الميزة الرئيسية لمضخات حرارة الامتزاز وأنظمة التبريد هي أنها يمكن أن تعمل بكتلة حرارة منخفضة.هذا يجعلها مناسبة لمصادر درجات الحرارة المنخفضة مثل الطاقة الشمسية أو الحرارة المهدرة.فيما يتعلق بتطبيقات تخزين الطاقة ، يمتاز الامتصاص بكثافة طاقة أعلى وتبديد أقل للطاقة مقارنة بتخزين الحرارة المعقول أو الكامن.
تتبع مضخات الحرارة الامتزازية وأنظمة التبريد نفس الدورة الديناميكية الحرارية مثل نظيراتها من ضغط البخار.الاختلاف الرئيسي هو استبدال مكونات الضاغط بممتزات.العنصر قادر على امتصاص بخار المبرد منخفض الضغط في درجات حرارة معتدلة ، وتبخر المزيد من المبردات حتى عندما يكون السائل باردًا.من الضروري ضمان التبريد المستمر للممتص من أجل استبعاد المحتوى الحراري للامتصاص (طارد للحرارة).يتم تجديد جهاز الامتزاز عند درجة حرارة عالية ، مما يتسبب في امتصاص بخار مادة التبريد.يجب أن يستمر التسخين في توفير المحتوى الحراري للامتصاص (ماص للحرارة).نظرًا لأن عمليات الامتزاز تتميز بتغيرات درجة الحرارة ، فإن كثافة الطاقة العالية تتطلب موصلية حرارية عالية.ومع ذلك ، فإن الموصلية الحرارية المنخفضة هي العيب الرئيسي في معظم التطبيقات.
تتمثل مشكلة التوصيلية الرئيسية في زيادة متوسط ​​قيمتها مع الحفاظ على مسار النقل الذي يوفر تدفق أبخرة الامتزاز / الامتصاص.يتم استخدام طريقتين بشكل شائع لتحقيق ذلك: المبادلات الحرارية المركبة والمبادلات الحرارية المطلية.المواد المركبة الأكثر شيوعًا ونجاحًا هي تلك التي تستخدم إضافات قائمة على الكربون ، مثل الجرافيت الموسع أو الكربون المنشط أو ألياف الكربون.أوليفيرا وآخرون.2 مسحوق الجرافيت الممدد المشبع بكلوريد الكالسيوم لإنتاج جهاز امتصاص بقدرة تبريد محددة (SCP) تصل إلى 306 واط / كجم ومعامل أداء (COP) يصل إلى 0.46.Zajaczkowski et al.اقترح الشكل 3 مزيجًا من الجرافيت الممتد وألياف الكربون وكلوريد الكالسيوم مع موصلية إجمالية تبلغ 15 واط / مللي كلفن.قام Jian et al4 باختبار المركبات باستخدام الجرافيت الطبيعي المعالج بحمض الكبريتيك (ENG-TSA) كركيزة في دورة تبريد بالامتصاص على مرحلتين.توقع النموذج COP من 0.215 إلى 0.285 و SCP من 161.4 إلى 260.74 واط / كجم.
إلى حد بعيد الحل الأكثر قابلية للتطبيق هو المبادل الحراري المطلي.يمكن تقسيم آليات طلاء هذه المبادلات الحرارية إلى فئتين: التركيب المباشر والمواد اللاصقة.الطريقة الأكثر نجاحًا هي التوليف المباشر ، والذي يتضمن تكوين مواد ممتصة مباشرة على سطح المبادلات الحرارية من الكواشف المناسبة.حصلت Sotech5 على براءة اختراع طريقة لتركيب الزيوليت المطلي للاستخدام في سلسلة من المبردات المصنعة من قبل Fahrenheit GmbH.اختبر Schnabel et al6 أداء اثنين من الزيوليت المطلي بالفولاذ المقاوم للصدأ.ومع ذلك ، لا تعمل هذه الطريقة إلا مع مواد ماصة محددة ، مما يجعل الطلاء بالمواد اللاصقة بديلاً مثيرًا للاهتمام.اللاصقات هي مواد سلبية يتم اختيارها لدعم الالتصاق و / أو نقل الكتلة ، ولكنها لا تلعب أي دور في تعزيز الامتصاص أو الموصلية.فريني وآخرون7 مبادلات حرارية من الألمنيوم المطلي مع زيوليت AQSOA-Z02 مثبت مع مادة رابطة من الطين.درس كالابريس وزملاؤه 8 تحضير الطلاءات الزيوليت باستخدام مواد رابطة بوليمرية.اقترح Ammann وزملاؤه 9 طريقة لتحضير طلاءات زيوليت مسامية من خليط مغناطيسي من كحول البولي ينيل.يستخدم الألومينا (الألومينا) أيضًا كمواد رابطة 10 في جهاز الامتزاز.على حد علمنا ، يتم استخدام السليلوز وهيدروكسي إيثيل السليلوز فقط في تركيبة مع الممتزات الفيزيائية.في بعض الأحيان لا يتم استخدام الغراء للطلاء ، ولكنه يستخدم لبناء الهيكل 13 بمفرده.يشكل الجمع بين مصفوفات بوليمر الجينات مع هيدرات الملح المتعددة هياكل حبيبية مركبة مرنة تمنع التسرب أثناء التجفيف وتوفر نقلًا كافيًا للكتلة.تم استخدام الطين مثل البنتونيت والأتابولجيت كمواد رابطة لإعداد المركبات.تم استخدام إيثيل السلولوز في كبسولة كلوريد الكالسيوم أو كبريتيد الصوديوم 18.
يمكن تقسيم المركبات ذات الهيكل المعدني المسامي إلى مبادلات حرارية مضافة ومبادلات حرارية مغلفة.ميزة هذه الهياكل هي ارتفاع مساحة السطح المحددة.ينتج عن هذا سطح تلامس أكبر بين الممتزات والمعدن دون إضافة كتلة خاملة ، مما يقلل من الكفاءة الكلية لدورة التبريد.لانج وآخرون.20 قد حسّن الموصلية الكلية لممتاز الزيوليت بهيكل قرص العسل من الألومنيوم.جيليرمينوت وآخرون.تم تحسين التوصيل الحراري لطبقات NaX الزيوليت مع النحاس والنيكل الرغوي.على الرغم من استخدام المواد المركبة كمواد لتغيير الطور (PCMs) ، إلا أن نتائج Li et al.22 و Zhao et al.23 هي أيضًا ذات فائدة للامتصاص الكيميائي.قارنوا أداء الجرافيت الموسع والرغوة المعدنية وخلصوا إلى أن الأخير كان مفضلًا فقط إذا لم يكن التآكل مشكلة.بالومبا وآخرون.قارنوا مؤخرًا الهياكل المعدنية المسامية الأخرى.فان دير بال وآخرون.درسوا الأملاح المعدنية الموجودة في الرغوة 25.تتوافق جميع الأمثلة السابقة مع طبقات كثيفة من الممتزات الجسيمية.لا تُستخدم الهياكل المعدنية المسامية عمليًا لتغليف الممتزات ، وهو الحل الأمثل.يمكن العثور على مثال على الارتباط بالزيوليت في Wittstadt et al.26 ولكن لم يتم إجراء أي محاولة لربط هيدرات الملح على الرغم من كثافة طاقتها العالية 27.
وبالتالي ، سيتم استكشاف ثلاث طرق لتحضير الطلاءات الممتزة في هذه المقالة: (1) طلاء الموثق ، (2) التفاعل المباشر ، و (3) معالجة السطح.كان هيدروكسي إيثيل سلولوز هو الموثق المفضل في هذا العمل بسبب الثبات المُبلغ عنه سابقًا والالتصاق الجيد بالطلاء بالاشتراك مع الممتزات الفيزيائية.تم فحص هذه الطريقة مبدئيًا للطلاء المسطح ثم تم تطبيقها لاحقًا على هياكل الألياف المعدنية.في السابق ، تم الإبلاغ عن تحليل أولي لإمكانية حدوث تفاعلات كيميائية مع تكوين طبقات ماصة.يتم الآن نقل الخبرة السابقة إلى طلاء هياكل الألياف المعدنية.المعالجة السطحية المختارة لهذا العمل هي طريقة تعتمد على أنودة الألومنيوم.تم دمج أنودة الألومنيوم بنجاح مع الأملاح المعدنية لأغراض جمالية.في هذه الحالات ، يمكن الحصول على طلاء مستقر للغاية ومقاوم للتآكل.ومع ذلك ، لا يمكنهم إجراء أي عملية امتزاز أو امتصاص.تقدم هذه الورقة متغيرًا من هذا النهج يسمح بتحريك الكتلة باستخدام الخصائص اللاصقة للعملية الأصلية.على حد علمنا ، لم تتم دراسة أي من الطرق الموضحة هنا مسبقًا.إنها تمثل تقنية جديدة مثيرة للاهتمام لأنها تسمح بتكوين طبقات ماصة رطبة ، والتي لها عدد من المزايا على الممتزات الفيزيائية المدروسة بشكل متكرر.
تم توفير ألواح الألمنيوم المختومة المستخدمة كركائز لهذه التجارب من قبل ALINVEST Břidličná ، جمهورية التشيك.تحتوي على 98.11٪ ألومنيوم ، 1.3622٪ حديد ، 0.3618٪ منجنيز وآثار من النحاس والمغنيسيوم والسيليكون والتيتانيوم والزنك والكروم والنيكل.
يتم اختيار المواد المختارة لتصنيع المواد المركبة وفقًا لخصائصها الديناميكية الحرارية ، أي اعتمادًا على كمية الماء التي يمكن أن تمتصها / تمتصها عند درجات حرارة أقل من 120 درجة مئوية.
كبريتات المغنيسيوم (MgSO4) هي واحدة من الأملاح المائية الأكثر إثارة للاهتمام ودراستها 30،31،32،33،34،35،36،37،38،39،40،41.تم قياس الخصائص الديناميكية الحرارية بشكل منهجي ووجدت أنها مناسبة للتطبيقات في مجالات التبريد بالامتزاز والمضخات الحرارية وتخزين الطاقة.تم استخدام كبريتات المغنيسيوم الجافة CAS-Nr.7487-88-9 99 ٪ (Grüssing GmbH ، Filsum ، Niedersachsen ، ألمانيا).
كلوريد الكالسيوم (CaCl2) (H319) هو ملح آخر تمت دراسته جيدًا لأن هيدراته له خصائص ديناميكية حرارية مثيرة للاهتمام.سداسي هيدرات كلوريد الكالسيوم CAS-No.7774-34-7 97٪ مستخدمة (Grüssing، GmbH، Filsum، Niedersachsen، Germany).
تحتوي كبريتات الزنك (ZnSO4) (H3O2 ، H318 ، H410) وهيدراتها على خصائص ديناميكية حرارية مناسبة لعمليات الامتزاز في درجات الحرارة المنخفضة.تم استخدام كبريتات الزنك هيبتاهيدراتي CAS-Nr.7733-02-0 99.5 ٪ (Grüssing GmbH ، Filsum ، Niedersachsen ، ألمانيا).
يحتوي كلوريد السترونتيوم (SrCl2) (H318) أيضًا على خصائص ديناميكية حرارية مثيرة للاهتمام 4،45،47 على الرغم من أنه غالبًا ما يتم دمجه مع الأمونيا في مضخة حرارة الامتزاز أو أبحاث تخزين الطاقة.تم استخدام سداسي هيدرات كلوريد السترونتيوم CAS-Nr.10.476-85-4 99.0-102.0٪ (سيجما الدريتش ، سانت لويس ، ميسوري ، الولايات المتحدة الأمريكية) للتخليق.
كبريتات النحاس (CuSO4) (H302 ، H315 ، H319 ، H410) ليست من بين الهيدرات الموجودة بشكل متكرر في الأدبيات المهنية ، على الرغم من أن خصائصها الديناميكية الحرارية ذات أهمية لتطبيقات درجات الحرارة المنخفضة.تم استخدام كبريتات النحاس CAS-Nr.7758-99-8 99 ٪ (Sigma Aldrich ، سانت لويس ، ميسوري ، الولايات المتحدة الأمريكية) للتوليف.
كلوريد المغنيسيوم (MgCl2) هو أحد الأملاح المائية التي حظيت مؤخرًا بمزيد من الاهتمام في مجال تخزين الطاقة الحرارية.تم استخدام سداسي هيدرات كلوريد المغنيسيوم CAS-Nr.7791-18-6 من الدرجة الصيدلانية النقية (Applichem GmbH. ، دارمشتات ، ألمانيا) للتجارب.
كما ذكر أعلاه ، تم اختيار هيدروكسي إيثيل السليلوز بسبب النتائج الإيجابية في تطبيقات مماثلة.المواد المستخدمة في تركيبتنا هي هيدروكسي إيثيل السليلوز CAS-Nr 9004-62-0 (سيجما ألدريتش ، سانت لويس ، ميزوري ، الولايات المتحدة الأمريكية).
تُصنع الألياف المعدنية من أسلاك قصيرة مرتبطة ببعضها البعض عن طريق الضغط والتلبيد ، وهي عملية تُعرف باسم استخراج البوتقة الذائبة (CME) 52.وهذا يعني أن توصيلها الحراري لا يعتمد فقط على الموصلية الكلية للمعادن المستخدمة في التصنيع ومسامية الهيكل النهائي ، ولكن أيضًا على جودة الروابط بين الخيوط.الألياف ليست خواص الخواص وتميل إلى أن تتوزع في اتجاه معين أثناء الإنتاج ، مما يجعل التوصيل الحراري في الاتجاه العرضي أقل بكثير.
تم فحص خصائص امتصاص الماء باستخدام التحليل الحراري الوزني المتزامن (TGA) / التحليل الحراري التفاضلي (DTG) في عبوة مفرغة (Netzsch TG 209 F1 Libra).تم إجراء القياسات في جو نيتروجين متدفق بمعدل تدفق 10 مل / دقيقة ومدى درجة حرارة من 25 إلى 150 درجة مئوية في بوتقات أكسيد الألومنيوم.كان معدل التسخين 1 درجة مئوية / دقيقة ، وتباين وزن العينة من 10 إلى 20 مجم ، وكان القرار 0.1 ميكروغرام.في هذا العمل ، تجدر الإشارة إلى أن فرق الكتلة لكل وحدة سطح لديه قدر كبير من عدم اليقين.العينات المستخدمة في TGA-DTG صغيرة جدًا ومقطعة بشكل غير منتظم ، مما يجعل تحديد منطقتها غير دقيق.لا يمكن استقراء هذه القيم إلا لمساحة أكبر إذا تم أخذ انحرافات كبيرة في الاعتبار.
تم الحصول على أطياف الأشعة تحت الحمراء المخففة لتحويل فورييه (ATR-FTIR) على مطياف Bruker Vertex 80 v FTIR (Bruker Optik GmbH ، لايبزيغ ، ألمانيا) باستخدام ملحق ATR البلاتيني (Bruker Optik GmbH ، ألمانيا).تم قياس أطياف بلورات الماس الجافة النقية مباشرة في الفراغ قبل استخدام العينات كخلفية للقياسات التجريبية.تم قياس العينات في الفراغ باستخدام دقة طيفية تبلغ 2 سم -1 ومتوسط ​​عدد عمليات المسح 32. يتراوح Wavenumber من 8000 إلى 500 سم -1.تم إجراء التحليل الطيفي باستخدام برنامج OPUS.
تم إجراء تحليل SEM باستخدام DSM 982 Gemini من Zeiss عند تسريع الفولتية من 2 و 5 كيلو فولت.تم إجراء التحليل الطيفي للأشعة السينية المشتتة للطاقة (EDX) باستخدام نظام Thermo Fischer 7 مع كاشف انجراف السيليكون المبرد من Peltier (SSD).
تم تحضير الألواح المعدنية وفقًا لإجراء مشابه للإجراء الموصوف في 53. أولاً ، اغمر اللوحة في حمض الكبريتيك بنسبة 50٪.15 دقيقة.ثم تم إدخالهم في محلول هيدروكسيد الصوديوم 1 مولار لمدة 10 ثوانٍ تقريبًا.ثم تم غسل العينات بكمية كبيرة من الماء المقطر ، ثم نقعها في ماء مقطر لمدة 30 دقيقة.بعد المعالجة الأولية للسطح ، تم غمر العينات في محلول مشبع بنسبة 3٪.HEC وملح الهدف.أخيرًا ، أخرجها وجففها عند 60 درجة مئوية.
تعمل طريقة الأنودة على تحسين وتقوية طبقة الأكسيد الطبيعي على المعدن السلبي.تم معالجة ألواح الألمنيوم بأكسيد الألومنيوم بحمض الكبريتيك في حالة تصلب ثم ختمها بالماء الساخن.يتبع الطلاء الأنود نقشًا أوليًا باستخدام 1 مول / لتر هيدروكسيد الصوديوم (600 ثانية) متبوعًا بالتعادل في 1 مول / لتر HNO3 (60 ثانية).محلول الإلكتروليت عبارة عن خليط من 2.3 M H2SO4 و 0.01 M Al2 (SO4) 3 و 1 M MgSO4 + 7H2O.تم إجراء عملية الأنودة عند (40 ± 1) درجة مئوية ، 30 مللي أمبير / سم 2 لمدة 1200 ثانية.تم تنفيذ عملية الختم في محاليل ملحية مختلفة كما هو موصوف في المواد (MgSO4 ، CaCl2 ، ZnSO4 ، SrCl2 ، CuSO4 ، MgCl2).يتم غلي العينة فيه لمدة 1800 ثانية.
تمت دراسة ثلاث طرق مختلفة لإنتاج المواد المركبة: الطلاء اللاصق والتفاعل المباشر ومعالجة الأسطح.يتم تحليل ومناقشة مزايا وعيوب كل طريقة تدريب بشكل منهجي.تم استخدام الملاحظة المباشرة والتصوير النانوي والتحليل الكيميائي / الأولي لتقييم النتائج.
تم اختيار الأنودة كطريقة معالجة سطح تحويل لزيادة التصاق هيدرات الملح.تخلق معالجة السطح هذه بنية مسامية من الألومينا (الألومينا) مباشرة على سطح الألومنيوم.تقليديا ، تتكون هذه الطريقة من مرحلتين: المرحلة الأولى تخلق بنية مسامية من أكسيد الألومنيوم ، والمرحلة الثانية تخلق طلاء من هيدروكسيد الألومنيوم يغلق المسام.فيما يلي طريقتان لمنع الملح دون إعاقة الوصول إلى الطور الغازي.يتكون الأول من نظام قرص العسل باستخدام أنابيب أكسيد الألومنيوم الصغيرة (Al2O3) التي تم الحصول عليها في الخطوة الأولى لتثبيت البلورات الممتزة وزيادة التصاقها بالأسطح المعدنية.يبلغ قطر أقراص العسل الناتجة حوالي 50 نانومتر وطولها 200 نانومتر (الشكل 1 أ).كما ذكرنا سابقًا ، يتم إغلاق هذه التجاويف عادةً في خطوة ثانية بطبقة رقيقة من Al2O (OH) 2 بوهميت مدعومة بعملية غليان أنبوب الألومينا.في الطريقة الثانية ، يتم تعديل عملية الختم هذه بطريقة يتم فيها التقاط بلورات الملح في طبقة تغطي بشكل موحد من البوهمايت (Al2O (OH)) ، والتي لا تستخدم في الختم في هذه الحالة.يتم تنفيذ المرحلة الثانية في محلول مشبع من الملح المقابل.الأنماط الموصوفة لها أحجام في حدود 50-100 نانومتر وتبدو مثل قطرات متناثرة (الشكل 1 ب).السطح الذي تم الحصول عليه نتيجة لعملية الختم له هيكل مكاني واضح مع مساحة تلامس متزايدة.يعتبر نمط السطح هذا ، جنبًا إلى جنب مع العديد من تكوينات الترابط ، مثاليًا لحمل بلورات الملح وحملها.كلا الهيكلين الموصوفين يبدو أنهما مساميان حقًا ولهما تجاويف صغيرة يبدو أنها مناسبة تمامًا للاحتفاظ بهيدرات الملح وامتصاص الأبخرة إلى الملح أثناء تشغيل جهاز الامتزاز.ومع ذلك ، فإن التحليل الأولي لهذه الأسطح باستخدام EDX يمكن أن يكشف عن كميات ضئيلة من المغنيسيوم والكبريت على سطح بوهميت ، والتي لم يتم اكتشافها في حالة سطح الألومينا.
أكد ATR-FTIR للعينة أن العنصر كان كبريتات المغنيسيوم (انظر الشكل 2 ب).يُظهر الطيف قمم أيونات الكبريتات المميزة عند 610-680 و 1080-1130 سم -1 وقمم المياه الشبكية المميزة عند 1600-1700 سم -1 و 3200-3800 سم -1 (انظر الشكل 2 أ ، ج).).إن وجود أيونات المغنيسيوم لا يغير الطيف تقريبًا.
(أ) EDX لصفيحة ألمنيوم MgSO4 مغلفة بالبوهيميت ، (ب) أطياف ATR-FTIR لطلاءات البوهيميت و MgSO4 ، (ج) أطياف ATR-FTIR لمركب MgSO4 النقي.
تم تأكيد الحفاظ على كفاءة الامتزاز بواسطة TGA.على التين.يوضح الشكل 3 ب ذروة امتصاص تبلغ تقريبًا.60 درجة مئوية.لا تتوافق هذه الذروة مع درجة حرارة القمتين اللتين لوحظتا في التحليل الحراري الوزني للملح النقي (الشكل 3 أ).تم تقييم تكرار دورة الامتزاز والامتصاص ، ولوحظ نفس المنحنى بعد وضع العينات في جو رطب (الشكل 3 ج).قد تكون الاختلافات التي لوحظت في المرحلة الثانية من الامتصاص ناتجة عن الجفاف في جو متدفق ، حيث يؤدي هذا غالبًا إلى جفاف غير كامل.تتوافق هذه القيم مع حوالي 17.9 جم / م 2 في نزح المياه الأول و 10.3 جم / م 2 في نزح المياه الثاني.
مقارنة بين تحليل التحليل الحراري الوزني (TGA) للبوهيميت و MgSO4: تحليل التحليل الحراري الوزني (TGA) لمركب MgSO4 النقي (أ) والمزيج (ب) وبعد الإماهة (ج).
تم تنفيذ نفس الطريقة مع كلوريد الكالسيوم كمادة ماصة.يتم عرض النتائج في الشكل 4. كشف الفحص البصري للسطح تغييرات طفيفة في التوهج المعدني.الفراء بالكاد مرئي.أكد SEM وجود بلورات صغيرة موزعة بالتساوي على السطح.ومع ذلك ، أظهر التحليل الحراري الوزني (TGA) عدم وجود جفاف أقل من 150 درجة مئوية.قد يكون هذا بسبب حقيقة أن نسبة الملح صغيرة جدًا مقارنة بالكتلة الإجمالية للركيزة للكشف عنها بواسطة التحليل الحراري الوزني (TGA).
نتائج المعالجة السطحية لطلاء كبريتات النحاس بطريقة الأنودة موضحة في الشكل.5. في هذه الحالة ، لم يحدث الدمج المتوقع لـ CuSO4 في هيكل أكسيد Al.بدلاً من ذلك ، يتم ملاحظة الإبر الرخوة لأنها تستخدم بشكل شائع لهيدروكسيد النحاس Cu (OH) 2 المستخدم مع الأصباغ الفيروزية النموذجية.
تم اختبار المعالجة السطحية المؤكسدة أيضًا بالاشتراك مع كلوريد السترونشيوم.أظهرت النتائج تغطية غير متساوية (انظر الشكل 6 أ).لتحديد ما إذا كان الملح يغطي السطح بالكامل ، تم إجراء تحليل EDX.منحنى نقطة في المنطقة الرمادية (النقطة 1 في الشكل 6 ب) يظهر القليل من السترونشيوم والكثير من الألومنيوم.يشير هذا إلى وجود محتوى منخفض من السترونشيوم في المنطقة المقاسة ، والذي بدوره يشير إلى تغطية منخفضة لكلوريد السترونشيوم.على العكس من ذلك ، تحتوي المناطق البيضاء على نسبة عالية من السترونشيوم ومحتوى منخفض من الألومنيوم (النقاط 2-6 في الشكل 6 ب).يُظهر تحليل EDX للمنطقة البيضاء نقاطًا أغمق (النقطتان 2 و 4 في الشكل 6 ب) ، منخفضة الكلور وعالية الكبريت.قد يشير هذا إلى تكوين كبريتات السترونشيوم.تعكس النقاط الأكثر سطوعًا نسبة عالية من الكلور ومحتوى منخفض من الكبريت (النقاط 3 و 5 و 6 في الشكل 6 ب).يمكن تفسير ذلك من خلال حقيقة أن الجزء الرئيسي من الطلاء الأبيض يتكون من كلوريد السترونتيوم المتوقع.أكد التحليل الحراري الوزني (TGA) للعينة تفسير التحليل مع ذروة عند درجة الحرارة المميزة لكلوريد السترونشيوم النقي (الشكل 6 ج).يمكن تبرير قيمتها الصغيرة بجزء صغير من الملح مقارنة بكتلة الدعامة المعدنية.تتوافق كتلة الامتزاز المحددة في التجارب مع مقدار 7.3 جم / م 2 المعطى لكل وحدة مساحة من الممتز عند درجة حرارة 150 درجة مئوية.
تم أيضًا اختبار طلاءات كبريتات الزنك المعالجة بـ Eloxal.من الناحية المجهرية ، يكون الطلاء عبارة عن طبقة رقيقة جدًا وموحدة (الشكل 7 أ).ومع ذلك ، كشفت SEM عن مساحة سطحية مغطاة ببلورات صغيرة مفصولة بمساحات فارغة (الشكل 7 ب).تمت مقارنة TGA للطلاء والركيزة مع الملح النقي (الشكل 7 ج).الملح النقي له ذروة غير متماثلة عند 59.1 درجة مئوية.أظهر الألمنيوم المطلي قمتين صغيرتين عند 55.5 درجة مئوية و 61.3 درجة مئوية ، مما يشير إلى وجود هيدرات كبريتات الزنك.يقابل فرق الكتلة الذي تم الكشف عنه في التجربة 10.9 جم / م 2 عند درجة حرارة تجفيف تبلغ 150 درجة مئوية.
كما في التطبيق السابق 53 ، تم استخدام هيدروكسي إيثيل السليلوز كمواد رابطة لتحسين التصاق وثبات الطلاء الماص.تم تقييم توافق المواد وتأثيرها على أداء الامتزاز بواسطة TGA.يتم إجراء التحليل فيما يتعلق بالكتلة الكلية ، أي أن العينة تتضمن صفيحة معدنية تستخدم كركيزة طلاء.يتم اختبار الالتصاق عن طريق اختبار يعتمد على اختبار الشق المتقاطع المحدد في مواصفة ISO2409 (لا يمكن أن يفي بمواصفات فصل القطع اعتمادًا على سمك وعرض المواصفات).
أدى طلاء الألواح بكلوريد الكالسيوم (CaCl2) (انظر الشكل 8 أ) إلى التوزيع غير المتكافئ ، والذي لم يتم ملاحظته في طلاء الألومنيوم النقي المستخدم في اختبار الشق المستعرض.مقارنة بنتائج CaCl2 النقي ، يُظهر التحليل الحراري الوزني (الشكل 8 ب) قمتين مميزتين تم تحويلهما نحو درجات حرارة منخفضة تبلغ 40 و 20 درجة مئوية ، على التوالي.لا يسمح اختبار المقطع العرضي بإجراء مقارنة موضوعية لأن عينة CaCl2 النقية (العينة على اليمين في الشكل 8 ج) عبارة عن راسب مساحيق يزيل الجسيمات الأعلى.أظهرت نتائج HEC طلاءًا رقيقًا جدًا وموحدًا مع التصاق مرضٍ.فرق الكتلة الموضح في الشكل.8 ب يتوافق مع 51.3 جم / م 2 لكل وحدة مساحة من جهاز الامتزاز عند درجة حرارة 150 درجة مئوية.
كما تم الحصول على نتائج إيجابية من حيث الالتصاق والانتظام باستخدام كبريتات المغنيسيوم (MgSO4) (انظر الشكل 9).أظهر تحليل عملية امتصاص الطلاء وجود ذروة واحدة تقريبًا.60 درجة مئوية.تتوافق درجة الحرارة هذه مع خطوة الامتصاص الرئيسية التي شوهدت في تجفيف الأملاح النقية ، والتي تمثل خطوة أخرى عند 44 درجة مئوية.يتوافق مع الانتقال من سداسي هيدرات إلى خماسي الهيدرات ولا يتم ملاحظته في حالة الطلاءات التي تحتوي على مواد رابطة.أظهرت اختبارات المقطع العرضي تحسنًا في التوزيع والالتصاق مقارنةً بالطلاء المصنوع من الملح النقي.يتوافق اختلاف الكتلة الملحوظ في TGA-DTC مع 18.4 جم / م 2 لكل وحدة مساحة من جهاز الامتزاز عند درجة حرارة 150 درجة مئوية.
بسبب المخالفات السطحية ، يحتوي كلوريد السترونشيوم (SrCl2) على طبقة غير متساوية على الزعانف (الشكل 10 أ).ومع ذلك ، أظهرت نتائج اختبار الشق المستعرض توزيعًا موحدًا مع تحسين الالتصاق بشكل ملحوظ (الشكل 10 ج).أظهر تحليل التحليل الحراري الوزني (TGA) اختلافًا بسيطًا في الوزن ، والذي يجب أن يكون بسبب انخفاض محتوى الملح مقارنةً بالركيزة المعدنية.ومع ذلك ، فإن الخطوات على المنحنى تظهر وجود عملية تجفيف ، على الرغم من أن الذروة مرتبطة بدرجة الحرارة التي تم الحصول عليها عند وصف الملح النقي.القمم عند 110 درجة مئوية و 70.2 درجة مئوية لوحظت في التين.تم العثور على 10 ب أيضًا عند تحليل الملح النقي.ومع ذلك ، فإن خطوة الجفاف الرئيسية التي لوحظت في الملح النقي عند 50 درجة مئوية لم تنعكس في المنحنيات باستخدام المادة الرابطة.في المقابل ، أظهر خليط الرابط قمتين عند 20.2 درجة مئوية و 94.1 درجة مئوية ، والتي لم يتم قياسها للملح النقي (الشكل 10 ب).عند درجة حرارة 150 درجة مئوية ، يتوافق فرق الكتلة الملحوظ مع 7.2 جم / م 2 لكل وحدة مساحة من جهاز الامتزاز.
لم ينتج عن توليفة HEC وكبريتات الزنك (ZnSO4) نتائج مقبولة (الشكل 11).لم يكشف تحليل التحليل الحراري الوزني (TGA) للمعدن المطلي عن أي عمليات تجفيف.على الرغم من تحسن توزيع الطلاء والالتصاق به ، إلا أن خصائصه لا تزال بعيدة عن المثالية.
إن أبسط طريقة لتغليف الألياف المعدنية بطبقة رقيقة وموحدة هي التشريب الرطب (الشكل 12 أ) ، والذي يتضمن تحضير الملح المستهدف وتشريب الألياف المعدنية بمحلول مائي.
عند التحضير للتلقيح الرطب ، تواجه مشكلتان رئيسيتان.من ناحية ، فإن التوتر السطحي للمحلول الملحي يمنع الدمج الصحيح للسائل في الهيكل المسامي.يمكن تقليل التبلور على السطح الخارجي (الشكل 12 د) وفقاعات الهواء المحتبسة داخل الهيكل (الشكل 12 ج) فقط عن طريق خفض التوتر السطحي والترطيب المسبق للعينة بالماء المقطر.الذوبان الإجباري في العينة عن طريق إخلاء الهواء داخل أو عن طريق إنشاء تدفق محلول في الهيكل هي طرق فعالة أخرى لضمان ملء الهيكل بالكامل.
كانت المشكلة الثانية أثناء التحضير هي إزالة الفيلم من جزء من الملح (انظر الشكل 12 ب).تتميز هذه الظاهرة بتكوين طبقة جافة على سطح الذوبان ، مما يوقف التجفيف المحفز بالحمل الحراري ويبدأ عملية تحفيز الانتشار.الآلية الثانية أبطأ بكثير من الأولى.نتيجة لذلك ، يلزم ارتفاع درجة الحرارة لفترة تجفيف معقولة ، مما يزيد من خطر تكون الفقاعات داخل العينة.تم حل هذه المشكلة عن طريق إدخال طريقة تبلور بديلة لا تعتمد على تغيير التركيز (التبخر) ، ولكن على تغير درجة الحرارة (كما في المثال مع MgSO4 في الشكل 13).
تمثيل تخطيطي لعملية التبلور أثناء التبريد وفصل المراحل الصلبة والسائلة باستخدام MgSO4.
يمكن تحضير محاليل الملح المشبعة عند درجة حرارة الغرفة (HT) أو أعلى منها باستخدام هذه الطريقة.في الحالة الأولى ، تم إجبار التبلور عن طريق خفض درجة الحرارة إلى ما دون درجة حرارة الغرفة.في الحالة الثانية ، حدث التبلور عندما تم تبريد العينة إلى درجة حرارة الغرفة (RT).والنتيجة هي خليط من بلورات (ب) ومذابة (أ) ، تتم إزالة الجزء السائل منها بواسطة الهواء المضغوط.لا يتجنب هذا النهج تكوين غشاء على هذه الهيدرات فحسب ، بل يقلل أيضًا من الوقت اللازم لإعداد المركبات الأخرى.ومع ذلك ، فإن إزالة السائل عن طريق الهواء المضغوط يؤدي إلى تبلور إضافي للملح ، مما ينتج عنه طلاء أكثر سمكًا.
طريقة أخرى يمكن استخدامها لطلاء الأسطح المعدنية تتضمن الإنتاج المباشر للأملاح المستهدفة من خلال التفاعلات الكيميائية.المبادلات الحرارية المطلية الناتجة عن تفاعل الأحماض على الأسطح المعدنية للزعانف والأنابيب لها عدد من المزايا ، كما ورد في دراستنا السابقة.أدى تطبيق هذه الطريقة على الألياف إلى نتائج سيئة للغاية بسبب تكوين الغازات أثناء التفاعل.يتراكم ضغط فقاعات غاز الهيدروجين داخل المسبار ويتحول مع خروج المنتج (الشكل 14 أ).
تم تعديل الطلاء من خلال تفاعل كيميائي للتحكم بشكل أفضل في سمك وتوزيع الطلاء.تتضمن هذه الطريقة تمرير تيار ضباب حمضي عبر العينة (الشكل 14 ب).من المتوقع أن ينتج عن ذلك طلاء موحد عن طريق التفاعل مع الركيزة المعدنية.كانت النتائج مُرضية ، لكن العملية كانت بطيئة جدًا بحيث لا يمكن اعتبارها طريقة فعالة (الشكل 14 ج).يمكن تحقيق أوقات رد فعل أقصر عن طريق التسخين الموضعي.
للتغلب على عيوب الطرق المذكورة أعلاه ، تمت دراسة طريقة طلاء تعتمد على استخدام المواد اللاصقة.تم اختيار HEC بناءً على النتائج المعروضة في القسم السابق.تم تحضير جميع العينات بنسبة 3٪ بالوزن.يتم خلط الموثق بالملح.تمت معالجة الألياف مسبقًا وفقًا لنفس الإجراء المتبع في الضلوع ، أي غارقة في حجم 50٪.في غضون 15 دقيقة.يُنقع حمض الكبريتيك في هيدروكسيد الصوديوم لمدة 20 ثانية ، ويُغسل في ماء مقطر ويُنقع أخيرًا في ماء مقطر لمدة 30 دقيقة.في هذه الحالة ، تمت إضافة خطوة إضافية قبل التشريب.اغمر العينة لفترة وجيزة في محلول ملح مستهدف مخفف وجففه عند حوالي 60 درجة مئوية.تم تصميم هذه العملية لتعديل سطح المعدن ، وإنشاء مواقع تنوي تعمل على تحسين توزيع الطلاء في المرحلة النهائية.يحتوي الهيكل الليفي على جانب واحد حيث تكون الخيوط أرق ومعبأة بإحكام ، والجانب المقابل حيث تكون الشعيرات أكثر سمكًا وأقل توزيعًا.هذا هو نتيجة 52 عملية تصنيع.
تم تلخيص نتائج كلوريد الكالسيوم (CaCl2) وتوضيحها بالصور في الجدول 1. تغطية جيدة بعد التلقيح.حتى تلك الخيوط التي لا تحتوي على بلورات مرئية على السطح قللت من الانعكاسات المعدنية ، مما يشير إلى حدوث تغيير في النهاية.ومع ذلك ، بعد تشريب العينات بمزيج مائي من CaCl2 و HEC وتجفيفها عند درجة حرارة حوالي 60 درجة مئوية ، تم تركيز الطلاءات عند تقاطعات الهياكل.هذا تأثير ناتج عن التوتر السطحي للمحلول.بعد النقع ، يبقى السائل داخل العينة بسبب التوتر السطحي.يحدث بشكل أساسي عند تقاطع الهياكل.يحتوي أفضل جانب من العينة على عدة ثقوب مملوءة بالملح.زاد الوزن بمقدار 0.06 جم / سم 3 بعد الطلاء.
أدى الطلاء بكبريتات المغنيسيوم (MgSO4) إلى إنتاج المزيد من الملح لكل وحدة حجم (الجدول 2).في هذه الحالة ، تكون الزيادة المقاسة 0.09 جم / سم 3.نتج عن عملية البذر تغطية واسعة للعينة.بعد عملية الطلاء ، يسد الملح مساحات كبيرة من الجانب الرفيع للعينة.بالإضافة إلى ذلك ، يتم حظر بعض المناطق غير اللامعة ، ولكن يتم الاحتفاظ ببعض المسامية.في هذه الحالة ، يمكن ملاحظة تكوين الملح بسهولة عند تقاطع الهياكل ، مما يؤكد أن عملية الطلاء ترجع أساسًا إلى التوتر السطحي للسائل ، وليس التفاعل بين الملح والركيزة المعدنية.
أظهرت نتائج مزيج كلوريد السترونشيوم (SrCl2) و HEC خصائص مماثلة للأمثلة السابقة (الجدول 3).في هذه الحالة ، يتم تغطية الجانب الأرق للعينة بالكامل تقريبًا.يمكن رؤية المسام الفردية فقط ، والتي تكونت أثناء التجفيف نتيجة إطلاق البخار من العينة.النمط الملاحظ على الجانب غير اللامع مشابه جدًا للحالة السابقة ، المنطقة مسدودة بالملح والألياف غير مغطاة بالكامل.
من أجل تقييم التأثير الإيجابي للهيكل الليفي على الأداء الحراري للمبادل الحراري ، تم تحديد التوصيل الحراري الفعال للهيكل الليفي المطلي ومقارنته مع مادة الطلاء النقية.تم قياس الموصلية الحرارية وفقًا لـ ASTM D 5470-2017 باستخدام جهاز اللوحة المسطحة الموضح في الشكل 15 أ باستخدام مادة مرجعية ذات موصلية حرارية معروفة.بالمقارنة مع طرق القياس العابرة الأخرى ، يعد هذا المبدأ مفيدًا للمواد المسامية المستخدمة في الدراسة الحالية ، حيث يتم إجراء القياسات في حالة مستقرة وبحجم عينة كافٍ (مساحة القاعدة 30 × 30 مم 2 ، الارتفاع حوالي 15 مم).تم تحضير عينات من مادة الطلاء النقية (المرجع) وبنية الألياف المطلية للقياسات في اتجاه الألياف والعمودية على اتجاه الألياف لتقييم تأثير التوصيل الحراري متباين الخواص.تم طحن العينات على السطح (حبيبات P320) لتقليل تأثير خشونة السطح بسبب تحضير العينة ، والتي لا تعكس الهيكل داخل العينة.