Дзякуй за наведванне Nature.com.Версія браўзера, якую вы выкарыстоўваеце, мае абмежаваную падтрымку CSS.Для найлепшага вопыту мы рэкамендуем вам выкарыстоўваць абноўлены браўзер (або адключыць рэжым сумяшчальнасці ў Internet Explorer).Тым часам, каб забяспечыць бесперапынную падтрымку, мы будзем візуалізаваць сайт без стыляў і JavaScript.
Доля рынку адсарбцыйных халадзільных сістэм і цеплавых помпаў па-ранейшаму адносна невялікая ў параўнанні з традыцыйнымі кампрэсарнымі сістэмамі.Нягледзячы на ​​велізарную перавагу выкарыстання таннага цяпла (замест дарагіх электрамантажных работ), укараненне сістэм, заснаваных на прынцыпах адсорбцыі, па-ранейшаму абмежавана некалькімі канкрэтнымі прымяненнямі.Асноўным недахопам, які неабходна ліквідаваць, з'яўляецца зніжэнне ўдзельнай магутнасці з-за нізкай цеплаправоднасці і нізкай стабільнасці адсарбенту.Сучасныя камерцыйныя адсарбцыйныя халадзільныя сістэмы заснаваны на адсарберах на аснове пласціністых цеплаабменнікаў з пакрыццём для аптымізацыі магутнасці астуджэння.Вынікі добра вядомыя: памяншэнне таўшчыні пакрыцця прыводзіць да зніжэння імпедансу масапераносу, а павелічэнне суадносін плошчы паверхні і аб'ёму праводзячых структур павялічвае магутнасць без шкоды для эфектыўнасці.Металічныя валокны, якія выкарыстоўваюцца ў гэтай працы, могуць забяспечыць удзельную паверхню ў дыяпазоне 2500–50 000 м2/м3.Тры метаду атрымання вельмі тонкіх, але стабільных пакрыццяў з гідратаў солі на металічных паверхнях, уключаючы металічныя валокны, для вытворчасці пакрыццяў упершыню дэманструюць цеплаабменнік з высокай шчыльнасцю магутнасці.Апрацоўка паверхні на аснове анадавання алюмінія абраная для стварэння больш трывалай сувязі паміж пакрыццём і падкладкай.Мікраструктуру атрыманай паверхні прааналізавалі з дапамогай растравай электроннай мікраскапіі.Інфрачырвоная спектраскапія з Фур'е з паніжаным поўным адлюстраваннем і энергадысперсійная рэнтгенаўская спектраскапія выкарыстоўваліся для праверкі прысутнасці патрэбных відаў у аналізе.Іх здольнасць утвараць гідраты была пацверджана камбінаваным тэрмагравіметрычным аналізам (ТГА)/дыферэнцыяльным тэрмагравіметрычным аналізам (ДТГ).Дрэнная якасць больш за 0,07 г (вада)/г (кампазіт) была выяўлена ў пакрыцці MgSO4, дэманструючы прыкметы абязводжвання пры тэмпературы каля 60 °C і ўзнаўляльныя пасля рэгідратацыі.Станоўчыя вынікі былі таксама атрыманы з SrCl2 і ZnSO4 з розніцай мас каля 0,02 г/г ніжэй за 100 °C.У якасці дабаўкі для павышэння ўстойлівасці і адгезіі пакрыцця была абраная гидроксиэтилцеллюлоза.Адсарбцыйныя ўласцівасці прадуктаў ацэньваліся з дапамогай адначасовага TGA-DTG, а іх адгезія характарызавалася метадам, заснаваным на тэстах, апісаных у ISO2409.Кансістэнцыя і адгезія пакрыцця CaCl2 значна паляпшаюцца пры захаванні яго адсарбцыйнай здольнасці з розніцай у вазе каля 0,1 г/г пры тэмпературах ніжэй за 100 °C.Акрамя таго, MgSO4 захоўвае здольнасць утвараць гідраты, дэманструючы розніцу ў масе больш за 0,04 г/г пры тэмпературах ніжэй за 100 °C.Нарэшце, даследуюцца металічныя валокны з пакрыццём.Вынікі паказваюць, што эфектыўная цеплаправоднасць валаконнай структуры, пакрытай Al2(SO4)3, можа быць у 4,7 разы вышэй у параўнанні з аб'ёмам чыстага Al2(SO4)3.Пакрыццё даследаваных пакрыццяў даследавалі візуальна, а ўнутраную структуру ацэньвалі з дапамогай мікраскапічнага малюнка папярочных зрэзаў.Было атрымана пакрыццё з Al2(SO4)3 таўшчынёй каля 50 мкм, але агульны працэс павінен быць аптымізаваны для дасягнення больш раўнамернага размеркавання.
За апошнія некалькі дзесяцігоддзяў адсарбцыйныя сістэмы прыцягнулі да сябе вялікую ўвагу, паколькі яны з'яўляюцца экалагічна чыстай альтэрнатывай традыцыйным кампрэсійным цеплавым помпам або сістэмам астуджэння.З ростам стандартаў камфорту і сярэднеглабальных тэмператур адсарбцыйныя сістэмы могуць знізіць залежнасць ад выкапнёвага паліва ў бліжэйшай будучыні.Акрамя таго, любыя паляпшэнні ў адсарбцыйных халадзільных або цеплавых помпах могуць быць перанесены на захоўванне цеплавой энергіі, што ўяўляе сабой дадатковае павелічэнне патэнцыялу эфектыўнага выкарыстання першаснай энергіі.Асноўная перавага адсарбцыйных цеплавых помпаў і халадзільных сістэм заключаецца ў тым, што яны могуць працаваць з нізкай цеплавой масай.Гэта робіць іх прыдатнымі для нізкатэмпературных крыніц, такіх як сонечная энергія або адпрацаванае цяпло.Што тычыцца назапашвання энергіі, перавагай адсорбцыі з'яўляецца больш высокая шчыльнасць энергіі і меншае рассейванне энергіі ў параўнанні з разумным або схаваным назапашваннем цяпла.
Адсарбцыйныя цеплавыя помпы і халадзільныя сістэмы прытрымліваюцца таго ж тэрмадынамічнага цыклу, што і іх аналогі з сцісканнем пары.Асноўнае адрозненне - замена кампанентаў кампрэсара на адсарберы.Элемент здольны адсарбаваць пары холадагенту нізкага ціску пры ўмераных тэмпературах, выпараючы больш холадагенту, нават калі вадкасць халодная.Неабходна забяспечыць пастаяннае астуджэнне адсорбера, каб выключыць энтальпію адсорбцыі (экзатэрміі).Адсорбер рэгенеруецца пры высокай тэмпературы, што прыводзіць да дэсорбцыі пароў хладагента.Награванне павінна працягвацца для забеспячэння энтальпіі дэсорбцыі (эндатэрмічны).Паколькі працэсы адсорбцыі характарызуюцца зменамі тэмпературы, высокая шчыльнасць магутнасці патрабуе высокай цеплаправоднасці.Тым не менш, нізкая цеплаправоднасць - гэта, безумоўна, галоўны недахоп у большасці прымянення.
Асноўная праблема праводнасці заключаецца ў павелічэнні яе сярэдняга значэння пры захаванні транспартнага шляху, які забяспечвае паток адсорбцыі/дэсорбцыі пароў.Для дасягнення гэтай мэты звычайна выкарыстоўваюцца два падыходу: кампазітныя цеплаабменнікі і цеплаабменнікі з пакрыццём.Самыя папулярныя і паспяховыя кампазітныя матэрыялы - гэта тыя, у якіх выкарыстоўваюцца вугляродныя дабаўкі, а менавіта пашыраны графіт, актываваны вугаль або вугляродныя валакна.Алівейра і інш.2 прасякнуты ўспенены парашок графіту хларыдам кальцыя для атрымання адсарбера з удзельнай ахаладжаючай магутнасцю (SCP) да 306 Вт/кг і каэфіцыентам эфектыўнасці (COP) да 0,46.Заячкоўскі і інш.3 прапанаваў спалучэнне пашыранага графіту, вугляроднага валакна і хларыду кальцыя з агульнай праводнасцю 15 Вт/мК.Jian і іншыя4 пратэставалі кампазіты з апрацаваным сернай кіслатой пашыраным натуральным графітам (ENG-TSA) у якасці падкладкі ў двухступеністым цыкле адсарбцыйнага астуджэння.Мадэль прагназавала COP ад 0,215 да 0,285 і SCP ад 161,4 да 260,74 Вт/кг.
Безумоўна, найбольш жыццяздольным рашэннем з'яўляецца цеплаабменнік з пакрыццём.Механізмы пакрыцця гэтых цеплаабменнікаў можна падзяліць на дзве катэгорыі: прамы сінтэз і клеі.Найбольш паспяховым з'яўляецца метад прамога сінтэзу, які прадугледжвае адукацыю адсарбуе матэрыялаў непасрэдна на паверхні цеплаабменнікаў з адпаведных рэагентаў.Кампанія Sotech5 запатэнтавала метад сінтэзу цэаліту з пакрыццём для выкарыстання ў серыі ахаладжальнікаў вытворчасці Fahrenheit GmbH.Schnabel et al6 пратэставалі прадукцыйнасць двух цэалітаў, пакрытых нержавеючай сталі.Аднак гэты метад працуе толькі з пэўнымі адсарбентамі, што робіць пакрыццё з дапамогай клею цікавай альтэрнатывай.Звязальныя рэчывы - гэта пасіўныя рэчывы, выбраныя для падтрымкі адгезіі сарбентаў і/або масапераносу, але не гуляюць ролі ў адсорбцыі або павышэнні праводнасці.Фрэні і інш.7 алюмініевых цеплаабменнікаў з пакрыццём з цэалітам AQSOA-Z02, стабілізаваным звязальным на аснове гліны.Calabrese et al.8 вывучалі падрыхтоўку цэалітавых пакрыццяў з палімернымі злучнымі.Ammann et al.9 прапанаваў спосаб атрымання порыстых цэалітавых пакрыццяў з магнітных сумесяў полівінілавага спірту.Аксід алюмінія (глинозем) таксама выкарыстоўваецца ў якасці злучнага рэчыва 10 у адсорбер.Наколькі нам вядома, цэлюлоза і гидроксиэтилцеллюлоза выкарыстоўваюцца толькі ў спалучэнні з фізічнымі адсарбентамі11,12.Часам клей выкарыстоўваецца не для фарбы, а для самастойнага будаўніцтва канструкцыі 13.Спалучэнне альгінатных палімерных матрыц з некалькімі гідратамі солі ўтварае гнуткія кампазітныя шарыкавыя структуры, якія прадухіляюць уцечку падчас сушкі і забяспечваюць адэкватны масаперанос.Такія гліны, як бентаніт і атапульгіт, выкарыстоўваліся ў якасці звязальных для падрыхтоўкі кампазітаў15,16,17.Этылцэлюлоза выкарыстоўвалася для мікракапсуляцыі хларыду кальцыя18 або сульфіду натрыю19.
Кампазіты з кіпрай металічнай структурай можна падзяліць на цеплаабменнікі з дадаткам і цеплаабменнікі з пакрыццём.Перавагай гэтых структур з'яўляецца высокая ўдзельная паверхню.Гэта прыводзіць да большай паверхні кантакту паміж адсарбентам і металам без дадання інэртнай масы, што зніжае агульную эфектыўнасць халадзільнага цыклу.Ланг і інш.20 палепшылі агульную праводнасць цэалітавага адсарбера з алюмініевай сотавай структурай.Gillerminot і інш.21 палепшыў цеплаправоднасць слаёў цэаліту NaX з меднай і нікелевай пенай.Хоць кампазіты выкарыстоўваюцца ў якасці матэрыялаў з фазавым змяненнем (PCM), высновы Лі і соавт.22 і Чжао і інш.23 таксама ўяўляюць цікавасць для хемосорбции.Яны параўналі прадукцыйнасць успененага графіту і металічнай пены і прыйшлі да высновы, што апошняя пераважней, толькі калі карозія не з'яўляецца праблемай.Паломба і інш.нядаўна параўноўвалі іншыя металічныя порыстыя структуры24.Ван дэр Пал і інш.вывучалі солі металаў, убудаваныя ў пены 25 .Усе папярэднія прыклады адпавядаюць шчыльным пластам цвёрдых адсарбентаў.Для пакрыцця адсарбераў практычна не выкарыстоўваюцца металічныя кіпрыя структуры, што з'яўляецца больш аптымальным рашэннем.Прыклад звязвання з цеолитами можна знайсці ў Wittstadt et al.26, але не было зроблена спроб звязаць гідраты солі, нягледзячы на ​​іх больш высокую шчыльнасць энергіі 27.
Такім чынам, у гэтым артыкуле будуць разгледжаны тры метады падрыхтоўкі адсарбентных пакрыццяў: (1) нанясенне звязальнага пакрыцця, (2) прамая рэакцыя і (3) апрацоўка паверхні.Гідраксіэтылцэлюлоза была абраным злучным рэчывам у гэтай працы дзякуючы раней паведамлялася аб стабільнасці і добрай адгезіі пакрыцця ў спалучэнні з фізічнымі адсарбентамі.Гэты метад быў першапачаткова даследаваны для плоскіх пакрыццяў, а пазней ужыты да металавалаконных канструкцый.Раней паведамлялася аб папярэднім аналізе магчымасці хімічных рэакцый з адукацыяй адсарбентаў пакрыццяў.Ранейшы вопыт цяпер пераносіцца на пакрыццё металавалаконных канструкцый.Апрацоўка паверхні, абраная для гэтай працы, - гэта метад, заснаваны на анадаванні алюмінія.Анадаванне алюмінію паспяхова спалучаецца з солямі металаў у эстэтычных мэтах29.У гэтых выпадках можна атрымаць вельмі ўстойлівыя і ўстойлівыя да карозіі пакрыцця.Аднак яны не могуць ажыццяўляць ніякага працэсу адсорбцыі або дэсорбцыі.У гэтым артыкуле прадстаўлены варыянт гэтага падыходу, які дазваляе перамяшчаць масу з выкарыстаннем адгезійных уласцівасцей першапачатковага працэсу.Наколькі нам вядома, ні адзін з апісаных тут метадаў раней не вывучаўся.Яны ўяўляюць сабой вельмі цікавую новую тэхналогію, таму што дазваляюць фармаваць гідратаваныя адсарбентныя пакрыцця, якія маюць шэраг пераваг перад часта вывучанымі фізічнымі адсарбентамі.
Штампаваныя алюмініевыя пласціны, якія выкарыстоўваліся ў якасці падкладак для гэтых эксперыментаў, былі прадастаўлены ALINVEST Břidličná, Чэшская Рэспубліка.Яны ўтрымліваюць 98,11% алюмінія, 1,3622% жалеза, 0,3618% марганца і сляды медзі, магнію, крэмнію, тытана, цынку, хрому і нікеля.
Матэрыялы, выбраныя для вытворчасці кампазітаў, выбіраюцца ў адпаведнасці з іх тэрмадынамічнымі ўласцівасцямі, а менавіта ў залежнасці ад колькасці вады, якую яны могуць адсарбаваць/дэсарбаваць пры тэмпературах ніжэй за 120°C.
Сульфат магнію (MgSO4) - адна з найбольш цікавых і вывучаных гідратаваных соляў30,31,32,33,34,35,36,37,38,39,40,41.Тэрмадынамічныя ўласцівасці былі сістэматычна вымераны і прызнаны прыдатнымі для прымянення ў галіне адсарбцыйнага астуджэння, цеплавых помпаў і захоўвання энергіі.Выкарыстоўваўся сухі сульфат магнію CAS-Nr.7487-88-9 99% (Grüssing GmbH, Filsum, Niedersachsen, Германія).
Хларыд кальцыя (CaCl2) (H319) - яшчэ адна добра вывучаная соль, таму што яго гідрат валодае цікавымі тэрмадынамічнымі ўласцівасцямі41,42,43,44.кальцыя хларыд гексагідрат CAS-нумар7774-34-7 97% выкарыстана (Grüssing, GmbH, Filsum, Niedersachsen, Германія).
Сульфат цынку (ZnSO4) (H3O2, H318, H410) і яго гідраты валодаюць тэрмадынамічнымі ўласцівасцямі, прыдатнымі для нізкатэмпературных працэсаў адсорбцыі45,46.Выкарыстоўваўся гептагідрат сульфату цынку CAS-Nr.7733-02-0 99,5% (Grüssing GmbH, Filsum, Niedersachsen, Германія).
Хларыд стронцыю (SrCl2) (H318) таксама валодае цікавымі тэрмадынамічнымі ўласцівасцямі4,45,47, хоць яго часта спалучаюць з аміякам у даследаваннях адсарбцыйнага цеплавога помпы або назапашвання энергіі.Для сінтэзу выкарыстоўвалі гексагідрат хларыду стронцыю CAS-Nr.10.476-85-4 99,0–102,0% (Sigma Aldrich, St. Louis, Missouri, USA).
Сульфат медзі (CuSO4) (H302, H315, H319, H410) не ўваходзіць у лік гідратаў, якія часта сустракаюцца ў прафесійнай літаратуры, хоць яго тэрмадынамічныя ўласцівасці ўяўляюць цікавасць для прымянення пры нізкіх тэмпературах48,49.Для сінтэзу быў выкарыстаны сульфат медзі CAS-Nr.7758-99-8 99% (Sigma Aldrich, St. Louis, MO, USA).
Хларыд магнію (MgCl2) - адна з гідратаваных соляў, якой у апошні час надаецца больш увагі ў галіне захоўвання цеплавой энергіі50,51.Для эксперыментаў выкарыстоўваўся гексагідрат хларыду магнію CAS-Nr.7791-18-6 чыстага фармацэўтычнага класа (Applichem GmbH., Дармштадт, Германія).
Як згадвалася вышэй, гидроксиэтилцеллюлоза была абраная з-за станоўчых вынікаў у падобных прымяненнях.Матэрыял, які выкарыстоўваецца ў нашым сінтэзе, - гідраксіэтылцэлюлоза CAS-Nr 9004-62-0 (Sigma Aldrich, Сэнт-Луіс, Місуры, ЗША).
Металічныя валакна вырабляюцца з кароткіх дротаў, злучаных шляхам сціску і спякання, працэс, вядомы як экстракцыя з расплаву ў тыглі (CME)52.Гэта значыць, што іх цеплаправоднасць залежыць не толькі ад аб'ёмнай праводнасці металаў, якія выкарыстоўваюцца пры вырабе, і сітаватасці канчатковай структуры, але і ад якасці злучэнняў паміж ніткамі.Валакна не ізатропныя і маюць тэндэнцыю размяркоўвацца ў пэўным кірунку падчас вытворчасці, што робіць цеплаправоднасць у папярочным кірунку значна ніжэй.
Водапаглынальныя ўласцівасці даследавалі з дапамогай адначасовага тэрмагравіметрычнага аналізу (TGA)/дыферэнцыяльнага тэрмагравіметрычнага аналізу (DTG) у вакуумнай упакоўцы (Netzsch TG 209 F1 Libra).Вымярэнні праводзіліся ў праточнай атмасферы азоту пры хуткасці патоку 10 мл/мін і тэмпературным дыяпазоне ад 25 да 150°C у тыглях з аксіду алюмінія.Хуткасць нагрэву складала 1 °С/мін, маса ўзору вар'іравалася ад 10 да 20 мг, разрозненне 0,1 мкг.У гэтай працы варта адзначыць, што розніца мас на адзінку паверхні мае вялікую нявызначанасць.Узоры, якія выкарыстоўваюцца ў TGA-DTG, вельмі малыя і нерэгулярна нарэзаныя, што робіць недакладным вызначэнне іх плошчы.Гэтыя значэнні можна экстрапаляваць на большую плошчу толькі пры ўліку вялікіх адхіленняў.
Інфрачырвоныя спектры саслабленага поўнага адлюстравання з пераўтварэннем Фур'е (ATR-FTIR) былі атрыманы на спектрометре Bruker Vertex 80 v FTIR (Bruker Optik GmbH, Лейпцыг, Германія) з выкарыстаннем плацінавага аксэсуара ATR (Bruker Optik GmbH, Германія).Спектры чыстых сухіх крышталяў алмаза былі вымераныя непасрэдна ў вакууме перад выкарыстаннем узораў у якасці фону для эксперыментальных вымярэнняў.Узоры вымяраліся ў вакууме з выкарыстаннем спектральнага раздзялення 2 см-1 і сярэдняй колькасці сканаванняў 32. Дыяпазон хвалевых лікаў ад 8000 да 500 см-1.Спектральны аналіз праводзілі з дапамогай праграмы OPUS.
SEM-аналіз праводзіўся з дапамогай DSM 982 Gemini ад Zeiss пры паскаральных напружаннях 2 і 5 кВ.Энергадысперсійная рэнтгенаўская спектраскапія (EDX) была праведзена з выкарыстаннем Thermo Fischer System 7 з крамянёвым дрэйфавым дэтэктарам Пельцье (SSD).
Падрыхтоўку металічных пласцін праводзілі па працэдуры, аналагічнай апісанай у 53. Спачатку пласціну апускаюць у 50% серную кіслату.15 хвілін.Затым іх увялі ў 1 М раствор гідраксіду натрыю прыкладна на 10 секунд.Затым ўзоры прамывалі вялікай колькасцю дыстыляванай вады, а затым замочвалі ў дыстыляванай вадзе на 30 хвілін.Пасля папярэдняй апрацоўкі паверхні ўзоры апускалі ў 3% насычаны раствор.ГЭК і мэтавая соль.Нарэшце дастаньце іх і высушыце пры 60°C.
Метад анадавання паляпшае і ўмацоўвае натуральны пласт аксіду на пасіўным метале.Алюмініевыя панэлі былі анадаваныя сернай кіслатой у зацвярдзелым стане, а затым запячатаны ў гарачай вадзе.Анадаванне суправаджалася першапачатковым тручэннем 1 моль/л NaOH (600 с) з наступнай нейтралізацыяй 1 моль/л HNO3 (60 с).Раствор электраліта ўяўляе сабой сумесь 2,3 М H2SO4, 0,01 М Al2(SO4)3 і 1 М MgSO4 + 7H2O.Анадаванне праводзілася пры (40 ± 1)°C, 30 мА/см2 на працягу 1200 секунд.Працэс герметызацыі праводзіўся ў розных саляных растворах, як апісана ў матэрыялах (MgSO4, CaCl2, ZnSO4, SrCl2, CuSO4, MgCl2).Пробу кіпяцяць у ёй 1800 секунд.
Былі даследаваны тры розныя метады атрымання кампазітаў: нанясенне клею, прамая рэакцыя і апрацоўка паверхні.Перавагі і недахопы кожнага метаду навучання сістэматычна аналізуюцца і абмяркоўваюцца.Для ацэнкі вынікаў выкарыстоўваліся прамое назіранне, нанавізуалізацыя і хімічны/элементны аналіз.
У якасці канверсійнага метаду апрацоўкі паверхні для павышэння адгезіі гідратаў соляў было абрана анадаванне.Гэтая апрацоўка паверхні стварае кіпрую структуру гліназёму (гліназёму) непасрэдна на паверхні алюмінія.Традыцыйна гэты метад складаецца з двух этапаў: на першым ствараецца кіпрая структура з аксіду алюмінія, а на другім - пакрыццё з гідраксіду алюмінія, якое зачыняе пары.Ніжэй прыведзены два метады блакіроўкі солі без блакіроўкі доступу да газавай фазы.Першы складаецца з сотавай сістэмы з выкарыстаннем невялікіх трубак з аксіду алюмінія (Al2O3), атрыманых на першым этапе, для ўтрымання крышталяў адсарбенту і павышэння яго адгезіі да металічных паверхняў.Атрыманыя соты маюць дыяметр каля 50 нм і даўжыню 200 нм (мал. 1а).Як згадвалася раней, гэтыя паражніны звычайна зачыняюцца на другім этапе тонкім пластом беміту Al2O(OH)2, які падтрымліваецца працэсам кіпячэння ў трубе з гліназёму.У другім метадзе гэты працэс герметызацыі мадыфікуецца такім чынам, што крышталі солі захопліваюцца ў раўнамерна пакрываючы пласт беміта (Al2O(OH)), які ў гэтым выпадку не выкарыстоўваецца для герметызацыі.Другі этап праводзяць у насычаным растворы адпаведнай солі.Апісаныя ўзоры маюць памеры ў дыяпазоне 50-100 нм і выглядаюць як распырсканыя кроплі (мал. 1б).Атрыманая ў выніку працэсу пламбавання паверхню мае ярка выяўленую прасторавую структуру з павялічанай плошчай кантакту.Гэты малюнак паверхні разам са шматлікімі канфігурацыямі злучэння ідэальна падыходзіць для пераноскі і ўтрымання крышталяў солі.Абедзве апісаныя структуры аказваюцца сапраўды сітаватымі і маюць невялікія паражніны, якія, здаецца, добра падыходзяць для ўтрымання гідратаў солі і адсорбцыі пароў солі падчас працы адсарбера.Аднак элементарны аналіз гэтых паверхняў з дапамогай EDX можа выявіць слядовыя колькасці магнію і серы на паверхні беміта, якія не выяўляюцца ў выпадку паверхні гліназёму.
ATR-FTIR ўзору пацвердзіў, што элемент быў сульфатам магнію (гл. малюнак 2b).Спектр паказвае характэрныя пікі сульфат-іёнаў пры 610–680 і 1080–1130 см–1 і характэрныя пікі рашоткавай вады пры 1600–1700 см–1 і 3200–3800 см–1 (гл. мал. 2а, в).).Прысутнасць іёнаў магнію амаль не змяняе спектр54.
(a) EDX алюмініевай пласціны MgSO4 з пакрыццём з беміта, (b) спектры ATR-FTIR пакрыццяў з беміту і MgSO4, (c) спектры ATR-FTIR чыстага MgSO4.
Падтрыманне эфектыўнасці адсорбцыі было пацверджана TGA.На мал.3b паказвае пік дэсорбцыі прыбл.60°C.Гэты пік не адпавядае тэмпературы двух пікаў, якія назіраюцца ў ТГА чыстай солі (мал. 3а).Паўтаральнасць цыклу адсорбцыі-дэсорбцыі была ацэненая, і тая ж крывая назіралася пасля размяшчэння узораў у вільготнай атмасферы (мал. 3c).Адрозненні, якія назіраюцца на другім этапе дэсорбцыі, могуць быць вынікам дэгідратацыі ў праточнай атмасферы, бо гэта часта прыводзіць да няпоўнага дэгідратацыі.Гэтыя значэнні адпавядаюць прыкладна 17,9 г/м2 пры першым абязводжванні і 10,3 г/м2 пры другім абязводжванні.
Параўнанне TGA-аналізу беміта і MgSO4: TGA-аналіз чыстага MgSO4 (a), сумесі (b) і пасля рэгідратацыі (c).
Гэты ж метад праводзілі з хларыдам кальцыя ў якасці адсарбенту.Вынікі прадстаўлены на малюнку 4. Візуальны агляд паверхні выявіў нязначныя змены ў металічным святленні.Мех ледзь бачны.СЭМ пацвердзіла наяўнасць дробных крышталяў, раўнамерна размеркаваных па паверхні.Аднак TGA не паказала абязводжвання пры тэмпературы ніжэй за 150°C.Гэта можа быць звязана з тым, што доля солі занадта малая ў параўнанні з агульнай масай субстрата для выяўлення з дапамогай TGA.
Вынікі апрацоўкі паверхні медносульфатного пакрыцця метадам анадавання паказаны на мал.5. У гэтым выпадку чаканага ўключэння CuSO4 у структуру аксіду Al не адбылося.Замест гэтага назіраюцца свабодныя іголкі, якія звычайна выкарыстоўваюцца для гідраксіду медзі Cu(OH)2, які выкарыстоўваецца з тыповымі бірузовымі фарбавальнікамі.
Анадаваная апрацоўка паверхні таксама была пратэставана ў спалучэнні з хларыдам стронцыю.Вынікі паказалі нераўнамерны ахоп (гл. малюнак 6а).Каб вызначыць, ці пакрыла соль усю паверхню, быў праведзены аналіз EDX.Крывая кропкі ў шэрай вобласці (кропка 1 на мал. 6b) паказвае мала стронцыю і шмат алюмінію.Гэта паказвае на нізкае ўтрыманне стронцыю ў вымяранай зоне, што, у сваю чаргу, паказвае на нізкі ахоп хларыду стронцыю.Наадварот, белыя ўчасткі маюць высокае ўтрыманне стронцыю і нізкае ўтрыманне алюмінію (кропкі 2–6 на мал. 6б).Аналіз EDX белай вобласці паказвае больш цёмныя кропкі (кропкі 2 і 4 на мал. 6b), з нізкім утрыманнем хлору і высокім утрыманнем серы.Гэта можа сведчыць аб адукацыі сульфату стронцыю.Больш яркія кропкі адлюстроўваюць высокае ўтрыманне хлору і нізкае ўтрыманне серы (кропкі 3, 5 і 6 на мал. 6b).Гэта можна растлумачыць тым, што асноўная частка белага налёту складаецца з чаканага хларыду стронцыю.TGA ўзору пацвердзіла інтэрпрэтацыю аналізу з пікам пры характэрнай тэмпературы чыстага хларыду стронцыю (мал. 6c).Іх малая вартасць можа быць апраўдана малой доляй солі ў параўнанні з масай металічнай апоры.Вызначаная ў эксперыментах маса дэсорбцыі адпавядае колькасці 7,3 г/м2, якое вылучаецца на адзінку плошчы адсарбера пры тэмпературы 150°C.
Таксама былі пратэставаны пакрыцця з сульфату цынку, апрацаваныя Eloxal.Макраскапічна пакрыццё ўяўляе сабой вельмі тонкі і аднастайны пласт (мал. 7а).Аднак СЭМ выявіла плошчу паверхні, пакрытую дробнымі крышталямі, падзеленымі пустымі ўчасткамі (мал. 7b).TGA пакрыцця і падкладкі параўноўвалі з TGA чыстай солі (малюнак 7c).Чыстая соль мае адзін асіметрычны пік пры 59,1°C.Алюміній з пакрыццём паказаў два невялікіх піка пры 55,5°C і 61,3°C, што сведчыць аб наяўнасці гідрату сульфату цынку.Выяўленая ў эксперыменце розніца мас адпавядае 10,9 г/м2 пры тэмпературы абязводжвання 150°С.
Як і ў папярэдняй заяўцы53, для паляпшэння адгезіі і стабільнасці пакрыцця сарбенту ў якасці злучнага выкарыстоўвалася гидроксиэтилцеллюлоза.Сумяшчальнасць матэрыялаў і ўплыў на характарыстыкі адсорбцыі ацэньвалі з дапамогай TGA.Аналіз праводзіцца ў адносінах да агульнай масы, гэта значыць узор уключае металічную пласціну, якая выкарыстоўваецца ў якасці падкладкі для пакрыцця.Адгезія правяраецца тэстам, заснаваным на выпрабаванні папярочнай насечкі, вызначанай у спецыфікацыі ISO2409 (не можа адпавядаць спецыфікацыі падзелу насечкі ў залежнасці ад таўшчыні і шырыні спецыфікацыі).
Пакрыццё панэляў хларыдам кальцыя (CaCl2) (гл. мал. 8а) прывяло да нераўнамернага размеркавання, чаго не назіралася ў чыстым алюмініевым пакрыцці, якое выкарыстоўвалася для тэсту на папярочны надрэз.У параўнанні з вынікамі для чыстага CaCl2, TGA (мал. 8b) паказвае два характэрныя пікі, зрушаныя ў бок больш нізкіх тэмператур 40 і 20 °C адпаведна.Выпрабаванне папярочнага разрэзу не дазваляе правесці аб'ектыўнае параўнанне, таму што чысты ўзор CaCl2 (узор справа на мал. 8c) уяўляе сабой парашкападобны асадак, які выдаляе самыя верхнія часціцы.Вынікі HEC паказалі вельмі тонкае і аднастайнае пакрыццё з здавальняючай адгезіяй.Розніца мас, паказаная на мал.8б адпавядае 51,3 г/м2 на адзінку плошчы адсарбера пры тэмпературы 150°C.
Станоўчыя вынікі з пункту гледжання адгезіі і аднастайнасці былі таксама атрыманы з сульфатам магнію (MgSO4) (гл. мал. 9).Аналіз працэсу дэсорбцыі пакрыцця паказаў наяўнасць аднаго піку прыбл.60°C.Гэтая тэмпература адпавядае галоўнай стадыі дэсорбцыі, якая назіраецца пры дэгідратаціі чыстых соляў, што ўяўляе сабой іншую стадыю пры 44°C.Ён адпавядае пераходу гексагидрата ў пентагидрат і не назіраецца ў выпадку пакрыццяў са злучнымі.Выпрабаванні папярочнага разрэзу паказваюць лепшае размеркаванне і адгезію ў параўнанні з пакрыццямі, зробленымі з выкарыстаннем чыстай солі.Розніца мас, якая назіраецца ў TGA-DTC, адпавядае 18,4 г/м2 на адзінку плошчы адсарбера пры тэмпературы 150°C.
З-за няроўнасцей паверхні хларыд стронцыю (SrCl2) мае няроўнае пакрыццё на рэбрах (мал. 10а).Аднак вынікі тэсту на папярочны надрэз паказалі раўнамернае размеркаванне са значна палепшанай адгезіяй (мал. 10с).Аналіз TGA паказаў вельмі невялікую розніцу ў вазе, што павінна быць звязана з меншым утрыманнем солі ў параўнанні з металічнай падкладкай.Аднак прыступкі на крывой паказваюць наяўнасць працэсу дэгідратаціі, хоць пік звязаны з тэмпературай, атрыманай пры характарыстыцы чыстай солі.Пікі пры 110°C і 70,2°C, якія назіраюцца на мал.10б таксама былі знойдзены пры аналізе чыстай солі.Аднак асноўная стадыя дэгідратаціі, якая назіраецца ў чыстай солі пры 50°C, не была адлюстравана на крывых з выкарыстаннем злучнага рэчыва.Наадварот, злучная сумесь паказала два пікі пры 20,2°C і 94,1°C, якія не былі вымераныя для чыстай солі (мал. 10b).Пры тэмпературы 150 °C назіраная розніца ў масе адпавядае 7,2 г/м2 на адзінку плошчы адсарбера.
Спалучэнне ГЭЦ і сульфату цынку (ZnSO4) не дало прымальных вынікаў (малюнак 11).ТГА-аналіз металу з пакрыццём не выявіў працэсаў дэгідратаціі.Хоць размеркаванне і адгезія пакрыцця палепшыліся, яго ўласцівасці ўсё яшчэ далёкія ад аптымальных.
Найбольш простым спосабам пакрыцця металічных валокнаў тонкім і раўнамерным слоем з’яўляецца вільготная насычэнне (рыс. 12а), якое ўключае падрыхтоўку мэтавай солі і насычэнне металічных валокнаў водным растворам.
Пры падрыхтоўцы да вільготнай насычэнні сустракаюцца дзве асноўныя праблемы.З аднаго боку, павярхоўнае нацяжэнне фізраствора перашкаджае правільнаму ўключэнню вадкасці ў кіпрую структуру.Крышталізацыю на знешняй паверхні (мал. 12d) і бурбалкі паветра, якія затрымліваюцца ўнутры структуры (мал. 12c), можна паменшыць, толькі знізіўшы павярхоўнае нацяжэнне і папярэдне змочваючы ўзор дыстыляванай вадой.Прымусовае растварэнне ва ўзоры шляхам эвакуацыі паветра ўнутры або шляхам стварэння патоку раствора ў структуры - гэта іншыя эфектыўныя спосабы забеспячэння поўнага запаўнення структуры.
Другой праблемай, якая ўзнікла падчас падрыхтоўкі, было выдаленне плёнкі з часткі солі (гл. мал. 12б).Гэта з'ява характарызуецца адукацыяй сухога налёту на паверхні растварэння, які спыняе канвектыўна стымуляванае высыханне і запускае працэс, стымулюемы дыфузіяй.Другі механізм нашмат павольней першага.У выніку для разумнага часу высыхання патрабуецца высокая тэмпература, што павялічвае рызыку адукацыі бурбалак ўнутры ўзору.Гэтая праблема вырашаецца шляхам увядзення альтэрнатыўнага метаду крышталізацыі, заснаванага не на змене канцэнтрацыі (выпарвання), а на змене тэмпературы (як у прыкладзе з MgSO4 на мал. 13).
Схематычнае адлюстраванне працэсу крышталізацыі пры ахалоджванні і падзеле цвёрдай і вадкай фаз з дапамогай MgSO4.
Гэтым метадам можна прыгатаваць насычаныя растворы соляў пры пакаёвай тэмпературы або вышэй за яе.У першым выпадку крышталізацыя фарсіравалася шляхам паніжэння тэмпературы ніжэй пакаёвай.У другім выпадку крышталізацыя адбылася пры астуджэнні ўзору да пакаёвай тэмпературы (RT).У выніку атрымліваецца сумесь крышталяў (Б) і раствораных (А), вадкая частка якой выдаляецца сціснутым паветрам.Такі падыход не толькі дазваляе пазбегнуць адукацыі плёнкі на гэтых гідратах, але і скарачае час, неабходнае для падрыхтоўкі іншых кампазітаў.Аднак выдаленне вадкасці сціснутым паветрам прыводзіць да дадатковай крышталізацыі солі, што прыводзіць да больш тоўстага пакрыцця.
Іншы метад, які можна выкарыстоўваць для пакрыцця металічных паверхняў, уключае прамое выпрацоўку мэтавых соляў праз хімічныя рэакцыі.Цеплаабменнікі з пакрыццём, зробленыя ў выніку рэакцыі кіслот на металічных паверхнях рэбраў і труб, маюць шэраг пераваг, як паведамлялася ў нашым папярэднім даследаванні.Прымяненне гэтага метаду да валокнаў прывяло да вельмі дрэнных вынікаў з-за адукацыі газаў падчас рэакцыі.Ціск бурбалак вадароду нарастае ўнутры зонда і змяняецца па меры выкіду прадукту (мал. 14а).
Пакрыццё было зменена з дапамогай хімічнай рэакцыі для лепшага кантролю таўшчыні і размеркавання пакрыцця.Гэты метад прадугледжвае прапусканне патоку кіслотнага туману праз узор (малюнак 14b).Чакаецца, што гэта прывядзе да аднастайнага пакрыцця ў выніку рэакцыі з металам падкладкі.Вынікі былі здавальняючымі, але працэс ішоў занадта павольна, каб лічыцца эфектыўным метадам (мал. 14c).Больш кароткі час рэакцыі можа быць дасягнуты шляхам лакальнага нагрэву.
Каб пераадолець недахопы вышэйпералічаных метадаў, быў вывучаны метад пакрыцця, заснаваны на выкарыстанні клеяў.HEC быў абраны на аснове вынікаў, прадстаўленых у папярэднім раздзеле.Усе ўзоры былі падрыхтаваны пры 3% мас.Звязальнае рэчыва змешваюць з соллю.Валакна былі папярэдне апрацаваны ў адпаведнасці з той жа працэдурай, што і для рэбраў, гэта значыць замочваюць у 50% аб.на працягу 15 хвілін.сернай кіслаты, затым замочваюць у гідраксідзе натрыю на 20 секунд, прамываюць у дыстыляванай вадзе і, нарэшце, замочваюць у дыстыляванай вадзе на 30 хвілін.У гэтым выпадку перад насычэннем быў дададзены дадатковы этап.Апусціце ўзор на кароткі час у разведзены мэтавы раствор солі і высушыце пры тэмпературы прыблізна 60°C.Працэс прызначаны для мадыфікацыі паверхні металу, стварэння месцаў зараджэння, якія паляпшаюць размеркаванне пакрыцця на канчатковай стадыі.Фіброзная структура мае адзін бок, дзе ніткі больш тонкія і шчыльна спакаваныя, і супрацьлеглы бок, дзе ніткі больш тоўстыя і менш размеркаваныя.Гэта вынік 52 вытворчых працэсаў.
Вынікі для хларыду кальцыя (CaCl2) абагульнены і праілюстраваны малюнкамі ў табліцы 1. Добрае пакрыццё пасля прышчэпкі.Нават тыя пасмы без бачных крышталяў на паверхні мелі менш металічных водбліскаў, што сведчыць аб змене аздаблення.Аднак пасля таго, як узоры былі прасякнуты воднай сумессю CaCl2 і HEC і высушаны пры тэмпературы каля 60 ° C, пакрыцця былі сканцэнтраваны ў месцах скрыжавання структур.Гэта эфект, выкліканы павярхоўным нацяжэннем раствора.Пасля замочвання вадкасць застаецца ўнутры ўзору з-за яго павярхоўнага нацяжэння.У асноўным гэта адбываецца на скрыжаванні канструкцый.Лепшы бок асобніка мае некалькі адтулін, запоўненых соллю.Пасля нанясення пакрыцця маса павялічылася на 0,06 г/см3.
Пакрыццё сульфатам магнію (MgSO4) дало больш солі на адзінку аб'ёму (табл. 2).У гэтым выпадку вымеранае прырашчэнне складае 0,09 г/см3.Працэс пасева прывёў да шырокага ахопу ўзораў.Пасля працэсу пакрыцця соль блакуе вялікія ўчасткі тонкага боку ўзору.Акрамя таго, некаторыя ўчасткі матавага пакрыцця блакуюцца, але некаторая сітаватасць захоўваецца.У гэтым выпадку на скрыжаванні структур лёгка назіраецца адукацыю солі, што пацвярджае, што працэс нанясення пакрыцця адбываецца ў асноўным за кошт павярхоўнага нацяжэння вадкасці, а не ўзаемадзеяння паміж соллю і металічнай падкладкай.
Вынікі камбінацыі хларыду стронцыю (SrCl2) і ГЭЦ паказалі ўласцівасці, падобныя да папярэдніх прыкладаў (табліца 3).У гэтым выпадку больш тонкая бок ўзору пакрываецца практычна цалкам.Бачныя толькі асобныя пары, якія ўтварыліся пры сушцы ў выніку выхаду пара з ўзору.Узор, які назіраецца на матавым баку, вельмі падобны да папярэдняга выпадку, вобласць заблакавана соллю, а валакна пакрытыя не цалкам.
Каб ацаніць станоўчы ўплыў кудзелістай структуры на цеплавыя характарыстыкі цеплаабменніка, была вызначана эфектыўная цеплаправоднасць кудзелістай структуры з пакрыццём і параўнана з чыстым матэрыялам пакрыцця.Цеплаправоднасць вымяралася ў адпаведнасці са стандартам ASTM D 5470-2017 з выкарыстаннем прылады з плоскай панэллю, паказанага на малюнку 15a, з выкарыстаннем эталоннага матэрыялу з вядомай цеплаправоднасцю.У параўнанні з іншымі метадамі вымярэння пераходных працэсаў гэты прынцып з'яўляецца перавагай для порыстых матэрыялаў, якія выкарыстоўваюцца ў бягучым даследаванні, паколькі вымярэнні праводзяцца ў стацыянарным стане і з дастатковым памерам выбаркі (базавая плошча 30 × 30 мм2, вышыня прыблізна 15 мм).Узоры матэрыялу чыстага пакрыцця (эталон) і структуры валакна з пакрыццём былі падрыхтаваны для вымярэнняў у напрамку валакна і перпендыкулярна напрамку валакна, каб ацаніць уплыў анізатропнай цеплаправоднасці.Узоры былі адшліфаваны на паверхні (зярністасць P320), каб звесці да мінімуму эфект шурпатасці паверхні з-за падрыхтоўкі ўзору, якая не адлюстроўвае структуру ўнутры ўзору.