Дзякуй за наведванне сайта Nature.com. Версія браўзера, якой вы карыстаецеся, мае абмежаваную падтрымку CSS. Для найлепшага карыстання рэкамендуем выкарыстоўваць абноўлены браўзер (або адключыць рэжым сумяшчальнасці ў Internet Explorer). Тым часам, каб забяспечыць бесперапынную падтрымку, мы будзем адлюстроўваць сайт без стыляў і JavaScript.
Доля рынку адсарбцыйных халадзільных сістэм і цеплавых помпаў усё яшчэ адносна невялікая ў параўнанні з традыцыйнымі кампрэсарнымі сістэмамі. Нягледзячы на ​​велізарную перавагу выкарыстання таннага цяпла (замест дарагіх электрычных работ), рэалізацыя сістэм, заснаваных на прынцыпах адсарбцыі, усё яшчэ абмежавана некалькімі канкрэтнымі сферамі прымянення. 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 пласціністыя цеплаабменнікаў з пакрыццём для аптымізацыі астуджальнай здольнасці. Вынікі добра вядомыя, што памяншэнне таўшчыні пакрыцця прыводзіць да зніжэння імпедансу масапераносу, а павелічэнне суадносін плошчы паверхні да аб'ёму праводзячых структур павялічвае магутнасць без шкоды для эфектыўнасці. Металічныя валокны, якія выкарыстоўваюцца ў гэтай працы, могуць забяспечыць удзельную плошчу паверхні ў дыяпазоне 2500–50 000 м2/м3. Тры метады атрымання вельмі тонкіх, але стабільных пакрыццяў з гідратаў соляў на металічных паверхнях, у тым ліку металічных валокнаў, для вытворчасці пакрыццяў упершыню дэманструюць цеплаабменнік з высокай шчыльнасцю магутнасці. Апрацоўка паверхні на аснове анадавання алюмінія выбрана для стварэння больш трывалай сувязі паміж пакрыццём і падкладкай. Мікраструктура атрыманай паверхні была прааналізавана з дапамогай сканіруючай электроннай мікраскапіі. Для праверкі наяўнасці патрэбных часціц у аналізе выкарыстоўваліся інфрачырвоная спектраскапія з пераўтварэннем Фур'е з паніжаным поўным адлюстраваннем і энергетычна-дысперсійная рэнтгенаўская спектраскапія. Іх здольнасць утвараць гідраты была пацверджана камбінаваным тэрмагравіметрычным аналізам (TGA)/дыферэнцыяльным тэрмагравіметрычным аналізам (DTG). У пакрыцці MgSO4 была выяўлена нізкая якасць больш за 0,07 г (вады)/г (кампазіт), што мела прыкметы дэгідратацыі пры тэмпературы каля 60 °C і прайгравалася пасля рэгідратацыі. Станоўчыя вынікі былі таксама атрыманы з SrCl2 і ZnSO4 з розніцай у масе каля 0,02 г/г ніжэй за 100 °C. У якасці дабаўкі для павышэння стабільнасці і адгезіі пакрыцця была выбрана гідраксіэтылцэлюлоза. Адсарбцыйныя ўласцівасці прадуктаў былі ацэнены адначасовым TGA-DTG, а іх адгезія характарызавалася метадам, заснаваным на выпрабаваннях, апісаных у ISO2409. Кансістэнцыя і адгезія пакрыцця CaCl2 значна паляпшаюцца, захоўваючы пры гэтым яго адсарбцыйную здольнасць 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 пакрытыя металічныя валокны. Вынікі паказваюць, што эфектыўная цеплаправоднасць валакністай структуры, пакрытай Al2(SO4)3, можа быць у 4,7 раза вышэй у параўнанні з аб'ёмам чыстага Al2(SO4)3. Пакрыццё даследаваных пакрыццяў даследавалася візуальна, а ўнутраная структура ацэньвалася з дапамогай мікраскапічнага малюнка папярочных сячэнняў. Было атрымана пакрыццё з Al2(SO4)3 таўшчынёй каля 50 мкм, але агульны працэс павінен быць аптымізаваны для дасягнення больш раўнамернага размеркавання.
Адсарбцыйныя сістэмы прыцягнулі вялікую ўвагу за апошнія некалькі дзесяцігоддзяў, паколькі яны з'яўляюцца экалагічна чыстай альтэрнатывай традыцыйным кампрэсійным цеплавым помпам або халадзільным сістэмам. З ростам стандартаў камфорту і сярэдніх глабальных тэмператур адсарбцыйныя сістэмы могуць знізіць залежнасць ад выкапнёвага паліва ў бліжэйшай будучыні. Акрамя таго, любыя ўдасканаленні ў адсарбцыйным халадзільным абсталяванні або цеплавых помпах могуць быць перанесены на назапашванне цеплавой энергіі, што прадстаўляе сабой дадатковае павелічэнне патэнцыялу для эфектыўнага выкарыстання першаснай энергіі. Асноўнай перавагай адсарбцыйных цеплавых помпаў і халадзільных сістэм з'яўляецца тое, што яны могуць працаваць з нізкай цеплавой масай. Гэта робіць іх прыдатнымі для нізкатэмпературных крыніц, такіх як сонечная энергія або адпрацаванае цяпло. Што тычыцца прымянення назапашвання энергіі, адсарбцыя мае перавагу больш высокай шчыльнасці энергіі і меншага рассейвання энергіі ў параўнанні з назапашваннем адчувальнага або схаванага цяпла.
Адсарбцыйныя цеплавыя помпы і халадзільныя сістэмы прытрымліваюцца таго ж тэрмадынамічнага цыклу, што і іх аналагі з парокампрэсіяй. Асноўнае адрозненне заключаецца ў замене кампанентаў кампрэсара на адсарберы. Кампрэсарны элемент здольны адсарбаваць пары холадагенту нізкага ціску пры ўмераных тэмпературах, выпараючы больш холадагенту, нават калі вадкасць халодная. Неабходна забяспечваць пастаяннае астуджэнне адсарбера, каб выключыць энтальпію адсорбцыі (экзатэрмічны эфект). Адсарбер рэгенеруецца пры высокай тэмпературы, што прыводзіць да дэсорбцыі пароў холадагенту. Награванне павінна працягвацца, каб забяспечыць энтальпію дэсорбцыі (эндатэрмічны эфект). Паколькі працэсы адсорбцыі характарызуюцца зменамі тэмпературы, высокая шчыльнасць магутнасці патрабуе высокай цеплаправоднасці. Аднак нізкая цеплаправоднасць з'яўляецца, безумоўна, асноўным недахопам у большасці выпадкаў прымянення.
Асноўная праблема праводнасці заключаецца ў павелічэнні яе сярэдняга значэння пры захаванні шляху пераносу, які забяспечвае паток пароў адсорбцыі/дэсорбцыі. Для дасягнення гэтай мэты звычайна выкарыстоўваюцца два падыходы: кампазітныя цеплаабменнікі і цеплаабменнікі з пакрыццём. Найбольш папулярнымі і паспяховымі кампазітнымі матэрыяламі з'яўляюцца тыя, якія выкарыстоўваюць дабаўкі на аснове вугляроду, а менавіта пашыраны графіт, актываваны вугаль або вугляродныя валокны. Алівейра і інш.2 прапіталі парашок пашыранага графіту хларыдам кальцыю для атрымання адсарбера з удзельнай астуджальнай здольнасцю (SCP) да 306 Вт/кг і каэфіцыентам перапрацоўкі (COP) да 0,46. Заячкоўскі і інш.3 прапанавалі камбінацыю пашыранага графіту, вугляроднага валакна і хларыду кальцыю з агульнай праводнасцю 15 Вт/мК. Цзянь і інш.4 пратэставалі кампазіты з пашыраным прыродным графітам, апрацаваным сернай кіслатой (ENG-TSA), у якасці падкладкі, у двухэтапным цыкле адсорбцыйнага 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 пакрыты цеплаабменнік. Механізмы нанясення пакрыццяў на гэтыя цеплаабменнікі можна падзяліць на дзве катэгорыі: прамы сінтэз і клеі. Найбольш паспяховым метадам з'яўляецца прамы сінтэз, які прадугледжвае ўтварэнне адсарбуючых матэрыялаў непасрэдна на паверхні цеплаабменнікаў з адпаведных рэагентаў. Sotech5 запатэнтавала метад сінтэзу пакрытага цэаліту для выкарыстання ў серыі ахаладжальнікаў, вырабленых Fahrenheit GmbH. Шнабель і інш.6 пратэставалі прадукцыйнасць двух цэалітаў, пакрытых нержавеючай сталі. Аднак гэты метад працуе толькі са спецыфічнымі адсарбентамі, што робіць пакрыццё клеямі цікавай альтэрнатывай. Злучныя рэчывы - гэта пасіўныя рэчывы, выбраныя для падтрымкі адгезіі сарбенту і/або масапераносу, але не гуляюць ніякай ролі ў паляпшэнні адсорбцыі або праводнасці. Фрэні і інш.7 пакрылі алюмініевыя цеплаабменнікі цэалітам AQSOA-Z02, стабілізаваным злучным рэчывам на аснове гліны. Калабрэзэ і інш.8 вывучалі атрыманне цэалітавых пакрыццяў з палімернымі злучнымі рэчывамі. Аман і інш.9 прапанавалі метад атрымання порыстых цэалітавых пакрыццяў з магнітных сумесяў полівінілавага спірту. Гліна алюмінію (аксід алюмінію) таксама выкарыстоўваецца ў якасці злучнага рэчыва 10 у адсарберы. Наколькі нам вядома, цэлюлоза і гідраксіэтылцэлюлоза выкарыстоўваюцца толькі ў спалучэнні з фізічнымі адсарбентамі 11,12. Часам клей не выкарыстоўваецца для фарбы, а выкарыстоўваецца для стварэння структуры 13 самастойна. Спалучэнне альгінатных палімерных матрыц з некалькімі гідратамі соляў утварае гнуткія кампазітныя шарыкавыя структуры, якія прадухіляюць уцечку падчас высыхання і забяспечваюць адэкватны перанос масы. Гліны, такія як бентаніт і атапульгіт, выкарыстоўваліся ў якасці злучных рэчываў для падрыхтоўкі кампазітаў 15,16,17. Этылцэлюлоза выкарыстоўвалася для мікракапсуляцыі хларыду кальцыя 18 або сульфіду натрыю 19.
Кампазіты з сітаватай металічнай структурай можна падзяліць на адытыўныя цеплаабменнікі і цеплаабменнікі з пакрыццём. Перавагай гэтых структур з'яўляецца высокая ўдзельная плошча паверхні. 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 адсарбента з алюмініевай сотавай структурай. Гілермінат і інш.21 палепшылі цеплаправоднасць слаёў цэаліту NaX з меднай і нікелевай пенай. Нягледзячы на ​​тое, што кампазіты выкарыстоўваюцца ў якасці матэрыялаў з фазавым пераходам (PCM), вынікі Лі і інш.22 і Чжао і інш.23 таксама ўяўляюць цікавасць для хемасорбцыі. Яны параўналі характарыстыкі пашыранага графіту і металічнай пены і прыйшлі да высновы, што апошняя пераважнейшая толькі ў тым выпадку, калі няма праблемы з карозіяй. Паломба і інш. нядаўна параўналі іншыя металічныя сітаватыя структуры24. Ван дэр Пал і інш. вывучалі солі металаў, убудаваныя ў пены25. Усе папярэднія прыклады адпавядаюць шчыльным слаям часціц-адсарбентаў. Металічныя сітаватыя структуры практычна не выкарыстоўваюцца для пакрыцця адсарбераў, што з'яўляецца больш аптымальным рашэннем. Прыклад звязвання з цэалітамі можна знайсці ў Вітштадта і інш.26, але спроб звязаць гідраты соляў не рабілася, нягледзячы на ​​іх больш высокую шчыльнасць энергіі27.
Такім чынам, у гэтым артыкуле будуць разгледжаны тры метады падрыхтоўкі адсарбентных пакрыццяў: (1) нанясенне злучнага рэчыва, (2) прамая рэакцыя і (3) апрацоўка паверхні. У гэтай працы ў якасці злучнага рэчыва абралі гідраксіэтылцэлюлозу з-за раней паведамлянай стабільнасці і добрай адгезіі пакрыцця ў спалучэнні з фізічнымі адсарбентамі. Гэты метад першапачаткова даследаваўся для плоскіх пакрыццяў, а пазней быў ужыты да металічных валакністым структурам. Раней паведамлялася аб папярэднім аналізе магчымасці хімічных рэакцый з утварэннем адсарбентных пакрыццяў. Папярэдні вопыт зараз пераносіцца на пакрыццё металічных валакністым структурам. Апрацоўка паверхні, абраная для гэтай працы, - гэта метад, заснаваны на анадзіранні алюмінію. Анадзіраванне алюмінію паспяхова спалучалася з солямі металаў у эстэтычных мэтах29. У гэтых выпадках можна атрымаць вельмі стабільныя і каразійна-ўстойлівыя пакрыцці. Аднак яны не могуць ажыццяўляць ніякага працэсу адсорбцыі або дэсорбцыі. У гэтай працы прадстаўлены варыянт гэтага падыходу, які дазваляе перамяшчаць масу, выкарыстоўваючы адгезійныя ўласцівасці зыходнага працэсу. Наколькі нам вядома, ні адзін з апісаных тут метадаў раней не вывучаўся. Яны ўяўляюць сабой вельмі цікавую новую тэхналогію, паколькі дазваляюць утвараць гідратаваныя адсарбентныя пакрыцці, якія маюць шэраг пераваг перад часта вывучанымі фізічнымі адсарбентамі.
Штампаваныя алюмініевыя пласціны, якія выкарыстоўваліся ў якасці падкладак для гэтых эксперыментаў, былі прадастаўлены кампаніяй ALINVEST Břidličná, Чэшская Рэспубліка. Яны ўтрымліваюць 98,11% алюмінію, 1,3622% жалеза, 0,3618% марганцу і сляды медзі, магнію, крэмнію, тытана, цынку, хрому і нікеля.
Матэрыялы, якія выбіраюцца для вырабу кампазітаў, падбіраюцца 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) з'яўляецца адной з найбольш цікавых і вывучаных гідратаваных соляў30,31,32,33,34,35,36,37,38,39,40,41. Тэрмінамічныя ўласцівасці былі сістэматычна вымераны і прызнаны прыдатнымі для прымянення ў галіне адсарбцыйнага халадзільнага абсталявання, цеплавых помпаў і акумулявання энергіі. Быў выкарыстаны сухі сульфат магнію CAS-Nr.7487-88-9 99% (Grüssing GmbH, Фільзум, Ніжняя Саксонія, Германія).
Хларыд кальцыю (CaCl2) (H319) — яшчэ адна добра вывучаная соль, паколькі яго гідрат мае цікавыя тэрмадынамічныя ўласцівасці41,42,43,44. Гексагідрат хларыду кальцыю, CAS-№ 7774-34-7, выкарыстоўваецца на 97% (Grüssing, GmbH, Фільзум, Ніжняя Саксонія, Германія).
Сульфат цынку (ZnSO4) (H3O2, H318, H410) і яго гідраты валодаюць тэрмадынамічнымі ўласцівасцямі, прыдатнымі для працэсаў адсорбцыі пры нізкіх тэмпературах45,46. Быў выкарыстаны гептагідрат сульфату цынку CAS-Nr.7733-02-0 99,5% (Grüssing GmbH, Фільзум, Ніжняя Саксонія, Германія).
Хларыд стронцыю (SrCl2) (H318) таксама валодае цікавымі тэрмадынамічнымі ўласцівасцямі4,45,47, хоць яго часта спалучаюць з аміякам у даследаваннях адсарбцыйных цеплавых помпаў або назапашвання энергіі. Для сінтэзу быў выкарыстаны гексагідрат хларыду стронцыю CAS-Nr.10.476-85-4 99,0–102,0% (Sigma Aldrich, Сэнт-Луіс, Місуры, ЗША).
Сульфат медзі (CuSO4) (H302, H315, H319, H410) не ўваходзіць у лік гідратаў, якія часта сустракаюцца ў прафесійнай літаратуры, хоць яго тэрмадынамічныя ўласцівасці цікавыя для прымянення пры нізкіх тэмпературах48,49. Для сінтэзу быў выкарыстаны сульфат медзі CAS-Nr.7758-99-8 99% (Sigma Aldrich, Сэнт-Луіс, Місуры, ЗША).
Хларыд магнію (MgCl2) — адна з гідратаваных солей, якой нядаўна 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 ужо згадвалася вышэй, гідраксіэтылцэлюлоза была абраная з-за станоўчых вынікаў у падобных выпадках. У нашым сінтэзе выкарыстоўваўся гідраксіэтылцэлюлоза CAS-Nr 9004-62-0 (Sigma Aldrich, Сэнт-Луіс, Місуры, ЗША).
Металічныя валокны вырабляюцца з кароткіх правадоў, злучаных разам шляхам сціскання і спякання, працэсу, вядомага як экстракцыя з расплаву ў тыглі (CME)52. Гэта азначае, што іх цеплаправоднасць залежыць не толькі ад аб'ёмнай праводнасці металаў, якія выкарыстоўваюцца ў вытворчасці, і парыстасці канчатковай структуры, але і ад якасці сувязяў паміж ніткамі. Валакны не ізатропныя і, як правіла, размеркаваны ў пэўным кірунку падчас вытворчасці, што робіць цеплаправоднасць у папярочным кірунку значна ніжэйшай.
Уласцівасці водапаглынання даследаваліся з дапамогай адначасовага тэрмагравіметрычнага аналізу (ТГА)/дыферэнцыяльнага тэрмагравіметрычнага аналізу (ДТГ) у вакуумнай упакоўцы (Netzsch TG 209 F1 Libra). Вымярэнні праводзіліся ў праточнай атмасферы азоту пры хуткасці патоку 10 мл/мін і дыяпазоне тэмператур ад 25 да 150°C у тыглях з аксіду алюмінію. Хуткасць награвання складала 1°C/мін, вага ўзору вар'іравалася ад 10 да 20 мг, разрозненне складала 0,1 мкг. У гэтай працы варта адзначыць, што розніца мас на адзінку паверхні мае вялікую нявызначанасць. Узоры, якія выкарыстоўваліся ў ТГА-ДТГ, вельмі малыя і нераўнамерна выразаныя, што робіць вызначэнне іх плошчы недакладным. Гэтыя значэнні можна экстрапаляваць на большую плошчу толькі пры ўліку вялікіх адхіленняў.
Спектры інфрачырвонага выпраменьвання з аслабленым поўным адлюстраваннем (ATR-FTIR) былі атрыманы на спектрометры Bruker Vertex 80 v FTIR (Bruker Optik GmbH, Лейпцыг, Германія) з выкарыстаннем плацінавага прыстасавання ATR (Bruker Optik GmbH, Германія). Спектры чыстых сухіх крышталяў алмаза былі вымераны непасрэдна ў вакууме перад выкарыстаннем узораў у якасці фону для эксперыментальных вымярэнняў. Узоры былі вымераны ў вакууме з выкарыстаннем спектральнага разрознення 2 см-1 і сярэдняй колькасці сканаванняў 32. Дыяпазон хвалевых лікаў ад 8000 да 500 см-1. Спектральны аналіз быў выкананы з выкарыстаннем праграмы OPUS.
СЭМ-аналіз быў праведзены з выкарыстаннем DSM 982 Gemini ад Zeiss пры паскаральным напружанні 2 і 5 кВ. Энергетычна-дысперсійная рэнтгенаўская спектраскапія (EDX) была праведзена з выкарыстаннем Thermo Fischer System 7 з крэмніевым дрэйфавым дэтэктарам з астуджэннем на элементах Пельцье (SSD).
Падрыхтоўка металічных пласцін праводзілася па працэдуры, падобнай да апісанай у 53. Спачатку пласціны апускалі ў 50% серную кіслату на 15 хвілін. Затым іх змяшчалі ў 1 М раствор гідраксіду натрыю прыкладна на 10 секунд. Далей узоры 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 мэтавай солі. Нарэшце, іх вымалі і сушылі пры тэмпературы 60°C.
Метад анадавання ўзмацняе і ўмацоўвае натуральны аксідны пласт на пасіўным метале. Алюмініевыя панэлі былі анадаваны сернай кіслатой у зацвярдзелым стане, а затым герметызаваны ў гарачай вадзе. Пасля анадавання праводзілася пачатковае травленне 1 моль/л NaOH (600 с) з наступнай нейтралізацыяй у 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 тэмпературы (40 ± 1)°C, 30 мА/см2 на працягу 1200 секунд. Працэс герметызацыі праводзіўся ў розных расолах, як апісана ў матэрыялах (MgSO4, CaCl2, ZnSO4, SrCl2, CuSO4, MgCl2). Узор кіпяцілі ў ім на працягу 1800 секунд.
Былі даследаваны тры розныя метады вытворчасці кампазітаў: нанясенне клею, прамая рэакцыя і апрацоўка паверхні. Сістэматычна прааналізаваны і абмеркаваны перавагі і недахопы кожнага метаду навучання. Для ацэнкі вынікаў выкарыстоўваліся прамое назіранне, нанавізуалізацыя і хімічны/элементны аналіз.
Анадаванне было абрана ў якасці метаду апрацоўкі паверхні канверсійнай апрацоўкі для павелічэння адгезіі гідратаў соляў. Такая апрацоўка паверхні стварае сітаватую структуру аксіду алюмінію (гліназёму) непасрэдна на паверхні алюмінію. Традыцыйна гэты метад складаецца з двух этапаў: першы этап стварае сітаватую структуру аксіду алюмінію, а другі этап стварае пакрыццё з гідраксіду алюмінію, якое закрывае пары. Ніжэй прыведзены два метады блакавання солі без блакавання доступу да газавай фазы. Першы складаецца з сотавай сістэмы з выкарыстаннем невялікіх трубак з аксіду алюмінію (Al2O3), атрыманых на першым этапе, для ўтрымання крышталяў адсарбенту і павелічэння яго адгезіі да металічных паверхняў. Атрыманыя соты маюць дыяметр каля 50 нм і даўжыню 200 нм (мал. 1а). Як ужо згадвалася раней, гэтыя паражніны звычайна зачыняюцца на другім этапе тонкім пластом беміту Al2O(OH)2, які падтрымліваецца працэсам кіпячэння ў трубцы з аксіду алюмінію. У другім метадзе гэты працэс герметызацыі мадыфікаваны такім чынам, што крышталі солі захопліваюцца ў раўнамерным пакрывальным пласце беміту (Al2O(OH)), які ў гэтым выпадку не выкарыстоўваецца для герметызацыі. Другі этап праводзіцца ў насычаным растворы адпаведнай солі. Апісаныя ўзоры маюць памеры ў дыяпазоне 50–100 нм і выглядаюць як разбрызганыя кроплі (мал. 1b). Паверхня, атрыманая ў выніку працэсу герметызацыі, мае выяўленую прасторавую структуру з павялічанай плошчай кантакту. Гэты павярхоўны ўзор, разам з іх шматлікімі канфігурацыямі злучэння, ідэальна падыходзіць для пераноскі і ўтрымання крышталяў солі. Абедзве апісаныя структуры выглядаюць сапраўды сітаватымі і маюць невялікія поласці, якія, відаць, добра падыходзяць для ўтрымання гідратаў солі і адсорбцыі пароў соллю падчас працы адсорбера. Аднак элементны аналіз гэтых паверхняў з выкарыстаннем EDX можа выявіць слядовыя колькасці магнію і серы на паверхні беміту, якія не выяўляюцца ў выпадку паверхні аксіду алюмінію.
ATR-FTIR узору пацвердзіў, што элементам быў сульфат 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. 2a, c). Прысутнасць іонаў магнію амаль не змяняе спектр54.
(a) Дыфрактограмма дыфрактограмы алюмініевай пласціны з бемітам, пакрытай MgSO4, (b) спектры ATR-FTIR пакрыццяў з бемітам і MgSO4, (c) спектры ATR-FTIR чыстага MgSO4.
Захаванне эфектыўнасці адсорбцыі было пацверджана метадам ТГА. На мал. 3b паказаны пік дэсорбцыі прыблізна 60°C. Гэты пік не адпавядае тэмпературы двух пікаў, якія назіраюцца пры ТГА чыстай солі (мал. 3a). Была ацэнена паўтаральнасць цыклу адсорбцыі-дэсорбцыі, і такая ж крывая назіралася пасля размяшчэння ўзораў у вільготнай атмасферы (мал. 3c). Розніца, якая назіралася на другой стадыі дэсорбцыі, можа быць вынікам абязводжвання ў праточнай атмасферы, бо гэта часта прыводзіць да няпоўнага абязводжвання. Гэтыя значэнні адпавядаюць прыблізна 17,9 г/м2 пры першым абязводжванні і 10,3 г/м2 пры другім абязводжванні.
Параўнанне ТГА-аналізу беміту і MgSO4: ТГА-аналіз чыстага MgSO4 (а), сумесі (б) і пасля рэгідратацыі (в).
Гэты ж метад быў праведзены з хларыдам кальцыя ў якасці адсарбенту. Вынікі прадстаўлены на малюнку 4. Візуальны агляд паверхні выявіў нязначныя змены ў металічным свячэнні. Поўсць ледзь бачная. СЭМ пацвердзіла наяўнасць дробных крышталяў, раўнамерна размеркаваных па паверхні. Аднак ТГА не паказаў дэгідратацыі 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 ТГА.
Вынікі апрацоўкі паверхні пакрыцця з сульфату медзі 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.
Апрацоўка анадаванай паверхні таксама была пратэставана ў спалучэнні з хларыдам стронцыю. Вынікі паказалі нераўнамернае пакрыццё (гл. малюнак 6а). Каб вызначыць, ці пакрыла соль усю паверхню, быў праведзены EDX-аналіз. Крывая для кропкі ў шэрай зоне (кропка 1 на мал. 6б) паказвае мала стронцыю і шмат алюмінію. Гэта сведчыць аб нізкім утрыманні стронцыю ў вымеранай зоне, што, у сваю чаргу, сведчыць аб нізкім пакрыцці хларыдам стронцыю. І наадварот, белыя зоны маюць высокае ўтрыманне стронцыю і нізкае ўтрыманне алюмінію (кропкі 2–6 на мал. 6б). EDX-аналіз белай зоны паказвае больш цёмныя кропкі (кропкі 2 і 4 на мал. 6б), нізкае ўтрыманне хлору і высокае ўтрыманне серы. Гэта можа сведчыць аб утварэнні сульфату стронцыю. Больш яркія кропкі адлюстроўваюць высокае ўтрыманне хлору і нізкае ўтрыманне серы (кропкі 3, 5 і 6 на мал. 6б). Гэта можна растлумачыць тым, што асноўная частка белага пакрыцця складаецца з чаканага хларыду стронцыю. ТГА ўзору пацвердзіў інтэрпрэтацыю аналізу з пікам пры характэрнай тэмпературы чыстага хларыду стронцыю (мал. 6в). Іх невялікае значэнне можна апраўдаць невялікай доляй солі ў параўнанні з масай металічнага носьбіта. Дэсорбцыйная маса, вызначаная ў эксперыментах, адпавядае колькасці 7,3 г/м2, якая вылучаецца на адзінку плошчы адсорбера пры тэмпературы 150°C.
Таксама былі пратэставаны пакрыцці сульфату цынку, апрацаваныя элоксалем. Макраскапічна пакрыццё ўяўляла сабой вельмі тонкі і аднастайны пласт (мал. 7a). Аднак SEM выявіў паверхню, пакрытую дробнымі крышталямі, падзеленымі пустымі зонамі (мал. 7b). ТГА пакрыцця і падкладкі параўноўвалі з ТГА чыстай солі (малюнак 7c). Чыстая соль мае адзін асіметрычны пік пры 59,1°C. Пакрыты алюміній паказаў два невялікія пікі пры 55,5°C і 61,3°C, што сведчыць аб наяўнасці гідрату сульфату цынку. Розніца ў масе, выяўленая ў эксперыменце, адпавядае 10,9 г/м2 пры тэмпературы дэгідратацыі 150°C.
Як і ў папярэдняй заяўцы53, гідраксіэтылцэлюлоза выкарыстоўвалася ў якасці злучнага рэчыва для паляпшэння адгезіі і стабільнасці сарбентнага пакрыцця. Сумяшчальнасць матэрыялаў і ўплыў на прадукцыйнасць адсарбцыі ацэньваліся метадам ТГА. Аналіз праводзіцца ў адносінах да агульнай масы, г.зн. узор уключае металічную пласціну, якая выкарыстоўваецца ў якасці падкладкі пакрыцця. Адгезія правяраецца выпрабаваннем на аснове выпрабавання на крыжаваны надрэз, вызначанага ў спецыфікацыі ISO2409 (не можа адпавядаць спецыфікацыі падзелу надрэзаў у залежнасці ад таўшчыні і шырыні спецыфікацыі).
Пакрыццё панэляў хларыдам кальцыю (CaCl2) (гл. мал. 8a) прывяло да нераўнамернага размеркавання, чаго не назіралася ў чыстым алюмініевым пакрыцці, якое выкарыстоўвалася для выпрабавання папярочнага надрэзу. У параўнанні з вынікамі для чыстага CaCl2, ТГА (мал. 8b) паказвае два характэрныя пікі, зрушаныя ў бок больш нізкіх тэмператур 40 і 20°C адпаведна. Выпрабаванне папярочнага сячэння не дазваляе правесці аб'ектыўнае параўнанне, паколькі ўзор чыстага CaCl2 (узор справа на мал. 8c) уяўляе сабой парашкападобны асадак, які выдаляе верхнія часціцы. Вынікі HEC паказалі вельмі тонкае і аднастайнае пакрыццё з здавальняючай адгезіяй. Розніца ў масе, паказаная на мал. 8b, адпавядае 51,3 г/м2 на адзінку плошчы адсорбера 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 піка прыблізна 60°C. Гэтая тэмпература адпавядае асноўнаму этапу дэсорбцыі, які назіраецца пры дэгідратацыі чыстых соляў, што ўяўляе сабой яшчэ адзін этап пры 44°C. Гэта адпавядае пераходу ад гексагідрату да пентагідрату і не назіраецца ў выпадку пакрыццяў са звязальнымі рэчывамі. Выпрабаванні папярочнага сячэння паказваюць палепшанае размеркаванне і адгезію ў параўнанні з пакрыццямі, вырабленымі з выкарыстаннем чыстай солі. Розніца ў масе, якая назіраецца пры TGA-DTC, адпавядае 18,4 г/м2 на адзінку плошчы адсорбера пры тэмпературы 150°C.
З-за няроўнасцей паверхні хларыд стронцыю (SrCl2) мае нераўнамернае пакрыццё на рэбрах (мал. 10a). Аднак вынікі выпрабавання на папярочны надрэз паказалі раўнамернае размеркаванне са значна палепшанай адгезіяй (мал. 10c). ТГА-аналіз паказаў вельмі невялікую розніцу ў вазе, што, напэўна, звязана з меншым утрыманнем солі ў параўнанні з металічнай падкладкай. Аднак прыступкі на крывой паказваюць на наяўнасць працэсу дэгідратацыі, хоць пік звязаны з тэмпературай, атрыманай пры характарыстыцы чыстай солі. Пікі пры 110°C і 70,2°C, якія назіраюцца на мал. 10b, былі выяўлены і пры аналізе чыстай солі. Аднак асноўная стадыя дэгідратацыі, якая назіралася ў чыстай солі пры 50°C, не адлюстравалася на крывых з выкарыстаннем звязальнага рэчыва. Наадварот, сумесь звязальных рэчываў паказала два пікі пры 20,2°C і 94,1°C, якія не былі вымераны для чыстай солі (мал. 10b). Пры тэмпературы 150 °C назіраная розніца ў масе адпавядае 7,2 г/м2 на адзінку плошчы адсорбера.
Спалучэнне ГЭК і сульфату цынку (ZnSO4) не дало прымальных вынікаў (малюнак 11). ТГА-аналіз пакрытага металу не выявіў працэсаў дэгідратацыі. Нягледзячы на ​​тое, што размеркаванне і адгезія пакрыцця палепшыліся, яго ўласцівасці ўсё яшчэ далёкія ад аптымальных.
Найпрасцейшы спосаб пакрыцця металічных валокнаў тонкім і аднастайным пластом — вільготная прапітка (мал. 12а), якая ўключае падрыхтоўку мэтавай солі і прапітку металічных валокнаў водным растворам.
Пры падрыхтоўцы да вільготнай насычэння ўзнікаюць дзве асноўныя праблемы. З аднаго боку, павярхоўнае нацяжэнне салянога раствора перашкаджае правільнаму ўключэнню вадкасці ў сітаватую структуру. Крышталізацыю на вонкавай паверхні (мал. 12d) і паветраныя бурбалкі, якія затрымаліся ўнутры структуры (мал. 12c), можна паменшыць толькі шляхам зніжэння павярхоўнага нацяжэння і папярэдняга ўвільгатнення ўзору дыстыляванай вадой. Прымусовае растварэнне ва ўзоры шляхам адкачкі паветра ўнутры або стварэння патоку раствора ў структуры з'яўляюцца іншымі эфектыўнымі спосабамі забеспячэння поўнага запаўнення структуры.
Другой праблемай, з якой сутыкнуліся падчас падрыхтоўкі, было выдаленне плёнкі з часткі солі (гл. мал. 12b). Гэтая з'ява характарызуецца ўтварэннем сухога пакрыцця на паверхні растварэння, якое спыняе канвектыўна стымуляваную сушку і запускае працэс, стымуляваны дыфузіяй. Другі механізм значна павольнейшы за першы. У выніку для разумнага часу сушкі патрабуецца высокая тэмпература, што павялічвае рызыку ўтварэння бурбалак унутры ўзору. Гэтая праблема вырашаецца шляхам увядзення альтэрнатыўнага метаду крышталізацыі, заснаванага не на змене канцэнтрацыі (выпарэнні), а на змене тэмпературы (як у прыкладзе з MgSO4 на мал. 13).
Схематычнае адлюстраванне працэсу крышталізацыі падчас астуджэння і падзелу цвёрдай і вадкай фаз з выкарыстаннем MgSO4.
З дапамогай гэтага метаду можна прыгатаваць насычаныя растворы соляў пры пакаёвай тэмпературы (ПТ) або вышэй за яе. У першым выпадку крышталізацыя была вымушана шляхам паніжэння тэмпературы ніжэй за пакаёвую. У другім выпадку крышталізацыя адбывалася пры астуджэнні ўзору да пакаёвай тэмпературы (КТ). У выніку атрымліваецца сумесь крышталяў (B) і раствораных рэчываў (A), вадкая частка якіх выдаляецца сціснутым паветрам. Гэты падыход не толькі дазваляе пазбегнуць утварэння плёнкі на гэтых гідратах, але і скарачае час, неабходны 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, прадугледжвае непасрэднае атрыманне мэтавых соляў праз хімічныя рэакцыі. Пакрытыя цеплаабменнікі, вырабленыя ў выніку рэакцыі кіслот на металічных паверхнях рэбраў і трубак, маюць шэраг пераваг, як паведамлялася ў нашым папярэднім даследаванні. Ужыванне гэтага метаду да валокнаў прывяло да вельмі дрэнных вынікаў з-за ўтварэння газаў падчас рэакцыі. Ціск бурбалак вадароду назапашваецца ўнутры зонда і змяняецца па меры выкіду прадукту (мал. 14a).
Пакрыццё было мадыфікавана з дапамогай хімічнай рэакцыі для лепшага кантролю таўшчыні і размеркавання пакрыцця. Гэты метад прадугледжвае прапусканне струменя кіслотнага туману праз узор (малюнак 14b). Чакаецца, што гэта прывядзе да аднастайнага пакрыцця ў выніку рэакцыі з металічнай падкладкай. Вынікі былі здавальняючымі, але працэс быў занадта павольным, каб лічыцца эфектыўным метадам (мал. 14c). Скарачэння часу рэакцыі можна дасягнуць лакалізаваным награваннем.
Каб пераадолець недахопы вышэйзгаданых метадаў, быў вывучаны метад нанясення пакрыцця, заснаваны на выкарыстанні клеяў. HEC быў абраны на падставе вынікаў, прадстаўленых у папярэднім раздзеле. Усе ўзоры былі падрыхтаваны з утрыманнем 3% па вазе. Злучнае рэчыва змешваецца з соллю. Валакны былі папярэдне апрацаваны па той жа працэдуры, што і для рэбраў, г.зн. замочваліся ў 50% аб. сернай кіслаце на працягу 15 хвілін, затым замочваліся ў гідраксіде натрыю на працягу 20 секунд, прамываліся ў дыстыляванай вадзе і, нарэшце, замочваліся ў дыстыляванай вадзе на працягу 30 хвілін. У гэтым выпадку перад насычэннем быў дададзены дадатковы этап. Узор ненадоўга апускалі ў разведзены мэтавы раствор солі і сушылі пры тэмпературы прыблізна 60°C. Працэс прызначаны для мадыфікацыі паверхні металу, ствараючы цэнтры зародкаўтварэння, якія паляпшаюць размеркаванне пакрыцця на заключным этапе. Валакнісстая структура мае адзін бок, дзе ніткі танчэйшыя і шчыльна ўпакаваныя, і процілеглы бок, дзе ніткі таўсцейшыя і менш размеркаваныя. Гэта вынік 52 вытворчых працэсаў.
Вынікі для хларыду кальцыю (CaCl2) падсумаваны і праілюстраваны малюнкамі ў Табліцы 1. Добрае пакрыццё пасля інакуляцыі. Нават тыя ніткі без бачных крышталяў на паверхні мелі зніжаныя металічныя водбліскі, што сведчыць аб змене аздаблення. Аднак пасля таго, як узоры былі прасякнуты воднай сумессю CaCl2 і HEC і высушаны пры тэмпературы каля 60°C, пакрыцці сканцэнтраваліся ў месцах скрыжавання структур. Гэты эфект выкліканы павярхоўным нацяжэннем раствора. Пасля замочвання вадкасць застаецца ўнутры ўзору з-за свайго павярхоўнага нацяжэння. У асноўным гэта адбываецца ў месцах скрыжавання структур. Лепшы бок узору мае некалькі адтулін, запоўненых соллю. Вага пасля пакрыцця павялічылася на 0,06 г/см3.
Пакрыццё сульфатам магнію (MgSO4) прывяло да атрымання большай колькасці солі на адзінку аб'ёму (табліца 2). У гэтым выпадку вымераны прырост складае 0,09 г/см3. Працэс засеву прывёў да шырокага пакрыцця ўзору. Пасля працэсу пакрыцця соль блакуе вялікія плошчы тонкага боку ўзору. Акрамя таго, некаторыя ўчасткі матавага матэрыялу заблакаваны, але некаторая сітаватасць захавана. У гэтым выпадку ўтварэнне солі лёгка назіраецца на скрыжаванні структур, што пацвярджае, што працэс пакрыцця ў асноўным абумоўлены павярхоўным нацяжэннем вадкасці, а не ўзаемадзеяннем паміж соллю і металічнай падкладкай.
Вынікі для камбінацыі хларыду стронцыю (SrCl2) і HEC паказалі падобныя ўласцівасці да папярэдніх прыкладаў (табліца 3). У гэтым выпадку больш тонкі бок узору амаль цалкам пакрыты. Бачныя толькі асобныя пары, якія ўтварыліся падчас сушкі ў выніку выдзялення пары з узору. Малюнак, які назіраецца на матавым баку, вельмі падобны на папярэдні выпадак, зона заблакаваная соллю, і валокны пакрытыя не цалкам.
Каб ацаніць станоўчы ўплыў валакністай структуры на цеплавыя характарыстыкі цеплаабменніка, была вызначана эфектыўная цеплаправоднасць пакрытай валакністай структуры і параўнана з чыстым пакрывальным матэрыялам. Цеплаправоднасць вымяралася ў адпаведнасці з ASTM D 5470-2017 з выкарыстаннем плоскапанэльнай прылады, паказанай на малюнку 15a, з выкарыстаннем эталоннага матэрыялу з вядомай цеплаправоднасцю. У параўнанні з іншымі метадамі вымярэнняў у пераходных рэжымах, гэты прынцып з'яўляецца выгадным для порыстых матэрыялаў, якія выкарыстоўваюцца ў дадзеным даследаванні, паколькі вымярэнні выконваюцца ў стацыянарным стане і з дастатковым памерам узору (плошча асновы 30 × 30 мм2, вышыня прыблізна 15 мм). Узоры чыстага пакрывальнага матэрыялу (эталону) і пакрытай валакністай структуры былі падрыхтаваны для вымярэнняў у кірунку валакна і перпендыкулярна кірунку валакна, каб ацаніць уплыў анізатропнай цеплаправоднасці. Узоры былі адшліфаваны на паверхні (зерністасць P320), каб мінімізаваць уплыў шурпатасці паверхні з-за падрыхтоўкі ўзору, якая не адлюстроўвае структуру ўнутры ўзору.