Благодарим ви, че посетихте Nature.com.Версията на браузъра, която използвате, има ограничена поддръжка на CSS.За най-добро изживяване ви препоръчваме да използвате актуализиран браузър (или да деактивирате режима на съвместимост в Internet Explorer).Междувременно, за да осигурим постоянна поддръжка, ние ще визуализираме сайта без стилове и JavaScript.
Пазарният дял на адсорбционните хладилни системи и термопомпи все още е относително малък в сравнение с традиционните компресорни системи.Въпреки огромното предимство на използването на евтина топлина (вместо скъпа електрическа работа), внедряването на системи, базирани на принципите на адсорбция, все още е ограничено до няколко специфични приложения.Основният недостатък, който трябва да бъде премахнат, е намаляването на специфичната мощност поради ниската топлопроводимост и ниската стабилност на адсорбента.Съвременните търговски адсорбционни хладилни системи се основават на адсорбери, базирани на пластинчати топлообменници, покрити за оптимизиране на охлаждащия капацитет.Резултатите са добре известни, че намаляването на дебелината на покритието води до намаляване на импеданса на масовия пренос, а увеличаването на съотношението повърхностна площ към обем на проводимите структури увеличава мощността без компромис с ефективността.Металните влакна, използвани в тази работа, могат да осигурят специфична повърхностна площ в диапазона от 2500–50 000 m2/m3.Три метода за получаване на много тънки, но стабилни покрития от солни хидрати върху метални повърхности, включително метални влакна, за производството на покрития демонстрират за първи път топлообменник с висока плътност на мощността.Повърхностната обработка на базата на анодизиране на алуминий е избрана за създаване на по-здрава връзка между покритието и субстрата.Микроструктурата на получената повърхност се анализира с помощта на сканираща електронна микроскопия.Използвани са инфрачервена спектроскопия с намалено пълно отражение с трансформация на Фурие и енергийно дисперсионна рентгенова спектроскопия, за да се провери наличието на желаните видове в анализа.Способността им да образуват хидрати беше потвърдена чрез комбиниран термогравиметричен анализ (TGA)/диференциален термогравиметричен анализ (DTG).Лошо качество над 0,07 g (вода)/g (композит) беше открито в MgSO4 покритието, показващо признаци на дехидратация при около 60 °C и възпроизводими след рехидратиране.Положителни резултати бяха получени и със SrCl2 и ZnSO4 с масова разлика от около 0,02 g/g под 100 °C.Хидроксиетилцелулозата е избрана като добавка за повишаване на стабилността и адхезията на покритието.Адсорбционните свойства на продуктите бяха оценени чрез едновременен TGA-DTG и тяхната адхезия беше характеризирана с метод, базиран на тестовете, описани в ISO2409.Консистенцията и адхезията на CaCl2 покритието са значително подобрени, като същевременно се запазва неговият адсорбционен капацитет с разлика в теглото от около 0,1 g/g при температури под 100 °C.В допълнение, MgSO4 запазва способността да образува хидрати, показвайки масова разлика от повече от 0,04 g/g при температури под 100 °C.Накрая се изследват метални влакна с покритие.Резултатите показват, че ефективната топлопроводимост на влакнеста структура, покрита с Al2(SO4)3, може да бъде 4,7 пъти по-висока в сравнение с обема на чистия Al2(SO4)3.Покритието на изследваните покрития беше изследвано визуално и вътрешната структура беше оценена с помощта на микроскопско изображение на напречните сечения.Беше получено покритие от Al2(SO4)3 с дебелина около 50 µm, но цялостният процес трябва да бъде оптимизиран, за да се постигне по-равномерно разпределение.
Адсорбционните системи привлякоха голямо внимание през последните няколко десетилетия, тъй като осигуряват екологична алтернатива на традиционните термопомпи с компресия или хладилни системи.С нарастващите стандарти за комфорт и глобалните средни температури, адсорбционните системи могат да намалят зависимостта от изкопаемите горива в близко бъдеще.В допълнение, всички подобрения в адсорбционното охлаждане или термопомпи могат да бъдат прехвърлени към съхранение на топлинна енергия, което представлява допълнително увеличение на потенциала за ефективно използване на първичната енергия.Основното предимство на адсорбционните термопомпи и хладилни системи е, че те могат да работят с ниска топлинна маса.Това ги прави подходящи за нискотемпературни източници като слънчева енергия или отпадна топлина.По отношение на приложенията за съхранение на енергия, адсорбцията има предимството на по-висока енергийна плътност и по-малко разсейване на енергия в сравнение с разумното или латентно съхранение на топлина.
Адсорбционните термопомпи и хладилните системи следват същия термодинамичен цикъл като техните колеги за компресиране на пара.Основната разлика е замяната на компонентите на компресора с адсорбери.Елементът е способен да адсорбира парите на хладилния агент с ниско налягане при умерени температури, като изпарява повече хладилен агент дори когато течността е студена.Необходимо е да се осигури постоянно охлаждане на адсорбера, за да се изключи енталпията на адсорбция (екзотермия).Адсорберът се регенерира при висока температура, което води до десорбиране на парите на хладилния агент.Нагряването трябва да продължи, за да осигури енталпията на десорбция (ендотермична).Тъй като процесите на адсорбция се характеризират с температурни промени, високата плътност на мощността изисква висока топлопроводимост.Ниската топлопроводимост обаче е основният недостатък в повечето приложения.
Основният проблем на проводимостта е да се увеличи нейната средна стойност, като същевременно се запази транспортният път, който осигурява потока на адсорбционните/десорбционните пари.Обикновено се използват два подхода за постигане на това: композитни топлообменници и топлообменници с покритие.Най-популярните и успешни композитни материали са тези, които използват добавки на базата на въглерод, а именно експандиран графит, активен въглен или въглеродни влакна.Оливейра и др.2 импрегниран експандиран графитен прах с калциев хлорид за производство на адсорбер със специфичен охлаждащ капацитет (SCP) до 306 W/kg и коефициент на ефективност (COP) до 0,46.Zajaczkowski и др.3 предлага комбинация от експандиран графит, въглеродни влакна и калциев хлорид с обща проводимост от 15 W/mK.Jian et al4 тестваха композити с третиран със сярна киселина разширен естествен графит (ENG-TSA) като субстрат в двуетапен цикъл на адсорбционно охлаждане.Моделът прогнозира COP от 0,215 до 0,285 и SCP от 161,4 до 260,74 W/kg.
Досега най-жизнеспособното решение е топлообменникът с покритие.Механизмите за покритие на тези топлообменници могат да бъдат разделени на две категории: директен синтез и лепила.Най-успешният метод е директният синтез, който включва образуването на адсорбиращи материали директно върху повърхността на топлообменниците от съответните реагенти.Sotech5 патентова метод за синтезиране на зеолит с покритие за използване в серия охладители, произведени от Fahrenheit GmbH.Schnabel et al6 тестваха работата на два зеолита, покрити върху неръждаема стомана.Този метод обаче работи само със специфични адсорбенти, което прави покритието с лепила интересна алтернатива.Свързващите вещества са пасивни вещества, избрани да поддържат адхезията на сорбента и/или трансфера на маса, но не играят роля в адсорбцията или повишаването на проводимостта.Freni и др.7 алуминиеви топлообменника с покритие със зеолит AQSOA-Z02, стабилизиран със свързващо вещество на основата на глина.Calabrese et al.8 изследваха получаването на зеолитни покрития с полимерни свързващи вещества.Ammann et al.9 предложиха метод за получаване на порести зеолитни покрития от магнитни смеси от поливинил алкохол.Двуалуминиевият оксид (алуминиев оксид) също се използва като свързващо вещество 10 в адсорбера.Доколкото ни е известно, целулозата и хидроксиетилцелулозата се използват само в комбинация с физически адсорбенти11,12.Понякога лепилото не се използва за боя, а се използва за изграждане на структурата 13 самостоятелно.Комбинацията от алгинатни полимерни матрици с множество солеви хидрати образува гъвкави композитни перлени структури, които предотвратяват изтичане по време на сушене и осигуряват адекватен масов трансфер.Глини като бентонит и атапулгит са използвани като свързващи вещества за получаването на композити15,16,17.Етилцелулозата се използва за микрокапсулиране на калциев хлорид18 или натриев сулфид19.
Композитите с пореста метална структура могат да бъдат разделени на топлообменници с добавки и топлообменници с покритие.Предимството на тези структури е високата специфична повърхност.Това води до по-голяма контактна повърхност между адсорбент и метал без добавяне на инертна маса, което намалява общата ефективност на хладилния цикъл.Ланг и др.20 са подобрили общата проводимост на зеолитен адсорбер с алуминиева пчелна пита.Gillerminot и др.21 подобри топлопроводимостта на NaX зеолитните слоеве с медна и никелова пяна.Въпреки че композитите се използват като материали с фазова промяна (PCM), констатациите на Li et al.22 и Zhao et al.23 също представляват интерес за хемосорбцията.Те сравняват ефективността на експандирания графит и металната пяна и стигат до заключението, че последната е за предпочитане само ако корозията не е проблем.Паломба и др.наскоро сравниха други метални порести структури24.Ван дер Пал и др.са изследвали метални соли, включени в пени 25 .Всички предишни примери съответстват на плътни слоеве адсорбенти на частици.Металните порести структури практически не се използват за покриване на адсорбери, което е по-оптимално решение.Пример за свързване със зеолити може да се намери в Wittstadt et al.26, но не е правен опит за свързване на солни хидрати, въпреки тяхната по-висока енергийна плътност 27.
По този начин в тази статия ще бъдат изследвани три метода за приготвяне на адсорбиращи покрития: (1) свързващо покритие, (2) директна реакция и (3) повърхностна обработка.Хидроксиетилцелулозата беше избраното свързващо вещество в тази работа поради докладваната по-рано стабилност и добра адхезия на покритието в комбинация с физически адсорбенти.Този метод първоначално е изследван за плоски покрития и по-късно е приложен към структури от метални влакна.По-рано беше докладван предварителен анализ на възможността за химични реакции с образуването на адсорбиращи покрития.Предишният опит сега се пренася към покритието на конструкции от метални влакна.Повърхностната обработка, избрана за тази работа, е метод, базиран на анодизиране на алуминий.Анодирането на алуминий се комбинира успешно с метални соли за естетически цели29.В тези случаи могат да се получат много стабилни и устойчиви на корозия покрития.Те обаче не могат да извършват никакъв процес на адсорбция или десорбция.Тази статия представя вариант на този подход, който позволява масата да бъде преместена, като се използват адхезивните свойства на оригиналния процес.Доколкото ни е известно, нито един от описаните тук методи не е проучван преди това.Те представляват много интересна нова технология, тъй като позволяват образуването на хидратирани адсорбентни покрития, които имат редица предимства пред често изследваните физически адсорбенти.
Щампованите алуминиеви плочи, използвани като субстрати за тези експерименти, бяха предоставени от ALINVEST Břidličná, Чешка република.Те съдържат 98,11% алуминий, 1,3622% желязо, 0,3618% манган и следи от мед, магнезий, силиций, титан, цинк, хром и никел.
Материалите, избрани за производството на композити, се избират в съответствие с техните термодинамични свойства, а именно в зависимост от количеството вода, което могат да адсорбират/десорбират при температури под 120°C.
Магнезиевият сулфат (MgSO4) е една от най-интересните и изследвани хидратирани соли30,31,32,33,34,35,36,37,38,39,40,41.Термодинамичните свойства са измервани систематично и е установено, че са подходящи за приложения в областта на адсорбционното охлаждане, термопомпи и съхранение на енергия.Използва се сух магнезиев сулфат CAS-Nr.7487-88-9 99% (Grüssing GmbH, Filsum, Niedersachsen, Германия).
Калциевият хлорид (CaCl2) (H319) е друга добре проучена сол, тъй като неговият хидрат има интересни термодинамични свойства41,42,43,44.Калциев хлорид хексахидрат CAS-No.7774-34-7 97% използван (Grüssing, GmbH, Filsum, Niedersachsen, Германия).
Цинковият сулфат (ZnSO4) (H3O2, H318, H410) и неговите хидрати имат термодинамични свойства, подходящи за нискотемпературни адсорбционни процеси45,46.Използван е цинков сулфат хептахидрат CAS-Nr.7733-02-0 99,5% (Grüssing GmbH, Filsum, Niedersachsen, Германия).
Стронциевият хлорид (SrCl2) (H318) също има интересни термодинамични свойства4,45,47, въпреки че често се комбинира с амоняк в адсорбционни термопомпи или изследвания за съхранение на енергия.За синтеза е използван стронциев хлорид хексахидрат CAS-Nr.10.476-85-4 99.0–102.0% (Sigma Aldrich, St. Louis, Missouri, USA).
Медният сулфат (CuSO4) (H302, H315, H319, H410) не е сред хидратите, които често се срещат в професионалната литература, въпреки че неговите термодинамични свойства представляват интерес за приложения при ниски температури48,49.За синтеза се използва меден сулфат CAS-Nr.7758-99-8 99% (Sigma Aldrich, St. Louis, MO, USA).
Магнезиевият хлорид (MgCl2) е една от хидратираните соли, която наскоро получи повече внимание в областта на съхранението на топлинна енергия50,51.Магнезиев хлорид хексахидрат CAS-Nr.7791-18-6 чист фармацевтичен клас (Applichem GmbH., Darmstadt, Германия) беше използван за експериментите.
Както бе споменато по-горе, хидроксиетилцелулозата беше избрана поради положителните резултати при подобни приложения.Материалът, използван в нашия синтез, е хидроксиетилцелулоза CAS-Nr 9004-62-0 (Sigma Aldrich, St. Louis, MO, USA).
Металните влакна са направени от къси жици, свързани заедно чрез компресия и синтероване, процес, известен като екстракция от стопилка в тигел (CME)52.Това означава, че тяхната топлопроводимост зависи не само от обемната проводимост на металите, използвани при производството и порьозността на крайната структура, но и от качеството на връзките между нишките.Влакната не са изотропни и са склонни да се разпределят в определена посока по време на производството, което прави топлопроводимостта в напречна посока много по-ниска.
Водопоглъщащите свойства бяха изследвани с помощта на едновременен термогравиметричен анализ (TGA)/диференциален термогравиметричен анализ (DTG) във вакуумна опаковка (Netzsch TG 209 F1 Libra).Измерванията се извършват в течаща азотна атмосфера при скорост на потока от 10 ml/min и температурен диапазон от 25 до 150°C в тигели от алуминиев оксид.Скоростта на нагряване е 1 ° C / min, теглото на пробата варира от 10 до 20 mg, разделителната способност е 0, 1 μg.В тази работа трябва да се отбележи, че масовата разлика на единица повърхност има голяма несигурност.Пробите, използвани в TGA-DTG, са много малки и неравномерно изрязани, което прави определянето на тяхната площ неточно.Тези стойности могат да бъдат екстраполирани към по-голяма площ само ако се вземат предвид големи отклонения.
Инфрачервени спектри на атенюирано пълно отражение на трансформация на Фурие (ATR-FTIR) бяха получени на спектрометър Bruker Vertex 80 v FTIR (Bruker Optik GmbH, Лайпциг, Германия), използвайки ATR платинен аксесоар (Bruker Optik GmbH, Германия).Спектрите на чисти сухи диамантени кристали бяха измерени директно във вакуум, преди да се използват пробите като фон за експериментални измервания.Пробите бяха измерени във вакуум, използвайки спектрална разделителна способност от 2 cm-1 и среден брой сканирания от 32. Диапазонът на вълновото число е от 8000 до 500 cm-1.Спектрален анализ се извършва с помощта на програмата OPUS.
SEM анализът беше извършен с помощта на DSM 982 Gemini от Zeiss при ускоряващи напрежения от 2 и 5 kV.Енергийно дисперсионната рентгенова спектроскопия (EDX) беше извършена с помощта на Thermo Fischer System 7 с Peltier охладен силициев дрейф детектор (SSD).
Подготовката на метални плочи се извършва съгласно процедурата, подобна на описаната в 53. Първо, потопете плочата в 50% сярна киселина.15 минути.След това те бяха въведени в 1 М разтвор на натриев хидроксид за около 10 секунди.След това пробите се промиват с голямо количество дестилирана вода и след това се накисват в дестилирана вода за 30 минути.След предварителна повърхностна обработка, пробите се потапят в 3% наситен разтвор.HEC и целева сол.Накрая ги извадете и ги изсушете на 60°C.
Методът на анодизиране подобрява и укрепва естествения оксиден слой върху пасивния метал.Алуминиевите панели бяха анодизирани със сярна киселина в закалено състояние и след това запечатани в гореща вода.Анодирането последва първоначално ецване с 1 mol/l NaOH (600 s), последвано от неутрализация в 1 mol/l HNO3 (60 s).Електролитният разтвор е смес от 2,3 M H2SO4, 0,01 M Al2(SO4)3 и 1 M MgSO4 + 7H2O.Анодирането се извършва при (40 ± 1)°C, 30 mA/cm2 за 1200 секунди.Процесът на запечатване се извършва в различни солеви разтвори, както е описано в материалите (MgSO4, CaCl2, ZnSO4, SrCl2, CuSO4, MgCl2).Пробата се вари в него за 1800 секунди.
Изследвани са три различни метода за производство на композити: адхезивно покритие, директна реакция и повърхностна обработка.Систематично се анализират и обсъждат предимствата и недостатъците на всеки метод на обучение.Директно наблюдение, наноизображение и химичен/елементен анализ бяха използвани за оценка на резултатите.
Анодирането беше избрано като метод за преобразуване на повърхността за увеличаване на адхезията на солните хидрати.Тази повърхностна обработка създава пореста структура от алуминиев оксид (алуминиев оксид) директно върху алуминиевата повърхност.Традиционно този метод се състои от два етапа: първият етап създава пореста структура от алуминиев оксид, а вторият етап създава покритие от алуминиев хидроксид, което затваря порите.Следват два метода за блокиране на солта, без да се блокира достъпът до газовата фаза.Първият се състои от система тип пчелна пита, използваща малки тръби от алуминиев оксид (Al2O3), получени в първия етап, за задържане на кристалите на адсорбента и увеличаване на адхезията му към метални повърхности.Получените пчелни пити имат диаметър около 50 nm и дължина 200 nm (фиг. 1а).Както бе споменато по-рано, тези кухини обикновено се затварят във втора стъпка с тънък слой Al2O(OH)2 бемит, поддържан от процеса на кипене в тръба с алуминиев оксид.При втория метод този процес на запечатване се модифицира по такъв начин, че солните кристали се улавят в равномерно покриващ слой от бемит (Al2O(OH)), който в този случай не се използва за запечатване.Вторият етап се провежда в наситен разтвор на съответната сол.Описаните модели са с размери в диапазона 50–100 nm и приличат на пръснати капки (фиг. 1b).Повърхността, получена в резултат на процеса на запечатване, има ясно изразена пространствена структура с увеличена контактна площ.Този повърхностен модел, заедно с многото им конфигурации на свързване, е идеален за носене и задържане на солни кристали.И двете описани структури изглеждат наистина порести и имат малки кухини, които изглеждат добре подходящи за задържане на солни хидрати и адсорбиране на пари към солта по време на работа на адсорбера.Елементният анализ на тези повърхности с помощта на EDX обаче може да открие следи от магнезий и сяра върху повърхността на бемит, които не се откриват в случай на повърхност от алуминиев оксид.
ATR-FTIR на пробата потвърди, че елементът е магнезиев сулфат (виж Фигура 2b).Спектърът показва характерни пикове на сулфатни йони при 610–680 и 1080–1130 cm–1 и характерни пикове на решетъчна вода при 1600–1700 cm–1 и 3200–3800 cm–1 (виж Фиг. 2a, c).).Наличието на магнезиеви йони почти не променя спектъра54.
( a ) EDX на покрита с бемит алуминиева плоча MgSO4, ( b ) ATR-FTIR спектри на покрития от бемит и MgSO4, ( c ) ATR-FTIR спектри на чист MgSO4.
Поддържането на ефективността на адсорбция беше потвърдено от TGA.На фиг.3b показва пик на десорбция от прибл.60°C.Този пик не съответства на температурата на двата пика, наблюдавани в TGA на чиста сол (фиг. 3а).Повторяемостта на цикъла на адсорбция-десорбция беше оценена и същата крива беше наблюдавана след поставяне на пробите във влажна атмосфера (фиг. 3в).Разликите, наблюдавани във втория етап на десорбция, може да са резултат от дехидратация в течаща атмосфера, тъй като това често води до непълна дехидратация.Тези стойности съответстват на приблизително 17,9 g/m2 при първото обезводняване и 10,3 g/m2 при второто обезводняване.
Сравнение на TGA анализ на бемит и MgSO4: TGA анализ на чист MgSO4 (a), смес (b) и след рехидратиране (c).
Същият метод се провежда с калциев хлорид като адсорбент.Резултатите са представени на Фигура 4. Визуалната проверка на повърхността разкрива незначителни промени в металното сияние.Козината едва се вижда.SEM потвърди наличието на малки кристали, равномерно разпределени по повърхността.TGA обаче не показва дехидратация под 150°C.Това може да се дължи на факта, че делът на солта е твърде малък в сравнение с общата маса на субстрата за откриване чрез TGA.
Резултатите от повърхностната обработка на покритието от меден сулфат по метода на анодизиране са показани на фиг.5. В този случай очакваното включване на CuSO4 в структурата на Al оксид не се случи.Вместо това се наблюдават разхлабени игли, тъй като те обикновено се използват за меден хидроксид Cu(OH)2, използван с типичните тюркоазени багрила.
Анодизираната повърхностна обработка също беше тествана в комбинация със стронциев хлорид.Резултатите показват неравномерно покритие (вижте Фигура 6а).За да се определи дали солта покрива цялата повърхност, беше извършен EDX анализ.Кривата за точка в сивата зона (точка 1 на фиг. 6b) показва малко стронций и много алуминий.Това показва ниско съдържание на стронций в измерваната зона, което от своя страна показва ниско покритие на стронциев хлорид.Обратно, белите области имат високо съдържание на стронций и ниско съдържание на алуминий (точки 2–6 на фиг. 6b).EDX анализът на бялата област показва по-тъмни точки (точки 2 и 4 на фиг. 6b), с ниско съдържание на хлор и високо съдържание на сяра.Това може да показва образуването на стронциев сулфат.По-ярките точки отразяват високо съдържание на хлор и ниско съдържание на сяра (точки 3, 5 и 6 на фиг. 6b).Това може да се обясни с факта, че основната част от бялото покритие се състои от очаквания стронциев хлорид.TGA на пробата потвърждава тълкуването на анализа с пик при характерната температура на чистия стронциев хлорид (фиг. 6c).Тяхната малка стойност може да бъде оправдана с малка част от солта в сравнение с масата на металната опора.Десорбционната маса, определена в експериментите, съответства на количеството от 7,3 g/m2, отделено на единица площ на адсорбера при температура 150°C.
Обработени с Eloxal покрития с цинков сулфат също бяха тествани.Макроскопски покритието е много тънък и равномерен слой (фиг. 7а).SEM обаче разкрива повърхностна площ, покрита с малки кристали, разделени от празни зони (фиг. 7b).TGA на покритието и субстрата беше сравнен с този на чиста сол (Фигура 7в).Чистата сол има един асиметричен пик при 59,1°C.Покритият алуминий показва два малки пика при 55,5°C и 61,3°C, което показва наличието на цинков сулфат хидрат.Масовата разлика, разкрита в експеримента, съответства на 10,9 g/m2 при температура на дехидратация от 150°C.
Както в предишното приложение53, хидроксиетилцелулозата беше използвана като свързващо вещество за подобряване на адхезията и стабилността на покритието на сорбента.Съвместимостта на материала и ефектът върху ефективността на адсорбция беше оценен чрез TGA.Анализът се извършва по отношение на общата маса, т.е. пробата включва метална плоча, използвана като субстрат за покритие.Адхезията се тества чрез тест, базиран на теста за кръстосани прорези, дефиниран в спецификацията ISO2409 (не може да изпълни спецификацията за разделяне на прорези в зависимост от дебелината и ширината на спецификацията).
Покриването на панелите с калциев хлорид (CaCl2) (виж Фиг. 8а) доведе до неравномерно разпределение, което не се наблюдава при чистото алуминиево покритие, използвано за теста с напречен прорез.В сравнение с резултатите за чист CaCl2, TGA (фиг. 8b) показва два характерни пика, изместени към по-ниски температури от 40 и 20°C, съответно.Тестът на напречното сечение не позволява обективно сравнение, тъй като чистата проба CaCl2 (проба вдясно на фиг. 8c) е прахообразна утайка, която премахва най-горните частици.Резултатите от HEC показват много тънко и равномерно покритие със задоволителна адхезия.Масовата разлика, показана на фиг.8b съответства на 51,3 g/m2 на единица площ на адсорбера при температура 150°C.
Положителни резултати по отношение на адхезията и еднородността са получени и с магнезиев сулфат (MgSO4) (виж Фиг. 9).Анализът на процеса на десорбция на покритието показа наличието на един пик от прибл.60°C.Тази температура съответства на основния етап на десорбция, наблюдаван при дехидратацията на чисти соли, представляващ друг етап при 44°C.Съответства на прехода от хексахидрат към пентахидрат и не се наблюдава при покрития със свързващи вещества.Тестовете на напречно сечение показват подобрено разпределение и адхезия в сравнение с покрития, направени с помощта на чиста сол.Масовата разлика, наблюдавана при TGA-DTC, съответства на 18,4 g/m2 на единица площ на адсорбера при температура 150°C.
Поради повърхностни неравности, стронциевият хлорид (SrCl2) има неравномерно покритие върху ребрата (фиг. 10а).Въпреки това, резултатите от теста с напречен прорез показват равномерно разпределение със значително подобрена адхезия (фиг. 10с).TGA анализът показа много малка разлика в теглото, което трябва да се дължи на по-ниското съдържание на сол в сравнение с металния субстрат.Въпреки това стъпките на кривата показват наличието на процес на дехидратация, въпреки че пикът е свързан с температурата, получена при характеризиране на чистата сол.Пиковете при 110°C и 70.2°C, наблюдавани на фиг.10b също са открити при анализ на чиста сол.Въпреки това, основният етап на дехидратация, наблюдаван в чиста сол при 50°C, не е отразен в кривите, използващи свързващото вещество.Обратно, свързващата смес показва два пика при 20,2°C и 94,1°C, които не са измерени за чистата сол (фиг. 10b).При температура от 150 °C наблюдаваната масова разлика съответства на 7,2 g/m2 на единица площ на адсорбера.
Комбинацията от HEC и цинков сулфат (ZnSO4) не дава приемливи резултати (Фигура 11).TGA анализът на покрития метал не разкрива процеси на дехидратация.Въпреки че разпределението и адхезията на покритието са се подобрили, неговите свойства все още са далеч от оптималните.
Най-простият начин за покриване на метални влакна с тънък и равномерен слой е мокрото импрегниране (фиг. 12а), което включва подготовка на целевата сол и импрегниране на метални влакна с воден разтвор.
При подготовката за мокро импрегниране се срещат два основни проблема.От една страна, повърхностното напрежение на физиологичния разтвор предотвратява правилното вграждане на течността в порестата структура.Кристализацията на външната повърхност (фиг. 12d) и въздушните мехурчета, уловени вътре в структурата (фиг. 12c), могат да бъдат намалени само чрез понижаване на повърхностното напрежение и предварително намокряне на пробата с дестилирана вода.Принудителното разтваряне в пробата чрез евакуиране на въздуха вътре или чрез създаване на поток от разтвор в структурата са други ефективни начини за осигуряване на пълно запълване на структурата.
Вторият проблем, възникнал по време на подготовката, беше отстраняването на филма от част от солта (виж Фиг. 12b).Това явление се характеризира с образуването на сухо покритие върху повърхността на разтваряне, което спира конвективно стимулираното сушене и стартира процеса, стимулиран от дифузия.Вторият механизъм е много по-бавен от първия.В резултат на това е необходима висока температура за разумно време за сушене, което увеличава риска от образуване на мехурчета в пробата.Този проблем се решава чрез въвеждане на алтернативен метод на кристализация, основан не на промяна на концентрацията (изпаряване), а на промяна на температурата (както в примера с MgSO4 на фиг. 13).
Схематично представяне на процеса на кристализация при охлаждане и разделяне на твърда и течна фази с помощта на MgSO4.
Наситените солеви разтвори могат да се приготвят при или над стайна температура (НТ), като се използва този метод.В първия случай кристализацията беше принудена чрез понижаване на температурата под стайната.Във втория случай, кристализация настъпва, когато пробата се охлади до стайна температура (RT).Резултатът е смес от кристали (В) и разтворени (А), чиято течна част се отстранява от сгъстен въздух.Този подход не само избягва образуването на филм върху тези хидрати, но също така намалява времето, необходимо за подготовката на други композити.Отстраняването на течността чрез сгъстен въздух обаче води до допълнителна кристализация на солта, което води до по-дебело покритие.
Друг метод, който може да се използва за покриване на метални повърхности, включва директното производство на целеви соли чрез химични реакции.Топлообменниците с покритие, направени от реакцията на киселини върху металните повърхности на ребрата и тръбите, имат редица предимства, както беше докладвано в нашето предишно проучване.Прилагането на този метод към влакната доведе до много лоши резултати поради образуването на газове по време на реакцията.Налягането на мехурчетата водороден газ се натрупва вътре в сондата и се измества, докато продуктът се изхвърля (фиг. 14а).
Покритието е модифицирано чрез химическа реакция за по-добър контрол на дебелината и разпределението на покритието.Този метод включва преминаване на поток от киселинна мъгла през пробата (Фигура 14b).Очаква се това да доведе до равномерно покритие чрез реакция с метала на субстрата.Резултатите бяха задоволителни, но процесът беше твърде бавен, за да се счита за ефективен метод (фиг. 14c).Чрез локализирано нагряване могат да се постигнат по-кратки времена за реакция.
За да се преодолеят недостатъците на горните методи, е проучен метод за нанасяне на покритие, базиран на използването на лепила.HEC беше избран въз основа на резултатите, представени в предишния раздел.Всички проби бяха приготвени при 3% тегл.Свързващото вещество се смесва със сол.Влакната бяха предварително обработени съгласно същата процедура, както за ребрата, т.е. накиснати в 50% vol.в рамките на 15 минути.сярна киселина, след това се накисва в натриев хидроксид за 20 секунди, промива се в дестилирана вода и накрая се накисва в дестилирана вода за 30 минути.В този случай беше добавена допълнителна стъпка преди импрегнирането.Потопете пробата за кратко в разреден целеви солев разтвор и изсушете при приблизително 60°C.Процесът е предназначен да модифицира повърхността на метала, създавайки места за нуклеация, които подобряват разпределението на покритието в крайния етап.Влакнестата структура има една страна, където нишките са по-тънки и плътно опаковани, и противоположната страна, където нишките са по-дебели и по-слабо разпределени.Това е резултат от 52 производствени процеса.
Резултатите за калциев хлорид (CaCl2) са обобщени и илюстрирани със снимки в таблица 1. Добро покритие след инокулация.Дори тези нишки без видими кристали на повърхността имат намалени метални отражения, което показва промяна в покритието.Въпреки това, след като пробите бяха импрегнирани с водна смес от CaCl2 и HEC и изсушени при температура от около 60 ° C, покритията бяха концентрирани в пресечните точки на структурите.Това е ефект, причинен от повърхностното напрежение на разтвора.След накисване течността остава вътре в пробата поради нейното повърхностно напрежение.По принцип това се случва в пресечната точка на структури.Най-добрата страна на екземпляра има няколко дупки, пълни със сол.Теглото се увеличава с 0,06 g/cm3 след нанасяне на покритие.
Покриването с магнезиев сулфат (MgSO4) произвежда повече сол на единица обем (Таблица 2).В този случай измереното увеличение е 0,09 g/cm3.Процесът на засяване доведе до широко покритие на пробите.След процеса на нанасяне на покритие солта блокира големи участъци от тънката страна на пробата.Освен това някои участъци от матовото покритие са блокирани, но част от порьозността се запазва.В този случай образуването на сол лесно се наблюдава в пресечната точка на структурите, което потвърждава, че процесът на нанасяне на покритие се дължи главно на повърхностното напрежение на течността, а не на взаимодействието между солта и металния субстрат.
Резултатите за комбинацията от стронциев хлорид (SrCl2) и HEC показаха подобни свойства на предишните примери (Таблица 3).В този случай по-тънката страна на пробата е почти напълно покрита.Виждат се само отделни пори, образувани при сушенето в резултат на отделянето на пара от пробата.Моделът, наблюдаван от матовата страна, е много подобен на предишния случай, зоната е блокирана със сол и влакната не са напълно покрити.
За да се оцени положителният ефект на влакнестата структура върху топлинните характеристики на топлообменника, ефективната топлопроводимост на покритата влакнеста структура беше определена и сравнена с чистия покривен материал.Топлинната проводимост беше измерена съгласно ASTM D 5470-2017, като се използва устройство с плосък панел, показано на Фигура 15а, като се използва референтен материал с известна топлопроводимост.В сравнение с други преходни методи за измерване, този принцип е изгоден за порести материали, използвани в настоящото изследване, тъй като измерванията се извършват в стабилно състояние и с достатъчен размер на пробата (основна площ 30 × 30 mm2, височина приблизително 15 mm).Бяха подготвени проби от чистия покривен материал (референтен) и структурата на покритите влакна за измервания в посоката на влакното и перпендикулярно на посоката на влакното, за да се оцени ефектът на анизотропната топлопроводимост.Образците бяха шлифовани върху повърхността (P320 песъчинки), за да се сведе до минимум ефектът от грапавостта на повърхността, дължаща се на подготовката на образеца, която не отразява структурата в образеца.