Hvala vam što ste posjetili Nature.com. Verzija preglednika koju koristite ima ograničenu podršku za CSS. Za najbolje iskustvo, preporučujemo da koristite ažurirani preglednik (ili da onemogućite način kompatibilnosti u Internet Exploreru). U međuvremenu, kako bismo osigurali kontinuiranu podršku, prikazat ćemo stranicu bez stilova i JavaScripta.
Tržišni udio adsorpcijskih rashladnih sistema i toplotnih pumpi je još uvijek relativno mali u poređenju sa tradicionalnim kompresorskim sistemima. Uprkos ogromnoj prednosti korištenja jeftine toplote (umjesto skupog električnog rada), implementacija sistema zasnovanih na principima adsorpcije je i dalje ograničena na nekoliko specifičnih primjena. Glavni nedostatak koji treba eliminisati je smanjenje specifične snage zbog niske toplotne provodljivosti i niske stabilnosti adsorbenta. Trenutno najsavremeniji komercijalni adsorpcijski rashladni sistemi zasnivaju se na adsorberima zasnovanim na pločastim izmjenjivačima toplote obloženim radi optimizacije kapaciteta hlađenja. Rezultati su dobro poznati da smanjenje debljine premaza dovodi do smanjenja impedanse prenosa mase, a povećanje odnosa površine i zapremine provodnih struktura povećava snagu bez ugrožavanja efikasnosti. Metalna vlakna korištena u ovom radu mogu obezbijediti specifičnu površinu u rasponu od 2500–50.000 m2/m3. Tri metode za dobijanje vrlo tankih, ali stabilnih premaza hidrata soli na metalnim površinama, uključujući metalna vlakna, za proizvodnju premaza prvi put demonstriraju izmjenjivač toplote visoke gustine snage. Površinska obrada zasnovana na anodizaciji aluminijuma odabrana je kako bi se stvorila jača veza između premaza i podloge. Mikrostruktura rezultirajuće površine analizirana je skenirajućom elektronskom mikroskopijom. Za provjeru prisustva željenih vrsta u testu korištena je Fourierova transformacijska infracrvena spektroskopija sa smanjenom totalnom refleksijom i energetski disperzivna rendgenska spektroskopija. Njihova sposobnost formiranja hidrata potvrđena je kombinovanom termogravimetrijskom analizom (TGA)/diferencijalnom termogravimetrijskom analizom (DTG). Loš kvalitet preko 0,07 g (voda)/g (kompozit) pronađen je u MgSO4 premazu, pokazujući znakove dehidracije na oko 60 °C i reproducibilan nakon rehidratacije. Pozitivni rezultati su također dobijeni sa SrCl2 i ZnSO4 sa razlikom u masi od oko 0,02 g/g ispod 100 °C. Hidroksietilceluloza je odabrana kao aditiv za povećanje stabilnosti i prianjanja premaza. Adsorptivna svojstva proizvoda procijenjena su simultanom TGA-DTG analizom, a njihova prianjanja je okarakterisana metodom zasnovanom na testovima opisanim u ISO2409. Konzistencija i prianjanje CaCl2 premaza su značajno poboljšani, a istovremeno je zadržan njegov adsorpcijski kapacitet s razlikom u težini od oko 0,1 g/g na temperaturama ispod 100 °C. Osim toga, MgSO4 zadržava sposobnost formiranja hidrata, pokazujući razliku u masi od više od 0,04 g/g na temperaturama ispod 100 °C. Konačno, ispituju se obložena metalna vlakna. Rezultati pokazuju da efektivna toplinska provodljivost strukture vlakana obložene Al2(SO4)3 može biti 4,7 puta veća u usporedbi s volumenom čistog Al2(SO4)3. Premaz proučavanih premaza pregledan je vizualno, a unutarnja struktura procijenjena je pomoću mikroskopske slike poprečnih presjeka. Dobijen je premaz Al2(SO4)3 debljine oko 50 µm, ali cjelokupni proces mora biti optimiziran kako bi se postigla ujednačenija raspodjela.
Adsorpcijski sistemi su privukli mnogo pažnje u posljednjih nekoliko decenija jer pružaju ekološki prihvatljivu alternativu tradicionalnim kompresijskim toplotnim pumpama ili rashladnim sistemima. S porastom standarda udobnosti i prosječnim globalnim temperaturama, adsorpcijski sistemi bi mogli smanjiti ovisnost o fosilnim gorivima u bliskoj budućnosti. Osim toga, sva poboljšanja u adsorpcijskom hlađenju ili toplotnim pumpama mogu se prenijeti na skladištenje toplotne energije, što predstavlja dodatno povećanje potencijala za efikasno korištenje primarne energije. Glavna prednost adsorpcijskih toplotnih pumpi i rashladnih sistema je što mogu raditi s malom toplinskom masom. To ih čini pogodnim za izvore niskih temperatura kao što su solarna energija ili otpadna toplina. Što se tiče primjena skladištenja energije, adsorpcija ima prednost veće gustoće energije i manjeg rasipanja energije u poređenju sa skladištenjem osjetne ili latentne topline.
Adsorpcijske toplotne pumpe i rashladni sistemi slijede isti termodinamički ciklus kao i njihovi ekvivalenti s kompresijom pare. Glavna razlika je zamjena komponenti kompresora adsorberima. Element je u stanju adsorbirati paru rashladnog sredstva niskog pritiska na umjerenim temperaturama, isparavajući više rashladnog sredstva čak i kada je tekućina hladna. Potrebno je osigurati konstantno hlađenje adsorbera kako bi se isključila entalpija adsorpcije (egzoterma). Adsorber se regenerira na visokoj temperaturi, uzrokujući desorpciju pare rashladnog sredstva. Zagrijavanje se mora nastaviti kako bi se osigurala entalpija desorpcije (endoterma). Budući da su procesi adsorpcije karakterizirani promjenama temperature, visoka gustoća snage zahtijeva visoku toplinsku provodljivost. Međutim, niska toplinska provodljivost je daleko glavni nedostatak u većini primjena.
Glavni problem provodljivosti je povećanje njene prosječne vrijednosti uz održavanje transportnog puta koji osigurava protok adsorpcijskih/desorpcijskih para. Za postizanje ovoga se obično koriste dva pristupa: kompozitni izmjenjivači topline i obloženi izmjenjivači topline. Najpopularniji i najuspješniji kompozitni materijali su oni koji koriste aditive na bazi ugljika, naime ekspandirani grafit, aktivni ugalj ili ugljična vlakna. Oliveira i saradnici2 impregnirali su prah ekspandiranog grafita kalcijevim hloridom kako bi proizveli adsorber sa specifičnim kapacitetom hlađenja (SCP) do 306 W/kg i koeficijentom performansi (COP) do 0,46. Zajaczkowski i saradnici3 predložili su kombinaciju ekspandiranog grafita, ugljičnih vlakana i kalcijevog hlorida s ukupnom provodljivošću od 15 W/mK. Jian i saradnici4 testirali su kompozite sa ekspandiranim prirodnim grafitom tretiranim sumpornom kiselinom (ENG-TSA) kao supstratom u dvostepenom ciklusu adsorpcijskog hlađenja. Model je predvidio COP od 0,215 do 0,285 i SCP od 161,4 do 260,74 W/kg.
Daleko najodrživije rješenje je obloženi izmjenjivač toplote. Mehanizmi oblaganja ovih izmjenjivača toplote mogu se podijeliti u dvije kategorije: direktna sinteza i ljepila. Najuspješnija metoda je direktna sinteza, koja uključuje formiranje adsorbirajućih materijala direktno na površini izmjenjivača toplote iz odgovarajućih reagensa. Sotech5 je patentirao metodu za sintezu obloženog zeolita za upotrebu u seriji hladnjaka koje proizvodi Fahrenheit GmbH. Schnabel i saradnici6 testirali su performanse dva zeolita obložena na nehrđajućem čeliku. Međutim, ova metoda radi samo sa specifičnim adsorbentima, što čini oblaganje ljepilima zanimljivom alternativom. Veziva su pasivne supstance odabrane da podrže adheziju sorbenta i/ili prijenos mase, ali ne igraju nikakvu ulogu u poboljšanju adsorpcije ili provodljivosti. Freni i saradnici7 obložili su aluminijske izmjenjivače toplote zeolitom AQSOA-Z02 stabiliziranim vezivom na bazi gline. Calabrese i saradnici8 proučavali su pripremu zeolitnih premaza s polimernim vezivima. Ammann i saradnici9 predložili su metodu za pripremu poroznih zeolitnih premaza od magnetskih smjesa polivinil alkohola. Alumina (alumina) se također koristi kao vezivo 10 u adsorberu. Koliko znamo, celuloza i hidroksietil celuloza se koriste samo u kombinaciji s fizičkim adsorbentima 11,12. Ponekad se ljepilo ne koristi za boju, već se koristi za samostalnu izgradnju strukture 13. Kombinacija matrica alginatnih polimera s višestrukim hidratima soli formira fleksibilne kompozitne strukture kuglica koje sprječavaju curenje tokom sušenja i osiguravaju adekvatan prijenos mase. Gline poput bentonita i atapulgita korištene su kao veziva za pripremu kompozita 15,16,17. Etilceluloza je korištena za mikrokapsuliranje kalcijum hlorida 18 ili natrijum sulfida 19.
Kompoziti s poroznom metalnom strukturom mogu se podijeliti na aditivne izmjenjivače topline i obložene izmjenjivače topline. Prednost ovih struktura je velika specifična površina. To rezultira većom kontaktnom površinom između adsorbenta i metala bez dodavanja inertne mase, što smanjuje ukupnu efikasnost ciklusa hlađenja. Lang i saradnici 20 poboljšali su ukupnu provodljivost zeolitnog adsorbera s aluminijskom saćastom strukturom. Gillerminot i saradnici 21 poboljšali su toplinsku provodljivost slojeva NaX zeolita s bakrenom i nikl pjenom. Iako se kompoziti koriste kao materijali za faznu promjenu (PCM), nalazi Li i saradnika 22 i Zhao i saradnika 23 također su zanimljivi za hemisorpciju. Uporedili su performanse ekspandiranog grafita i metalne pjene i zaključili da je potonja poželjnija samo ako korozija nije problem. Palomba i saradnici nedavno su uporedili druge metalne porozne strukture 24. Van der Pal i saradnici proučavali su metalne soli ugrađene u pjene 25. Svi prethodni primjeri odgovaraju gustim slojevima čestičnih adsorbenata. Metalne porozne strukture se praktično ne koriste za oblaganje adsorbera, što je optimalnije rješenje. Primjer vezivanja za zeolite može se naći kod Wittstadt et al.26, ali nije učinjen nijedan pokušaj vezivanja hidrata soli uprkos njihovoj većoj gustoći energije27.
Stoga će u ovom članku biti istražene tri metode za pripremu adsorbentnih premaza: (1) premazivanje vezivom, (2) direktna reakcija i (3) obrada površine. Hidroksietilceluloza je bila vezivo izbora u ovom radu zbog prethodno prijavljene stabilnosti i dobrog prianjanja premaza u kombinaciji s fizičkim adsorbentima. Ova metoda je u početku istraživana za ravne premaze, a kasnije je primijenjena na strukture od metalnih vlakana. Prethodno je objavljena preliminarna analiza mogućnosti hemijskih reakcija sa stvaranjem adsorbentnih premaza. Prethodna iskustva se sada prenose na premazivanje struktura od metalnih vlakana. Obrada površine odabrana za ovaj rad je metoda zasnovana na anodizaciji aluminija. Anodizacija aluminija uspješno je kombinovana sa metalnim solima u estetske svrhe29. U tim slučajevima mogu se dobiti vrlo stabilni i na koroziju otporni premazi. Međutim, oni ne mogu provesti nikakav proces adsorpcije ili desorpcije. Ovaj rad predstavlja varijantu ovog pristupa koja omogućava pomicanje mase korištenjem adhezivnih svojstava originalnog procesa. Koliko je nama poznato, nijedna od ovdje opisanih metoda nije prethodno proučavana. Oni predstavljaju vrlo zanimljivu novu tehnologiju jer omogućavaju formiranje hidratiziranih adsorbentnih premaza, koji imaju niz prednosti u odnosu na često proučavane fizičke adsorbente.
Štancane aluminijske ploče korištene kao podloge za ove eksperimente osigurala je kompanija ALINVEST Břidličná, Češka Republika. Sadrže 98,11% aluminija, 1,3622% željeza, 0,3618% mangana i tragove bakra, magnezija, silicija, titana, cinka, kroma i nikla.
Materijali odabrani za proizvodnju kompozita biraju se u skladu s njihovim termodinamičkim svojstvima, odnosno ovisno o količini vode koju mogu adsorbirati/desorbirati na temperaturama ispod 120°C.
Magnezijum sulfat (MgSO4) je jedna od najzanimljivijih i najproučavanijih hidratiziranih soli30,31,32,33,34,35,36,37,38,39,40,41. Termodinamička svojstva su sistematski mjerena i utvrđeno je da su pogodna za primjenu u oblastima adsorpcijskog hlađenja, toplotnih pumpi i skladištenja energije. Korišten je suhi magnezijum sulfat CAS-br. 7487-88-9 99% (Grüssing GmbH, Filsum, Niedersachsen, Njemačka).
Kalcijum hlorid (CaCl2) (H319) je još jedna dobro proučena sol jer njen hidrat ima zanimljiva termodinamička svojstva41,42,43,44. Kalcijum hlorid heksahidrat CAS-br. 7774-34-7 korišteno je 97% (Grüssing, GmbH, Filsum, Niedersachsen, Njemačka).
Cink sulfat (ZnSO4) (H3O2, H318, H410) i njegovi hidrati imaju termodinamička svojstva pogodna za procese adsorpcije na niskim temperaturama45,46. Korišten je cink sulfat heptahidrat CAS-br. 7733-02-0 99,5% (Grüssing GmbH, Filsum, Niedersachsen, Njemačka).
Stroncijum hlorid (SrCl2) (H318) također ima zanimljiva termodinamička svojstva4,45,47 iako se često kombinira s amonijakom u istraživanjima adsorpcijskih toplinskih pumpi ili skladištenja energije. Za sintezu je korišten stroncijum hlorid heksahidrat CAS-br. 10.476-85-4 99,0–102,0% (Sigma Aldrich, St. Louis, Missouri, SAD).
Bakar sulfat (CuSO4) (H302, H315, H319, H410) ne spada među hidrate koji se često nalaze u stručnoj literaturi, iako su njegova termodinamička svojstva zanimljiva za primjene na niskim temperaturama48,49. Za sintezu je korišten bakar sulfat CAS-br. 7758-99-8 99% (Sigma Aldrich, St. Louis, MO, SAD).
Magnezijum hlorid (MgCl2) je jedna od hidratiziranih soli koja je nedavno dobila više pažnje u oblasti skladištenja toplotne energije50,51. Za eksperimente je korišten magnezijum hlorid heksahidrat CAS-br. 7791-18-6, čisti farmaceutski kvalitet (Applichem GmbH., Darmstadt, Njemačka).
Kao što je gore spomenuto, hidroksietil celuloza je odabrana zbog pozitivnih rezultata u sličnim primjenama. Materijal korišten u našoj sintezi je hidroksietil celuloza CAS-br. 9004-62-0 (Sigma Aldrich, St. Louis, MO, SAD).
Metalna vlakna se izrađuju od kratkih žica spojenih kompresijom i sinterovanjem, procesom poznatim kao ekstrakcija taline u lončiću (CME)52. To znači da njihova toplinska provodljivost ovisi ne samo o ukupnoj provodljivosti metala korištenih u proizvodnji i poroznosti konačne strukture, već i o kvaliteti veza između niti. Vlakna nisu izotropna i imaju tendenciju da se raspoređuju u određenom smjeru tokom proizvodnje, što čini toplinsku provodljivost u poprečnom smjeru znatno nižom.
Svojstva apsorpcije vode ispitana su simultanom termogravimetrijskom analizom (TGA)/diferencijalnom termogravimetrijskom analizom (DTG) u vakuumskom pakovanju (Netzsch TG 209 F1 Libra). Mjerenja su provedena u atmosferi protoka dušika pri brzini protoka od 10 ml/min i temperaturnom rasponu od 25 do 150°C u lončićima od aluminijum oksida. Brzina zagrijavanja bila je 1 °C/min, težina uzorka varirala je od 10 do 20 mg, a rezolucija 0,1 μg. U ovom radu treba napomenuti da razlika u masi po jedinici površine ima veliku nesigurnost. Uzorci korišteni u TGA-DTG su vrlo mali i nepravilno izrezani, što određivanje njihove površine čini netačnim. Ove vrijednosti se mogu ekstrapolirati na veću površinu samo ako se uzmu u obzir velika odstupanja.
Spektri atenuiranog potpunog refleksionog Fourierovog transformacijskog infracrvenog zračenja (ATR-FTIR) snimljeni su na Bruker Vertex 80 v FTIR spektrometru (Bruker Optik GmbH, Leipzig, Njemačka) korištenjem ATR platinastog pribora (Bruker Optik GmbH, Njemačka). Spektri čistih suhih dijamantskih kristala mjereni su direktno u vakuumu prije korištenja uzoraka kao pozadine za eksperimentalna mjerenja. Uzorci su mjereni u vakuumu korištenjem spektralne rezolucije od 2 cm-1 i prosječnog broja skeniranja od 32. Raspon talasnih brojeva je od 8000 do 500 cm-1. Spektralna analiza je izvršena korištenjem OPUS programa.
SEM analiza je provedena korištenjem DSM 982 Gemini uređaja od Zeiss-a pri ubrzavajućim naponima od 2 i 5 kV. Energetski disperzivna rendgenska spektroskopija (EDX) je provedena korištenjem Thermo Fischer sistema 7 sa Peltierovim hlađenim silicijumskim drift detektorom (SSD).
Priprema metalnih ploča provedena je prema postupku sličnom onome opisanom u 53. Prvo, ploče su uronjene u 50% sumpornu kiselinu na 15 minuta. Zatim su uronjene u 1 M rastvor natrijum hidroksida na oko 10 sekundi. Nakon toga, uzorci su isprani velikom količinom destilovane vode, a zatim potopljeni u destilovanoj vodi na 30 minuta. Nakon prethodne površinske obrade, uzorci su uronjeni u 3% zasićeni rastvor HEC i ciljane soli. Na kraju, uzorci su izvađeni i osušeni na 60°C.
Metoda anodizacije poboljšava i jača prirodni oksidni sloj na pasivnom metalu. Aluminijske ploče su anodizirane sumpornom kiselinom u očvrslom stanju, a zatim zapečaćene u vrućoj vodi. Anodizacija je uslijedila nakon početnog nagrizanja sa 1 mol/l NaOH (600 s), a zatim neutralizacije u 1 mol/l HNO3 (60 s). Otopina elektrolita je mješavina 2,3 M H2SO4, 0,01 M Al2(SO4)3 i 1 M MgSO4 + 7H2O. Anodizacija je provedena na (40 ± 1)°C, 30 mA/cm2 tokom 1200 sekundi. Proces zaptivanja je proveden u različitim otopinama slane vode kako je opisano u materijalima (MgSO4, CaCl2, ZnSO4, SrCl2, CuSO4, MgCl2). Uzorak se u njoj kuha 1800 sekundi.
Istražene su tri različite metode za proizvodnju kompozita: nanošenje ljepila, direktna reakcija i površinska obrada. Prednosti i nedostaci svake metode obuke su sistematski analizirani i diskutovani. Za evaluaciju rezultata korišteni su direktno posmatranje, nanoimaging i hemijska/elementarna analiza.
Anodizacija je odabrana kao metoda površinske obrade konverzijom kako bi se povećalo prianjanje hidrata soli. Ova površinska obrada stvara poroznu strukturu aluminijevog oksida (alumine) direktno na površini aluminija. Tradicionalno, ova metoda se sastoji od dvije faze: prva faza stvara poroznu strukturu aluminijevog oksida, a druga faza stvara premaz aluminijevog hidroksida koji zatvara pore. Slijede dvije metode blokiranja soli bez blokiranja pristupa plinskoj fazi. Prva se sastoji od sistema saća koji koristi male cijevi od aluminijevog oksida (Al2O3) dobivene u prvom koraku za zadržavanje kristala adsorbenta i povećanje njegovog prianjanja na metalne površine. Rezultirajuće saće ima promjer od oko 50 nm i dužinu od 200 nm (slika 1a). Kao što je ranije spomenuto, ove šupljine se obično zatvaraju u drugom koraku tankim slojem Al2O(OH)2 bemita podržanog procesom ključanja u cijevi od aluminijevog oksida. U drugoj metodi, ovaj proces zaptivanja je modificiran na takav način da se kristali soli zarobljavaju u ravnomjerno pokrivajućem sloju bemita (Al2O(OH)), koji se u ovom slučaju ne koristi za zaptivanje. Druga faza se provodi u zasićenom rastvoru odgovarajuće soli. Opisani uzorci imaju veličine u rasponu od 50-100 nm i izgledaju kao raspršene kapljice (slika 1b). Površina dobijena kao rezultat procesa zatvaranja ima izraženu prostornu strukturu sa povećanom kontaktnom površinom. Ovaj površinski uzorak, zajedno sa njihovim mnogim konfiguracijama vezivanja, idealan je za nošenje i držanje kristala soli. Obje opisane strukture izgledaju zaista porozne i imaju male šupljine koje izgledaju dobro prilagođene za zadržavanje hidrata soli i adsorpciju para na sol tokom rada adsorbera. Međutim, elementarna analiza ovih površina pomoću EDX-a može detektovati tragove magnezijuma i sumpora na površini bemita, koji se ne detektuju u slučaju površine od aluminijum oksida.
ATR-FTIR analiza uzorka potvrdila je da je element magnezijum sulfat (vidi Sliku 2b). Spektar pokazuje karakteristične vrhove sulfatnih iona na 610–680 i 1080–1130 cm–1 i karakteristične vrhove rešetkaste vode na 1600–1700 cm–1 i 3200–3800 cm–1 (vidi Sliku 2a, c). Prisustvo magnezijumovih iona gotovo ne mijenja spektar54.
(a) EDX aluminijske ploče obložene boehmitom MgSO4, (b) ATR-FTIR spektri boehmita i MgSO4 premaza, (c) ATR-FTIR spektri čistog MgSO4.
Održavanje efikasnosti adsorpcije potvrđeno je TGA analizom. Na slici 3b prikazan je desorpcijski pik od približno 60°C. Ovaj pik ne odgovara temperaturi dva pika uočena u TGA čiste soli (slika 3a). Ponovljivost ciklusa adsorpcije-desorpcije je procijenjena, a ista krivulja je uočena nakon stavljanja uzoraka u vlažnu atmosferu (slika 3c). Razlike uočene u drugoj fazi desorpcije mogu biti rezultat dehidracije u protočnoj atmosferi, jer to često dovodi do nepotpune dehidracije. Ove vrijednosti odgovaraju približno 17,9 g/m2 u prvom dehidriranju i 10,3 g/m2 u drugom dehidriranju.
Poređenje TGA analize bemita i MgSO4: TGA analiza čistog MgSO4 (a), smjese (b) i nakon rehidratacije (c).
Ista metoda je provedena s kalcijevim hloridom kao adsorbentom. Rezultati su prikazani na Slici 4. Vizuelnim pregledom površine otkrivene su manje promjene u metalnom sjaju. Dlaka je jedva vidljiva. SEM je potvrdio prisustvo malih kristala ravnomjerno raspoređenih po površini. Međutim, TGA nije pokazao dehidraciju ispod 150°C. To može biti posljedica činjenice da je udio soli premalen u poređenju s ukupnom masom supstrata za detekciju TGA.
Rezultati površinske obrade premaza bakar sulfatom metodom anodizacije prikazani su na slici 5. U ovom slučaju, očekivano ugrađivanje CuSO4 u strukturu Al oksida nije došlo. Umjesto toga, uočavaju se labave iglice, jer se one obično koriste za bakar hidroksid Cu(OH)2 koji se koristi s tipičnim tirkiznim bojama.
Anodizirana površinska obrada je također testirana u kombinaciji sa stroncijum hloridom. Rezultati su pokazali neravnomjernu pokrivenost (vidi Sliku 6a). Da bi se utvrdilo da li je so prekrila cijelu površinu, izvršena je EDX analiza. Kriva za tačku u sivom području (tačka 1 na Sl. 6b) pokazuje malo stroncijuma i mnogo aluminijuma. To ukazuje na nizak sadržaj stroncijuma u izmjerenoj zoni, što, pak, ukazuje na nisku pokrivenost stroncijum hloridom. Suprotno tome, bijela područja imaju visok sadržaj stroncijuma i nizak sadržaj aluminijuma (tačke 2-6 na Sl. 6b). EDX analiza bijelog područja pokazuje tamnije tačke (tačke 2 i 4 na Sl. 6b), nizak sadržaj hlora i visok sadržaj sumpora. To može ukazivati ​​na formiranje stroncijum sulfata. Svjetlije tačke odražavaju visok sadržaj hlora i nizak sadržaj sumpora (tačke 3, 5 i 6 na Sl. 6b). To se može objasniti činjenicom da glavni dio bijelog premaza sastoji se od očekivanog stroncijum hlorida. TGA uzorka potvrdila je interpretaciju analize s vrhom na karakterističnoj temperaturi čistog stroncijum hlorida (Sl. 6c). Njihova mala vrijednost može se opravdati malim udjelom soli u poređenju s masom metalnog nosača. Desorpcijska masa određena u eksperimentima odgovara količini od 7,3 g/m2 oslobođenoj po jedinici površine adsorbera na temperaturi od 150°C.
Također su testirani premazi cink sulfata tretirani eloksalom. Makroskopski, premaz je vrlo tanak i ujednačen sloj (slika 7a). Međutim, SEM je otkrio površinu prekrivenu malim kristalima odvojenim praznim područjima (slika 7b). TGA premaza i podloge je upoređen sa čistom soli (slika 7c). Čista sol ima jedan asimetrični vrh na 59,1°C. Obloženi aluminij pokazao je dva mala vrha na 55,5°C i 61,3°C, što ukazuje na prisustvo cink sulfat hidrata. Razlika u masi otkrivena u eksperimentu odgovara 10,9 g/m2 na temperaturi dehidracije od 150°C.
Kao i u prethodnoj prijavi53, hidroksietil celuloza je korištena kao vezivo za poboljšanje prianjanja i stabilnosti sorbentnog premaza. Kompatibilnost materijala i utjecaj na performanse adsorpcije procijenjeni su TGA metodom. Analiza se provodi u odnosu na ukupnu masu, tj. uzorak uključuje metalnu ploču koja se koristi kao podloga za premaz. Prianjanje se testira testom zasnovanim na testu unakrsnog zareza definiranom u specifikaciji ISO2409 (ne može zadovoljiti specifikaciju odvajanja zareza ovisno o debljini i širini specifikacije).
Premazivanje panela kalcijum hloridom (CaCl2) (vidi sliku 8a) rezultiralo je neravnomjernom raspodjelom, što nije uočeno kod čistog aluminijumskog premaza korištenog za poprečni test zareza. U poređenju sa rezultatima za čisti CaCl2, TGA (slika 8b) pokazuje dva karakteristična vrha pomjerena prema nižim temperaturama od 40 i 20°C. Test poprečnog presjeka ne omogućava objektivno poređenje jer je uzorak čistog CaCl2 (uzorak desno na slici 8c) praškasti talog, koji uklanja gornje čestice. Rezultati HEC-a pokazali su vrlo tanak i ujednačen premaz sa zadovoljavajućom adhezijom. Razlika u masi prikazana na slici 8b odgovara 51,3 g/m2 po jedinici površine adsorbera na temperaturi od 150°C.
Pozitivni rezultati u pogledu adhezije i ujednačenosti dobijeni su i sa magnezijum sulfatom (MgSO4) (vidi Sl. 9). Analiza procesa desorpcije premaza pokazala je prisustvo jednog vrha od približno 60°C. Ova temperatura odgovara glavnom koraku desorpcije koji se vidi kod dehidracije čistih soli, što predstavlja još jedan korak na 44°C. To odgovara prelazu iz heksahidrata u pentahidrat i ne uočava se u slučaju premaza sa vezivima. Ispitivanja poprečnog presjeka pokazuju poboljšanu distribuciju i adheziju u poređenju sa premazima napravljenim korištenjem čiste soli. Razlika u masi uočena u TGA-DTC odgovara 18,4 g/m2 po jedinici površine adsorbera na temperaturi od 150°C.
Zbog površinskih nepravilnosti, stroncijum hlorid (SrCl2) ima neravnomjeran premaz na rebrima (slika 10a). Međutim, rezultati testa poprečnog zareza pokazali su ujednačenu distribuciju sa značajno poboljšanom adhezijom (slika 10c). TGA analiza je pokazala vrlo malu razliku u težini, što mora biti zbog nižeg sadržaja soli u poređenju sa metalnom podlogom. Međutim, koraci na krivulji pokazuju prisustvo procesa dehidracije, iako je vrh povezan sa temperaturom dobijenom pri karakterizaciji čiste soli. Vrhovi na 110°C i 70,2°C uočeni na slici 10b pronađeni su i pri analizi čiste soli. Međutim, glavni korak dehidracije uočen u čistoj soli na 50°C nije se odrazio na krivuljama korištenjem veziva. Nasuprot tome, smjesa veziva pokazala je dva vrha na 20,2°C i 94,1°C, koji nisu izmjereni za čistu sol (slika 10b). Na temperaturi od 150 °C, uočena razlika u masi odgovara 7,2 g/m2 po jedinici površine adsorbera.
Kombinacija HEC-a i cink sulfata (ZnSO4) nije dala prihvatljive rezultate (Slika 11). TGA analiza premazanog metala nije otkrila nikakve procese dehidracije. Iako su se distribucija i prianjanje premaza poboljšali, njegova svojstva su i dalje daleko od optimalnih.
Najjednostavniji način nanošenja tankog i ujednačenog sloja na metalna vlakna je mokra impregnacija (slika 12a), koja uključuje pripremu ciljne soli i impregnaciju metalnih vlakana vodenim rastvorom.
Prilikom pripreme za mokru impregnaciju, javljaju se dva glavna problema. S jedne strane, površinska napetost fiziološke otopine sprječava pravilno ugrađivanje tekućine u poroznu strukturu. Kristalizacija na vanjskoj površini (slika 12d) i mjehurići zraka zarobljeni unutar strukture (slika 12c) mogu se smanjiti samo snižavanjem površinske napetosti i prethodnim vlaženjem uzorka destiliranom vodom. Prisilno otapanje u uzorku evakuacijom zraka unutra ili stvaranjem protoka otopine u strukturi su drugi učinkoviti načini za osiguranje potpunog punjenja strukture.
Drugi problem koji se pojavio tokom pripreme bilo je uklanjanje filma sa dijela soli (vidi sliku 12b). Ovaj fenomen karakterizira stvaranje suhog premaza na površini rastvaranja, što zaustavlja konvektivno stimulirano sušenje i pokreće proces stimuliran difuzijom. Drugi mehanizam je mnogo sporiji od prvog. Kao rezultat toga, potrebna je visoka temperatura za razumno vrijeme sušenja, što povećava rizik od stvaranja mjehurića unutar uzorka. Ovaj problem se rješava uvođenjem alternativne metode kristalizacije koja se ne zasniva na promjeni koncentracije (isparavanje), već na promjeni temperature (kao u primjeru sa MgSO4 na slici 13).
Shematski prikaz procesa kristalizacije tokom hlađenja i odvajanja čvrste i tečne faze pomoću MgSO4.
Zasićeni rastvori soli mogu se pripremiti na sobnoj temperaturi (HT) ili iznad nje korištenjem ove metode. U prvom slučaju, kristalizacija je prisiljena snižavanjem temperature ispod sobne temperature. U drugom slučaju, kristalizacija se dogodila kada je uzorak ohlađen na sobnu temperaturu (RT). Rezultat je mješavina kristala (B) i rastvorenog materijala (A), čiji se tečni dio uklanja komprimiranim zrakom. Ovaj pristup ne samo da izbjegava stvaranje filma na ovim hidratima, već i smanjuje vrijeme potrebno za pripremu drugih kompozita. Međutim, uklanjanje tekućine komprimiranim zrakom dovodi do dodatne kristalizacije soli, što rezultira debljim premazom.
Druga metoda koja se može koristiti za premazivanje metalnih površina uključuje direktnu proizvodnju ciljnih soli putem hemijskih reakcija. Obloženi izmjenjivači toplote napravljeni reakcijom kiselina na metalnim površinama rebara i cijevi imaju niz prednosti, kao što je navedeno u našoj prethodnoj studiji. Primjena ove metode na vlakna dovela je do vrlo loših rezultata zbog stvaranja gasova tokom reakcije. Pritisak mjehurića vodonika se povećava unutar sonde i mijenja se kako se proizvod izbacuje (Slika 14a).
Premaz je modificiran hemijskom reakcijom kako bi se bolje kontrolisala debljina i raspodjela premaza. Ova metoda uključuje propuštanje mlaza kisele magle kroz uzorak (Slika 14b). Očekuje se da će to rezultirati ujednačenim premazom reakcijom s metalnom podlogom. Rezultati su bili zadovoljavajući, ali je proces bio prespor da bi se smatrao efikasnom metodom (Slika 14c). Kraće vrijeme reakcije može se postići lokaliziranim zagrijavanjem.
Kako bi se prevazišli nedostaci gore navedenih metoda, proučavana je metoda premazivanja zasnovana na upotrebi ljepila. HEC je odabran na osnovu rezultata predstavljenih u prethodnom odjeljku. Svi uzorci su pripremljeni sa 3% težinskog udjela. Vezivo je pomiješano sa solju. Vlakna su prethodno obrađena prema istom postupku kao i za rebra, tj. natopljena su 50% vol. sumpornom kiselinom unutar 15 minuta, zatim natopljena u natrijum hidroksidu 20 sekundi, oprana u destilovanoj vodi i na kraju natopljena u destilovanoj vodi 30 minuta. U ovom slučaju, dodat je dodatni korak prije impregnacije. Uzorak se nakratko uroni u razrijeđeni rastvor ciljane soli i osuši na približno 60°C. Proces je osmišljen da modificira površinu metala, stvarajući mjesta nukleacije koja poboljšavaju raspodjelu premaza u završnoj fazi. Vlaknasta struktura ima jednu stranu gdje su filamenti tanji i gusto zbijeni, i suprotnu stranu gdje su filamenti deblji i manje raspoređeni. Ovo je rezultat 52 proizvodna procesa.
Rezultati za kalcijum hlorid (CaCl2) su sažeti i ilustrovani slikama u Tabeli 1. Dobra pokrivenost nakon inokulacije. Čak su i one niti bez vidljivih kristala na površini imale smanjene metalne refleksije, što ukazuje na promjenu u završnoj obradi. Međutim, nakon što su uzorci impregnirani vodenom smjesom CaCl2 i HEC i sušeni na temperaturi od oko 60°C, premazi su se koncentrisali na presjecima struktura. Ovo je efekat uzrokovan površinskom napetošću rastvora. Nakon namakanja, tečnost ostaje unutar uzorka zbog svoje površinske napetosti. U osnovi se javlja na presjecima struktura. Najbolja strana uzorka ima nekoliko rupa ispunjenih solju. Težina se povećala za 0,06 g/cm3 nakon premazivanja.
Premazivanje magnezijum sulfatom (MgSO4) proizvelo je više soli po jedinici volumena (Tabela 2). U ovom slučaju, izmjereni prirast je 0,09 g/cm3. Proces zasijavanja rezultirao je opsežnim pokrivanjem uzorka. Nakon procesa premazivanja, sol blokira velike površine tanke strane uzorka. Osim toga, neka područja mat materijala su blokirana, ali je zadržana određena poroznost. U ovom slučaju, stvaranje soli se lako uočava na presjeku struktura, što potvrđuje da je proces premazivanja uglavnom posljedica površinske napetosti tekućine, a ne interakcije između soli i metalne podloge.
Rezultati za kombinaciju stroncij-hlorida (SrCl2) i HEC pokazali su slična svojstva kao i u prethodnim primjerima (Tabela 3). U ovom slučaju, tanja strana uzorka je gotovo u potpunosti prekrivena. Vidljive su samo pojedinačne pore, nastale tokom sušenja kao rezultat oslobađanja pare iz uzorka. Uzorak uočen na mat strani je vrlo sličan prethodnom slučaju, područje je blokirano solju, a vlakna nisu u potpunosti prekrivena.
Kako bi se procijenio pozitivan učinak vlaknaste strukture na toplinske performanse izmjenjivača topline, određena je efektivna toplinska provodljivost obložene vlaknaste strukture i upoređena s čistim materijalom premaza. Toplinska provodljivost mjerena je prema ASTM D 5470-2017 pomoću uređaja s ravnom pločom prikazanog na slici 15a, koristeći referentni materijal s poznatom toplinskom provodljivošću. U usporedbi s drugim metodama mjerenja prolaznih stanja, ovaj princip je povoljniji za porozne materijale korištene u trenutnoj studiji, budući da se mjerenja izvode u stacionarnom stanju i s dovoljnom veličinom uzorka (osnovna površina 30 × 30 mm2, visina približno 15 mm). Uzorci čistog materijala premaza (referenca) i obložene vlaknaste strukture pripremljeni su za mjerenja u smjeru vlakana i okomito na smjer vlakana kako bi se procijenio učinak anizotropne toplinske provodljivosti. Uzorci su brušeni na površini (zrnatost P320) kako bi se minimizirao učinak hrapavosti površine zbog pripreme uzorka, koja ne odražava strukturu unutar uzorka.