Hvala vam što ste posjetili Nature.com.Verzija pretraživača koju koristite ima ograničenu podršku za CSS.Za najbolje iskustvo, preporučujemo da koristite ažurirani pretraživač (ili 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 odnosu na tradicionalne kompresorske sisteme.Uprkos ogromnoj prednosti korišćenja jeftine toplote (umesto skupih električnih radova), implementacija sistema zasnovanih na principima adsorpcije je još uvek ograničena na nekoliko specifičnih primena.Glavni nedostatak koji treba otkloniti je smanjenje specifične snage zbog niske toplinske provodljivosti i niske stabilnosti adsorbenta.Trenutni komercijalni adsorpcijski rashladni sistemi bazirani su na adsorberima baziranim na pločastim izmjenjivačima topline obloženim radi optimizacije kapaciteta hlađenja.Rezultati su dobro poznati da smanjenje debljine prevlake dovodi do smanjenja impedanse prijenosa mase, a povećanje omjera površine i volumena provodnih struktura povećava snagu bez ugrožavanja efikasnosti.Metalna vlakna koja se koriste u ovom radu mogu pružiti specifičnu površinu u rasponu od 2500–50.000 m2/m3.Tri metode za dobijanje vrlo tankih, ali stabilnih premaza od hidrata soli na metalnim površinama, uključujući metalna vlakna, za proizvodnju premaza po prvi put pokazuju izmjenjivač topline velike gustine.Površinska obrada bazirana na eloksiranju aluminija odabrana je da stvori čvršću vezu između premaza i podloge.Mikrostruktura rezultirajuće površine analizirana je skenirajućim elektronskim mikroskopom.Fourierova infracrvena spektroskopija sa smanjenom totalnom refleksijom i spektroskopija rendgenskog zračenja disperzije energije korišteni su za provjeru prisutnosti željenih vrsta u testu.Njihova sposobnost stvaranja 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, koji pokazuje znakove dehidracije na oko 60 °C i reproducibilan nakon rehidracije.Pozitivni rezultati su takođe dobijeni sa SrCl2 i ZnSO4 sa razlikom mase od oko 0,02 g/g ispod 100 °C.Hidroksietilceluloza je odabrana kao aditiv za povećanje stabilnosti i adhezije premaza.Adsorptivna svojstva proizvoda procijenjena su simultanim TGA-DTG i njihova adhezija je okarakterisana metodom zasnovanom na testovima opisanim u ISO2409.Konzistentnost i adhezija CaCl2 premaza je značajno poboljšana uz zadržavanje njegovog kapaciteta adsorpcije 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 veću od 0,04 g/g na temperaturama ispod 100 °C.Na kraju se ispituju obložena metalna vlakna.Rezultati pokazuju da efektivna toplotna provodljivost vlaknaste strukture obložene Al2(SO4)3 može biti 4,7 puta veća u odnosu na zapreminu čistog Al2(SO4)3.Prevlaka ispitivanih premaza je vizualno ispitana, a unutarnja struktura je procijenjena mikroskopskom slikom poprečnih presjeka.Dobiven je premaz od Al2(SO4)3 debljine oko 50 µm, ali se cjelokupni proces mora optimizirati kako bi se postigla ujednačenija raspodjela.
Adsorpcijski sistemi su zadobili veliku pažnju u posljednjih nekoliko decenija jer pružaju ekološki prihvatljivu alternativu tradicionalnim kompresijskim toplotnim pumpama ili rashladnim sistemima.Uz rastuće standarde udobnosti i globalne prosječne temperature, sistemi za adsorpciju mogu smanjiti ovisnost o fosilnim gorivima u bliskoj budućnosti.Osim toga, sva poboljšanja u adsorpcionom hlađenju ili toplotnim pumpama mogu se prenijeti na skladište toplinske energije, što predstavlja dodatno povećanje potencijala za efikasno korištenje primarne energije.Glavna prednost adsorpcionih toplotnih pumpi i rashladnih sistema je to što mogu da rade sa malom toplotnom masom.To ih čini pogodnim za izvore niske temperature kao što je solarna energija ili otpadna toplina.U smislu primjene za pohranu energije, adsorpcija ima prednost veće gustine energije i manje disipacije energije u poređenju sa osjetljivim ili latentnim skladištenjem topline.
Adsorpcione toplotne pumpe i rashladni sistemi prate isti termodinamički ciklus kao i njihove parne kompresijske parnjake.Glavna razlika je zamjena komponenti kompresora adsorberima.Element je u stanju da adsorbuje paru rashladnog sredstva niskog pritiska na umerenim temperaturama, isparavajući više rashladnog sredstva čak i kada je tečnost hladna.Potrebno je osigurati stalno hlađenje adsorbera kako bi se isključila entalpija adsorpcije (egzoterma).Adsorber se regeneriše na visokoj temperaturi, što dovodi do desorbovanja para rashladnog sredstva.Zagrijavanje mora i dalje osigurati entalpiju desorpcije (endotermno).Budući da procese adsorpcije karakteriziraju promjene temperature, velika gustina 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 obezbjeđuje protok adsorpcionih/desorpcionih para.Za to 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, odnosno ekspandirani grafit, aktivni ugljen ili karbonska vlakna.Oliveira et al.2 impregnirani ekspandirani grafitni prah s kalcijum hloridom za proizvodnju adsorbera sa specifičnim kapacitetom hlađenja (SCP) do 306 W/kg i koeficijentom performansi (COP) do 0,46.Zajaczkowski i dr.3 je predložio kombinaciju ekspandiranog grafita, karbonskih vlakana i kalcijum hlorida sa ukupnom provodljivošću od 15 W/mK.Jian et al4 su testirali kompozite sa sumpornom kiselinom tretiranim ekspandiranim prirodnim grafitom (ENG-TSA) kao supstratom u dvostepenom ciklusu hlađenja adsorpcije.Model je predvidio COP od 0,215 do 0,285 i SCP od 161,4 do 260,74 W/kg.
Daleko najisplativije rješenje je obloženi izmjenjivač topline.Mehanizmi oblaganja ovih izmjenjivača topline mogu se podijeliti u dvije kategorije: direktna sinteza i ljepila.Najuspješnija metoda je direktna sinteza, koja uključuje formiranje adsorbirajućih materijala direktno na površini izmjenjivača topline iz odgovarajućih reagenasa.Sotech5 je patentirao metodu za sintetizaciju obloženog zeolita za upotrebu u seriji hladnjaka proizvođača Fahrenheit GmbH.Schnabel et al6 testirali su performanse dva zeolita presvučena nehrđajućim čelikom.Međutim, ova metoda radi samo sa specifičnim adsorbentima, što čini premazivanje ljepilom zanimljivom alternativom.Veziva su pasivne supstance odabrane da podrže adheziju sorbenta i/ili prenos mase, ali ne igraju nikakvu ulogu u adsorpciji ili poboljšanju provodljivosti.Freni i dr.7 aluminijskih izmjenjivača topline sa AQSOA-Z02 zeolitom stabiliziranim vezivom na bazi gline.Calabrese et al.8 proučavali su pripremu zeolitnih prevlaka s polimernim vezivom.Ammann i dr.9 su predložili metodu za pripremu poroznih zeolitnih prevlaka od magnetnih mješavina polivinil alkohola.Aluminijum (aluminijum) se takođe koristi kao vezivo 10 u adsorberu.Koliko znamo, celuloza i hidroksietil celuloza se koriste samo u kombinaciji sa fizičkim adsorbentima11,12.Ponekad se ljepilo ne koristi za boju, već se koristi za samostalno građenje strukture 13.Kombinacija alginatnih polimernih matrica sa višestrukim hidratima soli formira fleksibilne kompozitne strukture perli koje sprečavaju curenje tokom sušenja i obezbeđuju adekvatan prenos mase.Gline kao što su bentonit i atapulgit su korištene kao veziva za pripremu kompozita15,16,17.Etilceluloza se koristila za mikrokapsuliranje kalcijum hlorida18 ili natrijum sulfida19.
Kompoziti s poroznom metalnom strukturom mogu se podijeliti na aditivne izmjenjivače topline i obložene izmjenjivače topline.Prednost ovih konstrukcija je velika specifična površina.Ovo rezultira većom površinom kontakta između adsorbenta i metala bez dodavanja inertne mase, što smanjuje ukupnu efikasnost ciklusa hlađenja.Lang et al.20 poboljšali su ukupnu provodljivost zeolitnog adsorbera sa aluminijskom strukturom saća.Gillerminot et al.21 poboljšala je toplotnu provodljivost slojeva NaX zeolita sa bakarnom i nikalnom penom.Iako se kompoziti koriste kao materijali za promenu faze (PCM), nalazi Li et al.22 i Zhao et al.23 su takođe od interesa za hemisorpciju.Uporedili su performanse ekspandiranog grafita i metalne pjene i zaključili da je ovo drugo poželjnije samo ako korozija nije problem.Palomba i dr.nedavno su uporedili druge metalne porozne strukture24.Van der Pal i dr.proučavali metalne soli ugrađene u pjene 25 .Svi prethodni primjeri odgovaraju gustim slojevima adsorbenata čestica.Metalne porozne strukture se praktički ne koriste za oblaganje adsorbera, što je optimalnije rješenje.Primjer vezivanja za zeolite može se naći u Wittstadt et al.26 ali nije učinjen nijedan pokušaj da se hidrati soli vežu uprkos njihovoj većoj gustoći energije 27 .
Stoga će u ovom članku biti istražene tri metode za pripremu adsorbirajućih premaza: (1) oblaganje vezivom, (2) direktna reakcija i (3) površinska obrada.Hidroksietilceluloza je bila vezivo izbora u ovom radu zbog ranije objavljene stabilnosti i dobre adhezije premaza u kombinaciji sa fizičkim adsorbentima.Ova metoda je u početku ispitivana za ravne premaze, a kasnije primijenjena na strukture od metalnih vlakana.Prethodno je objavljena preliminarna analiza mogućnosti kemijskih reakcija sa stvaranjem adsorbirajućih prevlaka.Dosadašnja iskustva se sada prenose na oblaganje konstrukcija od metalnih vlakana.Površinska obrada odabrana za ovaj rad je metoda bazirana na eloksiranju aluminija.Eloksiranje aluminija uspješno se kombinuje sa metalnim solima u estetske svrhe29.U tim slučajevima se mogu dobiti vrlo stabilni premazi otporni na koroziju.Međutim, oni ne mogu izvršiti nikakav proces adsorpcije ili desorpcije.Ovaj rad predstavlja varijantu ovog pristupa koji omogućava pomicanje mase pomoću adhezivnih svojstava originalnog procesa.Koliko nam je poznato, nijedna od ovdje opisanih metoda nije prethodno proučavana.Predstavljaju vrlo zanimljivu novu tehnologiju jer omogućavaju formiranje hidratiziranih adsorbentskih premaza, koji imaju niz prednosti u odnosu na često proučavane fizičke adsorbente.
Štancane aluminijumske ploče korišćene kao podloge za ove eksperimente obezbedio je ALINVEST Břidličná, Češka Republika.Sadrže 98,11% aluminijuma, 1,3622% gvožđa, 0,3618% mangana i tragove bakra, magnezijuma, silicijuma, titana, cinka, hroma i nikla.
Materijali koji se biraju za izradu kompozita biraju se u skladu sa njihovim termodinamičkim svojstvima, odnosno u zavisnosti od količine vode koju mogu da adsorbuju/desorbuju na temperaturama ispod 120°C.
Magnezijum sulfat (MgSO4) je jedna od najzanimljivijih i najistraženijih hidratisanih soli30,31,32,33,34,35,36,37,38,39,40,41.Termodinamička svojstva su sistematski mjerena i utvrđeno je da su pogodne za primjenu u oblastima adsorpcionog hlađenja, toplotnih pumpi i skladištenja energije.Korišten je suvi magnezijum sulfat CAS-Nr.7487-88-9 99% (Grüssing GmbH, Filsum, Niedersachsen, Njemačka).
Kalcijum hlorid (CaCl2) (H319) je još jedna dobro proučavana so jer njen hidrat ima interesantna termodinamička svojstva41,42,43,44.Kalcijum hlorid heksahidrat CAS br.7774-34-7 97% iskorišteno (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-Nr.7733-02-0 99,5% (Grüssing GmbH, Filsum, Niedersachsen, Njemačka).
Stroncijum hlorid (SrCl2) (H318) takođe ima interesantna termodinamička svojstva4,45,47 iako se često kombinuje sa amonijakom u adsorpcionim toplotnim pumpama ili istraživanjima skladištenja energije.Za sintezu je korišten stroncij hlorid heksahidrat CAS-Nr.10.476-85-4 99,0–102,0% (Sigma Aldrich, St. Louis, Missouri, SAD).
Bakar sulfat (CuSO4) (H302, H315, H319, H410) nije među hidratima koji se često nalaze u stručnoj literaturi, iako su njegova termodinamička svojstva od interesa za aplikacije na niskim temperaturama48,49.Za sintezu je korišten bakar sulfat CAS-Nr.7758-99-8 99% (Sigma Aldrich, St. Louis, MO, SAD).
Magnezijum hlorid (MgCl2) je jedna od hidratisanih soli kojoj se u poslednje vreme više pažnje posvećuje u oblasti skladištenja toplotne energije50,51.Za eksperimente je korišten magnezijum hlorid heksahidrat CAS-Nr.7791-18-6 čistog farmaceutskog kvaliteta (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-Nr 9004-62-0 (Sigma Aldrich, St. Louis, MO, SAD).
Metalna vlakna su napravljena od kratkih žica spojenih zajedno kompresijom i sinterovanjem, procesom poznatim kao ekstrakcija taline u loncu (CME)52.To znači da njihova toplinska provodljivost ne ovisi samo o 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 pravcu tokom proizvodnje, što čini toplotnu provodljivost u poprečnom pravcu znatno nižom.
Svojstva apsorpcije vode ispitivana su simultanom termogravimetrijskom analizom (TGA)/diferencijalnom termogravimetrijskom analizom (DTG) u vakuumskom pakovanju (Netzsch TG 209 F1 Libra).Mjerenja su vršena u protočnoj atmosferi dušika pri brzini protoka od 10 ml/min i temperaturnom rasponu od 25 do 150°C u loncima od aluminij-oksida.Brzina zagrijavanja bila je 1 °C/min, težina uzorka varirala je od 10 do 20 mg, rezolucija je bila 0,1 μg.U ovom radu treba napomenuti da razlika mase po jedinici površine ima veliku nesigurnost.Uzorci koji se koriste u TGA-DTG su vrlo mali i nepravilno izrezani, što čini njihovo određivanje površine nepreciznim.Ove vrijednosti se mogu ekstrapolirati na veće područje samo ako se uzmu u obzir velika odstupanja.
Spektri oslabljene totalne refleksije Fourierove transformacije (ATR-FTIR) infracrveni su dobijeni na Bruker Vertex 80 v FTIR spektrometru (Bruker Optik GmbH, Leipzig, Njemačka) koristeći ATR platinasti pribor (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. Opseg talasnog broja od 8000 do 500 cm-1.Spektralna analiza je izvršena pomoću programa OPUS.
SEM analiza je izvršena korišćenjem DSM 982 Gemini iz Zeissa pri ubrzavajućim naponima od 2 i 5 kV.Energetsko disperzivna rendgenska spektroskopija (EDX) izvedena je korištenjem Thermo Fischer sistema 7 sa Peltierovim hlađenim silikonskim drift detektorom (SSD).
Priprema metalnih ploča izvedena je prema postupku sličnom onom opisanom u 53. Prvo potopite ploču u 50% sumpornu kiselinu.15 minuta.Zatim su uvedeni u 1 M rastvor natrijum hidroksida na oko 10 sekundi.Zatim su uzorci isprani velikom količinom destilovane vode, a zatim potopljeni u destilovanoj vodi 30 minuta.Nakon preliminarne površinske obrade, uzorci su uronjeni u 3% zasićeni rastvor.HEC i ciljna sol.Na kraju ih izvadite i osušite na 60°C.
Metoda eloksiranja poboljšava i jača prirodni sloj oksida na pasivnom metalu.Aluminijske ploče su eloksirane sumpornom kiselinom u očvrslom stanju, a zatim zatvorene u vrućoj vodi.Anodizacija je uslijedila nakon početnog jetkanja sa 1 mol/l NaOH (600 s) nakon čega je uslijedila neutralizacija u 1 mol/l HNO3 (60 s).Rastvor elektrolita je mješavina 2,3 M H2SO4, 0,01 M Al2(SO4)3 i 1 M MgSO4 + 7H2O.Anodizacija je izvedena na (40 ± 1)°C, 30 mA/cm2 u trajanju od 1200 sekundi.Proces zaptivanja je izveden u različitim slanim rastvorima kako je opisano u materijalima (MgSO4, CaCl2, ZnSO4, SrCl2, CuSO4, MgCl2).Uzorak se u njemu kuva 1800 sekundi.
Istražena su tri različite metode za proizvodnju kompozita: premazivanje ljepilom, direktna reakcija i površinska obrada.Sistematski se analiziraju i diskutuju prednosti i nedostaci svake metode obuke.Za procjenu rezultata korišteno je direktno promatranje, nanoimaging i hemijska/elementna analiza.
Anodizacija je odabrana kao metoda konverzijske površinske obrade kako bi se povećala adhezija hidrata soli.Ova površinska obrada stvara poroznu strukturu glinice (glinice) direktno na površini aluminijuma.Tradicionalno, ova metoda se sastoji od dvije faze: prva faza stvara poroznu strukturu od aluminij oksida, a druga faza stvara premaz od aluminij hidroksida koji zatvara pore.Slijede dvije metode blokiranja soli bez blokiranja pristupa plinskoj fazi.Prvi se sastoji od sistema saća koji koristi male cijevi od aluminijum oksida (Al2O3) dobijene u prvom koraku za držanje kristala adsorbenta i povećanje njegove adhezije na metalne površine.Nastalo saće ima prečnik 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 koji je podržan procesom ključanja u cijevi od aluminijuma.Kod druge metode, ovaj proces zaptivanja je modificiran na način da se kristali soli zarobe u ravnomjerno pokrivnom sloju bemita (Al2O(OH)), koji se u ovom slučaju ne koristi za zaptivanje.Druga faza se izvodi u zasićenom rastvoru odgovarajuće soli.Opisani uzorci imaju veličine u rasponu od 50–100 nm i izgledaju kao prskane kapi (slika 1b).Površina dobijena kao rezultat procesa brtvljenja ima izraženu prostornu strukturu sa povećanom površinom kontakta.Ovaj površinski uzorak, zajedno sa njihovim brojnim konfiguracijama vezivanja, idealan je za nošenje i držanje kristala soli.Čini se da su obje opisane strukture zaista porozne i imaju male šupljine za koje se čini da su pogodne za zadržavanje hidrata soli i adsorpciju para na sol tokom rada adsorbera.Međutim, elementarna analiza ovih površina pomoću EDX-a može otkriti količine magnezija i sumpora u tragovima na površini bemita, koje se ne detektiraju u slučaju površine glinice.
ATR-FTIR uzorka je potvrdio da je element magnezijum sulfat (vidi sliku 2b).Spektar pokazuje karakteristične vrhove sulfatnih jona na 610–680 i 1080–1130 cm–1 i karakteristične vrhove vode na rešetki na 1600–1700 cm–1 i 3200–3800 cm–1 (vidi sliku 2a, c).).Prisustvo jona magnezijuma skoro da ne menja spektar54.
(a) EDX aluminijske ploče MgSO4 obložene bemitom, (b) ATR-FTIR spektri prevlaka bemita i MgSO4, (c) ATR-FTIR spektri čistog MgSO4.
Održavanje efikasnosti adsorpcije potvrđeno je TGA.Na sl.3b prikazuje vrh desorpcije od pribl.60°C.Ovaj pik ne odgovara temperaturi dva pika uočena u TGA čiste soli (slika 3a).Procijenjena je ponovljivost ciklusa adsorpcija-desorpcija, a ista krivulja je uočena nakon postavljanja 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 otprilike 17,9 g/m2 u prvom odvodnjavanju i 10,3 g/m2 u drugom odvodnjavanju.
Poređenje TGA analize bemita i MgSO4: TGA analiza čistog MgSO4 (a), smjese (b) i nakon rehidracije (c).
Ista metoda je provedena sa kalcijum hloridom kao adsorbentom.Rezultati su prikazani na slici 4. Vizuelnim pregledom površine otkrivene su manje promjene u metalnom sjaju.Krzno je jedva vidljivo.SEM je potvrdio prisustvo malih kristala ravnomjerno raspoređenih po površini.Međutim, TGA nije pokazao dehidraciju ispod 150°C.Ovo može biti zbog činjenice da je udio soli premali u odnosu na ukupnu masu supstrata za detekciju TGA.
Rezultati površinske obrade bakar sulfatnog premaza metodom eloksiranja prikazani su na sl.5. U ovom slučaju nije došlo do očekivane inkorporacije CuSO4 u strukturu Al oksida.Umjesto toga, primjećuju se labave iglice koje se obično koriste za bakar hidroksid Cu(OH)2 koji se koristi s tipičnim tirkiznim bojama.
Anodizirana površinska obrada također je testirana u kombinaciji sa stroncij hloridom.Rezultati su pokazali neujednačenu pokrivenost (vidi sliku 6a).Da bi se utvrdilo da li je sol prekrivala cijelu površinu, izvršena je EDX analiza.Kriva za tačku u sivoj zoni (tačka 1 na slici 6b) pokazuje malo stroncijuma i mnogo aluminijuma.Ovo ukazuje na nizak sadržaj stroncijuma u mjerenoj zoni, što zauzvrat ukazuje na nisku pokrivenost stroncijum hloridom.Nasuprot tome, bijele površine imaju visok sadržaj stroncijuma i nizak sadržaj aluminijuma (tačke 2-6 na slici 6b).EDX analiza bijelog područja pokazuje tamnije tačke (tačke 2 i 4 na slici 6b), sa malo hlora i visokim udjelom sumpora.To može ukazivati ​​na stvaranje stroncij sulfata.Svjetlije tačke odražavaju visok sadržaj hlora i nizak sadržaj sumpora (tačke 3, 5 i 6 na slici 6b).To se može objasniti činjenicom da se glavni dio bijelog premaza sastoji od očekivanog stroncij klorida.TGA uzorka je potvrdila interpretaciju analize sa pikom na karakterističnoj temperaturi čistog stroncijum hlorida (slika 6c).Njihova mala vrijednost može se opravdati malim udjelom soli u usporedbi s masom metalnog nosača.Desorpciona masa određena u eksperimentima odgovara količini od 7,3 g/m2 koja se ispušta po jedinici površine adsorbera na temperaturi od 150°C.
Testirani su i 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 supstrata uspoređen je s onom čiste soli (slika 7c).Čista so ima jedan asimetrični vrh na 59,1°C.Obloženi aluminijum je pokazao dva mala vrha na 55,5°C i 61,3°C, što ukazuje na prisustvo cink sulfat hidrata.Razlika mase otkrivena u eksperimentu odgovara 10,9 g/m2 pri temperaturi dehidracije od 150°C.
Kao iu prethodnoj primjeni53, hidroksietil celuloza je korištena kao vezivo za poboljšanje adhezije i stabilnosti premaza sorbenta.Kompatibilnost materijala i učinak na performanse adsorpcije procijenjen je TGA.Analiza se vrši u odnosu na ukupnu masu, odnosno uzorak sadrži metalnu ploču koja se koristi kao podloga za premaz.Adhezija se testira testom zasnovanim na testu unakrsnog zareza definisanog u specifikaciji ISO2409 (ne može zadovoljiti specifikaciju odvajanja zareza u zavisnosti od debljine i širine specifikacije).
Premazivanje panela kalcijum hloridom (CaCl2) (vidi sliku 8a) rezultiralo je neravnomjernom raspodjelom, što nije uočeno kod čistog aluminijumskog premaza korištenog za ispitivanje poprečnog zareza.U poređenju sa rezultatima za čisti CaCl2, TGA (slika 8b) pokazuje dva karakteristična pika pomerena prema nižim temperaturama od 40 i 20°C, respektivno.Ispitivanje poprečnog presjeka ne dozvoljava objektivno poređenje jer je čisti uzorak CaCl2 (uzorak desno na sl. 8c) praškasti precipitat koji uklanja najgornje čestice.Rezultati HEC-a pokazali su vrlo tanak i ujednačen premaz sa zadovoljavajućom adhezijom.Razlika u masi prikazana na sl.8b odgovara 51,3 g/m2 po jedinici površine adsorbera na temperaturi od 150°C.
Pozitivni rezultati u pogledu adhezije i uniformnosti takođe su postignuti sa magnezijum sulfatom (MgSO4) (vidi sliku 9).Analiza procesa desorpcije prevlake pokazala je prisustvo jednog pika od cca.60°C.Ova temperatura odgovara glavnom koraku desorpcije koji se vidi u dehidraciji čistih soli, što predstavlja još jedan korak na 44°C.Odgovara prijelazu iz heksahidrata u pentahidrat i ne opaža se u slučaju premaza sa vezivom.Ispitivanja poprečnog presjeka pokazuju bolju distribuciju i prianjanje u odnosu na premaze napravljene od 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 neravnu prevlaku na perajima (slika 10a).Međutim, rezultati testa poprečnog zareza pokazali su ujednačenu raspodjelu uz značajno poboljšanu adheziju (slika 10c).TGA analiza je pokazala vrlo malu razliku u težini, što mora biti zbog nižeg sadržaja soli u odnosu na metalnu podlogu.Međutim, koraci na krivulji pokazuju prisustvo procesa dehidracije, iako je vrh povezan s temperaturom dobivenom karakterizacijom čiste soli.Pikovi na 110°C i 70,2°C uočeni na Sl.10b su također pronađeni prilikom analize čiste soli.Međutim, glavni korak dehidracije uočen u čistoj soli na 50°C nije se odrazio na krivuljama koje su koristile vezivo.Nasuprot tome, mješavina veziva je pokazala dva pika na 20,2°C i 94,1°C, koji nisu izmjereni za čistu sol (slika 10b).Na temperaturi od 150 °C, uočena razlika mase odgovara 7,2 g/m2 po jedinici površine adsorbera.
Kombinacija HEC i cink sulfata (ZnSO4) nije dala prihvatljive rezultate (slika 11).TGA analiza obloženog metala nije otkrila nikakve procese dehidracije.Iako su distribucija i adhezija premaza poboljšani, njegova svojstva su još uvijek daleko od optimalnih.
Najjednostavniji način oblaganja metalnih vlakana tankim i ujednačenim slojem je mokra impregnacija (slika 12a), koja uključuje pripremu ciljne soli i impregnaciju metalnih vlakana vodenim rastvorom.
Prilikom pripreme za mokru impregnaciju nailaze se na dva glavna problema.S jedne strane, površinski napon fiziološkog rastvora sprečava pravilno ugrađivanje tečnosti u poroznu strukturu.Kristalizacija na vanjskoj površini (slika 12d) i mjehurići zraka zarobljeni unutar strukture (slika 12c) mogu se smanjiti samo smanjenjem površinskog napona i prethodnim vlaženjem uzorka destilovanom vodom.Prisilno otapanje u uzorku evakuacijom vazduha unutar ili stvaranjem protoka rastvora u strukturi su drugi efikasni načini da se obezbedi potpuno punjenje strukture.
Drugi problem na koji smo naišli tokom pripreme bilo je uklanjanje filma sa dijela soli (vidi sliku 12b).Ovu pojavu karakterizira stvaranje suhe prevlake na površini rastvaranja, koja zaustavlja konvektivno stimulirano sušenje i pokreće proces stimuliran difuzijom.Drugi mehanizam je mnogo sporiji od prvog.Kao rezultat, 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).
Šematski prikaz procesa kristalizacije tokom hlađenja i odvajanja čvrste i tečne faze korišćenjem MgSO4.
Zasićene otopine soli mogu se pripremiti na ili iznad sobne temperature (HT) koristeći ovu metodu.U prvom slučaju, kristalizacija je bila forsirana snižavanjem temperature ispod sobne temperature.U drugom slučaju, kristalizacija je nastupila kada je uzorak ohlađen na sobnu temperaturu (RT).Rezultat je mješavina kristala (B) i otopljenog (A), čiji se tekući 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 kemijskih reakcija.Obloženi izmjenjivači topline napravljeni reakcijom kiselina na metalnim površinama rebara i cijevi imaju niz prednosti, kao što je navedeno u našoj prethodnoj studiji.Primena ove metode na vlakna je dovela do veoma loših rezultata zbog stvaranja gasova tokom reakcije.Pritisak mjehurića vodonika se stvara unutar sonde i pomjera se kako se proizvod izbacuje (slika 14a).
Premaz je modificiran kemijskom reakcijom radi bolje kontrole debljine i raspodjele premaza.Ova metoda uključuje propuštanje struje kisele magle kroz uzorak (slika 14b).Očekuje se da će to rezultirati ujednačenim premazom reakcijom s metalom podloge.Rezultati su bili zadovoljavajući, ali je proces bio suviše spor da bi se smatrao efikasnom metodom (slika 14c).Kraće vrijeme reakcije može se postići lokaliziranim zagrijavanjem.
Kako bi se prevazišli nedostaci navedenih metoda, proučavana je metoda premazivanja koja se temelji na upotrebi ljepila.HEC je odabran na osnovu rezultata predstavljenih u prethodnom odjeljku.Svi uzorci su pripremljeni na 3% mas.Vezivo se pomeša sa solju.Vlakna su prethodno obrađena po istom postupku kao i za rebra, odnosno natopljena u 50% vol.u roku od 15 minuta.sumporne kiseline, zatim natopljene natrijum hidroksidom 20 sekundi, isprane u destilovanoj vodi i na kraju potopljene u destilovanoj vodi 30 minuta.U ovom slučaju je dodan dodatni korak prije impregnacije.Uzorak nakratko uronite u razrijeđenu ciljnu otopinu soli i osušite na približno 60°C.Proces je dizajniran da modificira površinu metala, stvarajući mjesta nukleacije koja poboljšavaju distribuciju premaza u završnoj fazi.Vlaknasta struktura ima jednu stranu na kojoj su filamenti tanji i čvrsto 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 i oni pramenovi bez vidljivih kristala na površini imali su smanjene metalne refleksije, što ukazuje na promjenu završne obrade.Međutim, nakon što su uzorci impregnirani vodenom mješavinom CaCl2 i HEC i sušeni na temperaturi od oko 60°C, premazi su koncentrirani na sjecištima struktura.Ovo je efekat uzrokovan površinskim naponom rastvora.Nakon namakanja, tekućina ostaje unutar uzorka zbog svoje površinske napetosti.U osnovi se javlja na raskrsnici struktura.Najbolja strana primjerka ima nekoliko rupa ispunjenih solju.Težina se nakon nanošenja premaza povećala za 0,06 g/cm3.
Premazivanje magnezijum sulfatom (MgSO4) proizvodi više soli po jedinici zapremine (tabela 2).U ovom slučaju, izmjereni prirast je 0,09 g/cm3.Proces sjetve rezultirao je opsežnim uzorkom.Nakon procesa premazivanja, sol blokira velike površine tanke strane uzorka.Osim toga, neka područja mat su blokirana, ali je određena poroznost zadržana.U ovom slučaju, formiranje soli se lako uočava na sjecištu struktura, što potvrđuje da je proces oblaganja uglavnom posljedica površinske napetosti tekućine, a ne interakcije između soli i metalne podloge.
Rezultati za kombinaciju stroncijum klorida (SrCl2) i HEC pokazali su slična svojstva kao u prethodnim primjerima (Tablica 3).U ovom slučaju, tanja strana uzorka je gotovo potpuno prekrivena.Vidljive su samo pojedinačne pore nastale tokom sušenja kao rezultat oslobađanja pare iz uzorka.Uočen uzorak na mat strani je vrlo sličan prethodnom slučaju, područje je blokirano solju i vlakna nisu potpuno prekrivena.
Kako bi se procijenio pozitivan učinak vlaknaste strukture na toplinske performanse izmjenjivača topline, određena je efektivna toplinska provodljivost obložene vlaknaste strukture i upoređena sa čistim materijalom za oblaganje.Toplotna provodljivost je izmjerena prema ASTM D 5470-2017 pomoću uređaja s ravnim pločama prikazanog na slici 15a korištenjem referentnog materijala sa poznatom toplinskom provodljivošću.U usporedbi s drugim prijelaznim metodama mjerenja, ovaj princip je povoljan za porozne materijale korištene u ovoj studiji, budući da se mjerenja izvode u stabilnom stanju i uz dovoljnu veličinu uzorka (osnovna površina 30 × 30 mm2, visina približno 15 mm).Uzorci čistog materijala za oblaganje (referentni) i obložene vlaknaste strukture pripremljeni su za mjerenja u smjeru vlakna i okomito na smjer vlakna kako bi se procijenio učinak anizotropne toplinske provodljivosti.Uzorci su brušeni na površini (P320 grit) kako bi se smanjio učinak hrapavosti površine zbog pripreme uzorka, koja ne odražava strukturu unutar uzorka.