Gràcies per visitar Nature.com.La versió del navegador que utilitzeu té un suport CSS limitat.Per obtenir la millor experiència, us recomanem que utilitzeu un navegador actualitzat (o desactiveu el mode de compatibilitat a Internet Explorer).Mentrestant, per garantir un suport continuat, renderitzarem el lloc sense estils ni JavaScript.
La quota de mercat dels sistemes de refrigeració per adsorció i les bombes de calor encara és relativament petita en comparació amb els sistemes de compressors tradicionals.Malgrat l'enorme avantatge d'utilitzar calor barata (en comptes d'un treball elèctric car), la implementació de sistemes basats en principis d'adsorció encara es limita a unes poques aplicacions específiques.El principal desavantatge que cal eliminar és la disminució de la potència específica a causa de la baixa conductivitat tèrmica i la baixa estabilitat de l'adsorbent.Els sistemes de refrigeració d'adsorció comercials d'última generació es basen en adsorbents basats en intercanviadors de calor de plaques recoberts per optimitzar la capacitat de refrigeració.Els resultats són ben coneguts que disminuir el gruix del recobriment condueix a una disminució de la impedància de transferència de massa, i augmentar la relació entre superfície i volum de les estructures conductores augmenta la potència sense comprometre l'eficiència.Les fibres metàl·liques utilitzades en aquest treball poden proporcionar una superfície específica en el rang de 2500-50.000 m2/m3.Tres mètodes per obtenir recobriments molt prims però estables d'hidrats de sal sobre superfícies metàl·liques, incloses les fibres metàl·liques, per a la producció de recobriments demostren per primera vegada un intercanviador de calor d'alta densitat de potència.El tractament superficial basat en l'anodització d'alumini es tria per crear una unió més forta entre el recobriment i el substrat.La microestructura de la superfície resultant es va analitzar mitjançant microscòpia electrònica d'escaneig.Es van utilitzar espectroscòpia infraroja de transformada de Fourier de reflexió total reduïda i espectroscòpia de raigs X amb dispersió d'energia per comprovar la presència de l'espècie desitjada a l'assaig.La seva capacitat per formar hidrats es va confirmar mitjançant anàlisi termogravimètrica combinada (TGA)/anàlisi termogravimètrica diferencial (DTG).Es va trobar una mala qualitat superior a 0, 07 g (aigua) / g (compost) al recobriment de MgSO4, mostrant signes de deshidratació a uns 60 ° C i reproduïble després de la rehidratació.També es van obtenir resultats positius amb SrCl2 i ZnSO4 amb una diferència de massa d'uns 0,02 g/g per sota de 100 °C.Es va triar la hidroxietilcel·lulosa com a additiu per augmentar l'estabilitat i l'adhesió del recobriment.Les propietats adsortives dels productes es van avaluar mitjançant TGA-DTG simultània i es va caracteritzar la seva adhesió mitjançant un mètode basat en les proves descrites a la ISO2409.La consistència i l'adhesió del recobriment de CaCl2 es millora significativament mentre es manté la seva capacitat d'adsorció amb una diferència de pes d'uns 0,1 g/g a temperatures inferiors a 100 °C.A més, el MgSO4 conserva la capacitat de formar hidrats, mostrant una diferència de massa de més de 0,04 g/g a temperatures inferiors a 100 °C.Finalment, s'examinen les fibres metàl·liques recobertes.Els resultats mostren que la conductivitat tèrmica efectiva de l'estructura de fibra recoberta amb Al2(SO4)3 pot ser 4,7 vegades superior en comparació amb el volum d'Al2(SO4)3 pur.Es va examinar visualment el recobriment dels recobriments estudiats i es va avaluar l'estructura interna mitjançant una imatge microscòpica de les seccions transversals.Es va obtenir un recobriment d'Al2(SO4)3 amb un gruix d'uns 50 µm, però cal optimitzar el procés global per aconseguir una distribució més uniforme.
Els sistemes d'adsorció han guanyat molta atenció durant les últimes dècades, ja que proporcionen una alternativa respectuosa amb el medi ambient a les bombes de calor de compressió tradicionals o als sistemes de refrigeració.Amb l'augment dels estàndards de confort i les temperatures mitjanes globals, els sistemes d'adsorció poden reduir la dependència dels combustibles fòssils en un futur proper.A més, qualsevol millora en la refrigeració d'adsorció o les bombes de calor es pot transferir a l'emmagatzematge d'energia tèrmica, la qual cosa suposa un augment addicional del potencial d'ús eficient de l'energia primària.El principal avantatge de les bombes de calor d'adsorció i els sistemes de refrigeració és que poden funcionar amb poca massa calorífica.Això els fa aptes per a fonts de baixa temperatura com l'energia solar o la calor residual.Pel que fa a les aplicacions d'emmagatzematge d'energia, l'adsorció té l'avantatge d'una major densitat d'energia i una menor dissipació d'energia en comparació amb l'emmagatzematge de calor sensible o latent.
Les bombes de calor d'adsorció i els sistemes de refrigeració segueixen el mateix cicle termodinàmic que els seus homòlegs de compressió de vapor.La principal diferència és la substitució dels components del compressor per adsorbents.L'element és capaç d'adsorbir vapor de refrigerant a baixa pressió a temperatures moderades, evaporant més refrigerant fins i tot quan el líquid està fred.Cal assegurar un refredament constant de l'adsorbidor per tal d'excloure l'entalpia d'adsorció (exoterma).L'adsorbidor es regenera a alta temperatura, fent que el vapor del refrigerant es desorbi.L'escalfament ha de continuar proporcionant l'entalpia de desorció (endotèrmica).Com que els processos d'adsorció es caracteritzen per canvis de temperatura, una alta densitat de potència requereix una alta conductivitat tèrmica.Tanmateix, la baixa conductivitat tèrmica és, amb diferència, el principal desavantatge en la majoria d'aplicacions.
El principal problema de la conductivitat és augmentar el seu valor mitjà mantenint el camí de transport que proporciona el flux de vapors d'adsorció/dessorció.Per aconseguir-ho s'utilitzen habitualment dos enfocaments: intercanviadors de calor compostos i intercanviadors de calor revestits.Els materials compostos més populars i reeixits són els que utilitzen additius a base de carboni, és a dir, el grafit expandit, el carbó activat o les fibres de carboni.Oliveira et al.2 pols de grafit expandit impregnat amb clorur de calci per produir un adsorbent amb una capacitat de refrigeració específica (SCP) de fins a 306 W/kg i un coeficient de rendiment (COP) de fins a 0,46.Zajaczkowski et al.3 proposava una combinació de grafit expandit, fibra de carboni i clorur de calci amb una conductivitat total de 15 W/mK.Jian et al4 van provar compostos amb grafit natural expandit (ENG-TSA) tractat amb àcid sulfúric com a substrat en un cicle de refrigeració per adsorció de dues etapes.El model va predir COP de 0,215 a 0,285 i SCP de 161,4 a 260,74 W/kg.
Amb diferència, la solució més viable és l'intercanviador de calor revestit.Els mecanismes de recobriment d'aquests intercanviadors de calor es poden dividir en dues categories: síntesi directa i adhesius.El mètode més reeixit és la síntesi directa, que implica la formació de materials adsorbents directament a la superfície dels intercanviadors de calor a partir dels reactius adequats.Sotech5 ha patentat un mètode per sintetitzar zeolita recoberta per utilitzar-lo en una sèrie de refrigeradors fabricats per Fahrenheit GmbH.Schnabel et al6 van provar el rendiment de dues zeolites recobertes d'acer inoxidable.Tanmateix, aquest mètode només funciona amb adsorbents específics, la qual cosa fa que el recobriment amb adhesius sigui una alternativa interessant.Els aglutinants són substàncies passives escollides per suportar l'adhesió del sorbent i/o la transferència de massa, però no tenen cap paper en l'adsorció o la millora de la conductivitat.Freni et al.7 intercanviadors de calor d'alumini recoberts amb zeolita AQSOA-Z02 estabilitzada amb un aglutinant a base d'argila.Calabrese et al.8 van estudiar la preparació de recobriments de zeolita amb aglomerants polimèrics.Ammann et al.9 van proposar un mètode per preparar recobriments porosos de zeolita a partir de mescles magnètiques d'alcohol polivinílic.L'alúmina (alúmina) també s'utilitza com a aglutinant 10 a l'adsorbidor.Segons el nostre coneixement, la cel·lulosa i la hidroxietilcel·lulosa només s'utilitzen en combinació amb adsorbents físics11,12.De vegades, la cola no s'utilitza per a la pintura, sinó que s'utilitza per construir l'estructura 13 per si sola.La combinació de matrius de polímers d'alginat amb múltiples hidrats de sal forma estructures de perles compostes flexibles que eviten les fuites durant l'assecat i proporcionen una transferència de massa adequada.Les argiles com la bentonita i l'atapulgita s'han utilitzat com a aglutinants per a la preparació de compostos15,16,17.L'etilcel·lulosa s'ha utilitzat per microencapsular clorur de calci18 o sulfur de sodi19.
Els compostos amb una estructura metàl·lica porosa es poden dividir en intercanviadors de calor additius i intercanviadors de calor revestits.L'avantatge d'aquestes estructures és l'alta superfície específica.Això es tradueix en una superfície de contacte més gran entre l'adsorbent i el metall sense afegir una massa inert, la qual cosa redueix l'eficiència global del cicle de refrigeració.Lang et al.20 han millorat la conductivitat general d'un adsorbidor de zeolita amb una estructura de bresca d'alumini.Gillerminot et al.21 va millorar la conductivitat tèrmica de les capes de zeolita NaX amb escuma de coure i níquel.Tot i que els compostos s'utilitzen com a materials de canvi de fase (PCM), les troballes de Li et al.22 i Zhao et al.23 també són d'interès per a la quimisorció.Van comparar el rendiment del grafit expandit i l'escuma metàl·lica i van concloure que aquest últim només era preferible si la corrosió no era un problema.Palomba et al.recentment han comparat altres estructures poroses metàl·liques24.Van der Pal et al.han estudiat sals metàl·liques incrustades en escumes 25 .Tots els exemples anteriors corresponen a capes denses d'adsorbents de partícules.Les estructures metàl·liques poroses pràcticament no s'utilitzen per revestir els adsorbents, que és una solució més òptima.Un exemple d'unió a zeolites es pot trobar a Wittstadt et al.26 però no s'ha fet cap intent d'unir els hidrats de sal malgrat la seva densitat energètica més alta 27 .
Així, en aquest article s'exploraran tres mètodes per preparar recobriments adsorbents: (1) recobriment aglutinant, (2) reacció directa i (3) tractament superficial.La hidroxietilcel·lulosa va ser l'aglutinant escollit en aquest treball a causa de l'estabilitat prèviament informada i la bona adhesió del recobriment en combinació amb adsorbents físics.Aquest mètode es va investigar inicialment per a recobriments plans i posteriorment es va aplicar a estructures de fibra metàl·lica.Prèviament, es va informar d'una anàlisi preliminar de la possibilitat de reaccions químiques amb la formació de recobriments adsorbents.L'experiència prèvia s'està transferint ara al recobriment d'estructures de fibra metàl·lica.El tractament superficial escollit per a aquest treball és un mètode basat en l'anodització d'alumini.L'anodització d'alumini s'ha combinat amb èxit amb sals metàl·liques amb finalitats estètiques29.En aquests casos es poden obtenir recobriments molt estables i resistents a la corrosió.No obstant això, no poden dur a terme cap procés d'adsorció o desorció.Aquest article presenta una variant d'aquest enfocament que permet moure la massa utilitzant les propietats adhesives del procés original.Segons el que sabem, cap dels mètodes descrits aquí no s'ha estudiat prèviament.Representen una nova tecnologia molt interessant perquè permeten la formació de recobriments adsorbents hidratats, que presenten una sèrie d'avantatges sobre els adsorbents físics estudiats amb freqüència.
Les plaques d'alumini estampades utilitzades com a substrats per a aquests experiments van ser proporcionades per ALINVEST Břidličná, República Txeca.Contenen un 98,11% d'alumini, un 1,3622% de ferro, un 0,3618% de manganès i traces de coure, magnesi, silici, titani, zinc, crom i níquel.
Els materials escollits per a la fabricació de composites es seleccionen d'acord amb les seves propietats termodinàmiques, és a dir, en funció de la quantitat d'aigua que poden adsorbir/desorbir a temperatures inferiors a 120 °C.
El sulfat de magnesi (MgSO4) és una de les sals hidratades més interessants i estudiades30,31,32,33,34,35,36,37,38,39,40,41.Les propietats termodinàmiques s'han mesurat sistemàticament i s'han trobat adequades per a aplicacions en els camps de la refrigeració per adsorció, bombes de calor i emmagatzematge d'energia.S'ha utilitzat sulfat de magnesi sec CAS-Nr.7487-88-9 99% (Grüssing GmbH, Filsum, Niedersachsen, Alemanya).
El clorur de calci (CaCl2) (H319) és una altra sal ben estudiada perquè el seu hidrat té propietats termodinàmiques interessants41,42,43,44.Clorur de calci hexahidrat Nº CAS.7774-34-7 97% utilitzat (Grüssing, GmbH, Filsum, Niedersachsen, Alemanya).
El sulfat de zinc (ZnSO4) (H3O2, H318, H410) i els seus hidrats tenen propietats termodinàmiques adequades per a processos d'adsorció a baixa temperatura45,46.S'ha utilitzat sulfat de zinc heptahidrat CAS-Nr.7733-02-0 99,5% (Grüssing GmbH, Filsum, Niedersachsen, Alemanya).
El clorur d'estronci (SrCl2) (H318) també té propietats termodinàmiques interessants4,45,47 encara que sovint es combina amb amoníac en la investigació de la bomba de calor d'adsorció o l'emmagatzematge d'energia.Per a la síntesi es va utilitzar clorur d'estronci hexahidrat CAS-Nr.10.476-85-4 99,0–102,0% (Sigma Aldrich, St. Louis, Missouri, EUA).
El sulfat de coure (CuSO4) (H302, H315, H319, H410) no es troba entre els hidrats que es troben freqüentment en la literatura professional, tot i que les seves propietats termodinàmiques són d'interès per a aplicacions a baixa temperatura48,49.Per a la síntesi es va utilitzar sulfat de coure CAS-Nr.7758-99-8 99% (Sigma Aldrich, St. Louis, MO, EUA).
El clorur de magnesi (MgCl2) és una de les sals hidratades que ha rebut més atenció recentment en l'àmbit de l'emmagatzematge d'energia tèrmica50,51.Per als experiments es va utilitzar clorur de magnesi hexahidrat CAS-Nr.7791-18-6 de grau farmacèutic pur (Applichem GmbH., Darmstadt, Alemanya).
Com s'ha esmentat anteriorment, es va triar la hidroxietilcel·lulosa a causa dels resultats positius en aplicacions similars.El material utilitzat en la nostra síntesi és la hidroxietilcel·lulosa CAS-Nr 9004-62-0 (Sigma Aldrich, St. Louis, MO, EUA).
Les fibres metàl·liques estan fetes de cables curts units per compressió i sinterització, un procés conegut com a extracció de gresol (CME)52.Això vol dir que la seva conductivitat tèrmica depèn no només de la conductivitat a granel dels metalls utilitzats en la fabricació i de la porositat de l'estructura final, sinó també de la qualitat dels enllaços entre els fils.Les fibres no són isòtropes i tendeixen a distribuir-se en una certa direcció durant la producció, la qual cosa fa que la conductivitat tèrmica en la direcció transversal sigui molt més baixa.
Les propietats d'absorció d'aigua es van investigar mitjançant anàlisi termogravimètrica simultània (TGA)/anàlisi termogravimètrica diferencial (DTG) en un paquet al buit (Netzsch TG 209 F1 Libra).Les mesures es van realitzar en una atmosfera de nitrogen que flueix a un cabal de 10 ml/min i un rang de temperatures de 25 a 150 °C en gresols d'òxid d'alumini.La velocitat d'escalfament va ser d'1 °C/min, el pes de la mostra va variar de 10 a 20 mg, la resolució va ser de 0,1 μg.En aquest treball, cal assenyalar que la diferència de massa per unitat de superfície té una gran incertesa.Les mostres utilitzades en TGA-DTG són molt petites i tallades irregularment, la qual cosa fa que la determinació de l'àrea sigui inexacta.Aquests valors només es poden extrapolar a una àrea més gran si es tenen en compte grans desviacions.
Els espectres d'infrarojos de transformació de Fourier de reflexió total atenuada (ATR-FTIR) es van adquirir en un espectròmetre FTIR Bruker Vertex 80 v (Bruker Optik GmbH, Leipzig, Alemanya) mitjançant un accessori de platí ATR (Bruker Optik GmbH, Alemanya).Els espectres de cristalls de diamant sec pur es van mesurar directament al buit abans d'utilitzar les mostres com a fons per a mesures experimentals.Les mostres es van mesurar al buit amb una resolució espectral de 2 cm-1 i un nombre mitjà d'exploracions de 32. El nombre d'ona va de 8000 a 500 cm-1.L'anàlisi espectral es va realitzar mitjançant el programa OPUS.
L'anàlisi SEM es va realitzar mitjançant un DSM 982 Gemini de Zeiss a tensions d'acceleració de 2 i 5 kV.L'espectroscòpia de raigs X de dispersió d'energia (EDX) es va realitzar mitjançant un Thermo Fischer System 7 amb un detector de deriva de silici (SSD) refrigerat Peltier.
La preparació de les plaques metàl·liques es va realitzar seguint un procediment semblant al descrit a l'apartat 53. En primer lloc, submergir la placa en àcid sulfúric al 50%.15 minuts.Després es van introduir en una solució d'hidròxid de sodi 1 M durant uns 10 segons.A continuació, es van rentar les mostres amb una gran quantitat d'aigua destil·lada i després es van remullar en aigua destil·lada durant 30 minuts.Després del tractament superficial preliminar, les mostres es van submergir en una solució saturada al 3%.HEC i sal objectiu.Finalment, traieu-los i assequeu-los a 60°C.
El mètode d'anodització millora i reforça la capa d'òxid natural del metall passiu.Els panells d'alumini es van anoditzar amb àcid sulfúric en estat endurit i després segellats amb aigua calenta.L'anodització va seguir un gravat inicial amb 1 mol/l de NaOH (600 s) seguit de neutralització en 1 mol/l HNO3 (60 s).La solució d'electròlit és una barreja de 2,3 M H2SO4, 0,01 M Al2(SO4)3 i 1 M MgSO4 + 7H2O.L'anodització es va dur a terme a (40 ± 1) °C, 30 mA/cm2 durant 1200 segons.El procés de segellat es va dur a terme en diverses solucions de salmorra tal com es descriu als materials (MgSO4, CaCl2, ZnSO4, SrCl2, CuSO4, MgCl2).La mostra s'hi bull durant 1800 segons.
S'han investigat tres mètodes diferents per produir compostos: recobriment adhesiu, reacció directa i tractament superficial.S'analitzen i es discuteixen sistemàticament els avantatges i els inconvenients de cada mètode d'entrenament.Per avaluar els resultats es van utilitzar l'observació directa, la nanoimatge i l'anàlisi química/elemental.
L'anodització es va triar com a mètode de tractament de superfície de conversió per augmentar l'adhesió dels hidrats de sal.Aquest tractament superficial crea una estructura porosa d'alúmina (alúmina) directament sobre la superfície d'alumini.Tradicionalment, aquest mètode consta de dues etapes: la primera etapa crea una estructura porosa d'òxid d'alumini i la segona etapa crea un recobriment d'hidròxid d'alumini que tanca els porus.Els següents són dos mètodes per bloquejar la sal sense bloquejar l'accés a la fase gasosa.La primera consisteix en un sistema de niu d'abella que utilitza petits tubs d'òxid d'alumini (Al2O3) obtinguts en el primer pas per subjectar els cristalls adsorbents i augmentar la seva adhesió a les superfícies metàl·liques.Les bresques resultants tenen un diàmetre d'uns 50 nm i una longitud de 200 nm (Fig. 1a).Com s'ha esmentat anteriorment, aquestes cavitats solen tancar-se en un segon pas amb una fina capa de boehmita Al2O(OH)2 suportada pel procés d'ebullició del tub d'alúmina.En el segon mètode, aquest procés de segellat es modifica de manera que els cristalls de sal es capturen en una capa uniforme de boehmita (Al2O(OH)), que no s'utilitza per segellar en aquest cas.La segona etapa es realitza en una solució saturada de la sal corresponent.Els patrons descrits tenen mides en el rang de 50-100 nm i semblen gotes esquitxades (Fig. 1b).La superfície obtinguda com a resultat del procés de segellat té una estructura espacial pronunciada amb una àrea de contacte augmentada.Aquest patró de superfície, juntament amb les seves nombroses configuracions d'enllaç, és ideal per transportar i subjectar cristalls de sal.Les dues estructures descrites semblen ser realment poroses i tenen petites cavitats que semblen adequades per retenir hidrats de sal i adsorbir vapors a la sal durant el funcionament de l'adsorbidor.Tanmateix, l'anàlisi elemental d'aquestes superfícies mitjançant EDX pot detectar traces de magnesi i sofre a la superfície de la boehmita, que no es detecten en el cas d'una superfície d'alúmina.
L'ATR-FTIR de la mostra va confirmar que l'element era sulfat de magnesi (vegeu la figura 2b).L'espectre mostra pics característics d'ions sulfat a 610–680 i 1080–1130 cm–1 i pics característics d'aigua de gelosia a 1600–1700 cm–1 i 3200–3800 cm–1 (vegeu la figura 2a, c).).La presència d'ions de magnesi gairebé no canvia l'espectre54.
( a ) EDX d'una placa d'alumini de MgSO4 recoberta de boehmita, (b) espectres ATR-FTIR de recobriments de boehmita i MgSO4, (c) espectres ATR-FTIR de MgSO4 pur.
El manteniment de l'eficiència d'adsorció va ser confirmat per TGA.A la fig.3b mostra un pic de desorció d'aprox.60°C.Aquest pic no es correspon amb la temperatura dels dos pics observats en TGA de sal pura (Fig. 3a).Es va avaluar la repetibilitat del cicle d'adsorció-desorció i es va observar la mateixa corba després de col·locar les mostres en una atmosfera humida (Fig. 3c).Les diferències observades en la segona etapa de la desorció poden ser el resultat de la deshidratació en una atmosfera que flueix, ja que això sovint condueix a una deshidratació incompleta.Aquests valors corresponen a aproximadament 17,9 g/m2 en la primera deshidratació i 10,3 g/m2 en la segona deshidratació.
Comparació de l'anàlisi TGA de boehmita i MgSO4: anàlisi TGA de MgSO4 pur (a), barreja (b) i després de la rehidratació (c).
El mateix mètode es va dur a terme amb clorur de calci com a adsorbent.Els resultats es presenten a la figura 4. La inspecció visual de la superfície va revelar canvis menors en la resplendor metàl·lica.El pelatge és amb prou feines visible.SEM va confirmar la presència de petits cristalls distribuïts uniformement per la superfície.Tanmateix, TGA no va mostrar deshidratació per sota dels 150 ° C.Això pot ser degut al fet que la proporció de sal és massa petita en comparació amb la massa total del substrat per a la detecció per TGA.
A la fig.5. En aquest cas, no es va produir l'esperada incorporació de CuSO4 a l'estructura de l'òxid d'Al.En canvi, s'observen agulles soltes, ja que s'utilitzen habitualment per a l'hidròxid de coure Cu(OH)2 utilitzat amb tints turquesa típics.
El tractament superficial anoditzat també es va provar en combinació amb clorur d'estronci.Els resultats van mostrar una cobertura desigual (vegeu la figura 6a).Per determinar si la sal cobria tota la superfície, es va realitzar una anàlisi EDX.La corba d'un punt de la zona grisa (punt 1 de la figura 6b) mostra poc estronci i molt d'alumini.Això indica un baix contingut d'estronci a la zona mesurada, que, al seu torn, indica una baixa cobertura de clorur d'estronci.Per contra, les zones blanques tenen un alt contingut d'estronci i un baix contingut d'alumini (punts 2-6 de la figura 6b).L'anàlisi EDX de la zona blanca mostra punts més foscos (punts 2 i 4 de la figura 6b), baixos en clor i alts en sofre.Això pot indicar la formació de sulfat d'estronci.Els punts més brillants reflecteixen un alt contingut de clor i un baix contingut de sofre (punts 3, 5 i 6 de la figura 6b).Això es pot explicar pel fet que la part principal del recobriment blanc consisteix en l'esperat clorur d'estronci.La TGA de la mostra va confirmar la interpretació de l'anàlisi amb un pic a la temperatura característica del clorur d'estronci pur (Fig. 6c).El seu petit valor es pot justificar per una petita fracció de sal en comparació amb la massa del suport metàl·lic.La massa de desorció determinada en els experiments correspon a la quantitat de 7,3 g/m2 que es desprenen per unitat d'àrea de l'adsorbent a una temperatura de 150 °C.
També es van provar els recobriments de sulfat de zinc tractats amb Eloxal.Macroscòpicament, el recobriment és una capa molt fina i uniforme (Fig. 7a).Tanmateix, SEM va revelar una superfície coberta de petits cristalls separats per zones buides (Fig. 7b).El TGA del recobriment i el substrat es va comparar amb el de la sal pura (figura 7c).La sal pura té un pic asimètric a 59,1 °C.L'alumini recobert va mostrar dos petits pics a 55,5 °C i 61,3 °C, cosa que indica la presència d'hidrat de sulfat de zinc.La diferència de massa revelada a l'experiment correspon a 10,9 g/m2 a una temperatura de deshidratació de 150 °C.
Com a l'aplicació anterior53, es va utilitzar hidroxietilcel·lulosa com a aglutinant per millorar l'adhesió i l'estabilitat del recobriment absorbent.La TGA va avaluar la compatibilitat del material i l'efecte sobre el rendiment d'adsorció.L'anàlisi es realitza en relació a la massa total, és a dir, la mostra inclou una placa metàl·lica utilitzada com a substrat de recobriment.L'adhesió es prova mitjançant una prova basada en la prova d'osca creuada definida a l'especificació ISO2409 (no es pot complir l'especificació de separació de l'osca en funció del gruix i l'amplada de l'especificació).
El recobriment dels panells amb clorur de calci (CaCl2) (vegeu la figura 8a) va donar lloc a una distribució desigual, que no es va observar en el recobriment d'alumini pur utilitzat per a la prova d'osca transversal.En comparació amb els resultats de CaCl2 pur, TGA (Fig. 8b) mostra dos pics característics desplaçats cap a temperatures més baixes de 40 i 20 ° C, respectivament.La prova de secció transversal no permet una comparació objectiva perquè la mostra pura de CaCl2 (mostra a la dreta a la figura 8c) és un precipitat en pols, que elimina les partícules superiors.Els resultats de l'HEC van mostrar un recobriment molt prim i uniforme amb una adherència satisfactòria.La diferència de massa mostrada a la fig.8b correspon a 51,3 g/m2 per unitat de superfície de l'adsorbent a una temperatura de 150 °C.
També es van obtenir resultats positius en termes d'adhesió i uniformitat amb sulfat de magnesi (MgSO4) (vegeu la figura 9).L'anàlisi del procés de desorció del recobriment va mostrar la presència d'un pic d'aprox.60°C.Aquesta temperatura correspon al pas principal de desorció observat en la deshidratació de sals pures, que representa un pas més a 44°C.Correspon a la transició d'hexahidrat a pentahidrat i no s'observa en el cas de recobriments amb aglutinants.Les proves de secció transversal mostren una distribució i adhesió millorades en comparació amb els recobriments fets amb sal pura.La diferència de massa observada en TGA-DTC correspon a 18,4 g/m2 per unitat d'àrea de l'adsorbidor a una temperatura de 150 °C.
A causa de les irregularitats superficials, el clorur d'estronci (SrCl2) té un recobriment desigual a les aletes (Fig. 10a).Tanmateix, els resultats de la prova de l'osca transversal van mostrar una distribució uniforme amb una adherència significativament millorada (Fig. 10c).L'anàlisi TGA va mostrar una diferència molt petita de pes, que deu ser deguda al menor contingut de sal en comparació amb el substrat metàl·lic.Tanmateix, els passos de la corba mostren la presència d'un procés de deshidratació, encara que el pic s'associa a la temperatura obtinguda en caracteritzar la sal pura.Els pics a 110 °C i 70,2 °C observats a les Figs.10b també es van trobar en analitzar la sal pura.Tanmateix, el pas principal de deshidratació observat en sal pura a 50 ° C no es va reflectir a les corbes utilitzant l'aglutinant.En canvi, la barreja aglutinant va mostrar dos pics a 20, 2 ° C i 94, 1 ° C, que no es van mesurar per a la sal pura (Fig. 10b).A una temperatura de 150 °C, la diferència de massa observada correspon a 7,2 g/m2 per unitat d'àrea de l'adsorbent.
La combinació d'HEC i sulfat de zinc (ZnSO4) no va donar resultats acceptables (figura 11).L'anàlisi TGA del metall recobert no va revelar cap procés de deshidratació.Tot i que la distribució i l'adhesió del recobriment han millorat, les seves propietats encara estan lluny de ser òptimes.
La manera més senzilla de recobrir les fibres metàl·liques amb una capa fina i uniforme és la impregnació humida (Fig. 12a), que inclou la preparació de la sal objectiu i la impregnació de les fibres metàl·liques amb una solució aquosa.
Quan es prepara per a la impregnació humida, es troben dos problemes principals.D'una banda, la tensió superficial de la solució salina impedeix la correcta incorporació del líquid a l'estructura porosa.La cristal·lització a la superfície exterior (Fig. 12d) i les bombolles d'aire atrapades dins de l'estructura (Fig. 12c) només es poden reduir reduint la tensió superficial i mullant prèviament la mostra amb aigua destil·lada.La dissolució forçada a la mostra mitjançant l'evacuació de l'aire dins o la creació d'un flux de solució a l'estructura són altres maneres efectives d'assegurar l'ompliment complet de l'estructura.
El segon problema que es va trobar durant la preparació va ser l'eliminació de la pel·lícula d'una part de la sal (vegeu la figura 12b).Aquest fenomen es caracteritza per la formació d'un recobriment sec a la superfície de dissolució, que atura l'assecat estimulat per convecció i inicia el procés estimulat per difusió.El segon mecanisme és molt més lent que el primer.Com a resultat, es requereix una temperatura elevada per a un temps d'assecat raonable, la qual cosa augmenta el risc que es formin bombolles a l'interior de la mostra.Aquest problema es resol introduint un mètode alternatiu de cristal·lització basat no en el canvi de concentració (evaporació), sinó en el canvi de temperatura (com en l'exemple amb MgSO4 de la figura 13).
Representació esquemàtica del procés de cristal·lització durant el refredament i la separació de les fases sòlides i líquides mitjançant MgSO4.
Les solucions de sal saturades es poden preparar a temperatura ambient (HT) o per sobre mitjançant aquest mètode.En el primer cas, la cristal·lització es va forçar baixant la temperatura per sota de la temperatura ambient.En el segon cas, la cristal·lització es va produir quan la mostra es va refredar a temperatura ambient (RT).El resultat és una barreja de cristalls (B) i dissolts (A), la part líquida de la qual s'elimina per aire comprimit.Aquest enfocament no només evita la formació d'una pel·lícula sobre aquests hidrats, sinó que també redueix el temps necessari per a la preparació d'altres compostos.Tanmateix, l'eliminació del líquid mitjançant l'aire comprimit condueix a una cristal·lització addicional de la sal, donant lloc a un recobriment més gruixut.
Un altre mètode que es pot utilitzar per revestir superfícies metàl·liques implica la producció directa de sals diana mitjançant reaccions químiques.Els intercanviadors de calor recoberts fets per la reacció d'àcids a les superfícies metàl·liques d'aletes i tubs tenen una sèrie d'avantatges, tal com es va informar en el nostre estudi anterior.L'aplicació d'aquest mètode a les fibres va provocar resultats molt pobres a causa de la formació de gasos durant la reacció.La pressió de les bombolles de gas d'hidrogen s'acumula dins de la sonda i es desplaça a mesura que el producte s'expulsa (Fig. 14a).
El recobriment s'ha modificat mitjançant una reacció química per controlar millor el gruix i la distribució del recobriment.Aquest mètode implica fer passar un corrent de boira àcida a través de la mostra (figura 14b).S'espera que això doni com a resultat un recobriment uniforme per reacció amb el metall del substrat.Els resultats van ser satisfactoris, però el procés va ser massa lent per ser considerat un mètode eficaç (Fig. 14c).Es poden aconseguir temps de reacció més curts mitjançant l'escalfament localitzat.
Per superar els inconvenients dels mètodes anteriors, s'ha estudiat un mètode de recobriment basat en l'ús d'adhesius.HEC es va seleccionar a partir dels resultats presentats a la secció anterior.Totes les mostres es van preparar al 3% en pes.L'aglutinant es barreja amb sal.Les fibres es van pretractar seguint el mateix procediment que per a les costelles, és a dir, remullades al 50% vol.en 15 minuts.àcid sulfúric, després remullat en hidròxid de sodi durant 20 segons, rentat amb aigua destil·lada i finalment remullat en aigua destil·lada durant 30 minuts.En aquest cas, es va afegir un pas addicional abans de la impregnació.Submergeix la mostra breument en una solució de sal objectiu diluïda i asseca-la a aproximadament 60 °C.El procés està dissenyat per modificar la superfície del metall, creant llocs de nucleació que milloren la distribució del recobriment en l'etapa final.L'estructura fibrosa té un costat on els filaments són més prims i estan ben empaquetats, i el costat oposat on els filaments són més gruixuts i menys distribuïts.Aquest és el resultat de 52 processos de fabricació.
Els resultats del clorur de calci (CaCl2) es resumeixen i il·lustren amb imatges a la Taula 1. Bona cobertura després de la inoculació.Fins i tot aquells fils sense cristalls visibles a la superfície tenien reflexos metàl·lics reduïts, cosa que indica un canvi d'acabat.Tanmateix, després que les mostres es van impregnar amb una barreja aquosa de CaCl2 i HEC i s'assequessin a una temperatura d'uns 60 ° C, els recobriments es van concentrar a les interseccions de les estructures.Aquest és un efecte causat per la tensió superficial de la solució.Després del remull, el líquid roman dins de la mostra a causa de la seva tensió superficial.Bàsicament es produeix a la intersecció d'estructures.El millor costat de l'exemplar té diversos forats plens de sal.El pes va augmentar en 0,06 g/cm3 després del recobriment.
El recobriment amb sulfat de magnesi (MgSO4) va produir més sal per unitat de volum (taula 2).En aquest cas, l'increment mesurat és de 0,09 g/cm3.El procés de sembra va donar lloc a una àmplia cobertura de mostra.Després del procés de recobriment, la sal bloqueja grans àrees del costat prim de la mostra.A més, algunes zones del mat estan bloquejades, però es manté una mica de porositat.En aquest cas, la formació de sal s'observa fàcilment a la intersecció de les estructures, confirmant que el procés de recobriment es deu principalment a la tensió superficial del líquid i no a la interacció entre la sal i el substrat metàl·lic.
Els resultats de la combinació de clorur d'estronci (SrCl2) i HEC van mostrar propietats similars als exemples anteriors (taula 3).En aquest cas, el costat més prim de la mostra està gairebé completament cobert.Només són visibles els porus individuals, formats durant l'assecat com a resultat de l'alliberament de vapor de la mostra.El patró observat al costat mat és molt semblant al cas anterior, la zona està bloquejada amb sal i les fibres no estan completament cobertes.
Per avaluar l'efecte positiu de l'estructura fibrosa sobre el rendiment tèrmic de l'intercanviador de calor, es va determinar la conductivitat tèrmica efectiva de l'estructura fibrosa recoberta i es va comparar amb el material de recobriment pur.La conductivitat tèrmica es va mesurar segons ASTM D 5470-2017 mitjançant el dispositiu de panell pla que es mostra a la figura 15a utilitzant un material de referència amb conductivitat tèrmica coneguda.En comparació amb altres mètodes de mesura transitòria, aquest principi és avantatjós per als materials porosos utilitzats en l'estudi actual, ja que les mesures es realitzen en estat estacionari i amb una mida de mostra suficient (àrea base 30 × 30 mm2, alçada aproximadament 15 mm).Es van preparar mostres del material de recobriment pur (referència) i de l'estructura de la fibra recoberta per a mesuraments en la direcció de la fibra i perpendiculars a la direcció de la fibra per avaluar l'efecte de la conductivitat tèrmica anisòtropa.Les mostres es van triturar a la superfície (gran P320) per minimitzar l'efecte de la rugositat de la superfície a causa de la preparació de la mostra, que no reflecteix l'estructura de la mostra.