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A quota di mercatu di i sistemi di refrigerazione per adsorbimentu è di e pompe di calore hè sempre relativamente chjuca paragunata à i sistemi di cumpressione tradiziunali. Malgradu l'enorme vantaghju di utilizà calore à bon pattu (invece di travaglii elettrici cari), l'implementazione di sistemi basati nantu à i principii di l'adsorbimentu hè sempre limitata à poche applicazioni specifiche. U principale svantaghju chì deve esse eliminatu hè a diminuzione di a putenza specifica per via di a bassa cunduttività termica è di a bassa stabilità di l'adsorbente. I sistemi di refrigerazione per adsorbimentu cummerciali attuali sò basati nantu à adsorbitori basati nantu à scambiatori di calore à piastre rivestiti per ottimizà a capacità di raffreddamentu. I risultati sò ben cunnisciuti chì a diminuzione di u spessore di u rivestimentu porta à una diminuzione di l'impedenza di trasferimentu di massa, è l'aumentu di u rapportu superficia-volume di e strutture conduttive aumenta a putenza senza compromettere l'efficienza. E fibre metalliche aduprate in questu travagliu ponu furnisce una superficia specifica in l'intervallu di 2500-50.000 m2/m3. Trè metudi per ottene rivestimenti assai fini ma stabili di idrati di sale nantu à superfici metalliche, cumprese e fibre metalliche, per a produzzione di rivestimenti dimustranu per a prima volta un scambiatore di calore à alta densità di putenza. U trattamentu di a superficia basatu annantu à l'anodizazione di l'aluminiu hè statu sceltu per creà un ligame più forte trà u rivestimentu è u sustratu. A microstruttura di a superficia risultante hè stata analizata cù a microscopia elettronica à scansione. A spettroscopia infrarossa à trasformata di Fourier à riflessione tutale ridutta è a spettroscopia à raggi X à dispersione di energia sò state aduprate per verificà a presenza di e spezie desiderate in u test. A so capacità di furmà idrati hè stata cunfirmata da l'analisi termogravimetrica cumminata (TGA) / analisi termogravimetrica differenziale (DTG). Una qualità scarsa sopra 0,07 g (acqua) / g (cumpostu) hè stata trovata in u rivestimentu di MgSO4, chì mostra segni di disidratazione à circa 60 °C è riproducibile dopu a reidratazione. Risultati pusitivi sò stati ottenuti ancu cù SrCl2 è ZnSO4 cù una differenza di massa di circa 0,02 g / g sottu à 100 °C. L'idrossietilcellulosa hè stata scelta cum'è additivu per aumentà a stabilità è l'adesione di u rivestimentu. E proprietà adsorbenti di i prudutti sò state valutate da TGA-DTG simultaneu è a so adesione hè stata caratterizata da un metudu basatu annantu à i testi descritti in ISO2409. A consistenza è l'adesione di u rivestimentu di CaCl2 sò significativamente migliurate mantenendu a so capacità di adsorbimentu cù una differenza di pesu di circa 0,1 g/g à temperature inferiori à 100 °C. Inoltre, MgSO4 mantene a capacità di furmà idrati, mustrendu una differenza di massa di più di 0,04 g/g à temperature inferiori à 100 °C. Infine, e fibre metalliche rivestite sò esaminate. I risultati mostranu chì a cunduttività termica efficace di a struttura di fibre rivestita cù Al2(SO4)3 pò esse 4,7 volte più alta paragunata à u vulume di Al2(SO4)3 puru. U rivestimentu di i rivestimenti studiati hè statu esaminatu visivamente, è a struttura interna hè stata valutata utilizendu una maghjina microscopica di e sezioni trasversali. Hè statu ottenutu un rivestimentu di Al2(SO4)3 cù un spessore di circa 50 µm, ma u prucessu generale deve esse ottimizatu per ottene una distribuzione più uniforme.
I sistemi d'adsorbimentu anu ricevutu assai attenzione in l'ultimi decennii, postu chì furniscenu una alternativa rispettosa di l'ambiente à e pompe di calore à compressione tradiziunali o à i sistemi di refrigerazione. Cù l'aumentu di i standard di cunfortu è di e temperature medie mundiali, i sistemi d'adsorbimentu puderanu riduce a dipendenza da i combustibili fossili in un futuru vicinu. Inoltre, qualsiasi miglioramentu in a refrigerazione à adsorbimentu o in e pompe di calore pò esse trasferitu à l'accumulazione d'energia termica, ciò chì rapprisenta un aumentu supplementu di u putenziale per un usu efficiente di l'energia primaria. U principale vantaghju di e pompe di calore à adsorbimentu è di i sistemi di refrigerazione hè chì ponu funziunà cù una bassa massa termica. Questu li rende adatti per fonti à bassa temperatura cum'è l'energia solare o u calore persu. In termini d'applicazioni di accumulazione d'energia, l'adsorbimentu hà u vantaghju di una densità energetica più elevata è di una minore dissipazione di energia paragunata à l'accumulazione di calore sensibile o latente.
E pompe di calore à adsorbimentu è i sistemi di refrigerazione seguitanu u listessu ciclu termodinamicu cum'è i so omologhi à cumpressione di vapore. A principale differenza hè a sustituzione di i cumpunenti di u compressore cù adsorbitori. L'elementu hè capace di adsorbe u vapore di refrigerante à bassa pressione à temperature moderate, evaporendu più refrigerante ancu quandu u liquidu hè fretu. Hè necessariu assicurà un raffreddamentu costante di l'adsorbitore per escludere l'entalpia di adsorbimentu (esotermu). L'adsorbitore hè rigeneratu à alta temperatura, pruvucendu a desorbimentu di u vapore di refrigerante. U riscaldamentu deve cuntinuà à furnisce l'entalpia di desorbimentu (endotermicu). Siccome i prucessi di adsorbimentu sò carattarizati da cambiamenti di temperatura, l'alta densità di putenza richiede una alta conducibilità termica. Tuttavia, a bassa conducibilità termica hè di gran lunga u principale svantaghju in a maiò parte di l'applicazioni.
U prublema principale di a cunduttività hè di aumentà u so valore mediu mantenendu u percorsu di trasportu chì furnisce u flussu di vapori d'adsorbimentu/desorbimentu. Dui approcci sò cumunemente usati per ottene questu: scambiatori di calore cumposti è scambiatori di calore rivestiti. I materiali cumposti più populari è di successu sò quelli chì utilizanu additivi à basa di carbone, vale à dì grafite espansa, carbone attivatu o fibre di carbone. Oliveira et al. 2 anu impregnatu a polvere di grafite espansa cù cloruru di calciu per pruduce un adsorbitore cù una capacità di raffreddamentu specifica (SCP) finu à 306 W/kg è un coefficiente di prestazione (COP) finu à 0,46. Zajaczkowski et al. 3 anu prupostu una cumminazione di grafite espansa, fibra di carbone è cloruru di calciu cù una cunduttività tutale di 15 W/mK. Jian et al4 anu testatu cumposti cù grafite naturale espansa trattata cù acidu sulfuricu (ENG-TSA) cum'è substratu in un ciclu di raffreddamentu per adsorbimentu à duie tappe. U mudellu hà previstu COP da 0,215 à 0,285 è SCP da 161,4 à 260,74 W/kg.
Di gran lunga a suluzione a più fattibile hè u scambiatore di calore rivestitu. I meccanismi di rivestimentu di sti scambiatori di calore ponu esse divisi in duie categurie: sintesi diretta è adesivi. U metudu u più riesciutu hè a sintesi diretta, chì implica a furmazione di materiali adsorbenti direttamente nantu à a superficia di i scambiatori di calore da i reagenti adatti. Sotech5 hà brevettatu un metudu per sintetizà a zeolite rivestita per l'usu in una seria di refrigeratori fabbricati da Fahrenheit GmbH. Schnabel et al6 anu testatu e prestazioni di duie zeoliti rivestite nantu à l'acciaio inox. Tuttavia, stu metudu funziona solu cù adsorbenti specifici, ciò chì rende u rivestimentu cù adesivi una alternativa interessante. I leganti sò sustanze passive scelte per sustene l'adesione di l'assorbente è/o u trasferimentu di massa, ma ùn ghjocanu alcun rolu in l'adsorbimentu o u miglioramentu di a conducibilità. Freni et al. 7 scambiatori di calore in alluminio rivestiti cù zeolite AQSOA-Z02 stabilizzata cù un legante à base d'argilla. Calabrese et al.8 anu studiatu a preparazione di rivestimenti zeolitici cù leganti polimerici. Ammann et al.9 anu prupostu un metudu per preparà rivestimenti zeolitici porosi da miscele magnetiche di alcolu polivinilicu. L'alumina (alumina) hè ancu aduprata cum'è legante 10 in l'adsorbitore. À a nostra cunniscenza, a cellulosa è l'idrossietilcellulosa sò aduprate solu in cumbinazione cù adsorbenti fisichi11,12. Calchì volta a colla ùn hè micca aduprata per a pittura, ma hè aduprata per custruisce a struttura 13 da sola. A cumbinazione di matrici polimeriche d'alginatu cù idrati di sale multipli forma strutture di perle cumposte flessibili chì impediscenu e perdite durante l'asciugatura è furniscenu un trasferimentu di massa adeguatu. Argille cum'è a bentonite è l'attapulgite sò state aduprate cum'è leganti per a preparazione di cumposti15,16,17. L'etilcellulosa hè stata aduprata per microincapsulà u cloruru di calciu18 o u sulfuru di sodiu19.
I cumposti cù una struttura metallica porosa ponu esse divisi in scambiatori di calore additivi è scambiatori di calore rivestiti. U vantaghju di queste strutture hè l'alta superficia specifica. Questu si traduce in una superficia di cuntattu più grande trà l'adsorbente è u metallu senza l'aghjunta di una massa inerte, chì riduce l'efficienza generale di u ciclu di refrigerazione. Lang et al. 20 anu migliuratu a cunduttività generale di un adsorbente di zeolite cù una struttura à favu d'ape in aluminiu. Gillerminot et al. 21 anu migliuratu a cunduttività termica di i strati di zeolite NaX cù schiuma di rame è nichel. Ancu s'è i cumposti sò usati cum'è materiali di cambiamentu di fase (PCM), i risultati di Li et al. 22 è Zhao et al. 23 sò ancu d'interessu per a chemisorbimentu. Anu paragunatu e prestazioni di a grafite espansa è di a schiuma metallica è anu cunclusu chì quest'ultima era preferibile solu s'è a corrosione ùn era micca un prublema. Palomba et al. anu recentemente paragunatu altre strutture porose metalliche24. Van der Pal et al. anu studiatu sali metallici incrustati in schiume 25. Tutti l'esempi precedenti currispondenu à strati densi di adsorbenti particolati. E strutture porose metalliche ùn sò praticamente micca aduprate per rivestisce l'adsorbitori, chì hè una suluzione più ottima. Un esempiu di ligame à e zeoliti si pò truvà in Wittstadt et al. 26 ma ùn hè statu fattu alcun tentativu per ligà l'idrati di sale malgradu a so più alta densità energetica 27.
Cusì, trè metudi per preparà rivestimenti adsorbenti seranu esplorati in questu articulu: (1) rivestimentu di legante, (2) reazione diretta, è (3) trattamentu di a superficia. L'idrossietilcellulosa era u legante di scelta in questu travagliu per via di a stabilità riportata prima è di a bona adesione di u rivestimentu in cumbinazione cù adsorbenti fisichi. Stu metudu hè statu inizialmente investigatu per rivestimenti piatti è dopu applicatu à strutture in fibre metalliche. In precedenza, hè stata riportata un'analisi preliminare di a pussibilità di reazioni chimiche cù a furmazione di rivestimenti adsorbenti. L'esperienza precedente hè avà trasferita à u rivestimentu di strutture in fibre metalliche. U trattamentu di a superficia sceltu per questu travagliu hè un metudu basatu annantu à l'anodizazione di l'aluminiu. L'anodizazione di l'aluminiu hè stata cumminata cù successu cù sali metallichi per scopi estetichi29. In questi casi, si ponu ottene rivestimenti assai stabili è resistenti à a currusione. Tuttavia, ùn ponu micca realizà alcun prucessu di adsorbimentu o desorbimentu. Questu documentu presenta una variante di questu approcciu chì permette di spustà a massa utilizendu e proprietà adesive di u prucessu originale. À a nostra cunniscenza, nisunu di i metudi descritti quì hè statu studiatu prima. Rappresentanu una nova tecnulugia assai interessante perchè permettenu a furmazione di rivestimenti adsorbenti idratati, chì anu una quantità di vantaghji rispetto à l'adsorbenti fisichi studiati frequentemente.
E piastre d'aluminiu stampate aduprate cum'è substrati per questi esperimenti sò state furnite da ALINVEST Břidličná, Repubblica Ceca. Contenenu 98,11% aluminiu, 1,3622% ferru, 0,3618% manganese è tracce di rame, magnesiu, siliciu, titaniu, zincu, cromu è nichelu.
I materiali scelti per a fabricazione di cumposti sò selezziunati secondu e so proprietà termodinamiche, vale à dì, secondu a quantità d'acqua ch'elli ponu adsorbe/desorbe à temperature inferiori à 120 °C.
U sulfatu di magnesiu (MgSO4) hè unu di i sali idratati i più interessanti è studiati30,31,32,33,34,35,36,37,38,39,40,41. E proprietà termodinamiche sò state misurate sistematicamente è sò state trovate adatte per applicazioni in i campi di a refrigerazione per adsorbimentu, di e pompe di calore è di l'accumulazione di energia. Hè statu utilizatu sulfatu di magnesiu seccu CAS-Nr.7487-88-9 99% (Grüssing GmbH, Filsum, Niedersachsen, Germania).
U cloruru di calciu (CaCl2) (H319) hè un altru sale ben studiatu perchè u so idratu hà proprietà termodinamiche interessanti41,42,43,44. Cloruru di calciu esaidratatu CAS-No. 7774-34-7 97% utilizatu (Grüssing, GmbH, Filsum, Niedersachsen, Germania).
U sulfatu di zincu (ZnSO4) (H3O2, H318, H410) è i so idrati anu proprietà termodinamiche adatte per i prucessi di adsorbimentu à bassa temperatura45,46. Hè statu utilizatu sulfatu di zincu eptaidratu CAS-Nr.7733-02-0 99,5% (Grüssing GmbH, Filsum, Niedersachsen, Germania).
U cloruru di stronziu (SrCl2) (H318) hà ancu proprietà termodinamiche interessanti4,45,47 ancu s'ellu hè spessu cumminatu cù l'ammoniaca in a ricerca di pompe di calore à adsorbimentu o di accumulazione d'energia. U cloruru di stronziu esaidratatu CAS-Nr.10.476-85-4 99.0–102.0% (Sigma Aldrich, St. Louis, Missouri, USA) hè statu utilizatu per a sintesi.
U sulfatu di rame (CuSO4) (H302, H315, H319, H410) ùn hè micca trà l'idrati chì si trovanu spessu in a literatura prufessiunale, ancu s'è e so proprietà termodinamiche sò d'interessu per l'applicazioni à bassa temperatura48,49. U sulfatu di rame CAS-Nr.7758-99-8 99% (Sigma Aldrich, St. Louis, MO, USA) hè statu utilizatu per a sintesi.
U cloruru di magnesiu (MgCl2) hè unu di i sali idratati chì hà recentemente ricevutu più attenzione in u campu di l'accumulazione di energia termica50,51. U cloruru di magnesiu esaidratatu CAS-Nr.7791-18-6 di qualità farmaceutica pura (Applichem GmbH., Darmstadt, Germania) hè statu utilizatu per l'esperimenti.
Cum'è mintuvatu sopra, l'idrossietilcellulosa hè stata scelta per via di i risultati pusitivi in ​​applicazioni simili. U materiale utilizatu in a nostra sintesi hè l'idrossietilcellulosa CAS-Nr 9004-62-0 (Sigma Aldrich, St. Louis, MO, USA).
E fibre metalliche sò fatte da fili corti uniti inseme per cumpressione è sinterizzazione, un prucessu cunnisciutu cum'è estrazione à fusione à crogiolu (CME)52. Questu significa chì a so cunduttività termica dipende micca solu da a cunduttività di massa di i metalli utilizati in a fabricazione è da a porosità di a struttura finale, ma ancu da a qualità di i ligami trà i fili. E fibre ùn sò micca isotropiche è tendenu à esse distribuite in una certa direzzione durante a pruduzzione, ciò chì rende a cunduttività termica in a direzzione trasversale assai più bassa.
E proprietà di assorbimentu di l'acqua sò state studiate aduprendu l'analisi termogravimetrica simultanea (TGA)/analisi termogravimetrica differenziale (DTG) in un imballaggio à vuoto (Netzsch TG 209 F1 Libra). E misurazioni sò state effettuate in una atmosfera di azotu fluente à una velocità di flussu di 10 ml/min è un intervallu di temperatura da 25 à 150°C in crogioli d'ossidu d'aluminiu. A velocità di riscaldamentu era di 1°C/min, u pesu di u campione variava da 10 à 20 mg, a risoluzione era di 0,1 μg. In questu travagliu, si deve nutà chì a differenza di massa per unità di superficia hà una grande incertezza. I campioni utilizati in TGA-DTG sò assai chjuchi è tagliati irregularmente, ciò chì rende imprecisa a so determinazione di l'area. Questi valori ponu esse extrapolati solu à una area più grande se si tenenu contu di e grande deviazioni.
I spettri ATR-FTIR (Ainfrarossi a Trasformata di Fourier a Riflessione Totale Attenuata) sò stati acquistati nantu à un spettrometru FTIR Bruker Vertex 80 v (Bruker Optik GmbH, Lipsia, Germania) utilizendu un accessorio ATR platinu (Bruker Optik GmbH, Germania). I spettri di cristalli di diamante puri secchi sò stati misurati direttamente in u vacuum prima di utilizà i campioni cum'è sfondate per e misurazioni sperimentali. I campioni sò stati misurati in u vacuum utilizendu una risoluzione spettrale di 2 cm-1 è un numeru mediu di scansioni di 32. Gamma di numeri d'onda da 8000 à 500 cm-1. L'analisi spettrale hè stata effettuata utilizendu u prugramma OPUS.
L'analisi SEM hè stata realizata cù un DSM 982 Gemini di Zeiss à tensioni d'accelerazione di 2 è 5 kV. A spettroscopia di raggi X à dispersione d'energia (EDX) hè stata realizata cù un Thermo Fischer System 7 cù un rilevatore di deriva di siliciu (SSD) raffreddato à Peltier.
A preparazione di e piastre metalliche hè stata realizata secondu a prucedura simile à quella descritta in 53. Prima, immergete a piastra in acidu sulfuricu à 50%. 15 minuti. Dopu sò stati introdutti in una soluzione di idrossidu di sodiu 1 M per circa 10 secondi. Dopu, i campioni sò stati lavati cù una grande quantità d'acqua distillata, è dopu immersi in acqua distillata per 30 minuti. Dopu à u trattamentu superficiale preliminare, i campioni sò stati immersi in una soluzione satura à 3%. HEC è sale di destinazione. Infine, cacciateli è asciugateli à 60 ° C.
U metudu d'anodizazione migliora è rinforza u stratu d'ossidu naturale nantu à u metallu passivu. I pannelli d'aluminiu sò stati anodizzati cù acidu sulfuricu in un statu induritu è ​​dopu sigillati in acqua calda. L'anodizazione hà seguitu una incisione iniziale cù 1 mol/l NaOH (600 s) seguita da neutralizazione in 1 mol/l HNO3 (60 s). A suluzione elettrolitica hè una mistura di 2,3 M H2SO4, 0,01 M Al2(SO4)3, è 1 M MgSO4 + 7H2O. L'anodizazione hè stata realizata à (40 ± 1) °C, 30 mA/cm2 per 1200 secondi. U prucessu di sigillatura hè statu realizatu in varie suluzioni di salamoia cum'è descrittu in i materiali (MgSO4, CaCl2, ZnSO4, SrCl2, CuSO4, MgCl2). U campione hè bollitu in questu per 1800 secondi.
Trè metudi diffirenti per a pruduzzione di cumposti sò stati studiati: rivestimentu adesivo, reazione diretta è trattamentu di a superficia. I vantaghji è i svantaghji di ogni metudu di furmazione sò analizati è discussi sistematicamente. L'osservazione diretta, a nanoimaging è l'analisi chimica/elementale sò state aduprate per valutà i risultati.
L'anodizazione hè stata scelta cum'è metudu di trattamentu di superficia di cunversione per aumentà l'adesione di l'idrati di sale. Stu trattamentu di superficia crea una struttura porosa d'alumina (alumina) direttamente nantu à a superficia d'aluminiu. Tradizionalmente, stu metudu si compone di duie tappe: a prima tappa crea una struttura porosa d'ossidu d'aluminiu, è a seconda tappa crea un rivestimentu d'idrossidu d'aluminiu chì chjude i pori. I seguenti sò dui metudi per bluccà u sale senza bluccà l'accessu à a fase gassosa. U primu si compone di un sistema à favu d'ape chì utilizza picculi tubi d'ossidu d'aluminiu (Al2O3) ottenuti in a prima tappa per mantene i cristalli adsorbenti è aumentà a so adesione à e superfici metalliche. I favi d'ape risultanti anu un diametru di circa 50 nm è una lunghezza di 200 nm (Fig. 1a). Cum'è digià dettu, queste cavità sò generalmente chjuse in una seconda tappa cù un stratu finu di boehmite Al2O(OH)2 sustinutu da u prucessu di ebullizione di u tubu d'alumina. In u secondu metudu, stu prucessu di sigillatura hè mudificatu in modu tale chì i cristalli di sale sò catturati in un stratu uniforme di boehmite (Al2O(OH)), chì ùn hè micca adupratu per a sigillatura in questu casu. A seconda tappa hè realizata in una soluzione saturata di u sale currispundente. I mudelli descritti anu dimensioni in l'intervallu di 50-100 nm è parenu gocce spruzzate (Fig. 1b). A superficia ottenuta cum'è risultatu di u prucessu di sigillatura hà una struttura spaziale pronunciata cù una superficia di cuntattu aumentata. Stu mudellu di superficia, inseme cù e so numerose cunfigurazioni di ligame, hè ideale per purtà è tene cristalli di sale. E duie strutture descritte parenu esse veramente porose è anu piccule cavità chì parenu esse adatte per mantene l'idrati di sale è adsorbe i vapori à u sale durante u funziunamentu di l'adsorbitore. Tuttavia, l'analisi elementale di queste superfici cù EDX pò rilevà tracce di magnesiu è zolfu nantu à a superficia di a boehmite, chì ùn sò micca rilevate in u casu di una superficia d'alumina.
L'ATR-FTIR di u campione hà cunfirmatu chì l'elementu era sulfate di magnesiu (vede a Figura 2b). U spettru mostra picchi di ioni sulfate caratteristici à 610–680 è 1080–1130 cm–1 è picchi d'acqua di reticolo caratteristici à 1600–1700 cm–1 è 3200–3800 cm–1 (vede a Fig. 2a, c). A presenza di ioni magnesiu ùn cambia guasi micca u spettru54.
(a) EDX di una piastra d'aluminiu MgSO4 rivestita di boehmite, (b) Spettri ATR-FTIR di rivestimenti di boehmite è MgSO4, (c) Spettri ATR-FTIR di MgSO4 puru.
U mantenimentu di l'efficienza di l'adsorbimentu hè statu cunfirmatu da TGA. A figura 3b mostra un piccu di desorbimentu di circa 60°C. Stu piccu ùn currisponde micca à a temperatura di i dui picchi osservati in TGA di sale puru (Fig. 3a). A ripetibilità di u ciclu di adsorbimentu-desorbimentu hè stata valutata, è a stessa curva hè stata osservata dopu avè piazzatu i campioni in una atmosfera umida (Fig. 3c). E differenze osservate in a seconda fase di desorbimentu ponu esse u risultatu di a disidratazione in una atmosfera fluente, postu chì questu porta spessu à una disidratazione incompleta. Questi valori currispondenu à circa 17,9 g/m2 in a prima disidratazione è 10,3 g/m2 in a seconda disidratazione.
Paragone di l'analisi TGA di boehmite è MgSO4: analisi TGA di MgSO4 puru (a), mistura (b) è dopu reidratazione (c).
U listessu metudu hè statu realizatu cù u cloruru di calciu cum'è adsorbente. I risultati sò presentati in a Figura 4. L'ispezione visuale di a superficia hà rivelatu cambiamenti minori in u bagliore metallicu. A pelliccia hè appena visibile. U SEM hà cunfirmatu a presenza di picculi cristalli distribuiti uniformemente nantu à a superficia. Tuttavia, u TGA ùn hà mostratu alcuna disidratazione sottu à 150 °C. Questu pò esse duvutu à u fattu chì a proporzione di sale hè troppu chjuca paragunata à a massa tutale di u sustratu per a rilevazione da TGA.
I risultati di u trattamentu superficiale di u rivestimentu di sulfatu di rame per via di u metudu di anodizazione sò mostrati in a figura 5. In questu casu, l'incorporazione prevista di CuSO4 in a struttura di l'ossidu d'Al ùn s'hè verificata. Invece, si osservanu aghi sciolti postu chì sò cumunemente usati per l'idrossidu di rame Cu(OH)2 utilizatu cù i culuranti turchese tipici.
U trattamentu di a superficia anodizzata hè statu ancu testatu in cumbinazione cù u cloruru di stronziu. I risultati anu mostratu una cupertura irregulare (vede a Figura 6a). Per determinà s'ellu u sale cupria tutta a superficia, hè stata realizata un'analisi EDX. A curva per un puntu in a zona grisgia (puntu 1 in Fig. 6b) mostra pocu stronziu è assai aluminiu. Questu indica un bassu cuntenutu di stronziu in a zona misurata, chì, à u so tornu, indica una bassa cupertura di cloruru di stronziu. À u cuntrariu, e zone bianche anu un altu cuntenutu di stronziu è un bassu cuntenutu d'aluminiu (punti 2-6 in Fig. 6b). L'analisi EDX di a zona bianca mostra punti più scuri (punti 2 è 4 in Fig. 6b), bassu cuntenutu di cloru è altu cuntenutu di zolfu. Questu pò indicà a furmazione di sulfatu di stronziu. I punti più brillanti riflettenu un altu cuntenutu di cloru è un bassu cuntenutu di zolfu (punti 3, 5 è 6 in Fig. 6b). Questu pò esse spiegatu da u fattu chì a parte principale di u rivestimentu biancu hè custituita da u cloruru di stronziu previstu. A TGA di u campione hà cunfirmatu l'interpretazione di l'analisi cù un piccu à a temperatura caratteristica di u cloruru di stronziu puru (Fig. 6c). U so picculu valore pò esse ghjustificatu da una piccula frazione di sale in paragone cù a massa di u supportu metallicu. A massa di desorbimentu determinata in l'esperimenti currisponde à a quantità di 7,3 g/m2 liberata per unità di superficie di l'adsorbitore à una temperatura di 150°C.
I rivestimenti di sulfatu di zincu trattati cù eloxal sò stati ancu testati. Macroscopicamente, u rivestimentu hè un stratu assai finu è uniforme (Fig. 7a). Tuttavia, a SEM hà rivelatu una superficia cuperta di picculi cristalli separati da zone viote (Fig. 7b). A TGA di u rivestimentu è di u substratu hè stata paragunata à quella di u sale puru (Figura 7c). U sale puru hà un piccu asimmetricu à 59,1 °C. L'aluminiu rivestitu hà mostratu dui picculi picchi à 55,5 °C è 61,3 °C, chì indicanu a presenza di idratu di sulfatu di zincu. A differenza di massa rivelata in l'esperimentu currisponde à 10,9 g/m2 à una temperatura di disidratazione di 150 °C.
Cum'è in l'applicazione precedente53, l'idrossietilcellulosa hè stata aduprata cum'è legante per migliurà l'adesione è a stabilità di u rivestimentu assorbente. A cumpatibilità di i materiali è l'effettu nantu à e prestazioni di adsorbimentu sò stati valutati da TGA. L'analisi hè realizata in relazione à a massa tutale, vale à dì chì u campione include una piastra metallica aduprata cum'è substratu di rivestimentu. L'adesione hè testata da una prova basata nantu à a prova di tacca incruciata definita in a specificazione ISO2409 (ùn pò micca risponde à a specificazione di separazione di tacca secondu u spessore è a larghezza di a specificazione).
U rivestimentu di i pannelli cù cloruru di calciu (CaCl2) (vede Fig. 8a) hà risultatu in una distribuzione irregulare, chì ùn hè stata osservata in u rivestimentu d'aluminiu puru utilizatu per a prova di tacca trasversale. Paragunatu à i risultati per CaCl2 puru, TGA (Fig. 8b) mostra dui picchi caratteristici spostati versu temperature più basse di 40 è 20 °C, rispettivamente. A prova di sezione trasversale ùn permette micca una paragone obiettiva perchè u campione puru di CaCl2 (campione à diritta in Fig. 8c) hè un precipitatu pulverulente, chì elimina e particelle più in cima. I risultati HEC anu mostratu un rivestimentu assai finu è uniforme cù una adesione soddisfacente. A differenza di massa mostrata in fig. 8b currisponde à 51,3 g/m2 per unità di superficie di l'adsorbitore à una temperatura di 150 °C.
Risultati pusitivi in ​​termini d'adesione è uniformità sò stati ottenuti ancu cù u sulfatu di magnesiu (MgSO4) (vede Fig. 9). L'analisi di u prucessu di desorbimentu di u rivestimentu hà mostratu a presenza di un piccu di circa 60°C. Sta temperatura currisponde à a principale tappa di desorbimentu osservata in a disidratazione di sali puri, chì rapprisenta un'altra tappa à 44°C. Currisponde à a transizione da esaidratu à pentaidratu è ùn hè micca osservata in u casu di rivestimenti cù leganti. I testi di sezione trasversale mostranu una distribuzione è un'adesione migliorate paragunate à i rivestimenti fatti cù sale puru. A differenza di massa osservata in TGA-DTC currisponde à 18,4 g/m2 per unità di superficie di l'adsorbitore à una temperatura di 150°C.
A causa di l'irregularità di a superficia, u cloruru di stronziu (SrCl2) hà un rivestimentu irregulare nantu à l'alette (Fig. 10a). Tuttavia, i risultati di a prova di tacca trasversale anu mostratu una distribuzione uniforme cù una adesione significativamente migliorata (Fig. 10c). L'analisi TGA hà mostratu una piccula differenza di pesu, chì deve esse duvuta à u cuntenutu di sale più bassu paragunatu à u sustratu metallicu. Tuttavia, i passi nantu à a curva mostranu a presenza di un prucessu di disidratazione, ancu s'è u piccu hè assuciatu à a temperatura ottenuta quandu si caratterizeghja u sale puru. I picchi à 110 °C è 70,2 °C osservati in e Fig. 10b sò stati ancu trovati quandu si analizava u sale puru. Tuttavia, a principale tappa di disidratazione osservata in u sale puru à 50 °C ùn hè stata riflessa in e curve chì utilizanu u legante. In cuntrastu, a mistura di legante hà mostratu dui picchi à 20,2 °C è 94,1 °C, chì ùn sò stati misurati per u sale puru (Fig. 10b). À una temperatura di 150 °C, a differenza di massa osservata currisponde à 7,2 g/m2 per unità di superficie di l'adsorbitore.
A cumbinazione di HEC è sulfatu di zincu (ZnSO4) ùn hà micca datu risultati accettabili (Figura 11). L'analisi TGA di u metallu rivestitu ùn hà rivelatu alcun prucessu di disidratazione. Ancu s'è a distribuzione è l'adesione di u rivestimentu sò migliurate, e so proprietà sò sempre luntanu da esse ottimali.
U modu u più simplice per rivestisce e fibre metalliche cù una strata fina è uniforme hè l'impregnazione umida (Fig. 12a), chì include a preparazione di u sale di destinazione è l'impregnazione di e fibre metalliche cù una soluzione acquosa.
Quandu si prepara per l'impregnazione umida, si scontranu dui prublemi principali. Da una parte, a tensione superficiale di a suluzione salina impedisce a curretta incorporazione di u liquidu in a struttura porosa. A cristallizazione nantu à a superficia esterna (Fig. 12d) è e bolle d'aria intrappulate in a struttura (Fig. 12c) ponu esse ridutte solu abbassendu a tensione superficiale è pre-bagnendu u campione cù acqua distillata. A dissoluzione furzata in u campione evacuendu l'aria in l'internu o creendu un flussu di suluzione in a struttura sò altri modi efficaci per assicurà u riempimentu cumpletu di a struttura.
U secondu prublema scontru durante a preparazione hè stata a rimuzione di a pellicola da una parte di u sale (vede Fig. 12b). Stu fenomenu hè carattarizatu da a furmazione di un rivestimentu seccu nantu à a superficia di dissoluzione, chì ferma l'asciugatura stimulata da cunvezione è principia u prucessu stimulatu da a diffusione. U secondu mecanismu hè assai più lentu di u primu. Di cunsiguenza, hè necessaria una temperatura alta per un tempu di asciugatura raghjonevule, ciò chì aumenta u risicu di furmazione di bolle in u campione. Stu prublema hè risoltu introducendu un metudu alternativu di cristallizazione basatu micca nantu à u cambiamentu di cuncentrazione (evaporazione), ma nantu à u cambiamentu di temperatura (cum'è in l'esempiu cù MgSO4 in Fig. 13).
Rappresentazione schematica di u prucessu di cristallizazione durante u raffreddamentu è a separazione di e fasi solide è liquide cù MgSO4.
E suluzioni saline sature ponu esse preparate à o sopra a temperatura ambiente (HT) cù stu metudu. In u primu casu, a cristallizazione hè stata furzata abbassendu a temperatura sottu à a temperatura ambiente. In u secondu casu, a cristallizazione hè accaduta quandu u campione hè statu raffreddato à temperatura ambiente (RT). U risultatu hè una mistura di cristalli (B) è dissolti (A), a parte liquida di i quali hè eliminata da l'aria compressa. Questu approcciu ùn solu evita a furmazione di una pellicola nantu à questi idrati, ma riduce ancu u tempu necessariu per a preparazione di altri cumposti. Tuttavia, a rimuzione di u liquidu da l'aria compressa porta à una cristallizazione supplementaria di u sale, risultendu in un rivestimentu più spesso.
Un altru metudu chì pò esse adupratu per rivestisce e superfici metalliche implica a pruduzzione diretta di sali mirati per via di reazzioni chimiche. I scambiatori di calore rivestiti fatti da a reazione di l'acidi nantu à e superfici metalliche di l'alette è di i tubi anu una quantità di vantaghji, cum'è riportatu in u nostru studiu precedente. L'applicazione di stu metudu à e fibre hà purtatu à risultati assai scarsi per via di a furmazione di gas durante a reazione. A pressione di e bolle di gasu d'idrogenu s'accumula in a sonda è si sposta quandu u pruduttu hè espulsu (Fig. 14a).
U rivestimentu hè statu mudificatu per via di una reazione chimica per cuntrullà megliu u spessore è a distribuzione di u rivestimentu. Stu metudu implica u passaghju di un flussu di nebbia acida à traversu u campione (Figura 14b). Questu si prevede chì darà un rivestimentu uniforme per reazione cù u metallu di u substratu. I risultati sò stati soddisfacenti, ma u prucessu era troppu lentu per esse cunsideratu un metudu efficace (Fig. 14c). Tempi di reazione più brevi ponu esse ottenuti per via di u riscaldamentu lucalizatu.
Per superà i svantaghji di i metudi sopra citati, hè statu studiatu un metudu di rivestimentu basatu annantu à l'usu di adesivi. L'HEC hè statu sceltu in basa à i risultati presentati in a sezione precedente. Tutti i campioni sò stati preparati à 3% in pesu. U legante hè mischiatu cù u sale. E fibre sò state pretrattate secondu a listessa prucedura cum'è per e coste, vale à dì imbevute in 50% vol. in 15 minuti. acidu sulfuricu, poi imbevute in idrossidu di sodiu per 20 secondi, lavate in acqua distillata è infine imbevute in acqua distillata per 30 minuti. In questu casu, hè statu aghjuntu un passu supplementu prima di l'impregnazione. Immergete brevemente u campione in una soluzione salina diluita è asciugate à circa 60 ° C. U prucessu hè cuncipitu per mudificà a superficia di u metallu, creendu siti di nucleazione chì migliuranu a distribuzione di u rivestimentu in a fase finale. A struttura fibrosa hà un latu induve i filamenti sò più fini è strettamente imballati, è u latu oppostu induve i filamenti sò più spessi è menu distribuiti. Questu hè u risultatu di 52 prucessi di fabricazione.
I risultati per u cloruru di calciu (CaCl2) sò riassunti è illustrati cù immagini in a Tavula 1. Bona cupertura dopu l'inoculazione. Ancu quelli filamenti senza cristalli visibili nantu à a superficia avianu riflessioni metalliche ridutte, chì indicanu un cambiamentu di finitura. Tuttavia, dopu chì i campioni sò stati impregnati cù una mistura acquosa di CaCl2 è HEC è asciugati à una temperatura di circa 60 ° C, i rivestimenti sò stati cuncentrati à l'intersezioni di e strutture. Questu hè un effettu causatu da a tensione superficiale di a suluzione. Dopu l'immersione, u liquidu ferma in u campione per via di a so tensione superficiale. In fondu si verifica à l'intersezione di e strutture. U megliu latu di u campione hà parechji fori pieni di sale. U pesu hè aumentatu di 0,06 g / cm3 dopu u rivestimentu.
U rivestimentu cù sulfatu di magnesiu (MgSO4) hà pruduttu più sale per unità di vulume (Tavula 2). In questu casu, l'incrementu misuratu hè 0,09 g/cm3. U prucessu di suminazione hà risultatu in una vasta cupertura di u campione. Dopu u prucessu di rivestimentu, u sale blocca vaste zone di u latu sottile di u campione. Inoltre, alcune zone di a matta sò bluccate, ma una certa porosità hè mantenuta. In questu casu, a furmazione di sale hè facilmente osservata à l'intersezione di e strutture, cunfirmendu chì u prucessu di rivestimentu hè principalmente duvutu à a tensione superficiale di u liquidu, è micca à l'interazione trà u sale è u substratu metallicu.
I risultati per a cumbinazione di cloruru di stronziu (SrCl2) è HEC anu mostratu proprietà simili à l'esempi precedenti (Tavula 3). In questu casu, u latu più finu di u campione hè guasi cumpletamente cupertu. Solu i pori individuali sò visibili, furmati durante l'asciugatura per via di a liberazione di vapore da u campione. U mudellu osservatu nantu à u latu opaco hè assai simile à u casu precedente, a zona hè bluccata da u sale è e fibre ùn sò micca cumpletamente cuperte.
Per valutà l'effettu pusitivu di a struttura fibrosa nantu à e prestazioni termiche di u scambiatore di calore, a cunduttività termica efficace di a struttura fibrosa rivestita hè stata determinata è paragunata cù u materiale di rivestimentu puru. A cunduttività termica hè stata misurata secondu ASTM D 5470-2017 utilizendu u dispusitivu à pannellu pianu mostratu in a Figura 15a utilizendu un materiale di riferimentu cù cunduttività termica cunnisciuta. Paragunatu à altri metudi di misurazione transitoria, questu principiu hè vantaghjosu per i materiali porosi utilizati in u studiu attuale, postu chì e misurazioni sò realizate in un statu stabile è cù una dimensione di campione sufficiente (area di basa 30 × 30 mm2, altezza circa 15 mm). Campioni di u materiale di rivestimentu puru (riferimentu) è a struttura di fibra rivestita sò stati preparati per misurazioni in a direzzione di a fibra è perpendicolarmente à a direzzione di a fibra per valutà l'effettu di a cunduttività termica anisotropica. I campioni sò stati macinati nantu à a superficia (granula P320) per minimizà l'effettu di a rugosità di a superficia per via di a preparazione di u campione, chì ùn riflette micca a struttura in u campione.