Děkujeme, že jste navštívili Nature.com.Verze prohlížeče, kterou používáte, má omezenou podporu CSS.Chcete-li dosáhnout nejlepšího výsledku, doporučujeme použít aktualizovaný prohlížeč (nebo vypnout režim kompatibility v aplikaci Internet Explorer).Mezitím, abychom zajistili nepřetržitou podporu, vykreslíme web bez stylů a JavaScriptu.
Tržní podíl adsorpčních chladicích systémů a tepelných čerpadel je stále relativně malý ve srovnání s tradičními kompresorovými systémy.I přes obrovskou výhodu využití levného tepla (místo drahých elektrikářských prací) je realizace systémů založených na adsorpčních principech stále omezena na několik konkrétních aplikací.Hlavní nevýhodou, kterou je potřeba odstranit, je pokles měrného výkonu v důsledku nízké tepelné vodivosti a nízké stability adsorbentu.Současný stav techniky komerčních adsorpčních chladicích systémů je založen na adsorbérech založených na deskových výměnících tepla potažených pro optimalizaci chladicí kapacity.Výsledky jsou dobře známé, že zmenšení tloušťky povlaku vede ke snížení impedance přenosu hmoty a zvýšení poměru povrchové plochy k objemu vodivých struktur zvyšuje výkon, aniž by došlo ke snížení účinnosti.Kovová vlákna použitá v této práci mohou poskytnout specifický povrch v rozmezí 2500–50 000 m2/m3.Tři způsoby pro získání velmi tenkých, ale stabilních povlaků hydrátů solí na kovových površích, včetně kovových vláken, pro výrobu povlaků poprvé demonstrují výměník tepla s vysokou hustotou výkonu.Povrchová úprava na bázi eloxování hliníku je zvolena tak, aby vytvořila pevnější vazbu mezi nátěrem a podkladem.Mikrostruktura výsledného povrchu byla analyzována pomocí rastrovací elektronové mikroskopie.Snížená úplná reflexe Infračervená spektroskopie s Fourierovou transformací a energeticky disperzní rentgenová spektroskopie byly použity pro kontrolu přítomnosti požadovaných druhů v testu.Jejich schopnost tvořit hydráty byla potvrzena kombinovanou termogravimetrickou analýzou (TGA)/diferenční termogravimetrickou analýzou (DTG).Špatná kvalita nad 0,07 g (voda)/g (kompozit) byla zjištěna v povlaku MgS04, vykazující známky dehydratace při přibližně 60 °C a reprodukovatelné po rehydrataci.Pozitivní výsledky byly také získány s SrCl2 a ZnSO4 s hmotnostním rozdílem asi 0,02 g/g pod 100 °C.Hydroxyethylcelulóza byla zvolena jako přísada pro zvýšení stability a adheze povlaku.Adsorpční vlastnosti produktů byly hodnoceny simultánním TGA-DTG a jejich adheze byla charakterizována metodou založenou na testech popsaných v ISO2409.Konzistence a adheze povlaku CaCl2 je výrazně zlepšena při zachování jeho adsorpční kapacity s hmotnostním rozdílem cca 0,1 g/g při teplotách pod 100 °C.Kromě toho si MgS04 zachovává schopnost tvořit hydráty, vykazující hmotnostní rozdíl více než 0,04 g/g při teplotách pod 100 °C.Nakonec se zkoumají potažená kovová vlákna.Výsledky ukazují, že efektivní tepelná vodivost vláknité struktury potažené Al2(SO4)3 může být 4,7krát vyšší ve srovnání s objemem čistého Al2(SO4)3.Povlak studovaných povlaků byl zkoumán vizuálně a vnitřní struktura byla hodnocena pomocí mikroskopického snímku příčných řezů.Byl získán povlak Al2(SO4)3 o tloušťce asi 50 um, ale celý proces musí být optimalizován, aby se dosáhlo rovnoměrnější distribuce.
Adsorpční systémy si v posledních několika desetiletích získaly velkou pozornost, protože představují ekologickou alternativu k tradičním kompresním tepelným čerpadlům nebo chladicím systémům.S rostoucími standardy pohodlí a globálními průměrnými teplotami mohou adsorpční systémy v blízké budoucnosti snížit závislost na fosilních palivech.Kromě toho lze jakákoli vylepšení adsorpčního chlazení nebo tepelných čerpadel přenést na akumulaci tepelné energie, což představuje další zvýšení potenciálu pro efektivní využití primární energie.Hlavní výhodou adsorpčních tepelných čerpadel a chladicích systémů je, že mohou pracovat s nízkou tepelnou hmotou.Díky tomu jsou vhodné pro nízkoteplotní zdroje, jako je solární energie nebo odpadní teplo.Pokud jde o aplikace akumulace energie, adsorpce má výhodu vyšší hustoty energie a menšího rozptylu energie ve srovnání s akumulací citelného nebo latentního tepla.
Adsorpční tepelná čerpadla a chladicí systémy sledují stejný termodynamický cyklus jako jejich protějšky s kompresí páry.Hlavním rozdílem je nahrazení komponent kompresoru adsorbéry.Prvek je schopen adsorbovat páry chladiva o nízkém tlaku při mírných teplotách a odpařuje více chladiva, i když je kapalina studená.Je nutné zajistit stálé chlazení adsorbéru, aby se vyloučila entalpie adsorpce (exoterma).Adsorbér se regeneruje při vysoké teplotě, což způsobuje desorpci par chladiva.Zahřívání musí pokračovat, aby se zajistila entalpie desorpce (endotermická).Protože adsorpční procesy jsou charakterizovány změnami teploty, vysoká hustota výkonu vyžaduje vysokou tepelnou vodivost.Nízká tepelná vodivost je však ve většině aplikací zdaleka hlavní nevýhodou.
Hlavním problémem vodivosti je zvýšení její průměrné hodnoty při zachování transportní cesty, která zajišťuje proudění adsorpčních/desorpčních par.K dosažení tohoto cíle se běžně používají dva přístupy: kompozitní výměníky tepla a výměníky tepla s povlakem.Nejoblíbenější a nejúspěšnější kompozitní materiály jsou ty, které používají přísady na bázi uhlíku, konkrétně expandovaný grafit, aktivní uhlí nebo uhlíková vlákna.Oliveira a kol.2 impregnovaný expandovaný grafitový prášek s chloridem vápenatým pro výrobu adsorbéru se specifickou chladicí kapacitou (SCP) až 306 W/kg a koeficientem výkonu (COP) až 0,46.Zajaczkowski a kol.3 navrhl kombinaci expandovaného grafitu, uhlíkových vláken a chloridu vápenatého s celkovou vodivostí 15 W/mK.Jian et al4 testovali kompozity s expandovaným přírodním grafitem upraveným kyselinou sírovou (ENG-TSA) jako substrátem ve dvoustupňovém adsorpčním chladicím cyklu.Model předpovídal COP od 0,215 do 0,285 a SCP od 161,4 do 260,74 W/kg.
Zdaleka nejschůdnějším řešením je potažený výměník tepla.Potahovací mechanismy těchto výměníků tepla lze rozdělit do dvou kategorií: přímá syntéza a lepidla.Nejúspěšnější metodou je přímá syntéza, která zahrnuje tvorbu adsorpčních materiálů přímo na povrchu výměníků tepla z příslušných činidel.Společnost Sotech5 patentovala metodu syntézy potaženého zeolitu pro použití v řadě chladičů vyráběných společností Fahrenheit GmbH.Schnabel et al6 testovali výkon dvou zeolitů potažených nerezovou ocelí.Tato metoda však funguje pouze se specifickými adsorbenty, díky čemuž je potahování lepidly zajímavou alternativou.Pojiva jsou pasivní látky vybrané pro podporu adheze sorbentu a/nebo přenosu hmoty, ale nehrají žádnou roli při zvýšení adsorpce nebo vodivosti.Freni a kol.7 potažených hliníkových výměníků tepla se zeolitem AQSOA-Z02 stabilizovaných pojivem na bázi jílu.Calabrese et al.8 studovali přípravu zeolitových povlaků s polymerními pojivy.Ammann et al.9 navrhli způsob přípravy porézních zeolitových povlaků z magnetických směsí polyvinylalkoholu.Alumina (oxid hlinitý) se také používá jako pojivo 10 v adsorbéru.Podle našich znalostí se celulóza a hydroxyethylcelulóza používají pouze v kombinaci s fyzikálními adsorbenty11,12.Někdy se lepidlo nepoužívá pro nátěr, ale používá se k vytvoření konstrukce 13 samostatně.Kombinace alginátových polymerních matric s více hydráty solí tvoří flexibilní kompozitní kuličkové struktury, které zabraňují prosakování během sušení a poskytují adekvátní přenos hmoty.Jíly jako bentonit a attapulgit byly použity jako pojiva pro přípravu kompozitů15,16,17.Ethylcelulóza byla použita k mikroenkapsulaci chloridu vápenatého18 nebo sulfidu sodného19.
Kompozity s porézní kovovou strukturou lze rozdělit na aditivní výměníky tepla a výměníky tepla s povlakem.Výhodou těchto struktur je vysoký specifický povrch.Výsledkem je větší kontaktní plocha mezi adsorbentem a kovem bez přidání inertní hmoty, což snižuje celkovou účinnost chladicího cyklu.Lang a kol.20 zlepšily celkovou vodivost zeolitového adsorbéru s hliníkovou voštinovou strukturou.Gillerminot a kol.21 zlepšil tepelnou vodivost vrstev zeolitu NaX s měděnou a niklovou pěnou.Ačkoli se kompozity používají jako materiály s fázovou změnou (PCM), zjištění Li et al.22 a Zhao a kol.23 jsou také zajímavé pro chemisorpci.Porovnali výkonnost expandovaného grafitu a kovové pěny a došli k závěru, že druhá jmenovaná je výhodnější pouze v případě, že koroze nepředstavuje problém.Palomba a kol.nedávno porovnali jiné kovové porézní struktury24.Van der Pal a kol.studovali kovové soli uložené v pěnách 25 .Všechny předchozí příklady odpovídají hustým vrstvám částicových adsorbentů.Kovové porézní struktury se pro potahování adsorbérů prakticky nepoužívají, což je optimálnější řešení.Příklad vazby na zeolity lze nalézt ve Wittstadt et al.26, ale nebyl učiněn žádný pokus vázat hydráty solí navzdory jejich vyšší energetické hustotě 27 .
V tomto článku tedy budou prozkoumány tři způsoby přípravy adsorpčních povlaků: (1) potahování pojivem, (2) přímá reakce a (3) povrchová úprava.Hydroxyethylcelulóza byla v této práci zvoleným pojivem díky dříve uváděné stabilitě a dobré adhezi povlaku v kombinaci s fyzikálními adsorbenty.Tato metoda byla zpočátku zkoumána pro ploché povlaky a později aplikována na struktury z kovových vláken.Dříve byla publikována předběžná analýza možnosti chemických reakcí s tvorbou adsorbčních povlaků.Dosavadní zkušenosti se nyní přenášejí do povlakování konstrukcí z kovových vláken.Povrchová úprava zvolená pro tuto práci je metoda založená na eloxování hliníku.Eloxování hliníku bylo úspěšně kombinováno se solemi kovů pro estetické účely29.V těchto případech lze získat velmi stabilní a korozi odolné povlaky.Nemohou však provádět žádný proces adsorpce nebo desorpce.Tento článek představuje variantu tohoto přístupu, která umožňuje pohyb hmoty pomocí adhezivních vlastností původního procesu.Pokud je nám známo, žádná ze zde popsaných metod nebyla dříve studována.Představují velmi zajímavou novou technologii, protože umožňují tvorbu povlaků hydratovaných adsorbentů, které mají řadu výhod oproti často studovaným fyzikálním adsorbentům.
Lisované hliníkové desky použité jako substráty pro tyto experimenty poskytl ALINVEST Břidličná, Česká republika.Obsahují 98,11 % hliníku, 1,3622 % železa, 0,3618 % manganu a stopy mědi, hořčíku, křemíku, titanu, zinku, chrómu a niklu.
Materiály zvolené pro výrobu kompozitů jsou vybírány v souladu s jejich termodynamickými vlastnostmi, konkrétně v závislosti na množství vody, které mohou adsorbovat/desorbovat při teplotách pod 120 °C.
Síran hořečnatý (MgSO4) je jednou z nejzajímavějších a studovaných hydratovaných solí30,31,32,33,34,35,36,37,38,39,40,41.Termodynamické vlastnosti byly systematicky měřeny a bylo zjištěno, že jsou vhodné pro aplikace v oblastech adsorpčního chlazení, tepelných čerpadel a skladování energie.Byl použit suchý síran hořečnatý CAS-Nr. 7487-88-9 99% (Grüssing GmbH, Filsum, Niedersachsen, Německo).
Chlorid vápenatý (CaCl2) (H319) je další dobře prozkoumaná sůl, protože jeho hydrát má zajímavé termodynamické vlastnosti41,42,43,44.Chlorid vápenatý hexahydrát Č. CAS7774-34-7 97 % použito (Grüssing, GmbH, Filsum, Niedersachsen, Německo).
Síran zinečnatý (ZnSO4) (H3O2, H318, H410) a jeho hydráty mají termodynamické vlastnosti vhodné pro nízkoteplotní adsorpční procesy45,46.Byl použit heptahydrát síranu zinečnatého CAS-Nr. 7733-02-0 99,5 % (Grussing GmbH, Filsum, Niedersachsen, Německo).
Chlorid strontnatý (SrCl2) (H318) má také zajímavé termodynamické vlastnosti4,45,47 i když se často kombinuje s amoniakem při výzkumu adsorpčních tepelných čerpadel nebo skladování energie.Pro syntézu byl použit hexahydrát chloridu strontnatého CAS-Nr.10.476-85-4 99,0–102,0 % (Sigma Aldrich, St. Louis, Missouri, USA).
Síran měďnatý (CuSO4) (H302, H315, H319, H410) nepatří mezi hydráty, které se v odborné literatuře často vyskytují, i když jeho termodynamické vlastnosti jsou zajímavé pro nízkoteplotní aplikace48,49.Pro syntézu byl použit síran měďnatý CAS-Nr.7758-99-8 99% (Sigma Aldrich, St. Louis, MO, USA).
Chlorid hořečnatý (MgCl2) je jednou z hydratovaných solí, kterým je v poslední době věnována větší pozornost v oblasti akumulace tepelné energie50,51.Pro experimenty byl použit hexahydrát chloridu hořečnatého CAS-Nr.7791-18-6 čisté farmaceutické čistoty (Applichem GmbH., Darmstadt, Německo).
Jak bylo uvedeno výše, hydroxyethylcelulóza byla vybrána kvůli pozitivním výsledkům v podobných aplikacích.Materiál použitý v naší syntéze je hydroxyethylcelulóza CAS-Nr 9004-62-0 (Sigma Aldrich, St. Louis, MO, USA).
Kovová vlákna jsou vyrobena z krátkých drátů spojených dohromady lisováním a slinováním, což je proces známý jako extrakce taveniny v kelímku (CME)52.To znamená, že jejich tepelná vodivost závisí nejen na objemové vodivosti kovů použitých při výrobě a poréznosti finální struktury, ale také na kvalitě spojů mezi závity.Vlákna nejsou izotropní a mají tendenci se během výroby rozdělovat v určitém směru, čímž je tepelná vodivost v příčném směru mnohem nižší.
Vlastnosti absorpce vody byly zkoumány pomocí simultánní termogravimetrické analýzy (TGA)/diferenční termogravimetrické analýzy (DTG) ve vakuovém obalu (Netzsch TG 209 F1 Libra).Měření byla prováděna v proudící dusíkové atmosféře při průtoku 10 ml/min a teplotním rozsahu od 25 do 150 °C v kelímcích z oxidu hlinitého.Rychlost ohřevu byla 1 °C/min, hmotnost vzorku se pohybovala od 10 do 20 mg, rozlišení bylo 0,1 μg.V této práci je třeba poznamenat, že hmotnostní rozdíl na jednotku povrchu má velkou nejistotu.Vzorky používané v TGA-DTG jsou velmi malé a nepravidelně řezané, což činí jejich určení plochy nepřesným.Tyto hodnoty lze extrapolovat na větší oblast, pouze pokud jsou brány v úvahu velké odchylky.
Infračervená spektra zeslabeného úplného odrazu Fourierovou transformací (ATR-FTIR) byla získána na spektrometru Bruker Vertex 80 v FTIR (Bruker Optik GmbH, Leipzig, Německo) s použitím platinového příslušenství ATR (Bruker Optik GmbH, Německo).Spektra krystalů čistého suchého diamantu byla měřena přímo ve vakuu před použitím vzorků jako pozadí pro experimentální měření.Vzorky byly měřeny ve vakuu s použitím spektrálního rozlišení 2 cm-1 a průměrného počtu skenů 32. Rozsah vlnových čísel od 8000 do 500 cm-1.Spektrální analýza byla provedena pomocí programu OPUS.
SEM analýza byla provedena pomocí DSM 982 Gemini od Zeiss při urychlovacím napětí 2 a 5 kV.Energeticky disperzní rentgenová spektroskopie (EDX) byla provedena za použití Thermo Fischer System 7 s Peltierově chlazeným křemíkovým driftovým detektorem (SSD).
Příprava kovových desek byla provedena podle postupu podobného postupu popsanému v 53. Nejprve se deska ponoří do 50% kyseliny sírové.15 minut.Poté byly vloženy do 1M roztoku hydroxidu sodného na dobu asi 10 sekund.Poté byly vzorky promyty velkým množstvím destilované vody a poté namočeny v destilované vodě po dobu 30 minut.Po předběžné povrchové úpravě byly vzorky ponořeny do 3% nasyceného roztoku.HEC a cílová sůl.Nakonec je vyjmeme a sušíme při 60°C.
Metoda eloxování zvyšuje a posiluje přirozenou oxidovou vrstvu na pasivním kovu.Hliníkové panely byly eloxovány kyselinou sírovou ve vytvrzeném stavu a poté utěsněny v horké vodě.Po eloxování následovalo počáteční leptání 1 mol/l NaOH (600 s) s následnou neutralizací v 1 mol/l HNO3 (60 s).Roztok elektrolytu je směsí 2,3 M H2SO4, 0,01 M Al2(SO4)3 a 1 M MgS04 + 7H2O.Eloxování bylo prováděno při (40 ± 1) °C, 30 mA/cm2 po dobu 1200 sekund.Utěsnění bylo provedeno v různých roztocích solanky, jak je popsáno v materiálech (MgS04, CaCl2, ZnS04, SrCl2, CuS04, MgCl2).Vzorek se v něm vaří 1800 sekund.
Byly zkoumány tři různé způsoby výroby kompozitů: adhezivní povlak, přímá reakce a povrchová úprava.Výhody a nevýhody jednotlivých tréninkových metod jsou systematicky analyzovány a diskutovány.K vyhodnocení výsledků bylo použito přímé pozorování, nanozobrazování a chemická/elementární analýza.
Eloxování bylo zvoleno jako konverzní metoda povrchové úpravy pro zvýšení adheze hydrátů solí.Tato povrchová úprava vytváří porézní strukturu oxidu hlinitého (alumina) přímo na povrchu hliníku.Tradičně se tato metoda skládá ze dvou fází: první fáze vytváří porézní strukturu oxidu hlinitého a druhá fáze vytváří povlak z hydroxidu hlinitého, který uzavírá póry.Následují dva způsoby blokování soli bez blokování přístupu k plynné fázi.První se skládá z voštinového systému využívajícího malé trubičky z oxidu hlinitého (Al2O3) získané v prvním kroku k udržení krystalů adsorbentu a zvýšení jeho adheze ke kovovým povrchům.Výsledné plástve mají průměr asi 50 nm a délku 200 nm (obr. 1a).Jak již bylo zmíněno dříve, tyto dutiny jsou obvykle uzavřeny ve druhém kroku tenkou vrstvou Al2O(OH)2 boehmitu podporovaného procesem varu v aluminové trubici.U druhého způsobu je tento proces utěsnění upraven tak, že krystaly soli jsou zachyceny v stejnoměrně krycí vrstvě boehmitu (Al2O(OH)), který se v tomto případě k utěsnění nepoužívá.Druhý stupeň se provádí v nasyceném roztoku odpovídající soli.Popsané obrazce mají velikosti v rozmezí 50–100 nm a vypadají jako rozstřikované kapky (obr. 1b).Povrch získaný těsnicím procesem má výraznou prostorovou strukturu se zvýšenou kontaktní plochou.Tento povrchový vzor, ​​spolu s jejich mnoha vazebnými konfiguracemi, je ideální pro přenášení a držení krystalů soli.Obě popsané struktury se zdají být skutečně porézní a mají malé dutiny, které se zdají být vhodné pro zadržování hydrátů solí a adsorbování par na sůl během provozu adsorbéru.Elementární analýza těchto povrchů pomocí EDX však může detekovat stopová množství hořčíku a síry na povrchu boehmitu, která nejsou detekována v případě povrchu oxidu hlinitého.
ATR-FTIR vzorku potvrdilo, že prvkem byl síran hořečnatý (viz obrázek 2b).Spektrum ukazuje charakteristické píky síranových iontů při 610–680 a 1080–1130 cm–1 a charakteristické píky mřížkové vody při 1600–1700 cm–1 a 3200–3800 cm–1 (viz obr. 2a, c).).Přítomnost hořčíkových iontů spektrum téměř nemění54.
(a) EDX boehmitem potažené MgS04 hliníkové desky, (b) ATR-FTIR spektra boehmitových a MgS04 povlaků, (c) ATR-FTIR spektra čistého MgS04.
Zachování účinnosti adsorpce bylo potvrzeno TGA.Na Obr.3b ukazuje desorpční pík cca.60 °C.Tento pík neodpovídá teplotě dvou píků pozorovaných v TGA čisté soli (obr. 3a).Byla hodnocena opakovatelnost cyklu adsorpce-desorpce a stejná křivka byla pozorována po umístění vzorků do vlhké atmosféry (obr. 3c).Rozdíly pozorované ve druhém stupni desorpce mohou být výsledkem dehydratace v proudící atmosféře, protože to často vede k neúplné dehydrataci.Tyto hodnoty odpovídají přibližně 17,9 g/m2 při prvním odvodnění a 10,3 g/m2 při druhém odvodnění.
Porovnání TGA analýzy boehmitu a MgS04: TGA analýza čistého MgS04 (a), směsi (b) a po rehydrataci (c).
Stejný způsob byl proveden s chloridem vápenatým jako adsorbentem.Výsledky jsou uvedeny na obrázku 4. Vizuální kontrola povrchu odhalila drobné změny v kovové záři.Srst je sotva viditelná.SEM potvrdil přítomnost malých krystalů rovnoměrně rozmístěných po povrchu.TGA však nevykázala žádnou dehydrataci pod 150 °C.To může být způsobeno skutečností, že podíl soli je příliš malý ve srovnání s celkovou hmotností substrátu pro detekci pomocí TGA.
Výsledky povrchové úpravy povlaku síranu měďnatého metodou eloxování jsou uvedeny na Obr.5. V tomto případě nedošlo k očekávanému zabudování CuSO4 do struktury oxidu Al.Místo toho jsou pozorovány volné jehličky, které se běžně používají pro hydroxid měďnatý Cu(OH)2 používaný s typickými tyrkysovými barvivy.
Eloxovaná povrchová úprava byla testována také v kombinaci s chloridem strontnatým.Výsledky ukázaly nerovnoměrné pokrytí (viz obrázek 6a).Pro zjištění, zda sůl pokryla celý povrch, byla provedena EDX analýza.Křivka pro bod v šedé oblasti (bod 1 na obr. 6b) ukazuje málo stroncia a hodně hliníku.To ukazuje na nízký obsah stroncia v měřené zóně, což zase ukazuje na nízké pokrytí chloridem strontnatým.Naopak bílé plochy mají vysoký obsah stroncia a nízký obsah hliníku (body 2–6 na obr. 6b).EDX analýza bílé plochy ukazuje tmavší tečky (body 2 a 4 na obr. 6b), nízký obsah chlóru a vysoký obsah síry.To může indikovat tvorbu síranu strontnatého.Jasnější body odrážejí vysoký obsah chloru a nízký obsah síry (body 3, 5 a 6 na obr. 6b).To lze vysvětlit tím, že hlavní část bílého povlaku tvoří očekávaný chlorid strontnatý.TGA vzorku potvrdila interpretaci analýzy s píkem při charakteristické teplotě čistého chloridu strontnatého (obr. 6c).Jejich malá hodnota může být odůvodněna malým zlomkem soli ve srovnání s hmotností kovového nosiče.Desorpční hmota stanovená v experimentech odpovídá množství 7,3 g/m2 uvolněné na jednotku plochy adsorbéru při teplotě 150 °C.
Byly také testovány povlaky ze síranu zinečnatého upravené eloxem.Makroskopicky je povlak velmi tenká a rovnoměrná vrstva (obr. 7a).SEM však odhalil povrch pokrytý malými krystaly oddělenými prázdnými oblastmi (obr. 7b).TGA povlaku a substrátu byla porovnána s TGA čisté soli (obrázek 7c).Čistá sůl má jeden asymetrický pík při 59,1 °C.Potažený hliník vykazoval dva malé píky při 55,5 °C a 61,3 °C, což ukazuje na přítomnost hydrátu síranu zinečnatého.Hmotnostní rozdíl zjištěný v experimentu odpovídá 10,9 g/m2 při teplotě dehydratace 150 °C.
Stejně jako v předchozí přihlášce53 byla jako pojivo pro zlepšení adheze a stability povlaku sorbentu použita hydroxyethylcelulóza.Materiálová kompatibilita a účinek na adsorpční výkon byly hodnoceny pomocí TGA.Analýza se provádí ve vztahu k celkové hmotnosti, tj. vzorek obsahuje kovovou desku použitou jako povlakový substrát.Přilnavost je testována testem založeným na křížovém vrubovém testu definovaném ve specifikaci ISO2409 (nelze splnit specifikaci separace vrubu v závislosti na specifikační tloušťce a šířce).
Potažení panelů chloridem vápenatým (CaCl2) (viz obr. 8a) mělo za následek nerovnoměrné rozložení, které nebylo pozorováno u povlaku z čistého hliníku použitého pro zkoušku příčným vrubem.Ve srovnání s výsledky pro čistý CaCl2 vykazuje TGA (obr. 8b) dva charakteristické píky posunuté směrem k nižším teplotám 40 a 20 °C.Průřezový test neumožňuje objektivní srovnání, protože čistý vzorek CaCl2 (vzorek vpravo na obr. 8c) je prášková sraženina, která odstraňuje nejvyšší částice.Výsledky HEC ukázaly velmi tenký a jednotný povlak s uspokojivou adhezí.Hmotnostní rozdíl znázorněný na Obr.8b odpovídá 51,3 g/m2 na jednotku plochy adsorbéru při teplotě 150 °C.
Pozitivní výsledky z hlediska adheze a stejnoměrnosti byly také získány se síranem hořečnatým (MgSO4) (viz obr. 9).Analýza desorpčního procesu povlaku ukázala přítomnost jednoho píku cca.60 °C.Tato teplota odpovídá hlavnímu desorpčnímu kroku pozorovanému při dehydrataci čistých solí, což představuje další krok při 44 °C.Odpovídá přechodu z hexahydrátu na pentahydrát a není pozorován v případě nátěrů s pojivy.Testy příčných řezů prokázaly zlepšenou distribuci a přilnavost ve srovnání s nátěry vyrobenými za použití čisté soli.Hmotnostní rozdíl pozorovaný v TGA-DTC odpovídá 18,4 g/m2 na jednotku plochy adsorbéru při teplotě 150 °C.
Kvůli nerovnostem povrchu má chlorid strontnatý (SrCl2) nerovnoměrný povlak na žebrech (obr. 10a).Výsledky testu příčného vrubu však ukázaly rovnoměrnou distribuci s výrazně zlepšenou adhezí (obr. 10c).Analýza TGA ukázala velmi malý rozdíl v hmotnosti, což musí být způsobeno nižším obsahem soli ve srovnání s kovovým substrátem.Kroky na křivce však ukazují přítomnost dehydratačního procesu, ačkoli vrchol je spojen s teplotou získanou při charakterizaci čisté soli.Píky při 110 °C a 70,2 °C pozorované na Obr.10b byly také nalezeny při analýze čisté soli.Nicméně hlavní dehydratační krok pozorovaný u čisté soli při 50 °C se neodrazil v křivkách s použitím pojiva.Na rozdíl od toho pojivová směs vykazovala dva píky při 20,2 °C a 94,1 °C, které nebyly naměřeny pro čistou sůl (obr. 10b).Při teplotě 150 °C odpovídá pozorovaný hmotnostní rozdíl 7,2 g/m2 na jednotku plochy adsorbéru.
Kombinace HEC a síranu zinečnatého (ZnSO4) neposkytla přijatelné výsledky (obrázek 11).Analýza TGA potaženého kovu neodhalila žádné dehydratační procesy.Přestože se zlepšila distribuce a přilnavost povlaku, jeho vlastnosti nejsou stále zdaleka optimální.
Nejjednodušším způsobem potažení kovových vláken tenkou a stejnoměrnou vrstvou je mokrá impregnace (obr. 12a), která zahrnuje přípravu cílové soli a impregnaci kovových vláken vodným roztokem.
Při přípravě na mokrou impregnaci narážíme na dva hlavní problémy.Na jedné straně povrchové napětí solného roztoku brání správnému zabudování kapaliny do porézní struktury.Krystalizace na vnějším povrchu (obr. 12d) a vzduchové bubliny zachycené uvnitř struktury (obr. 12c) lze omezit pouze snížením povrchového napětí a předvlhčením vzorku destilovanou vodou.Nucené rozpouštění ve vzorku evakuací vzduchu uvnitř nebo vytvořením toku roztoku ve struktuře jsou další účinné způsoby, jak zajistit úplné naplnění struktury.
Druhým problémem při přípravě bylo odstranění filmu z části soli (viz obr. 12b).Tento jev je charakterizován tvorbou suchého povlaku na disolučním povrchu, který zastaví konvekčně stimulované vysychání a spustí proces stimulovaný difuzí.Druhý mechanismus je mnohem pomalejší než první.V důsledku toho je pro rozumnou dobu sušení vyžadována vysoká teplota, což zvyšuje riziko tvorby bublin uvnitř vzorku.Tento problém je vyřešen zavedením alternativního způsobu krystalizace založeného nikoli na změně koncentrace (odpaření), ale na změně teploty (jako v příkladu s MgSO4 na obr. 13).
Schematické znázornění krystalizačního procesu při chlazení a separaci pevné a kapalné fáze pomocí MgSO4.
Nasycené solné roztoky mohou být připraveny při nebo vyšší teplotě místnosti (HT) za použití této metody.V prvním případě byla krystalizace vynucena snížením teploty pod teplotu místnosti.Ve druhém případě došlo ke krystalizaci, když byl vzorek ochlazen na pokojovou teplotu (RT).Výsledkem je směs krystalů (B) a rozpuštěných (A), jejíž kapalná část je odstraněna stlačeným vzduchem.Tento přístup nejen zamezuje tvorbě filmu na těchto hydrátech, ale také zkracuje dobu potřebnou pro přípravu dalších kompozitů.Odstranění kapaliny stlačeným vzduchem však vede k dodatečné krystalizaci soli, což má za následek silnější povlak.
Další metoda, kterou lze použít k potahování kovových povrchů, zahrnuje přímou produkci cílových solí pomocí chemických reakcí.Povlakované výměníky tepla vyrobené reakcí kyselin na kovových površích žeber a trubek mají řadu výhod, jak bylo uvedeno v naší předchozí studii.Aplikace této metody na vlákna vedla k velmi špatným výsledkům kvůli tvorbě plynů během reakce.Tlak plynových bublin vodíku narůstá uvnitř sondy a posouvá se, jak je produkt vyhazován (obr. 14a).
Povlak byl upraven chemickou reakcí pro lepší kontrolu tloušťky a rozložení povlaku.Tato metoda zahrnuje průchod proudu kyselé mlhy vzorkem (obrázek 14b).Očekává se, že výsledkem bude rovnoměrný povlak reakcí s kovem substrátu.Výsledky byly uspokojivé, ale proces byl příliš pomalý na to, aby mohl být považován za účinnou metodu (obr. 14c).Kratší reakční doby lze dosáhnout lokálním ohřevem.
K překonání nevýhod výše uvedených metod byla studována metoda potahování založená na použití lepidel.HEC byl vybrán na základě výsledků uvedených v předchozí části.Všechny vzorky byly připraveny na 3 % hm.Pojivo se smíchá se solí.Vlákna byla předupravena stejným postupem jako u žeber, tj. máčena v 50 % obj.do 15 minut.kyseliny sírové, poté namočenou v hydroxidu sodném po dobu 20 sekund, promyta v destilované vodě a nakonec namočena v destilované vodě po dobu 30 minut.V tomto případě byl před impregnací přidán další krok.Vzorek krátce ponořte do zředěného roztoku cílové soli a vysušte při teplotě přibližně 60 °C.Proces je navržen tak, aby modifikoval povrch kovu a vytvořil nukleační místa, která zlepšují distribuci povlaku v konečné fázi.Vláknitá struktura má jednu stranu, kde jsou filamenty tenčí a pevně sbalené, a opačnou stranu, kde jsou filamenty tlustší a méně rozmístěné.To je výsledek 52 výrobních procesů.
Výsledky pro chlorid vápenatý (CaCl2) jsou shrnuty a ilustrovány obrázky v tabulce 1. Dobré pokrytí po inokulaci.Dokonce i ty prameny bez viditelných krystalů na povrchu měly redukované kovové odlesky, což naznačuje změnu v konečné úpravě.Po impregnaci vzorků vodnou směsí CaCl2 a HEC a vysušení při teplotě asi 60 °C se však povlaky koncentrovaly v místech křížení struktur.Jedná se o efekt způsobený povrchovým napětím roztoku.Po nasáknutí zůstává kapalina uvnitř vzorku díky jeho povrchovému napětí.V zásadě se vyskytuje na křižovatce struktur.Nejlepší strana vzorku má několik otvorů naplněných solí.Hmotnost se po potažení zvýšila o 0,06 g/cm3.
Potažení síranem hořečnatým (MgS04) produkovalo více soli na jednotku objemu (tabulka 2).V tomto případě je naměřený přírůstek 0,09 g/cm3.Proces setí vedl k rozsáhlému pokrytí vzorků.Po procesu potahování sůl blokuje velké plochy tenké strany vzorku.Kromě toho jsou některé oblasti matu blokovány, ale určitá poréznost je zachována.V tomto případě lze snadno pozorovat tvorbu soli v průsečíku struktur, což potvrzuje, že proces potahování je způsoben hlavně povrchovým napětím kapaliny, a nikoli interakcí mezi solí a kovovým substrátem.
Výsledky pro kombinaci chloridu strontnatého (SrCl2) a HEC vykazovaly podobné vlastnosti jako v předchozích příkladech (tabulka 3).V tomto případě je tenčí strana vzorku téměř úplně pokryta.Viditelné jsou pouze jednotlivé póry vzniklé při sušení v důsledku uvolňování páry ze vzorku.Vzor pozorovaný na matné straně je velmi podobný předchozímu případu, oblast je zablokována solí a vlákna nejsou zcela pokryta.
Aby bylo možné vyhodnotit pozitivní vliv vláknité struktury na tepelný výkon výměníku tepla, byla stanovena efektivní tepelná vodivost potažené vláknité struktury a porovnána s čistým povlakovým materiálem.Tepelná vodivost byla měřena podle ASTM D 5470-2017 za použití zařízení s plochým panelem znázorněného na obrázku 15a s použitím referenčního materiálu se známou tepelnou vodivostí.Ve srovnání s jinými metodami měření přechodných jevů je tento princip výhodný pro porézní materiály použité v této studii, protože měření jsou prováděna v ustáleném stavu a s dostatečnou velikostí vzorku (plocha základny 30 × 30 mm2, výška přibližně 15 mm).Vzorky čistého potahového materiálu (referenční) a potažené vláknité struktury byly připraveny pro měření ve směru vlákna a kolmo ke směru vlákna pro vyhodnocení vlivu anizotropní tepelné vodivosti.Vzorky byly broušeny na povrchu (zrnitost P320), aby se minimalizoval vliv drsnosti povrchu v důsledku přípravy vzorku, která neodráží strukturu uvnitř vzorku.