Tak fordi du besøger Nature.com. Den browserversion, du bruger, har begrænset CSS-understøttelse. For at få den bedste oplevelse anbefaler vi, at du bruger en opdateret browser (eller deaktiverer kompatibilitetstilstand i Internet Explorer). I mellemtiden, for at sikre fortsat support, vil vi gengive webstedet uden typografier og JavaScript.
Markedsandelen for adsorptionskølesystemer og varmepumper er stadig relativt lille sammenlignet med traditionelle kompressorsystemer. Trods den enorme fordel ved at bruge billig varme (i stedet for dyrt elektrisk arbejde) er implementeringen af ​​systemer baseret på adsorptionsprincipper stadig begrænset til et par specifikke anvendelser. Den største ulempe, der skal elimineres, er faldet i specifik effekt på grund af lav varmeledningsevne og lav stabilitet af adsorbenten. Nuværende, avancerede kommercielle adsorptionskølesystemer er baseret på adsorbere baseret på pladevarmevekslere, der er belagt for at optimere kølekapaciteten. Resultaterne er velkendte, at reduktion af belægningens tykkelse fører til et fald i masseoverføringsimpedansen, og at en øgning af overfladeareal-volumenforholdet af de ledende strukturer øger effekten uden at gå på kompromis med effektiviteten. De metalfibre, der anvendes i dette arbejde, kan give et specifikt overfladeareal i området 2500-50.000 m2/m3. Tre metoder til at opnå meget tynde, men stabile belægninger af salthydrater på metaloverflader, inklusive metalfibre, til produktion af belægninger demonstrerer for første gang en varmeveksler med høj effekttæthed. Overfladebehandlingen baseret på aluminiumanodisering er valgt for at skabe en stærkere binding mellem belægningen og substratet. Mikrostrukturen af ​​den resulterende overflade blev analyseret ved hjælp af scanningselektronmikroskopi. Fourier-transform infrarødspektroskopi med reduceret totalrefleksion og energidispersiv røntgenspektroskopi blev brugt til at kontrollere tilstedeværelsen af ​​den ønskede art i analysen. Deres evne til at danne hydrater blev bekræftet ved kombineret termogravimetrisk analyse (TGA)/differentiel termogravimetrisk analyse (DTG). Dårlig kvalitet over 0,07 g (vand)/g (komposit) blev fundet i MgSO4-belægningen, hvilket viste tegn på dehydrering ved ca. 60 °C og var reproducerbar efter rehydrering. Positive resultater blev også opnået med SrCl2 og ZnSO4 med en masseforskel på ca. 0,02 g/g under 100 °C. Hydroxyethylcellulose blev valgt som et additiv for at øge belægningens stabilitet og vedhæftning. Produkternes adsorptive egenskaber blev evalueret ved samtidig TGA-DTG, og deres vedhæftning blev karakteriseret ved en metode baseret på testene beskrevet i ISO2409. CaCl2-belægningens konsistens og vedhæftning forbedres betydeligt, samtidig med at dens adsorptionskapacitet opretholdes med en vægtforskel på ca. 0,1 g/g ved temperaturer under 100 °C. Derudover bevarer MgSO4 evnen til at danne hydrater, hvilket viser en masseforskel på mere end 0,04 g/g ved temperaturer under 100 °C. Endelig undersøges belagte metalfibre. Resultaterne viser, at den effektive varmeledningsevne af fiberstrukturen belagt med Al2(SO4)3 kan være 4,7 gange højere sammenlignet med volumenet af ren Al2(SO4)3. Belægningen af ​​de undersøgte belægninger blev undersøgt visuelt, og den indre struktur blev evalueret ved hjælp af et mikroskopisk billede af tværsnittene. En belægning af Al2(SO4)3 med en tykkelse på ca. 50 µm blev opnået, men den samlede proces skal optimeres for at opnå en mere ensartet fordeling.
Adsorptionssystemer har fået stor opmærksomhed i løbet af de seneste årtier, da de tilbyder et miljøvenligt alternativ til traditionelle kompressionsvarmepumper eller kølesystemer. Med stigende komfortstandarder og globale gennemsnitstemperaturer kan adsorptionssystemer reducere afhængigheden af ​​fossile brændstoffer i den nærmeste fremtid. Derudover kan eventuelle forbedringer inden for adsorptionskøle- eller varmepumper overføres til termisk energilagring, hvilket repræsenterer en yderligere stigning i potentialet for effektiv udnyttelse af primær energi. Den største fordel ved adsorptionsvarmepumper og kølesystemer er, at de kan fungere med lav varmemasse. Dette gør dem velegnede til lavtemperaturkilder såsom solenergi eller spildvarme. Med hensyn til energilagringsapplikationer har adsorption fordelen ved højere energitæthed og mindre energitab sammenlignet med lagring af følsom eller latent varme.
Adsorptionsvarmepumper og kølesystemer følger den samme termodynamiske cyklus som deres modstykker til dampkompression. Hovedforskellen er udskiftningen af ​​kompressorkomponenter med adsorbere. Elementet er i stand til at adsorbere lavtrykskølemiddeldamp ved moderate temperaturer og fordampe mere kølemiddel, selv når væsken er kold. Det er nødvendigt at sikre konstant afkøling af adsorberen for at udelukke adsorptionsentalpi (exoterm). Adsorberen regenereres ved høj temperatur, hvilket får kølemiddeldampen til at desorbere. Opvarmning skal fortsat give desorptionsentalpi (endoterm). Fordi adsorptionsprocesser er karakteriseret ved temperaturændringer, kræver høj effekttæthed høj varmeledningsevne. Lav varmeledningsevne er dog langt den største ulempe i de fleste anvendelser.
Hovedproblemet med ledningsevne er at øge dens gennemsnitsværdi, samtidig med at transportvejen, der leverer strømmen af ​​adsorptions-/desorptionsdampe, opretholdes. To tilgange anvendes almindeligvis til at opnå dette: kompositvarmevekslere og belagte varmevekslere. De mest populære og succesfulde kompositmaterialer er dem, der bruger kulbaserede tilsætningsstoffer, nemlig ekspanderet grafit, aktivt kul eller kulfibre. Oliveira et al. 2 imprægnerede ekspanderet grafitpulver med calciumchlorid for at producere en adsorber med en specifik kølekapacitet (SCP) på op til 306 W/kg og en ydelseskoefficient (COP) på op til 0,46. Zajaczkowski et al. 3 foreslog en kombination af ekspanderet grafit, kulfiber og calciumchlorid med en samlet ledningsevne på 15 W/mK. Jian et al.4 testede kompositter med svovlsyrebehandlet ekspanderet naturlig grafit (ENG-TSA) som substrat i en to-trins adsorptionskølecyklus. Modellen forudsagde en COP fra 0,215 til 0,285 og en SCP fra 161,4 til 260,74 W/kg.
Den langt mest brugbare løsning er den belagte varmeveksler. Belægningsmekanismerne i disse varmevekslere kan opdeles i to kategorier: direkte syntese og klæbemidler. Den mest succesfulde metode er direkte syntese, som involverer dannelse af adsorberende materialer direkte på overfladen af ​​varmevekslere fra de passende reagenser. Sotech5 har patenteret en metode til syntetisering af belagt zeolit ​​til brug i en serie kølere fremstillet af Fahrenheit GmbH. Schnabel et al.6 testede ydeevnen af ​​to zeolitter belagt på rustfrit stål. Denne metode fungerer dog kun med specifikke adsorbenter, hvilket gør belægning med klæbemidler til et interessant alternativ. Bindemidler er passive stoffer, der er valgt til at understøtte sorbentadhæsion og/eller masseoverførsel, men spiller ingen rolle i adsorption eller forbedring af ledningsevne. Freni et al.7 belagte aluminiumvarmevekslere med AQSOA-Z02 zeolit ​​stabiliseret med et lerbaseret bindemiddel. Calabrese et al.8 studerede fremstillingen af ​​zeolitbelægninger med polymere bindemidler. Ammann et al.9 foreslog en metode til fremstilling af porøse zeolitbelægninger fra magnetiske blandinger af polyvinylalkohol. Aluminiumoxid (alumina) anvendes også som bindemiddel 10 i adsorberen. Så vidt vi ved, anvendes cellulose og hydroxyethylcellulose kun i kombination med fysiske adsorbenter 11,12. Nogle gange anvendes limen ikke til malingen, men bruges til at opbygge strukturen 13 alene. Kombinationen af ​​alginatpolymermatricer med flere salthydrater danner fleksible kompositperlestrukturer, der forhindrer lækage under tørring og giver tilstrækkelig masseoverførsel. Lerarter som bentonit og attapulgit er blevet brugt som bindemidler til fremstilling af kompositter 15,16,17. Ethylcellulose er blevet brugt til at mikroindkapsle calciumchlorid 18 eller natriumsulfid 19.
Kompositter med en porøs metalstruktur kan opdeles i additive varmevekslere og belagte varmevekslere. Fordelen ved disse strukturer er det høje specifikke overfladeareal. Dette resulterer i en større kontaktflade mellem adsorbent og metal uden tilsætning af en inert masse, hvilket reducerer den samlede effektivitet af kølecyklussen. Lang et al. 20 har forbedret den samlede ledningsevne af en zeolitadsorber med en aluminiumsbikagestruktur. Gillerminot et al. 21 forbedrede den termiske ledningsevne af NaX-zeolitlag med kobber- og nikkelskum. Selvom kompositter anvendes som faseændringsmaterialer (PCM'er), er resultaterne fra Li et al. 22 og Zhao et al. 23 også af interesse for kemisorption. De sammenlignede ydeevnen af ​​ekspanderet grafit og metalskum og konkluderede, at sidstnævnte kun var at foretrække, hvis korrosion ikke var et problem. Palomba et al. har for nylig sammenlignet andre metalliske porøse strukturer 24. Van der Pal et al. har undersøgt metalsalte indlejret i skum 25. Alle tidligere eksempler svarer til tætte lag af partikelformige adsorbenter. Porøse metalstrukturer bruges praktisk talt ikke til at belægge adsorbere, hvilket er en mere optimal løsning. Et eksempel på binding til zeolitter kan findes i Wittstadt et al. 26, men der er ikke gjort forsøg på at binde salthydrater på trods af deres højere energitæthed 27.
I denne artikel vil tre metoder til fremstilling af adsorberende belægninger derfor blive udforsket: (1) bindemiddelbelægning, (2) direkte reaktion og (3) overfladebehandling. Hydroxyethylcellulose var det valgte bindemiddel i dette arbejde på grund af tidligere rapporteret stabilitet og god belægningsadhæsion i kombination med fysiske adsorbenter. Denne metode blev oprindeligt undersøgt til flade belægninger og senere anvendt på metalfiberstrukturer. Tidligere blev en foreløbig analyse af muligheden for kemiske reaktioner med dannelsen af ​​adsorberende belægninger rapporteret. Tidligere erfaringer overføres nu til belægning af metalfiberstrukturer. Den valgte overfladebehandling til dette arbejde er en metode baseret på aluminiumanodisering. Aluminiumanodisering er med succes blevet kombineret med metalsalte til æstetiske formål29. I disse tilfælde kan der opnås meget stabile og korrosionsbestandige belægninger. De kan dog ikke udføre nogen adsorptions- eller desorptionsproces. Denne artikel præsenterer en variant af denne tilgang, der tillader masse at flyttes ved hjælp af den oprindelige process klæbende egenskaber. Så vidt vi ved, er ingen af ​​de her beskrevne metoder tidligere blevet undersøgt. De repræsenterer en meget interessant ny teknologi, fordi de muliggør dannelsen af ​​hydrerede adsorbentbelægninger, som har en række fordele i forhold til de ofte undersøgte fysiske adsorbenter.
De stemplede aluminiumsplader, der blev brugt som substrater til disse eksperimenter, blev leveret af ALINVEST Břidličná, Tjekkiet. De indeholder 98,11% aluminium, 1,3622% jern, 0,3618% mangan og spor af kobber, magnesium, silicium, titanium, zink, krom og nikkel.
De materialer, der vælges til fremstilling af kompositter, udvælges i overensstemmelse med deres termodynamiske egenskaber, nemlig afhængigt af den mængde vand, de kan adsorbere/desorbere ved temperaturer under 120 °C.
Magnesiumsulfat (MgSO4) er et af de mest interessante og undersøgte hydratiserede salte30,31,32,33,34,35,36,37,38,39,40,41. De termodynamiske egenskaber er blevet systematisk målt og fundet egnede til anvendelser inden for adsorptionskøling, varmepumper og energilagring. Tørt magnesiumsulfat CAS-nr. 7487-88-9 99% (Grüssing GmbH, Filsum, Niedersachsen, Tyskland) blev anvendt.
Calciumchlorid (CaCl2) (H319) er et andet velundersøgt salt, fordi dets hydrat har interessante termodynamiske egenskaber41,42,43,44. Calciumchloridhexahydrat CAS-nr. 7774-34-7 97% anvendt (Grüssing, GmbH, Filsum, Niedersachsen, Tyskland).
Zinksulfat (ZnSO4) (H3O2, H318, H410) og dets hydrater har termodynamiske egenskaber, der er egnede til adsorptionsprocesser ved lav temperatur45,46. Zinksulfatheptahydrat CAS-nr. 7733-02-0 99,5% (Grüssing GmbH, Filsum, Niedersachsen, Tyskland) blev anvendt.
Strontiumchlorid (SrCl2) (H318) har også interessante termodynamiske egenskaber4,45,47, selvom det ofte kombineres med ammoniak i forskning i adsorptionsvarmepumper eller energilagring. Strontiumchloridhexahydrat CAS-nr. 10.476-85-4 99,0–102,0% (Sigma Aldrich, St. Louis, Missouri, USA) blev anvendt til syntesen.
Kobbersulfat (CuSO4) (H302, H315, H319, H410) er ikke blandt de hydrater, der ofte findes i faglitteraturen, selvom dets termodynamiske egenskaber er af interesse til lavtemperaturanvendelser48,49. Kobbersulfat CAS-nr. 7758-99-8 99% (Sigma Aldrich, St. Louis, MO, USA) blev anvendt til syntesen.
Magnesiumchlorid (MgCl2) er et af de hydratiserede salte, der for nylig har fået mere opmærksomhed inden for termisk energilagring50,51. Magnesiumchloridhexahydrat CAS-nr. 7791-18-6 ren farmaceutisk kvalitet (Applichem GmbH., Darmstadt, Tyskland) blev anvendt til forsøgene.
Som nævnt ovenfor blev hydroxyethylcellulose valgt på grund af de positive resultater i lignende anvendelser. Materialet, der anvendes i vores syntese, er hydroxyethylcellulose CAS-nr. 9004-62-0 (Sigma Aldrich, St. Louis, MO, USA).
Metalfibre er lavet af korte tråde, der er bundet sammen ved kompression og sintring, en proces kendt som crucible melt extraction (CME)52. Det betyder, at deres varmeledningsevne ikke kun afhænger af den anvendte metallers bulkledningsevne og den endelige strukturs porøsitet, men også af kvaliteten af ​​bindingerne mellem trådene. Fibrene er ikke isotrope og har en tendens til at være fordelt i en bestemt retning under produktionen, hvilket gør varmeledningsevnen i tværretningen meget lavere.
Vandabsorptionsegenskaberne blev undersøgt ved hjælp af simultan termogravimetrisk analyse (TGA)/differentiel termogravimetrisk analyse (DTG) i en vakuumpakke (Netzsch TG 209 F1 Libra). Målingerne blev udført i en strømmende nitrogenatmosfære ved en flowhastighed på 10 ml/min og et temperaturområde fra 25 til 150°C i aluminiumoxiddigler. Opvarmningshastigheden var 1 °C/min, prøvevægten varierede fra 10 til 20 mg, og opløsningen var 0,1 μg. I dette arbejde skal det bemærkes, at masseforskellen pr. overfladeenhed har en stor usikkerhed. Prøverne, der anvendes i TGA-DTG, er meget små og uregelmæssigt skåret, hvilket gør deres arealbestemmelse unøjagtig. Disse værdier kan kun ekstrapoleres til et større område, hvis store afvigelser tages i betragtning.
Dæmpede totalreflektions-Fourier-transform infrarøde (ATR-FTIR) spektre blev erhvervet på et Bruker Vertex 80 v FTIR spektrometer (Bruker Optik GmbH, Leipzig, Tyskland) ved hjælp af et ATR platintilbehør (Bruker Optik GmbH, Tyskland). Spektrene af rene tørre diamantkrystaller blev målt direkte i vakuum, før prøverne blev brugt som baggrund for eksperimentelle målinger. Prøverne blev målt i vakuum ved hjælp af en spektral opløsning på 2 cm-1 og et gennemsnitligt antal scanninger på 32. Bølgetalområdet er fra 8000 til 500 cm-1. Spektralanalyse blev udført ved hjælp af OPUS-programmet.
SEM-analyse blev udført ved hjælp af en DSM 982 Gemini fra Zeiss ved accelerationsspændinger på 2 og 5 kV. Energidispersiv røntgenspektroskopi (EDX) blev udført ved hjælp af et Thermo Fischer System 7 med en Peltier-kølet siliciumdriftdetektor (SSD).
Fremstilling af metalpladerne blev udført i henhold til en procedure svarende til den, der er beskrevet i 53. Først blev pladen nedsænket i 50% svovlsyre i 15 minutter. Derefter blev de introduceret i en 1 M natriumhydroxidopløsning i ca. 10 sekunder. Derefter blev prøverne vasket med en stor mængde destilleret vand og derefter gennemblødt i destilleret vand i 30 minutter. Efter den indledende overfladebehandling blev prøverne nedsænket i en 3% mættet opløsning af HEC og målsalt. Til sidst blev de taget ud og tørret ved 60°C.
Anodiseringsmetoden forstærker og forstærker det naturlige oxidlag på det passive metal. Aluminiumspanelerne blev anodiseret med svovlsyre i hærdet tilstand og derefter forseglet i varmt vand. Anodiseringen fulgte efter en indledende ætsning med 1 mol/l NaOH (600 s) efterfulgt af neutralisering i 1 mol/l HNO3 (60 s). Elektrolytopløsningen er en blanding af 2,3 M H2SO4, 0,01 M Al2(SO4)3 og 1 M MgSO4 + 7H2O. Anodiseringen blev udført ved (40 ± 1)°C, 30 mA/cm2 i 1200 sekunder. Forseglingsprocessen blev udført i forskellige saltlageopløsninger som beskrevet i materialerne (MgSO4, CaCl2, ZnSO4, SrCl2, CuSO4, MgCl2). Prøven koges i den i 1800 sekunder.
Tre forskellige metoder til fremstilling af kompositter er blevet undersøgt: klæbende belægning, direkte reaktion og overfladebehandling. Fordele og ulemper ved hver træningsmetode analyseres og diskuteres systematisk. Direkte observation, nanoimaging og kemisk/elementær analyse blev anvendt til at evaluere resultaterne.
Anodisering blev valgt som en konverteringsoverfladebehandlingsmetode for at øge vedhæftningen af ​​salthydrater. Denne overfladebehandling skaber en porøs struktur af aluminiumoxid (alumina) direkte på aluminiumoverfladen. Traditionelt består denne metode af to trin: det første trin skaber en porøs struktur af aluminiumoxid, og det andet trin skaber en belægning af aluminiumhydroxid, der lukker porerne. Følgende er to metoder til at blokere salt uden at blokere adgangen til gasfasen. Den første består af et bikagesystem, der bruger små aluminiumoxid (Al2O3)-rør, der opnås i det første trin, for at holde de adsorberende krystaller og øge deres vedhæftning til metaloverflader. De resulterende bikager har en diameter på ca. 50 nm og en længde på 200 nm (fig. 1a). Som tidligere nævnt lukkes disse hulrum normalt i et andet trin med et tyndt lag Al2O(OH)2-boehmit understøttet af kogeprocessen med aluminiumoxidrør. I den anden metode modificeres denne forseglingsproces på en sådan måde, at saltkrystallerne indfanges i et ensartet dækkende lag af boehmit (Al2O(OH)), som ikke anvendes til forsegling i dette tilfælde. Det andet trin udføres i en mættet opløsning af det tilsvarende salt. De beskrevne mønstre har størrelser i området 50-100 nm og ligner sprøjtede dråber (fig. 1b). Overfladen, der opnås som følge af forseglingsprocessen, har en udtalt rumlig struktur med et øget kontaktareal. Dette overflademønster er sammen med deres mange bindingskonfigurationer ideelt til at bære og holde saltkrystaller. Begge beskrevne strukturer synes at være virkelig porøse og har små hulrum, der synes at være velegnede til at tilbageholde salthydrater og adsorbere dampe til saltet under adsorberens drift. Elementaranalyse af disse overflader ved hjælp af EDX kan dog detektere spormængder af magnesium og svovl på overfladen af ​​boehmit, som ikke detekteres i tilfælde af en aluminiumoxidoverflade.
ATR-FTIR af prøven bekræftede, at grundstoffet var magnesiumsulfat (se figur 2b). Spektret viser karakteristiske sulfationtoppe ved 610-680 og 1080-1130 cm⁻¹ og karakteristiske gittervandtoppe ved 1600-1700 cm⁻¹ og 3200-3800 cm⁻¹ (se fig. 2a, c). Tilstedeværelsen af ​​magnesiumioner ændrer næsten ikke spektret54.
(a) EDX af en boehmitbelagt MgSO4-aluminiumplade, (b) ATR-FTIR-spektre af boehmit- og MgSO4-belægninger, (c) ATR-FTIR-spektre af ren MgSO4.
Opretholdelse af adsorptionseffektiviteten blev bekræftet ved TGA. Figur 3b viser en desorptionstop på ca. 60 °C. Denne top svarer ikke til temperaturen af ​​de to toppe observeret i TGA af rent salt (figur 3a). Repeterbarheden af ​​adsorptions-desorptionscyklussen blev evalueret, og den samme kurve blev observeret efter at prøverne var placeret i en fugtig atmosfære (figur 3c). Forskellene observeret i andet trin af desorptionen kan skyldes dehydrering i en strømmende atmosfære, da dette ofte fører til ufuldstændig dehydrering. Disse værdier svarer til ca. 17,9 g/m2 ved den første afvanding og 10,3 g/m2 ved den anden afvanding.
Sammenligning af TGA-analyse af boehmit og MgSO4: TGA-analyse af ren MgSO4 (a), blanding (b) og efter rehydrering (c).
Den samme metode blev udført med calciumchlorid som adsorbent. Resultaterne er vist i figur 4. Visuel inspektion af overfladen afslørede mindre ændringer i den metalliske glød. Pelsen er knap synlig. SEM bekræftede tilstedeværelsen af ​​små krystaller jævnt fordelt over overfladen. TGA viste dog ingen dehydrering under 150°C. Dette kan skyldes, at andelen af ​​salt er for lille sammenlignet med substratets samlede masse til detektion med TGA.
Resultaterne af overfladebehandlingen af ​​kobbersulfatbelægningen ved hjælp af anodiseringsmetoden er vist i figur 5. I dette tilfælde forekom den forventede inkorporering af CuSO4 i Al-oxidstrukturen ikke. I stedet observeres løse nåle, som de almindeligvis anvendes til kobberhydroxid, Cu(OH)2, der anvendes med typiske turkisfarvestoffer.
Den anodiserede overfladebehandling blev også testet i kombination med strontiumchlorid. Resultaterne viste ujævn dækning (se figur 6a). For at bestemme, om saltet dækkede hele overfladen, blev der udført en EDX-analyse. Kurven for et punkt i det grå område (punkt 1 i figur 6b) viser lidt strontium og meget aluminium. Dette indikerer et lavt indhold af strontium i den målte zone, hvilket igen indikerer en lav dækning af strontiumchlorid. Omvendt har hvide områder et højt indhold af strontium og et lavt indhold af aluminium (punkter 2-6 i figur 6b). EDX-analyse af det hvide område viser mørkere prikker (punkter 2 og 4 i figur 6b), lavt klorindhold og højt svovlindhold. Dette kan indikere dannelsen af ​​strontiumsulfat. Lysere prikker afspejler et højt klorindhold og lavt svovlindhold (punkter 3, 5 og 6 i figur 6b). Dette kan forklares ved, at hoveddelen af ​​den hvide belægning består af det forventede strontiumchlorid. TGA'en af ​​prøven bekræftede fortolkningen af ​​analysen med en top ved den karakteristiske temperatur for rent strontiumchlorid (fig. 6c). Deres lille værdi kan retfærdiggøres af en lille andel salt i sammenligning med massen af ​​metalbæreren. Den desorptionsmasse, der blev bestemt i forsøgene, svarer til den mængde på 7,3 g/m2, der afgives pr. arealenhed af adsorberen ved en temperatur på 150°C.
Eloxalbehandlede zinksulfatbelægninger blev også testet. Makroskopisk er belægningen et meget tyndt og ensartet lag (fig. 7a). SEM afslørede imidlertid et overfladeareal dækket med små krystaller adskilt af tomme områder (fig. 7b). TGA'en for belægningen og substratet blev sammenlignet med rent salts (figur 7c). Rent salt har en asymmetrisk top ved 59,1 °C. Det belagte aluminium viste to små toppe ved 55,5 °C og 61,3 °C, hvilket indikerer tilstedeværelsen af ​​zinksulfathydrat. Masseforskellen afsløret i eksperimentet svarer til 10,9 g/m2 ved en dehydreringstemperatur på 150 °C.
Som i den tidligere ansøgning53 blev hydroxyethylcellulose anvendt som bindemiddel for at forbedre adhæsionen og stabiliteten af ​​sorbentbelægningen. Materialekompatibilitet og effekt på adsorptionsevnen blev vurderet ved hjælp af TGA. Analysen udføres i forhold til den samlede masse, dvs. prøven inkluderer en metalplade, der anvendes som belægningssubstrat. Adhæsionen testes ved en test baseret på krydshakstesten defineret i ISO2409-specifikationen (kan ikke opfylde hakseparationsspecifikationen afhængigt af specifikationens tykkelse og bredde).
Belægning af panelerne med calciumchlorid (CaCl2) (se fig. 8a) resulterede i en ujævn fordeling, hvilket ikke blev observeret i den rene aluminiumbelægning, der blev anvendt til den tværgående haktest. Sammenlignet med resultaterne for ren CaCl2 viser TGA (fig. 8b) to karakteristiske toppe forskudt mod lavere temperaturer på henholdsvis 40 og 20°C. Tværsnitstesten tillader ikke en objektiv sammenligning, fordi den rene CaCl2-prøve (prøven til højre i fig. 8c) er et pulverformet bundfald, som fjerner de øverste partikler. HEC-resultaterne viste en meget tynd og ensartet belægning med tilfredsstillende vedhæftning. Masseforskellen vist i fig. 8b svarer til 51,3 g/m2 pr. arealenhed af adsorberen ved en temperatur på 150°C.
Positive resultater med hensyn til vedhæftning og ensartethed blev også opnået med magnesiumsulfat (MgSO4) (se fig. 9). Analyse af belægningens desorptionsprocessen viste tilstedeværelsen af ​​en top på ca. 60 °C. Denne temperatur svarer til det primære desorptionstrin, der ses ved dehydrering af rene salte, hvilket repræsenterer et andet trin ved 44 °C. Det svarer til overgangen fra hexahydrat til pentahydrat og observeres ikke i tilfælde af belægninger med bindemidler. Tværsnitstest viser forbedret fordeling og vedhæftning sammenlignet med belægninger fremstillet med rent salt. Den observerede masseforskel i TGA-DTC svarer til 18,4 g/m2 pr. arealenhed af adsorberen ved en temperatur på 150 °C.
På grund af ujævnheder i overfladen har strontiumchlorid (SrCl2) en ujævn belægning på finnerne (fig. 10a). Resultaterne af den tværgående haktest viste imidlertid ensartet fordeling med signifikant forbedret vedhæftning (fig. 10c). TGA-analyse viste en meget lille vægtforskel, hvilket må skyldes det lavere saltindhold sammenlignet med metalsubstratet. Trinnene på kurven viser dog tilstedeværelsen af ​​en dehydreringsproces, selvom toppen er forbundet med den temperatur, der opnås ved karakterisering af rent salt. Toppene ved 110 °C og 70,2 °C observeret i fig. 10b blev også fundet ved analyse af rent salt. Det primære dehydreringstrin observeret i rent salt ved 50 °C blev dog ikke afspejlet i kurverne ved brug af bindemidlet. I modsætning hertil viste bindemiddelblandingen to toppe ved 20,2 °C og 94,1 °C, som ikke blev målt for det rene salt (fig. 10b). Ved en temperatur på 150 °C svarer den observerede masseforskel til 7,2 g/m2 pr. arealenhed af adsorberen.
Kombinationen af ​​HEC og zinksulfat (ZnSO4) gav ikke acceptable resultater (Figur 11). TGA-analyse af det belagte metal afslørede ingen dehydreringsprocesser. Selvom fordelingen og vedhæftningen af ​​belægningen er forbedret, er dens egenskaber stadig langt fra optimale.
Den enkleste måde at belægge metalfibre med et tyndt og ensartet lag er vådimprægnering (fig. 12a), som omfatter fremstilling af målsaltet og imprægnering af metalfibre med en vandig opløsning.
Ved forberedelse til vådimprægnering støder man på to hovedproblemer. På den ene side forhindrer overfladespændingen af ​​saltvandsopløsningen korrekt inkorporering af væsken i den porøse struktur. Krystallisering på den ydre overflade (fig. 12d) og luftbobler fanget inde i strukturen (fig. 12c) kan kun reduceres ved at sænke overfladespændingen og forfugte prøven med destilleret vand. Tvungen opløsning i prøven ved at evakuere luften indeni eller ved at skabe en opløsningsstrøm i strukturen er andre effektive måder at sikre fuldstændig fyldning af strukturen.
Det andet problem, der opstod under fremstillingen, var fjernelsen af ​​filmen fra en del af saltet (se fig. 12b). Dette fænomen er karakteriseret ved dannelsen af ​​en tør belægning på opløsningsoverfladen, hvilket stopper den konvektivt stimulerede tørring og starter den diffusionsstimulerede proces. Den anden mekanisme er meget langsommere end den første. Som følge heraf kræves en høj temperatur for en rimelig tørretid, hvilket øger risikoen for bobledannelse inde i prøven. Dette problem løses ved at introducere en alternativ krystallisationsmetode, der ikke er baseret på koncentrationsændring (fordampning), men på temperaturændring (som i eksemplet med MgSO4 i fig. 13).
Skematisk repræsentation af krystallisationsprocessen under afkøling og separation af faste og flydende faser ved brug af MgSO4.
Mættede saltopløsninger kan fremstilles ved eller over stuetemperatur (HT) ved hjælp af denne metode. I det første tilfælde blev krystallisationen fremtvunget ved at sænke temperaturen til under stuetemperatur. I det andet tilfælde forekom krystallisationen, når prøven blev afkølet til stuetemperatur (RT). Resultatet er en blanding af krystaller (B) og opløste stoffer (A), hvis flydende del fjernes med trykluft. Denne fremgangsmåde undgår ikke kun dannelsen af ​​en film på disse hydrater, men reducerer også den tid, der kræves til fremstilling af andre kompositter. Fjernelse af væske med trykluft fører imidlertid til yderligere krystallisation af saltet, hvilket resulterer i en tykkere belægning.
En anden metode, der kan bruges til at belægge metaloverflader, involverer direkte produktion af målsalte gennem kemiske reaktioner. Belagte varmevekslere fremstillet ved reaktion af syrer på metaloverfladerne af finner og rør har en række fordele, som rapporteret i vores tidligere undersøgelse. Anvendelsen af ​​denne metode på fibre førte til meget dårlige resultater på grund af dannelsen af ​​gasser under reaktionen. Trykket fra hydrogengasboblerne opbygges inde i sonden og ændrer sig, når produktet udstødes (fig. 14a).
Belægningen er blevet modificeret gennem en kemisk reaktion for bedre at kontrollere belægningens tykkelse og fordeling. Denne metode involverer at lede en syretåge gennem prøven (Figur 14b). Dette forventes at resultere i en ensartet belægning ved reaktion med substratmetallet. Resultaterne var tilfredsstillende, men processen var for langsom til at blive betragtet som en effektiv metode (Fig. 14c). Kortere reaktionstider kan opnås ved lokal opvarmning.
For at overvinde ulemperne ved ovenstående metoder er en belægningsmetode baseret på brug af klæbemidler blevet undersøgt. HEC blev valgt baseret på resultaterne præsenteret i det foregående afsnit. Alle prøver blev fremstillet ved 3 vægt% svovlsyre. Bindemidlet blandes med salt. Fibrene blev forbehandlet efter samme procedure som for ribberne, dvs. gennemblødt i 50% vol. inden for 15 minutter. derefter gennemblødt i natriumhydroxid i 20 sekunder, vasket i destilleret vand og endelig gennemblødt i destilleret vand i 30 minutter. I dette tilfælde blev der tilføjet et yderligere trin før imprægnering. Prøven nedsænkes kort i en fortyndet målsaltopløsning og tørres ved ca. 60°C. Processen er designet til at modificere metallets overflade og skabe kimdannelsessteder, der forbedrer fordelingen af ​​belægningen i det sidste trin. Den fiberagtige struktur har en side, hvor filamenterne er tyndere og tætpakkede, og den modsatte side, hvor filamenterne er tykkere og mindre fordelte. Dette er resultatet af 52 fremstillingsprocesser.
Resultaterne for calciumchlorid (CaCl2) er opsummeret og illustreret med billeder i tabel 1. God dækning efter podning. Selv de strenge uden synlige krystaller på overfladen havde reducerede metalliske refleksioner, hvilket indikerer en ændring i finishen. Efter at prøverne blev imprægneret med en vandig blanding af CaCl2 og HEC og tørret ved en temperatur på ca. 60 °C, blev belægningerne imidlertid koncentreret ved strukturernes skæringspunkter. Dette er en effekt forårsaget af opløsningens overfladespænding. Efter iblødsætning forbliver væsken inde i prøven på grund af dens overfladespænding. Det forekommer grundlæggende ved strukturernes skæringspunkter. Den bedste side af prøven har flere huller fyldt med salt. Vægten steg med 0,06 g/cm3 efter belægning.
Belægning med magnesiumsulfat (MgSO4) producerede mere salt pr. volumenhed (Tabel 2). I dette tilfælde er den målte forøgelse 0,09 g/cm3. Såningsprocessen resulterede i omfattende prøvedækning. Efter belægningsprocessen blokerer saltet store områder af den tynde side af prøven. Derudover blokeres nogle områder af matten, men en vis porøsitet bevares. I dette tilfælde observeres saltdannelse let ved skæringspunktet mellem strukturerne, hvilket bekræfter, at belægningsprocessen hovedsageligt skyldes væskens overfladespænding og ikke interaktionen mellem saltet og metalsubstratet.
Resultaterne for kombinationen af ​​strontiumchlorid (SrCl2) og HEC viste lignende egenskaber som de tidligere eksempler (Tabel 3). I dette tilfælde er den tyndere side af prøven næsten fuldstændigt dækket. Kun individuelle porer er synlige, dannet under tørring som følge af frigivelse af damp fra prøven. Mønsteret observeret på den matte side minder meget om det tidligere tilfælde, området er blokeret med salt, og fibrene er ikke fuldstændigt dækket.
For at evaluere den positive effekt af fiberstrukturen på varmevekslerens termiske ydeevne blev den effektive termiske ledningsevne af den belagte fiberstruktur bestemt og sammenlignet med det rene belægningsmateriale. Termisk ledningsevne blev målt i henhold til ASTM D 5470-2017 ved hjælp af den fladskærmsenhed, der er vist i figur 15a, ved hjælp af et referencemateriale med kendt termisk ledningsevne. Sammenlignet med andre transiente målemetoder er dette princip fordelagtigt for porøse materialer, der anvendes i den aktuelle undersøgelse, da målingerne udføres i en stationær tilstand og med en tilstrækkelig prøvestørrelse (basisareal 30 × 30 mm2, højde ca. 15 mm). Prøver af det rene belægningsmateriale (reference) og den belagte fiberstruktur blev forberedt til målinger i fiberens retning og vinkelret på fiberens retning for at evaluere effekten af ​​anisotropisk termisk ledningsevne. Prøverne blev slebet på overfladen (P320 grit) for at minimere effekten af ​​overfladeruhed på grund af prøveforberedelse, hvilket ikke afspejler strukturen i prøven.