از بازدید شما از Nature.com متشکریم. نسخه مرورگری که استفاده می‌کنید پشتیبانی محدودی از CSS دارد. برای بهترین تجربه، توصیه می‌کنیم از یک مرورگر به‌روز استفاده کنید (یا حالت سازگاری را در Internet Explorer غیرفعال کنید). در عین حال، برای اطمینان از ادامه پشتیبانی، سایت را بدون استایل‌ها و جاوا اسکریپت رندر خواهیم کرد.
سهم بازار سیستم‌های تبرید جذبی و پمپ‌های حرارتی هنوز در مقایسه با سیستم‌های کمپرسور سنتی نسبتاً کم است. با وجود مزیت بزرگ استفاده از گرمای ارزان (به جای کار الکتریکی گران)، پیاده‌سازی سیستم‌های مبتنی بر اصول جذب هنوز به چند کاربرد خاص محدود است. عیب اصلی که باید حذف شود، کاهش توان ویژه به دلیل رسانایی حرارتی پایین و پایداری کم جاذب است. سیستم‌های تبرید جذبی تجاری پیشرفته فعلی مبتنی بر جاذب‌هایی مبتنی بر مبدل‌های حرارتی صفحه‌ای هستند که برای بهینه‌سازی ظرفیت خنک‌سازی پوشش داده شده‌اند. نتایج به خوبی شناخته شده است که کاهش ضخامت پوشش منجر به کاهش امپدانس انتقال جرم می‌شود و افزایش نسبت سطح به حجم ساختارهای رسانا، توان را بدون به خطر انداختن راندمان افزایش می‌دهد. الیاف فلزی مورد استفاده در این کار می‌توانند مساحت سطح ویژه‌ای در محدوده 2500 تا 50000 متر مربع بر متر مکعب فراهم کنند. سه روش برای به دست آوردن پوشش‌های بسیار نازک اما پایدار از هیدرات‌های نمک روی سطوح فلزی، از جمله الیاف فلزی، برای تولید پوشش‌ها، برای اولین بار یک مبدل حرارتی با چگالی توان بالا را نشان می‌دهند. عملیات سطحی مبتنی بر آندایزینگ آلومینیوم برای ایجاد پیوند قوی‌تر بین پوشش و زیرلایه انتخاب شد. ریزساختار سطح حاصل با استفاده از میکروسکوپ الکترونی روبشی مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفت. از طیف‌سنجی مادون قرمز تبدیل فوریه با بازتاب کلی کاهش‌یافته و طیف‌سنجی اشعه ایکس با پراکندگی انرژی برای بررسی وجود گونه‌های مورد نظر در سنجش استفاده شد. توانایی آنها در تشکیل هیدرات با تجزیه و تحلیل ترکیبی وزن‌سنجی حرارتی (TGA)/تجزیه و تحلیل وزن‌سنجی حرارتی تفاضلی (DTG) تأیید شد. کیفیت ضعیف بیش از 0.07 گرم (آب)/گرم (کامپوزیت) در پوشش MgSO4 مشاهده شد که نشانه‌هایی از کم‌آبی در حدود 60 درجه سانتیگراد را نشان می‌دهد و پس از آبگیری مجدد قابل تکرار است. نتایج مثبتی نیز با SrCl2 و ZnSO4 با اختلاف جرمی حدود 0.02 گرم بر گرم در دمای کمتر از 100 درجه سانتیگراد به دست آمد. هیدروکسی اتیل سلولز به عنوان یک افزودنی برای افزایش پایداری و چسبندگی پوشش انتخاب شد. خواص جذب محصولات با استفاده از TGA-DTG همزمان ارزیابی شد و چسبندگی آنها با روشی مبتنی بر آزمایش‌های شرح داده شده در ISO2409 مشخص شد. سازگاری و چسبندگی پوشش CaCl2 به طور قابل توجهی بهبود یافته است، در حالی که ظرفیت جذب آن با اختلاف وزنی حدود 0.1 گرم بر گرم در دماهای زیر 100 درجه سانتیگراد حفظ می‌شود. علاوه بر این، MgSO4 توانایی تشکیل هیدرات را حفظ می‌کند و اختلاف جرمی بیش از 0.04 گرم بر گرم را در دماهای زیر 100 درجه سانتیگراد نشان می‌دهد. در نهایت، الیاف فلزی پوشش داده شده بررسی می‌شوند. نتایج نشان می‌دهد که رسانایی حرارتی مؤثر ساختار الیاف پوشش داده شده با Al2(SO4)3 می‌تواند 4.7 برابر بیشتر از حجم Al2(SO4)3 خالص باشد. پوشش پوشش‌های مورد مطالعه به صورت بصری بررسی شد و ساختار داخلی با استفاده از تصویر میکروسکوپی از مقاطع عرضی ارزیابی شد. پوششی از Al2(SO4)3 با ضخامت حدود 50 میکرومتر به دست آمد، اما برای دستیابی به توزیع یکنواخت‌تر، فرآیند کلی باید بهینه شود.
سیستم‌های جذب سطحی در چند دهه گذشته توجه زیادی را به خود جلب کرده‌اند، زیرا جایگزین سازگار با محیط زیست برای پمپ‌های حرارتی تراکمی سنتی یا سیستم‌های تبرید هستند. با افزایش استانداردهای آسایش و میانگین دمای جهانی، سیستم‌های جذب سطحی ممکن است در آینده نزدیک وابستگی به سوخت‌های فسیلی را کاهش دهند. علاوه بر این، هرگونه پیشرفت در تبرید جذب سطحی یا پمپ‌های حرارتی می‌تواند به ذخیره‌سازی انرژی حرارتی منتقل شود که نشان‌دهنده افزایش بیشتر پتانسیل استفاده کارآمد از انرژی اولیه است. مزیت اصلی پمپ‌های حرارتی جذب سطحی و سیستم‌های تبرید این است که می‌توانند با جرم حرارتی کم کار کنند. این امر آنها را برای منابع دمای پایین مانند انرژی خورشیدی یا گرمای تلف شده مناسب می‌کند. از نظر کاربردهای ذخیره‌سازی انرژی، جذب سطحی در مقایسه با ذخیره‌سازی گرمای محسوس یا نهان، مزیت چگالی انرژی بالاتر و اتلاف انرژی کمتر را دارد.
پمپ‌های حرارتی جذبی و سیستم‌های تبرید از همان چرخه ترمودینامیکی مشابه همتایان فشرده‌سازی بخار خود پیروی می‌کنند. تفاوت اصلی در جایگزینی اجزای کمپرسور با جاذب‌ها است. این عنصر قادر است بخار مبرد کم فشار را در دماهای متوسط ​​جذب کند و حتی زمانی که مایع سرد است، مبرد بیشتری را تبخیر کند. برای جلوگیری از آنتالپی جذب (گرمازا)، لازم است از خنک شدن مداوم جاذب اطمینان حاصل شود. جاذب در دمای بالا احیا می‌شود و باعث دفع بخار مبرد می‌شود. گرمایش باید همچنان آنتالپی دفع (گرماگیر) را تأمین کند. از آنجا که فرآیندهای جذب با تغییرات دما مشخص می‌شوند، چگالی توان بالا نیاز به رسانایی حرارتی بالا دارد. با این حال، رسانایی حرارتی پایین در اکثر کاربردها، عیب اصلی است.
مشکل اصلی رسانایی، افزایش مقدار میانگین آن در عین حفظ مسیر انتقالی است که جریان بخارات جذب/دفع را فراهم می‌کند. معمولاً از دو رویکرد برای دستیابی به این هدف استفاده می‌شود: مبدل‌های حرارتی کامپوزیتی و مبدل‌های حرارتی پوشش‌دار. محبوب‌ترین و موفق‌ترین مواد کامپوزیتی، موادی هستند که از افزودنی‌های مبتنی بر کربن، یعنی گرافیت منبسط شده، کربن فعال یا الیاف کربن استفاده می‌کنند. اولیویرا و همکارانش 2 پودر گرافیت منبسط شده را با کلرید کلسیم آغشته کردند تا جاذبی با ظرفیت خنک‌کنندگی ویژه (SCP) تا 306 وات بر کیلوگرم و ضریب عملکرد (COP) تا 0.46 تولید کنند. زاجاچکوسکی و همکارانش 3 ترکیبی از گرافیت منبسط شده، فیبر کربن و کلرید کلسیم را با رسانایی کل 15 وات بر متر کلوین پیشنهاد کردند. جیان و همکارانش 4 کامپوزیت‌ها را با گرافیت طبیعی منبسط شده (ENG-TSA) تیمار شده با اسید سولفوریک به عنوان زیرلایه در یک چرخه خنک‌کنندگی جذبی دو مرحله‌ای آزمایش کردند. این مدل، COP را از 0.215 تا 0.285 و SCP را از 161.4 تا 260.74 وات بر کیلوگرم پیش‌بینی کرد.
تاکنون، مناسب‌ترین راه‌حل، مبدل حرارتی پوشش‌دار بوده است. مکانیسم‌های پوشش‌دهی این مبدل‌های حرارتی را می‌توان به دو دسته تقسیم کرد: سنتز مستقیم و چسب‌ها. موفق‌ترین روش، سنتز مستقیم است که شامل تشکیل مواد جاذب مستقیماً روی سطح مبدل‌های حرارتی از واکنشگرهای مناسب است. Sotech5 روشی را برای سنتز زئولیت پوشش‌دار برای استفاده در مجموعه‌ای از خنک‌کننده‌های تولید شده توسط Fahrenheit GmbH ثبت اختراع کرده است. Schnabel و همکارانش عملکرد دو زئولیت پوشش داده شده روی فولاد ضد زنگ را آزمایش کردند. با این حال، این روش فقط با جاذب‌های خاص کار می‌کند، که پوشش‌دهی با چسب‌ها را به یک جایگزین جالب تبدیل می‌کند. چسب‌ها مواد غیرفعالی هستند که برای پشتیبانی از چسبندگی جاذب و/یا انتقال جرم انتخاب می‌شوند، اما هیچ نقشی در جذب یا افزایش رسانایی ندارند. Freni و همکارانش 7 مبدل‌های حرارتی آلومینیومی پوشش داده شده با زئولیت AQSOA-Z02 را با یک چسب مبتنی بر خاک رس تثبیت کردند. Calabrese و همکارانش 8 تهیه پوشش‌های زئولیتی با چسب‌های پلیمری را مطالعه کردند. آمان و همکارانش روشی را برای تهیه پوشش‌های زئولیت متخلخل از مخلوط‌های مغناطیسی پلی‌وینیل الکل پیشنهاد کردند. آلومینا (آلومینا) نیز به عنوان چسب 10 در جاذب استفاده می‌شود. تا آنجا که ما می‌دانیم، سلولز و هیدروکسی اتیل سلولز فقط در ترکیب با جاذب‌های فیزیکی استفاده می‌شوند11،12. گاهی اوقات از چسب برای رنگ استفاده نمی‌شود، بلکه برای ساخت ساختار 13 به تنهایی استفاده می‌شود. ترکیب ماتریس‌های پلیمری آلژینات با هیدرات‌های نمک متعدد، ساختارهای مهره‌ای کامپوزیتی انعطاف‌پذیری را تشکیل می‌دهد که از نشت در حین خشک شدن جلوگیری کرده و انتقال جرم کافی را فراهم می‌کند. خاک رس‌هایی مانند بنتونیت و آتاپولژیت به عنوان چسب برای تهیه کامپوزیت‌ها استفاده شده‌اند15،16،17. اتیل سلولز برای میکروکپسوله کردن کلرید کلسیم18 یا سولفید سدیم19 استفاده شده است.
کامپوزیت‌های دارای ساختار فلزی متخلخل را می‌توان به مبدل‌های حرارتی افزودنی و مبدل‌های حرارتی پوشش‌دار تقسیم کرد. مزیت این ساختارها، سطح ویژه بالای آنهاست. این امر منجر به سطح تماس بزرگتری بین جاذب و فلز بدون افزودن جرم بی‌اثر می‌شود که راندمان کلی چرخه تبرید را کاهش می‌دهد. لانگ و همکارانش 20 رسانایی کلی یک جاذب زئولیت با ساختار لانه زنبوری آلومینیومی را بهبود بخشیده‌اند. گیلرمینوت و همکارانش 21 رسانایی حرارتی لایه‌های زئولیت NaX را با فوم مس و نیکل بهبود بخشیده‌اند. اگرچه کامپوزیت‌ها به عنوان مواد تغییر فاز (PCM) استفاده می‌شوند، یافته‌های لی و همکارانش 22 و ژائو و همکارانش 23 نیز برای جذب شیمیایی مورد توجه هستند. آنها عملکرد گرافیت منبسط شده و فوم فلزی را مقایسه کردند و نتیجه گرفتند که دومی فقط در صورتی ترجیح داده می‌شود که خوردگی مطرح نباشد. پالومبا و همکارانش اخیراً سایر ساختارهای متخلخل فلزی را مقایسه کرده‌اند 24. ون در پال و همکارانش نمک‌های فلزی تعبیه شده در فوم‌ها را مطالعه کرده‌اند 25. تمام مثال‌های قبلی مربوط به لایه‌های متراکم جاذب‌های ذرات هستند. ساختارهای متخلخل فلزی عملاً برای پوشش‌دهی جاذب‌ها استفاده نمی‌شوند، که این یک راه‌حل بهینه‌تر است. نمونه‌ای از اتصال به زئولیت‌ها را می‌توان در Wittstadt و همکارانش یافت. 26 اما هیچ تلاشی برای اتصال هیدرات‌های نمک با وجود چگالی انرژی بالاتر آنها انجام نشده است. 27
بنابراین، در این مقاله سه روش برای تهیه پوشش‌های جاذب بررسی خواهد شد: (1) پوشش چسباننده، (2) واکنش مستقیم و (3) عملیات سطحی. هیدروکسی اتیل سلولز به دلیل پایداری گزارش‌شده قبلی و چسبندگی خوب پوشش در ترکیب با جاذب‌های فیزیکی، چسباننده انتخابی در این کار بود. این روش در ابتدا برای پوشش‌های مسطح بررسی شد و بعداً برای سازه‌های الیاف فلزی اعمال شد. پیش از این، تجزیه و تحلیل اولیه‌ای از احتمال واکنش‌های شیمیایی با تشکیل پوشش‌های جاذب گزارش شده بود. اکنون تجربیات قبلی به پوشش سازه‌های الیاف فلزی منتقل می‌شود. عملیات سطحی انتخاب‌شده برای این کار روشی مبتنی بر آندایزینگ آلومینیوم است. آندایزینگ آلومینیوم با موفقیت با نمک‌های فلزی برای اهداف زیبایی‌شناسی ترکیب شده است29. در این موارد، می‌توان پوشش‌های بسیار پایدار و مقاوم در برابر خوردگی به دست آورد. با این حال، آنها نمی‌توانند هیچ فرآیند جذب یا دفعی را انجام دهند. این مقاله نوعی از این رویکرد را ارائه می‌دهد که امکان جابجایی جرم را با استفاده از خواص چسبندگی فرآیند اصلی فراهم می‌کند. تا آنجا که ما می‌دانیم، هیچ یک از روش‌های شرح داده شده در اینجا قبلاً مورد مطالعه قرار نگرفته‌اند. آنها یک فناوری جدید بسیار جالب را نشان می‌دهند زیرا امکان تشکیل پوشش‌های جاذب هیدراته را فراهم می‌کنند که نسبت به جاذب‌های فیزیکی که اغلب مورد مطالعه قرار گرفته‌اند، مزایای متعددی دارند.
صفحات آلومینیومی مهر شده که به عنوان زیرلایه برای این آزمایش‌ها استفاده شدند، توسط شرکت ALINVEST Břidličná، جمهوری چک، تهیه شدند. این صفحات حاوی ۹۸.۱۱٪ آلومینیوم، ۱.۳۶۲۲٪ آهن، ۰.۳۶۱۸٪ منگنز و مقادیر ناچیزی مس، منیزیم، سیلیکون، تیتانیوم، روی، کروم و نیکل هستند.
مواد انتخاب شده برای ساخت کامپوزیت‌ها مطابق با خواص ترمودینامیکی آنها، یعنی بسته به مقدار آبی که می‌توانند در دماهای زیر ۱۲۰ درجه سانتیگراد جذب/واجذب کنند، انتخاب می‌شوند.
سولفات منیزیم (MgSO4) یکی از جالب‌ترین و مورد مطالعه‌ترین نمک‌های هیدراته است30،31،32،33،34،35،36،37،38،39،40،41. خواص ترمودینامیکی آن به طور سیستماتیک اندازه‌گیری شده و برای کاربرد در زمینه‌های تبرید جذبی، پمپ‌های حرارتی و ذخیره‌سازی انرژی مناسب تشخیص داده شده است. از سولفات منیزیم خشک CAS-Nr.7487-88-9 99% (Grüssing GmbH, Filsum, Niedersachsen, Germany) استفاده شد.
کلرید کلسیم (CaCl2) (H319) یکی دیگر از نمک‌های مورد مطالعه است زیرا هیدرات آن خواص ترمودینامیکی جالبی دارد41،42،43،44. کلرید کلسیم هگزاهیدرات CAS-شماره 7774-34-7 97% استفاده شده (Grüssing, GmbH, Filsum, Niedersachsen, Germany).
سولفات روی (ZnSO4) (H3O2، H318، H410) و هیدرات‌های آن دارای خواص ترمودینامیکی مناسب برای فرآیندهای جذب در دمای پایین45،46 هستند. سولفات روی هفت آبه CAS-Nr.7733-02-0 99.5% (Grüssing GmbH، Filsum، Niedersachsen، آلمان) استفاده شد.
کلرید استرانسیم (SrCl2) (H318) نیز خواص ترمودینامیکی جالبی دارد4،45،47 اگرچه اغلب در تحقیقات پمپ حرارتی جذبی یا ذخیره انرژی با آمونیاک ترکیب می‌شود. کلرید استرانسیم هگزاهیدرات CAS-Nr.10.476-85-4 99.0–102.0% (سیگما آلدریچ، سنت لوئیس، میسوری، ایالات متحده آمریکا) برای سنتز استفاده شد.
سولفات مس (CuSO4) (H302، H315، H319، H410) جزو هیدرات‌هایی نیست که اغلب در متون تخصصی یافت می‌شوند، اگرچه خواص ترمودینامیکی آن برای کاربردهای دمای پایین مورد توجه است48،49. سولفات مس CAS-Nr.7758-99-8 99% (سیگما آلدریچ، سنت لوئیس، میسوری، ایالات متحده) برای سنتز استفاده شد.
کلرید منیزیم (MgCl2) یکی از نمک‌های هیدراته است که اخیراً در زمینه ذخیره‌سازی انرژی حرارتی مورد توجه بیشتری قرار گرفته است50،51. کلرید منیزیم هگزاهیدرات CAS-Nr.7791-18-6 با گرید دارویی خالص (شرکت Applichem GmbH، دارمشتات، آلمان) برای آزمایش‌ها استفاده شد.
همانطور که در بالا ذکر شد، هیدروکسی اتیل سلولز به دلیل نتایج مثبت در کاربردهای مشابه انتخاب شد. ماده مورد استفاده در سنتز ما هیدروکسی اتیل سلولز CAS-Nr 9004-62-0 (سیگما آلدریچ، سنت لوئیس، میسوری، ایالات متحده آمریکا) است.
الیاف فلزی از سیم‌های کوتاهی ساخته می‌شوند که با فشرده‌سازی و پخت به هم متصل شده‌اند، فرآیندی که به عنوان استخراج مذاب بوته‌ای (CME)52 شناخته می‌شود. این بدان معناست که رسانایی حرارتی آنها نه تنها به رسانایی حجمی فلزات مورد استفاده در ساخت و تخلخل ساختار نهایی بستگی دارد، بلکه به کیفیت پیوندهای بین نخ‌ها نیز بستگی دارد. الیاف ایزوتروپیک نیستند و در طول تولید تمایل دارند در جهت خاصی توزیع شوند، که باعث می‌شود رسانایی حرارتی در جهت عرضی بسیار کمتر باشد.
خواص جذب آب با استفاده از آنالیز همزمان وزن‌سنجی حرارتی (TGA)/آنالیز وزن‌سنجی حرارتی تفاضلی (DTG) در یک بسته خلاء (Netzsch TG 209 F1 Libra) بررسی شد. اندازه‌گیری‌ها در اتمسفر نیتروژن روان با سرعت جریان 10 میلی‌لیتر در دقیقه و محدوده دمایی 25 تا 150 درجه سانتیگراد در بوته‌های اکسید آلومینیوم انجام شد. سرعت گرمایش 1 درجه سانتیگراد در دقیقه، وزن نمونه از 10 تا 20 میلی‌گرم و وضوح 0.1 میکروگرم بود. در این کار، باید توجه داشت که اختلاف جرم در واحد سطح دارای عدم قطعیت زیادی است. نمونه‌های مورد استفاده در TGA-DTG بسیار کوچک و به طور نامنظم برش داده شده‌اند که باعث می‌شود تعیین مساحت آنها دقیق نباشد. این مقادیر فقط در صورت در نظر گرفتن انحرافات بزرگ، می‌توانند به مساحت بزرگتر تعمیم داده شوند.
طیف‌های بازتاب کلی تضعیف‌شده‌ی تبدیل فوریه مادون قرمز (ATR-FTIR) با استفاده از یک وسیله‌ی جانبی پلاتینی ATR (Bruker Optik GmbH, Leipzig, Germany) توسط یک طیف‌سنج FTIR مدل Bruker Vertex 80 v (Bruker Optik GmbH, Leipzig, Germany) به دست آمدند. طیف‌های بلورهای الماس خشک خالص، قبل از استفاده از نمونه‌ها به عنوان پس‌زمینه برای اندازه‌گیری‌های تجربی، مستقیماً در خلاء اندازه‌گیری شدند. نمونه‌ها در خلاء با استفاده از وضوح طیفی 2 سانتی‌متر بر اینچ مربع و تعداد متوسط ​​اسکن 32 اندازه‌گیری شدند. محدوده‌ی عدد موج از 8000 تا 500 سانتی‌متر بر اینچ مربع بود. تجزیه و تحلیل طیفی با استفاده از برنامه‌ی OPUS انجام شد.
آنالیز SEM با استفاده از DSM 982 Gemini از شرکت Zeiss در ولتاژهای شتاب‌دهنده 2 و 5 کیلوولت انجام شد. طیف‌سنجی پراش انرژی اشعه ایکس (EDX) با استفاده از سیستم ترمو فیشر 7 با آشکارساز رانش سیلیکونی خنک‌شده با پلتیر (SSD) انجام شد.
آماده‌سازی صفحات فلزی طبق روشی مشابه آنچه در 53 توضیح داده شده است، انجام شد. ابتدا، صفحه را به مدت 15 دقیقه در اسید سولفوریک 50٪ غوطه‌ور کنید. سپس آنها را به مدت حدود 10 ثانیه در محلول 1 مولار هیدروکسید سدیم قرار دهید. سپس نمونه‌ها با مقدار زیادی آب مقطر شسته شده و سپس به مدت 30 دقیقه در آب مقطر خیسانده شدند. پس از عملیات سطحی اولیه، نمونه‌ها در محلول اشباع 3٪ HEC و نمک هدف غوطه‌ور شدند. در نهایت، آنها را بیرون آورده و در دمای 60 درجه سانتیگراد خشک کنید.
روش آندایزینگ، لایه اکسید طبیعی روی فلز غیرفعال را تقویت و بهبود می‌بخشد. پنل‌های آلومینیومی در حالت سخت‌شده با اسید سولفوریک آندایز شده و سپس در آب داغ آب‌بندی شدند. آندایزینگ پس از اچینگ اولیه با 1 مول بر لیتر NaOH (600 ثانیه) و به دنبال آن خنثی‌سازی در 1 مول بر لیتر HNO3 (60 ثانیه) انجام شد. محلول الکترولیت ترکیبی از 2.3 مولار H2SO4، 0.01 مولار Al2(SO4)3 و 1 مولار MgSO4 + 7H2O است. آندایزینگ در دمای (40 ± 1) درجه سانتیگراد، 30 میلی‌آمپر بر سانتی‌متر مربع به مدت 1200 ثانیه انجام شد. فرآیند آب‌بندی در محلول‌های آب نمک مختلف همانطور که در مواد توضیح داده شده است (MgSO4، CaCl2، ZnSO4، SrCl2، CuSO4، MgCl2) انجام شد. نمونه به مدت 1800 ثانیه در آن جوشانده شد.
سه روش مختلف برای تولید کامپوزیت‌ها بررسی شده است: پوشش چسب، واکنش مستقیم و عملیات سطحی. مزایا و معایب هر روش آموزشی به صورت سیستماتیک تجزیه و تحلیل و مورد بحث قرار گرفته است. مشاهده مستقیم، تصویربرداری نانو و آنالیز شیمیایی/عنصری برای ارزیابی نتایج استفاده شدند.
آندایزینگ به عنوان یک روش عملیات سطحی تبدیلی برای افزایش چسبندگی هیدرات‌های نمک انتخاب شد. این عملیات سطحی، یک ساختار متخلخل از آلومینا (آلومینا) را مستقیماً روی سطح آلومینیوم ایجاد می‌کند. به طور سنتی، این روش شامل دو مرحله است: مرحله اول یک ساختار متخلخل از اکسید آلومینیوم ایجاد می‌کند و مرحله دوم پوششی از هیدروکسید آلومینیوم ایجاد می‌کند که منافذ را می‌بندد. در ادامه دو روش برای مسدود کردن نمک بدون مسدود کردن دسترسی به فاز گازی ارائه شده است. روش اول شامل یک سیستم لانه زنبوری با استفاده از لوله‌های کوچک اکسید آلومینیوم (Al2O3) است که در مرحله اول برای نگه داشتن کریستال‌های جاذب و افزایش چسبندگی آن به سطوح فلزی به دست آمده است. لانه زنبوری‌های حاصل قطری حدود 50 نانومتر و طولی حدود 200 نانومتر دارند (شکل 1a). همانطور که قبلاً ذکر شد، این حفره‌ها معمولاً در مرحله دوم با یک لایه نازک از بوهمیت Al2O(OH)2 که توسط فرآیند جوشاندن لوله آلومینا پشتیبانی می‌شود، بسته می‌شوند. در روش دوم، این فرآیند آب‌بندی به گونه‌ای اصلاح می‌شود که کریستال‌های نمک در یک لایه پوششی یکنواخت از بوهمیت (Al2O(OH)) که در این مورد برای آب‌بندی استفاده نمی‌شود، گیر می‌افتند. مرحله دوم در محلول اشباع نمک مربوطه انجام می‌شود. الگوهای توصیف شده دارای اندازه‌هایی در محدوده 50 تا 100 نانومتر هستند و مانند قطرات پاشیده شده به نظر می‌رسند (شکل 1b). سطح به‌دست‌آمده در نتیجه فرآیند آب‌بندی دارای ساختار فضایی مشخصی با سطح تماس افزایش‌یافته است. این الگوی سطحی، همراه با پیکربندی‌های پیوندی متعدد آنها، برای حمل و نگهداری کریستال‌های نمک ایده‌آل است. هر دو ساختار توصیف شده به نظر می‌رسد واقعاً متخلخل هستند و حفره‌های کوچکی دارند که به نظر می‌رسد برای حفظ هیدرات‌های نمک و جذب بخارات به نمک در حین کار جاذب مناسب هستند. با این حال، تجزیه و تحلیل عنصری این سطوح با استفاده از EDX می‌تواند مقادیر ناچیزی از منیزیم و گوگرد را روی سطح بوهمیت تشخیص دهد، که در مورد سطح آلومینا تشخیص داده نمی‌شوند.
طیف‌سنجی ATR-FTIR نمونه تأیید کرد که عنصر مورد نظر سولفات منیزیم است (شکل 2b را ببینید). طیف، پیک‌های مشخصه یون سولفات را در 610-680 و 1080-1130 cm-1 و پیک‌های مشخصه آب شبکه را در 1600-1700 cm-1 و 3200-3800 cm-1 نشان می‌دهد (شکل 2a، c را ببینید). حضور یون‌های منیزیم تقریباً طیف را تغییر نمی‌دهد54.
(الف) EDX صفحه آلومینیومی MgSO4 پوشش داده شده با بوهمیت، (ب) طیف‌های ATR-FTIR پوشش‌های بوهمیت و MgSO4، (ج) طیف‌های ATR-FTIR MgSO4 خالص.
حفظ راندمان جذب توسط TGA تأیید شد. در شکل 3b، پیک واجذب تقریباً 60 درجه سانتیگراد نشان داده شده است. این پیک با دمای دو پیک مشاهده شده در TGA نمک خالص مطابقت ندارد (شکل 3a). تکرارپذیری چرخه جذب-واجذب ارزیابی شد و پس از قرار دادن نمونه‌ها در یک اتمسفر مرطوب، منحنی مشابهی مشاهده شد (شکل 3c). تفاوت‌های مشاهده شده در مرحله دوم واجذب ممکن است نتیجه آبگیری در یک اتمسفر روان باشد، زیرا این امر اغلب منجر به آبگیری ناقص می‌شود. این مقادیر تقریباً معادل 17.9 گرم بر متر مربع در آبگیری اول و 10.3 گرم بر متر مربع در آبگیری دوم است.
مقایسه آنالیز TGA بوهمیت و MgSO4: آنالیز TGA MgSO4 خالص (a)، مخلوط (b) و پس از آبگیری مجدد (c).
همین روش با کلرید کلسیم به عنوان جاذب انجام شد. نتایج در شکل 4 ارائه شده است. بررسی بصری سطح، تغییرات جزئی در درخشش فلزی را نشان داد. خز به سختی قابل مشاهده است. SEM وجود کریستال‌های کوچک را که به طور مساوی روی سطح توزیع شده‌اند، تأیید کرد. با این حال، TGA هیچ گونه آب‌زدایی را در دمای زیر 150 درجه سانتیگراد نشان نداد. این ممکن است به این دلیل باشد که نسبت نمک در مقایسه با کل جرم زیرلایه برای تشخیص توسط TGA بسیار کم است.
نتایج عملیات سطحی پوشش سولفات مس با روش آندایزینگ در شکل 5 نشان داده شده است. در این مورد، ترکیب مورد انتظار CuSO4 در ساختار اکسید آلومینیوم رخ نداد. در عوض، سوزن‌های شلی مشاهده می‌شوند که معمولاً برای هیدروکسید مس Cu(OH)2 که با رنگ‌های فیروزه‌ای معمولی استفاده می‌شود، استفاده می‌شوند.
عملیات سطح آنودایز شده همچنین در ترکیب با کلرید استرانسیم آزمایش شد. نتایج نشان دهنده پوشش ناهموار بود (شکل 6a را ببینید). برای تعیین اینکه آیا نمک کل سطح را پوشانده است، آنالیز EDX انجام شد. منحنی برای یک نقطه در ناحیه خاکستری (نقطه 1 در شکل 6b) استرانسیم کم و آلومینیوم زیادی را نشان می‌دهد. این نشان دهنده محتوای کم استرانسیم در منطقه اندازه گیری شده است که به نوبه خود نشان دهنده پوشش کم کلرید استرانسیم است. برعکس، مناطق سفید دارای محتوای بالای استرانسیم و محتوای کم آلومینیوم هستند (نقاط 2-6 در شکل 6b). آنالیز EDX ناحیه سفید نقاط تیره تر (نقاط 2 و 4 در شکل 6b)، کلر کم و گوگرد زیاد را نشان می‌دهد. این ممکن است نشان دهنده تشکیل سولفات استرانسیم باشد. نقاط روشن تر نشان دهنده محتوای کلر بالا و محتوای گوگرد کم هستند (نقاط 3، 5 و 6 در شکل 6b). این را می‌توان با این واقعیت توضیح داد که بخش اصلی پوشش سفید از کلرید استرانسیوم مورد انتظار تشکیل شده است. TGA نمونه، تفسیر آنالیز را با یک پیک در دمای مشخصه کلرید استرانسیوم خالص تأیید کرد (شکل 6c). مقدار کم آنها را می‌توان با کسر کوچکی از نمک در مقایسه با جرم پایه فلزی توجیه کرد. جرم واجذبی تعیین شده در آزمایش‌ها مربوط به مقدار 7.3 گرم بر متر مربع است که در واحد سطح جاذب در دمای 150 درجه سانتیگراد آزاد می‌شود.
پوشش‌های سولفات روی تیمار شده با الوکسال نیز آزمایش شدند. از نظر ماکروسکوپی، پوشش یک لایه بسیار نازک و یکنواخت است (شکل 7a). با این حال، SEM یک سطح پوشیده از کریستال‌های کوچک را نشان داد که توسط نواحی خالی از هم جدا شده‌اند (شکل 7b). TGA پوشش و زیرلایه با نمک خالص مقایسه شد (شکل 7c). نمک خالص یک پیک نامتقارن در دمای 59.1 درجه سانتیگراد دارد. آلومینیوم پوشش داده شده دو پیک کوچک در دمای 55.5 درجه سانتیگراد و 61.3 درجه سانتیگراد نشان داد که نشان دهنده وجود هیدرات سولفات روی است. اختلاف جرم نشان داده شده در آزمایش مربوط به 10.9 گرم بر متر مربع در دمای آبگیری 150 درجه سانتیگراد است.
همانند کاربرد قبلی53، از هیدروکسی اتیل سلولز به عنوان یک چسب برای بهبود چسبندگی و پایداری پوشش جاذب استفاده شد. سازگاری مواد و تأثیر آن بر عملکرد جذب توسط TGA ارزیابی شد. تجزیه و تحلیل در رابطه با جرم کل انجام می‌شود، یعنی نمونه شامل یک صفحه فلزی است که به عنوان زیرلایه پوشش استفاده می‌شود. چسبندگی با آزمایشی بر اساس آزمایش شکاف متقاطع تعریف شده در مشخصات ISO2409 آزمایش می‌شود (بسته به ضخامت و عرض مشخصات، نمی‌تواند مشخصات جداسازی شکاف را برآورده کند).
پوشش‌دهی پنل‌ها با کلرید کلسیم (CaCl2) (شکل 8a را ببینید) منجر به توزیع ناهموار شد که در پوشش آلومینیوم خالص مورد استفاده برای آزمایش شیار عرضی مشاهده نشد. در مقایسه با نتایج CaCl2 خالص، TGA (شکل 8b) دو پیک مشخصه را نشان می‌دهد که به ترتیب به سمت دماهای پایین‌تر 40 و 20 درجه سانتیگراد جابجا شده‌اند. آزمایش سطح مقطع امکان مقایسه عینی را فراهم نمی‌کند زیرا نمونه CaCl2 خالص (نمونه سمت راست در شکل 8c) یک رسوب پودری است که ذرات بالایی را حذف می‌کند. نتایج HEC یک پوشش بسیار نازک و یکنواخت با چسبندگی رضایت‌بخش را نشان داد. اختلاف جرم نشان داده شده در شکل 8b مربوط به 51.3 گرم بر متر مربع در واحد سطح جاذب در دمای 150 درجه سانتیگراد است.
نتایج مثبتی از نظر چسبندگی و یکنواختی نیز با سولفات منیزیم (MgSO4) به دست آمد (شکل 9 را ببینید). تجزیه و تحلیل فرآیند واجذب پوشش، وجود یک پیک تقریباً 60 درجه سانتیگراد را نشان داد. این دما مربوط به مرحله اصلی واجذب است که در آبگیری نمک‌های خالص مشاهده می‌شود و مرحله دیگری را در دمای 44 درجه سانتیگراد نشان می‌دهد. این دما مربوط به گذار از هگزاهیدرات به پنتاهیدرات است و در مورد پوشش‌های دارای چسب مشاهده نمی‌شود. آزمایش‌های سطح مقطع، توزیع و چسبندگی بهبود یافته‌ای را در مقایسه با پوشش‌های ساخته شده با استفاده از نمک خالص نشان می‌دهند. اختلاف جرم مشاهده شده در TGA-DTC مربوط به 18.4 گرم بر متر مربع در واحد سطح جاذب در دمای 150 درجه سانتیگراد است.
به دلیل ناهمواری‌های سطحی، کلرید استرانسیم (SrCl2) دارای پوشش ناهمواری روی پره‌ها است (شکل 10a). با این حال، نتایج آزمایش شیار عرضی، توزیع یکنواختی را با چسبندگی قابل توجه بهبود یافته نشان داد (شکل 10c). آنالیز TGA تفاوت بسیار کمی در وزن نشان داد که باید به دلیل محتوای نمک کمتر در مقایسه با زیرلایه فلزی باشد. با این حال، مراحل روی منحنی، وجود یک فرآیند آب‌زدایی را نشان می‌دهد، اگرچه پیک مربوط به دمای به‌دست‌آمده هنگام توصیف نمک خالص است. پیک‌های 110 درجه سانتیگراد و 70.2 درجه سانتیگراد که در شکل‌های 10b مشاهده شده‌اند، هنگام تجزیه و تحلیل نمک خالص نیز یافت شدند. با این حال، مرحله اصلی آب‌زدایی مشاهده‌شده در نمک خالص در دمای 50 درجه سانتیگراد در منحنی‌های استفاده از چسب منعکس نشد. در مقابل، مخلوط چسب دو پیک در دمای 20.2 درجه سانتیگراد و 94.1 درجه سانتیگراد نشان داد که برای نمک خالص اندازه‌گیری نشدند (شکل 10b). در دمای ۱۵۰ درجه سانتیگراد، اختلاف جرم مشاهده شده مربوط به ۷.۲ گرم بر متر مربع در واحد سطح جاذب است.
ترکیب HEC و سولفات روی (ZnSO4) نتایج قابل قبولی ارائه نداد (شکل 11). آنالیز TGA فلز پوشش داده شده هیچ فرآیند آبگیری را نشان نداد. اگرچه توزیع و چسبندگی پوشش بهبود یافته است، اما خواص آن هنوز از حالت مطلوب فاصله زیادی دارد.
ساده‌ترین روش برای پوشش‌دهی الیاف فلزی با یک لایه نازک و یکنواخت، اشباع مرطوب است (شکل 12a)، که شامل تهیه نمک هدف و اشباع الیاف فلزی با محلول آبی است.
هنگام آماده‌سازی برای اشباع مرطوب، دو مشکل اصلی وجود دارد. از یک طرف، کشش سطحی محلول نمکی مانع از ورود صحیح مایع به ساختار متخلخل می‌شود. تبلور روی سطح بیرونی (شکل 12d) و حباب‌های هوای محبوس شده در داخل ساختار (شکل 12c) تنها با کاهش کشش سطحی و پیش خیساندن نمونه با آب مقطر قابل کاهش هستند. انحلال اجباری در نمونه با تخلیه هوای داخل یا با ایجاد جریان محلول در ساختار، روش‌های مؤثر دیگری برای اطمینان از پر شدن کامل ساختار هستند.
مشکل دومی که در طول آماده‌سازی با آن مواجه شدیم، حذف لایه نازک از بخشی از نمک بود (شکل 12b را ببینید). این پدیده با تشکیل یک پوشش خشک روی سطح انحلال مشخص می‌شود که خشک شدن تحریک شده توسط همرفت را متوقف کرده و فرآیند تحریک شده توسط انتشار را آغاز می‌کند. مکانیسم دوم بسیار کندتر از مکانیسم اول است. در نتیجه، برای زمان خشک شدن معقول، دمای بالایی مورد نیاز است که خطر تشکیل حباب در داخل نمونه را افزایش می‌دهد. این مشکل با معرفی یک روش جایگزین تبلور که نه بر اساس تغییر غلظت (تبخیر) بلکه بر اساس تغییر دما است (مانند مثال MgSO4 در شکل 13) حل می‌شود.
نمایش شماتیک فرآیند تبلور در حین سرد شدن و جداسازی فازهای جامد و مایع با استفاده از MgSO4.
محلول‌های نمک اشباع‌شده را می‌توان با استفاده از این روش در دمای اتاق (HT) یا بالاتر از آن تهیه کرد. در حالت اول، تبلور با کاهش دما به زیر دمای اتاق اجباری شد. در حالت دوم، تبلور زمانی رخ داد که نمونه تا دمای اتاق (RT) سرد شد. نتیجه، مخلوطی از کریستال‌ها (B) و محلول (A) است که قسمت مایع آن توسط هوای فشرده حذف می‌شود. این رویکرد نه تنها از تشکیل لایه نازک روی این هیدرات‌ها جلوگیری می‌کند، بلکه زمان لازم برای تهیه سایر کامپوزیت‌ها را نیز کاهش می‌دهد. با این حال، حذف مایع توسط هوای فشرده منجر به تبلور بیشتر نمک می‌شود و در نتیجه پوشش ضخیم‌تری ایجاد می‌شود.
روش دیگری که می‌توان برای پوشش‌دهی سطوح فلزی استفاده کرد، شامل تولید مستقیم نمک‌های هدف از طریق واکنش‌های شیمیایی است. مبدل‌های حرارتی پوشش‌دار که از واکنش اسیدها روی سطوح فلزی پره‌ها و لوله‌ها ساخته می‌شوند، همانطور که در مطالعه قبلی ما گزارش شده است، مزایای متعددی دارند. کاربرد این روش روی الیاف به دلیل تشکیل گازها در طول واکنش، منجر به نتایج بسیار ضعیفی شد. فشار حباب‌های گاز هیدروژن در داخل پروب جمع می‌شود و با خروج محصول تغییر می‌کند (شکل 14a).
این پوشش از طریق یک واکنش شیمیایی اصلاح شده است تا ضخامت و توزیع پوشش بهتر کنترل شود. این روش شامل عبور جریانی از غبار اسیدی از نمونه است (شکل 14b). انتظار می‌رود که این امر منجر به ایجاد یک پوشش یکنواخت از طریق واکنش با فلز زیرلایه شود. نتایج رضایت‌بخش بود، اما این فرآیند برای اینکه یک روش مؤثر در نظر گرفته شود، بسیار کند بود (شکل 14c). با گرمایش موضعی می‌توان به زمان‌های واکنش کوتاه‌تر دست یافت.
برای غلبه بر معایب روش‌های فوق، یک روش پوشش‌دهی مبتنی بر استفاده از چسب مورد مطالعه قرار گرفته است. HEC بر اساس نتایج ارائه شده در بخش قبل انتخاب شد. همه نمونه‌ها با غلظت ۳٪ وزنی تهیه شدند. چسب با نمک مخلوط می‌شود. الیاف طبق همان روشی که برای دنده‌ها استفاده شد، پیش‌تیمار شدند، یعنی در مدت ۱۵ دقیقه در ۵۰٪ حجمی اسید سولفوریک خیسانده شدند، سپس به مدت ۲۰ ثانیه در هیدروکسید سدیم خیسانده شدند، در آب مقطر شسته شدند و در نهایت به مدت ۳۰ دقیقه در آب مقطر خیسانده شدند. در این حالت، یک مرحله اضافی قبل از اشباع اضافه شد. نمونه را به مدت کوتاهی در محلول رقیق نمک هدف غوطه‌ور کنید و در دمای تقریباً ۶۰ درجه سانتیگراد خشک کنید. این فرآیند برای اصلاح سطح فلز و ایجاد مکان‌های هسته‌زایی طراحی شده است که توزیع پوشش را در مرحله نهایی بهبود می‌بخشد. ساختار فیبری دارای یک طرف است که در آن رشته‌ها نازک‌تر و محکم‌تر هستند و در طرف مقابل که در آن رشته‌ها ضخیم‌تر و کمتر توزیع شده‌اند. این نتیجه ۵۲ فرآیند تولید است.
نتایج مربوط به کلرید کلسیم (CaCl2) خلاصه شده و با تصاویر در جدول 1 نشان داده شده است. پوشش خوب پس از تلقیح. حتی رشته‌هایی که هیچ کریستال قابل مشاهده‌ای روی سطح نداشتند، بازتاب‌های فلزی کمتری داشتند که نشان دهنده تغییر در پرداخت است. با این حال، پس از آغشته شدن نمونه‌ها با مخلوط آبی CaCl2 و HEC و خشک شدن در دمای حدود 60 درجه سانتیگراد، پوشش‌ها در تقاطع سازه‌ها متمرکز شدند. این اثری است که ناشی از کشش سطحی محلول است. پس از خیساندن، مایع به دلیل کشش سطحی آن در داخل نمونه باقی می‌ماند. اساساً این اتفاق در تقاطع سازه‌ها رخ می‌دهد. بهترین سمت نمونه دارای چندین سوراخ پر از نمک است. وزن پس از پوشش 0.06 گرم بر سانتی‌متر مکعب افزایش یافت.
پوشش‌دهی با سولفات منیزیم (MgSO4) نمک بیشتری در واحد حجم تولید کرد (جدول 2). در این مورد، افزایش اندازه‌گیری شده 0.09 گرم بر سانتی‌متر مکعب است. فرآیند کاشت منجر به پوشش گسترده نمونه شد. پس از فرآیند پوشش‌دهی، نمک نواحی وسیعی از قسمت نازک نمونه را مسدود می‌کند. علاوه بر این، برخی از نواحی مات مسدود می‌شوند، اما مقداری تخلخل حفظ می‌شود. در این حالت، تشکیل نمک به راحتی در تقاطع سازه‌ها مشاهده می‌شود که تأیید می‌کند فرآیند پوشش‌دهی عمدتاً به دلیل کشش سطحی مایع است و نه برهمکنش بین نمک و زیرلایه فلزی.
نتایج مربوط به ترکیب کلرید استرانسیم (SrCl2) و HEC خواص مشابهی با نمونه‌های قبلی نشان داد (جدول 3). در این حالت، قسمت نازک‌تر نمونه تقریباً به طور کامل پوشانده شده است. فقط منافذ منفرد قابل مشاهده هستند که در حین خشک شدن در نتیجه آزاد شدن بخار از نمونه تشکیل شده‌اند. الگوی مشاهده شده در قسمت مات بسیار شبیه به مورد قبلی است، ناحیه با نمک مسدود شده و الیاف به طور کامل پوشانده نشده‌اند.
به منظور ارزیابی تأثیر مثبت ساختار فیبری بر عملکرد حرارتی مبدل حرارتی، رسانایی حرارتی مؤثر ساختار فیبری پوشش داده شده تعیین و با ماده پوشش خالص مقایسه شد. رسانایی حرارتی طبق استاندارد ASTM D 5470-2017 با استفاده از دستگاه صفحه تخت نشان داده شده در شکل 15a با استفاده از یک ماده مرجع با رسانایی حرارتی شناخته شده اندازه‌گیری شد. در مقایسه با سایر روش‌های اندازه‌گیری گذرا، این اصل برای مواد متخلخل مورد استفاده در مطالعه حاضر سودمند است، زیرا اندازه‌گیری‌ها در حالت پایدار و با اندازه نمونه کافی (مساحت پایه 30 × 30 میلی‌متر مربع، ارتفاع تقریباً 15 میلی‌متر) انجام می‌شوند. نمونه‌هایی از ماده پوشش خالص (مرجع) و ساختار فیبر پوشش داده شده برای اندازه‌گیری در جهت فیبر و عمود بر جهت فیبر آماده شدند تا تأثیر رسانایی حرارتی ناهمسانگرد ارزیابی شود. نمونه‌ها روی سطح (شن P320) ساییده شدند تا اثر زبری سطح ناشی از آماده‌سازی نمونه که منعکس کننده ساختار درون نمونه نیست، به حداقل برسد.