Kiitos vierailustasi Nature.comissa.Käyttämässäsi selainversiossa on rajoitettu CSS-tuki.Parhaan kokemuksen saamiseksi suosittelemme käyttämään päivitettyä selainta (tai poistamaan Yhteensopivuustila käytöstä Internet Explorerissa).Sillä välin varmistaaksemme jatkuvan tuen hahmonnamme sivuston ilman tyylejä ja JavaScriptiä.
Adsorptiojäähdytysjärjestelmien ja lämpöpumppujen markkinaosuus on edelleen suhteellisen pieni verrattuna perinteisiin kompressorijärjestelmiin.Huolimatta halvan lämmön käytön valtavasta edusta (kalliiden sähkötöiden sijaan), adsorptioperiaatteisiin perustuvien järjestelmien toteutus rajoittuu edelleen muutamiin erityisiin sovelluksiin.Suurin haittapuoli, joka on poistettava, on ominaistehon lasku, joka johtuu alhaisesta lämmönjohtavuudesta ja adsorbentin alhaisesta stabiilisuudesta.Nykyiset kaupalliset adsorptiojäähdytysjärjestelmät perustuvat jäähdytyskapasiteetin optimoimiseksi pinnoitettuihin levylämmönvaihtimiin perustuviin adsorbenttoreihin.Tulokset ovat hyvin tunnettuja, että pinnoitteen paksuuden pienentäminen johtaa massansiirtoimpedanssin laskuun ja johtavien rakenteiden pinta-alan ja tilavuuden suhteen lisääminen lisää tehoa tehokkuutta tinkimättä.Tässä työssä käytetyillä metallikuiduilla voidaan saada ominaispinta-ala 2500–50 000 m2/m3.Kolme menetelmää erittäin ohuiden mutta stabiilien suolahydraattipinnoitteiden saamiseksi metallipinnoille, mukaan lukien metallikuidut, pinnoitteiden valmistukseen, osoittavat ensimmäistä kertaa suuren tehotiheyden lämmönvaihtimen.Alumiinin anodisointiin perustuva pintakäsittely valitaan luomaan vahvempi sidos pinnoitteen ja alustan välille.Tuloksena olevan pinnan mikrorakenne analysoitiin pyyhkäisyelektronimikroskoopilla.Vähentynyt kokonaisheijastus Fourier-muunnosinfrapunaspektroskopiaa ja energiaa hajottavaa röntgenspektroskopiaa käytettiin haluttujen lajien läsnäolon tarkistamiseksi määrityksessä.Niiden kyky muodostaa hydraatteja varmistettiin yhdistetyllä termogravimetrisella analyysillä (TGA)/differentiaalitermogravimetrisella analyysillä (DTG).MgS04-pinnoitteesta löydettiin huonolaatuista yli 0,07 g (vesi)/g (komposiitti), joka osoitti merkkejä kuivumisesta noin 60 °C:ssa ja oli toistettavissa uudelleenhydratoinnin jälkeen.Positiivisia tuloksia saatiin myös SrCl2:lla ja ZnSO4:lla massaerolla noin 0,02 g/g alle 100 °C:ssa.Lisäaineeksi valittiin hydroksietyyliselluloosa lisäämään pinnoitteen stabiilisuutta ja adheesiota.Tuotteiden adsorptio-ominaisuudet arvioitiin samanaikaisella TGA-DTG:llä ja niiden tarttuvuus karakterisoitiin ISO2409:ssä kuvattuihin testeihin perustuvalla menetelmällä.CaCl2-pinnoitteen konsistenssi ja tarttuvuus paranevat merkittävästi samalla, kun sen adsorptiokyky säilyy noin 0,1 g/g:n painoerolla alle 100 °C:n lämpötiloissa.Lisäksi MgSO4 säilyttää kyvyn muodostaa hydraatteja, ja sen massaero on yli 0,04 g/g alle 100 °C:n lämpötiloissa.Lopuksi tutkitaan päällystetyt metallikuidut.Tulokset osoittavat, että Al2(SO4)3:lla päällystetyn kuiturakenteen tehollinen lämmönjohtavuus voi olla 4,7 kertaa suurempi verrattuna puhtaan Al2(SO4)3:n tilavuuteen.Tutkittujen pinnoitteiden pinnoite tutkittiin visuaalisesti ja sisäinen rakenne arvioitiin poikkileikkausten mikroskooppisen kuvan avulla.Saatiin noin 50 um:n paksuinen Al2(SO4)3-pinnoite, mutta koko prosessi on optimoitava tasaisemman jakautumisen saavuttamiseksi.
Adsorptiojärjestelmät ovat saaneet paljon huomiota viime vuosikymmeninä, koska ne tarjoavat ympäristöystävällisen vaihtoehdon perinteisille kompressiolämpöpumpuille tai jäähdytysjärjestelmille.Nousevien mukavuusstandardien ja globaalien keskilämpötilojen myötä adsorptiojärjestelmät voivat vähentää riippuvuutta fossiilisista polttoaineista lähitulevaisuudessa.Lisäksi adsorptiojäähdytys- tai lämpöpumppujen parannukset voidaan siirtää lämpöenergian varastointiin, mikä lisää primäärienergian tehokkaan käytön mahdollisuuksia.Adsorptiolämpöpumppujen ja jäähdytysjärjestelmien tärkein etu on, että ne voivat toimia pienellä lämpömassalla.Tämä tekee niistä sopivia alhaisen lämpötilan lähteille, kuten aurinkoenergialle tai hukkalämmölle.Energian varastointisovelluksissa adsorption etuna on suurempi energiatiheys ja pienempi energiahäviö verrattuna järkevään tai piilevään lämmönvarastointiin.
Adsorptiolämpöpumput ja jäähdytysjärjestelmät noudattavat samaa termodynaamista kiertoa kuin niiden höyrykompressiolaitteet.Suurin ero on kompressorin komponenttien korvaaminen adsorbereilla.Elementti pystyy adsorboimaan matalapaineisen kylmäainehöyryä kohtuullisissa lämpötiloissa ja haihduttamaan lisää kylmäainetta myös nesteen ollessa kylmä.On tarpeen varmistaa adsorbentin jatkuva jäähdytys adsorption entalpian (eksotermisen) poissulkemiseksi.Adsorber regeneroidaan korkeassa lämpötilassa, jolloin kylmäainehöyry desorboituu.Kuumennusta on jatkettava desorption entalpian (endotermisen) aikaansaamiseksi.Koska adsorptioprosesseille on ominaista lämpötilan muutokset, suuri tehotiheys vaatii korkeaa lämmönjohtavuutta.Alhainen lämmönjohtavuus on kuitenkin ylivoimaisesti suurin haitta useimmissa sovelluksissa.
Johtavuuden pääongelma on lisätä sen keskiarvoa samalla kun säilytetään kuljetusreitti, joka tarjoaa adsorptio/desorptiohöyryjen virtauksen.Tämän saavuttamiseksi käytetään yleisesti kahta lähestymistapaa: komposiittilämmönvaihtimia ja päällystettyjä lämmönvaihtimia.Suosituimmat ja menestyneimmät komposiittimateriaalit ovat ne, joissa käytetään hiilipohjaisia ​​lisäaineita, nimittäin paisutettua grafiittia, aktiivihiiltä tai hiilikuituja.Oliveira et ai.2 kyllästetty paisutettu grafiittijauhe kalsiumkloridilla adsorbentin tuottamiseksi, jonka ominaisjäähdytysteho (SCP) on jopa 306 W/kg ja suorituskykykerroin (COP) jopa 0,46.Zajaczkowski et ai.3 ehdotti paisutetun grafiitin, hiilikuidun ja kalsiumkloridin yhdistelmää, jonka kokonaisjohtavuus on 15 W/mK.Jian et al4 testasivat komposiitteja rikkihapolla käsitellyllä paisutetulla luonnongrafiitilla (ENG-TSA) substraattina kaksivaiheisessa adsorptiojäähdytyssyklissä.Malli ennusti COP:n välillä 0,215 - 0,285 ja SCP:n välillä 161,4 - 260,74 W/kg.
Ylivoimaisesti käyttökelpoisin ratkaisu on päällystetty lämmönvaihdin.Näiden lämmönvaihtimien pinnoitusmekanismit voidaan jakaa kahteen luokkaan: suora synteesi ja liimat.Menestynein menetelmä on suora synteesi, jossa adsorboivia materiaaleja muodostetaan suoraan lämmönvaihtimien pinnalle sopivista reagensseista.Sotech5 on patentoinut menetelmän päällystetyn zeoliitin syntetisoimiseksi käytettäväksi Fahrenheit GmbH:n valmistamissa jäähdyttimissä.Schnabel et al6 testasivat kahden ruostumattomalle teräkselle päällystetyn zeoliitin suorituskykyä.Tämä menetelmä toimii kuitenkin vain tiettyjen adsorbenttien kanssa, mikä tekee pinnoittamisesta liimalla mielenkiintoisen vaihtoehdon.Sideaineet ovat passiivisia aineita, jotka on valittu tukemaan sorbentin adheesiota ja/tai massan siirtoa, mutta niillä ei ole merkitystä adsorptiossa tai johtavuuden parantamisessa.Freni et ai.7 päällystettyä alumiinilämmönvaihdinta, joissa AQSOA-Z02 zeoliitti on stabiloitu savipohjaisella sideaineella.Calabrese et al.8 tutkivat zeoliittipinnoitteiden valmistusta polymeerisillä sideaineilla.Ammann et al.9 ehdottivat menetelmää huokoisten zeoliittipinnoitteiden valmistamiseksi polyvinyylialkoholin magneettisista seoksista.Alumiinioksidia (alumiinioksidia) käytetään myös sideaineena 10 adsorberissa.Tietojemme mukaan selluloosaa ja hydroksietyyliselluloosaa käytetään vain yhdessä fysikaalisten adsorbenttien kanssa11,12.Joskus liimaa ei käytetä maaliin, vaan sitä käytetään rakenteen 13 rakentamiseen yksinään.Alginaattipolymeerimatriisien ja useiden suolahydraattien yhdistelmä muodostaa joustavia komposiittihelmirakenteita, jotka estävät vuodon kuivumisen aikana ja tarjoavat riittävän massansiirron.Savia, kuten bentoniittia ja attapulgiittia, on käytetty sideaineina komposiittien valmistuksessa15,16,17.Etyyliselluloosaa on käytetty kalsiumkloridin18 tai natriumsulfidin19 mikrokapseloimiseen.
Huokoisen metallirakenteen omaavat komposiitit voidaan jakaa lisälämmönvaihtimiin ja päällystettyihin lämmönvaihtimiin.Näiden rakenteiden etuna on suuri ominaispinta-ala.Tämä johtaa suurempaan kosketuspintaan adsorbentin ja metallin välillä ilman inertin massan lisäämistä, mikä heikentää jäähdytyssyklin kokonaistehokkuutta.Lang et ai.20 ovat parantaneet alumiinikennorakenteen omaavan zeoliittiadsorberin yleistä johtavuutta.Gillerminot et ai.21 paransi NaX-zeoliittikerrosten lämmönjohtavuutta kupari- ja nikkelivaahdolla.Vaikka komposiitteja käytetään faasimuutosmateriaaleina (PCM), Li et al.22 ja Zhao et ai.23 ovat myös kiinnostavia kemisorption kannalta.He vertasivat paisutetun grafiitin ja metallivaahdon suorituskykyä ja päättelivät, että jälkimmäinen oli parempi vain, jos korroosio ei ollut ongelma.Palomba et ai.ovat äskettäin vertailleet muita metallihuokoisia rakenteita24.Van der Pal et ai.ovat tutkineet vaahtoihin upotettuja metallisuoloja 25 .Kaikki edelliset esimerkit vastaavat tiheitä hiukkasmaisten adsorbenttien kerroksia.Metallihuokoisia rakenteita ei käytännössä käytetä adsorbenttien päällystämiseen, mikä on optimaalisempi ratkaisu.Esimerkki sitoutumisesta zeoliitteihin löytyy julkaisusta Wittstadt et ai.26, mutta suolahydraatteja ei ole yritetty sitoa niiden korkeammasta energiatiheydestä huolimatta 27 .
Siten tässä artikkelissa tarkastellaan kolmea menetelmää adsorboivien pinnoitteiden valmistamiseksi: (1) sideainepinnoitus, (2) suora reaktio ja (3) pintakäsittely.Hydroksietyyliselluloosa oli valittu sideaine tässä työssä johtuen aiemmin raportoidusta stabiilisuudesta ja hyvästä pinnoitteen tarttumisesta yhdessä fysikaalisten adsorbenttien kanssa.Tätä menetelmää tutkittiin alun perin tasaisille pinnoitteille ja myöhemmin sitä sovellettiin metallikuiturakenteisiin.Aikaisemmin on raportoitu alustava analyysi kemiallisten reaktioiden mahdollisuudesta adsorboivien pinnoitteiden muodostumisen kanssa.Aikaisempi kokemus siirtyy nyt metallikuiturakenteiden pinnoittamiseen.Työhön valittu pintakäsittely on alumiinianodisointiin perustuva menetelmä.Alumiinin anodisointi on onnistuneesti yhdistetty metallisuoloihin esteettisistä syistä29.Näissä tapauksissa voidaan saada erittäin stabiileja ja korroosionkestäviä pinnoitteita.Ne eivät kuitenkaan voi suorittaa mitään adsorptio- tai desorptioprosessia.Tämä artikkeli esittelee muunnelman tästä lähestymistavasta, joka mahdollistaa massan siirtämisen käyttämällä alkuperäisen prosessin tarttumisominaisuuksia.Tietojemme mukaan mitään tässä kuvatuista menetelmistä ei ole aiemmin tutkittu.Ne edustavat erittäin mielenkiintoista uutta tekniikkaa, koska ne mahdollistavat hydratoituneiden adsorbenttipinnoitteiden muodostamisen, joilla on useita etuja usein tutkittuihin fysikaalisiin adsorbentteihin verrattuna.
Näissä kokeissa substraatteina käytetyt leimatut alumiinilevyt toimitti ALINVEST Břidličná, Tšekin tasavalta.Ne sisältävät 98,11 % alumiinia, 1,3622 % rautaa, 0,3618 % mangaania ja pieniä määriä kuparia, magnesiumia, piitä, titaania, sinkkiä, kromia ja nikkeliä.
Komposiittien valmistukseen valitut materiaalit valitaan niiden termodynaamisten ominaisuuksien mukaan, eli riippuen vesimäärästä, jonka ne voivat adsorboida/desorboida alle 120°C lämpötiloissa.
Magnesiumsulfaatti (MgSO4) on yksi mielenkiintoisimmista ja tutkituimmista hydratoiduista suoloista30,31,32,33,34,35,36,37,38,39,40,41.Termodynaamiset ominaisuudet on mitattu systemaattisesti ja todettu soveltuviksi sovelluksiin adsorptiojäähdytyksen, lämpöpumppujen ja energian varastoinnin aloilla.Käytettiin kuivaa magnesiumsulfaattia CAS-Nr.7487-88-9 99 % (Grüssing GmbH, Filsum, Niedersachsen, Saksa).
Kalsiumkloridi (CaCl2) (H319) on toinen hyvin tutkittu suola, koska sen hydraatilla on mielenkiintoisia termodynaamisia ominaisuuksia41,42,43,44.Kalsiumkloridiheksahydraatti CAS-nro.7774-34-7 97 % käytetty (Grüssing, GmbH, Filsum, Niedersachsen, Saksa).
Sinkkisulfaatilla (ZnSO4) (H3O2, H318, H410) ja sen hydraateilla on termodynaamiset ominaisuudet, jotka sopivat matalan lämpötilan adsorptioprosesseihin45,46.Käytettiin sinkkisulfaattiheptahydraattia CAS-Nr.7733-02-0 99,5 % (Grüssing GmbH, Filsum, Niedersachsen, Saksa).
Strontiumkloridilla (SrCl2) (H318) on myös mielenkiintoisia termodynaamisia ominaisuuksia4,45,47, vaikka se yhdistetään usein ammoniakin kanssa adsorptiolämpöpumppu- tai energianvarastointitutkimuksessa.Synteesiin käytettiin strontiumkloridiheksahydraattia CAS-Nr.10.476-85-4 99.0-102.0 % (Sigma Aldrich, St. Louis, Missouri, USA).
Kuparisulfaatti (CuSO4) (H302, H315, H319, H410) ei ole ammattikirjallisuudessa usein esiintyvien hydraattien joukossa, vaikka sen termodynaamiset ominaisuudet ovat kiinnostavia matalissa lämpötiloissa48,49.Synteesiin käytettiin kuparisulfaattia CAS-Nr.7758-99-8 99 % (Sigma Aldrich, St. Louis, MO, USA).
Magnesiumkloridi (MgCl2) on yksi hydratoiduista suoloista, joka on viime aikoina saanut enemmän huomiota lämpöenergian varastoinnin alalla50,51.Kokeissa käytettiin magnesiumkloridiheksahydraattia CAS-Nr.7791-18-6 puhdasta farmaseuttista laatua (Applichem GmbH., Darmstadt, Saksa).
Kuten edellä mainittiin, hydroksietyyliselluloosa valittiin positiivisten tulosten vuoksi samanlaisissa sovelluksissa.Synteesissämme käytetty materiaali on hydroksietyyliselluloosa CAS-Nr 9004-62-0 (Sigma Aldrich, St. Louis, MO, USA).
Metallikuidut valmistetaan lyhyistä langoista, jotka on liimattu yhteen puristamalla ja sintraamalla, prosessi, joka tunnetaan nimellä Crucible Melt Extract (CME)52.Tämä tarkoittaa, että niiden lämmönjohtavuus ei riipu pelkästään valmistuksessa käytettyjen metallien bulkkijohtavuudesta ja lopullisen rakenteen huokoisuudesta, vaan myös lankojen välisten sidosten laadusta.Kuidut eivät ole isotrooppisia ja niillä on taipumus jakautua tiettyyn suuntaan tuotannon aikana, jolloin lämmönjohtavuus poikittaissuunnassa on paljon pienempi.
Veden absorptio-ominaisuuksia tutkittiin käyttämällä samanaikaista termogravimetristä analyysiä (TGA)/differentiaalista termogravimetrista analyysiä (DTG) tyhjiöpakkauksessa (Netzsch TG 209 F1 Libra).Mittaukset suoritettiin virtaavassa typpiatmosfäärissä virtausnopeudella 10 ml/min ja lämpötila-alueella 25 - 150 °C alumiinioksidiupokkaissa.Kuumennusnopeus oli 1 °C/min, näytteen paino vaihteli 10-20 mg, resoluutio oli 0,1 μg.Tässä työssä on huomattava, että massaerolla pintayksikköä kohti on suuri epävarmuus.TGA-DTG:ssä käytetyt näytteet ovat erittäin pieniä ja epäsäännöllisesti leikattuja, mikä tekee niiden pinta-alan määrittämisestä epätarkkoja.Nämä arvot voidaan ekstrapoloida suuremmalle alueelle vain, jos suuret poikkeamat otetaan huomioon.
Vaimennettu kokonaisheijastus Fourier-muunnos-infrapunaspektrit (ATR-FTIR) hankittiin Bruker Vertex 80 v FTIR -spektrometrillä (Bruker Optik GmbH, Leipzig, Saksa) käyttämällä ATR-platinalisälaitetta (Bruker Optik GmbH, Saksa).Puhtaiden kuivien timanttikiteiden spektrit mitattiin suoraan tyhjiössä ennen kuin näytteitä käytettiin taustana kokeellisiin mittauksiin.Näytteet mitattiin tyhjössä käyttämällä spektriresoluutiota 2 cm-1 ja skannausten keskimääräistä lukumäärää 32. Aaltoluku vaihtelee välillä 8000 - 500 cm-1.Spektrianalyysi suoritettiin OPUS-ohjelmalla.
SEM-analyysi suoritettiin käyttämällä Zeissin DSM 982 Geminiä kiihdytysjännitteillä 2 ja 5 kV.Energiaa hajottava röntgenspektroskopia (EDX) suoritettiin käyttämällä Thermo Fischer System 7 -järjestelmää, jossa oli Peltier-jäähdytetty piisiirtymädetektori (SSD).
Metallilevyjen valmistus suoritettiin samanlaisen menettelyn mukaisesti kuin kohdassa 53 on kuvattu. Ensin levy upotetaan 50-prosenttiseen rikkihappoon.15 minuuttia.Sitten ne laitettiin 1 M natriumhydroksidiliuokseen noin 10 sekunniksi.Sitten näytteet pestiin suurella määrällä tislattua vettä ja liotettiin sitten tislatussa vedessä 30 minuuttia.Alustavan pintakäsittelyn jälkeen näytteet upotettiin 3 % kyllästettyyn liuokseen.HEC ja kohdesuola.Ota lopuksi pois ja kuivaa ne 60°C:ssa.
Anodisointimenetelmä parantaa ja vahvistaa passiivisen metallin luonnollista oksidikerrosta.Alumiinipaneelit anodisoitiin rikkihapolla kovetetussa tilassa ja suljettiin sitten kuumaan veteen.Anodisointia seurasi ensimmäinen etsaus 1 mol/l NaOH:lla (600 s), mitä seurasi neutralointi 1 mol/l HNO3:ssa (60 s).Elektrolyyttiliuos on seos, jossa on 2,3 M H2SO4, 0,01 M Al2(SO4)3 ja 1 M MgSO4 + 7H2O.Anodisointi suoritettiin (40 ± 1) °C:ssa, 30 mA/cm2 1200 sekunnin ajan.Sulkemisprosessi suoritettiin erilaisissa suolaliuoksissa materiaaleissa kuvatulla tavalla (MgSO4, CaCl2, ZnSO4, SrCl2, CuSO4, MgCl2).Näytettä keitetään siinä 1800 sekuntia.
Komposiittien valmistukseen on tutkittu kolmea eri menetelmää: liimapinnoitus, suora reaktio ja pintakäsittely.Kunkin koulutusmenetelmän edut ja haitat analysoidaan ja keskustellaan systemaattisesti.Tulosten arvioimiseen käytettiin suoraa havainnointia, nanokuvausta ja kemiallista/alkuaineanalyysiä.
Konversiopintakäsittelymenetelmäksi valittiin anodisointi suolahydraattien tarttuvuuden lisäämiseksi.Tämä pintakäsittely luo alumiinioksidin (alumiinioksidin) huokoisen rakenteen suoraan alumiinin pinnalle.Perinteisesti tämä menetelmä koostuu kahdesta vaiheesta: ensimmäisessä vaiheessa luodaan huokoinen alumiinioksidirakenne ja toisessa vaiheessa alumiinihydroksidipinnoite, joka sulkee huokoset.Seuraavassa on kaksi tapaa estää suolan pääsy kaasufaasiin.Ensimmäinen koostuu hunajakennojärjestelmästä, jossa käytetään pieniä alumiinioksidiputkia (Al2O3), jotka on saatu ensimmäisessä vaiheessa pitämään kiinni adsorbenttikiteet ja lisäämään niiden tarttumista metallipintoihin.Saatujen kennojen halkaisija on noin 50 nm ja pituus 200 nm (kuvio la).Kuten aiemmin mainittiin, nämä ontelot suljetaan yleensä toisessa vaiheessa ohuella Al2O(OH)2-böhmiittikerroksella, jota tukee alumiinioksidiputken keittoprosessi.Toisessa menetelmässä tätä saumausprosessia modifioidaan siten, että suolakiteet vangitaan tasaisesti peittävään boehmiittikerrokseen (Al2O(OH)), jota ei tässä tapauksessa käytetä tiivistämiseen.Toinen vaihe suoritetaan vastaavan suolan kyllästetyssä liuoksessa.Kuvattujen kuvioiden koko on välillä 50–100 nm ja ne näyttävät roiskeilta (kuva 1b).Tiivistysprosessin tuloksena saadulla pinnalla on selkeä avaruudellinen rakenne, jossa on suurempi kosketuspinta.Tämä pintakuvio ja niiden monet sidosmuodot sopivat ihanteellisesti suolakiteiden kantamiseen ja pitämiseen.Molemmat kuvatut rakenteet näyttävät olevan todella huokoisia ja niissä on pieniä onteloita, jotka näyttävät soveltuvan hyvin suolahydraattien säilyttämiseen ja höyryjen adsorboimiseen suolaan adsorbentin toiminnan aikana.Näiden pintojen alkuaineanalyysi EDX:llä voi kuitenkin havaita pieniä määriä magnesiumia ja rikkiä böhmiitin pinnalla, joita ei havaita alumiinioksidipinnan tapauksessa.
Näytteen ATR-FTIR vahvisti, että alkuaine oli magnesiumsulfaatti (katso kuva 2b).Spektrissä on tunnusomaiset sulfaatti-ionihuiput kohdilla 610–680 ja 1080–1130 cm–1 ja tunnusomaiset hilan vesihuiput kohdilla 1600–1700 cm–1 ja 3200–3800 cm–1 (ks. kuva 2a, c).).Magnesiumionien läsnäolo ei juuri muuta spektriä54.
(a) Böhmiittipinnoitetun MgSO4-alumiinilevyn EDX, (b) Böhmiitti- ja MgSO4-pinnoitteiden ATR-FTIR-spektrit, (c) puhtaan MgSO4:n ATR-FTIR-spektrit.
TGA vahvisti adsorptiotehokkuuden ylläpitämisen.KuvassaKuva 3b esittää desorptiohuippua noin.60 °C.Tämä piikki ei vastaa puhtaan suolan TGA:ssa havaittujen kahden piikin lämpötilaa (kuvio 3a).Adsorptio-desorptiosyklin toistettavuus arvioitiin, ja sama käyrä havaittiin näytteiden sijoittamisen jälkeen kosteaan ilmakehään (kuva 3c).Desorption toisessa vaiheessa havaitut erot voivat johtua kuivumisesta virtaavassa ilmakehässä, koska tämä johtaa usein epätäydelliseen dehydraatioon.Nämä arvot vastaavat noin 17,9 g/m2 ensimmäisessä vedenpoistossa ja 10,3 g/m2 toisessa vedenpoistossa.
Böhmiitin ja MgS04:n TGA-analyysin vertailu: puhtaan MgS04:n (a), seoksen (b) ja rehydraation (c) TGA-analyysi.
Sama menetelmä suoritettiin käyttämällä kalsiumkloridia adsorbenttina.Tulokset on esitetty kuvassa 4. Pinnan silmämääräinen tarkastelu paljasti pieniä muutoksia metallin hehkussa.Turkki on tuskin näkyvissä.SEM vahvisti pienten kiteiden läsnäolon tasaisesti jakautuneena pinnalle.TGA ei kuitenkaan osoittanut dehydraatiota alle 150 °C:ssa.Tämä voi johtua siitä, että suolan osuus on liian pieni verrattuna substraatin kokonaismassaan TGA:lla havaitsemiseksi.
Kuparisulfaattipinnoitteen pintakäsittelyn tulokset anodisointimenetelmällä on esitetty kuvassa.5. Tässä tapauksessa odotettua CuSO4:n liittymistä Al-oksidirakenteeseen ei tapahtunut.Sen sijaan havaitaan löystyviä neuloja, koska niitä käytetään yleisesti kuparihydroksidi Cu(OH)2:lle, jota käytetään tyypillisten turkoosien värien kanssa.
Anodisoitu pintakäsittely testattiin myös yhdessä strontiumkloridin kanssa.Tulokset osoittivat epätasaista peittoa (katso kuva 6a).Sen määrittämiseksi, peittikö suola koko pinnan, suoritettiin EDX-analyysi.Harmaan alueen pisteen käyrä (piste 1 kuvassa 6b) näyttää vähän strontiumia ja paljon alumiinia.Tämä osoittaa alhaisen strontiumpitoisuuden mittausvyöhykkeellä, mikä puolestaan ​​osoittaa vähäistä strontiumkloridin peittävyyttä.Sitä vastoin valkoisilla alueilla on korkea strontiumipitoisuus ja alhainen alumiinipitoisuus (kohdat 2–6 kuvassa 6b).Valkoisen alueen EDX-analyysi osoittaa tummempia pisteitä (kohdat 2 ja 4 kuvassa 6b), joissa on vähän klooria ja paljon rikkiä.Tämä voi viitata strontiumsulfaatin muodostumiseen.Kirkkaammat pisteet heijastavat korkeaa klooripitoisuutta ja alhaista rikkipitoisuutta (kohdat 3, 5 ja 6 kuvassa 6b).Tämä voidaan selittää sillä, että pääosa valkoisesta pinnoitteesta koostuu odotetusta strontiumkloridista.Näytteen TGA vahvisti analyysin tulkinnan huipulla puhtaan strontiumkloridin ominaislämpötilassa (kuvio 6c).Niiden pieni arvo voidaan perustella pienellä suolaosalla verrattuna metallialustan massaan.Kokeissa määritetty desorptiomassa vastaa 7,3 g/m2, joka vapautuu adsorbentin pinta-alayksikköä kohden 150°C:n lämpötilassa.
Myös Eloxal-käsitellyt sinkkisulfaattipinnoitteet testattiin.Makroskooppisesti pinnoite on hyvin ohut ja tasainen kerros (kuva 7a).SEM paljasti kuitenkin pinta-alan, joka oli peitetty pienillä kiteillä, joita erottavat tyhjät alueet (kuvio 7b).Pinnoitteen ja substraatin TGA-arvoa verrattiin puhtaan suolan TGA-arvoon (kuvio 7c).Puhtaalla suolalla on yksi epäsymmetrinen piikki 59,1 °C:ssa.Pinnoitettu alumiini osoitti kaksi pientä huippua 55,5 °C:ssa ja 61,3 °C:ssa, mikä osoitti sinkkisulfaattihydraatin läsnäolon.Kokeessa havaittu massaero vastaa 10,9 g/m2 150°C:n dehydraatiolämpötilassa.
Kuten edellisessä hakemuksessa53, hydroksietyyliselluloosaa käytettiin sideaineena parantamaan sorbenttipinnoitteen adheesiota ja stabiilisuutta.Materiaalien yhteensopivuus ja vaikutus adsorptiokykyyn arvioitiin TGA:lla.Analyysi tehdään suhteessa kokonaismassaan, eli näyte sisältää pinnoitusalustana käytettävän metallilevyn.Tarttuvuus testataan testillä, joka perustuu ISO2409-spesifikaatiossa määriteltyyn poikkilovitestiin (ei voi täyttää loven erotusspesifikaatiota spesifikaation paksuudesta ja leveydestä riippuen).
Levyjen pinnoitus kalsiumkloridilla (CaCl2) (katso kuva 8a) johti epätasaiseen jakautumiseen, jota ei havaittu poikittaislovikokeessa käytetyssä puhtaassa alumiinipinnoitteessa.Verrattuna puhtaan CaCl2:n tuloksiin, TGA (kuvio 8b) näyttää kaksi ominaista piikkiä, jotka ovat siirtyneet kohti alempia lämpötiloja, 40 ja 20 °C, vastaavasti.Poikkileikkauskoe ei mahdollista objektiivista vertailua, koska puhdas CaCl2-näyte (näyte oikealla kuvassa 8c) on jauhemainen sakka, joka poistaa ylimmät hiukkaset.HEC-tulokset osoittivat erittäin ohuen ja tasaisen pinnoitteen, jolla on tyydyttävä tarttuvuus.Kuvassa näkyvä massaero.8b vastaa 51,3 g/m2 adsorbentin pinta-alayksikköä kohti lämpötilassa 150 °C.
Positiivisia tuloksia tarttuvuuden ja tasaisuuden suhteen saatiin myös magnesiumsulfaatilla (MgS04) (katso kuva 9).Päällysteen desorptioprosessin analyysi osoitti yhden piikin, joka oli n.60 °C.Tämä lämpötila vastaa päädesorptiovaihetta, joka nähdään puhtaiden suolojen dehydraatiossa, edustaen toista vaihetta 44 °C:ssa.Se vastaa siirtymistä heksahydraatista pentahydraattiin, eikä sitä havaita sideainepinnoitteissa.Poikkileikkauskokeet osoittavat parempaa jakautumista ja tarttuvuutta verrattuna puhtaalla suolalla tehtyihin pinnoitteisiin.TGA-DTC:ssä havaittu massaero vastaa 18,4 g/m2 adsorberin pinta-alayksikköä kohden lämpötilassa 150 °C.
Pintaepätasaisuuksista johtuen strontiumkloridilla (SrCl2) on epätasainen pinnoite evissa (kuva 10a).Poikittaisen loven testin tulokset osoittivat kuitenkin tasaisen jakautumisen ja merkittävästi parantuneen adheesion (kuvio 10c).TGA-analyysi osoitti hyvin pienen eron painossa, jonka täytyy johtua alhaisemmasta suolapitoisuudesta metallisubstraattiin verrattuna.Kuitenkin käyrän vaiheet osoittavat dehydraatioprosessin olemassaolon, vaikka huippu liittyy saatuun lämpötilaan puhdasta suolaa karakterisoitaessa.Huiput 110 °C:ssa ja 70,2 °C:ssa, jotka havaitaan kuvissa 1 ja 2.10b löydettiin myös puhdasta suolaa analysoitaessa.Kuitenkaan pääasiallinen kuivausvaihe, joka havaittiin puhtaassa suolassa 50 °C:ssa, ei näkynyt käyrissä, joissa käytettiin sideainetta.Sitä vastoin sideaineseoksessa oli kaksi huippua 20,2 °C:ssa ja 94,1 °C:ssa, joita ei mitattu puhtaalle suolalle (kuvio 10b).150 °C:n lämpötilassa havaittu massaero vastaa 7,2 g/m2 adsorbentin pinta-alayksikköä kohti.
HEC:n ja sinkkisulfaatin (ZnSO4) yhdistelmä ei antanut hyväksyttäviä tuloksia (kuva 11).Päällystetyn metallin TGA-analyysi ei paljastanut mitään dehydraatioprosesseja.Vaikka pinnoitteen jakautuminen ja tarttuvuus ovat parantuneet, sen ominaisuudet ovat vielä kaukana optimaalisista.
Yksinkertaisin tapa metallikuitujen päällystämiseksi ohuella ja tasaisella kerroksella on märkäkyllästys (kuva 12a), joka sisältää kohdesuolan valmistuksen ja metallikuitujen kyllästyksen vesiliuoksella.
Märkäkyllästykseen valmisteltaessa tulee vastaan ​​kaksi pääongelmaa.Toisaalta suolaliuoksen pintajännitys estää nesteen oikean liittämisen huokoiseen rakenteeseen.Ulkopinnan kiteytymistä (kuva 12d) ja rakenteen sisälle jääviä ilmakuplia (kuva 12c) voidaan vähentää vain alentamalla pintajännitystä ja esikostuttamalla näyte tislatulla vedellä.Pakotettu liukeneminen näytteeseen poistamalla ilma rakenteen sisällä tai luomalla liuosvirtaus rakenteeseen ovat muita tehokkaita tapoja varmistaa rakenteen täydellinen täyttyminen.
Toinen valmistuksen aikana kohdattu ongelma oli kalvon poistaminen osasta suolaa (katso kuva 12b).Tälle ilmiölle on tunnusomaista kuivan pinnoitteen muodostuminen liukenemispinnalle, joka pysäyttää konvektiivisesti stimuloidun kuivumisen ja käynnistää diffuusiostimuloidun prosessin.Toinen mekanismi on paljon hitaampi kuin ensimmäinen.Tämän seurauksena vaaditaan korkeaa lämpötilaa kohtuullisen kuivumisajan saavuttamiseksi, mikä lisää riskiä kuplien muodostumisesta näytteen sisään.Tämä ongelma ratkaistaan ​​ottamalla käyttöön vaihtoehtoinen kiteytysmenetelmä, joka ei perustu pitoisuuden muutokseen (haihdutukseen), vaan lämpötilan muutokseen (kuten MgS04:n esimerkissä kuviossa 13).
Kaavioesitys kiteytysprosessista jäähdytyksen aikana ja kiinteän ja nestemäisen faasin erottaminen MgSO4:a käyttämällä.
Tyydytettyjä suolaliuoksia voidaan valmistaa huoneenlämpötilassa (HT) tai sen yläpuolella tällä menetelmällä.Ensimmäisessä tapauksessa kiteytyminen pakotettiin alentamalla lämpötila huoneenlämpötilan alapuolelle.Toisessa tapauksessa kiteytyminen tapahtui, kun näyte jäähdytettiin huoneenlämpötilaan (RT).Tuloksena on kiteiden (B) ja liuenneen (A) seos, jonka nestemäinen osa poistetaan paineilmalla.Tämä lähestymistapa ei ainoastaan ​​välttää kalvon muodostumista näille hydraateille, vaan myös vähentää aikaa, joka tarvitaan muiden komposiittien valmistukseen.Nesteen poistaminen paineilmalla johtaa kuitenkin suolan lisäkiteytymiseen, mikä johtaa paksumpaan pinnoitteeseen.
Toinen menetelmä, jota voidaan käyttää metallipintojen päällystämiseen, sisältää kohdesuolojen suoran tuotannon kemiallisten reaktioiden kautta.Pinnoitetuilla lämmönvaihtimilla, jotka on valmistettu evien ja putkien metallipinnoilla olevien happojen reaktiolla, on useita etuja, kuten aiemmassa tutkimuksessamme kerrottiin.Tämän menetelmän soveltaminen kuituihin johti erittäin huonoihin tuloksiin johtuen kaasujen muodostumisesta reaktion aikana.Vetykaasukuplien paine kerääntyy anturin sisään ja muuttuu, kun tuotetta työnnetään ulos (kuva 14a).
Pinnoite on muunnettu kemiallisella reaktiolla pinnoitteen paksuuden ja jakautumisen hallitsemiseksi paremmin.Tässä menetelmässä happosumuvirta johdetaan näytteen läpi (kuva 14b).Tämän odotetaan johtavan tasaiseen pinnoitteeseen reagoimalla substraattimetallin kanssa.Tulokset olivat tyydyttäviä, mutta prosessi oli liian hidas, jotta sitä voitaisiin pitää tehokkaana menetelmänä (kuva 14c).Lyhyemmät reaktioajat voidaan saavuttaa paikallisella kuumennuksella.
Yllä olevien menetelmien haittojen voittamiseksi on tutkittu liimojen käyttöön perustuvaa pinnoitusmenetelmää.HEC valittiin edellisessä osiossa esitettyjen tulosten perusteella.Kaikki näytteet valmistettiin 3 paino-%:lla.Sideaine sekoitetaan suolan kanssa.Kuidut esikäsiteltiin samalla menetelmällä kuin kylkiluiden kohdalla, eli liotettiin 50 tilavuus-%:ssa.15 minuutin sisällä.rikkihapolla, liotettiin sitten natriumhydroksidissa 20 sekuntia, pestiin tislatulla vedellä ja lopuksi liotettiin tislatussa vedessä 30 minuuttia.Tässä tapauksessa lisävaihe lisättiin ennen kyllästystä.Upota näyte hetkeksi laimeaan kohdesuolaliuokseen ja kuivaa noin 60 °C:ssa.Prosessi on suunniteltu modifioimaan metallin pintaa ja luomaan ydintymiskohtia, jotka parantavat pinnoitteen jakautumista loppuvaiheessa.Kuiturakenteessa on toinen puoli, jossa filamentit ovat ohuempia ja tiiviisti pakattu, ja vastakkainen puoli, jossa filamentit ovat paksumpia ja vähemmän jakautuneita.Tämä on tulos 52 valmistusprosessista.
Kalsiumkloridin (CaCl2) tulokset on yhteenveto ja havainnollistettu kuvilla taulukossa 1. Hyvä peittävyys siirrostuksen jälkeen.Jopa niissä säikeissä, joiden pinnalla ei ollut näkyviä kiteitä, metalliset heijastukset olivat vähentyneet, mikä osoitti viimeistelymuutoksen.Kuitenkin sen jälkeen, kun näytteet oli kyllästetty vesipitoisella CaCl2:n ja HEC:n seoksella ja kuivattu noin 60°C:n lämpötilassa, pinnoitteet konsentroitiin rakenteiden leikkauskohtiin.Tämä on liuoksen pintajännityksen aiheuttama vaikutus.Liottamisen jälkeen neste jää näytteen sisään pintajännityksensä vuoksi.Pohjimmiltaan se tapahtuu rakenteiden risteyksessä.Näytteen parhaalla puolella on useita suolalla täytettyjä reikiä.Paino kasvoi 0,06 g/cm3 pinnoituksen jälkeen.
Päällystäminen magnesiumsulfaatilla (MgS04) tuotti enemmän suolaa tilavuusyksikköä kohti (taulukko 2).Tässä tapauksessa mitattu lisäys on 0,09 g/cm3.Kylvöprosessi johti laajaan näytekattoon.Päällystysprosessin jälkeen suola peittää suuret alueet näytteen ohuelta puolelta.Lisäksi jotkin mattapinnan alueet ovat tukossa, mutta jonkin verran huokoisuutta säilyy.Tässä tapauksessa suolan muodostuminen on helposti havaittavissa rakenteiden leikkauskohdassa, mikä vahvistaa, että päällystysprosessi johtuu pääasiassa nesteen pintajännityksestä, ei suolan ja metallialustan välisestä vuorovaikutuksesta.
Tulokset strontiumkloridin (SrCl2) ja HEC:n yhdistelmästä osoittivat samanlaisia ​​ominaisuuksia kuin aikaisemmissa esimerkeissä (taulukko 3).Tässä tapauksessa näytteen ohuempi puoli peittyy lähes kokonaan.Näkyvissä ovat vain yksittäiset huokoset, jotka muodostuvat kuivauksen aikana näytteestä vapautuvan höyryn seurauksena.Mattapuolella havaittu kuvio on hyvin samanlainen kuin edellisessä tapauksessa, alue on tukossa suolalla ja kuidut eivät ole täysin peittyneet.
Kuiturakenteen positiivisen vaikutuksen arvioimiseksi lämmönvaihtimen lämpösuorituskykyyn määritettiin päällystetyn kuiturakenteen tehollinen lämmönjohtavuus ja sitä verrattiin puhtaaseen päällystemateriaaliin.Lämmönjohtavuus mitattiin standardin ASTM D 5470-2017 mukaisesti käyttämällä kuvassa 15a esitettyä litteää paneelilaitetta käyttäen referenssimateriaalia, jonka lämmönjohtavuus tunnetaan.Verrattuna muihin transienttimittausmenetelmiin tämä periaate on edullinen tässä tutkimuksessa käytetyille huokoisille materiaaleille, koska mittaukset suoritetaan vakaassa tilassa ja riittävällä näytekoolla (pohjapinta-ala 30 × 30 mm2, korkeus noin 15 mm).Näytteet puhtaasta pinnoitemateriaalista (referenssi) ja päällystetystä kuiturakenteesta valmisteltiin mittauksia varten kuidun suunnassa ja kohtisuorassa kuidun suuntaan anisotrooppisen lämmönjohtavuuden vaikutuksen arvioimiseksi.Näytteet hiottiin pinnalle (P320 karkeus) minimoidakseen näytteen valmistelusta johtuvan pinnan karheuden vaikutuksen, joka ei heijasta näytteen sisäistä rakennetta.