Grazas por visitar Nature.com.A versión do navegador que estás a usar ten soporte CSS limitado.Para obter a mellor experiencia, recomendámosche que utilices un navegador actualizado (ou que desactives o modo de compatibilidade en Internet Explorer).Mentres tanto, para garantir a asistencia continua, renderizaremos o sitio sen estilos e JavaScript.
A cota de mercado dos sistemas de refrixeración por adsorción e das bombas de calor aínda é relativamente pequena en comparación cos sistemas de compresores tradicionais.A pesar da enorme vantaxe de usar calor barato (en lugar de caros traballos eléctricos), a implantación de sistemas baseados en principios de adsorción aínda está limitada a algunhas aplicacións específicas.A principal desvantaxe que hai que eliminar é a diminución da potencia específica debido á baixa condutividade térmica e á baixa estabilidade do adsorbente.Os sistemas de refrixeración por adsorción comerciais de última xeración están baseados en adsorbedores baseados en intercambiadores de calor de placas revestidos para optimizar a capacidade de refrixeración.Os resultados son ben coñecidos de que a diminución do espesor do revestimento leva a unha diminución da impedancia de transferencia de masa, e o aumento da relación entre superficie e volume das estruturas condutoras aumenta a potencia sen comprometer a eficiencia.As fibras metálicas utilizadas neste traballo poden proporcionar unha superficie específica no rango de 2500-50.000 m2/m3.Tres métodos para a obtención de revestimentos moi finos pero estables de hidratos de sal sobre superficies metálicas, incluídas fibras metálicas, para a produción de revestimentos demostran por primeira vez un intercambiador de calor de alta densidade de potencia.Elíxese o tratamento superficial baseado no anodizado de aluminio para crear unha unión máis forte entre o revestimento e o substrato.Analizouse a microestrutura da superficie resultante mediante microscopía electrónica de varrido.Utilizáronse espectroscopia infravermella de transformada de Fourier de reflexión total reducida e espectroscopia de raios X de dispersión de enerxía para comprobar a presenza da especie desexada no ensaio.A súa capacidade para formar hidratos foi confirmada por análise termogravimétrica combinada (TGA)/análise termogravimétrica diferencial (DTG).Atopouse unha mala calidade superior a 0,07 g (auga)/g (composto) no revestimento de MgSO4, mostrando signos de deshidratación a uns 60 °C e reproducibles despois da rehidratación.Tamén se obtiveron resultados positivos con SrCl2 e ZnSO4 cunha diferenza de masa duns 0,02 g/g por debaixo dos 100 °C.Elixiuse hidroxietilcelulosa como aditivo para aumentar a estabilidade e adherencia do revestimento.Avaliáronse as propiedades de adsorción dos produtos mediante TGA-DTG simultáneo e caracterizouse a súa adhesión mediante un método baseado nos ensaios descritos na ISO2409.A consistencia e adherencia do revestimento de CaCl2 mellora significativamente mentres se mantén a súa capacidade de adsorción cunha diferenza de peso duns 0,1 g/g a temperaturas inferiores a 100 °C.Ademais, o MgSO4 conserva a capacidade de formar hidratos, mostrando unha diferenza de masa de máis de 0,04 g/g a temperaturas inferiores a 100 °C.Finalmente, examínanse as fibras metálicas recubertas.Os resultados mostran que a condutividade térmica efectiva da estrutura de fibra recuberta con Al2(SO4)3 pode ser 4,7 veces maior en comparación co volume de Al2(SO4)3 puro.Examinouse visualmente o revestimento dos revestimentos estudados e avaliouse a estrutura interna mediante unha imaxe microscópica das seccións transversais.Obtívose un revestimento de Al2(SO4)3 cun espesor duns 50 µm, pero o proceso global debe ser optimizado para conseguir unha distribución máis uniforme.
Os sistemas de adsorción gañaron moita atención nas últimas décadas xa que proporcionan unha alternativa ecolóxica ás bombas de calor de compresión tradicionais ou aos sistemas de refrixeración.Co aumento dos estándares de confort e das temperaturas medias globais, os sistemas de adsorción poden reducir a dependencia dos combustibles fósiles nun futuro próximo.Ademais, calquera mellora na refrixeración por adsorción ou as bombas de calor pode transferirse ao almacenamento de enerxía térmica, o que supón un aumento adicional no potencial de uso eficiente da enerxía primaria.A principal vantaxe das bombas de calor de adsorción e dos sistemas de refrixeración é que poden funcionar con baixa masa térmica.Isto fai que sexan axeitados para fontes de baixa temperatura como a enerxía solar ou a calor residual.En canto ás aplicacións de almacenamento de enerxía, a adsorción ten a vantaxe dunha maior densidade de enerxía e unha menor disipación de enerxía en comparación co almacenamento de calor sensible ou latente.
As bombas de calor de adsorción e os sistemas de refrixeración seguen o mesmo ciclo termodinámico que os seus homólogos de compresión de vapor.A principal diferenza é a substitución dos compoñentes do compresor por adsorbentes.O elemento é capaz de absorber vapor de refrixerante a baixa presión a temperaturas moderadas, evaporando máis refrixerante mesmo cando o líquido está frío.É necesario garantir o arrefriamento constante do adsorbente para excluír a entalpía de adsorción (exoterma).O adsorbente rexenerase a alta temperatura, facendo que o vapor do refrixerante se desorba.O quecemento debe continuar proporcionando a entalpía de desorción (endotérmica).Dado que os procesos de adsorción caracterízanse por cambios de temperatura, a alta densidade de potencia require unha elevada condutividade térmica.Non obstante, a baixa condutividade térmica é de lonxe a principal desvantaxe na maioría das aplicacións.
O principal problema da condutividade é aumentar o seu valor medio mantendo o camiño de transporte que proporciona o fluxo de vapores de adsorción/desorción.Para conseguir isto úsanse habitualmente dous enfoques: intercambiadores de calor compostos e intercambiadores de calor revestidos.Os materiais compostos máis populares e exitosos son os que usan aditivos a base de carbono, é dicir, o grafito expandido, o carbón activado ou as fibras de carbono.Oliveira et al.2 impregnado en po de grafito expandido con cloruro de calcio para producir un adsorbente cunha capacidade de refrixeración específica (SCP) de ata 306 W/kg e un coeficiente de rendemento (COP) de ata 0,46.Zajaczkowski et al.3 propuxo unha combinación de grafito expandido, fibra de carbono e cloruro de calcio cunha condutividade total de 15 W/mK.Jian et al4 probaron compostos con grafito natural expandido tratado con ácido sulfúrico (ENG-TSA) como substrato nun ciclo de arrefriamento por adsorción en dúas etapas.O modelo predixo COP de 0,215 a 0,285 e SCP de 161,4 a 260,74 W/kg.
De lonxe, a solución máis viable é o intercambiador de calor revestido.Os mecanismos de revestimento destes intercambiadores de calor pódense dividir en dúas categorías: síntese directa e adhesivos.O método máis exitoso é a síntese directa, que implica a formación de materiais adsorbentes directamente na superficie dos intercambiadores de calor a partir dos reactivos apropiados.Sotech5 patentou un método para sintetizar zeolita recuberta para o seu uso nunha serie de refrixeradores fabricados por Fahrenheit GmbH.Schnabel et al6 probaron o rendemento de dúas zeolitas recubertas de aceiro inoxidable.Non obstante, este método só funciona con adsorbentes específicos, o que fai do revestimento con adhesivos unha alternativa interesante.Os aglutinantes son substancias pasivas escollidas para soportar a adhesión do adsorbente e/ou a transferencia de masa, pero non xogan ningún papel na adsorción ou na mellora da condutividade.Freni et al.7 intercambiadores de calor de aluminio revestido con zeolita AQSOA-Z02 estabilizada cun aglutinante a base de arxila.Calabrese et al.8 estudaron a preparación de revestimentos de zeolita con aglutinantes poliméricos.Ammann et al.9 propuxeron un método para preparar revestimentos de zeolita porosa a partir de mesturas magnéticas de alcohol polivinílico.A alúmina (alúmina) tamén se usa como aglutinante 10 no adsorbente.Segundo o noso coñecemento, a celulosa e a hidroxietil celulosa só se usan en combinación con adsorbentes físicos11,12.Ás veces, a cola non se usa para a pintura, senón que se usa para construír a estrutura 13 por si mesma.A combinación de matrices de polímero de alxinato con múltiples hidratos de sal forma estruturas de perlas compostas flexibles que evitan fugas durante o secado e proporcionan unha transferencia de masa adecuada.Arxilas como a bentonita e a atapulgita utilizáronse como aglutinantes para a preparación de compostos15,16,17.A etilcelulosa utilizouse para microencapsular cloruro de calcio18 ou sulfuro de sodio19.
Os compostos cunha estrutura metálica porosa pódense dividir en intercambiadores de calor aditivos e intercambiadores de calor revestidos.A vantaxe destas estruturas é a elevada superficie específica.Isto resulta nunha maior superficie de contacto entre o adsorbente e o metal sen a adición dunha masa inerte, o que reduce a eficiencia global do ciclo de refrixeración.Lang et al.20 melloraron a condutividade global dun adsorbente de zeolita cunha estrutura de panal de mel de aluminio.Gillerminot et al.21 mellorou a condutividade térmica das capas de zeolita NaX con escuma de cobre e níquel.Aínda que os compostos úsanse como materiais de cambio de fase (PCM), os descubrimentos de Li et al.22 e Zhao et al.23 tamén son de interese para a quimisorción.Compararon o rendemento do grafito expandido e da escuma metálica e concluíron que este último só era preferible se a corrosión non era un problema.Palomba et al.recentemente compararon outras estruturas porosas metálicas24.Van der Pal et al.estudaron sales metálicas incrustadas en espumas 25 .Todos os exemplos anteriores corresponden a capas densas de adsorbentes de partículas.As estruturas porosas metálicas practicamente non se usan para recubrir os adsorbentes, o que é unha solución máis óptima.Un exemplo de unión ás zeolitas pódese atopar en Wittstadt et al.26 pero non se tentou unir os hidratos de sal a pesar da súa maior densidade enerxética 27 .
Así, neste artigo exploraranse tres métodos para preparar revestimentos adsorbentes: (1) revestimento de aglutinante, (2) reacción directa e (3) tratamento de superficie.A hidroxietilcelulosa foi o aglutinante escollido neste traballo debido á estabilidade previamente informada e á boa adhesión do revestimento en combinación con adsorbentes físicos.Este método investigouse inicialmente para revestimentos planos e posteriormente aplicouse a estruturas de fibras metálicas.Previamente, informouse dunha análise preliminar da posibilidade de reaccións químicas coa formación de revestimentos adsorbentes.A experiencia previa transfírese agora ao revestimento de estruturas de fibra metálica.O tratamento superficial elixido para este traballo é un método baseado na anodización do aluminio.O anodizado de aluminio combinouse con éxito con sales metálicas con fins estéticos29.Nestes casos pódense obter revestimentos moi estables e resistentes á corrosión.Non obstante, non poden levar a cabo ningún proceso de adsorción ou desorción.Este traballo presenta unha variante deste enfoque que permite mover masa utilizando as propiedades adhesivas do proceso orixinal.Segundo o que sabemos, ningún dos métodos descritos aquí foi estudado previamente.Representan unha nova tecnoloxía moi interesante porque permiten a formación de recubrimentos adsorbentes hidratados, que presentan unha serie de vantaxes sobre os adsorbentes físicos frecuentemente estudados.
As placas de aluminio estampadas utilizadas como substratos para estes experimentos foron proporcionadas por ALINVEST Břidličná, República Checa.Conteñen un 98,11% de aluminio, un 1,3622% de ferro, un 0,3618% de manganeso e restos de cobre, magnesio, silicio, titanio, cinc, cromo e níquel.
Os materiais escollidos para a fabricación de compostos son seleccionados de acordo coas súas propiedades termodinámicas, é dicir, en función da cantidade de auga que poden adsorber/desorber a temperaturas inferiores a 120 °C.
O sulfato de magnesio (MgSO4) é unha das sales hidratadas máis interesantes e estudadas30,31,32,33,34,35,36,37,38,39,40,41.As propiedades termodinámicas medironse de forma sistemática e consideráronse adecuadas para aplicacións nos campos da refrixeración por adsorción, as bombas de calor e o almacenamento de enerxía.Utilizouse sulfato de magnesio seco CAS-Nr.7487-88-9 99% (Grüssing GmbH, Filsum, Niedersachsen, Germany).
O cloruro de calcio (CaCl2) (H319) é outra sal ben estudada porque o seu hidrato ten interesantes propiedades termodinámicas41,42,43,44.Cloruro de calcio hexahidratado Nº CAS.7774-34-7 97% usado (Grüssing, GmbH, Filsum, Niedersachsen, Alemaña).
O sulfato de cinc (ZnSO4) (H3O2, H318, H410) e os seus hidratos teñen propiedades termodinámicas adecuadas para procesos de adsorción a baixa temperatura45,46.Utilizouse sulfato de cinc heptahidratado CAS-Nr.7733-02-0 99,5 % (Grüssing GmbH, Filsum, Niedersachsen, Alemaña).
O cloruro de estroncio (SrCl2) (H318) tamén ten propiedades termodinámicas interesantes4,45,47 aínda que adoita combinarse con amoníaco na investigación da bomba de calor por adsorción ou do almacenamento de enerxía.Para a síntese utilizouse cloruro de estroncio hexahidratado CAS-Nr.10.476-85-4 99,0–102,0 % (Sigma Aldrich, St. Louis, Missouri, EUA).
O sulfato de cobre (CuSO4) (H302, H315, H319, H410) non se atopa entre os hidratos frecuentemente atopados na literatura profesional, aínda que as súas propiedades termodinámicas son de interese para aplicacións a baixa temperatura48,49.Para a síntese utilizouse sulfato de cobre CAS-Nr.7758-99-8 99% (Sigma Aldrich, St. Louis, MO, EUA).
O cloruro de magnesio (MgCl2) é unha das sales hidratadas que máis atención recibiu recentemente no campo do almacenamento de enerxía térmica50,51.Para os experimentos utilizouse cloruro de magnesio hexahidratado CAS-Nr.7791-18-6 de calidade farmacéutica pura (Applichem GmbH., Darmstadt, Alemaña).
Como se mencionou anteriormente, escolleuse hidroxietil celulosa debido aos resultados positivos en aplicacións similares.O material utilizado na nosa síntese é a hidroxietilcelulosa CAS-Nr 9004-62-0 (Sigma Aldrich, St. Louis, MO, EUA).
As fibras metálicas están feitas de fíos curtos unidos entre si por compresión e sinterización, un proceso coñecido como extracción por fusión en crisol (CME)52.Isto significa que a súa condutividade térmica depende non só da condutividade a granel dos metais utilizados na fabricación e da porosidade da estrutura final, senón tamén da calidade dos enlaces entre os fíos.As fibras non son isótropas e tenden a distribuírse nunha determinada dirección durante a produción, o que fai que a condutividade térmica na dirección transversal sexa moito menor.
As propiedades de absorción de auga foron investigadas mediante análise termogravimétrica simultánea (TGA)/análise termogravimétrica diferencial (DTG) nun paquete ao baleiro (Netzsch TG 209 F1 Libra).As medicións realizáronse nunha atmosfera de nitróxeno fluída a un caudal de 10 ml/min e nun rango de temperaturas de 25 a 150 °C en crisols de óxido de aluminio.A velocidade de quecemento foi de 1 °C/min, o peso da mostra variou de 10 a 20 mg, a resolución foi de 0,1 μg.Neste traballo, hai que ter en conta que a diferenza de masa por unidade de superficie ten unha gran incerteza.As mostras utilizadas en TGA-DTG son moi pequenas e cortadas irregularmente, o que fai que a súa determinación de área sexa inexacta.Estes valores só se poden extrapolar a unha área maior se se teñen en conta grandes desviacións.
Os espectros infravermellos de transformada de Fourier de reflexión total atenuada (ATR-FTIR) foron adquiridos nun espectrómetro FTIR Bruker Vertex 80 v (Bruker Optik GmbH, Leipzig, Alemaña) utilizando un accesorio de platino ATR (Bruker Optik GmbH, Alemaña).Os espectros dos cristais de diamante puro seco midéronse directamente ao baleiro antes de usar as mostras como fondo para medicións experimentais.As mostras midéronse ao baleiro utilizando unha resolución espectral de 2 cm-1 e un número medio de exploracións de 32. O número de ondas varía de 8000 a 500 cm-1.A análise espectral realizouse mediante o programa OPUS.
A análise SEM realizouse utilizando un DSM 982 Gemini de Zeiss a tensións de aceleración de 2 e 5 kV.A espectroscopia de raios X de dispersión de enerxía (EDX) realizouse usando un Thermo Fischer System 7 cun detector de deriva de silicio (SSD) arrefriado Peltier.
A preparación das placas metálicas realizouse seguindo un procedemento similar ao descrito no 53. En primeiro lugar, mergúllase a placa en ácido sulfúrico ao 50%.15 minutos.Despois introducíronse nunha solución de hidróxido de sodio 1 M durante uns 10 segundos.A continuación, laváronse as mostras cunha gran cantidade de auga destilada e, a continuación, laváronse en auga destilada durante 30 minutos.Despois do tratamento superficial preliminar, as mostras foron mergulladas nunha solución saturada ao 3%.HEC e sal obxectivo.Por último, sácaos e sécaos a 60 °C.
O método de anodizado mellora e fortalece a capa de óxido natural do metal pasivo.Os paneis de aluminio foron anodizados con ácido sulfúrico en estado endurecido e logo selados en auga quente.A anodización seguiu un gravado inicial con 1 mol/l de NaOH (600 s) seguido dunha neutralización en 1 mol/l de HNO3 (60 s).A solución electrolítica é unha mestura de 2,3 M H2SO4, 0,01 M Al2(SO4)3 e 1 M MgSO4 + 7H2O.A anodización realizouse a (40 ± 1) °C, 30 mA/cm2 durante 1200 segundos.O proceso de selado realizouse en varias solucións de salmoira tal e como se describe nos materiais (MgSO4, CaCl2, ZnSO4, SrCl2, CuSO4, MgCl2).A mostra cóvese nel durante 1800 segundos.
Investigáronse tres métodos diferentes para producir compostos: revestimento adhesivo, reacción directa e tratamento de superficie.As vantaxes e inconvenientes de cada método de adestramento analízanse e discuten sistematicamente.Para avaliar os resultados utilizáronse a observación directa, a nanoimaxe e a análise química/elemental.
Elixiuse o anodizado como método de tratamento de superficie de conversión para aumentar a adhesión dos hidratos de sal.Este tratamento superficial crea unha estrutura porosa de alúmina (alúmina) directamente sobre a superficie do aluminio.Tradicionalmente, este método consta de dúas etapas: a primeira etapa crea unha estrutura porosa de óxido de aluminio e a segunda etapa crea un revestimento de hidróxido de aluminio que pecha os poros.Os seguintes son dous métodos para bloquear o sal sen bloquear o acceso á fase gaseosa.O primeiro consiste nun sistema de panal que utiliza pequenos tubos de óxido de aluminio (Al2O3) obtidos no primeiro paso para suxeitar os cristais adsorbentes e aumentar a súa adhesión ás superficies metálicas.Os panales resultantes teñen un diámetro duns 50 nm e unha lonxitude de 200 nm (fig. 1a).Como se mencionou anteriormente, estas cavidades adoitan pecharse nun segundo paso cunha fina capa de boehmita Al2O(OH)2 apoiada polo proceso de ebulición do tubo de alúmina.No segundo método, este proceso de selado modifícase de tal xeito que os cristais de sal quedan capturados nunha capa uniforme de boehmita (Al2O(OH)), que neste caso non se utiliza para selado.A segunda etapa realízase nunha solución saturada do sal correspondente.Os patróns descritos teñen tamaños no rango de 50-100 nm e parecen gotas salpicadas (Fig. 1b).A superficie obtida como resultado do proceso de selado ten unha estrutura espacial pronunciada cunha área de contacto aumentada.Este patrón de superficie, xunto coas súas moitas configuracións de unión, é ideal para transportar e suxeitar cristais de sal.Ambas as estruturas descritas parecen ser verdadeiramente porosas e teñen pequenas cavidades que parecen ser adecuadas para reter os hidratos de sal e adsorber vapores ao sal durante o funcionamento do adsorbente.Non obstante, a análise elemental destas superficies mediante EDX pode detectar trazas de magnesio e xofre na superficie da boehmita, que non se detectan no caso dunha superficie de alúmina.
O ATR-FTIR da mostra confirmou que o elemento era sulfato de magnesio (ver Figura 2b).O espectro mostra picos característicos de ión sulfato a 610–680 e 1080–1130 cm–1 e picos característicos de auga de celosía a 1600–1700 cm–1 e 3200–3800 cm–1 (ver figura 2a, c).).A presenza de ións magnesio case non cambia o espectro54.
(a) EDX dunha placa de aluminio de MgSO4 revestida de boehmita, (b) Espectros ATR-FTIR de revestimentos de boehmita e MgSO4, (c) Espectros ATR-FTIR de MgSO4 puro.
TGA confirmou o mantemento da eficiencia de adsorción.Sobre a fig.3b mostra un pico de desorción de aprox.60°C.Este pico non se corresponde coa temperatura dos dous picos observados en TGA de sal puro (Fig. 3a).Avaliouse a repetibilidade do ciclo de adsorción-desorción e observouse a mesma curva despois de colocar as mostras nunha atmosfera húmida (Fig. 3c).As diferenzas observadas na segunda etapa de desorción poden ser o resultado da deshidratación nunha atmosfera fluída, xa que isto leva a miúdo a unha deshidratación incompleta.Estes valores corresponden a aproximadamente 17,9 g/m2 na primeira deshidratación e 10,3 g/m2 na segunda.
Comparación da análise TGA de boehmita e MgSO4: análise TGA de MgSO4 puro (a), mestura (b) e despois da rehidratación (c).
O mesmo método realizouse con cloruro de calcio como adsorbente.Os resultados preséntanse na Figura 4. A inspección visual da superficie revelou pequenos cambios no brillo metálico.A pel é apenas visible.SEM confirmou a presenza de pequenos cristais distribuídos uniformemente pola superficie.Non obstante, a TGA non mostrou deshidratación por debaixo dos 150 °C.Isto pode deberse ao feito de que a proporción de sal é demasiado pequena en comparación coa masa total do substrato para a detección por TGA.
Na fig.5. Neste caso, non se produciu a esperada incorporación de CuSO4 á estrutura do óxido de Al.En cambio, obsérvanse agullas soltas xa que se usan habitualmente para o hidróxido de cobre Cu(OH)2 usado con tintes turquesas típicos.
O tratamento superficial anodizado tamén se probou en combinación con cloruro de estroncio.Os resultados mostraron unha cobertura desigual (ver Figura 6a).Para determinar se o sal cubría toda a superficie, realizouse unha análise EDX.A curva dun punto da zona gris (punto 1 da figura 6b) mostra pouco estroncio e moito aluminio.Isto indica un baixo contido de estroncio na zona medida, o que, á súa vez, indica unha baixa cobertura de cloruro de estroncio.Pola contra, as áreas brancas teñen un alto contido en estroncio e un baixo contido en aluminio (puntos 2-6 da figura 6b).A análise EDX da zona branca mostra puntos máis escuros (puntos 2 e 4 da figura 6b), baixos en cloro e altos en xofre.Isto pode indicar a formación de sulfato de estroncio.Os puntos máis brillantes reflicten un alto contido de cloro e un baixo contido de xofre (puntos 3, 5 e 6 da figura 6b).Isto pódese explicar polo feito de que a parte principal do revestimento branco consiste no cloruro de estroncio esperado.A TGA da mostra confirmou a interpretación da análise cun pico á temperatura característica do cloruro de estroncio puro (Fig. 6c).O seu pequeno valor pode xustificarse cunha pequena fracción de sal en comparación coa masa do soporte metálico.A masa de desorción determinada nos experimentos corresponde á cantidade de 7,3 g/m2 emitida por unidade de superficie do adsorbente a unha temperatura de 150 °C.
Tamén se probaron revestimentos de sulfato de cinc tratados con Eloxal.Macroscópicamente, o revestimento é unha capa moi fina e uniforme (Fig. 7a).Non obstante, o SEM revelou unha superficie cuberta de pequenos cristais separados por áreas baleiras (Fig. 7b).Comparouse o TGA do revestimento e do substrato co do sal puro (Figura 7c).O sal puro ten un pico asimétrico a 59,1 °C.O aluminio revestido mostrou dous pequenos picos a 55,5 °C e 61,3 °C, indicando a presenza de sulfato de cinc hidratado.A diferenza de masa revelada no experimento corresponde a 10,9 g/m2 a unha temperatura de deshidratación de 150 °C.
Como na aplicación anterior53, utilizouse hidroxietilcelulosa como aglutinante para mellorar a adhesión e estabilidade do revestimento adsorbente.A compatibilidade dos materiais e o efecto sobre o rendemento de adsorción foi avaliado pola TGA.A análise realízase en relación coa masa total, é dicir, a mostra inclúe unha placa metálica utilizada como substrato de revestimento.A adhesión é probada mediante unha proba baseada na proba de muescas cruzadas definida na especificación ISO2409 (non se pode cumprir coa especificación de separación de muescas dependendo do grosor e do ancho da especificación).
O recubrimento dos paneis con cloruro de calcio (CaCl2) (ver Fig. 8a) deu lugar a unha distribución desigual, que non se observou no revestimento de aluminio puro utilizado para a proba de muesca transversal.En comparación cos resultados para CaCl2 puro, a TGA (Fig. 8b) mostra dous picos característicos desprazados cara a temperaturas máis baixas de 40 e 20 °C, respectivamente.A proba de sección transversal non permite unha comparación obxectiva porque a mostra de CaCl2 pura (mostra á dereita na figura 8c) é un precipitado en po, que elimina as partículas máis altas.Os resultados de HEC mostraron un revestimento moi fino e uniforme cunha adhesión satisfactoria.A diferenza de masa mostrada na fig.8b corresponde a 51,3 g/m2 por unidade de superficie do adsorbente a unha temperatura de 150 °C.
Tamén se obtiveron resultados positivos en canto a adhesión e uniformidade co sulfato de magnesio (MgSO4) (ver figura 9).A análise do proceso de desorción do revestimento mostrou a presenza dun pico de aprox.60°C.Esta temperatura correspóndese coa etapa de desorción principal observada na deshidratación de sales puras, o que supón outro paso a 44 °C.Corresponde á transición de hexahidrato a pentahidrato e non se observa no caso de revestimentos con aglutinantes.As probas de sección transversal mostran unha mellor distribución e adhesión en comparación cos revestimentos feitos con sal pura.A diferenza de masa observada en TGA-DTC corresponde a 18,4 g/m2 por unidade de superficie do adsorbente a unha temperatura de 150 °C.
Debido ás irregularidades da superficie, o cloruro de estroncio (SrCl2) ten un revestimento irregular nas aletas (Fig. 10a).Non obstante, os resultados da proba de muesca transversal mostraron unha distribución uniforme cunha adhesión significativamente mellorada (Fig. 10c).A análise de TGA mostrou unha diferenza moi pequena de peso, que debe deberse ao menor contido de sal en comparación co substrato metálico.Non obstante, os pasos da curva mostran a presenza dun proceso de deshidratación, aínda que o pico está asociado á temperatura obtida ao caracterizar o sal puro.Os picos a 110 °C e 70,2 °C observados nas Figs.Tamén se atoparon 10b ao analizar o sal puro.Non obstante, o principal paso de deshidratación observado en sal puro a 50 °C non se reflectiu nas curvas usando o aglutinante.Pola contra, a mestura de aglutinante mostrou dous picos a 20,2 °C e 94,1 °C, que non foron medidos para o sal puro (Fig. 10b).A unha temperatura de 150 °C, a diferenza de masa observada corresponde a 7,2 g/m2 por unidade de superficie do adsorbente.
A combinación de HEC e sulfato de cinc (ZnSO4) non deu resultados aceptables (Figura 11).A análise TGA do metal revestido non revelou ningún proceso de deshidratación.Aínda que a distribución e adherencia do revestimento melloraron, as súas propiedades aínda están lonxe de ser óptimas.
A forma máis sinxela de recubrir as fibras metálicas cunha capa fina e uniforme é a impregnación húmida (Fig. 12a), que inclúe a preparación do sal obxectivo e a impregnación das fibras metálicas cunha solución acuosa.
Ao prepararse para a impregnación húmida, atópanse dous problemas principais.Por unha banda, a tensión superficial da solución salina impide a correcta incorporación do líquido á estrutura porosa.A cristalización na superficie exterior (Fig. 12d) e as burbullas de aire atrapadas no interior da estrutura (Fig. 12c) só se poden reducir diminuíndo a tensión superficial e mollando previamente a mostra con auga destilada.A disolución forzada na mostra evacuando o aire dentro ou creando un fluxo de solución na estrutura son outras formas eficaces de garantir o recheo completo da estrutura.
O segundo problema que se atopou durante a preparación foi a eliminación da película dunha parte do sal (ver figura 12b).Este fenómeno caracterízase pola formación dun revestimento seco na superficie de disolución, que detén o secado estimulado convectivamente e inicia o proceso estimulado por difusión.O segundo mecanismo é moito máis lento que o primeiro.Como resultado, é necesaria unha temperatura elevada para un tempo de secado razoable, o que aumenta o risco de que se formen burbullas no interior da mostra.Este problema resólvese introducindo un método alternativo de cristalización baseado non no cambio de concentración (evaporación), senón no cambio de temperatura (como no exemplo con MgSO4 da figura 13).
Representación esquemática do proceso de cristalización durante o arrefriamento e separación das fases sólida e líquida mediante MgSO4.
As solucións de sal saturadas pódense preparar a temperatura ambiente (HT) ou por riba usando este método.No primeiro caso, a cristalización foi forzada baixando a temperatura por debaixo da temperatura ambiente.No segundo caso, a cristalización produciuse cando a mostra se arrefriou a temperatura ambiente (RT).O resultado é unha mestura de cristais (B) e disoltos (A), cuxa parte líquida é eliminada por aire comprimido.Este enfoque non só evita a formación dunha película sobre estes hidratos, senón que tamén reduce o tempo necesario para a preparación doutros compostos.Non obstante, a eliminación do líquido mediante aire comprimido leva a unha cristalización adicional do sal, o que resulta nun revestimento máis groso.
Outro método que se pode usar para recubrir superficies metálicas implica a produción directa de sales diana mediante reaccións químicas.Os intercambiadores de calor revestidos feitos pola reacción de ácidos sobre as superficies metálicas de aletas e tubos teñen unha serie de vantaxes, como se informou no noso estudo anterior.A aplicación deste método ás fibras levou a resultados moi pobres debido á formación de gases durante a reacción.A presión das burbullas de gas hidróxeno acumúlase dentro da sonda e desprázase a medida que se expulsa o produto (Fig. 14a).
O revestimento foi modificado mediante unha reacción química para controlar mellor o espesor e a distribución do revestimento.Este método implica facer pasar unha corrente de néboa ácida a través da mostra (Figura 14b).Espérase que isto resulte nun revestimento uniforme por reacción co metal do substrato.Os resultados foron satisfactorios, pero o proceso foi demasiado lento para ser considerado un método eficaz (Fig. 14c).Pódense conseguir tempos de reacción máis curtos mediante o quecemento localizado.
Para superar as desvantaxes dos métodos anteriores, estudouse un método de revestimento baseado no uso de adhesivos.Seleccionouse a HEC en función dos resultados presentados na sección anterior.Todas as mostras preparáronse ao 3% en peso.O aglutinante mestúrase con sal.Pretratáronse as fibras seguindo o mesmo procedemento que para as costelas, é dicir, empapadas ao 50% vol.dentro de 15 minutos.ácido sulfúrico, despois empapado en hidróxido de sodio durante 20 segundos, lavado en auga destilada e finalmente empapado en auga destilada durante 30 minutos.Neste caso, engadiuse un paso adicional antes da impregnación.Sumerxe a mostra brevemente nunha solución salina diluída e seca a aproximadamente 60 °C.O proceso está deseñado para modificar a superficie do metal, creando sitios de nucleación que melloran a distribución do revestimento na fase final.A estrutura fibrosa ten un lado onde os filamentos son máis finos e ben compactados, e o lado oposto onde os filamentos son máis grosos e menos distribuídos.Este é o resultado de 52 procesos de fabricación.
Os resultados para o cloruro de calcio (CaCl2) resúmense e ilustran con imaxes na Táboa 1. Boa cobertura despois da inoculación.Mesmo aqueles fíos sen cristais visibles na superficie tiñan reflexos metálicos reducidos, o que indica un cambio no acabado.Non obstante, despois de que as mostras foron impregnadas cunha mestura acuosa de CaCl2 e HEC e secadas a unha temperatura duns 60 °C, os revestimentos concentráronse nas interseccións das estruturas.Este é un efecto causado pola tensión superficial da solución.Despois do remollo, o líquido permanece dentro da mostra debido á súa tensión superficial.Básicamente ocorre na intersección de estruturas.O mellor lado do exemplar ten varios buratos cheos de sal.O peso aumentou en 0,06 g/cm3 despois do revestimento.
O revestimento con sulfato de magnesio (MgSO4) produciu máis sal por unidade de volume (táboa 2).Neste caso, o incremento medido é de 0,09 g/cm3.O proceso de sementeira deu lugar a unha ampla cobertura de mostra.Despois do proceso de revestimento, o sal bloquea grandes áreas do lado fino da mostra.Ademais, algunhas áreas do mate están bloqueadas, pero consérvase algunha porosidade.Neste caso, a formación de sal obsérvase facilmente na intersección das estruturas, o que confirma que o proceso de revestimento débese principalmente á tensión superficial do líquido e non á interacción entre o sal e o substrato metálico.
Os resultados da combinación de cloruro de estroncio (SrCl2) e HEC mostraron propiedades similares aos exemplos anteriores (táboa 3).Neste caso, o lado máis fino da mostra está case completamente cuberto.Só son visibles os poros individuais, formados durante o secado como resultado da liberación de vapor da mostra.O patrón observado no lado mate é moi similar ao caso anterior, a zona está bloqueada con sal e as fibras non están completamente cubertas.
Para avaliar o efecto positivo da estrutura fibrosa sobre o rendemento térmico do intercambiador de calor, determinouse a condutividade térmica efectiva da estrutura fibrosa recuberta e comparouse co material de revestimento puro.A condutividade térmica foi medida de acordo coa norma ASTM D 5470-2017 utilizando o dispositivo de panel plano que se mostra na Figura 15a utilizando un material de referencia cunha condutividade térmica coñecida.En comparación con outros métodos de medición transitoria, este principio é vantaxoso para os materiais porosos utilizados no estudo actual, xa que as medicións realízanse en estado estacionario e cun tamaño da mostra suficiente (área base 30 × 30 mm2, altura aproximadamente 15 mm).Preparáronse mostras do material de revestimento puro (referencia) e da estrutura da fibra recuberta para medicións na dirección da fibra e perpendicular á dirección da fibra para avaliar o efecto da condutividade térmica anisotrópica.Os exemplares foron moídos na superficie (grana P320) para minimizar o efecto da rugosidade da superficie debido á preparación da mostra, que non reflicte a estrutura dentro da mostra.