Hvala vam što ste posjetili Nature.com. Verzija preglednika koju koristite ima ograničenu podršku za CSS. Za najbolje iskustvo preporučujemo da koristite ažurirani preglednik (ili onemogućite način kompatibilnosti u Internet Exploreru). U međuvremenu, kako bismo osigurali kontinuiranu podršku, prikazivat ćemo stranicu bez stilova i JavaScripta.
Tržišni udio adsorpcijskih rashladnih sustava i toplinskih pumpi još je uvijek relativno malen u usporedbi s tradicionalnim kompresorskim sustavima. Unatoč ogromnoj prednosti korištenja jeftine topline (umjesto skupog električnog rada), implementacija sustava temeljenih na principima adsorpcije još je uvijek ograničena na nekoliko specifičnih primjena. Glavni nedostatak koji treba ukloniti je smanjenje specifične snage zbog niske toplinske vodljivosti i niske stabilnosti adsorbenta. Trenutni komercijalni adsorpcijski rashladni sustavi temelje se na adsorberima na bazi pločastih izmjenjivača topline obloženih radi optimizacije rashladnog kapaciteta. Rezultati su dobro poznati da smanjenje debljine premaza dovodi do smanjenja impedancije prijenosa mase, a povećanje omjera površine i volumena vodljivih struktura povećava snagu bez ugrožavanja učinkovitosti. Metalna vlakna korištena u ovom radu mogu osigurati specifičnu površinu u rasponu od 2500–50 000 m2/m3. Tri metode za dobivanje vrlo tankih, ali stabilnih premaza hidrata soli na metalnim površinama, uključujući metalna vlakna, za proizvodnju premaza prvi put demonstriraju izmjenjivač topline visoke gustoće snage. Površinska obrada temeljena na anodizaciji aluminija odabrana je kako bi se stvorila jača veza između premaza i podloge. Mikrostruktura rezultirajuće površine analizirana je skenirajućom elektronskom mikroskopijom. Za provjeru prisutnosti željenih vrsta u testu korištene su Fourierova transformacijska infracrvena spektroskopija sa smanjenom totalnom refleksijom i energetski disperzivna rendgenska spektroskopija. Njihova sposobnost stvaranja hidrata potvrđena je kombiniranom termogravimetrijskom analizom (TGA)/diferencijalnom termogravimetrijskom analizom (DTG). U MgSO4 premazu pronađena je loša kvaliteta preko 0,07 g (voda)/g (kompozit), koja pokazuje znakove dehidracije na oko 60 °C i reproducibilna je nakon rehidratacije. Pozitivni rezultati dobiveni su i sa SrCl2 i ZnSO4 s razlikom u masi od oko 0,02 g/g ispod 100 °C. Hidroksietilceluloza odabrana je kao aditiv za povećanje stabilnosti i prianjanja premaza. Adsorptivna svojstva proizvoda procijenjena su simultanom TGA-DTG analizom, a njihova prianjanja karakterizirana je metodom temeljenom na ispitivanjima opisanim u ISO2409. Konzistencija i prianjanje CaCl2 premaza značajno su poboljšani uz održavanje njegovog adsorpcijskog kapaciteta s razlikom u težini od oko 0,1 g/g na temperaturama ispod 100 °C. Osim toga, MgSO4 zadržava sposobnost stvaranja hidrata, pokazujući razliku u masi od više od 0,04 g/g na temperaturama ispod 100 °C. Konačno, ispituju se obložena metalna vlakna. Rezultati pokazuju da efektivna toplinska vodljivost strukture vlakana obložene s Al2(SO4)3 može biti 4,7 puta veća u usporedbi s volumenom čistog Al2(SO4)3. Premaz proučavanih premaza pregledan je vizualno, a unutarnja struktura procijenjena je pomoću mikroskopske slike presjeka. Dobiven je premaz Al2(SO4)3 debljine oko 50 µm, ali cjelokupni proces mora se optimizirati kako bi se postigla ujednačenija raspodjela.
Adsorpcijski sustavi privukli su mnogo pozornosti u posljednjih nekoliko desetljeća jer pružaju ekološki prihvatljivu alternativu tradicionalnim kompresijskim toplinskim pumpama ili rashladnim sustavima. S rastućim standardima udobnosti i globalnim prosječnim temperaturama, adsorpcijski sustavi mogli bi smanjiti ovisnost o fosilnim gorivima u bliskoj budućnosti. Osim toga, sva poboljšanja u adsorpcijskom hlađenju ili toplinskim pumpama mogu se prenijeti na skladištenje toplinske energije, što predstavlja dodatno povećanje potencijala za učinkovito korištenje primarne energije. Glavna prednost adsorpcijskih toplinskih pumpi i rashladnih sustava je što mogu raditi s malom toplinskom masom. To ih čini prikladnima za izvore niskih temperatura poput solarne energije ili otpadne topline. Što se tiče primjene skladištenja energije, adsorpcija ima prednost veće gustoće energije i manjeg rasipanja energije u usporedbi sa skladištenjem osjetne ili latentne topline.
Adsorpcijske toplinske pumpe i rashladni sustavi slijede isti termodinamički ciklus kao i njihovi kolege s kompresijom pare. Glavna razlika je zamjena komponenti kompresora adsorberima. Element je sposoban adsorbirati paru rashladnog sredstva niskog tlaka na umjerenim temperaturama, isparavajući više rashladnog sredstva čak i kada je tekućina hladna. Potrebno je osigurati stalno hlađenje adsorbera kako bi se isključila entalpija adsorpcije (egzoterma). Adsorber se regenerira na visokoj temperaturi, uzrokujući desorpciju pare rashladnog sredstva. Zagrijavanje se mora nastaviti kako bi se osigurala entalpija desorpcije (endoterma). Budući da su procesi adsorpcije karakterizirani promjenama temperature, visoka gustoća snage zahtijeva visoku toplinsku vodljivost. Međutim, niska toplinska vodljivost je daleko glavni nedostatak u većini primjena.
Glavni problem vodljivosti je povećanje njezine prosječne vrijednosti uz održavanje transportnog puta koji osigurava protok adsorpcijskih/desorpcijskih para. Za postizanje toga obično se koriste dva pristupa: kompozitni izmjenjivači topline i obloženi izmjenjivači topline. Najpopularniji i najuspješniji kompozitni materijali su oni koji koriste aditive na bazi ugljika, naime ekspandirani grafit, aktivni ugljen ili ugljična vlakna. Oliveira i sur.2 impregnirali su prah ekspandiranog grafita kalcijevim kloridom kako bi proizveli adsorber sa specifičnim rashladnim kapacitetom (SCP) do 306 W/kg i koeficijentom učinkovitosti (COP) do 0,46. Zajaczkowski i sur.3 predložili su kombinaciju ekspandiranog grafita, ugljičnih vlakana i kalcijevog klorida s ukupnom vodljivošću od 15 W/mK. Jian i sur.4 testirali su kompozite s ekspandiranim prirodnim grafitom obrađenim sumpornom kiselinom (ENG-TSA) kao podlogom u dvostupanjskom ciklusu adsorpcijskog hlađenja. Model je predvidio COP od 0,215 do 0,285 i SCP od 161,4 do 260,74 W/kg.
Daleko najodrživije rješenje je obloženi izmjenjivač topline. Mehanizmi oblaganja ovih izmjenjivača topline mogu se podijeliti u dvije kategorije: izravna sinteza i ljepila. Najuspješnija metoda je izravna sinteza, koja uključuje stvaranje adsorpcijskih materijala izravno na površini izmjenjivača topline iz odgovarajućih reagensa. Sotech5 patentirao je metodu za sintezu obloženog zeolita za upotrebu u nizu hladnjaka koje proizvodi Fahrenheit GmbH. Schnabel i sur.6 testirali su performanse dva zeolita obložena na nehrđajućem čeliku. Međutim, ova metoda radi samo sa specifičnim adsorbentima, što oblaganje ljepilima čini zanimljivom alternativom. Veziva su pasivne tvari odabrane za podršku adheziji sorbenta i/ili prijenosu mase, ali ne igraju nikakvu ulogu u poboljšanju adsorpcije ili vodljivosti. Freni i sur.7 obložili su aluminijske izmjenjivače topline zeolitom AQSOA-Z02 stabiliziranim vezivom na bazi gline. Calabrese i sur.8 proučavali su pripremu zeolitnih premaza s polimernim vezivima. Ammann i sur.9 predložili su metodu za pripremu poroznih zeolitnih premaza iz magnetskih smjesa polivinil alkohola. Aluminijev oksid (aluminijev oksid) se također koristi kao vezivo 10 u adsorberu. Koliko znamo, celuloza i hidroksietil celuloza koriste se samo u kombinaciji s fizičkim adsorbentima11,12. Ponekad se ljepilo ne koristi za boju, već se koristi za samostalnu izgradnju strukture 13. Kombinacija matrica alginatnih polimera s više hidrata soli tvori fleksibilne kompozitne strukture kuglica koje sprječavaju curenje tijekom sušenja i osiguravaju adekvatan prijenos mase. Gline poput bentonita i atapulgita korištene su kao veziva za pripremu kompozita15,16,17. Etilceluloza se koristila za mikrokapsuliranje kalcijevog klorida18 ili natrijevog sulfida19.
Kompoziti s poroznom metalnom strukturom mogu se podijeliti na aditivne izmjenjivače topline i obložene izmjenjivače topline. Prednost ovih struktura je velika specifična površina. To rezultira većom kontaktnom površinom između adsorbenta i metala bez dodavanja inertne mase, što smanjuje ukupnu učinkovitost rashladnog ciklusa. Lang i sur.20 poboljšali su ukupnu vodljivost zeolitnog adsorbera s aluminijskom saćastom strukturom. Gillerminot i sur.21 poboljšali su toplinsku vodljivost slojeva NaX zeolita s bakrenom i nikl pjenom. Iako se kompoziti koriste kao materijali za promjenu faze (PCM), nalazi Li i sur.22 i Zhao i sur.23 također su zanimljivi za kemisorpciju. Usporedili su performanse ekspandiranog grafita i metalne pjene te zaključili da je potonja poželjnija samo ako korozija nije problem. Palomba i sur. nedavno su usporedili druge metalne porozne strukture24. Van der Pal i sur. proučavali su metalne soli ugrađene u pjene25. Svi prethodni primjeri odgovaraju gustim slojevima čestičnih adsorbensa. Metalne porozne strukture praktički se ne koriste za oblaganje adsorbera, što je optimalnije rješenje. Primjer vezanja na zeolite može se naći u Wittstadt i suradnici 26, ali nije učinjen nijedan pokušaj vezanja hidrata soli unatoč njihovoj većoj gustoći energije 27.
Stoga će se u ovom članku istražiti tri metode za pripremu adsorbentnih premaza: (1) premazivanje vezivom, (2) izravna reakcija i (3) obrada površine. Hidroksietilceluloza bila je vezivo izbora u ovom radu zbog prethodno zabilježene stabilnosti i dobrog prianjanja premaza u kombinaciji s fizičkim adsorbentima. Ova metoda je u početku istraživana za ravne premaze, a kasnije je primijenjena na strukture od metalnih vlakana. Prethodno je objavljena preliminarna analiza mogućnosti kemijskih reakcija s nastankom adsorbentnih premaza. Prethodna iskustva sada se prenose na premazivanje struktura od metalnih vlakana. Obrada površine odabrana za ovaj rad je metoda temeljena na eloksiranju aluminija. Anodizacija aluminija uspješno je kombinirana s metalnim solima u estetske svrhe29. U tim slučajevima mogu se dobiti vrlo stabilni i na koroziju otporni premazi. Međutim, oni ne mogu provesti nikakav proces adsorpcije ili desorpcije. Ovaj rad predstavlja varijantu ovog pristupa koja omogućuje pomicanje mase korištenjem adhezivnih svojstava izvornog procesa. Koliko je nama poznato, nijedna od ovdje opisanih metoda nije prethodno proučavana. Predstavljaju vrlo zanimljivu novu tehnologiju jer omogućuju stvaranje hidratiziranih adsorbentnih premaza, koji imaju niz prednosti u odnosu na često proučavane fizičke adsorbente.
Aluminijske ploče s prešanim uzorkom korištene kao podloge za ove eksperimente osigurala je tvrtka ALINVEST Břidličná iz Češke. Sadrže 98,11% aluminija, 1,3622% željeza, 0,3618% mangana te tragove bakra, magnezija, silicija, titana, cinka, kroma i nikla.
Materijali odabrani za izradu kompozita biraju se u skladu s njihovim termodinamičkim svojstvima, odnosno ovisno o količini vode koju mogu adsorbirati/desorbirati na temperaturama ispod 120°C.
Magnezijev sulfat (MgSO4) jedna je od najzanimljivijih i najproučavanijih hidratiziranih soli30,31,32,33,34,35,36,37,38,39,40,41. Termodinamička svojstva su sustavno izmjerena i utvrđeno je da su prikladna za primjenu u područjima adsorpcijskog hlađenja, toplinskih pumpi i skladištenja energije. Korišten je suhi magnezijev sulfat CAS-br. 7487-88-9 99% (Grüssing GmbH, Filsum, Niedersachsen, Njemačka).
Kalcijev klorid (CaCl2) (H319) je još jedna dobro proučena sol jer njegov hidrat ima zanimljiva termodinamička svojstva41,42,43,44. Kalcijev klorid heksahidrat CAS-br. 7774-34-7 korišteno je 97% (Grüssing, GmbH, Filsum, Niedersachsen, Njemačka).
Cinkov sulfat (ZnSO4) (H3O2, H318, H410) i njegovi hidrati imaju termodinamička svojstva pogodna za procese adsorpcije na niskim temperaturama45,46. Korišten je cinkov sulfat heptahidrat CAS-br. 7733-02-0 99,5% (Grüssing GmbH, Filsum, Niedersachsen, Njemačka).
Stroncijev klorid (SrCl2) (H318) također ima zanimljiva termodinamička svojstva4,45,47 iako se često kombinira s amonijakom u istraživanjima adsorpcijskih toplinskih pumpi ili skladištenja energije. Za sintezu je korišten stroncijev klorid heksahidrat CAS-br. 10.476-85-4 99,0–102,0% (Sigma Aldrich, St. Louis, Missouri, SAD).
Bakrov sulfat (CuSO4) (H302, H315, H319, H410) ne spada među hidrate koji se često nalaze u stručnoj literaturi, iako su njegova termodinamička svojstva zanimljiva za primjene na niskim temperaturama48,49. Za sintezu je korišten bakrov sulfat CAS-br. 7758-99-8 99% (Sigma Aldrich, St. Louis, MO, SAD).
Magnezijev klorid (MgCl2) jedna je od hidratiziranih soli koja je nedavno dobila više pozornosti u području skladištenja toplinske energije50,51. Za eksperimente je korišten magnezijev klorid heksahidrat CAS-br. 7791-18-6, čisti farmaceutski kvalitet (Applichem GmbH., Darmstadt, Njemačka).
Kao što je gore spomenuto, hidroksietil celuloza je odabrana zbog pozitivnih rezultata u sličnim primjenama. Materijal korišten u našoj sintezi je hidroksietil celuloza CAS-br. 9004-62-0 (Sigma Aldrich, St. Louis, MO, SAD).
Metalna vlakna izrađena su od kratkih žica spojenih kompresijom i sinteriranjem, postupkom poznatim kao ekstrakcija taline u lončiću (CME)52. To znači da njihova toplinska vodljivost ovisi ne samo o vodljivosti metala korištenih u proizvodnji i poroznosti konačne strukture, već i o kvaliteti veza između niti. Vlakna nisu izotropna i imaju tendenciju da se raspoređuju u određenom smjeru tijekom proizvodnje, što čini toplinsku vodljivost u poprečnom smjeru znatno nižom.
Svojstva apsorpcije vode istraživana su simultanom termogravimetrijskom analizom (TGA)/diferencijalnom termogravimetrijskom analizom (DTG) u vakuumskom pakiranju (Netzsch TG 209 F1 Libra). Mjerenja su provedena u strujnoj atmosferi dušika pri brzini protoka od 10 ml/min i temperaturnom rasponu od 25 do 150 °C u aluminij-oksidnim lončićima. Brzina zagrijavanja bila je 1 °C/min, težina uzorka varirala je od 10 do 20 mg, a rezolucija 0,1 μg. U ovom radu treba napomenuti da razlika mase po jedinici površine ima veliku nesigurnost. Uzorci korišteni u TGA-DTG su vrlo mali i nepravilno izrezani, što određivanje njihove površine čini netočnim. Ove vrijednosti mogu se ekstrapolirati na veću površinu samo ako se uzmu u obzir velika odstupanja.
Spektri Fourierove transformacije infracrvenog zračenja s oslabljenom totalnom refleksijom (ATR-FTIR) snimljeni su na Bruker Vertex 80 v FTIR spektrometru (Bruker Optik GmbH, Leipzig, Njemačka) korištenjem ATR platinastog pribora (Bruker Optik GmbH, Njemačka). Spektri čistih suhih dijamantnih kristala izmjereni su izravno u vakuumu prije korištenja uzoraka kao pozadine za eksperimentalna mjerenja. Uzorci su izmjereni u vakuumu korištenjem spektralne rezolucije od 2 cm-1 i prosječnog broja skeniranja od 32. Raspon valnih brojeva od 8000 do 500 cm-1. Spektralna analiza provedena je korištenjem OPUS programa.
SEM analiza provedena je pomoću DSM 982 Gemini tvrtke Zeiss pri ubrzavajućim naponima od 2 i 5 kV. Energetski disperzivna rendgenska spektroskopija (EDX) provedena je pomoću Thermo Fischer System 7 s Peltierovim hlađenim silicijskim drift detektorom (SSD).
Priprema metalnih ploča provedena je prema postupku sličnom onome opisanom u 53. Prvo, ploča se uroni u 50%-tnu sumpornu kiselinu. 15 minuta. Zatim su uronjene u 1 M otopinu natrijevog hidroksida na oko 10 sekundi. Nakon toga su uzorci isprani velikom količinom destilirane vode, a zatim natopljeni destiliranom vodom 30 minuta. Nakon prethodne površinske obrade, uzorci su uronjeni u 3%-tnu zasićenu otopinu HEC-a i ciljane soli. Na kraju, izvađene su i osušene na 60°C.
Metoda anodizacije poboljšava i jača prirodni oksidni sloj na pasivnom metalu. Aluminijske ploče su anodizirane sumpornom kiselinom u očvrsnutom stanju, a zatim zapečaćene u vrućoj vodi. Anodizacija je uslijedila nakon početnog jetkanja s 1 mol/l NaOH (600 s), a zatim neutralizacije u 1 mol/l HNO3 (60 s). Otopina elektrolita je smjesa 2,3 M H2SO4, 0,01 M Al2(SO4)3 i 1 M MgSO4 + 7H2O. Anodizacija je provedena na (40 ± 1)°C, 30 mA/cm2 tijekom 1200 sekundi. Proces brtvljenja proveden je u raznim otopinama slane vode kako je opisano u materijalima (MgSO4, CaCl2, ZnSO4, SrCl2, CuSO4, MgCl2). Uzorak se u njoj kuha 1800 sekundi.
Istražene su tri različite metode za proizvodnju kompozita: nanošenje ljepila, izravna reakcija i površinska obrada. Prednosti i nedostaci svake metode učenja sustavno su analizirani i raspravljeni. Za procjenu rezultata korišteno je izravno promatranje, nanoimaging i kemijska/elementarna analiza.
Anodizacija je odabrana kao metoda površinske obrade za povećanje prianjanja hidrata soli. Ova površinska obrada stvara poroznu strukturu aluminijevog oksida (alumine) izravno na aluminijevoj površini. Tradicionalno, ova metoda se sastoji od dvije faze: prva faza stvara poroznu strukturu aluminijevog oksida, a druga faza stvara premaz aluminijevog hidroksida koji zatvara pore. Slijede dvije metode blokiranja soli bez blokiranja pristupa plinovitoj fazi. Prva se sastoji od sustava saća koji koristi male cijevi od aluminijevog oksida (Al2O3) dobivene u prvom koraku za zadržavanje kristala adsorbenta i povećanje njegovog prianjanja na metalne površine. Dobivene saće imaju promjer od oko 50 nm i duljinu od 200 nm (slika 1a). Kao što je ranije spomenuto, ove šupljine se obično zatvaraju u drugom koraku tankim slojem Al2O(OH)2 bemita podržanog procesom vrenja u cijevi od aluminijevog oksida. U drugoj metodi, ovaj proces brtvljenja je modificiran na način da se kristali soli hvataju u jednolično pokrivajući sloj bemita (Al2O(OH)), koji se u ovom slučaju ne koristi za brtvljenje. Druga faza provodi se u zasićenoj otopini odgovarajuće soli. Opisani uzorci imaju veličine u rasponu od 50 do 100 nm i izgledaju poput raspršenih kapljica (slika 1b). Površina dobivena kao rezultat procesa brtvljenja ima izraženu prostornu strukturu s povećanom kontaktnom površinom. Ovaj površinski uzorak, zajedno s njihovim mnogim konfiguracijama vezivanja, idealan je za nošenje i držanje kristala soli. Čini se da su obje opisane strukture zaista porozne i imaju male šupljine koje se čine vrlo prikladnima za zadržavanje hidrata soli i adsorpciju para na sol tijekom rada adsorbera. Međutim, elementarna analiza ovih površina pomoću EDX-a može otkriti tragove magnezija i sumpora na površini bemita, koji se ne otkrivaju u slučaju površine aluminijevog oksida.
ATR-FTIR uzorka potvrdio je da je element magnezijev sulfat (vidi sliku 2b). Spektar pokazuje karakteristične vrhove sulfatnih iona na 610–680 i 1080–1130 cm–1 te karakteristične vrhove rešetkaste vode na 1600–1700 cm–1 i 3200–3800 cm–1 (vidi sliku 2a, c). Prisutnost magnezijevih iona gotovo ne mijenja spektar54.
(a) EDX aluminijske ploče obložene boehmitom s MgSO4, (b) ATR-FTIR spektri boehmita i MgSO4 premaza, (c) ATR-FTIR spektri čistog MgSO4.
Održavanje učinkovitosti adsorpcije potvrđeno je TGA metodom. Na sl. 3b prikazan je desorpcijski vrh od približno 60°C. Ovaj vrh ne odgovara temperaturi dva vrha uočena u TGA čiste soli (sl. 3a). Procijenjena je ponovljivost ciklusa adsorpcije-desorpcije, a ista krivulja uočena je nakon stavljanja uzoraka u vlažnu atmosferu (sl. 3c). Razlike uočene u drugoj fazi desorpcije mogu biti rezultat dehidracije u protočnoj atmosferi, jer to često dovodi do nepotpune dehidracije. Ove vrijednosti odgovaraju približno 17,9 g/m2 u prvom odvajanju vode i 10,3 g/m2 u drugom odvajanju vode.
Usporedba TGA analize bemita i MgSO4: TGA analiza čistog MgSO4 (a), smjese (b) i nakon rehidratacije (c).
Ista metoda provedena je s kalcijevim kloridom kao adsorbentom. Rezultati su prikazani na slici 4. Vizualnim pregledom površine otkrivene su manje promjene u metalnom sjaju. Dlaka je jedva vidljiva. SEM je potvrdio prisutnost malih kristala ravnomjerno raspoređenih po površini. Međutim, TGA nije pokazao dehidraciju ispod 150°C. To može biti posljedica činjenice da je udio soli premalen u usporedbi s ukupnom masom supstrata za detekciju TGA.
Rezultati površinske obrade premaza bakrenog sulfata metodom anodizacije prikazani su na sl. 5. U ovom slučaju, očekivano ugrađivanje CuSO4 u strukturu Al oksida nije se dogodilo. Umjesto toga, uočavaju se labave iglice jer se one obično koriste za bakreni hidroksid Cu(OH)2 koji se koristi s tipičnim tirkiznim bojama.
Anodizirana površinska obrada također je testirana u kombinaciji sa stroncijevim kloridom. Rezultati su pokazali neravnomjernu pokrivenost (vidi sliku 6a). Kako bi se utvrdilo je li sol prekrila cijelu površinu, provedena je EDX analiza. Krivulja za točku u sivom području (točka 1 na slici 6b) pokazuje malo stroncija i puno aluminija. To ukazuje na nizak sadržaj stroncija u izmjerenoj zoni, što pak ukazuje na nisku pokrivenost stroncijevim kloridom. Suprotno tome, bijela područja imaju visok sadržaj stroncija i nizak sadržaj aluminija (točke 2–6 na slici 6b). EDX analiza bijelog područja pokazuje tamnije točke (točke 2 i 4 na slici 6b), nizak sadržaj klora i visok sadržaj sumpora. To može ukazivati ​​na stvaranje stroncijevog sulfata. Svjetlije točke odražavaju visok sadržaj klora i nizak sadržaj sumpora (točke 3, 5 i 6 na slici 6b). To se može objasniti činjenicom da glavni dio bijelog premaza sastoji se od očekivanog stroncijevog klorida. TGA uzorka potvrdio je interpretaciju analize s vrhom na karakterističnoj temperaturi čistog stroncijevog klorida (slika 6c). Njihova mala vrijednost može se opravdati malim udjelom soli u usporedbi s masom metalnog nosača. Desorpcijska masa određena u eksperimentima odgovara količini od 7,3 g/m2 oslobođenoj po jedinici površine adsorbera na temperaturi od 150°C.
Također su testirani premazi cinkovog sulfata obrađeni eloksalom. Makroskopski, premaz je vrlo tanak i ujednačen sloj (slika 7a). Međutim, SEM je otkrio površinu prekrivenu malim kristalima odvojenim praznim područjima (slika 7b). TGA premaza i podloge uspoređen je s onim čiste soli (slika 7c). Čista sol ima jedan asimetrični vrh na 59,1 °C. Premazani aluminij pokazao je dva mala vrha na 55,5 °C i 61,3 °C, što ukazuje na prisutnost hidrata cinkovog sulfata. Razlika u masi otkrivena u eksperimentu odgovara 10,9 g/m2 pri temperaturi dehidracije od 150 °C.
Kao i u prethodnoj prijavi53, hidroksietil celuloza je korištena kao vezivo za poboljšanje adhezije i stabilnosti sorbentnog premaza. Kompatibilnost materijala i utjecaj na performanse adsorpcije procijenjeni su TGA metodom. Analiza se provodi u odnosu na ukupnu masu, tj. uzorak uključuje metalnu ploču koja se koristi kao podloga premaza. Adhezija se ispituje ispitivanjem temeljenim na ispitivanju križnim zarezom definiranim u specifikaciji ISO2409 (ne može zadovoljiti specifikaciju odvajanja zarezom ovisno o debljini i širini specifikacije).
Premazivanje panela kalcijevim kloridom (CaCl2) (vidi sliku 8a) rezultiralo je neravnomjernom raspodjelom, što nije uočeno kod čistog aluminijskog premaza korištenog za ispitivanje poprečnim zarezom. U usporedbi s rezultatima za čisti CaCl2, TGA (slika 8b) pokazuje dva karakteristična vrha pomaknuta prema nižim temperaturama od 40 odnosno 20°C. Ispitivanje poprečnog presjeka ne omogućuje objektivnu usporedbu jer je uzorak čistog CaCl2 (uzorak desno na slici 8c) praškasti talog koji uklanja gornje čestice. Rezultati HEC-a pokazali su vrlo tanak i ujednačen premaz sa zadovoljavajućom adhezijom. Razlika u masi prikazana na slici 8b odgovara 51,3 g/m2 po jedinici površine adsorbera na temperaturi od 150°C.
Pozitivni rezultati u pogledu adhezije i ujednačenosti dobiveni su i s magnezijevim sulfatom (MgSO4) (vidi sliku 9). Analiza procesa desorpcije premaza pokazala je prisutnost jednog vrha od približno 60 °C. Ova temperatura odgovara glavnom koraku desorpcije koji se vidi kod dehidracije čistih soli, što predstavlja još jedan korak na 44 °C. Odgovara prijelazu iz heksahidrata u pentahidrat i ne opaža se u slučaju premaza s vezivima. Ispitivanja presjeka pokazuju poboljšanu raspodjelu i adheziju u usporedbi s premazima izrađenim korištenjem čiste soli. Razlika u masi uočena u TGA-DTC odgovara 18,4 g/m2 po jedinici površine adsorbera na temperaturi od 150 °C.
Zbog površinskih nepravilnosti, stroncijev klorid (SrCl2) ima neravnomjeran premaz na rebrima (slika 10a). Međutim, rezultati testa poprečnog zareza pokazali su jednoliku raspodjelu sa značajno poboljšanom adhezijom (slika 10c). TGA analiza pokazala je vrlo malu razliku u težini, što mora biti posljedica nižeg sadržaja soli u usporedbi s metalnom podlogom. Međutim, koraci na krivulji pokazuju prisutnost procesa dehidracije, iako je vrh povezan s temperaturom dobivenom pri karakterizaciji čiste soli. Vrhovi na 110°C i 70,2°C uočeni na slici 10b također su pronađeni pri analizi čiste soli. Međutim, glavni korak dehidracije uočen u čistoj soli na 50°C nije se odrazio na krivuljama korištenjem veziva. Nasuprot tome, smjesa veziva pokazala je dva vrha na 20,2°C i 94,1°C, koji nisu izmjereni za čistu sol (slika 10b). Na temperaturi od 150 °C, uočena razlika u masi odgovara 7,2 g/m2 po jedinici površine adsorbera.
Kombinacija HEC-a i cinkovog sulfata (ZnSO4) nije dala prihvatljive rezultate (Slika 11). TGA analiza premazanog metala nije otkrila nikakve procese dehidracije. Iako su se raspodjela i prianjanje premaza poboljšali, njegova svojstva su još uvijek daleko od optimalnih.
Najjednostavniji način premazivanja metalnih vlakana tankim i jednoličnim slojem je mokra impregnacija (slika 12a), koja uključuje pripremu ciljne soli i impregnaciju metalnih vlakana vodenom otopinom.
Prilikom pripreme za mokru impregnaciju javljaju se dva glavna problema. S jedne strane, površinska napetost otopine soli sprječava pravilno ugrađivanje tekućine u poroznu strukturu. Kristalizacija na vanjskoj površini (slika 12d) i mjehurići zraka zarobljeni unutar strukture (slika 12c) mogu se smanjiti samo snižavanjem površinske napetosti i prethodnim vlaženjem uzorka destiliranom vodom. Prisilno otapanje u uzorku evakuacijom zraka iznutra ili stvaranjem protoka otopine u strukturi drugi su učinkoviti načini za osiguranje potpunog punjenja strukture.
Drugi problem koji se pojavio tijekom pripreme bio je uklanjanje filma s dijela soli (vidi sliku 12b). Ovaj fenomen karakterizira stvaranje suhog premaza na površini otapanja, što zaustavlja konvektivno stimulirano sušenje i pokreće proces stimuliran difuzijom. Drugi mehanizam je mnogo sporiji od prvog. Kao rezultat toga, potrebna je visoka temperatura za razumno vrijeme sušenja, što povećava rizik od stvaranja mjehurića unutar uzorka. Ovaj problem se rješava uvođenjem alternativne metode kristalizacije koja se ne temelji na promjeni koncentracije (isparavanje), već na promjeni temperature (kao u primjeru s MgSO4 na slici 13).
Shematski prikaz procesa kristalizacije tijekom hlađenja i odvajanja čvrste i tekuće faze pomoću MgSO4.
Zasićene otopine soli mogu se pripremiti na sobnoj temperaturi (HT) ili iznad nje ovom metodom. U prvom slučaju, kristalizacija je prisiljena snižavanjem temperature ispod sobne temperature. U drugom slučaju, kristalizacija se dogodila kada se uzorak ohladio na sobnu temperaturu (RT). Rezultat je smjesa kristala (B) i otopljenog (A), čiji se tekući dio uklanja komprimiranim zrakom. Ovaj pristup ne samo da izbjegava stvaranje filma na tim hidratima, već i smanjuje vrijeme potrebno za pripremu drugih kompozita. Međutim, uklanjanje tekućine komprimiranim zrakom dovodi do dodatne kristalizacije soli, što rezultira debljim premazom.
Druga metoda koja se može koristiti za premazivanje metalnih površina uključuje izravnu proizvodnju ciljnih soli putem kemijskih reakcija. Obloženi izmjenjivači topline izrađeni reakcijom kiselina na metalnim površinama rebara i cijevi imaju niz prednosti, kao što je navedeno u našoj prethodnoj studiji. Primjena ove metode na vlakna dovela je do vrlo loših rezultata zbog stvaranja plinova tijekom reakcije. Tlak mjehurića vodikovog plina raste unutar sonde i pomiče se kako se proizvod izbacuje (slika 14a).
Premaz je modificiran kemijskom reakcijom kako bi se bolje kontrolirala debljina i raspodjela premaza. Ova metoda uključuje propuštanje mlaza kisele magle kroz uzorak (slika 14b). Očekuje se da će to rezultirati ujednačenim premazom reakcijom s metalnom podlogom. Rezultati su bili zadovoljavajući, ali proces je bio prespor da bi se smatrao učinkovitom metodom (slika 14c). Kraća vremena reakcije mogu se postići lokaliziranim zagrijavanjem.
Kako bi se prevladali nedostaci gore navedenih metoda, proučavana je metoda premazivanja temeljena na korištenju ljepila. HEC je odabran na temelju rezultata prikazanih u prethodnom odjeljku. Svi uzorci su pripremljeni s 3% težinskog udjela. Vezivo se pomiješa sa soli. Vlakna su prethodno obrađena prema istom postupku kao i za rebra, tj. natopljena su 50% vol. sumpornom kiselinom unutar 15 minuta, zatim natopljena u natrijevom hidroksidu 20 sekundi, isprana u destiliranoj vodi i na kraju natopljena u destiliranoj vodi 30 minuta. U ovom slučaju, prije impregnacije dodan je dodatni korak. Uzorak se nakratko uroni u razrijeđenu otopinu ciljane soli i osuši na približno 60°C. Postupak je osmišljen kako bi se modificirala površina metala, stvarajući mjesta nukleacije koja poboljšavaju raspodjelu premaza u završnoj fazi. Vlaknasta struktura ima jednu stranu gdje su niti tanje i čvrsto zbijene, te suprotnu stranu gdje su niti deblje i manje raspoređene. To je rezultat 52 proizvodna procesa.
Rezultati za kalcijev klorid (CaCl2) sažeti su i ilustrirani slikama u Tablici 1. Dobra pokrivenost nakon inokulacije. Čak su i one niti bez vidljivih kristala na površini imale smanjene metalne refleksije, što ukazuje na promjenu u završnoj obradi. Međutim, nakon što su uzorci impregnirani vodenom smjesom CaCl2 i HEC-a i sušeni na temperaturi od oko 60°C, premazi su se koncentrirali na sjecištima struktura. To je učinak uzrokovan površinskom napetošću otopine. Nakon namakanja, tekućina ostaje unutar uzorka zbog svoje površinske napetosti. U osnovi se javlja na sjecištu struktura. Najbolja strana uzorka ima nekoliko rupa ispunjenih solju. Težina se povećala za 0,06 g/cm3 nakon premazivanja.
Premazivanje magnezijevim sulfatom (MgSO4) proizvelo je više soli po jedinici volumena (Tablica 2). U ovom slučaju, izmjereni prirast je 0,09 g/cm3. Proces sijanja rezultirao je opsežnim pokrivanjem uzorka. Nakon procesa premazivanja, sol blokira velika područja tanke strane uzorka. Osim toga, neka područja mat materijala su blokirana, ali je zadržana određena poroznost. U ovom slučaju, stvaranje soli se lako uočava na presjeku struktura, što potvrđuje da je proces premazivanja uglavnom posljedica površinske napetosti tekućine, a ne interakcije između soli i metalne podloge.
Rezultati za kombinaciju stroncijevog klorida (SrCl2) i HEC pokazali su slična svojstva kao i u prethodnim primjerima (Tablica 3). U ovom slučaju, tanja strana uzorka je gotovo u potpunosti prekrivena. Vidljive su samo pojedinačne pore, nastale tijekom sušenja kao rezultat oslobađanja pare iz uzorka. Uzorak uočen na mat strani vrlo je sličan prethodnom slučaju, područje je blokirano solju, a vlakna nisu u potpunosti prekrivena.
Kako bi se procijenio pozitivan učinak vlaknaste strukture na toplinske performanse izmjenjivača topline, određena je efektivna toplinska vodljivost obložene vlaknaste strukture i uspoređena s čistim materijalom premaza. Toplinska vodljivost mjerena je prema ASTM D 5470-2017 pomoću uređaja s ravnom pločom prikazanog na slici 15a, koristeći referentni materijal s poznatom toplinskom vodljivošću. U usporedbi s drugim metodama mjerenja prolaznih stanja, ovaj princip je povoljniji za porozne materijale korištene u ovoj studiji, budući da se mjerenja provode u stacionarnom stanju i s dovoljnom veličinom uzorka (osnovna površina 30 × 30 mm2, visina približno 15 mm). Uzorci čistog materijala premaza (referenca) i obložene vlaknaste strukture pripremljeni su za mjerenja u smjeru vlakana i okomito na smjer vlakana kako bi se procijenio učinak anizotropne toplinske vodljivosti. Uzorci su brušeni na površini (zrno P320) kako bi se smanjio učinak hrapavosti površine zbog pripreme uzorka, koja ne odražava strukturu unutar uzorka.