Hvala 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, prikazat ćemo stranicu bez stilova i JavaScripta.
Tržišni udio adsorpcijskih rashladnih sustava i dizalica topline još uvijek je relativno mali u usporedbi s tradicionalnim kompresorskim sustavima.Unatoč ogromnoj prednosti korištenja jeftine topline (umjesto skupih električnih radova), implementacija sustava temeljenih na principima adsorpcije još uvijek je ograničena na nekoliko specifičnih primjena.Glavni nedostatak koji treba ukloniti je smanjenje specifične snage zbog niske toplinske vodljivosti i niske stabilnosti adsorbensa.Trenutačni najsuvremeniji komercijalni adsorpcijski rashladni sustavi temelje se na adsorberima koji se temelje na pločastim izmjenjivačima topline obloženim za optimizaciju kapaciteta hlađenja.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 prevlaka od hidrata soli na metalnim površinama, uključujući metalna vlakna, za proizvodnju prevlaka pokazuju po prvi put izmjenjivač topline visoke gustoće.Površinska obrada temeljena na eloksiranju aluminija odabrana je kako bi se stvorila jača veza između premaza i podloge.Mikrostruktura dobivene površine analizirana je skenirajućom elektronskom mikroskopijom.Za provjeru prisutnosti željenih vrsta u testu korištene su infracrvena spektroskopija smanjene totalne refleksije Fourierove transformacije i energetski disperzivna spektroskopija X-zraka.Njihova sposobnost stvaranja hidrata potvrđena je kombiniranom termogravimetrijskom analizom (TGA)/diferencijalnom termogravimetrijskom analizom (DTG).Loša kvaliteta preko 0,07 g (voda)/g (kompozit) pronađena je u prevlaci MgSO4, pokazujući znakove dehidracije na oko 60 °C i ponovljive nakon rehidracije.Pozitivni rezultati dobiveni su i sa SrCl2 i ZnSO4 s razlikom mase od oko 0,02 g/g ispod 100 °C.Hidroksietilceluloza je odabrana kao dodatak za povećanje stabilnosti i adhezije premaza.Adsorpcijska svojstva proizvoda procijenjena su simultanim TGA-DTG, a njihova adhezija karakterizirana je metodom temeljenom na testovima opisanim u ISO2409.Konzistencija i prianjanje CaCl2 premaza značajno su poboljšani uz zadržavanje njegovog adsorpcijskog kapaciteta s težinskom razlikom od oko 0,1 g/g na temperaturama ispod 100 °C.Osim toga, MgSO4 zadržava sposobnost stvaranja hidrata, pokazujući razliku u masi veću od 0,04 g/g na temperaturama ispod 100 °C.Na kraju se ispituju presvučena metalna vlakna.Rezultati pokazuju da efektivna toplinska vodljivost vlaknaste strukture obložene Al2(SO4)3 može biti 4,7 puta veća u usporedbi s volumenom čistog Al2(SO4)3.Prevlaka ispitivanih prevlaka ispitana je vizualno, a unutarnja struktura procijenjena je pomoću mikroskopske slike poprečnih presjeka.Dobivena je prevlaka Al2(SO4)3 debljine oko 50 µm, ali cjelokupni proces mora biti optimiziran kako bi se postigla ravnomjernija distribucija.
Adsorpcijski sustavi su tijekom proteklih nekoliko desetljeća privukli veliku pažnju budući da pružaju ekološki prihvatljivu alternativu tradicionalnim kompresijskim toplinskim pumpama ili rashladnim sustavima.Uz rastuće standarde udobnosti i globalne prosječne temperature, adsorpcijski sustavi mogu smanjiti ovisnost o fosilnim gorivima u bliskoj budućnosti.Osim toga, sva poboljšanja adsorpcijskih rashladnih ili dizalica topline mogu se prenijeti i na skladište toplinske energije, što predstavlja dodatno povećanje potencijala za učinkovito korištenje primarne energije.Glavna prednost adsorpcijskih dizalica topline i rashladnih sustava je da mogu raditi s malom toplinskom masom.To ih čini prikladnima za izvore niske temperature kao što je solarna energija ili otpadna toplina.U smislu primjene pohranjivanja energije, adsorpcija ima prednost veće gustoće energije i manjeg rasipanja energije u usporedbi s osjetljivim ili latentnim pohranjivanjem topline.
Adsorpcijske dizalice topline i rashladni sustavi slijede isti termodinamički ciklus kao i njihovi parnjaci s kompresijom pare.Glavna razlika je zamjena komponenti kompresora adsorberima.Element može adsorbirati pare rashladnog sredstva pod niskim pritiskom 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 (egzotermija).Adsorber se regenerira na visokoj temperaturi, uzrokujući desorpciju para rashladnog sredstva.Grijanje se mora nastaviti kako bi se osigurala entalpija desorpcije (endotermna).Budući da su procesi adsorpcije karakterizirani promjenama temperature, velika gustoća snage zahtijeva visoku toplinsku vodljivost.Međutim, niska toplinska vodljivost daleko je glavni nedostatak u većini primjena.
Glavni problem vodljivosti je povećati njezinu prosječnu vrijednost uz zadržavanje 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, odnosno ekspandirani grafit, aktivni ugljen ili ugljična vlakna.Oliveira i sur.2 impregniran ekspandirani grafitni prah s kalcijevim kloridom za proizvodnju adsorbera sa specifičnim kapacitetom hlađenja (SCP) do 306 W/kg i koeficijentom učinka (COP) do 0,46.Zajaczkowski i sur.3 predložio je kombinaciju ekspandiranog grafita, karbonskih vlakana i kalcijevog klorida s ukupnom vodljivošću od 15 W/mK.Jian i suradnici4 testirali su kompozite s ekspandiranim prirodnim grafitom tretiranim sumpornom kiselinom (ENG-TSA) kao supstratom 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 najisplativije rješenje je obloženi izmjenjivač topline.Mehanizmi premaza ovih izmjenjivača topline mogu se podijeliti u dvije kategorije: izravna sinteza i ljepila.Najuspješnija metoda je izravna sinteza, koja uključuje formiranje adsorpcijskih materijala izravno na površini izmjenjivača topline iz odgovarajućih reagensa.Sotech5 je patentirao metodu za sintetiziranje obloženog zeolita za upotrebu u nizu hladnjaka koje proizvodi Fahrenheit GmbH.Schnabel i suradnici6 testirali su performanse dvaju zeolita presvučenih na nehrđajućem čeliku.Međutim, ova metoda radi samo s određenim adsorbensima, što premazivanje ljepilima čini zanimljivom alternativom.Veziva su pasivne tvari odabrane da podrže adheziju sorbenta i/ili prijenos mase, ali nemaju nikakvu ulogu u adsorpciji ili poboljšanju vodljivosti.Freni i sur.7 obloženih aluminijskih izmjenjivača topline sa AQSOA-Z02 zeolitom stabiliziranim vezivom na bazi gline.Calabrese i sur.8 proučavali su pripremu zeolitnih prevlaka s polimernim vezivima.Ammann i suradnici9 predložili su metodu za pripremu poroznih zeolitnih prevlaka iz magnetskih smjesa polivinil alkohola.Glinica (aluminij) 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 izradu strukture 13 samostalno.Kombinacija alginatnih polimernih matrica s višestrukim hidratima soli tvori fleksibilne kompozitne strukture kuglica koje sprječavaju curenje tijekom sušenja i osiguravaju odgovarajući prijenos mase.Gline poput bentonita i atapulgita korištene su kao veziva za pripremu kompozita15,16,17.Etilceluloza se koristi za mikrokapsulaciju 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 adsorbensa i metala bez dodavanja inertne mase, što smanjuje ukupnu učinkovitost rashladnog ciklusa.Lang i sur.20 poboljšali su ukupnu vodljivost zeolitnog adsorbera sa strukturom aluminijskog saća.Gillerminot i sur.21 poboljšao toplinsku vodljivost slojeva NaX zeolita s pjenom od bakra i nikla.Iako se kompoziti koriste kao materijali s faznom promjenom (PCM), nalazi Lija i sur.22 i Zhao et al.23 također su od interesa za kemisorpciju.Usporedili su učinak ekspandiranog grafita i metalne pjene i zaključili da je potonja bolja samo ako korozija nije problem.Palomba i sur.nedavno su usporedili druge metalne porozne strukture24.Van der Pal i sur.su proučavali metalne soli ugrađene u pjene 25 .Svi prethodni primjeri odgovaraju gustim slojevima adsorbenata čestica.Metalne porozne strukture praktički se ne koriste za oblaganje adsorbera, što je optimalnije rješenje.Primjer vezanja na zeolite može se naći u Wittstadt et al.26 ali nije učinjen nikakav pokušaj da se vežu hidrati soli unatoč njihovoj većoj gustoći energije 27 .
Stoga će se u ovom članku istražiti tri metode za pripremu adsorpcijskih premaza: (1) premazivanje vezivom, (2) izravna reakcija i (3) obrada površine.Hidroksietilceluloza je bila vezivo izbora u ovom radu zbog prethodno objavljene stabilnosti i dobre adhezije premaza u kombinaciji s fizičkim adsorbentima.Ova je metoda u početku ispitivana za ravne premaze, a kasnije je primijenjena na strukture od metalnih vlakana.Prethodno je objavljena preliminarna analiza mogućnosti kemijskih reakcija s stvaranjem adsorpcijskih premaza.Prijašnja iskustva sada se prenose na oblaganje struktura od metalnih vlakana.Površinska obrada odabrana za ovaj rad je metoda koja se temelji na anodizaciji aluminija.Anodiziranje aluminija uspješno se kombinira s metalnim solima u estetske svrhe29.U tim slučajevima mogu se dobiti vrlo stabilni premazi otporni na koroziju.Međutim, oni ne mogu provesti nikakav proces adsorpcije ili desorpcije.Ovaj rad predstavlja varijantu ovog pristupa koji omogućuje pomicanje mase korištenjem adhezivnih svojstava izvornog procesa.Koliko nam je poznato, nijedna od ovdje opisanih metoda nije prethodno proučavana.Predstavljaju vrlo zanimljivu novu tehnologiju jer omogućuju stvaranje hidratiziranih adsorbensnih prevlaka, koje imaju niz prednosti u odnosu na često proučavane fizikalne adsorbente.
Utisnute aluminijske ploče korištene kao supstrati za ove eksperimente osigurao je ALINVEST Břidličná, Češka Republika.Sadrže 98,11% aluminija, 1,3622% željeza, 0,3618% mangana i 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 mjerena i utvrđeno je da su prikladna za primjenu u područjima adsorpcijskog hlađenja, dizalica topline i skladištenja energije.Upotrijebljen je suhi magnezijev sulfat CAS-Nr.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 97% iskorišteno (Grüssing, GmbH, Filsum, Niedersachsen, Njemačka).
Cinkov sulfat (ZnSO4) (H3O2, H318, H410) i njegovi hidrati imaju termodinamička svojstva pogodna za niskotemperaturne adsorpcijske procese45,46.Upotrijebljen je cinkov sulfat heptahidrat CAS-Nr.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 adsorpcijske dizalice topline ili skladištenja energije.Za sintezu je korišten stroncijev klorid heksahidrat CAS-Nr.10.476-85-4 99,0–102,0% (Sigma Aldrich, St. Louis, Missouri, SAD).
Bakrov sulfat (CuSO4) (H302, H315, H319, H410) nije među hidratima koji se često nalaze u stručnoj literaturi, iako su njegova termodinamička svojstva zanimljiva za primjenu na niskim temperaturama48,49.Za sintezu je korišten bakar sulfat CAS-Nr.7758-99-8 99% (Sigma Aldrich, St. Louis, MO, SAD).
Magnezijev klorid (MgCl2) je jedna od hidratiziranih soli koja je u posljednje vrijeme dobila više pozornosti u području pohrane toplinske energije50,51.Za pokuse je korišten magnezijev klorid heksahidrat CAS-Nr.7791-18-6 čiste farmaceutske čistoće (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-Nr 9004-62-0 (Sigma Aldrich, St. Louis, MO, SAD).
Metalna vlakna izrađena su od kratkih žica povezanih zajedno kompresijom i sinteriranjem, procesom poznatim kao crucible melt extraction (CME)52.To znači da njihova toplinska vodljivost ne ovisi samo o volumenskoj vodljivosti metala korištenih u proizvodnji i poroznosti konačne strukture, već io kvaliteti veza između niti.Vlakna nisu izotropna i imaju tendenciju da se tijekom proizvodnje rasporede u određenom smjeru, što čini toplinsku vodljivost u poprečnom smjeru znatno manjom.
Svojstva upijanja vode ispitivana su simultanom termogravimetrijskom analizom (TGA)/diferencijalnom termogravimetrijskom analizom (DTG) u vakuumskom pakiranju (Netzsch TG 209 F1 Libra).Mjerenja su provedena u protočnoj atmosferi dušika pri protoku od 10 ml/min i temperaturnom rasponu od 25 do 150°C u loncima od aluminijevog oksida.Brzina zagrijavanja bila je 1 °C/min, težina uzorka je varirala od 10 do 20 mg, rezolucija je bila 0,1 μg.U ovom radu treba napomenuti da razlika mase po jedinici površine ima veliku nesigurnost.Uzorci korišteni u TGA-DTG vrlo su mali i nepravilno izrezani, što čini njihovo određivanje površine netočnim.Ove vrijednosti mogu se ekstrapolirati na veće područje samo ako se uzmu u obzir velika odstupanja.
Infracrveni spektri prigušene Fourierove transformacije (ATR-FTIR) dobiveni su na Bruker Vertex 80 v FTIR spektrometru (Bruker Optik GmbH, Leipzig, Njemačka) pomoću ATR platinastog pribora (Bruker Optik GmbH, Njemačka).Spektri čistih suhih kristala dijamanta izmjereni su izravno u vakuumu prije upotrebe uzoraka kao podloge za eksperimentalna mjerenja.Uzorci su mjereni u vakuumu pomoću spektralne rezolucije od 2 cm-1 i prosječnog broja skeniranja od 32. Raspon valnog broja od 8000 do 500 cm-1.Spektralna analiza provedena je pomoću programa OPUS.
SEM analiza je provedena korištenjem DSM 982 Gemini iz Zeiss-a na ubrzavajućim naponima od 2 i 5 kV.Energetski disperzivna rendgenska spektroskopija (EDX) provedena je korištenjem Thermo Fischer System 7 s Peltierovim hlađenim silicijskim drift detektorom (SSD).
Priprema metalnih ploča provedena je po postupku sličnom onom opisanom u 53. Ploču najprije uronite u 50% sumpornu kiselinu.15 minuta.Zatim su uvedeni u 1 M otopinu natrijevog hidroksida oko 10 sekundi.Potom su uzorci isprani s velikom količinom destilirane vode, a potom potopljeni u destiliranoj vodi 30 minuta.Nakon preliminarne površinske obrade, uzorci su uronjeni u 3% zasićenu otopinu.HEC i ciljna sol.Na kraju ih izvadite i osušite na 60°C.
Metoda eloksiranja poboljšava i jača prirodni sloj oksida na pasivnom metalu.Aluminijske ploče su anodizirane sumpornom kiselinom u stvrdnutom stanju i zatim zatvorene u vrućoj vodi.Anodizacija je uslijedila nakon početnog jetkanja s 1 mol/l NaOH (600 s) nakon čega je uslijedila neutralizacija 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.Anodiziranje je provedeno na (40 ± 1)°C, 30 mA/cm2 tijekom 1200 sekundi.Postupak brtvljenja proveden je u različitim slanim otopinama kako je opisano u materijalima (MgSO4, CaCl2, ZnSO4, SrCl2, CuSO4, MgCl2).Uzorak se u njemu kuha 1800 sekundi.
Istražene su tri različite metode za proizvodnju kompozita: adhezivni premaz, izravna reakcija i površinska obrada.Sustavno se analiziraju i raspravljaju prednosti i nedostaci svake metode obuke.Za procjenu rezultata korišteno je izravno promatranje, nanoslikanje i kemijska/elementarna analiza.
Anodiziranje je odabrano kao metoda konverzijske površinske obrade za povećanje adhezije hidrata soli.Ovom površinskom obradom stvara se porozna struktura glinice (aluminijevog oksida) izravno na površini aluminija.Tradicionalno se ova metoda sastoji od dvije faze: prva faza stvara poroznu strukturu aluminijevog oksida, a druga faza stvara sloj aluminijevog hidroksida koji zatvara pore.Slijede dvije metode blokiranja soli bez blokiranja pristupa plinskoj fazi.Prvi se sastoji od saćastog sustava koji koristi male cijevi od aluminijevog oksida (Al2O3) dobivene u prvom koraku za držanje kristala adsorbensa i povećanje njegove adhezije na metalne površine.Dobiveno saće ima promjer od oko 50 nm i duljinu od 200 nm (slika 1a).Kao što je ranije spomenuto, te se šupljine obično zatvaraju u drugom koraku s tankim slojem Al2O(OH)2 bemita koji se podržava postupkom kuhanja u aluminijevoj cijevi.U drugoj metodi, ovaj proces brtvljenja je modificiran na takav način da su kristali soli zarobljeni u jednolično pokrivajućem sloju bemita (Al2O(OH)), koji se u ovom slučaju ne koristi za brtvljenje.Drugi stupanj se provodi u zasićenoj otopini odgovarajuće soli.Opisani uzorci imaju veličine u rasponu od 50-100 nm i izgledaju poput poprskanih kapljica (slika 1b).Površina dobivena kao rezultat procesa brtvljenja ima izraženu prostornu strukturu s povećanom kontaktnom površinom.Ovaj površinski uzorak, zajedno s njihovim brojnim konfiguracijama vezivanja, idealan je za nošenje i držanje kristala soli.Čini se da su obje opisane strukture doista porozne i imaju male šupljine koje se čine pogodnima za zadržavanje hidrata soli i adsorpciju para na soli 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 bio magnezijev sulfat (vidi sliku 2b).Spektar pokazuje karakteristične vrhove sulfatnih iona na 610–680 i 1080–1130 cm–1 i 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 presvučene bemitom MgSO4, (b) ATR-FTIR spektri bemita i MgSO4 premaza, (c) ATR-FTIR spektri čistog MgSO4.
Održavanje učinkovitosti adsorpcije potvrđeno je TGA.Na sl.Slika 3b prikazuje vrh desorpcije od pribl.60°C.Ovaj vrh ne odgovara temperaturi dvaju vrhova uočenih u TGA čiste soli (slika 3a).Procijenjena je ponovljivost ciklusa adsorpcija-desorpcija, a ista krivulja promatrana je nakon stavljanja uzoraka u vlažnu atmosferu (slika 3c).Razlike uočene u drugom stupnju 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 odvodnjavanju i 10,3 g/m2 u drugom odvodnjavanju.
Usporedba TGA analize boemita i MgSO4: TGA analiza čistog MgSO4 (a), smjese (b) i nakon rehidracije (c).
Ista metoda je provedena s kalcijevim kloridom kao adsorbensom.Rezultati su prikazani na slici 4. Vizualnim pregledom površine otkrivene su manje promjene u metalnom sjaju.Krzno se jedva vidi.SEM je potvrdio prisutnost malih kristala ravnomjerno raspoređenih po površini.Međutim, TGA nije pokazala dehidraciju ispod 150°C.To može biti zbog činjenice da je udio soli premalen u usporedbi s ukupnom masom supstrata za detekciju pomoću TGA.
Rezultati površinske obrade prevlake bakrenog sulfata metodom anodizacije prikazani su na sl.5. U ovom slučaju nije došlo do očekivane ugradnje CuSO4 u strukturu Al oksida.Umjesto toga, uočene su labave iglice jer se obično koriste za bakrov hidroksid Cu(OH)2 koji se koristi s tipičnim tirkiznim bojama.
Anodizirana površinska obrada također je ispitana u kombinaciji sa stroncijevim kloridom.Rezultati su pokazali neravnomjernu pokrivenost (vidi sliku 6a).Kako bi se utvrdilo je li sol prekrila cijelu površinu, napravljena 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 mjerenoj zoni, što pak ukazuje na nisku pokrivenost stroncijevim kloridom.Nasuprot tome, bijele površine imaju visok sadržaj stroncija i nizak sadržaj aluminija (točke 2-6 na slici 6b).EDX analiza bijelog područja pokazuje tamnije točkice (točke 2 i 4 na slici 6b), s niskim udjelom klora i visokim udjelom sumpora.To može ukazivati ​​na stvaranje stroncijeva 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 se glavni dio bijele prevlake sastoji od očekivanog stroncijeva klorida.TGA uzorka potvrdio je tumačenje analize s vrhom na karakterističnoj temperaturi čistog stroncijeva klorida (slika 6c).Njihova mala vrijednost može se opravdati malim udjelom soli u usporedbi s masom metalnog nosača.Masa desorpcije određena u pokusima odgovara količini od 7,3 g/m2 koja se oslobađa po jedinici površine adsorbera pri temperaturi od 150°C.
Također su testirani premazi tretirani eloksalom cink sulfatom.Makroskopski, prevlaka je vrlo tanak i jednoličan sloj (slika 7a).Međutim, SEM je otkrio površinu prekrivenu malim kristalima odvojenim praznim područjima (slika 7b).TGA premaza i supstrata uspoređen je s onim čiste soli (Slika 7c).Čista sol ima jedan asimetrični vrh na 59,1°C.Obloženi aluminij pokazao je dva mala vrha na 55,5°C i 61,3°C, što ukazuje na prisutnost cink sulfat hidrata.Razlika mase otkrivena u eksperimentu odgovara 10,9 g/m2 pri temperaturi dehidracije od 150°C.
Kao iu prethodnoj prijavi53, hidroksietil celuloza je korištena kao vezivo za poboljšanje adhezije i stabilnosti premaza sorbensa.Kompatibilnost materijala i učinak na performanse adsorpcije procijenjen je pomoću TGA.Analiza se provodi u odnosu na ukupnu masu, tj. uzorak uključuje metalnu ploču koja se koristi kao podloga za premaz.Adhezija se ispituje testom koji se temelji na testu poprečnog zareza definiranog u specifikaciji ISO2409 (ne može zadovoljiti specifikaciju odvajanja zareza ovisno o debljini i širini specifikacije).
Premazivanje ploča kalcijevim kloridom (CaCl2) (vidi sliku 8a) rezultiralo je neravnomjernom raspodjelom, što nije primijećeno u čistom aluminijskom premazu korištenom za ispitivanje poprečnog zareza.U usporedbi s rezultatima za čisti CaCl2, TGA (slika 8b) pokazuje dva karakteristična vrha pomaknuta prema nižim temperaturama od 40 odnosno 20°C.Test poprečnog presjeka ne dopušta objektivnu usporedbu jer je čisti uzorak CaCl2 (uzorak desno na slici 8c) praškasti talog koji uklanja čestice na vrhu.Rezultati HEC-a pokazali su vrlo tanak i jednoličan premaz sa zadovoljavajućom adhezijom.Razlika mase prikazana na sl.8b odgovara 51,3 g/m2 po jedinici površine adsorbera pri temperaturi od 150°C.
Pozitivni rezultati u pogledu adhezije i ujednačenosti također su dobiveni s magnezijevim sulfatom (MgSO4) (vidi sliku 9).Analiza procesa desorpcije prevlake pokazala je prisutnost jednog vrha od cca.60°C.Ova temperatura odgovara glavnom koraku desorpcije koji se vidi u dehidraciji čistih soli, predstavljajući drugi korak na 44°C.Odgovara prijelazu iz heksahidrata u pentahidrat i ne uočava se kod premaza s vezivima.Testovi poprečnog presjeka pokazuju poboljšanu distribuciju i prianjanje u usporedbi s premazima napravljenim korištenjem čiste soli.Razlika mase opažena 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 poprečnim zarezom pokazali su jednoliku raspodjelu sa značajno poboljšanom adhezijom (slika 10c).TGA analiza pokazala je vrlo malu razliku u težini, što mora biti posljedica manjeg sadržaja soli u usporedbi s metalnom podlogom.Međutim, koraci na krivulji pokazuju prisutnost procesa dehidracije, iako je vrh povezan s temperaturom dobivenom prilikom karakterizacije čiste soli.Vrhovi na 110°C i 70,2°C uočeni na sl.10b također su pronađeni prilikom analize čiste soli.Međutim, glavni korak dehidracije opažen u čistoj soli na 50°C nije se odrazio na krivuljama upotrebom veziva.Nasuprot tome, smjesa veziva pokazala je dva vrha na 20,2°C i 94,1°C, koji nisu izmjereni za čistu sol (Sl. 10b).Pri temperaturi od 150 °C, uočena razlika mase odgovara 7,2 g/m2 po jedinici površine adsorbera.
Kombinacija HEC-a i cink sulfata (ZnSO4) nije dala prihvatljive rezultate (Slika 11).TGA analiza obloženog metala nije otkrila nikakve procese dehidracije.Iako su se distribucija i prianjanje premaza poboljšali, njegova su svojstva još uvijek daleko od optimalnih.
Najjednostavniji način prevlačenja metalnih vlakana u tankom i ravnomjernom sloju je mokra impregnacija (slika 12a), koja uključuje pripremu ciljne soli i impregnaciju metalnih vlakana vodenom otopinom.
Prilikom pripreme za mokru impregnaciju susreću se dva glavna problema.S jedne strane, površinska napetost slane otopine onemogućuje ispravnu ugradnju tekućine u poroznu strukturu.Kristalizacija na vanjskoj površini (Sl. 12d) i mjehurići zraka zarobljeni unutar strukture (Sl. 12c) mogu se smanjiti samo smanjenjem površinske napetosti i prethodnim vlaženjem uzorka destiliranom vodom.Prisilno otapanje u uzorku evakuacijom zraka unutar ili stvaranjem protoka otopine u strukturi drugi su učinkoviti načini da se osigura potpuno punjenje strukture.
Drugi problem na koji se naišlo tijekom pripreme bilo je uklanjanje filma s dijela soli (vidi sliku 12b).Ovaj fenomen karakterizira stvaranje suhe prevlake na površini otapanja, čime se zaustavlja konvektivno stimulirano sušenje i pokreće difuzijski stimulirani proces.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 je riješen uvođenjem alternativne metode kristalizacije koja se ne temelji na promjeni koncentracije (isparavanju), 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 ili iznad sobne temperature (HT) pomoću ove metode.U prvom slučaju kristalizacija je forsirana snižavanjem temperature ispod sobne.U drugom slučaju došlo je do kristalizacije kada je uzorak ohlađen na sobnu temperaturu (RT).Rezultat je smjesa kristala (B) i otopljenog (A), čiji se tekući dio uklanja komprimiranim zrakom.Ovim pristupom ne samo da se izbjegava stvaranje filma na tim hidratima, već se također smanjuje vrijeme potrebno za pripremu drugih kompozita.Međutim, uklanjanje tekućine komprimiranim zrakom dovodi do dodatne kristalizacije soli, što rezultira debljim slojem.
Druga metoda koja se može koristiti za premazivanje metalnih površina uključuje izravnu proizvodnju ciljnih soli kroz kemijske reakcije.Obloženi izmjenjivači topline napravljeni reakcijom kiselina na metalnim površinama rebara i cijevi imaju niz prednosti, kao što je navedeno u našoj prethodnoj studiji.Primjena ove metode na vlaknima dovela je do vrlo loših rezultata zbog stvaranja plinova tijekom reakcije.Tlak mjehurića plinovitog vodika raste unutar sonde i pomiče se kako se proizvod izbacuje (Sl. 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 jednolikom prevlakom reakcijom s metalom supstrata.Rezultati su bili zadovoljavajući, ali je proces bio prespor da bi se smatrao učinkovitom metodom (Sl. 14c).Kraća vremena reakcije mogu se postići lokaliziranim zagrijavanjem.
Kako bi se prevladali nedostaci gore navedenih metoda, proučavana je metoda premazivanja koja se temelji na upotrebi ljepila.HEC je odabran na temelju rezultata predstavljenih u prethodnom odjeljku.Svi uzorci pripremljeni su s 3% tež.Vezivo se pomiješa sa soli.Vlakna su prethodno obrađena po istom postupku kao i za rebra, tj. namočena u 50% vol.unutar 15 minuta.sumporne kiseline, zatim namočen u natrijev hidroksid 20 sekundi, ispran u destiliranoj vodi i na kraju potopljen u destiliranoj vodi 30 minuta.U ovom slučaju je dodan dodatni korak prije impregnacije.Uzorak nakratko uronite u razrijeđenu ciljnu otopinu soli i osušite na približno 60°C.Proces je osmišljen da modificira površinu metala, stvarajući mjesta nukleacije koja poboljšavaju distribuciju premaza u završnoj fazi.Vlaknasta struktura ima jednu stranu gdje su filamenti tanji i tijesno zbijeni, i suprotnu stranu gdje su filamenti deblji i manje raspoređeni.Ovo je rezultat 52 proizvodna procesa.
Rezultati za kalcijev klorid (CaCl2) su sažeti i ilustrirani slikama u tablici 1. Dobra pokrivenost nakon inokulacije.Čak su i oni pramenovi bez vidljivih kristala na površini imali smanjene metalne refleksije, što ukazuje na promjenu završne obrade.Međutim, nakon što su uzorci impregnirani vodenom smjesom CaCl2 i HEC i osušeni na temperaturi od oko 60°C, prevlake su koncentrirane na sjecištima struktura.To je učinak uzrokovan površinskom napetosti otopine.Nakon namakanja, tekućina ostaje unutar uzorka zbog svoje površinske napetosti.Uglavnom se javlja na raskrižju struktura.Najbolja strana primjerka ima nekoliko rupa ispunjenih solju.Težina se nakon premazivanja povećala za 0,06 g/cm3.
Oblaganje magnezijevim sulfatom (MgSO4) proizvelo je više soli po jedinici volumena (Tablica 2).U ovom slučaju izmjereni prirast je 0,09 g/cm3.Proces sjetve rezultirao je opsežnom pokrivenošću uzorka.Nakon postupka premazivanja, sol blokira velika područja tanke strane uzorka.Osim toga, neka područja mat su blokirana, ali je dio poroznosti zadržan.U ovom slučaju, stvaranje soli se lako može uočiti na sjecištu struktura, što potvrđuje da je proces premazivanja uglavnom posljedica površinske napetosti tekućine, a ne interakcije između soli i metalne podloge.
Rezultati za kombinaciju stroncijeva klorida (SrCl2) i HEC pokazali su slična svojstva kao u prethodnim primjerima (Tablica 3).U tom slučaju, tanja strana uzorka je gotovo potpuno prekrivena.Vidljive su samo pojedinačne pore nastale tijekom sušenja kao posljedica ispuštanja pare iz uzorka.Uzorak uočen na mat strani vrlo je sličan prethodnom slučaju, područje je blokirano solju i vlakna nisu potpuno prekrivena.
Kako bi se procijenio pozitivan učinak vlaknaste strukture na toplinske karakteristike izmjenjivača topline, određena je efektivna toplinska vodljivost obložene vlaknaste strukture i uspoređena s čistim materijalom za oblaganje.Toplinska vodljivost izmjerena je u skladu s ASTM D 5470-2017 pomoću uređaja s ravnom pločom prikazanog na slici 15a pomoću referentnog materijala s poznatom toplinskom vodljivošću.U usporedbi s drugim prijelaznim mjernim metodama, ovaj princip ima prednost za porozne materijale korištene u trenutnoj studiji, budući da se mjerenja izvode u stabilnom stanju i s dovoljnom veličinom uzorka (osnovna površina 30 × 30 mm2, visina približno 15 mm).Uzorci čistog premaznog materijala (referentni) i obložene strukture vlakana pripremljeni su za mjerenja u smjeru vlakna i okomito na smjer vlakna kako bi se procijenio učinak anizotropne toplinske vodljivosti.Uzorci su brušeni na površini (zrnatost P320) kako bi se smanjio učinak hrapavosti površine uslijed pripreme uzorka, koja ne odražava strukturu unutar uzorka.