Terima kasih telah mengunjungi Nature.com. Versi peramban yang Anda gunakan memiliki dukungan CSS yang terbatas. Untuk pengalaman terbaik, kami sarankan Anda menggunakan peramban yang lebih baru (atau menonaktifkan Mode Kompatibilitas di Internet Explorer). Sementara itu, untuk memastikan dukungan berkelanjutan, kami akan menampilkan situs tanpa gaya dan JavaScript.
Pangsa pasar sistem pendingin adsorpsi dan pompa panas masih relatif kecil dibandingkan dengan sistem kompresor tradisional. Terlepas dari keuntungan besar menggunakan panas murah (alih-alih pekerjaan listrik yang mahal), implementasi sistem berbasis prinsip adsorpsi masih terbatas pada beberapa aplikasi spesifik. Kerugian utama yang perlu dihilangkan adalah penurunan daya spesifik karena konduktivitas termal yang rendah dan stabilitas adsorben yang rendah. Sistem pendingin adsorpsi komersial terkini didasarkan pada adsorber berbasis penukar panas pelat yang dilapisi untuk mengoptimalkan kapasitas pendinginan. Hasilnya menunjukkan bahwa penurunan ketebalan lapisan menyebabkan penurunan impedansi perpindahan massa, dan peningkatan rasio luas permukaan terhadap volume struktur konduktif meningkatkan daya tanpa mengorbankan efisiensi. Serat logam yang digunakan dalam penelitian ini dapat memberikan luas permukaan spesifik dalam kisaran 2500–50.000 m2/m3. Tiga metode untuk mendapatkan lapisan hidrat garam yang sangat tipis namun stabil pada permukaan logam, termasuk serat logam, untuk produksi lapisan menunjukkan untuk pertama kalinya penukar panas dengan kepadatan daya tinggi. Perlakuan permukaan berbasis anodisasi aluminium dipilih untuk menciptakan ikatan yang lebih kuat antara lapisan dan substrat. Mikrostruktur permukaan yang dihasilkan dianalisis menggunakan mikroskop elektron pemindaian. Spektroskopi inframerah transformasi Fourier refleksi total tereduksi dan spektroskopi sinar-X dispersif energi digunakan untuk memeriksa keberadaan spesies yang diinginkan dalam pengujian. Kemampuan mereka untuk membentuk hidrat dikonfirmasi oleh analisis termogravimetri (TGA)/analisis termogravimetri diferensial (DTG) gabungan. Kualitas buruk di atas 0,07 g (air)/g (komposit) ditemukan pada lapisan MgSO4, menunjukkan tanda-tanda dehidrasi pada sekitar 60 °C dan dapat direproduksi setelah rehidrasi. Hasil positif juga diperoleh dengan SrCl2 dan ZnSO4 dengan perbedaan massa sekitar 0,02 g/g di bawah 100 °C. Hidroksietilselulosa dipilih sebagai aditif untuk meningkatkan stabilitas dan adhesi lapisan. Sifat adsorpsi produk dievaluasi dengan TGA-DTG simultan dan adhesinya dikarakterisasi dengan metode berdasarkan pengujian yang dijelaskan dalam ISO2409. Konsistensi dan adhesi lapisan CaCl2 meningkat secara signifikan sambil mempertahankan kapasitas adsorpsinya dengan perbedaan berat sekitar 0,1 g/g pada suhu di bawah 100 °C. Selain itu, MgSO4 mempertahankan kemampuan untuk membentuk hidrat, menunjukkan perbedaan massa lebih dari 0,04 g/g pada suhu di bawah 100 °C. Terakhir, serat logam berlapis diperiksa. Hasil menunjukkan bahwa konduktivitas termal efektif struktur serat yang dilapisi dengan Al2(SO4)3 dapat 4,7 kali lebih tinggi dibandingkan dengan volume Al2(SO4)3 murni. Lapisan yang dipelajari diperiksa secara visual, dan struktur internal dievaluasi menggunakan citra mikroskopis penampang melintang. Lapisan Al2(SO4)3 dengan ketebalan sekitar 50 µm diperoleh, tetapi keseluruhan proses harus dioptimalkan untuk mencapai distribusi yang lebih seragam.
Sistem adsorpsi telah menarik banyak perhatian selama beberapa dekade terakhir karena menyediakan alternatif ramah lingkungan untuk pompa panas kompresi tradisional atau sistem pendingin. Dengan meningkatnya standar kenyamanan dan suhu rata-rata global, sistem adsorpsi dapat mengurangi ketergantungan pada bahan bakar fosil dalam waktu dekat. Selain itu, setiap peningkatan pada pendinginan atau pompa panas adsorpsi dapat ditransfer ke penyimpanan energi termal, yang mewakili peningkatan tambahan dalam potensi penggunaan energi primer yang efisien. Keuntungan utama dari pompa panas dan sistem pendingin adsorpsi adalah kemampuannya beroperasi dengan massa panas yang rendah. Hal ini membuatnya cocok untuk sumber suhu rendah seperti energi matahari atau panas limbah. Dalam hal aplikasi penyimpanan energi, adsorpsi memiliki keunggulan kepadatan energi yang lebih tinggi dan disipasi energi yang lebih rendah dibandingkan dengan penyimpanan panas sensibel atau laten.
Pompa kalor adsorpsi dan sistem pendingin mengikuti siklus termodinamika yang sama dengan pompa kalor kompresi uap. Perbedaan utamanya adalah penggantian komponen kompresor dengan adsorber. Elemen ini mampu menyerap uap refrigeran bertekanan rendah pada suhu sedang, menguapkan lebih banyak refrigeran bahkan ketika cairan dingin. Pendinginan adsorber secara konstan diperlukan untuk menghilangkan entalpi adsorpsi (eksotermik). Adsorber diregenerasi pada suhu tinggi, menyebabkan uap refrigeran terdesorpsi. Pemanasan harus terus dilakukan untuk menyediakan entalpi desorpsi (endotermik). Karena proses adsorpsi ditandai dengan perubahan suhu, kepadatan daya yang tinggi membutuhkan konduktivitas termal yang tinggi. Namun, konduktivitas termal yang rendah merupakan kelemahan utama dalam sebagian besar aplikasi.
Masalah utama konduktivitas adalah meningkatkan nilai rata-ratanya sambil mempertahankan jalur transportasi yang menyediakan aliran uap adsorpsi/desorpsi. Dua pendekatan umum digunakan untuk mencapai hal ini: penukar panas komposit dan penukar panas berlapis. Material komposit yang paling populer dan berhasil adalah yang menggunakan aditif berbasis karbon, yaitu grafit yang diperluas, karbon aktif, atau serat karbon. Oliveira dkk. 2 mengimpregnasi bubuk grafit yang diperluas dengan kalsium klorida untuk menghasilkan adsorber dengan kapasitas pendinginan spesifik (SCP) hingga 306 W/kg dan koefisien kinerja (COP) hingga 0,46. Zajaczkowski dkk. 3 mengusulkan kombinasi grafit yang diperluas, serat karbon, dan kalsium klorida dengan konduktivitas total 15 W/mK. Jian dkk. 4 menguji komposit dengan grafit alami yang diperluas yang diolah dengan asam sulfat (ENG-TSA) sebagai substrat dalam siklus pendinginan adsorpsi dua tahap. Model tersebut memprediksi COP dari 0,215 hingga 0,285 dan SCP dari 161,4 hingga 260,74 W/kg.
Solusi yang paling layak adalah penukar panas berlapis. Mekanisme pelapisan penukar panas ini dapat dibagi menjadi dua kategori: sintesis langsung dan perekat. Metode yang paling berhasil adalah sintesis langsung, yang melibatkan pembentukan bahan adsorpsi langsung pada permukaan penukar panas dari reagen yang sesuai. Sotech5 telah mematenkan metode untuk mensintesis zeolit ​​berlapis untuk digunakan dalam serangkaian pendingin yang diproduksi oleh Fahrenheit GmbH. Schnabel dkk.6 menguji kinerja dua zeolit ​​yang dilapisi pada baja tahan karat. Namun, metode ini hanya bekerja dengan adsorben tertentu, yang menjadikan pelapisan dengan perekat sebagai alternatif yang menarik. Pengikat adalah zat pasif yang dipilih untuk mendukung adhesi adsorben dan/atau transfer massa, tetapi tidak berperan dalam adsorpsi atau peningkatan konduktivitas. Freni dkk.7 melapisi penukar panas aluminium dengan zeolit ​​AQSOA-Z02 yang distabilkan dengan pengikat berbasis tanah liat. Calabrese dkk.8 mempelajari persiapan lapisan zeolit ​​dengan pengikat polimer. Ammann et al.9 mengusulkan metode untuk menyiapkan lapisan zeolit ​​berpori dari campuran magnetik polivinil alkohol. Alumina juga digunakan sebagai pengikat 10 dalam adsorber. Sepengetahuan kami, selulosa dan hidroksietil selulosa hanya digunakan dalam kombinasi dengan adsorben fisik11,12. Terkadang lem tidak digunakan untuk cat, tetapi digunakan untuk membangun struktur 13 sendiri. Kombinasi matriks polimer alginat dengan beberapa hidrat garam membentuk struktur manik komposit fleksibel yang mencegah kebocoran selama pengeringan dan memberikan transfer massa yang memadai. Tanah liat seperti bentonit dan attapulgit telah digunakan sebagai pengikat untuk pembuatan komposit15,16,17. Etilselulosa telah digunakan untuk mikroenkapsulasi kalsium klorida18 atau natrium sulfida19.
Komposit dengan struktur logam berpori dapat dibagi menjadi penukar panas aditif dan penukar panas berlapis. Keuntungan dari struktur ini adalah luas permukaan spesifik yang tinggi. Hal ini menghasilkan permukaan kontak yang lebih besar antara adsorben dan logam tanpa penambahan massa inert, yang mengurangi efisiensi keseluruhan siklus pendinginan. Lang dkk. 20 telah meningkatkan konduktivitas keseluruhan adsorber zeolit ​​dengan struktur sarang lebah aluminium. Gillerminot dkk. 21 meningkatkan konduktivitas termal lapisan zeolit ​​NaX dengan busa tembaga dan nikel. Meskipun komposit digunakan sebagai material perubahan fasa (PCM), temuan Li dkk. 22 dan Zhao dkk. 23 juga menarik untuk kemisorpsi. Mereka membandingkan kinerja grafit yang diperluas dan busa logam dan menyimpulkan bahwa yang terakhir lebih disukai hanya jika korosi bukan masalah. Palomba dkk. baru-baru ini membandingkan struktur berpori logam lainnya24. Van der Pal dkk. telah mempelajari garam logam yang tertanam dalam busa 25. Semua contoh sebelumnya sesuai dengan lapisan padat adsorben partikulat. Struktur berpori logam praktis tidak digunakan untuk melapisi adsorber, yang merupakan solusi yang lebih optimal. Contoh pengikatan pada zeolit ​​dapat ditemukan dalam Wittstadt et al. 26 tetapi belum ada upaya yang dilakukan untuk mengikat hidrat garam meskipun kepadatan energinya lebih tinggi 27.
Dengan demikian, tiga metode untuk menyiapkan lapisan adsorben akan dieksplorasi dalam artikel ini: (1) lapisan pengikat, (2) reaksi langsung, dan (3) perlakuan permukaan. Hidroksietilselulosa adalah pengikat pilihan dalam penelitian ini karena stabilitas yang dilaporkan sebelumnya dan adhesi lapisan yang baik dalam kombinasi dengan adsorben fisik. Metode ini awalnya diteliti untuk lapisan datar dan kemudian diterapkan pada struktur serat logam. Sebelumnya, analisis pendahuluan tentang kemungkinan reaksi kimia dengan pembentukan lapisan adsorben telah dilaporkan. Pengalaman sebelumnya sekarang ditransfer ke pelapisan struktur serat logam. Perlakuan permukaan yang dipilih untuk penelitian ini adalah metode berdasarkan anodisasi aluminium. Anodisasi aluminium telah berhasil dikombinasikan dengan garam logam untuk tujuan estetika29. Dalam kasus ini, lapisan yang sangat stabil dan tahan korosi dapat diperoleh. Namun, lapisan tersebut tidak dapat melakukan proses adsorpsi atau desorpsi. Makalah ini menyajikan varian dari pendekatan ini yang memungkinkan massa dipindahkan menggunakan sifat perekat dari proses aslinya. Sejauh pengetahuan kami, tidak ada metode yang dijelaskan di sini yang telah dipelajari sebelumnya. Teknologi ini mewakili teknologi baru yang sangat menarik karena memungkinkan pembentukan lapisan adsorben terhidrasi, yang memiliki sejumlah keunggulan dibandingkan adsorben fisik yang sering dipelajari.
Pelat aluminium hasil cetakan yang digunakan sebagai substrat untuk percobaan ini disediakan oleh ALINVEST Břidličná, Republik Ceko. Pelat tersebut mengandung 98,11% aluminium, 1,3622% besi, 0,3618% mangan, dan sejumlah kecil tembaga, magnesium, silikon, titanium, seng, kromium, dan nikel.
Bahan-bahan yang dipilih untuk pembuatan komposit dipilih sesuai dengan sifat termodinamikanya, yaitu, bergantung pada jumlah air yang dapat diserap/dilepas pada suhu di bawah 120°C.
Magnesium sulfat (MgSO4) adalah salah satu garam terhidrat yang paling menarik dan banyak dipelajari30,31,32,33,34,35,36,37,38,39,40,41. Sifat termodinamikanya telah diukur secara sistematis dan ditemukan cocok untuk aplikasi di bidang pendinginan adsorpsi, pompa panas, dan penyimpanan energi. Magnesium sulfat kering CAS-Nr.7487-88-9 99% (Grüssing GmbH, Filsum, Niedersachsen, Jerman) digunakan.
Kalsium klorida (CaCl2) (H319) adalah garam lain yang banyak dipelajari karena hidratnya memiliki sifat termodinamika yang menarik41,42,43,44. Kalsium klorida heksahidrat CAS-No. 7774-34-7 97% digunakan (Grüssing, GmbH, Filsum, Niedersachsen, Jerman).
Seng sulfat (ZnSO4) (H3O2, H318, H410) dan hidratnya memiliki sifat termodinamika yang sesuai untuk proses adsorpsi suhu rendah45,46. Seng sulfat heptahidrat CAS-Nr.7733-02-0 99,5% (Grüssing GmbH, Filsum, Niedersachsen, Jerman) digunakan.
Strontium klorida (SrCl2) (H318) juga memiliki sifat termodinamika yang menarik4,45,47 meskipun sering dikombinasikan dengan amonia dalam penelitian pompa panas adsorpsi atau penyimpanan energi. Strontium klorida heksahidrat CAS-Nr.10.476-85-4 99,0–102,0% (Sigma Aldrich, St. Louis, Missouri, AS) digunakan untuk sintesis.
Tembaga sulfat (CuSO4) (H302, H315, H319, H410) bukanlah salah satu hidrat yang sering ditemukan dalam literatur profesional, meskipun sifat termodinamiknya menarik untuk aplikasi suhu rendah48,49. Tembaga sulfat CAS-Nr.7758-99-8 99% (Sigma Aldrich, St. Louis, MO, USA) digunakan untuk sintesis.
Magnesium klorida (MgCl2) adalah salah satu garam terhidrat yang baru-baru ini mendapat perhatian lebih di bidang penyimpanan energi termal50,51. Magnesium klorida heksahidrat CAS-Nr.7791-18-6 murni kualitas farmasi (Applichem GmbH., Darmstadt, Jerman) digunakan untuk percobaan.
Seperti yang disebutkan di atas, hidroksietil selulosa dipilih karena hasil positif yang diperoleh dalam aplikasi serupa. Bahan yang digunakan dalam sintesis kami adalah hidroksietil selulosa CAS-Nr 9004-62-0 (Sigma Aldrich, St. Louis, MO, USA).
Serat logam terbuat dari kawat pendek yang diikat bersama melalui kompresi dan sintering, suatu proses yang dikenal sebagai ekstraksi lelehan krusibel (CME)52. Ini berarti bahwa konduktivitas termalnya tidak hanya bergantung pada konduktivitas massal logam yang digunakan dalam pembuatan dan porositas struktur akhir, tetapi juga pada kualitas ikatan antar benang. Serat tersebut tidak isotropik dan cenderung terdistribusi dalam arah tertentu selama produksi, yang membuat konduktivitas termal dalam arah melintang jauh lebih rendah.
Sifat penyerapan air diselidiki menggunakan analisis termogravimetri simultan (TGA)/analisis termogravimetri diferensial (DTG) dalam paket vakum (Netzsch TG 209 F1 Libra). Pengukuran dilakukan dalam atmosfer nitrogen yang mengalir dengan laju aliran 10 ml/menit dan kisaran suhu 25 hingga 150°C dalam krusibel aluminium oksida. Laju pemanasan adalah 1 °C/menit, berat sampel bervariasi dari 10 hingga 20 mg, resolusi 0,1 μg. Dalam penelitian ini, perlu dicatat bahwa perbedaan massa per satuan luas memiliki ketidakpastian yang besar. Sampel yang digunakan dalam TGA-DTG sangat kecil dan dipotong tidak beraturan, yang membuat penentuan luasnya tidak akurat. Nilai-nilai ini hanya dapat diekstrapolasi ke area yang lebih besar jika penyimpangan besar diperhitungkan.
Spektrum inframerah transformasi Fourier refleksi total teredam (ATR-FTIR) diperoleh menggunakan spektrometer FTIR Bruker Vertex 80 v (Bruker Optik GmbH, Leipzig, Jerman) dengan aksesori platinum ATR (Bruker Optik GmbH, Jerman). Spektrum kristal berlian kering murni diukur langsung dalam vakum sebelum sampel digunakan sebagai latar belakang untuk pengukuran eksperimental. Sampel diukur dalam vakum menggunakan resolusi spektral 2 cm⁻¹ dan jumlah pemindaian rata-rata 32. Rentang bilangan gelombang dari 8000 hingga 500 cm⁻¹. Analisis spektral dilakukan menggunakan program OPUS.
Analisis SEM dilakukan menggunakan DSM 982 Gemini dari Zeiss pada tegangan akselerasi 2 dan 5 kV. Spektroskopi sinar-X dispersif energi (EDX) dilakukan menggunakan Thermo Fischer System 7 dengan detektor silikon drift (SSD) berpendingin Peltier.
Persiapan pelat logam dilakukan sesuai dengan prosedur yang mirip dengan yang dijelaskan pada 53. Pertama, rendam pelat dalam asam sulfat 50% selama 15 menit. Kemudian dimasukkan ke dalam larutan natrium hidroksida 1 M selama sekitar 10 detik. Selanjutnya, sampel dicuci dengan sejumlah besar air suling, dan kemudian direndam dalam air suling selama 30 menit. Setelah perlakuan permukaan awal, sampel direndam dalam larutan jenuh 3% HEC dan garam target. Terakhir, dikeluarkan dan dikeringkan pada suhu 60°C.
Metode anodisasi meningkatkan dan memperkuat lapisan oksida alami pada logam pasif. Panel aluminium di-anodisasi dengan asam sulfat dalam keadaan mengeras dan kemudian disegel dalam air panas. Anodisasi dilakukan setelah etsa awal dengan NaOH 1 mol/l (600 s) diikuti dengan netralisasi dalam HNO3 1 mol/l (60 s). Larutan elektrolit adalah campuran 2,3 M H2SO4, 0,01 M Al2(SO4)3, dan 1 M MgSO4 + 7H2O. Anodisasi dilakukan pada suhu (40 ± 1)°C, 30 mA/cm2 selama 1200 detik. Proses penyegelan dilakukan dalam berbagai larutan garam seperti yang dijelaskan dalam bahan (MgSO4, CaCl2, ZnSO4, SrCl2, CuSO4, MgCl2). Sampel direbus di dalamnya selama 1800 detik.
Tiga metode berbeda untuk memproduksi komposit telah diteliti: pelapisan perekat, reaksi langsung, dan perlakuan permukaan. Keuntungan dan kerugian dari setiap metode pelatihan dianalisis dan dibahas secara sistematis. Pengamatan langsung, pencitraan nano, dan analisis kimia/unsur digunakan untuk mengevaluasi hasilnya.
Anodisasi dipilih sebagai metode perlakuan permukaan konversi untuk meningkatkan adhesi hidrat garam. Perlakuan permukaan ini menciptakan struktur berpori alumina (alumina) langsung pada permukaan aluminium. Secara tradisional, metode ini terdiri dari dua tahap: tahap pertama menciptakan struktur berpori aluminium oksida, dan tahap kedua menciptakan lapisan aluminium hidroksida yang menutup pori-pori tersebut. Berikut adalah dua metode untuk memblokir garam tanpa menghalangi akses ke fase gas. Yang pertama terdiri dari sistem sarang lebah menggunakan tabung aluminium oksida (Al2O3) kecil yang diperoleh pada langkah pertama untuk menahan kristal adsorben dan meningkatkan adhesinya ke permukaan logam. Sarang lebah yang dihasilkan memiliki diameter sekitar 50 nm dan panjang 200 nm (Gambar 1a). Seperti yang disebutkan sebelumnya, rongga-rongga ini biasanya ditutup pada langkah kedua dengan lapisan tipis boehmite Al2O(OH)2 yang didukung oleh proses pendidihan tabung alumina. Pada metode kedua, proses penyegelan ini dimodifikasi sedemikian rupa sehingga kristal garam terperangkap dalam lapisan boehmite (Al2O(OH)) yang menutupi secara seragam, yang dalam kasus ini tidak digunakan untuk penyegelan. Tahap kedua dilakukan dalam larutan jenuh garam yang sesuai. Pola yang dijelaskan memiliki ukuran dalam kisaran 50–100 nm dan tampak seperti tetesan yang terciprat (Gambar 1b). Permukaan yang diperoleh sebagai hasil dari proses penyegelan memiliki struktur spasial yang jelas dengan area kontak yang meningkat. Pola permukaan ini, bersama dengan banyak konfigurasi ikatannya, ideal untuk membawa dan menahan kristal garam. Kedua struktur yang dijelaskan tampak benar-benar berpori dan memiliki rongga kecil yang tampaknya sangat cocok untuk menahan hidrat garam dan menyerap uap ke garam selama pengoperasian adsorber. Namun, analisis unsur permukaan ini menggunakan EDX dapat mendeteksi sejumlah kecil magnesium dan sulfur pada permukaan boehmite, yang tidak terdeteksi pada permukaan alumina.
ATR-FTIR dari sampel tersebut mengkonfirmasi bahwa unsur tersebut adalah magnesium sulfat (lihat Gambar 2b). Spektrum menunjukkan puncak ion sulfat karakteristik pada 610–680 dan 1080–1130 cm–1 dan puncak air kisi karakteristik pada 1600–1700 cm–1 dan 3200–3800 cm–1 (lihat Gambar 2a, c). Kehadiran ion magnesium hampir tidak mengubah spektrum54.
(a) EDX dari pelat aluminium MgSO4 yang dilapisi boehmite, (b) Spektrum ATR-FTIR dari lapisan boehmite dan MgSO4, (c) Spektrum ATR-FTIR dari MgSO4 murni.
Efisiensi adsorpsi yang terjaga dikonfirmasi oleh TGA. Pada Gambar 3b menunjukkan puncak desorpsi sekitar 60°C. Puncak ini tidak sesuai dengan suhu dua puncak yang diamati pada TGA garam murni (Gambar 3a). Pengulangan siklus adsorpsi-desorpsi dievaluasi, dan kurva yang sama diamati setelah menempatkan sampel dalam atmosfer lembap (Gambar 3c). Perbedaan yang diamati pada tahap desorpsi kedua mungkin merupakan hasil dehidrasi dalam atmosfer yang mengalir, karena hal ini sering menyebabkan dehidrasi yang tidak lengkap. Nilai-nilai ini sesuai dengan sekitar 17,9 g/m2 pada dehidrasi pertama dan 10,3 g/m2 pada dehidrasi kedua.
Perbandingan analisis TGA boehmite dan MgSO4: Analisis TGA MgSO4 murni (a), campuran (b) dan setelah rehidrasi (c).
Metode yang sama dilakukan dengan kalsium klorida sebagai adsorben. Hasilnya disajikan pada Gambar 4. Inspeksi visual permukaan menunjukkan perubahan kecil pada kilau metalik. Lapisan bulu hampir tidak terlihat. SEM mengkonfirmasi keberadaan kristal kecil yang terdistribusi merata di permukaan. Namun, TGA menunjukkan tidak ada dehidrasi di bawah 150°C. Hal ini mungkin disebabkan oleh fakta bahwa proporsi garam terlalu kecil dibandingkan dengan massa total substrat untuk dideteksi oleh TGA.
Hasil perlakuan permukaan lapisan tembaga sulfat dengan metode anodisasi ditunjukkan pada Gambar 5. Dalam kasus ini, penggabungan CuSO4 ke dalam struktur oksida Al yang diharapkan tidak terjadi. Sebaliknya, jarum-jarum lepas diamati seperti yang biasa digunakan untuk tembaga hidroksida Cu(OH)2 yang digunakan dengan pewarna pirus tipikal.
Perlakuan permukaan anodisasi juga diuji dalam kombinasi dengan strontium klorida. Hasilnya menunjukkan cakupan yang tidak merata (lihat Gambar 6a). Untuk menentukan apakah garam menutupi seluruh permukaan, dilakukan analisis EDX. Kurva untuk titik di area abu-abu (titik 1 pada Gambar 6b) menunjukkan sedikit strontium dan banyak aluminium. Ini menunjukkan kandungan strontium yang rendah di zona yang diukur, yang pada gilirannya menunjukkan cakupan strontium klorida yang rendah. Sebaliknya, area putih memiliki kandungan strontium yang tinggi dan kandungan aluminium yang rendah (titik 2–6 pada Gambar 6b). Analisis EDX pada area putih menunjukkan titik-titik yang lebih gelap (titik 2 dan 4 pada Gambar 6b), rendah klorin dan tinggi sulfur. Ini mungkin menunjukkan pembentukan strontium sulfat. Titik-titik yang lebih terang mencerminkan kandungan klorin yang tinggi dan kandungan sulfur yang rendah (titik 3, 5, dan 6 pada Gambar 6b). Hal ini dapat dijelaskan oleh fakta bahwa bagian utama lapisan putih terdiri dari strontium klorida yang diharapkan. Analisis TGA sampel mengkonfirmasi interpretasi analisis dengan puncak pada suhu karakteristik strontium klorida murni (Gambar 6c). Nilai kecilnya dapat dibenarkan oleh fraksi garam yang kecil dibandingkan dengan massa penyangga logam. Massa desorpsi yang ditentukan dalam percobaan sesuai dengan jumlah 7,3 g/m2 yang dilepaskan per satuan luas adsorber pada suhu 150°C.
Lapisan seng sulfat yang diberi perlakuan Eloxal juga diuji. Secara makroskopis, lapisan tersebut sangat tipis dan seragam (Gambar 7a). Namun, SEM menunjukkan area permukaan yang tertutup kristal kecil yang dipisahkan oleh area kosong (Gambar 7b). TGA dari lapisan dan substrat dibandingkan dengan garam murni (Gambar 7c). Garam murni memiliki satu puncak asimetris pada 59,1°C. Aluminium yang dilapisi menunjukkan dua puncak kecil pada 55,5°C dan 61,3°C, yang menunjukkan adanya seng sulfat hidrat. Perbedaan massa yang terungkap dalam percobaan sesuai dengan 10,9 g/m2 pada suhu dehidrasi 150°C.
Seperti pada aplikasi sebelumnya53, hidroksietil selulosa digunakan sebagai pengikat untuk meningkatkan daya rekat dan stabilitas lapisan adsorben. Kompatibilitas material dan pengaruhnya terhadap kinerja adsorpsi dinilai dengan TGA. Analisis dilakukan terkait dengan massa total, yaitu sampel mencakup pelat logam yang digunakan sebagai substrat pelapis. Daya rekat diuji dengan uji berdasarkan uji takik silang yang didefinisikan dalam spesifikasi ISO2409 (tidak dapat memenuhi spesifikasi pemisahan takik tergantung pada ketebalan dan lebar spesifikasi).
Pelapisan panel dengan kalsium klorida (CaCl2) (lihat Gambar 8a) menghasilkan distribusi yang tidak merata, yang tidak diamati pada lapisan aluminium murni yang digunakan untuk uji takik melintang. Dibandingkan dengan hasil untuk CaCl2 murni, TGA (Gambar 8b) menunjukkan dua puncak karakteristik yang bergeser ke arah suhu yang lebih rendah, yaitu 40 dan 20°C. Uji penampang melintang tidak memungkinkan perbandingan objektif karena sampel CaCl2 murni (sampel di sebelah kanan pada Gambar 8c) adalah endapan bubuk, yang menghilangkan partikel paling atas. Hasil HEC menunjukkan lapisan yang sangat tipis dan seragam dengan daya rekat yang memuaskan. Perbedaan massa yang ditunjukkan pada Gambar 8b sesuai dengan 51,3 g/m2 per satuan luas adsorber pada suhu 150°C.
Hasil positif dalam hal adhesi dan keseragaman juga diperoleh dengan magnesium sulfat (MgSO4) (lihat Gambar 9). Analisis proses desorpsi lapisan menunjukkan adanya satu puncak sekitar 60°C. Suhu ini sesuai dengan langkah desorpsi utama yang terlihat pada dehidrasi garam murni, yang mewakili langkah lain pada 44°C. Ini sesuai dengan transisi dari heksahidrat ke pentahidrat dan tidak diamati dalam kasus lapisan dengan pengikat. Uji penampang menunjukkan distribusi dan adhesi yang lebih baik dibandingkan dengan lapisan yang dibuat menggunakan garam murni. Perbedaan massa yang diamati dalam TGA-DTC sesuai dengan 18,4 g/m2 per satuan luas adsorber pada suhu 150°C.
Karena ketidakrataan permukaan, strontium klorida (SrCl2) memiliki lapisan yang tidak merata pada sirip (Gambar 10a). Namun, hasil uji takik melintang menunjukkan distribusi yang seragam dengan adhesi yang jauh lebih baik (Gambar 10c). Analisis TGA menunjukkan perbedaan berat yang sangat kecil, yang pasti disebabkan oleh kandungan garam yang lebih rendah dibandingkan dengan substrat logam. Namun, langkah-langkah pada kurva menunjukkan adanya proses dehidrasi, meskipun puncaknya terkait dengan suhu yang diperoleh saat mengkarakterisasi garam murni. Puncak pada 110°C dan 70,2°C yang diamati pada Gambar 10b juga ditemukan saat menganalisis garam murni. Namun, langkah dehidrasi utama yang diamati pada garam murni pada 50°C tidak tercermin dalam kurva yang menggunakan pengikat. Sebaliknya, campuran pengikat menunjukkan dua puncak pada 20,2°C dan 94,1°C, yang tidak diukur untuk garam murni (Gambar 10b). Pada suhu 150 °C, perbedaan massa yang diamati sesuai dengan 7,2 g/m2 per satuan luas adsorber.
Kombinasi HEC dan seng sulfat (ZnSO4) tidak memberikan hasil yang memuaskan (Gambar 11). Analisis TGA pada logam yang dilapisi tidak menunjukkan adanya proses dehidrasi. Meskipun distribusi dan adhesi lapisan telah meningkat, sifat-sifatnya masih jauh dari optimal.
Cara paling sederhana untuk melapisi serat logam dengan lapisan tipis dan seragam adalah dengan impregnasi basah (Gambar 12a), yang meliputi persiapan garam target dan impregnasi serat logam dengan larutan berair.
Saat mempersiapkan impregnasi basah, dua masalah utama dihadapi. Di satu sisi, tegangan permukaan larutan garam mencegah penggabungan cairan yang benar ke dalam struktur berpori. Kristalisasi pada permukaan luar (Gambar 12d) dan gelembung udara yang terperangkap di dalam struktur (Gambar 12c) hanya dapat dikurangi dengan menurunkan tegangan permukaan dan membasahi sampel terlebih dahulu dengan air suling. Pelarutan paksa dalam sampel dengan mengeluarkan udara di dalamnya atau dengan menciptakan aliran larutan dalam struktur adalah cara efektif lainnya untuk memastikan pengisian struktur yang lengkap.
Masalah kedua yang dihadapi selama persiapan adalah pelepasan lapisan film dari sebagian garam (lihat Gambar 12b). Fenomena ini ditandai dengan pembentukan lapisan kering pada permukaan pelarutan, yang menghentikan pengeringan yang dirangsang secara konvektif dan memulai proses yang dirangsang secara difusi. Mekanisme kedua jauh lebih lambat daripada yang pertama. Akibatnya, suhu tinggi diperlukan untuk waktu pengeringan yang wajar, yang meningkatkan risiko terbentuknya gelembung di dalam sampel. Masalah ini diatasi dengan memperkenalkan metode kristalisasi alternatif yang tidak didasarkan pada perubahan konsentrasi (penguapan), tetapi pada perubahan suhu (seperti pada contoh dengan MgSO4 pada Gambar 13).
Representasi skematis dari proses kristalisasi selama pendinginan dan pemisahan fase padat dan cair menggunakan MgSO4.
Larutan garam jenuh dapat disiapkan pada suhu ruang (HT) atau di atasnya menggunakan metode ini. Pada kasus pertama, kristalisasi dipaksakan dengan menurunkan suhu di bawah suhu ruang. Pada kasus kedua, kristalisasi terjadi ketika sampel didinginkan hingga suhu ruang (RT). Hasilnya adalah campuran kristal (B) dan terlarut (A), bagian cairnya dihilangkan dengan udara bertekanan. Pendekatan ini tidak hanya menghindari pembentukan lapisan pada hidrat ini, tetapi juga mengurangi waktu yang dibutuhkan untuk pembuatan komposit lainnya. Namun, penghilangan cairan dengan udara bertekanan menyebabkan kristalisasi garam tambahan, sehingga menghasilkan lapisan yang lebih tebal.
Metode lain yang dapat digunakan untuk melapisi permukaan logam melibatkan produksi langsung garam target melalui reaksi kimia. Penukar panas berlapis yang dibuat melalui reaksi asam pada permukaan logam sirip dan tabung memiliki sejumlah keunggulan, seperti yang dilaporkan dalam penelitian kami sebelumnya. Penerapan metode ini pada serat menghasilkan hasil yang sangat buruk karena pembentukan gas selama reaksi. Tekanan gelembung gas hidrogen menumpuk di dalam probe dan bergeser saat produk dikeluarkan (Gambar 14a).
Lapisan tersebut telah dimodifikasi melalui reaksi kimia untuk mengontrol ketebalan dan distribusi lapisan dengan lebih baik. Metode ini melibatkan pengaliran kabut asam melalui sampel (Gambar 14b). Hal ini diharapkan menghasilkan lapisan yang seragam melalui reaksi dengan logam substrat. Hasilnya memuaskan, tetapi prosesnya terlalu lambat untuk dianggap sebagai metode yang efektif (Gambar 14c). Waktu reaksi yang lebih singkat dapat dicapai dengan pemanasan lokal.
Untuk mengatasi kekurangan metode di atas, metode pelapisan berdasarkan penggunaan perekat telah dipelajari. HEC dipilih berdasarkan hasil yang disajikan pada bagian sebelumnya. Semua sampel disiapkan pada konsentrasi 3% berat. Pengikat dicampur dengan garam. Serat diberi perlakuan awal sesuai dengan prosedur yang sama seperti pada rusuk, yaitu direndam dalam asam sulfat 50% volume selama 15 menit, kemudian direndam dalam natrium hidroksida selama 20 detik, dicuci dengan air suling, dan akhirnya direndam dalam air suling selama 30 menit. Dalam hal ini, langkah tambahan ditambahkan sebelum impregnasi. Sampel direndam sebentar dalam larutan garam target encer dan dikeringkan pada suhu sekitar 60°C. Proses ini dirancang untuk memodifikasi permukaan logam, menciptakan situs nukleasi yang meningkatkan distribusi lapisan pada tahap akhir. Struktur berserat memiliki satu sisi di mana filamen lebih tipis dan tersusun rapat, dan sisi sebaliknya di mana filamen lebih tebal dan kurang tersebar. Ini adalah hasil dari 52 proses manufaktur.
Hasil untuk kalsium klorida (CaCl2) dirangkum dan diilustrasikan dengan gambar pada Tabel 1. Cakupan yang baik setelah inokulasi. Bahkan untaian yang tidak memiliki kristal yang terlihat di permukaan memiliki refleksi logam yang berkurang, menunjukkan perubahan pada lapisan akhir. Namun, setelah sampel diimpregnasi dengan campuran air CaCl2 dan HEC dan dikeringkan pada suhu sekitar 60°C, lapisan terkonsentrasi di persimpangan struktur. Ini adalah efek yang disebabkan oleh tegangan permukaan larutan. Setelah direndam, cairan tetap berada di dalam sampel karena tegangan permukaannya. Pada dasarnya hal ini terjadi di persimpangan struktur. Sisi terbaik spesimen memiliki beberapa lubang yang terisi garam. Berat meningkat sebesar 0,06 g/cm3 setelah pelapisan.
Pelapisan dengan magnesium sulfat (MgSO4) menghasilkan lebih banyak garam per satuan volume (Tabel 2). Dalam kasus ini, peningkatan yang terukur adalah 0,09 g/cm3. Proses penyemaian menghasilkan cakupan sampel yang luas. Setelah proses pelapisan, garam menghalangi area yang luas pada sisi tipis sampel. Selain itu, beberapa area permukaan matte terhalang, tetapi beberapa porositas tetap terjaga. Dalam kasus ini, pembentukan garam mudah diamati pada persimpangan struktur, yang menegaskan bahwa proses pelapisan terutama disebabkan oleh tegangan permukaan cairan, dan bukan interaksi antara garam dan substrat logam.
Hasil untuk kombinasi strontium klorida (SrCl2) dan HEC menunjukkan sifat yang mirip dengan contoh sebelumnya (Tabel 3). Dalam kasus ini, sisi sampel yang lebih tipis hampir sepenuhnya tertutup. Hanya pori-pori individual yang terlihat, terbentuk selama pengeringan sebagai akibat pelepasan uap dari sampel. Pola yang diamati pada sisi matte sangat mirip dengan kasus sebelumnya, area tersebut tersumbat oleh garam dan serat tidak sepenuhnya tertutup.
Untuk mengevaluasi efek positif struktur serat pada kinerja termal penukar panas, konduktivitas termal efektif dari struktur serat berlapis ditentukan dan dibandingkan dengan material pelapis murni. Konduktivitas termal diukur sesuai dengan ASTM D 5470-2017 menggunakan perangkat panel datar yang ditunjukkan pada Gambar 15a menggunakan material referensi dengan konduktivitas termal yang diketahui. Dibandingkan dengan metode pengukuran transien lainnya, prinsip ini menguntungkan untuk material berpori yang digunakan dalam penelitian ini, karena pengukuran dilakukan dalam keadaan tunak dan dengan ukuran sampel yang cukup (luas alas 30 × 30 mm2, tinggi sekitar 15 mm). Sampel material pelapis murni (referensi) dan struktur serat berlapis disiapkan untuk pengukuran searah serat dan tegak lurus terhadap arah serat untuk mengevaluasi efek konduktivitas termal anisotropik. Spesimen dihaluskan permukaannya (grit P320) untuk meminimalkan efek kekasaran permukaan akibat persiapan spesimen, yang tidak mencerminkan struktur di dalam spesimen.