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La quota di mercato dei sistemi di refrigerazione ad adsorbimento e delle pompe di calore è ancora relativamente piccola rispetto ai tradizionali sistemi a compressore.Nonostante l'enorme vantaggio di utilizzare calore a basso costo (invece di costosi lavori elettrici), l'implementazione di sistemi basati su principi di adsorbimento è ancora limitata a poche applicazioni specifiche.Il principale svantaggio che deve essere eliminato è la diminuzione della potenza specifica dovuta alla bassa conducibilità termica e alla bassa stabilità dell'adsorbente.Gli attuali sistemi di refrigerazione ad adsorbimento commerciale all'avanguardia si basano su adsorbitori basati su scambiatori di calore a piastre rivestiti per ottimizzare la capacità di raffreddamento.I risultati sono ben noti che diminuendo lo spessore del rivestimento porta ad una diminuzione dell'impedenza di trasferimento di massa, e l'aumento del rapporto tra area superficiale e volume delle strutture conduttive aumenta la potenza senza compromettere l'efficienza.Le fibre metalliche utilizzate in questo lavoro possono fornire una superficie specifica compresa tra 2500 e 50.000 m2/m3.Tre metodi per ottenere rivestimenti molto sottili ma stabili di idrati salini su superfici metalliche, comprese le fibre metalliche, per la produzione di rivestimenti dimostrano per la prima volta uno scambiatore di calore ad alta densità di potenza.Il trattamento superficiale basato sull'anodizzazione dell'alluminio viene scelto per creare un legame più forte tra il rivestimento e il substrato.La microstruttura della superficie risultante è stata analizzata mediante microscopia elettronica a scansione.La spettroscopia infrarossa in trasformata di Fourier a riflessione ridotta e la spettroscopia a raggi X a dispersione di energia sono state utilizzate per verificare la presenza delle specie desiderate nel saggio.La loro capacità di formare idrati è stata confermata dall'analisi termogravimetrica combinata (TGA)/analisi termogravimetrica differenziale (DTG).Nel rivestimento MgSO4 è stata riscontrata una scarsa qualità superiore a 0,07 g (acqua)/g (composito), che mostra segni di disidratazione a circa 60 °C e riproducibili dopo la reidratazione.Risultati positivi sono stati ottenuti anche con SrCl2 e ZnSO4 con una differenza di massa di circa 0,02 g/g sotto i 100 °C.L'idrossietilcellulosa è stata scelta come additivo per aumentare la stabilità e l'adesione del rivestimento.Le proprietà adsorbenti dei prodotti sono state valutate mediante TGA-DTG simultaneo e la loro adesione è stata caratterizzata con un metodo basato sui test descritti in ISO2409.La consistenza e l'adesione del rivestimento CaCl2 sono notevolmente migliorate pur mantenendo la sua capacità di adsorbimento con una differenza di peso di circa 0,1 g/g a temperature inferiori a 100 °C.Inoltre, MgSO4 mantiene la capacità di formare idrati, mostrando una differenza di massa superiore a 0,04 g/g a temperature inferiori a 100 °C.Infine, vengono esaminate le fibre metalliche rivestite.I risultati mostrano che la conducibilità termica effettiva della struttura in fibra rivestita con Al2(SO4)3 può essere 4,7 volte superiore rispetto al volume di Al2(SO4)3 puro.Il rivestimento dei rivestimenti studiati è stato esaminato visivamente e la struttura interna è stata valutata utilizzando un'immagine microscopica delle sezioni trasversali.È stato ottenuto un rivestimento di Al2(SO4)3 con uno spessore di circa 50 µm, ma il processo complessivo deve essere ottimizzato per ottenere una distribuzione più uniforme.
I sistemi ad adsorbimento hanno guadagnato molta attenzione negli ultimi decenni in quanto forniscono un'alternativa ecologica alle tradizionali pompe di calore a compressione o ai sistemi di refrigerazione.Con l'aumento degli standard di comfort e delle temperature medie globali, i sistemi di adsorbimento potrebbero ridurre la dipendenza dai combustibili fossili nel prossimo futuro.Inoltre, qualsiasi miglioramento della refrigerazione ad adsorbimento o delle pompe di calore può essere trasferito allo stoccaggio dell'energia termica, che rappresenta un ulteriore aumento del potenziale per un uso efficiente dell'energia primaria.Il vantaggio principale delle pompe di calore ad adsorbimento e dei sistemi di refrigerazione è che possono funzionare con una bassa massa termica.Questo li rende adatti a fonti a bassa temperatura come l'energia solare o il calore residuo.In termini di applicazioni di accumulo di energia, l'adsorbimento ha il vantaggio di una maggiore densità di energia e una minore dissipazione di energia rispetto all'accumulo di calore sensibile o latente.
Le pompe di calore ad adsorbimento e i sistemi di refrigerazione seguono lo stesso ciclo termodinamico delle loro controparti a compressione di vapore.La differenza principale è la sostituzione dei componenti del compressore con adsorbitori.L'elemento è in grado di adsorbire vapore refrigerante a bassa pressione a temperature moderate, facendo evaporare più refrigerante anche quando il liquido è freddo.È necessario garantire un raffreddamento costante dell'adsorbitore per escludere l'entalpia di adsorbimento (esotermia).L'adsorbitore viene rigenerato ad alta temperatura, provocando il desorbimento del vapore refrigerante.Il riscaldamento deve continuare a fornire l'entalpia del desorbimento (endotermico).Poiché i processi di adsorbimento sono caratterizzati da variazioni di temperatura, l'elevata densità di potenza richiede un'elevata conducibilità termica.Tuttavia, la bassa conduttività termica è di gran lunga il principale svantaggio nella maggior parte delle applicazioni.
Il problema principale della conducibilità è aumentare il suo valore medio mantenendo il percorso di trasporto che fornisce il flusso dei vapori di adsorbimento/desorbimento.Per raggiungere questo obiettivo vengono comunemente utilizzati due approcci: scambiatori di calore compositi e scambiatori di calore rivestiti.I materiali compositi più popolari e di successo sono quelli che utilizzano additivi a base di carbonio, ovvero grafite espansa, carbone attivo o fibre di carbonio.Oliveira et al.2 polvere di grafite espansa impregnata con cloruro di calcio per produrre un adsorbitore con una capacità di raffreddamento specifica (SCP) fino a 306 W/kg e un coefficiente di prestazione (COP) fino a 0,46.Zajaczkowski et al.3 ha proposto una combinazione di grafite espansa, fibra di carbonio e cloruro di calcio con una conduttività totale di 15 W/mK.Jian et al.4 hanno testato compositi con grafite naturale espansa trattata con acido solforico (ENG-TSA) come substrato in un ciclo di raffreddamento ad adsorbimento a due stadi.Il modello prevedeva COP da 0,215 a 0,285 e SCP da 161,4 a 260,74 W/kg.
La soluzione di gran lunga più praticabile è lo scambiatore di calore rivestito.I meccanismi di rivestimento di questi scambiatori di calore possono essere suddivisi in due categorie: sintesi diretta e adesivi.Il metodo di maggior successo è la sintesi diretta, che comporta la formazione di materiali adsorbenti direttamente sulla superficie degli scambiatori di calore dai reagenti appropriati.Sotech5 ha brevettato un metodo per sintetizzare la zeolite rivestita da utilizzare in una serie di refrigeratori prodotti da Fahrenheit GmbH.Schnabel et al.6 hanno testato le prestazioni di due zeoliti rivestite su acciaio inossidabile.Tuttavia, questo metodo funziona solo con adsorbenti specifici, il che rende il rivestimento con adesivi un'interessante alternativa.I leganti sono sostanze passive scelte per supportare l'adesione del sorbente e/o il trasferimento di massa, ma non svolgono alcun ruolo nell'adsorbimento o nel miglioramento della conducibilità.Freni et al.7 scambiatori di calore in alluminio rivestito con zeolite AQSOA-Z02 stabilizzata con legante a base di argilla.Calabrese et al.8 hanno studiato la preparazione di rivestimenti zeolitici con leganti polimerici.Ammann et al.9 hanno proposto un metodo per preparare rivestimenti porosi di zeolite da miscele magnetiche di alcool polivinilico.L'allumina (allumina) è anche usata come legante 10 nell'adsorbitore.A nostra conoscenza, la cellulosa e l'idrossietilcellulosa sono utilizzate solo in combinazione con adsorbenti fisici11,12.A volte la colla non viene utilizzata per la vernice, ma viene utilizzata per costruire da sola la struttura 13.La combinazione di matrici polimeriche di alginato con più idrati di sale forma strutture di perline composite flessibili che impediscono perdite durante l'essiccazione e forniscono un adeguato trasferimento di massa.Argille come bentonite e attapulgite sono state utilizzate come leganti per la preparazione di compositi15,16,17.L'etilcellulosa è stata utilizzata per microincapsulare cloruro di calcio18 o solfuro di sodio19.
I compositi con una struttura metallica porosa possono essere suddivisi in scambiatori di calore additivi e scambiatori di calore rivestiti.Il vantaggio di queste strutture è l'elevata superficie specifica.Ciò si traduce in una maggiore superficie di contatto tra adsorbente e metallo senza l'aggiunta di una massa inerte, che riduce l'efficienza complessiva del ciclo di refrigerazione.Lang et al.20 hanno migliorato la conducibilità complessiva di un adsorbitore di zeolite con una struttura a nido d'ape in alluminio.Gillerminot et al.21 ha migliorato la conduttività termica degli strati di zeolite NaX con schiuma di rame e nichel.Sebbene i compositi siano usati come materiali a cambiamento di fase (PCM), i risultati di Li et al.22 e Zhao et al.23 sono interessanti anche per il chemisorbimento.Hanno confrontato le prestazioni della grafite espansa e della schiuma metallica e hanno concluso che quest'ultima era preferibile solo se la corrosione non era un problema.Palomba et al.hanno recentemente confrontato altre strutture metalliche porose24.VanderPal et al.hanno studiato i sali metallici incorporati nelle schiume 25 .Tutti gli esempi precedenti corrispondono a strati densi di adsorbenti particolati.Le strutture metalliche porose non vengono praticamente utilizzate per rivestire gli adsorbitori, che è una soluzione più ottimale.Un esempio di legame alle zeoliti può essere trovato in Wittstadt et al.26 ma non è stato fatto alcun tentativo di legare gli idrati salini nonostante la loro maggiore densità energetica 27 .
Pertanto, in questo articolo verranno esplorati tre metodi per preparare rivestimenti adsorbenti: (1) rivestimento legante, (2) reazione diretta e (3) trattamento superficiale.L'idrossietilcellulosa è stato il legante scelto in questo lavoro grazie alla stabilità precedentemente riportata e alla buona adesione del rivestimento in combinazione con adsorbenti fisici.Questo metodo è stato inizialmente studiato per rivestimenti piani e successivamente applicato a strutture in fibra metallica.In precedenza, è stata segnalata un'analisi preliminare della possibilità di reazioni chimiche con la formazione di rivestimenti adsorbenti.L'esperienza precedente viene ora trasferita al rivestimento di strutture in fibra metallica.Il trattamento superficiale scelto per questo lavoro è un metodo basato sull'anodizzazione dell'alluminio.L'anodizzazione dell'alluminio è stata combinata con successo con sali metallici per scopi estetici29.In questi casi si possono ottenere rivestimenti molto stabili e resistenti alla corrosione.Tuttavia, non possono eseguire alcun processo di adsorbimento o desorbimento.Questo documento presenta una variante di questo approccio che consente di spostare la massa utilizzando le proprietà adesive del processo originale.Per quanto ne sappiamo, nessuno dei metodi qui descritti è stato studiato in precedenza.Rappresentano una nuova tecnologia molto interessante perché consentono la formazione di rivestimenti adsorbenti idratati, che presentano una serie di vantaggi rispetto agli adsorbenti fisici frequentemente studiati.
Le lastre di alluminio stampato utilizzate come substrati per questi esperimenti sono state fornite da ALINVEST Břidličná, Repubblica Ceca.Contengono il 98,11% di alluminio, l'1,3622% di ferro, lo 0,3618% di manganese e tracce di rame, magnesio, silicio, titanio, zinco, cromo e nichel.
I materiali scelti per la fabbricazione dei compositi sono selezionati in base alle loro proprietà termodinamiche, ovvero in base alla quantità di acqua che possono adsorbire/desorbire a temperature inferiori a 120°C.
Il solfato di magnesio (MgSO4) è uno dei sali idrati più interessanti e studiati30,31,32,33,34,35,36,37,38,39,40,41.Le proprietà termodinamiche sono state sistematicamente misurate e ritenute idonee per applicazioni nei settori della refrigerazione ad adsorbimento, delle pompe di calore e dello stoccaggio dell'energia.È stato utilizzato solfato di magnesio secco CAS-Nr.7487-88-9 99% (Grüssing GmbH, Filsum, Niedersachsen, Germania).
Il cloruro di calcio (CaCl2) (H319) è un altro sale ben studiato perché il suo idrato ha proprietà termodinamiche interessanti41,42,43,44.Cloruro di calcio esaidrato CAS-No.7774-34-7 97% utilizzato (Grüssing, GmbH, Filsum, Niedersachsen, Germania).
Il solfato di zinco (ZnSO4) (H3O2, H318, H410) ei suoi idrati hanno proprietà termodinamiche adatte ai processi di adsorbimento a bassa temperatura45,46.È stato utilizzato solfato di zinco eptaidrato CAS-Nr.7733-02-0 99,5% (Grüssing GmbH, Filsum, Niedersachsen, Germania).
Anche il cloruro di stronzio (SrCl2) (H318) ha interessanti proprietà termodinamiche4,45,47 sebbene sia spesso combinato con l'ammoniaca nella ricerca sulle pompe di calore ad adsorbimento o sull'accumulo di energia.Per la sintesi è stato utilizzato cloruro di stronzio esaidrato CAS-Nr.10.476-85-4 99,0–102,0% (Sigma Aldrich, St. Louis, Missouri, USA).
Il solfato di rame (CuSO4) (H302, H315, H319, H410) non è tra gli idrati frequentemente presenti nella letteratura professionale, sebbene le sue proprietà termodinamiche siano di interesse per applicazioni a bassa temperatura48,49.Per la sintesi è stato utilizzato il solfato di rame CAS-Nr.7758-99-8 99% (Sigma Aldrich, St. Louis, MO, USA).
Il cloruro di magnesio (MgCl2) è uno dei sali idrati che ha recentemente ricevuto maggiore attenzione nel campo dell'accumulo di energia termica50,51.Per gli esperimenti è stato utilizzato cloruro di magnesio esaidrato CAS-Nr.7791-18-6 di grado farmaceutico puro (Applichem GmbH., Darmstadt, Germania).
Come accennato in precedenza, l'idrossietilcellulosa è stata scelta per i risultati positivi ottenuti in applicazioni simili.Il materiale utilizzato nella nostra sintesi è l'idrossietilcellulosa CAS-Nr 9004-62-0 (Sigma Aldrich, St. Louis, MO, USA).
Le fibre metalliche sono costituite da fili corti legati insieme mediante compressione e sinterizzazione, un processo noto come estrazione da fusione a crogiolo (CME)52.Ciò significa che la loro conduttività termica dipende non solo dalla conduttività di massa dei metalli utilizzati nella fabbricazione e dalla porosità della struttura finale, ma anche dalla qualità dei legami tra i fili.Le fibre non sono isotropiche e tendono a distribuirsi in una certa direzione durante la produzione, il che rende la conduttività termica nella direzione trasversale molto più bassa.
Le proprietà di assorbimento dell'acqua sono state studiate mediante analisi termogravimetrica simultanea (TGA)/analisi termogravimetrica differenziale (DTG) in un pacchetto sottovuoto (Netzsch TG 209 F1 Libra).Le misurazioni sono state effettuate in un'atmosfera di azoto fluente ad una portata di 10 ml/min e ad un intervallo di temperatura da 25 a 150°C in crogioli di ossido di alluminio.La velocità di riscaldamento era di 1 °C/min, il peso del campione variava da 10 a 20 mg, la risoluzione era di 0,1 μg.In questo lavoro, va notato che la differenza di massa per unità di superficie ha una grande incertezza.I campioni utilizzati in TGA-DTG sono molto piccoli e tagliati in modo irregolare, il che rende imprecisa la loro determinazione dell'area.Questi valori possono essere estrapolati su un'area più ampia solo se si tiene conto di grandi deviazioni.
Gli spettri a infrarossi in trasformata di Fourier (ATR-FTIR) a riflessione totale attenuata sono stati acquisiti su uno spettrometro Bruker Vertex 80 v FTIR (Bruker Optik GmbH, Lipsia, Germania) utilizzando un accessorio in platino ATR (Bruker Optik GmbH, Germania).Gli spettri dei cristalli di diamante secco puro sono stati misurati direttamente nel vuoto prima di utilizzare i campioni come sfondo per le misurazioni sperimentali.I campioni sono stati misurati nel vuoto utilizzando una risoluzione spettrale di 2 cm-1 e un numero medio di scansioni di 32. Gamma di numeri d'onda da 8000 a 500 cm-1.L'analisi spettrale è stata eseguita utilizzando il programma OPUS.
L'analisi SEM è stata eseguita utilizzando un DSM 982 Gemini di Zeiss a tensioni di accelerazione di 2 e 5 kV.La spettroscopia a raggi X a dispersione di energia (EDX) è stata eseguita utilizzando un sistema Thermo Fischer 7 con un rilevatore di deriva del silicio raffreddato a Peltier (SSD).
La preparazione delle lastre di metallo è stata effettuata secondo la procedura simile a quella descritta in 53. Immergere prima la lastra in acido solforico al 50%.15 minuti.Quindi sono stati introdotti in una soluzione di idrossido di sodio 1 M per circa 10 secondi.Quindi i campioni sono stati lavati con una grande quantità di acqua distillata e quindi immersi in acqua distillata per 30 minuti.Dopo il trattamento superficiale preliminare, i campioni sono stati immersi in una soluzione satura al 3%.HEC e sale target.Infine, estrarli e asciugarli a 60°C.
Il metodo di anodizzazione migliora e rafforza lo strato di ossido naturale sul metallo passivo.I pannelli di alluminio sono stati anodizzati con acido solforico allo stato indurito e poi sigillati in acqua calda.L'anodizzazione ha seguito un attacco iniziale con 1 mol/l NaOH (600 s) seguito dalla neutralizzazione in 1 mol/l HNO3 (60 s).La soluzione elettrolitica è una miscela di 2,3 M H2SO4, 0,01 M Al2(SO4)3 e 1 M MgSO4 + 7H2O.L'anodizzazione è stata effettuata a (40 ± 1)°C, 30 mA/cm2 per 1200 secondi.Il processo di sigillatura è stato eseguito in varie soluzioni di salamoia come descritto nei materiali (MgSO4, CaCl2, ZnSO4, SrCl2, CuSO4, MgCl2).Il campione viene fatto bollire per 1800 secondi.
Sono stati studiati tre diversi metodi per produrre compositi: rivestimento adesivo, reazione diretta e trattamento superficiale.I vantaggi e gli svantaggi di ciascun metodo di allenamento vengono sistematicamente analizzati e discussi.Per valutare i risultati sono state utilizzate l'osservazione diretta, la nanoimaging e l'analisi chimica/elementare.
L'anodizzazione è stata scelta come metodo di trattamento superficiale di conversione per aumentare l'adesione degli idrati di sale.Questo trattamento superficiale crea una struttura porosa di allumina (allumina) direttamente sulla superficie dell'alluminio.Tradizionalmente, questo metodo consiste in due fasi: la prima fase crea una struttura porosa di ossido di alluminio e la seconda fase crea un rivestimento di idrossido di alluminio che chiude i pori.I seguenti sono due metodi per bloccare il sale senza bloccare l'accesso alla fase gassosa.Il primo consiste in un sistema a nido d'ape che utilizza tubicini di ossido di alluminio (Al2O3) ottenuti nella prima fase per trattenere i cristalli adsorbenti e aumentarne l'adesione alle superfici metalliche.I favi risultanti hanno un diametro di circa 50 nm e una lunghezza di 200 nm (Fig. 1a).Come accennato in precedenza, queste cavità vengono solitamente chiuse in una seconda fase con un sottile strato di Al2O(OH)2 boehmite supportato dal processo di ebollizione del tubo di allumina.Nel secondo metodo, questo processo di sigillatura viene modificato in modo tale che i cristalli di sale vengano catturati in uno strato di copertura uniforme di boehmite (Al2O(OH)), che in questo caso non viene utilizzato per la sigillatura.Il secondo stadio viene effettuato in una soluzione satura del sale corrispondente.I modelli descritti hanno dimensioni comprese tra 50 e 100 nm e sembrano gocce schizzate (Fig. 1b).La superficie ottenuta come risultato del processo di sigillatura ha una struttura spaziale pronunciata con una maggiore area di contatto.Questo modello di superficie, insieme alle loro numerose configurazioni di legame, è ideale per trasportare e trattenere i cristalli di sale.Entrambe le strutture descritte sembrano essere veramente porose e hanno piccole cavità che sembrano ben adatte per trattenere gli idrati di sale e per adsorbire i vapori al sale durante il funzionamento dell'adsorbitore.Tuttavia, l'analisi elementare di queste superfici utilizzando EDX può rilevare tracce di magnesio e zolfo sulla superficie della boehmite, che non vengono rilevate nel caso di una superficie di allumina.
L'ATR-FTIR del campione ha confermato che l'elemento era solfato di magnesio (vedi Figura 2b).Lo spettro mostra caratteristici picchi di ioni solfato a 610–680 e 1080–1130 cm–1 e caratteristici picchi di acqua reticolare a 1600–1700 cm–1 e 3200–3800 cm–1 (vedi Fig. 2a, c).).La presenza di ioni magnesio quasi non modifica lo spettro54.
(a) EDX di una lastra di alluminio MgSO4 rivestita di boehmite, (b) spettri ATR-FTIR di rivestimenti di boehmite e MgSO4, (c) spettri ATR-FTIR di MgSO4 puro.
Il mantenimento dell'efficienza di adsorbimento è stato confermato da TGA.Sulla fig.3b mostra un picco di desorbimento di ca.60°C.Questo picco non corrisponde alla temperatura dei due picchi osservati in TGA di sale puro (Fig. 3a).È stata valutata la ripetibilità del ciclo di adsorbimento-desorbimento e la stessa curva è stata osservata dopo aver posizionato i campioni in un'atmosfera umida (Fig. 3c).Le differenze osservate nella seconda fase del desorbimento possono essere il risultato della disidratazione in un'atmosfera fluente, poiché ciò spesso porta a una disidratazione incompleta.Questi valori corrispondono a circa 17,9 g/m2 nella prima disidratazione e 10,3 g/m2 nella seconda disidratazione.
Confronto tra analisi TGA di boehmite e MgSO4: analisi TGA di MgSO4 puro (a), miscela (b) e dopo reidratazione (c).
Lo stesso metodo è stato effettuato con cloruro di calcio come adsorbente.I risultati sono presentati nella Figura 4. L'ispezione visiva della superficie ha rivelato piccoli cambiamenti nel bagliore metallico.La pelliccia è appena visibile.Il SEM ha confermato la presenza di piccoli cristalli uniformemente distribuiti sulla superficie.Tuttavia, la TGA non ha mostrato disidratazione al di sotto di 150°C.Ciò può essere dovuto al fatto che la proporzione di sale è troppo piccola rispetto alla massa totale del substrato per il rilevamento mediante TGA.
I risultati del trattamento superficiale del rivestimento di solfato di rame mediante il metodo di anodizzazione sono mostrati in fig.5. In questo caso, non si è verificata l'incorporazione prevista di CuSO4 nella struttura dell'ossido di Al.Invece, si osservano aghi sciolti poiché sono comunemente usati per l'idrossido di rame Cu(OH)2 usato con i tipici coloranti turchesi.
Il trattamento superficiale anodizzato è stato testato anche in combinazione con il cloruro di stronzio.I risultati hanno mostrato una copertura irregolare (vedi Figura 6a).Per determinare se il sale copriva l'intera superficie, è stata eseguita un'analisi EDX.La curva per un punto nell'area grigia (punto 1 in Fig. 6b) mostra poco stronzio e molto alluminio.Ciò indica un basso contenuto di stronzio nella zona misurata, che, a sua volta, indica una bassa copertura di cloruro di stronzio.Al contrario, le aree bianche hanno un alto contenuto di stronzio e un basso contenuto di alluminio (punti 2-6 in Fig. 6b).L'analisi EDX dell'area bianca mostra punti più scuri (punti 2 e 4 in Fig. 6b), a basso contenuto di cloro e ad alto contenuto di zolfo.Questo può indicare la formazione di solfato di stronzio.I punti più luminosi riflettono un alto contenuto di cloro e un basso contenuto di zolfo (punti 3, 5 e 6 in Fig. 6b).Ciò può essere spiegato dal fatto che la parte principale del rivestimento bianco è costituita dal previsto cloruro di stronzio.Il TGA del campione ha confermato l'interpretazione dell'analisi con un picco alla temperatura caratteristica del cloruro di stronzio puro (Fig. 6c).Il loro piccolo valore può essere giustificato da una piccola frazione di sale rispetto alla massa del supporto metallico.La massa di desorbimento determinata negli esperimenti corrisponde alla quantità di 7,3 g/m2 emessi per unità di superficie dell'adsorbitore alla temperatura di 150°C.
Sono stati testati anche i rivestimenti in solfato di zinco trattati con Eloxal.Macroscopicamente, il rivestimento è uno strato molto sottile e uniforme (Fig. 7a).Tuttavia, SEM ha rivelato un'area superficiale ricoperta da piccoli cristalli separati da aree vuote (Fig. 7b).Il TGA del rivestimento e del substrato è stato confrontato con quello del sale puro (Figura 7c).Il sale puro ha un picco asimmetrico a 59,1°C.L'alluminio rivestito mostrava due piccoli picchi a 55,5°C e 61,3°C, indicando la presenza di solfato di zinco idrato.La differenza di massa rilevata nell'esperimento corrisponde a 10,9 g/m2 ad una temperatura di disidratazione di 150°C.
Come nella domanda precedente53, l'idrossietilcellulosa è stata utilizzata come legante per migliorare l'adesione e la stabilità del rivestimento assorbente.La compatibilità dei materiali e l'effetto sulle prestazioni di adsorbimento sono stati valutati da TGA.L'analisi viene effettuata in relazione alla massa totale, ovvero il campione comprende una lastra metallica utilizzata come substrato di rivestimento.L'adesione viene testata mediante un test basato sul test dell'intaglio a croce definito nella specifica ISO2409 (non può soddisfare la specifica di separazione dell'intaglio a seconda dello spessore e della larghezza della specifica).
Il rivestimento dei pannelli con cloruro di calcio (CaCl2) (vedi Fig. 8a) ha determinato una distribuzione irregolare, che non è stata osservata nel rivestimento di alluminio puro utilizzato per il test dell'intaglio trasversale.Rispetto ai risultati per CaCl2 puro, TGA (Fig. 8b) mostra due picchi caratteristici spostati verso temperature inferiori di 40 e 20°C, rispettivamente.Il test della sezione trasversale non consente un confronto oggettivo perché il campione di CaCl2 puro (campione a destra in Fig. 8c) è un precipitato polveroso, che rimuove le particelle più in alto.I risultati HEC hanno mostrato un rivestimento molto sottile e uniforme con un'adesione soddisfacente.La differenza di massa mostrata in fig.8b corrisponde a 51,3 g/m2 per unità di superficie dell'adsorbitore alla temperatura di 150°C.
Risultati positivi in ​​termini di adesione e uniformità sono stati ottenuti anche con il solfato di magnesio (MgSO4) (vedi Fig. 9).L'analisi del processo di desorbimento del rivestimento ha evidenziato la presenza di un picco di ca.60°C.Questa temperatura corrisponde alla principale fase di desorbimento osservata nella disidratazione dei sali puri, rappresentando un'altra fase a 44°C.Corrisponde al passaggio da esaidrato a pentaidrato e non si osserva nel caso di rivestimenti con leganti.I test in sezione trasversale mostrano una migliore distribuzione e adesione rispetto ai rivestimenti realizzati con sale puro.La differenza di massa osservata in TGA-DTC corrisponde a 18,4 g/m2 per unità di area dell'adsorbitore alla temperatura di 150°C.
A causa delle irregolarità della superficie, il cloruro di stronzio (SrCl2) ha un rivestimento irregolare sulle alette (Fig. 10a).Tuttavia, i risultati del test dell'intaglio trasversale hanno mostrato una distribuzione uniforme con un'adesione notevolmente migliorata (Fig. 10c).L'analisi TGA ha mostrato una piccolissima differenza di peso, che deve essere dovuta al minor contenuto di sale rispetto al substrato metallico.Tuttavia, i passaggi sulla curva mostrano la presenza di un processo di disidratazione, sebbene il picco sia associato alla temperatura ottenuta durante la caratterizzazione del sale puro.I picchi a 110°C e 70.2°C osservati nelle Figg.10b sono stati trovati anche durante l'analisi del sale puro.Tuttavia, la principale fase di disidratazione osservata nel sale puro a 50°C non è stata riflessa nelle curve utilizzando il legante.Al contrario, la miscela legante ha mostrato due picchi a 20,2°C e 94,1°C, che non sono stati misurati per il sale puro (Fig. 10b).Alla temperatura di 150 °C, la differenza di massa osservata corrisponde a 7,2 g/m2 per unità di superficie dell'adsorbitore.
La combinazione di HEC e solfato di zinco (ZnSO4) non ha dato risultati accettabili (Figura 11).L'analisi TGA del metallo rivestito non ha rivelato alcun processo di disidratazione.Sebbene la distribuzione e l'adesione del rivestimento siano migliorate, le sue proprietà sono ancora lontane dall'essere ottimali.
Il modo più semplice per rivestire le fibre metalliche con uno strato sottile e uniforme è l'impregnazione a umido (Fig. 12a), che include la preparazione del sale target e l'impregnazione delle fibre metalliche con una soluzione acquosa.
Durante la preparazione per l'impregnazione a umido, si incontrano due problemi principali.Da un lato, la tensione superficiale della soluzione salina impedisce il corretto incorporamento del liquido nella struttura porosa.La cristallizzazione sulla superficie esterna (Fig. 12d) e le bolle d'aria intrappolate all'interno della struttura (Fig. 12c) possono essere ridotte solo abbassando la tensione superficiale e bagnando preventivamente il campione con acqua distillata.La dissoluzione forzata nel campione mediante l'evacuazione dell'aria all'interno o la creazione di un flusso di soluzione nella struttura sono altri modi efficaci per garantire il completo riempimento della struttura.
Il secondo problema riscontrato durante la preparazione è stata la rimozione della pellicola da parte del sale (vedi Fig. 12b).Questo fenomeno è caratterizzato dalla formazione di un rivestimento secco sulla superficie di dissoluzione, che interrompe l'essiccamento stimolato convettivamente e avvia il processo stimolato dalla diffusione.Il secondo meccanismo è molto più lento del primo.Di conseguenza, è necessaria una temperatura elevata per un tempo di asciugatura ragionevole, il che aumenta il rischio di formazione di bolle all'interno del campione.Questo problema viene risolto introducendo un metodo alternativo di cristallizzazione basato non sulla variazione di concentrazione (evaporazione), ma sulla variazione di temperatura (come nell'esempio con MgSO4 in Fig. 13).
Rappresentazione schematica del processo di cristallizzazione durante il raffreddamento e la separazione delle fasi solide e liquide utilizzando MgSO4.
Le soluzioni saline sature possono essere preparate a temperatura ambiente (HT) o superiore utilizzando questo metodo.Nel primo caso la cristallizzazione è stata forzata abbassando la temperatura al di sotto della temperatura ambiente.Nel secondo caso, la cristallizzazione si è verificata quando il campione è stato raffreddato a temperatura ambiente (RT).Il risultato è una miscela di cristalli (B) e disciolti (A), la cui parte liquida viene rimossa mediante aria compressa.Questo approccio non solo evita la formazione di un film su questi idrati, ma riduce anche il tempo necessario per la preparazione di altri compositi.Tuttavia, la rimozione del liquido mediante aria compressa porta a un'ulteriore cristallizzazione del sale, con conseguente rivestimento più spesso.
Un altro metodo che può essere utilizzato per rivestire superfici metalliche prevede la produzione diretta di sali bersaglio attraverso reazioni chimiche.Gli scambiatori di calore rivestiti realizzati dalla reazione di acidi sulle superfici metalliche di alette e tubi presentano numerosi vantaggi, come riportato nel nostro precedente studio.L'applicazione di questo metodo alle fibre ha portato a risultati molto scarsi a causa della formazione di gas durante la reazione.La pressione delle bolle di idrogeno gassoso si accumula all'interno della sonda e si sposta mentre il prodotto viene espulso (Fig. 14a).
Il rivestimento è stato modificato attraverso una reazione chimica per controllare meglio lo spessore e la distribuzione del rivestimento.Questo metodo prevede il passaggio di un flusso di nebbia acida attraverso il campione (Figura 14b).Ci si aspetta che questo dia come risultato un rivestimento uniforme per reazione con il metallo del substrato.I risultati sono stati soddisfacenti, ma il processo è stato troppo lento per essere considerato un metodo efficace (Fig. 14c).Tempi di reazione più brevi possono essere raggiunti mediante riscaldamento localizzato.
Per ovviare agli svantaggi dei suddetti metodi è stato studiato un metodo di spalmatura basato sull'utilizzo di adesivi.HEC è stato selezionato sulla base dei risultati presentati nella sezione precedente.Tutti i campioni sono stati preparati al 3% in peso.Il legante è mescolato con sale.Le fibre sono state pretrattate secondo lo stesso procedimento delle coste, cioè macerate in 50% vol.entro 15 minuti.acido solforico, quindi immerso in idrossido di sodio per 20 secondi, lavato in acqua distillata e infine immerso in acqua distillata per 30 minuti.In questo caso, è stato aggiunto un ulteriore passaggio prima dell'impregnazione.Immergere brevemente il campione in una soluzione salina target diluita e asciugare a circa 60°C.Il processo è progettato per modificare la superficie del metallo, creando siti di nucleazione che migliorano la distribuzione del rivestimento nella fase finale.La struttura fibrosa ha un lato dove i filamenti sono più sottili e fitti, e il lato opposto dove i filamenti sono più spessi e meno distribuiti.Questo è il risultato di 52 processi di produzione.
I risultati per il cloruro di calcio (CaCl2) sono riassunti e illustrati con immagini nella Tabella 1. Buona copertura dopo l'inoculazione.Anche quei fili senza cristalli visibili sulla superficie avevano riflessi metallici ridotti, indicando un cambio di finitura.Tuttavia, dopo che i campioni sono stati impregnati con una miscela acquosa di CaCl2 e HEC ed essiccati a una temperatura di circa 60°C, i rivestimenti sono stati concentrati in corrispondenza delle intersezioni delle strutture.Questo è un effetto causato dalla tensione superficiale della soluzione.Dopo l'immersione, il liquido rimane all'interno del campione a causa della sua tensione superficiale.Fondamentalmente si verifica all'intersezione delle strutture.Il lato migliore dell'esemplare presenta diversi fori riempiti di sale.Il peso è aumentato di 0,06 g/cm3 dopo il rivestimento.
Il rivestimento con solfato di magnesio (MgSO4) ha prodotto più sale per unità di volume (Tabella 2).In questo caso, l'incremento misurato è di 0,09 g/cm3.Il processo di seeding ha portato a un'ampia copertura del campione.Dopo il processo di rivestimento, il sale blocca ampie aree del lato sottile del campione.Inoltre, alcune aree del mascherino sono bloccate, ma viene mantenuta una certa porosità.In questo caso, la formazione di sale è facilmente osservabile all'intersezione delle strutture, confermando che il processo di rivestimento è dovuto principalmente alla tensione superficiale del liquido, e non all'interazione tra il sale e il substrato metallico.
I risultati per la combinazione di cloruro di stronzio (SrCl2) e HEC hanno mostrato proprietà simili agli esempi precedenti (Tabella 3).In questo caso, il lato più sottile del campione è quasi completamente coperto.Sono visibili solo i singoli pori, formati durante l'essiccazione a seguito del rilascio di vapore dal campione.Il motivo osservato sul lato opaco è molto simile al caso precedente, l'area è bloccata dal sale e le fibre non sono completamente ricoperte.
Per valutare l'effetto positivo della struttura fibrosa sulle prestazioni termiche dello scambiatore di calore, è stata determinata l'effettiva conduttività termica della struttura fibrosa rivestita e confrontata con il materiale di rivestimento puro.La conducibilità termica è stata misurata secondo ASTM D 5470-2017 utilizzando il dispositivo a schermo piatto mostrato nella Figura 15a utilizzando un materiale di riferimento con conduttività termica nota.Rispetto ad altri metodi di misurazione transitori, questo principio è vantaggioso per i materiali porosi utilizzati nel presente studio, poiché le misurazioni vengono eseguite in uno stato stazionario e con una dimensione del campione sufficiente (area di base 30 × 30 mm2, altezza circa 15 mm).Campioni del materiale di rivestimento puro (riferimento) e della struttura della fibra rivestita sono stati preparati per misurazioni nella direzione della fibra e perpendicolarmente alla direzione della fibra per valutare l'effetto della conduttività termica anisotropa.I provini sono stati molati sulla superficie (grana P320) per ridurre al minimo l'effetto della rugosità superficiale dovuta alla preparazione del provino, che non riflette la struttura all'interno del provino.