Nature.com сайтына кіргеніңіз үшін рахмет.Сіз пайдаланып жатқан шолғыш нұсқасында шектеулі CSS қолдауы бар.Ең жақсы тәжірибе үшін жаңартылған шолғышты пайдалануды ұсынамыз (немесе Internet Explorer шолғышында үйлесімділік режимін өшіріңіз).Әзірше, үздіксіз қолдауды қамтамасыз ету үшін біз сайтты стильсіз және JavaScriptсіз көрсетеміз.
Адсорбциялық тоңазытқыш жүйелер мен жылу сорғыларының нарықтағы үлесі дәстүрлі компрессорлық жүйелермен салыстырғанда әлі де аз.Арзан жылуды (қымбат электр жұмысының орнына) пайдаланудың үлкен артықшылығына қарамастан, адсорбциялық принциптерге негізделген жүйелерді енгізу әлі де бірнеше нақты қолданбалармен шектеледі.Жоюды қажет ететін негізгі кемшілік - адсорбенттің төмен жылу өткізгіштігі мен тұрақтылығының төмен болуына байланысты меншікті қуаттың төмендеуі.Қазіргі заманғы коммерциялық адсорбциялық тоңазытқыш жүйелері салқындату қабілетін оңтайландыру үшін қапталған пластиналы жылу алмастырғыштарға негізделген адсорберлерге негізделген.Нәтижелер жабынның қалыңдығын азайту масса алмасу кедергісінің төмендеуіне әкелетіні белгілі, ал өткізгіш құрылымдардың бетінің ауданы мен көлемдік қатынасының ұлғаюы тиімділікті төмендетпей қуатты арттырады.Бұл жұмыста қолданылатын металл талшықтар 2500–50 000 м2/м3 диапазонында белгілі бір бетінің ауданын қамтамасыз ете алады.Металл беттерінде, оның ішінде металл талшықтарында тұз гидраттарының өте жұқа, бірақ тұрақты жабындарын алудың үш әдісі, жабындарды өндіру үшін бірінші рет жоғары қуатты жылу алмастырғышты көрсетеді.Алюминийді анодтау негізіндегі бетті өңдеу жабын мен субстрат арасында күшті байланыс жасау үшін таңдалады.Алынған беттің микроқұрылымы сканерлеуші ​​электронды микроскоп арқылы талданды.Төмендетілген жалпы шағылысу Фурье трансформациясының инфрақызыл спектроскопиясы және энергетикалық дисперсиялық рентгендік спектроскопия талдауда қажетті түрдің болуын тексеру үшін пайдаланылды.Олардың гидраттарды түзу қабілеті аралас термогравиметриялық талдау (ТГА)/дифференциалды термогравиметриялық талдау (DTG) арқылы расталды.MgSO4 жабындысында 0,07 г (су)/г (композит) асатын төмен сапа табылды, ол шамамен 60 °C температурада сусыздану белгілерін көрсетті және регидратациядан кейін қайталануы мүмкін.100 °C төмен шамамен 0,02 г/г массалық айырмашылықпен SrCl2 және ZnSO4 арқылы да оң нәтижелер алынды.Гидроксиэтилцеллюлоза жабынның тұрақтылығы мен адгезиясын арттыру үшін қоспа ретінде таңдалды.Өнімдердің адсорбциялық қасиеттері бір мезгілде TGA-DTG арқылы бағаланды және олардың адгезиясы ISO2409 сипатталған сынақтарға негізделген әдіспен сипатталды.CaCl2 жабынының консистенциясы мен адгезиясы 100 °C төмен температурада шамамен 0,1 г/г салмақ айырмашылығы бар адсорбциялық қабілетін сақтай отырып, айтарлықтай жақсарады.Сонымен қатар, MgSO4 100 °C төмен температурада 0,04 г/г астам массалық айырмашылықты көрсете отырып, гидрат түзу қабілетін сақтайды.Соңында қапталған металл талшықтар зерттеледі.Нәтижелер Al2(SO4)3 қапталған талшық құрылымының тиімді жылу өткізгіштігі таза Al2(SO4)3 көлемімен салыстырғанда 4,7 есе жоғары болуы мүмкін екенін көрсетті.Зерттелетін жабындардың жабыны визуалды түрде зерттелді, ал ішкі құрылымы көлденең қималардың микроскопиялық суреті арқылы бағаланды.Қалыңдығы шамамен 50 мкм болатын Al2(SO4)3 жабыны алынды, бірақ біркелкі бөлуге қол жеткізу үшін жалпы процесті оңтайландыру қажет.
Соңғы бірнеше онжылдықта адсорбциялық жүйелер көп көңіл бөлді, өйткені олар дәстүрлі қысу жылу сорғыларына немесе тоңазытқыш жүйелеріне экологиялық таза балама ұсынады.Ыңғайлылық стандарттары мен жаһандық орташа температураның жоғарылауымен адсорбциялық жүйелер жақын болашақта қазба отындарына тәуелділікті азайтуы мүмкін.Сонымен қатар, адсорбциялық тоңазытқышта немесе жылу сорғыларында кез келген жақсартулар жылу энергиясын сақтауға ауыстырылуы мүмкін, бұл бастапқы энергияны тиімді пайдалану әлеуетін қосымша арттыруды білдіреді.Адсорбциялық жылу сорғылары мен тоңазытқыш жүйелерінің негізгі артықшылығы - олар төмен жылу массасымен жұмыс істей алады.Бұл оларды күн энергиясы немесе қалдық жылу сияқты төмен температура көздеріне қолайлы етеді.Энергияны сақтауды қолдану тұрғысынан адсорбцияның сезімтал немесе жасырын жылу сақтаумен салыстырғанда энергияның жоғары тығыздығы мен энергияның аз шығындалу артықшылығы бар.
Адсорбциялық жылу сорғылары мен тоңазытқыш жүйелері бу сығымдау аналогтары сияқты бірдей термодинамикалық циклды орындайды.Негізгі айырмашылық компрессордың компоненттерін адсорберлермен ауыстыру болып табылады.Элемент қалыпты температурада төмен қысымды хладагент буын адсорбциялауға қабілетті, тіпті сұйықтық суық болған кезде де көбірек салқындатқышты буландырады.Адсорбция энтальпиясын (экзотерма) болдырмау үшін адсорбердің тұрақты салқындатылуын қамтамасыз ету қажет.Адсорбер жоғары температурада қалпына келтіріліп, салқындатқыш буының десорбциясына әкеледі.Десорбция энтальпиясын (эндотермиялық) қамтамасыз ету үшін қыздыруды жалғастыру керек.Адсорбциялық процестер температураның өзгеруімен сипатталатындықтан, жоғары қуат тығыздығы жоғары жылу өткізгіштікті қажет етеді.Дегенмен, төмен жылу өткізгіштік көптеген қолданбаларда негізгі кемшілік болып табылады.
Өткізгіштіктің негізгі мәселесі – адсорбция/десорбция буларының ағынын қамтамасыз ететін тасымалдау жолын сақтай отырып, оның орташа мәнін жоғарылату.Бұған қол жеткізу үшін әдетте екі тәсіл қолданылады: композиттік жылу алмастырғыштар және қапталған жылу алмастырғыштар.Ең танымал және сәтті композициялық материалдар көміртегі негізіндегі қоспаларды, атап айтқанда кеңейтілген графит, белсендірілген көмір немесе көміртекті талшықтарды қолданатын материалдар болып табылады.Оливейра және т.б.306 Вт/кг-ға дейінгі меншікті салқындату сыйымдылығы (SCP) және 0,46 дейін өнімділік коэффициенті (COP) бар адсорбер алу үшін кальций хлориді бар 2 сіңдірілген кеңейтілген графит ұнтағы.Заячковски және т.б.3 кеңейтілген графит, көміртекті талшық және жалпы өткізгіштігі 15 Вт/мК кальций хлоридінің комбинациясын ұсынды.Jian et al4 екі сатылы адсорбциялық салқындату циклінде субстрат ретінде кеңейтілген табиғи графитті (ENG-TSA) өңделген күкірт қышқылы бар композиттерді сынады.Модель COP 0,215-тен 0,285-ке дейін және SCP-ді 161,4-тен 260,74 Вт/кг-ға дейін болжады.
Әлі күнге дейін ең тиімді шешім - жабынмен қапталған жылу алмастырғыш.Бұл жылу алмастырғыштардың жабу механизмдерін екі санатқа бөлуге болады: тікелей синтез және желім.Тиісті реагенттерден жылуалмастырғыштардың бетінде тікелей адсорбциялық материалдарды түзуді көздейтін ең сәтті әдіс – тікелей синтез.Sotech5 Fahrenheit GmbH шығарған салқындатқыштар сериясында қолдану үшін қапталған цеолитті синтездеу әдісін патенттеді.Schnabel et al6 тот баспайтын болаттан қапталған екі цеолиттің өнімділігін сынады.Дегенмен, бұл әдіс тек арнайы адсорбенттермен жұмыс істейді, бұл желіммен жабуды қызықты балама етеді.Байланыстырғыштар сорбенттің адгезиясын және/немесе масса алмасуын қолдау үшін таңдалған пассивті заттар болып табылады, бірақ адсорбцияда немесе өткізгіштікте ешқандай рөл атқармайды.Freni және т.б.Саз негізіндегі байланыстырғышпен тұрақтандырылған AQSOA-Z02 цеолиті бар 7 қапталған алюминий жылу алмастырғыш.Calabrese және т.б.8 полимерлі байланыстырғыштармен цеолит жабындарын дайындауды зерттеді.Ammann және т.б.9 поливинил спиртінің магниттік қоспаларынан кеуекті цеолиттік жабындарды дайындау әдісін ұсынды.Алюминий тотығы (глинозем) адсорберде байланыстырғыш 10 ретінде де қолданылады.Біздің білуімізше, целлюлоза және гидроксиэтил целлюлоза тек физикалық адсорбенттермен бірге қолданылады11,12.Кейде желім бояу үшін пайдаланылмайды, бірақ құрылымды 13 өз бетімен салу үшін қолданылады.Альгинатты полимер матрицаларының бірнеше тұз гидраттарымен үйлесуі кептіру кезінде ағып кетуді болдырмайтын және барабар масса алмасуды қамтамасыз ететін икемді композициялық моншақ құрылымдарын құрайды.Бентонит және аттапульгит сияқты саздар композиттерді дайындау үшін байланыстырғыш ретінде пайдаланылды15,16,17.Этилцеллюлоза кальций хлориді18 немесе натрий сульфиді19 микрокапсуляциялау үшін қолданылған.
Кеуекті металл құрылымы бар композиттерді қосымша жылу алмастырғыштар және қапталған жылу алмастырғыштар деп бөлуге болады.Бұл құрылымдардың артықшылығы жоғары меншікті бетінің ауданы болып табылады.Бұл инертті массаны қоспай-ақ адсорбент пен металл арасындағы үлкен жанасу бетін береді, бұл тоңазыту циклінің жалпы тиімділігін төмендетеді.Ланг және т.б.20 алюминий ұялы құрылымы бар цеолитті адсорбердің жалпы өткізгіштігін жақсартты.Gillerminot et al.21 мыс пен никель көбікімен NaX цеолит қабаттарының жылу өткізгіштігін жақсартты.Композиттер фазаны өзгерту материалдары (ПКМ) ретінде пайдаланылғанымен, Ли және т.б.22 және Чжао және т.б.23 химисорбция үшін де қызығушылық тудырады.Олар кеңейтілген графит пен металл көбіктің өнімділігін салыстырып, коррозия мәселесі болмаса ғана, соңғысы қолайлы деген қорытындыға келді.Паломба және т.б.жақында басқа металл кеуекті құрылымдарды салыстырды24.Ван дер Пал және т.б.пенопластқа салынған металл тұздарын зерттеді 25 .Барлық алдыңғы мысалдар бөлшектер адсорбенттердің тығыз қабаттарына сәйкес келеді.Металл кеуекті құрылымдар адсорберлерді жабу үшін іс жүзінде қолданылмайды, бұл неғұрлым оңтайлы шешім.Цеолиттермен байланысу мысалын Виттштадт және т.б.26, бірақ олардың жоғары энергия тығыздығына қарамастан тұз гидраттарын байланыстыру әрекеті жасалған жоқ 27 .
Осылайша, осы мақалада адсорбенттік жабындарды дайындаудың үш әдісі қарастырылады: (1) байланыстырғыш жабын, (2) тікелей реакция және (3) бетті өңдеу.Гидроксиэтилцеллюлоза бұрын хабарланған тұрақтылыққа және физикалық адсорбенттермен үйлесімде жақсы жабын адгезиясына байланысты бұл жұмыста таңдаулы байланыстырушы болды.Бұл әдіс бастапқыда тегіс жабындар үшін зерттелді және кейінірек металл талшықты құрылымдарға қолданылды.Бұған дейін адсорбенттік жабындардың пайда болуымен химиялық реакциялардың жүру мүмкіндігіне алдын ала талдау жасалған болатын.Бұрынғы тәжірибе енді металл талшықты құрылымдарды жабуға ауыстырылуда.Бұл жұмыс үшін таңдалған бетті өңдеу алюминийді анодтауға негізделген әдіс болып табылады.Алюминийді анодтау эстетикалық мақсатта металл тұздарымен сәтті біріктірілді29.Бұл жағдайларда өте тұрақты және коррозияға төзімді жабындарды алуға болады.Бірақ олар ешқандай адсорбция немесе десорбция процесін жүргізе алмайды.Бұл құжат бастапқы процестің адгезиялық қасиеттерін пайдаланып массаны жылжытуға мүмкіндік беретін осы тәсілдің нұсқасын ұсынады.Біздің білуімізше, мұнда сипатталған әдістердің ешқайсысы бұрын зерттелмеген.Олар өте қызықты жаңа технология болып табылады, өйткені олар гидратталған адсорбенттік жабындарды қалыптастыруға мүмкіндік береді, олар жиі зерттелетін физикалық адсорбенттерге қарағанда бірқатар артықшылықтарға ие.
Осы эксперименттер үшін субстраттар ретінде пайдаланылған мөрленген алюминий пластиналарын ALINVEST Břidličná, Чехия қамтамасыз етті.Олардың құрамында 98,11% алюминий, 1,3622% темір, 0,3618% марганец және мыс, магний, кремний, титан, мырыш, хром және никель іздері бар.
Композиттерді өндіру үшін таңдалған материалдар олардың термодинамикалық қасиеттеріне сәйкес таңдалады, атап айтқанда, 120 ° C-тан төмен температурада олар сіңіретін/десорбциялай алатын су мөлшеріне байланысты.
Магний сульфаты (MgSO4) ең қызықты және зерттелген гидратталған тұздардың бірі болып табылады30,31,32,33,34,35,36,37,38,39,40,41.Термодинамикалық қасиеттер жүйелі түрде өлшенген және адсорбциялық тоңазытқыштар, жылу сорғылары және энергияны сақтау салаларында қолдану үшін қолайлы болып табылды.Құрғақ магний сульфаты CAS-Nr.7487-88-9 99% (Grüssing GmbH, Filsum, Niedersachsen, Германия) пайдаланылды.
Кальций хлориді (CaCl2) (H319) тағы бір жақсы зерттелген тұз, өйткені оның гидратының қызықты термодинамикалық қасиеттері бар41,42,43,44.Кальций хлориді гексагидраты CAS-№.7774-34-7 97% пайдаланылады (Grüssing, GmbH, Filsum, Niedersachsen, Германия).
Мырыш сульфаты (ZnSO4) (H3O2, H318, H410) және оның гидраттары төмен температуралы адсорбциялық процестерге қолайлы термодинамикалық қасиеттерге ие45,46.Цинк сульфаты гептагидраты CAS-Nr.7733-02-0 99,5% (Grüssing GmbH, Filsum, Niedersachsen, Германия) пайдаланылды.
Стронций хлориді (SrCl2) (H318) да қызықты термодинамикалық қасиеттерге ие4,45,47, бірақ ол көбінесе адсорбциялық жылу сорғысында немесе энергияны сақтау зерттеулерінде аммиакпен біріктіріледі.Синтез үшін CAS-Nr.10.476-85-4 99,0–102,0% (Сигма Олдрич, Сент-Луис, Миссури, АҚШ) стронций хлориді гексагидраты пайдаланылды.
Мыс сульфаты (CuSO4) (H302, H315, H319, H410) кәсіби әдебиеттерде жиі кездесетін гидраттардың қатарына жатпайды, дегенмен оның термодинамикалық қасиеттері төмен температурада қолдану үшін қызығушылық тудырады48,49.Синтез үшін мыс сульфаты CAS-Nr.7758-99-8 99% (Sigma Aldrich, Сент-Луис, МО, АҚШ) қолданылды.
Магний хлориді (MgCl2) соңғы уақытта жылу энергиясын сақтау саласында көбірек назар аударылған гидратталған тұздардың бірі болып табылады50,51.Тәжірибелер үшін CAS-Nr.7791-18-6 таза фармацевтикалық сортты магний хлориді гексагидраты (Applichem GmbH., Дармштадт, Германия) қолданылды.
Жоғарыда айтылғандай, гидроксиэтил целлюлозасы ұқсас қолданбаларда оң нәтижелерге байланысты таңдалды.Біздің синтезде қолданылатын материал гидроксиэтил целлюлоза CAS-Nr 9004-62-0 (Sigma Aldrich, Сент-Луис, МО, АҚШ).
Металл талшықтар қысу және агломерациялау арқылы біріктірілген қысқа сымдардан жасалады, бұл процесс тигель балқымасын алу (CME)52 деп аталады.Бұл олардың жылу өткізгіштігі өндірісте қолданылатын металдардың көлемдік өткізгіштігі мен соңғы құрылымның кеуектілігіне ғана емес, сонымен қатар жіптер арасындағы байланыстардың сапасына байланысты екенін білдіреді.Талшықтар изотропты емес және өндіріс кезінде белгілі бір бағытта таралады, бұл көлденең бағытта жылу өткізгіштігін әлдеқайда төмен етеді.
Суды сіңіру қасиеттері вакуумдық қаптамада (Netzsch TG 209 F1 Libra) бір мезгілде термогравиметриялық талдау (TGA)/дифференциалды термогравиметриялық талдау (DTG) көмегімен зерттелді.Өлшемдер ағынды азот атмосферасында 10 мл/мин шығында және алюминий оксиді тигельдерінде 25-тен 150°С-қа дейінгі температура диапазонында жүргізілді.Қыздыру жылдамдығы 1 °С/мин, сынама салмағы 10-нан 20 мг-ға дейін өзгерді, ажыратымдылығы 0,1 мкг болды.Бұл жұмыста бет бірлігіне келетін массалық айырмашылық үлкен белгісіздікке ие екенін атап өткен жөн.TGA-DTG-де қолданылатын үлгілер өте кішкентай және біркелкі кесілген, бұл олардың ауданын анықтауды дәл емес етеді.Бұл мәндерді үлкен ауытқулар ескерілген жағдайда ғана үлкенірек аумаққа экстраполяциялауға болады.
Әлсізденген толық шағылысу Фурье түрлендіру инфрақызыл (ATR-FTIR) спектрлері Bruker Vertex 80 v FTIR спектрометрінде (Bruker Optik GmbH, Лейпциг, Германия) ATR платина жабдығын (Bruker Optik GmbH, Германия) пайдалана отырып алынды.Таза құрғақ алмаз кристалдарының спектрлері үлгілерді тәжірибелік өлшемдерге фон ретінде қолданбас бұрын тікелей вакуумда өлшенді.Үлгілер 2 см-1 спектрлік рұқсатты және 32 сканерлеудің орташа санын пайдаланып вакуумда өлшенді. Толқын саны 8000-ден 500 см-1-ге дейін.Спектрлік талдау OPUS бағдарламасы арқылы жүргізілді.
SEM талдауы Zeiss фирмасының DSM 982 Gemini көмегімен 2 және 5 кВ жеделдету кернеулерінде орындалды.Энергетикалық дисперсиялық рентгендік спектроскопия (EDX) Peltier салқындатылған кремний дрейф детекторы (SSD) бар Thermo Fischer System 7 көмегімен орындалды.
Металл пластиналарды дайындау 53-те сипатталғанға ұқсас процедураға сәйкес жүзеге асырылды. Алдымен пластинаны 50% күкірт қышқылына батырыңыз.15 минут.Содан кейін олар 1 М натрий гидроксиді ерітіндісіне шамамен 10 секундқа енгізілді.Содан кейін үлгілер көп мөлшерде тазартылған сумен жуылады, содан кейін дистилденген суда 30 минут бойы жібітілді.Алдын ала беттік өңдеуден кейін үлгілер 3% қаныққан ерітіндіге батырылды.HEC және мақсатты тұз.Соңында оларды шығарып, 60°C температурада кептіріңіз.
Анодтау әдісі пассивті металдағы табиғи оксид қабатын күшейтеді және нығайтады.Алюминий панельдері қатайтылған күйде күкірт қышқылымен анодталған, содан кейін ыстық сумен тығыздалған.Анодизациялау 1 моль/л NaOH (600 с) бастапқы сыдырмалаудан кейін, содан кейін 1 моль/л HNO3 (60 с) арқылы бейтараптандыру болды.Электролит ерітіндісі 2,3 М H2SO4, 0,01 М Al2(SO4)3 және 1 М MgSO4 + 7H2O қоспасы.Анодтау (40 ± 1)°C, 30 мА/см2 1200 секунд бойы жүргізілді.Тығыздау процесі материалдарда (MgSO4, CaCl2, ZnSO4, SrCl2, CuSO4, MgCl2) сипатталғандай әртүрлі тұзды ерітінділерде жүргізілді.Үлгі онда 1800 секунд қайнатылады.
Композиттерді алудың үш түрлі әдісі зерттелді: желімдеу, тікелей реакция және бетті өңдеу.Әрбір оқыту әдісінің артықшылықтары мен кемшіліктері жүйелі түрде талданып, талқыланады.Нәтижелерді бағалау үшін тікелей бақылау, нанобейнелеу және химиялық/элементтік талдау қолданылды.
Тұз гидраттарының адгезиясын арттыру үшін бетті өңдеудің конверсиялық әдісі ретінде анодтау таңдалды.Бұл бетті өңдеу алюминий бетінде тікелей алюминий тотығының (глинозем) кеуекті құрылымын жасайды.Дәстүрлі түрде бұл әдіс екі кезеңнен тұрады: бірінші кезеңде алюминий оксидінің кеуекті құрылымын жасайды, ал екінші кезеңде кеуектерді жабатын алюминий гидроксидінің жабыны жасалады.Төменде газ фазасына қол жеткізуді бұғаттамай, тұзды блоктаудың екі әдісі берілген.Біріншісі адсорбент кристалдарын ұстап тұру және оның металл беттеріне адгезиясын арттыру үшін бірінші қадамда алынған шағын алюминий оксиді (Al2O3) түтіктерін пайдаланатын ұяшық жүйесінен тұрады.Алынған ұяшықтардың диаметрі шамамен 50 нм және ұзындығы 200 нм (сурет 1а).Жоғарыда айтылғандай, бұл қуыстар әдетте алюминий тотығы түтігін қайнату процесімен қамтамасыз етілген Al2O(OH)2 боэмитінің жұқа қабатымен екінші қадамда жабылады.Екінші әдісте бұл нығыздау процесі тұз кристалдары біркелкі жабын боемит қабатында (Al2O(OH)) ұсталатындай етіп модификацияланады, бұл жағдайда герметизациялау үшін пайдаланылмайды.Екінші кезең сәйкес тұздың қаныққан ерітіндісінде жүзеге асырылады.Сипатталған үлгілердің өлшемдері 50–100 нм диапазонында және шашыраған тамшыларға ұқсайды (1б-сурет).Тығыздау процесінің нәтижесінде алынған бет жанасу аймағы ұлғайған айқын кеңістіктік құрылымға ие.Бұл бет үлгісі, олардың көптеген байланыстыру конфигурацияларымен бірге, тұз кристалдарын тасымалдау және ұстау үшін өте қолайлы.Сипатталған екі құрылым да шын мәнінде кеуекті болып көрінеді және адсорбердің жұмысы кезінде тұз гидраттарын ұстауға және буларды тұзға адсорбциялауға өте қолайлы болып көрінетін шағын қуыстарға ие.Дегенмен, EDX көмегімен осы беттердің элементтік талдауы глинозем бетінде анықталмайтын магний мен күкірттің бемит бетіндегі іздерін анықтай алады.
Үлгінің ATR-FTIR элементі магний сульфаты екенін растады (2б суретті қараңыз).Спектр 610–680 және 1080–1130 см–1 шамасында сульфат ионының тән шыңдарын және 1600–1700 см–1 және 3200–3800 см–1-де тән торлы су шыңдарын көрсетеді (2а, в-суретті қараңыз).).Магний иондарының болуы спектрді өзгертпейді54.
(a) MgSO4 бохмитпен қапталған алюминий пластинасының EDX, (b) бохмит және MgSO4 жабындарының ATR-FTIR спектрлері, (c) таза MgSO4 ATR-FTIR спектрлері.
Адсорбция тиімділігін сақтау TGA арқылы расталды.Суретте.3b шамамен десорбция шыңын көрсетеді.60°C.Бұл шың таза тұздың ТГА-да байқалатын екі шыңның температурасына сәйкес келмейді (3а-сурет).Адсорбция-десорбция циклінің қайталану мүмкіндігі бағаланды және үлгілерді ылғалды атмосфераға орналастырғаннан кейін бірдей қисық байқалды (Cурет 3c).Десорбцияның екінші сатысында байқалатын айырмашылықтар ағынды атмосферада сусызданудың нәтижесі болуы мүмкін, өйткені бұл көбінесе толық емес сусыздандыруға әкеледі.Бұл мәндер бірінші сусыздандыруда шамамен 17,9 г/м2 және екінші сусыздандыруда 10,3 г/м2 сәйкес келеді.
Боэмит пен MgSO4-тің TGA талдауын салыстыру: таза MgSO4 (a), қоспа (b) және регидратациядан кейінгі (c) TGA талдауы.
Дәл осындай әдіс адсорбент ретінде кальций хлоридімен де жүргізілді.Нәтижелер 4-суретте берілген. Беткейді визуалды тексеру металл жарқырауында шамалы өзгерістерді анықтады.Жүні әрең көрінеді.SEM бетінде біркелкі бөлінген шағын кристалдардың болуын растады.Дегенмен, TGA 150 ° C төмен сусыздануды көрсетті.Бұл TGA арқылы анықтау үшін субстраттың жалпы массасымен салыстырғанда тұздың үлесі тым аз болуына байланысты болуы мүмкін.
Анодтау әдісімен мыс сульфатты жабынының бетін өңдеудің нәтижелері күріш.5. Бұл жағдайда Al оксидінің құрылымына CuSO4 күтілетін қосылуы болмады.Оның орнына борпылдақ инелер байқалады, өйткені олар әдеттегі көгілдір бояғыштармен қолданылатын мыс гидроксиді Cu(OH)2 үшін қолданылады.
Анодталған бетті өңдеу де стронций хлоридімен бірге сыналған.Нәтижелер біркелкі емес қамтуды көрсетті (6а суретті қараңыз).Тұздың бүкіл бетті жабуын анықтау үшін EDX талдауы жасалды.Сұр аймақтағы нүктенің қисығы (6б-суреттегі 1-нүкте) аз стронций мен көп алюминийді көрсетеді.Бұл өлшенген аймақта стронцийдің төмен болуын көрсетеді, бұл өз кезегінде стронций хлоридінің төмен қамтылуын көрсетеді.Керісінше, ақ аймақтарда стронций көп және алюминий аз болады (6б-суреттегі 2-6 нүктелер).Ақ аймақтың EDX талдауы күңгірт түсті нүктелерді (6б-суреттегі 2 және 4 нүктелер), хлордың аз және күкірттің көп мөлшерін көрсетеді.Бұл стронций сульфатының түзілуін көрсетуі мүмкін.Ашық нүктелер хлордың жоғары құрамын және күкірттің төмен мөлшерін көрсетеді (6б-суреттегі 3, 5 және 6 нүктелер).Мұны ақ жабынның негізгі бөлігі күтілетін стронций хлоридінен тұратындығымен түсіндіруге болады.Үлгінің TGA талдаудың интерпретациясын таза стронций хлоридінің сипаттамалық температурасында шыңымен растады (6c-сурет).Олардың шағын мәнін металл тірек массасымен салыстырғанда тұздың аз бөлігімен ақтауға болады.Тәжірибеде анықталған десорбциялық масса 150°С температурада адсорбердің аудан бірлігіне бөлінетін 7,3 г/м2 мөлшеріне сәйкес келеді.
Элоксалмен өңделген мырыш сульфатты жабындары да сынақтан өтті.Макроскопиялық жағынан жабын өте жұқа және біркелкі қабат болып табылады (7а-сурет).Дегенмен, SEM бос аймақтармен бөлінген шағын кристалдармен жабылған бет аймағын анықтады (7б-сурет).Қаптама мен субстраттың TGA таза тұзбен салыстырылды (7в-сурет).Таза тұздың 59,1°C температурасында бір асимметриялық шыңы бар.Қапталған алюминий 55,5 ° C және 61,3 ° C температурада екі кішкентай шыңды көрсетті, бұл мырыш сульфат гидратының болуын көрсетеді.Тәжірибеде анықталған массалық айырмашылық 150°С сусыздандыру температурасында 10,9 г/м2 сәйкес келеді.
Алдыңғы қолданудағыдай53, гидроксиэтил целлюлоза сорбент жабынының адгезиясы мен тұрақтылығын жақсарту үшін байланыстырғыш ретінде пайдаланылды.Материалдың үйлесімділігі және адсорбция өнімділігіне әсері TGA арқылы бағаланды.Талдау жалпы массаға қатысты жүргізіледі, яғни үлгіге жабындық субстрат ретінде қолданылатын металл пластина кіреді.Адгезия ISO2409 спецификациясында анықталған айқас ойық сынағы негізінде сынау арқылы сыналады (спецификацияның қалыңдығы мен еніне байланысты ойықтарды бөлу сипаттамасына сәйкес келмейді).
Панельдерді кальций хлоридімен (CaCl2) жабу (8а-суретті қараңыз) біркелкі емес таралуға әкелді, бұл көлденең ойық сынағы үшін пайдаланылатын таза алюминий жабындысында байқалмады.Таза CaCl2 нәтижелерімен салыстырғанда, TGA (8б-сурет) сәйкесінше 40 және 20°C төмен температураға қарай ығысқан екі тән шыңды көрсетеді.Көлденең қима сынағы объективті салыстыруға мүмкіндік бермейді, өйткені таза CaCl2 үлгісі (8c-суретте оң жақтағы үлгі) ең жоғарғы бөлшектерді кетіретін ұнтақты тұнба болып табылады.HEC нәтижелері қанағаттанарлық адгезиясы бар өте жұқа және біркелкі жабынды көрсетті.Суретте көрсетілген массалық айырмашылық.8b 150°C температурада адсорбер ауданы бірлігіне 51,3 г/м2 сәйкес келеді.
Магний сульфатымен (MgSO4) адгезия және біркелкілік бойынша оң нәтижелер де алынды (9-суретті қараңыз).Қаптаманың десорбция процесін талдау шамамен бір шыңның болуын көрсетті.60°C.Бұл температура таза тұздардың сусыздануында байқалатын негізгі десорбция сатысына сәйкес келеді, бұл 44°C температурадағы басқа қадамды білдіреді.Ол гексагидраттан пентагидратқа өтуге сәйкес келеді және байланыстырғыш заттармен жабындар кезінде байқалмайды.Көлденең қима сынақтары таза тұзды пайдаланып жасалған жабындармен салыстырғанда жақсартылған таралу мен адгезияны көрсетеді.TGA-DTC-де байқалған массалық айырмашылық 150°С температурада адсорбердің бірлігіне 18,4 г/м2 сәйкес келеді.
Бетінің біркелкі болмауына байланысты стронций хлориді (SrCl2) қанаттарда біркелкі емес жабынға ие (10а-сурет).Дегенмен, көлденең ойық сынағының нәтижелері айтарлықтай жақсартылған адгезиямен біркелкі бөлуді көрсетті (10c-сурет).TGA талдауы салмақтағы өте аз айырмашылықты көрсетті, бұл металл субстратпен салыстырғанда тұздың аз болуына байланысты болуы керек.Дегенмен, қисық сызықтағы қадамдар сусыздандыру процесінің болуын көрсетеді, дегенмен шыңы таза тұзды сипаттағанда алынған температурамен байланысты.110°C және 70,2°C шыңдары күріште байқалады.10b таза тұзды талдау кезінде де табылды.Дегенмен, 50°С таза тұзда байқалған негізгі сусыздандыру қадамы байланыстырғышты пайдаланатын қисықтарда көрсетілмеді.Керісінше, байланыстырғыш қоспасы 20,2°C және 94,1°C температурада екі шыңды көрсетті, олар таза тұз үшін өлшенбеген (10б-сурет).150 °C температурада байқалған массалық айырмашылық адсорбер ауданы бірлігіне 7,2 г/м2 сәйкес келеді.
HEC және мырыш сульфатының (ZnSO4) қосындысы қолайлы нәтиже бермеді (11-сурет).Қапталған металдың TGA талдауы дегидратация процестерін анықтаған жоқ.Қаптаманың таралуы мен адгезиясы жақсарғанымен, оның қасиеттері әлі де оңтайлы емес.
Металл талшықтарды жұқа және біркелкі қабатпен қаптаудың ең қарапайым тәсілі - дымқыл сіңдіру (12а-сурет), оған мақсатты тұзды дайындау және металл талшықтарды сулы ерітіндімен сіңдіру кіреді.
Ылғалды сіңдіруге дайындық кезінде екі негізгі мәселе туындайды.Бір жағынан, тұзды ерітіндінің беттік керілуі сұйықтықтың кеуекті құрылымға дұрыс енуіне жол бермейді.Сыртқы бетіндегі кристалдану (12д-сурет) және құрылымның ішінде ұсталған ауа көпіршіктері (12в-сурет) беттік керілуді төмендету және үлгіні тазартылған сумен алдын ала сулау арқылы ғана азайтылады.Ішіндегі ауаны эвакуациялау немесе құрылымда ерітінді ағынын жасау арқылы үлгідегі мәжбүрлі еріту құрылымды толық толтыруды қамтамасыз ететін басқа тиімді әдістер болып табылады.
Дайындау кезінде кездесетін екінші мәселе тұздың бөлігінен пленканы алу болды (12б-суретті қараңыз).Бұл құбылыс конвективтік ынталандырылған кептіруді тоқтататын және диффузиялық ынталандырылған процесті бастайтын еріту бетінде құрғақ жабынның пайда болуымен сипатталады.Екінші механизм біріншіге қарағанда әлдеқайда баяу.Нәтижесінде үлгінің ішінде көпіршіктердің пайда болу қаупін арттыратын ақылға қонымды кептіру уақыты үшін жоғары температура қажет.Бұл мәселе концентрацияның өзгеруіне (булануына) емес, температураның өзгеруіне негізделген (13-суреттегі MgSO4 мысалындағыдай) кристалданудың баламалы әдісін енгізу арқылы шешіледі.
MgSO4 көмегімен қатты және сұйық фазаларды салқындату және бөлу кезіндегі кристалдану процесінің схемалық бейнесі.
Осы әдісті пайдаланып, қаныққан тұз ерітінділерін бөлме температурасында (HT) немесе одан жоғары дайындауға болады.Бірінші жағдайда кристалдану температураны бөлме температурасынан төмен түсіру арқылы мәжбүр болды.Екінші жағдайда кристалдану үлгіні бөлме температурасына дейін салқындатқанда (RT) орын алды.Нәтижесінде кристалдар (B) және еріген (А) қоспасы пайда болады, оның сұйық бөлігі сығылған ауамен жойылады.Бұл тәсіл осы гидраттарда пленканың пайда болуын болдырмайды, сонымен қатар басқа композиттерді дайындау үшін қажетті уақытты азайтады.Дегенмен, сұйықтықты сығылған ауамен алу тұздың қосымша кристалдануына әкеледі, нәтижесінде қалың жабын пайда болады.
Металл беттерін жабу үшін қолдануға болатын тағы бір әдіс химиялық реакциялар арқылы мақсатты тұздарды тікелей өндіруді қамтиды.Қанаттар мен түтіктердің металл беттеріндегі қышқылдардың реакциясы арқылы жасалған қапталған жылу алмастырғыштар біздің алдыңғы зерттеуімізде айтылғандай, бірқатар артықшылықтарға ие.Бұл әдісті талшықтарға қолдану реакция кезінде газдардың пайда болуына байланысты өте нашар нәтижелерге әкелді.Сутегі газы көпіршіктерінің қысымы зонд ішінде жиналып, өнім шығарылған кезде ауысады (14а-сурет).
Қаптаманың қалыңдығы мен таралуын жақсырақ бақылау үшін жабын химиялық реакция арқылы өзгертілді.Бұл әдіс үлгі арқылы қышқыл тұман ағынын өткізуді қамтиды (14б-сурет).Бұл субстрат металымен реакция арқылы біркелкі жабынға әкеледі деп күтілуде.Нәтижелер қанағаттанарлық болды, бірақ процесс тиімді әдіс деп санау үшін тым баяу болды (Cурет 14c).Қысқа реакция уақытына локализацияланған қыздыру арқылы қол жеткізуге болады.
Жоғарыда аталған әдістердің кемшіліктерін жою үшін желімдерді қолдануға негізделген жабын әдісі зерттелді.ЖОО алдыңғы бөлімде берілген нәтижелер негізінде таңдалды.Барлық үлгілер 3% массамен дайындалды.Тұтқыр тұзбен араласады.Талшықтар қабырғаларға арналған процедураға сәйкес алдын ала өңделген, яғни 50% көлемге малынған.15 минут ішінде.күкірт қышқылы, содан кейін 20 секунд натрий гидроксидіне малынған, дистилденген суда жуылған және соңында 30 минут бойы тазартылған суға малынған.Бұл жағдайда сіңдіру алдында қосымша қадам қосылды.Үлгіні сұйылтылған мақсатты тұз ерітіндісіне қысқа уақытқа батырыңыз және шамамен 60°C температурада құрғатыңыз.Процесс металдың бетін өзгертуге арналған, соңғы кезеңде жабынның таралуын жақсартатын нуклеация учаскелерін жасайды.Талшықты құрылымның жіптері жіңішке және тығыз оралған бір жағы және жіпшелері қалыңырақ және аз таралған қарама-қарсы жағы бар.Бұл 52 өндірістік процестің нәтижесі.
Кальций хлориді (CaCl2) нәтижелері 1-кестеде суреттермен жинақталған және суреттелген. Егуден кейін жақсы қамту.Тіпті бетінде көрінетін кристалдары жоқ жіптердің де металдық шағылысуын азайтып, әрлеудің өзгеруін көрсетті.Дегенмен, үлгілер CaCl2 және HEC су қоспасымен сіңдірілгеннен кейін және шамамен 60 ° C температурада кептірілгеннен кейін, жабындар құрылымдардың қиылысында шоғырланған.Бұл ерітіндінің беттік керілуінен болатын әсер.Сіңдіргеннен кейін сұйықтық беттік керілуіне байланысты үлгінің ішінде қалады.Негізінен ол құрылымдардың қиылысында пайда болады.Үлгінің ең жақсы жағында тұз толтырылған бірнеше тесік бар.Салмағы қапталғаннан кейін 0,06 г/см3 артты.
Магний сульфатымен (MgSO4) қаптау көлем бірлігіне көбірек тұз берді (2-кесте).Бұл жағдайда өлшенген өсу 0,09 г/см3 құрайды.Тұқым себу процесі кең үлгіні қамтуға әкелді.Қаптау процесінен кейін тұз үлгінің жұқа жағының үлкен аумақтарын блоктайды.Сонымен қатар, күңгірттің кейбір аймақтары бітеліп қалады, бірақ кейбір кеуектілік сақталады.Бұл жағдайда құрылымдардың қиылысында тұз түзілуі оңай байқалады, бұл жабын процесі негізінен тұз бен металл субстрат арасындағы өзара әрекеттесу емес, сұйықтықтың беттік керілуіне байланысты екенін растайды.
Стронций хлориді (SrCl2) және HEC комбинациясы нәтижелері алдыңғы мысалдарға ұқсас қасиеттерді көрсетті (3-кесте).Бұл жағдайда үлгінің жұқа жағы толығымен дерлік жабылған.Үлгіден будың шығуы нәтижесінде кептіру кезінде пайда болатын жеке кеуектер ғана көрінеді.Күңгірт жағында байқалған үлгі алдыңғы жағдайға өте ұқсас, аймақ тұзбен бітеліп, талшықтар толығымен жабылмайды.
Талшықты құрылымның жылу алмастырғыштың жылу өнімділігіне оң әсерін бағалау үшін қапталған талшықты құрылымның тиімді жылу өткізгіштігі анықталып, таза жабын материалымен салыстырылды.Жылу өткізгіштік ASTM D 5470-2017 стандартына сәйкес белгілі жылу өткізгіштігі бар анықтамалық материалды пайдалана отырып, 15а-суретте көрсетілген жалпақ панельді құрылғы арқылы өлшенді.Басқа өтпелі өлшеу әдістерімен салыстырғанда, бұл принцип ағымдағы зерттеуде қолданылатын кеуекті материалдар үшін тиімді, өйткені өлшеулер тұрақты күйде және жеткілікті үлгі өлшемімен (негізгі ауданы 30 × 30 мм2, биіктігі шамамен 15 мм) орындалады.Анизотропты жылу өткізгіштік әсерін бағалау үшін талшық бағыты бойынша және талшықтың бағытына перпендикуляр өлшемдер үшін таза жабын материалының (анықтамалық) және қапталған талшық құрылымының үлгілері дайындалды.Үлгіні дайындауға байланысты беттің кедір-бұдырының әсерін азайту үшін үлгілер бетінде (P320 грити) ұнтақталды, бұл үлгі ішіндегі құрылымды көрсетпейді.