Nature.com сайтына кіргеніңіз үшін рақмет. Сіз пайдаланып отырған браузер нұсқасында CSS қолдауы шектеулі. Ең жақсы тәжірибе алу үшін жаңартылған браузерді пайдалануды ұсынамыз (немесе Internet Explorer бағдарламасында үйлесімділік режимін өшіріңіз). Сонымен қатар, үздіксіз қолдауды қамтамасыз ету үшін сайтты стильдер мен JavaScriptсіз көрсетеміз.
Адсорбциялық тоңазыту жүйелері мен жылу сорғыларының нарықтағы үлесі дәстүрлі компрессорлық жүйелермен салыстырғанда әлі де салыстырмалы түрде аз. Арзан жылуды (қымбат электр жұмыстарының орнына) пайдаланудың үлкен артықшылығына қарамастан, адсорбциялық принциптерге негізделген жүйелерді енгізу әлі де бірнеше нақты қолданыстармен шектеледі. Жоюды қажет ететін негізгі кемшілік - жылу өткізгіштігінің төмендігі мен адсорбенттің төмен тұрақтылығына байланысты меншікті қуаттың төмендеуі. Қазіргі заманғы коммерциялық адсорбциялық тоңазыту жүйелері салқындату қуатын оңтайландыру үшін жабынды пластиналы жылу алмастырғыштарға негізделген адсорберлерге негізделген. Нәтижелер жабынның қалыңдығын азайту масса алмасу кедергісінің төмендеуіне әкелетіні және өткізгіш құрылымдардың беткі ауданының көлемге қатынасын арттыру тиімділікті төмендетпей қуатты арттыратыны белгілі. Бұл жұмыста қолданылатын металл талшықтары 2500–50 000 м2/м3 диапазонында меншікті беткі ауданды қамтамасыз ете алады. Жабындар өндіру үшін металл талшықтарды қоса алғанда, металл беттерінде тұз гидраттарының өте жұқа, бірақ тұрақты жабындарын алудың үш әдісі алғаш рет жоғары қуатты тығыздықтағы жылу алмастырғышты көрсетеді. Алюминий анодтауға негізделген беттік өңдеу жабын мен негіз арасында берік байланыс жасау үшін таңдалды. Алынған беттің микроқұрылымы сканерлеуші ​​электронды микроскопияны қолдану арқылы талданды. Талдау кезінде қажетті түрлердің бар-жоғын тексеру үшін толық шағылысуының төмендеуі бар Фурье түрлендіруші инфрақызыл спектроскопиясы және энергия дисперсиялық рентгендік спектроскопия қолданылды. Олардың гидрат түзу қабілеті біріктірілген термогравиметриялық талдау (TGA)/дифференциалды термогравиметриялық талдау (DTG) арқылы расталды. MgSO4 жабынында 0,07 г (су)/г (композит)-тан жоғары сапасыз зат табылды, шамамен 60 °C температурада дегидратация белгілерін көрсетті және қайта гидратациядан кейін қайталанады. SrCl2 және ZnSO4-пен де оң нәтижелер 100 °C төмен температурада шамамен 0,02 г/г массалық айырмашылығымен алынды. Гидроксиэтилцеллюлоза жабынның тұрақтылығы мен адгезиясын арттыру үшін қоспа ретінде таңдалды. Өнімдердің адсорбциялық қасиеттері бір мезгілде TGA-DTG арқылы бағаланды және олардың адгезиясы ISO2409 стандартында сипатталған сынақтарға негізделген әдіспен сипатталды. CaCl2 жабынының консистенциясы мен адгезиясы 100 °C-тан төмен температурада шамамен 0,1 г/г салмақ айырмашылығымен адсорбциялық қабілетін сақтай отырып, айтарлықтай жақсарады. Сонымен қатар, MgSO4 гидрат түзу қабілетін сақтайды, 100 °C-тан төмен температурада 0,04 г/г-нан астам масса айырмашылығын көрсетеді. Соңында, қапталған металл талшықтары зерттеледі. Нәтижелер Al2(SO4)3-пен қапталған талшық құрылымының тиімді жылу өткізгіштігі таза Al2(SO4)3 көлемімен салыстырғанда 4,7 есе жоғары болуы мүмкін екенін көрсетеді. Зерттелген жабындардың жабыны көзбен тексерілді, ал ішкі құрылымы көлденең қималардың микроскопиялық кескінін пайдаланып бағаланды. Қалыңдығы шамамен 50 мкм болатын Al2(SO4)3 жабыны алынды, бірақ біркелкі таралуға қол жеткізу үшін жалпы процесті оңтайландыру қажет.
Адсорбциялық жүйелер соңғы бірнеше онжылдықта дәстүрлі компрессиялық жылу сорғыларына немесе тоңазытқыш жүйелеріне экологиялық таза балама ұсынатындықтан, оларға көп көңіл бөлінді. Жайлылық стандарттарының және жаһандық орташа температураның жоғарылауымен адсорбциялық жүйелер жақын арада қазба отындарына тәуелділікті азайтуы мүмкін. Сонымен қатар, адсорбциялық тоңазытқыштардағы немесе жылу сорғыларындағы кез келген жақсартулар жылу энергиясын сақтауға берілуі мүмкін, бұл бастапқы энергияны тиімді пайдалану әлеуетінің қосымша артуын білдіреді. Адсорбциялық жылу сорғылары мен тоңазытқыш жүйелерінің басты артықшылығы - олардың төмен жылу массасымен жұмыс істей алуы. Бұл оларды күн энергиясы немесе қалдық жылу сияқты төмен температуралы көздерге жарамды етеді. Энергияны сақтауды қолдану тұрғысынан адсорбцияның сезімтал немесе жасырын жылу сақтаумен салыстырғанда жоғары энергия тығыздығы және энергияның аз таралуы артықшылығы бар.
Адсорбциялық жылу сорғылары мен тоңазытқыш жүйелері буды сығымдау аналогтарымен бірдей термодинамикалық циклді ұстанады. Негізгі айырмашылық - компрессор компоненттерін адсорберлермен ауыстыру. Элемент орташа температурада төмен қысымды хладагент буын адсорбциялай алады, тіпті сұйықтық суық болған кезде де көбірек хладагент буландырады. Адсорбция энтальпиясын (экзотермиялық) болдырмау үшін адсорбердің үнемі салқындатылуын қамтамасыз ету қажет. Адсорбер жоғары температурада қалпына келтіріледі, бұл хладагент буының десорбциялануына 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 басты кемшілік болып табылады.
Өткізгіштіктің негізгі мәселесі - адсорбция/десорбция буларының ағынын қамтамасыз ететін тасымалдау жолын сақтай отырып, оның орташа мәнін арттыру. Бұған қол жеткізу үшін екі тәсіл кеңінен қолданылады: композиттік жылу алмастырғыштар және жабынды жылу алмастырғыштар. Ең танымал және сәтті композиттік материалдар - көміртекті қоспаларды, атап айтқанда кеңейтілген графит, белсендірілген көмір немесе көміртекті талшықтарды пайдаланатындар. Оливейра және т.б. 2 кеңейтілген графит ұнтағын кальций хлоридімен сіңіріп, 306 Вт/кг дейінгі меншікті салқындату сыйымдылығы (SCP) және 0,46 дейінгі өнімділік коэффициенті (COP) бар адсорбер алды. Заячковский және т.б. 3 кеңейтілген графиттің, көміртекті талшықтың және кальций хлоридінің жалпы өткізгіштігі 15 Вт/мК болатын комбинациясын ұсынды. Цзянь және т.б. 4 композиттерді екі сатылы адсорбциялық салқындату циклінде субстрат ретінде күкірт қышқылымен өңделген кеңейтілген табиғи графитпен (ENG-TSA) сынақтан өткізді. Модель COP-ты 0,215-тен 0,285-ке дейін және SCP-ті 161,4-тен 260,74 Вт/кг-ға дейін болжады.
Әзірге ең тиімді шешім - қапталған жылу алмастырғыш. Бұл жылу алмастырғыштардың қаптау механизмдерін екі санатқа бөлуге болады: тікелей синтез және желімдер. Ең сәтті әдіс - тікелей синтез, ол тиісті реагенттерден жылу алмастырғыштардың бетінде тікелей адсорбциялық материалдарды қалыптастыруды қамтиды. Sotech5 компаниясы Fahrenheit GmbH шығарған бірқатар салқындатқыштарда пайдалану үшін қапталған цеолитті синтездеу әдісін патенттеді. Шнабель және т.б.6 тот баспайтын болатпен қапталған екі цеолиттің өнімділігін тексерді. Дегенмен, бұл әдіс тек арнайы адсорбенттермен жұмыс істейді, бұл желімдермен қаптауды қызықты балама етеді. Байланыстырғыштар - сорбент адгезиясын және/немесе масса алмасуын қолдау үшін таңдалған пассивті заттар, бірақ адсорбцияда немесе өткізгіштікті арттыруда ешқандай рөл атқармайды. Френи және т.б. Саз негізіндегі байланыстырғышпен тұрақтандырылған AQSOA-Z02 цеолиті бар 7 қапталған алюминий жылу алмастырғыш. Калабрезе және т.б.8 полимерлі байланыстырғыштармен цеолит жабындарын дайындауды зерттеді. Ammann және т.б.9 поливинил спиртінің магниттік қоспаларынан кеуекті цеолит жабындарын дайындау әдісін ұсынды. Алюминий оксиді (глинозем) адсорберде байланыстырушы зат 10 ретінде де қолданылады. Біздің білуімізше, целлюлоза және гидроксиэтилцеллюлоза тек физикалық адсорбенттермен бірге қолданылады11,12. Кейде желім бояу үшін пайдаланылмайды, бірақ құрылымды 13 өздігінен салу үшін қолданылады. Альгинат полимер матрицаларының бірнеше тұз гидраттарымен үйлесуі кептіру кезінде ағып кетудің алдын алатын және жеткілікті масса алмасуын қамтамасыз ететін икемді композиттік моншақ құрылымдарын құрайды. Бентонит және аттапульгит сияқты саздар композиттерді дайындау үшін байланыстырушы зат ретінде пайдаланылды15,16,17. Этилцеллюлоза кальций хлоридін18 немесе натрий сульфидін19 микрокапсуляциялау үшін қолданылды.
Кеуекті металл құрылымы бар композиттерді аддитивті жылу алмастырғыштар және жабынды жылу алмастырғыштар деп бөлуге болады. Бұл құрылымдардың артықшылығы - жоғары меншікті беткі аудан. Бұл инертті масса қоспай адсорбент пен металл арасындағы жанасу бетінің үлкен болуына әкеледі, бұл тоңазыту циклінің жалпы тиімділігін төмендетеді. Ланг және т.б. 20 алюминий ұя тәрізді құрылымы бар цеолит адсорберінің жалпы өткізгіштігін жақсартты. Гиллерминот және т.б. 21 мыс және никель көбігімен NaX цеолит қабаттарының жылу өткізгіштігін жақсартты. Композиттер фазалық ауысу материалдары (PCM) ретінде қолданылғанымен, Ли және т.б. 22 мен Чжао және т.б. 23 зерттеулерінің нәтижелері де хемосорбция үшін қызығушылық тудырады. Олар кеңейтілген графит пен металл көбігінің өнімділігін салыстырып, соңғысы тек коррозия мәселе болмаған жағдайда ғана қолайлы деген қорытындыға келді. Паломба және т.б. жақында басқа металл кеуекті құрылымдарды салыстырды24. Ван дер Пал және т.б. көбіктерге енген металл тұздарын зерттеді25. Алдыңғы барлық мысалдар бөлшектердің адсорбенттерінің тығыз қабаттарына сәйкес келеді. Металл кеуекті құрылымдар адсорберлерді жабу үшін іс жүзінде қолданылмайды, бұл оңтайлы шешім болып табылады. Цеолиттерге байланысудың мысалын Виттштадт және т.б. 26-дан табуға болады, бірақ олардың энергия тығыздығы жоғары болғанына қарамастан, тұз гидраттарын байланыстыруға ешқандай әрекет жасалмаған 27.
Осылайша, осы мақалада адсорбент жабындарын дайындаудың үш әдісі қарастырылады: (1) байланыстырушы жабын, (2) тікелей реакция және (3) беттік өңдеу. Гидроксиэтилцеллюлоза бұрын хабарланған тұрақтылық пен физикалық адсорбенттермен бірге жабынның жақсы адгезиясына байланысты осы жұмыста таңдалған байланыстырушы болды. Бұл әдіс бастапқыда жалпақ жабындар үшін зерттелді, кейінірек металл талшықты құрылымдарға қолданылды. Бұрын адсорбент жабындарының түзілуімен химиялық реакциялардың мүмкіндігін алдын ала талдау жүргізілді. Алдыңғы тәжірибе қазір металл талшықты құрылымдарды жабуға берілуде. Бұл жұмыс үшін таңдалған беттік өңдеу алюминий анодтауға негізделген әдіс болып табылады. Алюминий анодтау эстетикалық мақсаттар үшін металл тұздарымен сәтті біріктірілді29. Бұл жағдайларда өте тұрақты және коррозияға төзімді жабындар алуға болады. Дегенмен, олар ешқандай адсорбция немесе десорбция процесін жүргізе алмайды. Бұл мақалада бастапқы процестің адгезиялық қасиеттерін пайдаланып массаны жылжытуға мүмкіндік беретін осы тәсілдің нұсқасы ұсынылған. Біздің білуімізше, мұнда сипатталған әдістердің ешқайсысы бұрын зерттелмеген. Олар өте қызықты жаңа технологияны білдіреді, себебі олар жиі зерттелетін физикалық адсорбенттерге қарағанда бірқатар артықшылықтарға ие гидратталған адсорбент жабындарының түзілуіне мүмкіндік береді.
Осы тәжірибелер үшін негіз ретінде пайдаланылған штампталған алюминий пластиналарды Чехияның ALINVEST Břidličná компаниясы ұсынды. Олардың құрамында 98,11% алюминий, 1,3622% темір, 0,3618% марганец және мыс, магний, кремний, титан, мырыш, хром және никельдің іздері бар.
Композиттерді өндіру үшін таңдалған материалдар олардың термодинамикалық қасиеттеріне сәйкес, атап айтқанда, 120°C төмен температурада адсорбциялай/десорбциялай алатын су мөлшеріне байланысты таңдалады.
Магний сульфаты (MgSO4) - ең қызықты және зерттелген гидратталған тұздардың бірі30,31,32,33,34,35,36,37,38,39,40,41. Термодинамикалық қасиеттер жүйелі түрде өлшенді және адсорбциялық тоңазыту, жылу сорғылары және энергия сақтау салаларында қолдануға жарамды екені анықталды. Құрғақ магний сульфаты CAS-Nr.7487-88-9 99% (Grüssing GmbH, Filsum, Niedersachsen, Германия) қолданылды.
Кальций хлориді (CaCl2) (H319) тағы бір жақсы зерттелген тұз болып табылады, себебі оның гидраты қызықты термодинамикалық қасиеттерге ие41,42,43,44. Кальций хлориді гексагидраты CAS-№ 7774-34-7 97% пайдаланылған (Grüssing, GmbH, Filsum, Niedersachsen, Германия).
Мырыш сульфаты (ZnSO4) (H3O2, H318, H410) және оның гидраттары төмен температуралы адсорбциялық процестерге жарамды термодинамикалық қасиеттерге ие45,46. Мырыш сульфаты гептагидраты CAS-Nr.7733-02-0 99,5% (Grüssing GmbH, Filsum, Niedersachsen, Германия) пайдаланылды.
Стронций хлориді (SrCl2) (H318) сонымен қатар қызықты термодинамикалық қасиеттерге ие4,45,47, дегенмен ол адсорбциялық жылу сорғысында немесе энергия сақтау зерттеулерінде жиі аммиакпен біріктіріледі. Синтез үшін стронций хлориді гексагидраты CAS-Nr.10.476-85-4 99.0–102.0% (Sigma Aldrich, Сент-Луис, Миссури, АҚШ) пайдаланылды.
Мыс сульфаты (CuSO4) (H302, H315, H319, H410) кәсіби әдебиетте жиі кездесетін гидраттардың қатарына кірмейді, 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, Миссури, АҚШ) пайдаланылды.
Магний хлориді (MgCl2) - жылу энергиясын сақтау саласында соңғы кезде көбірек назар аударылып келе жатқан гидратталған тұздардың бірі50,51. Тәжірибелер үшін CAS-Nr.7791-18-6 таза фармацевтикалық сортты магний хлориді гексагидраты (Applichem GmbH., Дармштадт, Германия) пайдаланылды.
Жоғарыда айтылғандай, гидроксиэтилцеллюлоза ұқсас қолдануларда оң нәтижелерге байланысты таңдалды. Біздің синтезімізде қолданылатын материал - гидроксиэтилцеллюлоза CAS-Nr 9004-62-0 (Sigma Aldrich, Сент-Луис, Миссури, АҚШ).
Металл талшықтары қысу және күйдіру арқылы бір-біріне жалғанған қысқа сымдардан жасалады, бұл процесс тигель балқымасын экстракциялау (CME)52 деп аталады. Бұл олардың жылу өткізгіштігі тек өндірісте қолданылатын металдардың көлемдік өткізгіштігіне және соңғы құрылымның кеуектілігіне ғана емес, сонымен қатар жіптер арасындағы байланыстардың сапасына да байланысты екенін білдіреді. Талшықтар изотропты емес және өндіріс кезінде белгілі бір бағытта таралуға бейім, бұл көлденең бағытта жылу өткізгіштікті әлдеқайда төмендетеді.
Су сіңіру қасиеттері вакуумдық қаптамада (Netzsch TG 209 F1 Libra) бір мезгілде термогравиметриялық талдау (TGA)/дифференциалды термогравиметриялық талдау (DTG) көмегімен зерттелді. Өлшеулер алюминий оксиді тигельдерінде 10 мл/мин ағын жылдамдығымен және 25-тен 150°C-қа дейінгі температура диапазонында ағынды азот атмосферасында жүргізілді. Қыздыру жылдамдығы 1 °C/мин болды, үлгінің салмағы 10-нан 20 мг-ға дейін өзгерді, ажыратымдылығы 0,1 мкг болды. Бұл жұмыста бірлік бетіне шаққандағы масса айырмашылығының үлкен белгісіздігі бар екенін атап өткен жөн. TGA-DTG-де қолданылатын үлгілер өте кішкентай және біркелкі емес кесілген, бұл олардың ауданын анықтауды дәл емес етеді. Бұл мәндерді тек үлкен ауытқулар ескерілген жағдайда ғана үлкен ауданға экстраполяциялауға болады.
Әлсіреген толық шағылысу Фурье түрлендіруінің инфрақызыл (ATR-FTIR) спектрлері Bruker Vertex 80 v FTIR спектрометрінде (Bruker Optik GmbH, Лейпциг, Германия) ATR платина аксессуарын (Bruker Optik GmbH, Германия) пайдаланып алынды. Таза құрғақ алмас кристалдарының спектрлері үлгілерді тәжірибелік өлшеулер үшін фон ретінде пайдаланбас бұрын тікелей вакуумда өлшенді. Үлгілер вакуумда 2 см-1 спектрлік ажыратымдылықпен және орташа сканерлеу саны 32 арқылы өлшенді. Толқын саны 8000-нан 500 см-1-ге дейін. Спектрлік талдау OPUS бағдарламасы арқылы жүргізілді.
SEM талдауы Zeiss компаниясының DSM 982 Gemini көмегімен 2 және 5 кВ үдеу кернеулерінде жүргізілді. Энергияны дисперсиялық рентгендік спектроскопия (EDX) Peltier салқындатылған кремний дрейф детекторы (SSD) бар Thermo Fischer System 7 көмегімен жүргізілді.
Металл пластиналарды дайындау 53-тармақта сипатталған процедураға ұқсас әдіспен жүргізілді. Алдымен пластинаны 50% күкірт қышқылына 15 минутқа батырыңыз. Содан кейін олар шамамен 10 секунд бойы 1 М натрий гидроксиді ерітіндісіне енгізілді. Содан кейін үлгілер көп мөлшерде тазартылған сумен жуылып, содан кейін тазартылған суда 30 минут бойы жібітілді. Алдын ала беткі өңдеуден кейін үлгілер 3% қаныққан ерітіндіге батырылды. ГЭК және нысана тұзы. Соңында, оларды алып, 60°C температурада кептіріңіз.
Анодтау әдісі пассивті металлдағы табиғи оксид қабатын күшейтеді және нығайтады. Алюминий панельдері қатайтылған күйде күкірт қышқылымен анодталып, содан кейін ыстық суда тығыздалды. Анодтау 1 моль/л NaOH (600 с) ерітіндісімен бастапқы өңдеуден кейін, содан кейін 1 моль/л HNO3 (60 с) ерітіндісінде бейтараптандырудан кейін жүргізілді. Электролит ерітіндісі 2,3 М H2SO4, 0,01 М Al2(SO4)3 және 1 М MgSO4 + 7H2O қоспасынан тұрады. Анодтау (40 ± 1)°C, 30 мА/см2 температурада 1200 секунд бойы жүргізілді. Тығыздау процесі материалдарда сипатталғандай әртүрлі тұзды ерітінділерде (MgSO4, CaCl2, ZnSO4, SrCl2, CuSO4, MgCl2) жүргізілді. Үлгі онда 1800 секунд қайнатылады.
Композиттерді алудың үш түрлі әдісі зерттелді: жабысқақ жабын, тікелей реакция және беттік өңдеу. Әрбір оқыту әдісінің артықшылықтары мен кемшіліктері жүйелі түрде талданып, талқыланды. Нәтижелерді бағалау үшін тікелей бақылау, нанобейнелеу және химиялық/элементтік талдау қолданылды.
Тұз гидраттарының адгезиясын арттыру үшін конверсиялық беттік өңдеу әдісі ретінде анодтау таңдалды. Бұл беттік өңдеу алюминий бетінде тікелей глиноземнің (глинозем) кеуекті құрылымын жасайды. Дәстүрлі түрде бұл әдіс екі кезеңнен тұрады: бірінші кезең алюминий оксидінің кеуекті құрылымын жасайды, ал екінші кезең тесіктерді жабатын алюминий гидроксиді жабынын жасайды. Төменде газ фазасына кіруді бөгемей тұзды бұғаттаудың екі әдісі келтірілген. Біріншісі адсорбент кристалдарын ұстап тұру және оның металл беттерге адгезиясын арттыру үшін бірінші кезеңде алынған кішкентай алюминий оксиді (Al2O3) түтіктерін пайдаланатын ұяшық жүйесінен тұрады. Алынған ұяшықтардың диаметрі шамамен 50 нм және ұзындығы 200 нм (1a сурет). Бұрын айтылғандай, бұл қуыстар әдетте екінші кезеңде алюминий оксиді түтігін қайнату процесімен қолдау көрсетілетін Al2O(OH)2 боэмитінің жұқа қабатымен жабылады. Екінші әдісте бұл тығыздау процесі тұз кристалдары біркелкі жабатын боэмит қабатында (Al2O(OH)) ұсталатындай етіп өзгертіледі, ол бұл жағдайда тығыздау үшін пайдаланылмайды. Екінші кезең тиісті тұздың қаныққан ерітіндісінде жүзеге асырылады. Сипатталған үлгілердің өлшемдері 50-100 нм диапазонында және шашыраған тамшыларға ұқсайды (1b-сурет). Тығыздау процесі нәтижесінде алынған бет жанасу ауданы ұлғайған айқын кеңістіктік құрылымға ие. Бұл беттік үлгі, олардың көптеген байланыс конфигурацияларымен бірге, тұз кристалдарын тасымалдау және ұстау үшін өте қолайлы. Сипатталған екі құрылым да шынымен кеуекті болып көрінеді және адсорбер жұмыс істеген кезде тұз гидраттарын ұстап тұруға және буларды тұзға адсорбциялауға өте қолайлы болып көрінетін кішкентай қуыстарға ие. Дегенмен, EDX көмегімен бұл беттерді элементтік талдау боэмит бетінде магний мен күкірттің іздерін анықтай алады, олар алюминий оксиді беті жағдайында анықталмайды.
Үлгінің ATR-FTIR элементінің магний сульфаты екенін растады (2b суретті қараңыз). Спектрде 610–680 және 1080–1130 см–1 температураларында тән сульфат иондарының шыңдары және 1600–1700 см–1 және 3200–3800 см–1 температураларында тән торлы су шыңдары көрсетілген (2a, c суреттерін қараңыз). Магний иондарының болуы спектрді іс жүзінде өзгертпейді54.
(a) Боэмитпен қапталған MgSO4 алюминий пластинасының EDX, (b) Боэмит және MgSO4 жабындарының ATR-FTIR спектрлері, (c) Таза MgSO4 ATR-FTIR спектрлері.
Адсорбция тиімділігінің сақталуы TGA арқылы расталды. 3b-суретте шамамен 60°C десорбция шыңы көрсетілген. Бұл шың таза тұздың TGA-да байқалған екі шыңның температурасына сәйкес келмейді (3a-сурет). Адсорбция-десорбция циклінің қайталануы бағаланды және үлгілерді ылғалды атмосфераға орналастырғаннан кейін сол қисық байқалды (3c-сурет). Десорбцияның екінші кезеңінде байқалған айырмашылықтар ағынды атмосферадағы сусызданудың нәтижесі болуы мүмкін, себебі бұл көбінесе толық емес сусыздануға әкеледі. Бұл мәндер бірінші сусыздануда шамамен 17,9 г/м2 және екінші сусыздануда 10,3 г/м2 сәйкес келеді.
Бемит пен MgSO4-тің TGA талдауын салыстыру: таза MgSO4 (а) қоспасының (b) және регидратациядан кейінгі (c) TGA талдауы.
Дәл осындай әдіс кальций хлоридін адсорбент ретінде қолдану арқылы жүргізілді. Нәтижелер 4-суретте көрсетілген. Беткі қабатты көзбен тексеру металл жарқылында шамалы өзгерістерді анықтады. Жүн әрең көрінеді. SEM беткі қабатта біркелкі таралған ұсақ кристалдардың бар екенін растады. Дегенмен, TGA 150°C-тан төмен температурада дегидратацияны көрсетпеді. Бұл тұздың үлесі TGA арқылы анықтау үшін субстраттың жалпы массасымен салыстырғанда тым аз болуына байланысты болуы мүмкін.
Мыс сульфаты жабынын анодтау әдісімен беткі өңдеу нәтижелері 5-суретте көрсетілген. Бұл жағдайда CuSO4-тің Al оксиді құрылымына қосылуы күтілген жоқ. Оның орнына, әдеттегі көгілдір бояғыштармен қолданылатын мыс гидроксиді Cu(OH)2 үшін қолданылатындықтан, бос инелер байқалады.
Анодталған беттік өңдеу стронций хлоридімен бірге де сыналды. Нәтижелер біркелкі емес жабынды көрсетті (6a суретті қараңыз). Тұздың бүкіл бетті жауып тұрғанын анықтау үшін EDX талдауы жүргізілді. Сұр аймақтағы нүктенің қисығы (6b суреттегі 1-нүкте) стронцийдің аз және алюминийдің көп екенін көрсетеді. Бұл өлшенген аймақта стронцийдің аз мөлшерін көрсетеді, бұл өз кезегінде стронций хлоридінің аз жабынын көрсетеді. Керісінше, ақ аймақтарда стронцийдің көп мөлшері және алюминийдің аз мөлшері бар (6b суреттегі 2-6 нүктелер). Ақ аймақтың EDX талдауы күңгірт нүктелерді (6b суреттегі 2 және 4 нүктелер), хлордың аз және күкірттің көп мөлшерін көрсетеді. Бұл стронций сульфатының түзілуін көрсетуі мүмкін. Ашық нүктелер хлордың жоғары мөлшерін және күкірттің төмен мөлшерін көрсетеді (6b суреттегі 3, 5 және 6 нүктелер). Мұны ақ жабынның негізгі бөлігі күтілетін стронций хлоридінен тұратындығымен түсіндіруге болады. Үлгінің TGA-сы таза стронций хлоридінің тән температурасында шыңмен талдаудың түсіндірмесін растады (6c-сурет). Олардың аз мәнін металл тіректің массасымен салыстырғанда тұздың аз ғана бөлігімен ақтауға болады. Тәжірибелерде анықталған десорбциялық масса 150°C температурада адсорбердің бірлік ауданына бөлінетін 7,3 г/м2 мөлшеріне сәйкес келеді.
Элоксалмен өңделген мырыш сульфаты жабындары да сыналды. Макроскопиялық тұрғыдан жабын өте жұқа және біркелкі қабат болып табылады (7a-сурет). Дегенмен, SEM бос аймақтармен бөлінген ұсақ кристалдармен жабылған беткі ауданды анықтады (7b-сурет). Жабын мен негіздің TGA-сы таза тұздың шыңымен салыстырылды (7c-сурет). Таза тұздың 59,1°C температурада бір асимметриялық шыңы бар. Жабылған алюминий 55,5°C және 61,3°C температурада екі ұсақ шыңды көрсетті, бұл мырыш сульфаты гидратының бар екенін көрсетеді. Тәжірибеде анықталған масса айырмашылығы 150°C сусыздандыру температурасында 10,9 г/м2-ге сәйкес келеді.
Алдыңғы қолданыстағыдай53, гидроксиэтилцеллюлоза сорбент жабынының адгезиясын және тұрақтылығын жақсарту үшін байланыстырушы зат ретінде пайдаланылды. Материалдың үйлесімділігі және адсорбция өнімділігіне әсері TGA арқылы бағаланды. Талдау жалпы массаға қатысты жүргізіледі, яғни үлгіде жабын негізі ретінде қолданылатын металл пластина бар. Адгезия ISO2409 спецификациясында анықталған көлденең ойық сынағына негізделген сынақ арқылы тексеріледі (спецификацияның қалыңдығы мен еніне байланысты ойықтарды бөлу спецификациясына сәйкес келе алмайды).
Панельдерді кальций хлоридімен (CaCl2) жабу (8a суретті қараңыз) біркелкі таралмауға әкелді, бұл көлденең ойық сынағы үшін қолданылған таза алюминий жабынында байқалмады. Таза CaCl2 нәтижелерімен салыстырғанда, TGA (8b сурет) сәйкесінше 40 және 20°C төмен температураға қарай ығысқан екі сипаттамалық шыңды көрсетеді. Көлденең қима сынағы объективті салыстыруға мүмкіндік бермейді, себебі таза CaCl2 үлгісі (8c суреттегі оң жақтағы үлгі) ең жоғарғы бөлшектерді кетіретін ұнтақ тұнба болып табылады. HEC нәтижелері қанағаттанарлық адгезияға ие өте жұқа және біркелкі жабынды көрсетті. 8b суретте көрсетілген масса айырмашылығы 150°C температурада адсорбердің бірлік ауданына 51,3 г/м2 сәйкес келеді.
Магний сульфатымен (MgSO4) адгезия және біркелкілік тұрғысынан оң нәтижелер алынды (9-суретті қараңыз). Жабынның десорбция процесін талдау шамамен 60°C бір шыңның бар екенін көрсетті. Бұл температура таза тұздардың сусыздануында байқалатын негізгі десорбция сатысына сәйкес келеді, бұл 44°C температурадағы тағы бір сатыны білдіреді. Бұл гексагидраттан пентагидратқа ауысуға сәйкес келеді және байланыстырғыштары бар жабындар жағдайында байқалмайды. Көлденең қима сынақтары таза тұзды пайдаланып жасалған жабындармен салыстырғанда таралу мен адгезияның жақсарғанын көрсетеді. TGA-DTC-де байқалған масса айырмашылығы 150°C температурада адсорбердің бірлік ауданына 18,4 г/м2 сәйкес келеді.
Беткі тегіс еместігіне байланысты стронций хлоридінің (SrCl2) қанаттарында біркелкі емес жабын бар (10a-сурет). Дегенмен, көлденең ойық сынағының нәтижелері адгезияның айтарлықтай жақсарғанымен біркелкі таралуды көрсетті (10c-сурет). TGA талдауы салмақтағы өте аз айырмашылықты көрсетті, бұл металл субстратпен салыстырғанда тұз мөлшерінің төмен болуына байланысты болуы керек. Дегенмен, қисықтағы қадамдар дегидратация процесінің бар екенін көрсетеді, дегенмен шың таза тұзды сипаттаған кезде алынған температурамен байланысты. 10b-суреттерде байқалған 110°C және 70,2°C температурадағы шыңдар таза тұзды талдау кезінде де табылды. Дегенмен, 50°C температурада таза тұзда байқалған негізгі дегидратация сатысы байланыстырғышты қолданған қисықтарда көрінбеді. Керісінше, байланыстырғыш қоспасы 20,2°C және 94,1°C температурада екі шыңды көрсетті, олар таза тұз үшін өлшенбеді (10b-сурет). 150 °C температурада байқалған масса айырмашылығы адсорбердің бірлік ауданына 7,2 г/м2 сәйкес келеді.
ГЭК және мырыш сульфатының (ZnSO4) үйлесімі қолайлы нәтижелер бермеді (11-сурет). Қапталған металдың TGA талдауы ешқандай дегидратация процестерін анықтамады. Қаптаманың таралуы мен адгезиясы жақсарғанымен, оның қасиеттері әлі де оңтайлы емес.
Металл талшықтарын жұқа және біркелкі қабатпен жабудың ең қарапайым тәсілі - ылғалды сіңдіру (12a-сурет), ол мақсатты тұзды дайындауды және металл талшықтарын сулы ерітіндімен сіңдіруді қамтиды.
Ылғал сіңдіруге дайындық кезінде екі негізгі мәселе туындайды. Бір жағынан, тұзды ерітіндінің беттік керілуі сұйықтықтың кеуекті құрылымға дұрыс енуіне кедергі келтіреді. Сыртқы бетіндегі кристалдануды (12d-сурет) және құрылымның ішінде қалып қойған ауа көпіршіктерін (12c-сурет) тек беттік керілуді төмендету және үлгіні дистилденген сумен алдын ала сулау арқылы азайтуға болады. Құрылымның ішіндегі ауаны шығару немесе құрылымда ерітінді ағынын жасау арқылы үлгіні мәжбүрлі түрде еріту құрылымның толық толтырылуын қамтамасыз етудің басқа тиімді тәсілдері болып табылады.
Дайындау кезінде кездесетін екінші мәселе тұздың бір бөлігінен қабықшаны алып тастау болды (12b-суретті қараңыз). Бұл құбылыс еріту бетінде құрғақ жабынның пайда болуымен сипатталады, бұл конвективті түрде ынталандырылған кептіруді тоқтатады және диффузиямен ынталандырылған процесті бастайды. Екінші механизм біріншісіне қарағанда әлдеқайда баяу. Нәтижесінде, кептіру уақыты үшін жоғары температура қажет, бұл үлгінің ішінде көпіршіктердің пайда болу қаупін арттырады. Бұл мәселе концентрацияның өзгеруіне (булану) емес, температураның өзгеруіне негізделген балама кристалдану әдісін енгізу арқылы шешіледі (13-суреттегі MgSO4 мысалындағыдай).
MgSO4 көмегімен қатты және сұйық фазаларды салқындату және бөлу кезіндегі кристалдану процесінің схемалық көрінісі.
Қаныққан тұз ерітінділерін осы әдісті қолдана отырып, бөлме температурасында (HT) немесе одан жоғары температурада дайындауға болады. Бірінші жағдайда, температураны бөлме температурасынан төмен түсіру арқылы кристалдану мәжбүр болды. Екінші жағдайда, кристалдану үлгі бөлме температурасына (RT) дейін салқындатылған кезде орын алды. Нәтижесінде кристалдар (B) мен еріген (A) қоспасы пайда болады, оның сұйық бөлігі сығылған ауамен жойылады. Бұл тәсіл осы гидраттарда қабықшаның пайда болуын болдырмауға ғана емес, сонымен қатар басқа композиттерді дайындауға қажетті уақытты қысқартады. Дегенмен, сұйықтықты сығылған ауамен жою тұздың қосымша кристалдануына әкеледі, нәтижесінде қалың жабын пайда болады.
Металл беттерін жабу үшін қолданылатын тағы бір әдіс химиялық реакциялар арқылы нысаналы тұздарды тікелей өндіруді қамтиды. Алдыңғы зерттеуімізде айтылғандай, қанаттар мен түтіктердің металл беттеріндегі қышқылдардың реакциясы арқылы жасалған қапталған жылу алмастырғыштардың бірқатар артықшылықтары бар. Бұл әдісті талшықтарға қолдану реакция кезінде газдардың пайда болуына байланысты өте нашар нәтижелерге әкелді. Сутегі газы көпіршіктерінің қысымы зонд ішінде жиналады және өнім шығарылған кезде өзгереді (14a-сурет).
Қаптаманың қалыңдығы мен таралуын жақсы бақылау үшін химиялық реакция арқылы жабын өзгертілді. Бұл әдіс үлгі арқылы қышқыл тұман ағынын өткізуді қамтиды (14b-сурет). Бұл субстрат металымен әрекеттесу арқылы біркелкі жабын алуға әкеледі деп күтілуде. Нәтижелер қанағаттанарлық болды, бірақ процесс тиімді әдіс деп санау үшін тым баяу болды (14c-сурет). Жергілікті қыздыру арқылы реакция уақытын қысқартуға болады.
Жоғарыда аталған әдістердің кемшіліктерін жою үшін желімдерді қолдануға негізделген жабын әдісі зерттелді. Алдыңғы бөлімде келтірілген нәтижелерге сүйене отырып, HEC таңдалды. Барлық үлгілер 3% салмақта дайындалды. Байланыстырғыш тұзбен араластырылады. Талшықтар қабырғаларға арналған процедура бойынша алдын ала өңделді, яғни 15 минут ішінде 50% көлемде күкірт қышқылына батырылды, содан кейін 20 секунд бойы натрий гидроксидіне батырылды, тазартылған суда жуылды және соңында 30 минут бойы тазартылған суда батырылды. Бұл жағдайда сіңдіру алдында қосымша қадам қосылды. Үлгіні сұйылтылған мақсатты тұз ерітіндісіне қысқа уақытқа батырыңыз және шамамен 60°C температурада кептіріңіз. Процесс металл бетін өзгертуге, соңғы кезеңде жабынның таралуын жақсартатын ядролану орындарын жасауға арналған. Талшықты құрылымның бір жағында жіпшелер жұқа және тығыз орналасқан, ал қарама-қарсы жағында жіпшелер қалың және аз таралған. Бұл 52 өндіріс процесінің нәтижесі.
Кальций хлоридінің (CaCl2) нәтижелері 1-кестеде қорытындыланып, суреттермен көрсетілген. Егуден кейінгі жақсы жабын. Бетінде көрінетін кристалдары жоқ жіптердің де металл шағылысулары азайған, бұл әрлеудің өзгергенін көрсетеді. Дегенмен, үлгілер CaCl2 мен HEC сулы қоспасымен сіңіріліп, шамамен 60°C температурада кептірілгеннен кейін, жабындар құрылымдардың қиылыстарында шоғырланған. Бұл ерітіндінің беттік керілуінен туындаған әсер. Жібіткеннен кейін сұйықтық беттік керілуіне байланысты үлгінің ішінде қалады. Негізінен бұл құрылымдардың қиылысында болады. Үлгінің ең жақсы жағында тұзбен толтырылған бірнеше тесік бар. Жапқаннан кейін салмақ 0,06 г/см3-ке артты.
Магний сульфатымен (MgSO4) жабу бірлік көлемге көбірек тұз бөлді (2-кесте). Бұл жағдайда өлшенген өсім 0,09 г/см3 құрайды. Егу процесі үлгінің кең көлемде жабылуына әкелді. Жабу процесінен кейін тұз үлгінің жұқа жағының үлкен аумақтарын жауып тастайды. Сонымен қатар, штейннің кейбір аумақтары бітеліп қалады, бірақ кейбір кеуектілігі сақталады. Бұл жағдайда тұздың түзілуі құрылымдардың қиылысында оңай байқалады, бұл жабу процесі негізінен сұйықтықтың беттік керілуіне байланысты екенін, ал тұз бен металл негіз арасындағы өзара әрекеттесуден емес екенін растайды.
Стронций хлориді (SrCl2) мен HEC комбинациясының нәтижелері алдыңғы мысалдарға ұқсас қасиеттерді көрсетті (3-кесте). Бұл жағдайда үлгінің жұқа жағы толығымен дерлік жабылған. Тек жеке тесіктер көрінеді, олар үлгіден будың бөлінуі нәтижесінде кептіру кезінде пайда болады. Күңгірт жағында байқалған үлгі алдыңғы жағдайға өте ұқсас, аймақ тұзбен бітеліп қалған және талшықтар толығымен жабылмаған.
Талшықты құрылымның жылу алмастырғыштың жылу өнімділігіне оң әсерін бағалау үшін жабынды талшықты құрылымның тиімді жылу өткізгіштігі анықталды және таза жабынды материалмен салыстырылды. Жылу өткізгіштік ASTM D 5470-2017 стандартына сәйкес 15a-суретте көрсетілген жалпақ панельді құрылғыны пайдаланып, белгілі жылу өткізгіштігі бар анықтамалық материалды пайдаланып өлшенді. Басқа өтпелі өлшеу әдістерімен салыстырғанда, бұл принцип ағымдағы зерттеуде қолданылатын кеуекті материалдар үшін тиімді, себебі өлшеулер тұрақты күйде және жеткілікті үлгі өлшемімен (негізгі ауданы 30 × 30 мм2, биіктігі шамамен 15 мм) жүргізіледі. Анизотропты жылу өткізгіштіктің әсерін бағалау үшін таза жабынды материалының (анықтамалық) және жабынды талшық құрылымының үлгілері талшық бағытында және талшық бағытына перпендикуляр өлшеулерге дайындалды. Үлгілерді дайындауға байланысты беткі кедір-бұдырлықтың әсерін азайту үшін үлгілер бетіне (P320 ұнтағы) тегістелді, бұл үлгідегі құрылымды көрсетпейді.