Nature.com сайтына киргениңиз үчүн рахмат. Сиз колдонуп жаткан браузердин версиясында CSS колдоосу чектелүү. Эң жакшы тажрыйба алуу үчүн, жаңыртылган браузерди колдонууну сунуштайбыз (же Internet Explorerде шайкештик режимин өчүрүңүз). Ошол эле учурда, үзгүлтүксүз колдоону камсыз кылуу үчүн, биз сайтты стилдерсиз жана JavaScriptсиз көрсөтөбүз.
Адсорбциялык муздатуу системаларынын жана жылуулук насосторунун рыноктук үлүшү салттуу компрессордук системаларга салыштырмалуу дагы эле салыштырмалуу аз. Арзан жылуулукту (кымбат электр иштеринин ордуна) колдонуунун чоң артыкчылыгына карабастан, адсорбция принциптерине негизделген системаларды ишке ашыруу дагы эле бир нече конкреттүү колдонмолор менен чектелет. Жокко чыгарылышы керек болгон негизги кемчилик - жылуулук өткөрүмдүүлүгүнүн төмөндүгүнөн жана адсорбенттин туруктуулугунун төмөндүгүнөн улам салыштырмалуу кубаттуулуктун төмөндөшү. Азыркы заманбап коммерциялык адсорбциялык муздатуу системалары муздатуу кубаттуулугун оптималдаштыруу үчүн капталган плиталык жылуулук алмаштыргычтарга негизделген адсорберлерге негизделген. Натыйжалар каптоонун калыңдыгын азайтуу массалык алмашуу импедансынын төмөндөшүнө алып келери жана өткөргүч конструкциялардын беттик аянтынын көлөмгө катышын көбөйтүү натыйжалуулукту төмөндөтпөстөн кубаттуулукту жогорулатары белгилүү. Бул иште колдонулган металл булалары 2500–50 000 м2/м3 диапазонунда белгилүү бир беттик аянтты камсыздай алат. Каптоолорду өндүрүү үчүн металл булаларын кошкондо, металл беттеринде туз гидраттарынын өтө жука, бирок туруктуу каптоолорун алуунун үч ыкмасы биринчи жолу жогорку кубаттуулуктагы тыгыздыктагы жылуулук алмаштыргычты көрсөтөт. Алюминий аноддоого негизделген беттик иштетүү каптоо менен субстраттын ортосунда күчтүү байланыш түзүү үчүн тандалып алынган. Алынган беттин микроструктурасы сканерлөөчү электрондук микроскопияны колдонуу менен талданган. Анализде каалаган түрдүн бар экендигин текшерүү үчүн толук чагылдыруунун төмөндөшү менен Фурье трансформациясынын инфракызыл спектроскопиясы жана энергияны дисперсиялык рентген спектроскопиясы колдонулган. Алардын гидраттарды пайда кылуу жөндөмү айкалышкан термогравиметриялык анализ (TGA)/дифференциалдык термогравиметриялык анализ (DTG) менен тастыкталган. MgSO4 каптоосунда 0,07 г (суу)/г (курама) ашык сапатсыз зат табылган, ал болжол менен 60 °C температурада суусуздануунун белгилерин көрсөтүп, кайра гидратациядан кийин кайталанышы мүмкүн. SrCl2 жана ZnSO4 менен да оң натыйжалар 100 °C төмөн температурада болжол менен 0,02 г/г массалык айырма менен алынган. Гидроксиэтилцеллюлоза каптоонун туруктуулугун жана адгезиясын жогорулатуу үчүн кошулма катары тандалып алынган. Продукциялардын адсорбциялык касиеттери бир эле учурда TGA-DTG менен бааланган жана алардын адгезиясы ISO2409 стандартында сүрөттөлгөн сыноолорго негизделген ыкма менен мүнөздөлгөн. CaCl2 каптамасынын консистенциясы жана адгезиясы 100 °Cден төмөн температурада болжол менен 0,1 г/г салмак айырмасы менен адсорбциялык жөндөмдүүлүгүн сактоо менен бир кыйла жакшырган. Мындан тышкары, MgSO4 гидраттарды пайда кылуу жөндөмүн сактап, 100 °Cден төмөн температурада 0,04 г/г ашык массалык айырмачылыкты көрсөтөт. Акырында, капталган металл булалары текшерилет. Жыйынтыктар Al2(SO4)3 менен капталган була структурасынын натыйжалуу жылуулук өткөрүмдүүлүгү таза Al2(SO4)3 көлөмүнө салыштырмалуу 4,7 эсе жогору болушу мүмкүн экенин көрсөтүп турат. Изилденген каптамалардын каптамасы визуалдык түрдө текшерилип, ички түзүлүшү кесилиштердин микроскопиялык сүрөтү аркылуу бааланган. Калыңдыгы болжол менен 50 мкм болгон Al2(SO4)3 каптамасы алынган, бирок бирдей бөлүштүрүүгө жетүү үчүн жалпы процесс оптималдаштырылышы керек.
Акыркы бир нече он жылдыкта адсорбциялык системалар салттуу компрессиялык жылуулук насосторуна же муздатуу системаларына экологиялык жактан таза альтернатива бергендиктен, аларга чоң көңүл бурулду. Ыңгайлуулук стандарттарынын жана дүйнөлүк орточо температуранын жогорулашы менен адсорбциялык системалар жакынкы келечекте казылып алынган отунга көз карандылыкты азайтышы мүмкүн. Мындан тышкары, адсорбциялык муздатуудагы же жылуулук насосторундагы ар кандай жакшыртуулар жылуулук энергиясын сактоого өткөрүлүп берилиши мүмкүн, бул баштапкы энергияны натыйжалуу пайдалануу мүмкүнчүлүгүнүн кошумча жогорулашын билдирет. Адсорбциялык жылуулук насосторунун жана муздатуу системаларынын негизги артыкчылыгы - алар аз жылуулук массасы менен иштей алат. Бул аларды күн энергиясы же калдык жылуулук сыяктуу төмөн температура булактары үчүн ылайыктуу кылат. Энергияны сактоо колдонмолору жагынан алганда, адсорбциянын энергиянын тыгыздыгы жогору жана сезгич же жашыруун жылуулук сактоого салыштырмалуу энергиянын азыраак чачырашы артыкчылыктары бар.
Адсорбциялык жылуулук насостору жана муздаткыч системалары буу компрессиясынын аналогдору сыяктуу эле термодинамикалык циклди аткарат. Негизги айырмачылык - компрессордун компоненттерин адсорберлер менен алмаштыруу. Элемент орточо температурада төмөнкү басымдагы муздаткыч буусун адсорбциялай алат, суюктук муздак болгондо да көбүрөөк муздаткычты буулантат. Адсорбциянын энтальпиясын (экзотерм) болтурбоо үчүн адсорбердин туруктуу муздашын камсыз кылуу зарыл. Адсорбер жогорку температурада калыбына келтирилет, бул муздаткыч буусунун десорбцияланышына алып келет. Десорбциянын энтальпиясын (эндотермикалык) камсыз кылуу үчүн жылытуу улантылышы керек. Адсорбция процесстери температуранын өзгөрүшү менен мүнөздөлгөндүктөн, жогорку кубаттуулуктун тыгыздыгы жогорку жылуулук өткөрүмдүүлүгүн талап кылат. Бирок, жылуулук өткөрүмдүүлүгүнүн төмөндүгү көпчүлүк колдонмолордо негизги кемчилик болуп саналат.
Өткөргүчтүктүн негизги көйгөйү - адсорбция/десорбция бууларынын агымын камсыз кылган ташуу жолун сактоо менен анын орточо маанисин жогорулатуу. Буга жетүү үчүн эки ыкма кеңири колдонулат: композиттик жылуулук алмаштыргычтар жана капталган жылуулук алмаштыргычтар. Эң популярдуу жана ийгиликтүү композиттик материалдар - көмүртек негизиндеги кошулмаларды, атап айтканда, кеңейтилген графит, активдештирилген көмүр же көмүртек булаларын колдонгондор. Оливейра жана башкалар 2 кеңейтилген графит порошогун кальций хлориди менен сиңирип, 306 Вт/кг чейинки өзгөчө муздатуу кубаттуулугу (SCP) жана 0,46га чейинки иштөө коэффициенти (COP) бар адсорберди алышкан. Заячковски жана башкалар 3 кеңейтилген графиттин, көмүртек буласынын жана кальций хлоридинин жалпы өткөрүмдүүлүгү 15 Вт/мК болгон айкалышын сунушташкан. Цзянь жана башкалар 4 композиттерди эки баскычтуу адсорбциялык муздатуу циклинде субстрат катары күкүрт кислотасы менен иштетилген кеңейтилген табигый графит (ENG-TSA) менен сынап көрүшкөн. Модель COPти 0,215тен 0,285ке чейин жана SCPти 161,4төн 260,74 Вт/кгга чейин деп болжолдогон.
Эң ийгиликтүү чечим - бул капталган жылуулук алмаштыргыч. Бул жылуулук алмаштыргычтардын каптоо механизмдерин эки категорияга бөлүүгө болот: түз синтез жана желимдер. Эң ийгиликтүү ыкма - бул түз синтез, ал тиешелүү реагенттерден жылуулук алмаштыргычтардын бетинде түз адсорбциялоочу материалдарды пайда кылууну камтыйт. Sotech5 Fahrenheit GmbH тарабынан чыгарылган бир катар муздаткычтарда колдонуу үчүн капталган цеолитти синтездөө ыкмасын патенттеген. Шнабель жана башкалар6 дат баспас болоттон жасалган эки цеолиттин иштешин сынап көрүшкөн. Бирок, бул ыкма белгилүү бир адсорбенттер менен гана иштейт, бул желимдер менен каптоону кызыктуу альтернатива кылат. Байланышуучулар - бул сорбенттин адгезиясын жана/же массалык алмашууну колдоо үчүн тандалган пассивдүү заттар, бирок адсорбцияда же өткөрүмдүүлүктү жогорулатууда эч кандай роль ойнобойт. Френи жана башкалар. Чопо негизиндеги байланыштыргыч менен турукташтырылган AQSOA-Z02 цеолити менен капталган 7 алюминий жылуулук алмаштыргыч. Калабрезе жана башкалар8 полимердик байланыштыргычтар менен цеолит каптоолорун даярдоону изилдешкен. Ammann жана башкалар9 поливинил спиртинин магниттик аралашмаларынан тешиктүү цеолит каптамаларын даярдоо ыкмасын сунушташкан. Алюминий кычкылы (глинозем) адсорберде 10 байланыштыруучу зат катары да колдонулат. Биздин билишибизче, целлюлоза жана гидроксиэтилцеллюлоза физикалык адсорбенттер менен айкалышып гана колдонулат11,12. Кээде желим боёк үчүн колдонулбайт, бирок 13 өз алдынча конструкцияны куруу үчүн колдонулат. Альгинат полимер матрицаларынын бир нече туз гидраттары менен айкалышы кургатуу учурунда агып кетүүнүн алдын алуучу жана жетиштүү массалык алмашууну камсыз кылуучу ийкемдүү композиттик шуру структураларын түзөт. Бентонит жана аттапульгит сыяктуу чополор композиттерди даярдоо үчүн байланыштыруучу заттар катары колдонулган15,16,17. Этилцеллюлоза кальций хлоридин18 же натрий сульфидин19 микрокапсуляциялоо үчүн колдонулган.
Кеуектүү металл түзүлүшүндөгү композиттерди кошумча жылуулук алмаштыргычтар жана капталган жылуулук алмаштыргычтар деп бөлүүгө болот. Бул түзүлүштөрдүн артыкчылыгы - жогорку салыштырмалуу беттик аянты. Бул инерттүү масса кошулбастан адсорбент менен металлдын ортосундагы байланыш бетинин чоңоюшуна алып келет, бул муздатуу циклинин жалпы натыйжалуулугун төмөндөтөт. Ланг жана башкалар 20 алюминий уячасы сымал түзүлүшү бар цеолит адсорберинин жалпы өткөргүчтүгүн жакшыртышты. Гиллерминот жана башкалар 21 жез жана никель көбүгү менен NaX цеолит катмарларынын жылуулук өткөргүчтүгүн жакшыртышты. Композиттер фазалык алмашуу материалдары (PCM) катары колдонулганы менен, Ли жана башкалар 22 жана Жао жана башкалар 23 химисорбция үчүн да кызыктуу. Алар кеңейтилген графит менен металл көбүгүнүн иштешин салыштырып, акыркысы коррозия көйгөйү болбогондо гана артыкчылыктуу деген тыянакка келишкен. Паломба жана башкалар жакында башка металл кеуектүү түзүлүштөрдү салыштырышкан24. Ван дер Пал жана башкалар көбүктөргө салынган металл туздарын изилдешкен25. Мурунку бардык мисалдар бөлүкчөлүү адсорбенттердин тыгыз катмарларына туура келет. Адсорберлерди каптоо үчүн металл тешиктүү конструкциялар дээрлик колдонулбайт, бул оптималдуу чечим. Цеолиттерге байланышуунун мисалы Виттштадт ж.б. 26дан табылышы мүмкүн, бирок алардын энергия тыгыздыгы жогору болгонуна карабастан, туз гидраттарын байланыштырууга эч кандай аракет жасалган эмес 27.
Ошентип, бул макалада адсорбенттик каптоолорду даярдоонун үч ыкмасы каралат: (1) байланыштыруучу каптоо, (2) түз реакция жана (3) беттик иштетүү. Гидроксиэтилцеллюлоза бул иште мурда кабарланган туруктуулук жана физикалык адсорбенттер менен айкалышканда жакшы адгезияга ээ болгондуктан, тандалган байланыштыруучу болгон. Бул ыкма алгач жалпак каптоолор үчүн изилденип, кийинчерээк металл була структураларына колдонулган. Буга чейин адсорбенттик каптоолордун пайда болушу менен химиялык реакциялардын мүмкүнчүлүгүнүн алдын ала анализи билдирилген. Азыр металл була структураларын каптоого мурунку тажрыйбалар өткөрүлүп жатат. Бул иш үчүн тандалган беттик иштетүү алюминийди аноддоого негизделген ыкма болуп саналат. Алюминийди аноддоо эстетикалык максаттар үчүн металл туздары менен ийгиликтүү айкалыштырылган29. Мындай учурларда абдан туруктуу жана коррозияга туруктуу каптоолорду алууга болот. Бирок, алар эч кандай адсорбция же десорбция процессин жүргүзө алышпайт. Бул макалада баштапкы процесстин жабышчаак касиеттерин колдонуп массаны жылдырууга мүмкүндүк берген бул ыкманын варианты сунушталат. Биздин билишибизче, бул жерде сүрөттөлгөн ыкмалардын бири да мурда изилденген эмес. Алар абдан кызыктуу жаңы технологияны чагылдырат, анткени алар көп изилденген физикалык адсорбенттерге караганда бир катар артыкчылыктарга ээ болгон гидратталган адсорбент каптамаларын түзүүгө мүмкүндүк берет.
Бул эксперименттер үчүн субстрат катары колдонулган штампталган алюминий плиталар Чехия Республикасынын ALINVEST Břidličná компаниясы тарабынан берилген. Алардын курамында 98,11% алюминий, 1,3622% темир, 0,3618% марганец жана жез, магний, кремний, титан, цинк, хром жана никельдин издери бар.
Композиттерди өндүрүү үчүн тандалган материалдар алардын термодинамикалык касиеттерине ылайык, тактап айтканда, 120°C төмөн температурада алар адсорбциялай/десорбциялай ала турган суунун көлөмүнө жараша тандалат.
Магний сульфаты (MgSO4) эң кызыктуу жана изилденген гидратталган туздардын бири болуп саналат30,31,32,33,34,35,36,37,38,39,40,41. Термодинамикалык касиеттери системалуу түрдө өлчөнгөн жана адсорбциялык муздатуу, жылуулук насостору жана энергияны сактоо тармактарында колдонууга ылайыктуу экени аныкталган. Кургак магний сульфаты CAS-Nr.7487-88-9 99% (Grüssing GmbH, Filsum, Niedersachsen, Германия) колдонулган.
Кальций хлориди (CaCl2) (H319) дагы бир жакшы изилденген туз болуп саналат, анткени анын гидраты кызыктуу термодинамикалык касиеттерге ээ41,42,43,44. Кальций хлориди гексагидраты CAS-№ 7774-34-7 97% колдонулган (Grüssing, GmbH, Filsum, Niedersachsen, Германия).
Цинк сульфаты (ZnSO4) (H3O2, H318, H410) жана анын гидраттары төмөнкү температурадагы адсорбциялык процесстерге ылайыктуу термодинамикалык касиеттерге ээ45,46. Цинк сульфаты гептагидраты CAS-Nr.7733-02-0 99,5% (Grüssing GmbH, Filsum, Niedersachsen, Германия) колдонулган.
Стронций хлориди (SrCl2) (H318) да кызыктуу термодинамикалык касиеттерге ээ4,45,47, бирок ал көбүнчө адсорбциялык жылуулук насосунда же энергия сактоо изилдөөлөрүндө аммиак менен айкалышат. Синтез үчүн стронций хлориди гексагидраты CAS-Nr.10.476-85-4 99.0–102.0% (Sigma Aldrich, Сент-Луис, Миссури, АКШ) колдонулган.
Жез сульфаты (CuSO4) (H302, H315, H319, H410) кесиптик адабияттарда көп кездешүүчү гидраттардын катарына кирбейт, бирок анын термодинамикалык касиеттери төмөнкү температурадагы колдонмолор үчүн кызыктуу48,49. Синтез үчүн жез сульфаты CAS-Nr.7758-99-8 99% (Sigma Aldrich, Сент-Луис, Миссури, АКШ) колдонулган.
Магний хлориди (MgCl2) - жылуулук энергиясын сактоо жаатында жакында көбүрөөк көңүл бурулган гидратталган туздардын бири50,51. Эксперименттер үчүн CAS-Nr.7791-18-6 таза фармацевтикалык сорттогу магний хлориди гексагидраты (Applichem GmbH., Дармштадт, Германия) колдонулган.
Жогоруда айтылгандай, гидроксиэтилцеллюлоза окшош колдонмолордо оң натыйжаларга ээ болгондуктан тандалып алынган. Биздин синтезде колдонулган материал гидроксиэтилцеллюлоза CAS-Nr 9004-62-0 (Sigma Aldrich, Сент-Луис, Миссури, АКШ).
Металл булалары кысуу жана бышыруу жолу менен бириктирилген кыска зымдардан жасалат, бул процесс тигель эритмесин экстракциялоо (CME)52 деп аталат. Бул алардын жылуулук өткөрүмдүүлүгү өндүрүштө колдонулган металлдардын көлөмдүк өткөрүмдүүлүгүнө жана акыркы түзүлүштүн кеуектүүлүгүнө гана эмес, жиптердин ортосундагы байланыштардын сапатына да көз каранды экенин билдирет. Булалар изотроптук эмес жана өндүрүш учурунда белгилүү бир багытта бөлүштүрүлүүгө жакын, бул туурасынан кеткен багыттагы жылуулук өткөрүмдүүлүгүн бир топ төмөн кылат.
Суу сиңирүү касиеттери вакуумдук пакетте (Netzsch TG 209 F1 Libra) бир эле учурда термогравиметриялык анализ (TGA)/дифференциалдык термогравиметриялык анализ (DTG) колдонуу менен изилденген. Өлчөөлөр алюминий кычкылы тигельдеринде 10 мл/мин агым ылдамдыгында жана 25тен 150°Cге чейинки температура диапазонунда агып жаткан азот атмосферасында жүргүзүлдү. Ысытуу ылдамдыгы 1 °C/мин, үлгүнүн салмагы 10дон 20 мгга чейин өзгөрүп, чечилиши 0,1 мкг болгон. Бул иште бирдик бетине туура келген масса айырмасы чоң белгисиздикке ээ экенин белгилей кетүү керек. TGA-DTGде колдонулган үлгүлөр өтө кичинекей жана бирдей эмес кесилген, бул алардын аянтын аныктоону туура эмес кылат. Бул маанилерди чоң четтөөлөр эске алынганда гана чоңураак аянтка экстраполяциялоого болот.
Алсыраган толук чагылдыруу Фурье трансформациясынын инфракызыл (ATR-FTIR) спектрлери Bruker Vertex 80 v FTIR спектрометринде (Bruker Optik GmbH, Лейпциг, Германия) ATR платина аксессуарын (Bruker Optik GmbH, Германия) колдонуу менен алынган. Таза кургак алмаз кристаллдарынын спектрлери үлгүлөрдү эксперименталдык өлчөөлөр үчүн фон катары колдонуудан мурун вакуумда түздөн-түз өлчөнгөн. Үлгүлөр вакуумда 2 см-1 спектрдик чечилиште жана орточо 32 сканерлөө саны менен өлчөнгөн. Толкун саны 8000ден 500 см-1ге чейин. Спектрдик анализ OPUS программасын колдонуу менен жүргүзүлдү.
SEM анализи Zeiss компаниясынын DSM 982 Gemini моделин колдонуу менен 2 жана 5 кВ ылдамдандыруучу чыңалууларда жүргүзүлдү. Энергияны дисперсиялык рентген спектроскопиясы (EDX) Peltier муздатылган кремний дрейф детектору (SSD) менен Thermo Fischer System 7 моделин колдонуу менен жүргүзүлдү.
Металл плиталарды даярдоо 53-пунктта сүрөттөлгөн процедурага окшош жол менен жүргүзүлдү. Алгач плитаны 50% күкүрт кислотасына 15 мүнөткө чөмүлдүрүңүз. Андан кийин алар 1 М натрий гидроксидинин эритмесине болжол менен 10 секундга киргизилди. Андан кийин үлгүлөр көп өлчөмдөгү дистилденген суу менен жуулуп, андан кийин дистилденген сууга 30 мүнөт чыланган. Алдын ала беттик иштетүүдөн кийин үлгүлөр 3% каныккан эритмеге чөмүлдүрүлдү. ГЭК жана максаттуу туз. Акырында, аларды алып чыгып, 60°C температурада кургатыңыз.
Аноддоо ыкмасы пассивдүү металлдагы табигый кычкыл катмарын күчөтөт жана бекемдейт. Алюминий панелдер катуу абалда күкүрт кислотасы менен аноддолуп, андан кийин ысык сууга мөөр басылган. Аноддоо 1 моль/л NaOH (600 с) менен баштапкы оюудан, андан кийин 1 моль/л HNO3 (60 с) менен нейтралдаштыруудан кийин жүргүзүлгөн. Электролит эритмеси 2,3 М H2SO4, 0,01 М Al2(SO4)3 жана 1 М MgSO4 + 7H2O аралашмасынан турат. Аноддоо (40 ± 1)°C, 30 мА/см2 температурада 1200 секунд бою жүргүзүлдү. Мөөр басуу процесси материалдарда сүрөттөлгөндөй ар кандай туздуу эритмелерде (MgSO4, CaCl2, ZnSO4, SrCl2, CuSO4, MgCl2) жүргүзүлдү. Үлгү анда 1800 секунд кайнатылды.
Композиттерди алуунун үч башка ыкмасы изилденген: жабышчаак каптоо, түз реакция жана беттик иштетүү. Ар бир окутуу ыкмасынын артыкчылыктары жана кемчиликтери системалуу түрдө талданып, талкууланат. Натыйжаларды баалоо үчүн түз байкоо жүргүзүү, наносүрөткө тартуу жана химиялык/элементтик анализ колдонулган.
Аноддоо туз гидраттарынын адгезиясын жогорулатуу үчүн конверсиялык беттик иштетүү ыкмасы катары тандалып алынган. Бул беттик иштетүү алюминий бетинде түз эле глиноземдин (глиноземдин) тешиктүү түзүлүшүн түзөт. Салттуу түрдө бул ыкма эки этаптан турат: биринчи этап алюминий кычкылынын тешиктүү түзүлүшүн түзөт, ал эми экинчи этап тешикчелерди жаап турган алюминий гидроксидинин каптоосун түзөт. Төмөндө газ фазасына кирүүнү тоспостон тузду жабуунун эки ыкмасы келтирилген. Биринчиси, адсорбент кристаллдарын кармап туруу жана анын металл беттерге адгезиясын жогорулатуу үчүн биринчи этапта алынган кичинекей алюминий кычкылы (Al2O3) түтүкчөлөрүн колдонгон уяча системасынан турат. Пайда болгон уячалардын диаметри болжол менен 50 нм жана узундугу 200 нм (1а-сүрөт). Жогоруда айтылгандай, бул көңдөйлөр, адатта, экинчи этапта алюминий кычкылы түтүгүнүн кайнатуу процесси менен колдоого алынган Al2O(OH)2 боэмитинин жука катмары менен жабылат. Экинчи ыкмада, бул пломбалоо процесси туз кристаллдары бир калыпта каптаган боэмит катмарында (Al2O(OH)) кармалып кала тургандай кылып өзгөртүлөт, ал бул учурда пломбалоо үчүн колдонулбайт. Экинчи этап тиешелүү туздун каныккан эритмесинде жүргүзүлөт. Сүрөттөлгөн үлгүлөрдүн өлчөмдөрү 50–100 нм диапазонунда жана чачыраган тамчыларга окшош (1b-сүрөт). Пломбалалоо процессинин натыйжасында алынган бет байланыш аянты көбөйгөн айкын мейкиндик түзүлүшүнө ээ. Бул беттик үлгү, көптөгөн байланыш конфигурациялары менен бирге, туз кристаллдарын алып жүрүү жана кармоо үчүн идеалдуу. Сүрөттөлгөн эки түзүлүш тең ​​чындап эле тешиктүү көрүнөт жана адсорбердин иштеши учурунда туз гидраттарын кармап турууга жана бууларды тузга адсорбциялоого жакшы ылайыктуу көрүнгөн кичинекей көңдөйлөргө ээ. Бирок, EDXти колдонуу менен бул беттерди элементтик анализдөө боэмиттин бетинде магний менен күкүрттүн изин аныктай алат, алар алюминий оксидинин бетинде аныкталбайт.
Үлгүнүн ATR-FTIR элементи магний сульфаты экенин тастыктады (2b-сүрөттү караңыз). Спектрде 610–680 жана 1080–1130 см–1де мүнөздүү сульфат ион чокулары жана 1600–1700 см–1 жана 3200–3800 см–1де мүнөздүү торчо суу чокулары көрсөтүлгөн (2a, с-сүрөттөрдү караңыз). Магний иондорунун болушу спектрди дээрлик өзгөртпөйт54.
(а) Боэмит менен капталган MgSO4 алюминий пластинасынын EDX, (б) Боэмит жана MgSO4 каптамаларынын ATR-FTIR спектрлери, (в) Таза MgSO4 ATR-FTIR спектрлери.
Адсорбциянын натыйжалуулугун сактоо TGA менен тастыкталган. 3b-сүрөттө болжол менен 60°C десорбциянын чокусу көрсөтүлгөн. Бул чокус таза туздун TGAсында байкалган эки чокунун температурасына дал келбейт (3a-сүрөт). Адсорбция-десорбция циклинин кайталануучулугу бааланган жана үлгүлөрдү нымдуу атмосферага жайгаштыргандан кийин ошол эле ийри сызык байкалган (3c-сүрөт). Десорбциянын экинчи этабында байкалган айырмачылыктар агып жаткан атмосферада суусуздануунун натыйжасы болушу мүмкүн, анткени бул көп учурда толук эмес суусузданууга алып келет. Бул маанилер биринчи суусузданууда болжол менен 17,9 г/м2 жана экинчи суусузданууда 10,3 г/м2ге туура келет.
Боэмит менен MgSO4түн TGA анализин салыштыруу: таза MgSO4түн (а), аралашмасынын (б) жана регидратациядан кийинки (в) TGA анализи.
Ошол эле ыкма адсорбент катары кальций хлориди менен жүргүзүлдү. Жыйынтыктар 4-сүрөттө көрсөтүлгөн. Бетти визуалдык текшерүү металл жаркыроосунда анча чоң эмес өзгөрүүлөрдү көрсөттү. Жүн дээрлик көрүнбөйт. SEM бетке бирдей таралган майда кристаллдардын бар экендигин тастыктады. Бирок, TGA 150°Cден төмөн температурада суусузданууну көрсөткөн жок. Бул TGA аркылуу аныктоо үчүн туздун үлүшү субстраттын жалпы массасына салыштырмалуу өтө аз болгондуктан болушу мүмкүн.
Жез сульфаты менен каптоону аноддоо ыкмасы менен беттик иштетүүнүн натыйжалары 5-сүрөттө көрсөтүлгөн. Бул учурда, CuSO4 Al оксидинин түзүлүшүнө күтүлгөн кошулуусу болгон жок. Анын ордуна, ийнелер көп учурда типтүү бирюза боёктору менен колдонулган жез гидроксиди Cu(OH)2 үчүн колдонулгандыктан, алар бош ийнелер байкалат.
Аноддолгон беттик иштетүү стронций хлориди менен айкалыштырып да текшерилген. Жыйынтыктар бирдей эмес каптоону көрсөттү (6a-сүрөттү караңыз). Туздун бүт бетти каптаганын аныктоо үчүн EDX анализи жүргүзүлдү. Боз аймактагы чекиттин ийри сызыгы (6b-сүрөттөгү 1-чекит) стронцийдин аз жана алюминийдин көп экендигин көрсөтөт. Бул өлчөнгөн зонада стронцийдин аз курамын көрсөтүп турат, бул өз кезегинде стронций хлоридинин аз камтылганын көрсөтүп турат. Тескерисинче, ак аймактарда стронцийдин көп курамы жана алюминийдин аз курамы бар (6b-сүрөттөгү 2–6 чекиттер). Ак аймактын EDX анализи караңгыраак чекиттерди (6b-сүрөттөгү 2 жана 4 чекиттер), хлордун аз жана күкүрттүн көп экендигин көрсөтөт. Бул стронций сульфатынын пайда болушун көрсөтүшү мүмкүн. Ачык чекиттер хлордун көп курамын жана күкүрттүн аз курамын чагылдырат (6b-сүрөттөгү 3, 5 жана 6 чекиттер). Муну ак каптоонун негизги бөлүгү күтүлгөн стронций хлоридинен тургандыгы менен түшүндүрсө болот. Үлгүнүн TGAсы таза стронций хлоридинин мүнөздүү температурасында чоку менен анализдин интерпретациясын тастыктады (6c-сүрөт). Алардын кичинекей маанисин металл таянычтын массасына салыштырмалуу туздун кичинекей үлүшү менен актоого болот. Эксперименттерде аныкталган десорбциялык масса 150°C температурада адсорбердин бирдик аянтына бөлүнүп чыккан 7,3 г/м2 өлчөмүнө туура келет.
Элоксал менен иштетилген цинк сульфаты каптамалары да сыналган. Макроскопиялык жактан алганда, каптама өтө жука жана бирдей катмар (7а-сүрөт). Бирок, SEMде бош жерлер менен бөлүнгөн кичинекей кристаллдар менен капталган беттик аянт аныкталган (7б-сүрөт). Каптаманын жана субстраттын TGAсы таза туздун TGAсы менен салыштырылган (7в-сүрөт). Таза туздун 59,1°C температурада бир асимметриялык чокусу бар. Капталган алюминий 55,5°C жана 61,3°C температурада эки кичинекей чокуну көрсөткөн, бул цинк сульфаты гидратынын бар экендигин көрсөтөт. Экспериментте аныкталган массалык айырма 150°C суусуздануу температурасында 10,9 г/м2ге туура келет.
Мурунку колдонуудагыдай эле53, гидроксиэтилцеллюлоза сорбент каптамасынын адгезиясын жана туруктуулугун жакшыртуу үчүн байланыштыруучу зат катары колдонулган. Материалдын шайкештиги жана адсорбциялык көрсөткүчтөргө тийгизген таасири TGA аркылуу бааланган. Анализ жалпы массага карата жүргүзүлөт, б.а. үлгүгө каптама негизи катары колдонулган металл пластина кирет. Адгезия ISO2409 спецификациясында аныкталган кайчылаш оюк сыноосуна негизделген сыноо менен текшерилет (спецификациянын калыңдыгына жана туурасына жараша оюкту бөлүү спецификациясына жооп бере албайт).
Панелдерди кальций хлориди (CaCl2) менен каптоо (8a-сүрөттү караңыз) бирдей эмес бөлүштүрүүгө алып келди, бул туурасынан кеткен оюк сыноосу үчүн колдонулган таза алюминий каптоосунда байкалган жок. Таза CaCl2 жыйынтыктары менен салыштырганда, TGA (8b-сүрөт) тиешелүүлүгүнө жараша 40 жана 20°C төмөнкү температурага карай жылышкан эки мүнөздүү чокуну көрсөтөт. Кесилиш сыноосу объективдүү салыштырууга мүмкүндүк бербейт, анткени таза CaCl2 үлгүсү (8c-сүрөттө оң жактагы үлгү) эң үстүнкү бөлүкчөлөрдү кетирүүчү порошок сымал чөкмө болуп саналат. HEC жыйынтыктары канааттандырарлык адгезияга ээ болгон абдан жука жана бирдей каптоону көрсөттү. 8b-сүрөттө көрсөтүлгөн массалык айырма 150°C температурада адсорбердин бирдик аянтына 51,3 г/м2 туура келет.
Магний сульфаты (MgSO4) менен да адгезия жана бирдейлик жагынан оң натыйжалар алынган (9-сүрөттү караңыз). Каптаманын десорбция процессин талдоо болжол менен 60°C бир чокунун бар экендигин көрсөттү. Бул температура таза туздардын кургатылышында байкалган негизги десорбция этабына туура келет, ал 44°C температурадагы дагы бир этапты билдирет. Ал гексагидраттан пентагидратка өтүүгө туура келет жана байланыштыргычтары бар каптамаларда байкалбайт. Кесилиш сыноолор таза тузду колдонуу менен жасалган каптамаларга салыштырмалуу жакшыраак бөлүштүрүүнү жана адгезияны көрсөтөт. TGA-DTCде байкалган массалык айырма 150°C температурада адсорбердин бирдик аянтына 18,4 г/м2 туура келет.
Беттик тегиз эместиктен улам, стронций хлоридинин (SrCl2) канатчаларында тегиз эмес каптоо бар (10a-сүрөт). Бирок, туурасынан кеткен оюк сыноосунун жыйынтыктары бир калыпта бөлүштүрүүнү жана адгезияны бир кыйла жакшырткандыгын көрсөттү (10c-сүрөт). TGA анализи салмактагы өтө кичинекей айырмачылыкты көрсөттү, бул металл субстратка салыштырмалуу туздун курамынын төмөндүгүнө байланыштуу болушу керек. Бирок, ийри сызыктагы кадамдар суусуздануу процессинин бар экендигин көрсөтүп турат, бирок чоку таза тузду мүнөздөөдө алынган температура менен байланыштуу. 10b-сүрөттө байкалган 110°C жана 70,2°C температурадагы чокулар таза тузду анализдөөдө да табылган. Бирок, 50°C температурада таза тузда байкалган негизги суусуздануу кадамы байланыштыргычты колдонгон ийри сызыктарда чагылдырылган эмес. Ал эми байланыштыргыч аралашма 20,2°C жана 94,1°C температурада эки чокуну көрсөттү, алар таза туз үчүн өлчөнгөн эмес (10b-сүрөт). 150 °C температурада байкалган массалык айырма адсорбердин бирдик аянтына 7,2 г/м2 туура келет.
ГЭК жана цинк сульфатынын (ZnSO4) айкалышы алгылыктуу натыйжаларды берген жок (11-сүрөт). Капталган металлдын TGA анализи эч кандай суусуздануу процесстерин аныктаган жок. Каптаманын таралышы жана адгезиясы жакшырганы менен, анын касиеттери дагы эле оптималдуудан алыс.
Металл булаларын жука жана бирдей катмар менен каптоонун эң жөнөкөй жолу - бул нымдуу импрегнация (12a-сүрөт), ал максаттуу тузду даярдоону жана металл булаларын суу эритмеси менен импрегнациялоону камтыйт.
Нымдуу импрегнацияга даярданууда эки негизги көйгөй пайда болот. Бир жагынан, туздуу эритменин беттик тартылуусу суюктуктун тешиктүү түзүлүшкө туура киришине тоскоол болот. Сырткы беттеги кристаллдашуу (12d-сүрөт) жана түзүлүштүн ичинде калып калган аба көбүкчөлөрү (12c-сүрөт) беттик тартылууну төмөндөтүү жана үлгүнү дистилденген суу менен алдын ала нымдоо менен гана азайтылышы мүмкүн. Ичиндеги абаны эвакуациялоо же түзүлүштө эритме агымын түзүү аркылуу үлгүдөгү мажбурлап эритүү түзүлүштүн толук толтурулушун камсыз кылуунун дагы бир натыйжалуу жолу болуп саналат.
Даярдоо учурунда кездешкен экинчи көйгөй туздун бир бөлүгүнөн пленканы алып салуу болгон (12б-сүрөттү караңыз). Бул кубулуш эритүү бетинде кургак катмардын пайда болушу менен мүнөздөлөт, ал конвективдүү стимулданган кургатууну токтотуп, диффузия менен стимулданган процессти баштайт. Экинчи механизм биринчисине караганда бир топ жайыраак. Натыйжада, кургатуунун акылга сыярлык убактысы үчүн жогорку температура талап кылынат, бул үлгүнүн ичинде көбүкчөлөрдүн пайда болуу коркунучун жогорулатат. Бул көйгөй концентрациянын өзгөрүшүнө (бууланууга) эмес, температуранын өзгөрүшүнө негизделген альтернативдүү кристаллдашуу ыкмасын киргизүү менен чечилет (13-сүрөттө MgSO4 менен болгон мисалдагыдай).
MgSO4 колдонуу менен катуу жана суюк фазаларды муздатуу жана бөлүү учурундагы кристаллдашуу процессинин схемалык көрсөтүлүшү.
Каныккан туз эритмелерин бул ыкманы колдонуу менен бөлмө температурасында (HT) же андан жогору температурада даярдоого болот. Биринчи учурда, кристаллдашуу температураны бөлмө температурасынан төмөн түшүрүү менен мажбурланган. Экинчи учурда, кристаллдашуу үлгү бөлмө температурасына (RT) чейин муздатылганда болгон. Натыйжада кристаллдар (B) жана эриген (A) аралашмасы пайда болот, анын суюк бөлүгү кысылган аба менен алынып салынат. Бул ыкма бул гидраттарда пленканын пайда болушуна жол бербестен, башка композиттерди даярдоо үчүн талап кылынган убакытты да кыскартат. Бирок, кысылган аба менен суюктукту алып салуу туздун кошумча кристаллдашуусуна алып келет, натыйжада калыңыраак каптоо пайда болот.
Металл беттерин каптоо үчүн колдонула турган дагы бир ыкма химиялык реакциялар аркылуу түз максаттуу туздарды өндүрүүнү камтыйт. Мурунку изилдөөбүздө айтылгандай, канатчалардын жана түтүктөрдүн металл беттериндеги кислоталардын реакциясы менен жасалган капталган жылуулук алмаштыргычтар бир катар артыкчылыктарга ээ. Бул ыкманы булаларга колдонуу реакция учурунда газдардын пайда болушунан улам өтө начар натыйжаларга алып келди. Суутек газынын көбүкчөлөрүнүн басымы зонддун ичинде топтолуп, продукт чыгарылган сайын өзгөрөт (14a-сүрөт).
Каптаманын калыңдыгын жана таралышын жакшыраак көзөмөлдөө үчүн химиялык реакция аркылуу каптама өзгөртүлгөн. Бул ыкма үлгү аркылуу кислота туманынын агымын өткөрүүнү камтыйт (14б-сүрөт). Бул субстрат металлы менен реакция аркылуу бирдей каптамага алып келет деп күтүлүүдө. Натыйжалар канааттандырарлык болду, бирок процесс өтө жай болгондуктан, натыйжалуу ыкма деп эсептелди (14в-сүрөт). Жергиликтүү жылытуу менен реакция убактысын кыскартууга болот.
Жогорудагы ыкмалардын кемчиликтерин жоюу үчүн, желимдерди колдонууга негизделген каптоо ыкмасы изилденген. HEC мурунку бөлүмдө келтирилген жыйынтыктардын негизинде тандалып алынган. Бардык үлгүлөр 3% салмакта даярдалган. Байланышуучу зат туз менен аралаштырылган. Булаларды кабыргалар үчүн жасалган процедурага ылайык алдын ала иштетилген, башкача айтканда, 15 мүнөттүн ичинде 50% көлөмдө күкүрт кислотасына чылап, андан кийин натрий гидроксидине 20 секунд чылап, дистилденген сууда жууп, акырында дистилденген сууга 30 мүнөт чылап койгон. Бул учурда, импрегнациялоодон мурун кошумча кадам кошулган. Үлгүнү суюлтулган максаттуу туз эритмесине бир азга салып, болжол менен 60°C температурада кургатыңыз. Бул процесс металлдын бетин өзгөртүү, акыркы этапта каптоонун бөлүштүрүлүшүн жакшыртуучу нуклеациялык жерлерди түзүү үчүн иштелип чыккан. Булалуу түзүлүштүн бир тарабы жипчелер ичке жана тыгыз жайгашкан, ал эми карама-каршы тарабы жипчелер калың жана азыраак жайгашкан. Бул 52 өндүрүш процессинин натыйжасы.
Кальций хлоридинин (CaCl2) жыйынтыктары 1-таблицада кыскача баяндалып, сүрөттөр менен көрсөтүлгөн. Эмдөөдөн кийин жакшы каптоо. Бетинде көрүнгөн кристаллдары жок жипчелерде да металлдык чагылуусу азайган, бул каптоонун өзгөргөнүн көрсөтүп турат. Бирок, үлгүлөр CaCl2 жана HEC суу аралашмасы менен сиңирилип, болжол менен 60°C температурада кургатылгандан кийин, каптоолор структуралардын кесилишинде топтолду. Бул эритменин беттик тартылуусунан келип чыккан таасир. Чылангандан кийин, суюктук беттик тартылуусунан улам үлгүнүн ичинде калат. Негизинен, ал структуралардын кесилишинде пайда болот. Үлгүнүн эң жакшы жагында туз менен толтурулган бир нече тешиктер бар. Каптагандан кийин салмагы 0,06 г/см3 көбөйдү.
Магний сульфаты (MgSO4) менен каптоо көлөм бирдигине көбүрөөк туз бөлүп чыгарган (2-таблица). Бул учурда өлчөнгөн өсүш 0,09 г/см3 түзөт. Себүү процесси үлгүнүн кеңири капталышына алып келди. Каптоо процессинен кийин, туз үлгүнүн жука тарабынын чоң аймактарын жаап коёт. Мындан тышкары, штейндин айрым жерлери жабылып калат, бирок бир аз тешиктүүлүк сакталат. Бул учурда, структуралардын кесилишинде туздун пайда болушу оңой байкалат, бул каптоо процесси негизинен суюктуктун беттик тартылуусунан, ал эми туз менен металл субстраттын өз ара аракеттенүүсүнөн эмес экенин тастыктайт.
Стронций хлоридин (SrCl2) жана HEC айкалышынын жыйынтыктары мурунку мисалдарга окшош касиеттерди көрсөттү (3-таблица). Бул учурда үлгүнүн жука тарабы дээрлик толугу менен жабылган. Үлгүдөн буу бөлүнүп чыккандан кийин кургатуу учурунда пайда болгон айрым тешикчелер гана көрүнөт. Кэт тарабында байкалган үлгү мурунку учурга абдан окшош, аймак туз менен жабылган жана булалар толугу менен жабылган эмес.
Жылуулук алмаштыргычтын жылуулук көрсөткүчтөрүнө булалуу структуранын оң таасирин баалоо үчүн, капталган булалуу структуранын эффективдүү жылуулук өткөрүмдүүлүгү аныкталып, таза каптоо материалы менен салыштырылган. Жылуулук өткөрүмдүүлүгү ASTM D 5470-2017 стандартына ылайык, 15a-сүрөттө көрсөтүлгөн жалпак панелдүү түзүлүштү колдонуп, белгилүү жылуулук өткөрүмдүүлүгү бар эталондук материалды колдонуу менен өлчөнгөн. Башка өткөөл өлчөө ыкмаларына салыштырмалуу, бул принцип учурдагы изилдөөдө колдонулган тешиктүү материалдар үчүн пайдалуу, анткени өлчөөлөр туруктуу абалда жана жетиштүү үлгү өлчөмү менен (негизги аянты 30 × 30 мм2, бийиктиги болжол менен 15 мм) жүргүзүлөт. Анизотроптук жылуулук өткөрүмдүүлүгүнүн таасирин баалоо үчүн таза каптоо материалынын (эталондук) жана капталган була структурасынын үлгүлөрү буланын багыты боюнча жана буланын багытына перпендикулярдуу өлчөөлөр үчүн даярдалган. Үлгүлөрдү даярдоодон улам пайда болгон беттин оройлугунун таасирин минималдаштыруу үчүн үлгүлөр бетке майдаланган (P320 кум), ал үлгүнүн ичиндеги түзүлүштү чагылдырбайт.