Merci fir Äre Besuch op Nature.com. D'Browserversioun, déi Dir benotzt, huet limitéiert CSS-Ënnerstëtzung. Fir déi bescht Erfahrung empfeelen mir Iech, en aktualiséierte Browser ze benotzen (oder de Kompatibilitéitsmodus am Internet Explorer auszeschalten). An der Zwëschenzäit, fir weider Ënnerstëtzung ze garantéieren, wäerte mir d'Websäit ouni Stiler a JavaScript duerstellen.
De Maartundeel vun Adsorptiouns-Kältesystemer a Wärmepompelen ass nach ëmmer relativ kleng am Verglach mat traditionelle Kompressorsystemer. Trotz dem grousse Virdeel vun der Notzung vu bëlleger Hëtzt (amplaz vun deierer elektrescher Aarbecht), ass d'Ëmsetzung vu Systemer baséiert op Adsorptiounsprinzipien nach ëmmer op e puer spezifesch Uwendungen limitéiert. Den Haaptnodeel, deen eliminéiert muss ginn, ass d'Reduktioun vun der spezifescher Leeschtung wéinst der gerénger thermescher Leetfäegkeet an der gerénger Stabilitéit vum Adsorbens. Déi aktuell kommerziell Adsorptiouns-Kältesystemer baséieren op Adsorberen baséiert op Plackenwärmetauscher, déi beschichtet sinn fir d'Kühlkapazitéit ze optimiséieren. D'Resultater si bekannt, datt d'Reduktioun vun der Déckt vun der Beschichtung zu enger Reduktioun vun der Massentransferimpedanz féiert, an d'Erhéijung vum Verhältnes Uewerfläch zum Volumen vun de leitfäege Strukturen d'Leeschtung erhéicht ouni d'Effizienz ze kompromittéieren. D'Metallfaseren, déi an dëser Aarbecht benotzt ginn, kënnen eng spezifesch Uewerfläch am Beräich vun 2500–50.000 m2/m3 liwweren. Dräi Methoden fir ganz dënn awer stabil Beschichtunge vu Salzhydrater op Metalloberflächen, dorënner Metallfaseren, fir d'Produktioun vu Beschichtungen ze kréien, demonstréieren fir d'éischt Kéier en héichleeschtungsdichte Wärmetauscher. D'Uewerflächenbehandlung baséiert op Aluminiumanodiséierung gouf gewielt fir eng méi staark Bindung tëscht der Beschichtung an dem Substrat ze schafen. D'Mikrostruktur vun der resultéierender Uewerfläch gouf mat Rasterelektronemikroskopie analyséiert. Fourier-Transformatiouns-Infraroutspektroskopie mat reduzéierter Gesamtreflexioun an energiedispersiv Röntgenspektroskopie goufen benotzt fir d'Präsenz vun der gewënschter Spezies am Assay ze kontrolléieren. Hir Fäegkeet fir Hydrater ze bilden, gouf duerch kombinéiert thermogravimetrisch Analyse (TGA)/differentiell thermogravimetrisch Analyse (DTG) bestätegt. Eng schlecht Qualitéit iwwer 0,07 g (Waasser)/g (Komposit) gouf an der MgSO4-Beschichtung fonnt, déi Zeeche vun Dehydratioun bei ongeféier 60 °C gewisen huet a no der Rehydratioun reproduzéierbar war. Positiv Resultater goufen och mat SrCl2 an ZnSO4 mat engem Massendifferenz vu ronn 0,02 g/g ënner 100 °C kritt. Hydroxyethylcellulose gouf als Additiv gewielt fir d'Stabilitéit an d'Adhäsioun vun der Beschichtung ze erhéijen. D'adsorptiv Eegeschafte vun de Produkter goufen duerch simultan TGA-DTG evaluéiert an hir Adhäsioun gouf charakteriséiert mat enger Method baséiert op den Tester beschriwwen an ISO2409. D'Konsistenz an d'Adhäsioun vun der CaCl2 Beschichtung ginn däitlech verbessert, während hir Adsorptiounskapazitéit mat engem Gewiichtsënnerscheed vu ronn 0,1 g/g bei Temperaturen ënner 100 °C erhale bleift. Zousätzlech behält MgSO4 d'Fäegkeet, Hydrater ze bilden, wat e Massendifferenz vu méi wéi 0,04 g/g bei Temperaturen ënner 100 °C weist. Schlussendlech ginn beschichtete Metallfaseren ënnersicht. D'Resultater weisen, datt déi effektiv Wärmeleitfäegkeet vun der Faserstruktur, déi mat Al2(SO4)3 beschichtet ass, 4,7 Mol méi héich ka sinn am Verglach zum Volumen vu purem Al2(SO4)3. D'Beschichtung vun de studéierte Beschichtunge gouf visuell ënnersicht, an déi intern Struktur gouf mat engem mikroskopesche Bild vun de Querschnitter evaluéiert. Eng Beschichtung vun Al2(SO4)3 mat enger Déckt vu ronn 50 µm gouf kritt, awer de Gesamtprozess muss optimiséiert ginn, fir eng méi gläichméisseg Verdeelung z'erreechen.
Adsorptiounssystemer hunn an de leschte Joerzéngten vill Opmierksamkeet kritt, well se eng ëmweltfrëndlech Alternativ zu traditionelle Kompressiounswärmepompelen oder Killsystemer ubidden. Mat de steigende Komfortstandarden an den duerchschnëttleche globalen Temperaturen kéinten Adsorptiounssystemer an nächster Zukunft d'Ofhängegkeet vu fossile Brennstoffer reduzéieren. Zousätzlech kënnen all Verbesserungen an der Adsorptiounskältung oder Wärmepompelen op d'thermesch Energiespeicherung ëmgesat ginn, wat eng zousätzlech Erhéijung vum Potenzial fir eng effizient Notzung vun der Primärenergie duerstellt. Den Haaptvirdeel vun Adsorptiounswärmepompelen a Killsystemer ass, datt se mat enger gerénger Hëtztmass funktionéiere kënnen. Dëst mécht se gëeegent fir Niddregtemperaturquellen wéi Solarenergie oder Offallwärm. Wat d'Energiespeicherungsapplikatioune betrëfft, huet d'Adsorptioun de Virdeel vun enger méi héijer Energiedicht a manner Energieverloscht am Verglach mat der Späicherung vu sensibler oder latenter Hëtzt.
Adsorptiounswärmepompelen a Killsystemer verfollegen deeselwechten thermodynamesche Zyklus wéi hir Géigeparteien an der Dampfkompressioun. Den Haaptunterschied ass den Ersatz vu Kompressorkomponenten duerch Adsorber. D'Element ass fäeg, Kältemëtteldamp mat nidderegem Drock bei mëttleren Temperaturen ze adsorbéieren, wouduerch méi Kältemëttel verdampft, och wann d'Flëssegkeet kal ass. Et ass néideg, eng konstant Ofkillung vum Adsorber ze garantéieren, fir d'Enthalpie vun der Adsorptioun (Exotherm) auszeschléissen. Den Adsorber gëtt bei héijer Temperatur regeneréiert, wouduerch de Kältemëtteldamp desorbéiert. D'Heizung muss weiderhin d'Enthalpie vun der Desorptioun (endotherm) liwweren. Well Adsorptiounsprozesser duerch Temperaturännerungen charakteriséiert sinn, erfuerdert eng héich Leeschtungsdicht eng héich thermesch Konduktivitéit. Wéi och ëmmer, déi niddreg thermesch Konduktivitéit ass de wäit gréissten Nodeel an de meeschte Uwendungen.
D'Haaptproblem vun der Konduktivitéit ass et, hiren Duerchschnëttswäert ze erhéijen, während de Transportwee, deen de Floss vun Adsorptiouns-/Desorptiounsdampe liwwert, erhale bleift. Zwou Approche ginn dacks benotzt fir dëst z'erreechen: Komposit-Wärmetauscher a beschichtete Wärmetauscher. Déi populäerst a erfollegräichst Kompositmaterialien sinn déi, déi Zousätz op Kuelestoffbasis benotzen, nämlech expandéierte Graphit, Aktivkuel oder Kuelefaseren. Oliveira et al. 2 hunn expandéierte Graphitpulver mat Kalziumchlorid imprägnéiert, fir en Adsorber mat enger spezifescher Killkapazitéit (SCP) vu bis zu 306 W/kg an engem Leistungscoëfficient (COP) vu bis zu 0,46 ze produzéieren. Zajaczkowski et al. 3 hunn eng Kombinatioun aus expandéierte Graphit, Kuelefaser a Kalziumchlorid mat enger Gesamtleitfäegkeet vun 15 W/mK virgeschloen. Jian et al4 hunn Kompositmaterialien mat mat Schwefelsäure behandeltem expandéierte Naturgrafit (ENG-TSA) als Substrat an engem zweestufege Adsorptiounskühlzyklus getest. De Modell huet e COP vun 0,215 bis 0,285 an e SCP vun 161,4 bis 260,74 W/kg virausgesot.
Déi wäit machbarst Léisung ass den beschichteten Wärmetauscher. D'Beschichtungsmechanismen vun dësen Wärmetauscher kënnen an zwou Kategorien agedeelt ginn: direkt Synthese a Klebstoffer. Déi erfollegräichst Method ass déi direkt Synthese, déi d'Bildung vun adsorbéierende Materialien direkt op der Uewerfläch vun den Wärmetauscher aus de passenden Reagenzien ëmfaasst. Sotech5 huet eng Method fir d'Synthese vu beschichtetem Zeolith fir den Asaz an enger Serie vu Killmëttelen, déi vun der Fahrenheit GmbH hiergestallt ginn, patentéiert. Schnabel et al6 hunn d'Leeschtung vun zwee Zeoliten getest, déi op Edelstol beschichtet sinn. Dës Method funktionéiert awer nëmme mat spezifeschen Adsorbentien, wat d'Beschichtung mat Klebstoffer zu enger interessanter Alternativ mécht. Bindemittel si passiv Substanzen, déi gewielt ginn, fir d'Adhäsioun vu Sorbenten an/oder d'Massentransfer z'ënnerstëtzen, awer spille keng Roll bei der Adsorptioun oder der Verbesserung vun der Konduktivitéit. Freni et al.7 hunn Aluminium-Wärmetauscher mat AQSOA-Z02 Zeolith, deen mat engem Lehm-baséierte Bindemittel stabiliséiert gouf, beschichtet. Calabrese et al.8 hunn d'Virbereedung vu Zeolith-Beschichtunge mat polymere Bindemittel studéiert. Ammann et al.9 hunn eng Method virgeschloen fir poréis Zeolitbeschichtungen aus magnetesche Mëschunge vu Polyvinylalkohol ze preparéieren. Aluminiumoxid (Alumina) gëtt och als Bindemittel 10 am Adsorber benotzt. No eisem Wëssen ginn Cellulose an Hydroxyethylcellulose nëmmen a Kombinatioun mat physikaleschen Adsorbentien 11,12 benotzt. Heiansdo gëtt de Klebstoff net fir d'Faarf benotzt, mä fir d'Struktur 13 eleng opzebauen. D'Kombinatioun vun Alginatpolymermatrizen mat multiple Salzhydrater bilt flexibel Kompositperlestrukturen, déi Leckage beim Trocknen verhënneren a fir en adäquate Massentransfer suergen. Lehm wéi Bentonit an Attapulgit goufen als Bindemittel fir d'Preparatioun vu Kompositen 15,16,17 benotzt. Ethylcellulose gouf benotzt fir Kalziumchlorid 18 oder Natriumsulfid 19 ze mikrokapselen.
Kompositmaterialien mat enger poröser Metallstruktur kënnen an additiv Wärmetauscher a beschichtete Wärmetauscher opgedeelt ginn. De Virdeel vun dëse Strukturen ass déi héich spezifesch Uewerfläch. Dëst resultéiert an enger méi grousser Kontaktfläch tëscht Adsorbens a Metall ouni d'Zousätz vun enger inerter Mass, wat d'Gesamteffizienz vum Killzyklus reduzéiert. Lang et al. 20 hunn d'Gesamtleitfäegkeet vun engem Zeolith-Adsorber mat enger Aluminium-Wabenstruktur verbessert. Gillerminot et al. 21 hunn d'Wärmeleitfäegkeet vun NaX-Zeolith-Schichten mat Koffer- a Nickel-Schaum verbessert. Och wann Kompositmaterialien als Phasenwiesselmaterialien (PCM) benotzt ginn, sinn d'Resultater vum Li et al. 22 an Zhao et al. 23 och fir d'Chemisorptioun interessant. Si hunn d'Leeschtung vun expanéiertem Graphit a Metallschaum verglach a sinn zum Schluss komm, datt dee Leschten nëmme virzezéien ass, wann Korrosioun kee Problem war. Palomba et al. hunn viru kuerzem aner metallesch poréis Strukturen verglach 24. Van der Pal et al. hunn Metallsalzer ënnersicht, déi a Schaum agebett sinn 25. All fréier Beispiller entspriechen dichte Schichten vu partikelfërmegen Adsorbentien. Metallporéis Strukturen gi praktesch net benotzt fir Adsorber ze beschichten, wat eng méi optimal Léisung ass. E Beispill fir d'Bindung un Zeoliten kann am Wittstadt et al. 26 fonnt ginn, awer et gouf kee Versuch gemaach fir Salzhydrater ze bannen, trotz hirer méi héijer Energiedicht 27.
Dofir ginn an dësem Artikel dräi Methoden fir d'Virbereedung vun adsorbent Beschichtungen ënnersicht: (1) Bindemittelbeschichtung, (2) direkt Reaktioun, an (3) Uewerflächenbehandlung. Hydroxyethylcellulose war de Bindemittel vun der Wiel an dëser Aarbecht wéinst der virdru beschriwwener Stabilitéit an der gudder Beschichtungshaftung a Kombinatioun mat physeschen Adsorbentien. Dës Method gouf ufanks fir flaach Beschichtungen ënnersicht an duerno op Metallfaserstrukturen ugewannt. Virdru gouf eng virleefeg Analyse vun der Méiglechkeet vu chemesche Reaktiounen mat der Bildung vun adsorbent Beschichtungen gemellt. Fréier Erfahrungen ginn elo op d'Beschichtung vu Metallfaserstrukturen iwwerdroen. D'Uewerflächenbehandlung, déi fir dës Aarbecht gewielt gouf, ass eng Method baséiert op Aluminiumanodiséierung. Aluminiumanodiséierung gouf erfollegräich mat Metallsalzer fir ästhetesch Zwecker kombinéiert29. An dëse Fäll kënnen ganz stabil a korrosiounsbeständeg Beschichtungen kritt ginn. Si kënnen awer keen Adsorptiouns- oder Desorptiounsprozess duerchféieren. Dësen Artikel presentéiert eng Variant vun dësem Usaz, déi et erlaabt, Mass mat den Haftungseigenschaften vum urspréngleche Prozess ze beweegen. No eisem beschte Wëssen ass keng vun den hei beschriwwene Methoden virdru studéiert ginn. Si representéieren eng ganz interessant nei Technologie, well se d'Bildung vun hydratiséierten adsorbent Beschichtungen erlaben, déi eng Rei Virdeeler géintiwwer den dacks ënnersichte physikaleschen Adsorbentien hunn.
Déi geprägte Aluminiumplacken, déi als Substrater fir dës Experimenter benotzt goufen, goufe vun ALINVEST Břidličná, Tschechescher Republik, geliwwert. Si enthalen 98,11% Aluminium, 1,3622% Eisen, 0,3618% Mangan a Spure vu Koffer, Magnesium, Silizium, Titan, Zink, Chrom an Néckel.
D'Materialien, déi fir d'Hierstellung vu Kompositmaterialien ausgewielt ginn, ginn no hiren thermodynameschen Eegeschafte ausgewielt, nämlech jee no der Quantitéit u Waasser, déi se bei Temperaturen ënner 120°C adsorbéiere/desorbéiere kënnen.
Magnesiumsulfat (MgSO4) ass ee vun den interessantsten an ënnersichtsten hydratiséierte Salzer30,31,32,33,34,35,36,37,38,39,40,41. Déi thermodynamesch Eegeschafte goufe systematesch gemooss a si gëeegent fir Uwendungen an de Beräicher Adsorptiounskillung, Wärmepompelen an Energiespeicher. Dréchent Magnesiumsulfat CAS-Nr.7487-88-9 99% (Grüssing GmbH, Filsum, Niedersachsen, Däitschland) gouf benotzt.
Kalziumchlorid (CaCl2) (H319) ass en anert gutt ënnersicht Salz, well säin Hydrat interessant thermodynamesch Eegeschafte huet41,42,43,44. Kalziumchlorid-Hexahydrat CAS-Nr. 7774-34-7 97% benotzt (Grüssing, GmbH, Filsum, Niedersachsen, Däitschland).
Zinksulfat (ZnSO4) (H3O2, H318, H410) a seng Hydrater hunn thermodynamesch Eegeschaften, déi fir Adsorptiounsprozesser bei niddreger Temperatur gëeegent sinn45,46. Zinksulfat-Heptahydrat CAS-Nr.7733-02-0 99,5% (Grüssing GmbH, Filsum, Niedersachsen, Däitschland) gouf benotzt.
Strontiumchlorid (SrCl2) (H318) huet och interessant thermodynamesch Eegeschafte4,45,47, obwuel et dacks mat Ammoniak an der Fuerschung iwwer Adsorptiounswärmepompelen oder Energiespeicher kombinéiert gëtt. Strontiumchlorid-Hexahydrat CAS-Nr.10.476-85-4 99,0–102,0% (Sigma Aldrich, St. Louis, Missouri, USA) gouf fir d'Synthese benotzt.
Kupfersulfat (CuSO4) (H302, H315, H319, H410) gehéiert net zu den Hydrater, déi dacks an der Fachliteratur fonnt ginn, obwuel seng thermodynamesch Eegeschafte fir Uwendungen bei niddregen Temperaturen interessant sinn48,49. Fir d'Synthese gouf Kupfersulfat CAS-Nr.7758-99-8 99% (Sigma Aldrich, St. Louis, MO, USA) benotzt.
Magnesiumchlorid (MgCl2) ass ee vun den hydratiséierte Salzer, déi an der leschter Zäit méi Opmierksamkeet am Beräich vun der thermescher Energiespeicherung kritt hunn50,51. Fir d'Experimenter gouf Magnesiumchlorid-Hexahydrat CAS-Nr.7791-18-6 pure pharmazeutesch Qualitéit (Applichem GmbH., Darmstadt, Däitschland) benotzt.
Wéi uewe scho gesot, gouf Hydroxyethylcellulose wéinst de positiven Resultater an ähnlechen Uwendungen gewielt. D'Material, dat an eiser Synthese benotzt gëtt, ass Hydroxyethylcellulose CAS-Nr 9004-62-0 (Sigma Aldrich, St. Louis, MO, USA).
Metallfasere gi vu kuerzen Drot hiergestallt, déi duerch Kompressioun a Sinterung zesummegebonne sinn, e Prozess deen als Crucible Melt Extraction (CME)52 bekannt ass. Dëst bedeit, datt hir Wärmeleitfäegkeet net nëmmen vun der Masseleitfäegkeet vun de Metaller, déi bei der Fabrikatioun benotzt ginn, an der Porositéit vun der fäerdeger Struktur ofhänkt, mä och vun der Qualitéit vun de Bindungen tëscht de Fiedem. D'Fasere si net isotrop a tendéieren dozou, während der Produktioun an eng bestëmmt Richtung verdeelt ze sinn, wouduerch d'Wärmeleitfäegkeet an der Querrichtung vill méi niddreg ass.
D'Waasserabsorptiounseigenschaften goufen mat Hëllef vun der simultaner thermogravimetrischer Analyse (TGA)/differentieller thermogravimetrischer Analyse (DTG) an engem Vakuumverpackung (Netzsch TG 209 F1 Libra) ënnersicht. D'Miessunge goufen an enger fléissender Stickstoffatmosphär mat enger Duerchflussquote vun 10 ml/min an engem Temperaturberäich vun 25 bis 150°C an Aluminiumoxid-Dichelen duerchgefouert. D'Heizquote war 1 °C/min, d'Proufgewiicht variéiert vun 10 bis 20 mg, d'Opléisung war 0,1 μg. An dëser Aarbecht sollt een drop hiweisen, datt den Ënnerscheed an der Mass pro Uewerflächeneenheet eng grouss Onsécherheet huet. D'Prouwe, déi an TGA-DTG benotzt ginn, si ganz kleng an onregelméisseg geschnidden, wat hir Flächenbestëmmung ongenau mécht. Dës Wäerter kënnen nëmmen op eng méi grouss Fläch extrapoléiert ginn, wa grouss Ofwäichunge berécksiichtegt ginn.
Ofgeschwächt Totalreflexiouns-Fourier-Transformatiounsinfraroutspektre (ATR-FTIR) goufen op engem Bruker Vertex 80 v FTIR-Spektrometer (Bruker Optik GmbH, Leipzig, Däitschland) mat engem ATR-Platin-Accessoire (Bruker Optik GmbH, Däitschland) opgeholl. D'Spektre vu reinen dréchenen Diamantkristaller goufen direkt am Vakuum gemooss, ier d'Prouwen als Hannergrond fir experimentell Miessunge benotzt goufen. D'Prouwen goufen am Vakuum mat enger spektraler Opléisung vun 2 cm-1 an enger duerchschnëttlecher Zuel vu Scans vun 32 gemooss. De Wellenzuelberäich vun 8000 bis 500 cm-1. D'Spektralanalyse gouf mam OPUS-Programm duerchgefouert.
D'SEM-Analyse gouf mat engem DSM 982 Gemini vun Zeiss bei Beschleunigungsspannungen vun 2 an 5 kV duerchgefouert. D'Energiedispersiv Röntgenspektroskopie (EDX) gouf mat engem Thermo Fischer System 7 mat engem Peltier-gekillte Siliziumdriftdetektor (SSD) duerchgefouert.
D'Virbereedung vun de Metallplacke gouf no enger ähnlecher Prozedur wéi déi a 53 beschriwwen duerchgefouert. Als éischt gëtt d'Plack 15 Minutten an 50% Schwefelsäure ënnergetaucht. Duerno gouf se fir ongeféier 10 Sekonnen an eng 1 M Natriumhydroxidléisung agefouert. Duerno goufen d'Prouwen mat enger grousser Quantitéit destilléiertem Waasser gewäsch an duerno 30 Minutten an destilléiertem Waasser ageweit. No der virleefeger Uewerflächenbehandlung goufen d'Prouwen an eng 3% gesättigte Léisung vun HEC an Zilsalz ënnergetaucht. Schlussendlech ginn se erausgeholl an bei 60°C gedréchent.
D'Anodiséierungsmethod verbessert a verstäerkt déi natierlech Oxidschicht um passive Metall. D'Aluminiumpanneaue goufen mat Schwefelsäure an engem gehärteten Zoustand anodiséiert an duerno a waarmem Waasser versiegelt. Nom Anodiséieren ass eng initial Ätzung mat 1 mol/l NaOH (600 s) gefollegt, gefollegt vun enger Neutraliséierung an 1 mol/l HNO3 (60 s). D'Elektrolytléisung ass eng Mëschung aus 2,3 M H2SO4, 0,01 M Al2(SO4)3 an 1 M MgSO4 + 7H2O. D'Anodiséierung gouf bei (40 ± 1)°C, 30 mA/cm2 fir 1200 Sekonnen duerchgefouert. De Versiegelungsprozess gouf a verschiddene Salzléisungen duerchgefouert, wéi an de Materialien beschriwwen (MgSO4, CaCl2, ZnSO4, SrCl2, CuSO4, MgCl2). D'Prouf gëtt 1800 Sekonnen dran gekacht.
Dräi verschidde Methode fir d'Produktioun vu Kompositmaterialien goufen ënnersicht: Haftbeschichtung, direkt Reaktioun a Flächenbehandlung. D'Vir- an Nodeeler vun all Trainingsmethod ginn systematesch analyséiert an diskutéiert. Direkt Observatioun, Nanomimaging a chemesch/elementar Analyse goufen benotzt fir d'Resultater ze evaluéieren.
D'Anodiséierung gouf als Konversiouns-Uewerflächenbehandlungsmethod gewielt fir d'Adhäsioun vu Salzhydrater ze erhéijen. Dës Uewerflächenbehandlung erstellt eng poréis Struktur aus Aluminiumoxid (Aluminiumoxid) direkt op der Aluminiumoberfläche. Traditionell besteet dës Method aus zwou Etappen: déi éischt Etapp erstellt eng poréis Struktur aus Aluminiumoxid, an déi zweet Etapp erstellt eng Beschichtung aus Aluminiumhydroxid, déi d'Poren zoumaacht. Folgend sinn zwou Methoden fir Salz ze blockéieren ouni den Zougang zu der Gasphas ze blockéieren. Déi éischt besteet aus engem Wabensystem mat klenge Aluminiumoxid (Al2O3)-Réier, déi am éischte Schrëtt kritt ginn, fir d'Adsorbentkristaller ze halen an hir Adhäsioun un Metalloberflächen ze erhéijen. Déi resultéierend Waben hunn en Duerchmiesser vu ronn 50 nm an eng Längt vun 200 nm (Fig. 1a). Wéi virdru scho gesot, ginn dës Kavitéiten normalerweis an engem zweete Schrëtt mat enger dënner Schicht Al2O(OH)2-Böhmit zougemaach, déi duerch de Kachprozess vun Aluminiumoxidréier ënnerstëtzt gëtt. An der zweeter Method gëtt dëse Versiegelungsprozess sou modifizéiert, datt d'Salzkristaller an enger gläichméisseg ofdeckender Schicht vu Böhmit (Al2O(OH)) agefaange ginn, déi an dësem Fall net fir d'Versiegelung benotzt gëtt. Déi zweet Etapp gëtt an enger gesättigter Léisung vum entspriechende Salz duerchgefouert. Déi beschriwwe Mustere hunn Gréissten am Beräich vun 50–100 nm a gesi wéi gesprëtzt Drëpsen aus (Fig. 1b). D'Uewerfläch, déi als Resultat vum Versiegelungsprozess kritt gëtt, huet eng ausgeprägt raimlech Struktur mat enger vergréisserter Kontaktfläch. Dëst Uewerflächenmuster, zesumme mat hire ville Bindungskonfiguratiounen, ass ideal fir Salzkristaller ze droen an ze halen. Béid beschriwwe Strukturen schéngen wierklech poréis ze sinn an hunn kleng Kavitéiten, déi gutt geegent schéngen fir Salzhydrater ze halen an Dämpf un d'Salz ze adsorbéieren während dem Betrib vum Adsorber. Wéi och ëmmer, kann d'Elementaranalyse vun dësen Uewerflächen mat EDX Spuermengen u Magnesium a Schwefel op der Uewerfläch vum Böhmit detektéieren, déi am Fall vun enger Aluminiumoxiduewerfläch net detektéiert ginn.
Den ATR-FTIR vun der Prouf huet bestätegt, datt et sech beim Element ëm Magnesiumsulfat handelt (kuckt Figur 2b). De Spektrum weist charakteristesch Sulfat-Ionen-Peaken bei 610–680 an 1080–1130 cm–1 a charakteristesch Gitterwaasser-Peaken bei 1600–1700 cm–1 an 3200–3800 cm–1 (kuckt Fig. 2a, c). D'Präsenz vu Magnesiumionen ännert de Spektrum bal net54.
(a) EDX vun enger mat Böhmit beschichteter MgSO4 Aluminiumplack, (b) ATR-FTIR Spektre vu Böhmit- a MgSO4 Beschichtungen, (c) ATR-FTIR Spektre vu purem MgSO4.
D'Erhale vun der Adsorptiounseffizienz gouf duerch TGA bestätegt. Op Fig. 3b ass en Desorptiounspeak vu ronn 60°C ze gesinn. Dëse Peak entsprécht net der Temperatur vun den zwou Peaks, déi am TGA vu purem Salz observéiert goufen (Fig. 3a). D'Widderhuelbarkeet vum Adsorptiouns-Desorptiounszyklus gouf evaluéiert, an déiselwecht Kurve gouf observéiert nodeems d'Prouwe an eng fiicht Atmosphär placéiert goufen (Fig. 3c). D'Ënnerscheeder, déi an der zweeter Desorptiounsstufe observéiert goufen, kéinten d'Resultat vun Dehydratioun an enger fléissender Atmosphär sinn, well dëst dacks zu enger onvollstänneger Dehydratioun féiert. Dës Wäerter entspriechen ongeféier 17,9 g/m2 bei der éischter Entwässerung an 10,3 g/m2 bei der zweeter Entwässerung.
Vergläich vun der TGA-Analyse vu Böhmit a MgSO4: TGA-Analyse vu purem MgSO4 (a), Mëschung (b) an no der Rehydratioun (c).
Déi selwecht Method gouf mat Kalziumchlorid als Adsorbens duerchgefouert. D'Resultater sinn an der Figur 4 presentéiert. Eng visuell Inspektioun vun der Uewerfläch huet kleng Ännerungen am metallesche Glanz gewisen. De Pelz ass kaum ze gesinn. D'SEM huet d'Präsenz vu klenge Kristaller bestätegt, déi gläichméisseg iwwer d'Uewerfläch verdeelt sinn. Wéi och ëmmer, TGA huet keng Dehydratioun ënner 150°C gewisen. Dëst kéint doduerch bedingt sinn, datt den Undeel u Salz am Verglach zu der Gesamtmass vum Substrat fir d'Detektioun mat TGA ze kleng ass.
D'Resultater vun der Uewerflächenbehandlung vun der Kupfersulfatbeschichtung duerch d'Anodiséierungsmethod sinn an der Fig. 5 gewisen. An dësem Fall ass déi erwaart Integratioun vu CuSO4 an d'Al-Oxidstruktur net geschitt. Amplaz ginn locker Nolen observéiert, wéi se üblech fir Kupferhydroxid Cu(OH)2 benotzt ginn, deen mat typeschen türkisfaarwen benotzt gëtt.
Déi eloxéiert Uewerflächenbehandlung gouf och a Kombinatioun mat Strontiumchlorid getest. D'Resultater hunn eng ongläichméisseg Ofdeckung gewisen (kuckt Figur 6a). Fir festzestellen, ob d'Salz déi ganz Uewerfläch ofgedeckt huet, gouf eng EDX-Analyse duerchgefouert. D'Kurve fir e Punkt am groe Beräich (Punkt 1 an der Fig. 6b) weist wéineg Strontium a vill Aluminium. Dëst weist en niddregen Strontiumgehalt an der gemoossener Zone, wat dann nees op eng niddreg Ofdeckung vu Strontiumchlorid hiweist. Am Géigendeel hunn wäiss Beräicher en héije Strontiumgehalt an en niddregen Aluminiumgehalt (Punkten 2–6 an der Fig. 6b). D'EDX-Analyse vun der wäisser Regioun weist méi donkel Punkten (Punkten 2 a 4 an der Fig. 6b), wéineg Chlor a vill Schwefel. Dëst kéint op d'Bildung vu Strontiumsulfat hiweisen. Méi hell Punkten reflektéieren en héije Chlorgehalt an en niddrege Schwefelgehalt (Punkten 3, 5 a 6 an der Fig. 6b). Dëst kann duerch d'Tatsaach erkläert ginn, datt den Haaptdeel vun der wäisser Beschichtung aus dem erwaarten Strontiumchlorid besteet. Den TGA vun der Prouf huet d'Interpretatioun vun der Analyse mat engem Peak bei der charakteristescher Temperatur vu purem Strontiumchlorid bestätegt (Fig. 6c). Hire klenge Wäert kann duerch e klenge Salzundeel am Verglach mat der Mass vum Metallträger gerechtfäerdegt ginn. D'Desorptiounsmass, déi an den Experimenter bestëmmt gouf, entsprécht der Quantitéit vun 7,3 g/m2, déi pro Flächeneenheet vum Adsorber bei enger Temperatur vun 150°C ofginn gëtt.
Eloxal-behandelt Zinksulfat-Beschichtunge goufen och getest. Makroskopesch ass d'Beschichtung eng ganz dënn an eenheetlech Schicht (Fig. 7a). Wéi och ëmmer, SEM huet eng Uewerfläch gewisen, déi mat klenge Kristaller bedeckt ass, déi duerch eidel Beräicher getrennt sinn (Fig. 7b). Den TGA vun der Beschichtung an dem Substrat gouf mat deem vu purem Salz verglach (Figur 7c). Pure Salz huet een asymmetresche Peak bei 59,1°C. Den beschichteten Aluminium huet zwou kleng Peaks bei 55,5°C an 61,3°C gewisen, wat op d'Präsenz vu Zinksulfathydrat hiweist. Den Massendifferenz, deen am Experiment opgedeckt gouf, entsprécht 10,9 g/m2 bei enger Dehydratiounstemperatur vun 150°C.
Wéi an der viregter Uwendung53 gouf Hydroxyethylcellulose als Bindemittel benotzt fir d'Adhäsioun an d'Stabilitéit vun der Sorbensbeschichtung ze verbesseren. D'Materialkompatibilitéit an den Effekt op d'Adsorptiounsleistung goufen duerch TGA bewäert. D'Analyse gëtt a Bezuch op d'Gesamtmass duerchgefouert, d.h. d'Prouf enthält eng Metallplack, déi als Beschichtungssubstrat benotzt gëtt. D'Adhäsioun gëtt duerch en Test getest, deen um Kräizkerbtest baséiert, deen an der ISO2409 Spezifikatioun definéiert ass (kann d'Kerbtrennungsspezifikatioun net erfëllen, ofhängeg vun der Spezifikatiounsdicke a Breet).
D'Beschichtung vun de Paneele mat Kalziumchlorid (CaCl2) (kuckt Fig. 8a) huet zu enger ongläicher Verdeelung gefouert, déi net bei der reiner Aluminiumbeschichtung fir den transversalen Kerbentest observéiert gouf. Am Verglach mat de Resultater fir reint CaCl2 weist den TGA (Fig. 8b) zwou charakteristesch Spëtzen, déi sech a Richtung méi niddreg Temperaturen vu 40 respektiv 20°C verréckelt hunn. De Querschnittstest erlaabt keen objektive Verglach, well déi reng CaCl2-Prouf (Prouf riets an der Fig. 8c) e pulverfërmegen Nidderschlag ass, deen déi iewescht Partikelen ewechhëlt. D'HEC-Resultater hunn eng ganz dënn an gläichméisseg Beschichtung mat enger zefriddestellender Adhäsioun gewisen. Den Ënnerscheed an der Mass, deen an der Fig. 8b gewisen ass, entsprécht 51,3 g/m2 pro Flächeneenheet vum Adsorber bei enger Temperatur vun 150°C.
Positiv Resultater a punkto Adhäsioun an Uniformitéit goufen och mat Magnesiumsulfat (MgSO4) kritt (kuckt Fig. 9). D'Analyse vum Desorptiounsprozess vun der Beschichtung huet d'Präsenz vun engem Peak vu ronn 60°C gewisen. Dës Temperatur entsprécht dem Haaptdesorptiounsschratt, deen bei der Dehydratioun vu puren Salzer observéiert gëtt, wat en anere Schrëtt bei 44°C duerstellt. Si entsprécht dem Iwwergang vun Hexahydrat op Pentahydrat a gëtt net am Fall vu Beschichtungen mat Bindemittel observéiert. Querschnittstester weisen eng verbessert Verdeelung an Adhäsioun am Verglach mat Beschichtungen, déi mat purem Salz hiergestallt goufen. Den observéierte Massendifferenz am TGA-DTC entsprécht 18,4 g/m2 pro Flächeneenheet vum Adsorber bei enger Temperatur vun 150°C.
Wéinst Onreegelméissegkeeten an der Uewerfläch huet Strontiumchlorid (SrCl2) eng ongläichméisseg Beschichtung op de Lamellen (Fig. 10a). D'Resultater vum transversalen Notchtest weisen awer eng gläichméisseg Verdeelung mat enger däitlech verbesserter Adhäsioun (Fig. 10c). D'TGA-Analyse weist en ganz klengen Ënnerscheed am Gewiicht, deen am Verglach zum Metallsubstrat op den méi niddrege Salzgehalt zeréckzeféiere muss sinn. D'Schrëtt op der Kurv weisen awer d'Präsenz vun engem Dehydratiounsprozess, obwuel de Peak mat der Temperatur assoziéiert ass, déi bei der Charakteriséierung vu purem Salz erreecht gëtt. D'Peaken bei 110°C an 70,2°C, déi an de Fig. 10b observéiert goufen, goufen och bei der Analyse vu purem Salz fonnt. Den Haaptdehydratiounsschratt, deen a purem Salz bei 50°C observéiert gouf, gouf awer net an de Kurven mat dem Bindemittel reflektéiert. Am Géigesaz dozou huet d'Bindemittelmëschung zwou Peaken bei 20,2°C an 94,1°C gewisen, déi net fir dat purt Salz gemooss goufen (Fig. 10b). Bei enger Temperatur vun 150 °C entsprécht den observéierte Massendifferenz 7,2 g/m2 pro Flächeneenheet vum Adsorber.
D'Kombinatioun vun HEC a Zinksulfat (ZnSO4) huet keng akzeptabel Resultater geliwwert (Figur 11). D'TGA-Analyse vum beschichtete Metall huet keng Dehydratiounsprozesser opgedeckt. Obwuel d'Verdeelung an d'Adhäsioun vun der Beschichtung sech verbessert hunn, sinn hir Eegeschafte nach wäit vun optimal ewech.
Déi einfachst Method fir Metallfasere mat enger dënner an gläichméisseger Schicht ze beschichten ass naass Imprägnatioun (Fig. 12a), déi d'Virbereedung vum Zilsalz an d'Imprägnatioun vu Metallfasere mat enger wässerlecher Léisung ëmfaasst.
Bei der Virbereedung op eng naass Imprägnatioun trieden zwéi Haaptproblemer op. Op der enger Säit verhënnert d'Uewerflächenspannung vun der Salzléisung déi korrekt Integratioun vun der Flëssegkeet an déi poréis Struktur. Kristalliséierung op der baussenzeger Uewerfläch (Fig. 12d) a Loftblosen, déi an der Struktur agespaart sinn (Fig. 12c) kënnen nëmme reduzéiert ginn, andeems d'Uewerflächenspannung erofgesat gëtt an d'Prouf mat destilléiertem Waasser virbefeucht gëtt. Gezwongen Opléisung an der Prouf duerch d'Evakuéierung vun der Loft dran oder duerch d'Schafe vun engem Léisungsfloss an der Struktur sinn aner effektiv Weeër fir eng komplett Fëllung vun der Struktur ze garantéieren.
Dat zweet Problem, dat bei der Virbereedung opgetrueden ass, war d'Entfernung vum Film vun engem Deel vum Salz (kuckt Abb. 12b). Dëst Phänomen ass charakteriséiert duerch d'Bildung vun enger dréchener Beschichtung op der Opléisungsuewerfläch, déi d'konvektiv stimuléiert Trocknung stoppt an den duerch Diffusioun stimuléierte Prozess ufänkt. Den zweete Mechanismus ass vill méi lues wéi den éischten. Dofir ass eng héich Temperatur fir eng raisonnabel Trocknungszäit noutwendeg, wat de Risiko vun der Bildung vu Blasen an der Prouf erhéicht. Dëst Problem gëtt geléist andeems eng alternativ Kristallisatiounsmethod agefouert gëtt, déi net op der Konzentratiounsännerung (Verdampfung), mä op der Temperaturännerung baséiert (wéi am Beispill mat MgSO4 an Abb. 13).
Schematesch Duerstellung vum Kristallisatiounsprozess beim Ofkille an der Trennung vu fester a flësseger Phas mat MgSO4.
Gesiedegt Salzléisunge kënnen mat dëser Method bei Raumtemperatur (HT) oder méi héich preparéiert ginn. Am éischte Fall gouf d'Kristallisatioun gezwongen, andeems d'Temperatur ënner Raumtemperatur (RT) erofgesat gouf. Am zweete Fall ass d'Kristallisatioun geschitt, wann d'Prouf op Raumtemperatur (RT) ofgekillt gouf. D'Resultat ass eng Mëschung aus Kristaller (B) an opgeléisten Substanzen (A), deenen hiren flëssegen Deel duerch Drockloft ewechgeholl gëtt. Dës Method vermeit net nëmmen d'Bildung vun engem Film op dësen Hydrater, mä reduzéiert och d'Zäit, déi fir d'Virbereedung vun anere Kompositmaterialien gebraucht gëtt. D'Entfernung vu Flëssegkeet duerch Drockloft féiert awer zu enger zousätzlecher Kristallisatioun vum Salz, wat zu enger méi décker Beschichtung féiert.
Eng aner Method, déi benotzt ka ginn, fir Metalloberflächen ze beschichten, ëmfaasst déi direkt Produktioun vun Zilsalzer duerch chemesch Reaktiounen. Beschichtete Wärmetauscher, déi duerch d'Reaktioun vu Säure op de Metalloberflächen vu Lamellen a Réier hiergestallt ginn, hunn eng Rei Virdeeler, wéi an eiser viregter Studie gemellt gouf. D'Uwendung vun dëser Method op Faseren huet zu ganz schlechte Resultater gefouert wéinst der Bildung vu Gasen während der Reaktioun. Den Drock vun de Waasserstoffgasblosen baut sech an der Sond op a verännert sech, wann d'Produkt erausgeworf gëtt (Fig. 14a).
D'Beschichtung gouf duerch eng chemesch Reaktioun modifizéiert fir d'Déckt an d'Verdeelung vun der Beschichtung besser ze kontrolléieren. Dës Method besteet doran, e Säure-Niwwelstroum duerch d'Prouf ze féieren (Figur 14b). Et gëtt erwaart, datt dëst zu enger eenheetlecher Beschichtung duerch Reaktioun mam Substratmetall féiert. D'Resultater ware zefriddestellend, awer de Prozess war ze lues fir als effektiv Method ze gëllen (Fig. 14c). Méi kuerz Reaktiounszäite kënnen duerch lokaliséiert Erhëtzung erreecht ginn.
Fir d'Nodeeler vun den uewe genannten Methoden ze iwwerwannen, gouf eng Beschichtungsmethod baséiert op der Notzung vu Klebstoffer ënnersicht. HEC gouf op Basis vun de Resultater ausgewielt, déi an der viregter Sektioun presentéiert goufen. All Prouwe goufen mat 3 Gew.-% virbereet. De Bindemittel gëtt mat Salz gemëscht. D'Fasere goufen no der selwechter Prozedur wéi fir d'Rippen virbehandelt, d.h. bannent 15 Minutten a 50% Vol. Schwefelsäure agewächt, duerno 20 Sekonnen an Natriumhydroxid agewächt, an destilléiertem Waasser gewäsch an zum Schluss 30 Minutten an destilléiertem Waasser agewächt. An dësem Fall gouf en zousätzleche Schrëtt virun der Imprägnatioun bäigefüügt. Taucht d'Prouf kuerz an eng verdënnte Zilsalzléisung an dréchent se bei ongeféier 60°C. De Prozess ass entwéckelt fir d'Uewerfläch vum Metall ze modifizéieren, andeems Keimbildungsplazen geschaf ginn, déi d'Verdeelung vun der Beschichtung an der leschter Phas verbesseren. Déi fasereg Struktur huet eng Säit wou d'Filamenter méi dënn a fest gepackt sinn, an déi aner Säit wou d'Filamenter méi déck a manner verdeelt sinn. Dëst ass d'Resultat vu 52 Fabrikatiounsprozesser.
D'Resultater fir Kalziumchlorid (CaCl2) sinn an der Tabell 1 zesummegefaasst an mat Biller illustréiert. Gudde Ofdeckung no der Impfung. Och déi Strécke ouni siichtbar Kristaller op der Uewerfläch haten reduzéiert metallesch Reflexiounen, wat op eng Ännerung vum Finish hiweist. Nodeems d'Prouwe mat enger wässerlecher Mëschung aus CaCl2 an HEC imprägnéiert an bei enger Temperatur vu ronn 60°C gedréchent goufen, waren d'Beschichtungen awer op de Schnëttpunkte vun de Strukturen konzentréiert. Dëst ass en Effekt, deen duerch d'Uewerflächespannung vun der Léisung verursaacht gëtt. Nom Aweien bleift d'Flëssegkeet wéinst hirer Uewerflächespannung an der Prouf. Dat geschitt am Fong op der Schnëttpunkte vun de Strukturen. Déi bescht Säit vun der Prouf huet verschidde Lächer, déi mat Salz gefëllt sinn. D'Gewiicht ass no der Beschichtung ëm 0,06 g/cm3 eropgaang.
D'Beschichtung mat Magnesiumsulfat (MgSO4) huet méi Salz pro Volumeneenheet produzéiert (Tabell 2). An dësem Fall ass déi gemoossen Zounimm 0,09 g/cm3. De Séiprozess huet zu enger extensiver Proufofdeckung gefouert. Nom Beschichtungsprozess blockéiert d'Salz grouss Flächen vun der dënner Säit vun der Prouf. Zousätzlech sinn e puer Beräicher vun der Matt blockéiert, awer eng gewësse Porositéit bleift erhalen. An dësem Fall ass d'Salzbildung einfach op der Kräizung vun de Strukturen ze gesinn, wat bestätegt, datt de Beschichtungsprozess haaptsächlech op d'Uewerflächespannung vun der Flëssegkeet zréckzeféieren ass, an net op d'Interaktioun tëscht dem Salz an dem Metallsubstrat.
D'Resultater fir d'Kombinatioun vu Strontiumchlorid (SrCl2) an HEC hunn ähnlech Eegeschafte wéi déi viregt Beispiller gewisen (Tabell 3). An dësem Fall ass déi dënn Säit vun der Prouf bal komplett bedeckt. Nëmmen eenzel Poren sinn ze gesinn, déi sech beim Trocknen als Resultat vun der Fräisetzung vu Damp aus der Prouf geformt hunn. D'Muster, dat op der matter Säit observéiert gëtt, ass ganz ähnlech wéi am viregten Fall, d'Géigend ass mat Salz blockéiert an d'Fasere sinn net komplett bedeckt.
Fir de positiven Effekt vun der Faserstruktur op d'thermesch Leeschtung vum Wärmetauscher ze evaluéieren, gouf déi effektiv Wärmeleitfäegkeet vun der beschichteter Faserstruktur bestëmmt a mat dem puren Beschichtungsmaterial verglach. D'Wärmeleitfäegkeet gouf no ASTM D 5470-2017 mat dem Flachbildschiermgerät, deen an der Figur 15a gewisen ass, mat engem Referenzmaterial mat bekannter Wärmeleitfäegkeet gemooss. Am Verglach mat anere transienten Miessmethoden ass dëst Prinzip virdeelhaft fir poréis Materialien, déi an der aktueller Studie benotzt ginn, well d'Miessunge an engem stationären Zoustand a mat enger ausreechender Proufgréisst (Basisfläch 30 × 30 mm2, Héicht ongeféier 15 mm) duerchgefouert ginn. Prouwe vum puren Beschichtungsmaterial (Referenz) an der beschichteter Faserstruktur goufen fir Miessunge a Richtung vun der Faser a senkrecht zu der Richtung vun der Faser virbereet, fir den Effekt vun der anisotroper Wärmeleitfäegkeet ze evaluéieren. D'Prouwen goufen op der Uewerfläch geschliffen (P320 Grit), fir den Effekt vun der Uewerflächenrauheet duerch d'Proufvirbereedung ze minimiséieren, déi d'Struktur an der Prouf net reflektéiert.