Paldies, ka apmeklējāt vietni Nature.com. Jūsu izmantotajai pārlūkprogrammas versijai ir ierobežots CSS atbalsts. Lai nodrošinātu vislabāko pieredzi, iesakām izmantot atjauninātu pārlūkprogrammu (vai atspējot saderības režīmu pārlūkprogrammā Internet Explorer). Tikmēr, lai nodrošinātu nepārtrauktu atbalstu, mēs atveidosim vietni bez stiliem un JavaScript.
Adsorbcijas saldēšanas sistēmu un siltumsūkņu tirgus daļa joprojām ir relatīvi maza, salīdzinot ar tradicionālajām kompresoru sistēmām. Neskatoties uz milzīgo priekšrocību, ko sniedz lēta siltuma izmantošana (dārgu elektroinstalāciju vietā), uz adsorbcijas principiem balstītu sistēmu ieviešana joprojām ir ierobežota ar dažiem specifiskiem pielietojumiem. Galvenais trūkums, kas jānovērš, ir īpatnējās jaudas samazināšanās adsorbenta zemās siltumvadītspējas un zemās stabilitātes dēļ. Pašreizējās modernākās komerciālās adsorbcijas saldēšanas sistēmas ir balstītas uz adsorberiem, kuru pamatā ir plākšņu siltummaiņi, kas pārklāti, lai optimizētu dzesēšanas jaudu. Rezultāti ir labi zināmi, ka pārklājuma biezuma samazināšana noved pie masas pārneses pretestības samazināšanās, un vadošo struktūru virsmas laukuma un tilpuma attiecības palielināšana palielina jaudu, neapdraudot efektivitāti. Šajā darbā izmantotās metāla šķiedras var nodrošināt īpatnējo virsmas laukumu diapazonā no 2500 līdz 50 000 m2/m3. Trīs metodes ļoti plānu, bet stabilu sāls hidrātu pārklājumu iegūšanai uz metāla virsmām, tostarp metāla šķiedras, pārklājumu ražošanai pirmo reizi demonstrē augstas jaudas blīvuma siltummaini. Virsmas apstrāde, kuras pamatā ir alumīnija anodēšana, ir izvēlēta, lai radītu ciešāku saiti starp pārklājumu un substrātu. Iegūtās virsmas mikrostruktūra tika analizēta, izmantojot skenējošo elektronu mikroskopiju. Lai pārbaudītu vēlamo sugu klātbūtni testā, tika izmantota samazinātas kopējās atstarošanas Furjē transformācijas infrasarkanā spektroskopija un enerģijas dispersīvā rentgenstaru spektroskopija. To spēja veidot hidrātus tika apstiprināta ar kombinētu termogravimetrisko analīzi (TGA)/diferenciālo termogravimetrisko analīzi (DTG). MgSO4 pārklājumā tika konstatēta slikta kvalitāte virs 0,07 g (ūdens)/g (kompozīts), kas uzrādīja dehidratācijas pazīmes aptuveni 60 °C temperatūrā un bija atkārtojamas pēc rehidratācijas. Pozitīvi rezultāti tika iegūti arī ar SrCl2 un ZnSO4 ar masas starpību aptuveni 0,02 g/g zem 100 °C. Hidroksietilceluloze tika izvēlēta kā piedeva, lai palielinātu pārklājuma stabilitāti un adhēziju. Produktu adsorpcijas īpašības tika novērtētas, vienlaikus izmantojot TGA-DTG, un to adhēziju raksturoja ar metodi, kuras pamatā ir ISO2409 aprakstītie testi. CaCl2 pārklājuma konsistence un adhēzija ir ievērojami uzlabota, vienlaikus saglabājot tā adsorbcijas spēju ar svara starpību aptuveni 0,1 g/g temperatūrā zem 100 °C. Turklāt MgSO4 saglabā spēju veidot hidrātus, uzrādot masas starpību vairāk nekā 0,04 g/g temperatūrā zem 100 °C. Visbeidzot, tiek pārbaudītas pārklātās metāla šķiedras. Rezultāti liecina, ka ar Al2(SO4)3 pārklātās šķiedras struktūras efektīvā siltumvadītspēja var būt 4,7 reizes lielāka salīdzinājumā ar tīra Al2(SO4)3 tilpumu. Pētīto pārklājumu pārklājums tika pārbaudīts vizuāli, un iekšējā struktūra tika novērtēta, izmantojot šķērsgriezumu mikroskopisko attēlu. Tika iegūts Al2(SO4)3 pārklājums ar aptuveni 50 µm biezumu, taču kopējais process ir jāoptimizē, lai panāktu vienmērīgāku sadalījumu.
Adsorbcijas sistēmas pēdējo desmitgažu laikā ir ieguvušas lielu uzmanību, jo tās nodrošina videi draudzīgu alternatīvu tradicionālajiem kompresijas siltumsūkņiem vai saldēšanas sistēmām. Pieaugot komforta standartiem un globālajai vidējai temperatūrai, adsorbcijas sistēmas tuvākajā nākotnē varētu samazināt atkarību no fosilā kurināmā. Turklāt jebkurus adsorbcijas saldēšanas vai siltumsūkņu uzlabojumus var pārnest uz siltumenerģijas uzkrāšanu, kas vēl vairāk palielina primārās enerģijas efektīvas izmantošanas potenciālu. Adsorbcijas siltumsūkņu un saldēšanas sistēmu galvenā priekšrocība ir tā, ka tie var darboties ar mazu siltuma masu. Tas padara tos piemērotus zemas temperatūras avotiem, piemēram, saules enerģijai vai siltuma pārpalikumam. Runājot par enerģijas uzkrāšanas pielietojumu, adsorbcijai ir priekšrocība ar augstāku enerģijas blīvumu un mazāku enerģijas izkliedi salīdzinājumā ar jūtamo vai latento siltuma uzkrāšanu.
Adsorbcijas siltumsūkņi un saldēšanas sistēmas ievēro to pašu termodinamisko ciklu kā to tvaika kompresijas sistēmas. Galvenā atšķirība ir kompresora komponentu aizstāšana ar adsorberiem. Elements spēj adsorbēt zema spiediena aukstumaģenta tvaikus mērenā temperatūrā, iztvaicējot vairāk aukstumaģenta pat tad, kad šķidrums ir auksts. Ir jānodrošina pastāvīga adsorbera dzesēšana, lai izslēgtu adsorbcijas entalpiju (eksotermu). Adsorbers tiek reģenerēts augstā temperatūrā, izraisot aukstumaģenta tvaiku desorbciju. Sildīšanai ir jāturpina nodrošināt desorbcijas entalpiju (endotermiju). Tā kā adsorbcijas procesiem raksturīgas temperatūras izmaiņas, augstam jaudas blīvumam ir nepieciešama augsta siltumvadītspēja. Tomēr zema siltumvadītspēja ir galvenais trūkums lielākajā daļā pielietojumu.
Galvenā vadītspējas problēma ir palielināt tās vidējo vērtību, vienlaikus saglabājot transporta ceļu, kas nodrošina adsorbcijas/desorbcijas tvaiku plūsmu. Lai to panāktu, parasti tiek izmantotas divas pieejas: kompozītmateriālu siltummaiņi un pārklāti siltummaiņi. Vispopulārākie un veiksmīgākie kompozītmateriāli ir tie, kuros izmanto uz oglekļa bāzes veidotas piedevas, proti, paplašinātu grafītu, aktivēto ogli vai oglekļa šķiedras. Oliveira et al. 2 piesūcināja paplašinātu grafīta pulveri ar kalcija hlorīdu, lai iegūtu adsorberu ar īpatnējo dzesēšanas jaudu (SCP) līdz 306 W/kg un veiktspējas koeficientu (COP) līdz 0,46. Zajaczkowski et al. 3 ierosināja paplašināta grafīta, oglekļa šķiedras un kalcija hlorīda kombināciju ar kopējo vadītspēju 15 W/mK. Jian et al. 4 testēja kompozītmateriālus ar sērskābes apstrādātu paplašinātu dabisko grafītu (ENG-TSA) kā substrātu divpakāpju adsorbcijas dzesēšanas ciklā. Modelis prognozēja COP no 0,215 līdz 0,285 un SCP no 161,4 līdz 260,74 W/kg.
Līdz šim visizdevīgākais risinājums ir pārklāts siltummainis. Šo siltummaiņu pārklāšanas mehānismus var iedalīt divās kategorijās: tiešā sintēze un līmvielas. Visveiksmīgākā metode ir tiešā sintēze, kas ietver adsorbējošu materiālu veidošanu tieši uz siltummaiņu virsmas no atbilstošiem reaģentiem. Sotech5 ir patentējis metodi pārklāta ceolīta sintezēšanai izmantošanai virknē dzesētāju, ko ražo Fahrenheit GmbH. Schnabel et al.6 pārbaudīja divu uz nerūsējošā tērauda pārklātu ceolītu veiktspēju. Tomēr šī metode darbojas tikai ar specifiskiem adsorbentiem, kas padara pārklāšanu ar līmvielām par interesantu alternatīvu. Saistvielas ir pasīvas vielas, kas izvēlētas, lai atbalstītu sorbenta adhēziju un/vai masas pārnesi, bet tām nav nekādas nozīmes adsorbcijā vai vadītspējas uzlabošanā. Freni et al.7 pārklāja alumīnija siltummaiņus ar AQSOA-Z02 ceolītu, kas stabilizēts ar māla bāzes saistvielu. Calabrese et al.8 pētīja ceolīta pārklājumu sagatavošanu ar polimēru saistvielām. Ammann et al.9 ierosināja metodi porainu ceolīta pārklājumu sagatavošanai no polivinilspirta magnētiskiem maisījumiem. Alumīnija oksīds (alumīnija oksīds) tiek izmantots arī kā saistviela 10 adsorberā. Mūsuprāt, celuloze un hidroksietilceluloze tiek izmantotas tikai kombinācijā ar fizikāliem adsorbentiem 11,12. Dažreiz līmi neizmanto krāsai, bet gan izmanto struktūras 13 veidošanai atsevišķi. Algināta polimēru matricu kombinācija ar vairākiem sāls hidrātiem veido elastīgas kompozītmateriālu lodīšu struktūras, kas novērš noplūdi žūšanas laikā un nodrošina atbilstošu masas pārnesi. Māli, piemēram, bentonīts un atapulgīts, ir izmantoti kā saistvielas kompozītu pagatavošanā 15,16,17. Etilceluloze ir izmantota kalcija hlorīda 18 vai nātrija sulfīda 19 mikrokapsulēšanai.
Kompozītmateriālus ar porainu metāla struktūru var iedalīt aditīvajos siltummaiņos un pārklātajos siltummaiņos. Šo struktūru priekšrocība ir augstā īpatnējā virsma. Tas rada lielāku saskares virsmu starp adsorbentu un metālu, nepievienojot inertu masu, kas samazina saldēšanas cikla kopējo efektivitāti. Lang et al. 20 ir uzlabojuši ceolīta adsorbera kopējo vadītspēju ar alumīnija šūnveida struktūru. Gillerminot et al. 21 ir uzlabojuši NaX ceolīta slāņu siltumvadītspēju ar vara un niķeļa putām. Lai gan kompozītmateriāli tiek izmantoti kā fāzes maiņas materiāli (PCM), Li et al. 22 un Zhao et al. 23 atklājumi ir interesanti arī ķīmiskajai adsorbcijai. Viņi salīdzināja paplašināta grafīta un metāla putu veiktspēju un secināja, ka pēdējais ir vēlams tikai tad, ja korozija nav problēma. Palomba et al. nesen ir salīdzinājuši citas metāla porainas struktūras24. Van der Pal et al. ir pētījuši putās iestrādātus metālu sāļus 25. Visi iepriekšējie piemēri atbilst blīviem daļiņu adsorbentu slāņiem. Metāla porainas struktūras praktiski netiek izmantotas adsorbentu pārklāšanai, kas ir optimālāks risinājums. Ceolītu saistīšanas piemēru var atrast Vitstadta u.c. darbā26, taču nav veikti mēģinājumi saistīt sāls hidrātus, neskatoties uz to augstāku enerģijas blīvumu27.
Tādējādi šajā rakstā tiks izpētītas trīs adsorbentu pārklājumu sagatavošanas metodes: (1) saistvielas pārklāšana, (2) tieša reakcija un (3) virsmas apstrāde. Šajā darbā izvēlētā saistviela bija hidroksietilceluloze, pateicoties iepriekš ziņotajai stabilitātei un labai pārklājuma adhēzijai kombinācijā ar fizikāliem adsorbentiem. Šī metode sākotnēji tika pētīta plakaniem pārklājumiem un vēlāk pielietota metāla šķiedru struktūrām. Iepriekš tika ziņots par sākotnējo ķīmisko reakciju iespējamības analīzi, veidojoties adsorbentu pārklājumiem. Iepriekšējā pieredze tagad tiek pārnesta uz metāla šķiedru struktūru pārklāšanu. Šajā darbā izvēlētā virsmas apstrāde ir metode, kuras pamatā ir alumīnija anodēšana. Alumīnija anodēšana ir veiksmīgi apvienota ar metālu sāļiem estētiskiem nolūkiem29. Šādos gadījumos var iegūt ļoti stabilus un korozijizturīgus pārklājumus. Tomēr tie nevar veikt nekādu adsorbcijas vai desorbcijas procesu. Šajā rakstā ir piedāvāts šīs pieejas variants, kas ļauj pārvietot masu, izmantojot sākotnējā procesa adhēzijas īpašības. Cik mums zināms, neviena no šeit aprakstītajām metodēm iepriekš nav pētīta. Tie ir ļoti interesanta jauna tehnoloģija, jo tie ļauj veidot hidratētus adsorbentu pārklājumus, kuriem ir vairākas priekšrocības salīdzinājumā ar bieži pētītajiem fizikālajiem adsorbentiem.
Šajos eksperimentos izmantotās apzīmogotās alumīnija plāksnes piegādāja ALINVEST Břidličná, Čehijas Republika. Tās satur 98,11% alumīnija, 1,3622% dzelzs, 0,3618% mangāna un vara, magnija, silīcija, titāna, cinka, hroma un niķeļa pēdas.
Kompozītmateriālu ražošanai izvēlētie materiāli tiek izvēlēti atbilstoši to termodinamiskajām īpašībām, proti, atkarībā no ūdens daudzuma, ko tie var adsorbēt/desorbēt temperatūrā zem 120°C.
Magnija sulfāts (MgSO4) ir viens no interesantākajiem un pētītākajiem hidratētajiem sāļiem30,31,32,33,34,35,36,37,38,39,40,41. Termodinamiskās īpašības ir sistemātiski mērītas un atzītas par piemērotām pielietojumiem adsorbcijas saldēšanas, siltumsūkņu un enerģijas uzkrāšanas jomā. Tika izmantots sausais magnija sulfāts CAS-Nr.7487-88-9 99% (Grüssing GmbH, Filsum, Lejassaksija, Vācija).
Kalcija hlorīds (CaCl2) (H319) ir vēl viens labi pētīts sāls, jo tā hidrātam piemīt interesantas termodinamiskās īpašības41,42,43,44. Kalcija hlorīda heksahidrāts CAS Nr. 7774-34-7 97% izmantots (Grüssing, GmbH, Filsum, Lejassaksija, Vācija).
Cinka sulfātam (ZnSO4) (H3O2, H318, H410) un tā hidrātiem piemīt termodinamiskas īpašības, kas piemērotas zemas temperatūras adsorbcijas procesiem45,46. Tika izmantots cinka sulfāta heptahidrāts CAS-Nr.7733-02-0 99,5% (Grüssing GmbH, Filsum, Lejassaksija, Vācija).
Stroncija hlorīdam (SrCl2) (H318) arī piemīt interesantas termodinamiskās īpašības4,45,47, lai gan adsorbcijas siltumsūkņu vai enerģijas uzkrāšanas pētījumos to bieži kombinē ar amonjaku. Sintēzē tika izmantots stroncija hlorīda heksahidrāts CAS-Nr.10.476-85-4 99,0–102,0% (Sigma Aldrich, Sentluisa, Misūri, ASV).
Vara sulfāts (CuSO4) (H302, H315, H319, H410) nav starp hidrātiem, kas bieži atrodami profesionālajā literatūrā, lai gan tā termodinamiskās īpašības ir interesantas pielietojumos zemā temperatūrā48,49. Sintēzē tika izmantots vara sulfāts CAS-Nr.7758-99-8 99% (Sigma Aldrich, Sentluisa, Misūri, ASV).
Magnija hlorīds (MgCl2) ir viens no hidratētajiem sāļiem, kas pēdējā laikā ir piesaistījis lielāku uzmanību siltumenerģijas uzkrāšanas jomā50,51. Eksperimentos tika izmantots magnija hlorīda heksahidrāts CAS-Nr.7791-18-6 tīras farmaceitiskās kvalitātes (Applichem GmbH., Darmštate, Vācija).
Kā minēts iepriekš, hidroksietilceluloze tika izvēlēta pozitīvu rezultātu dēļ līdzīgos pielietojumos. Mūsu sintēzē izmantotā viela ir hidroksietilceluloze CAS Nr. 9004-62-0 (Sigma Aldrich, Sentluisa, Misūri, ASV).
Metāla šķiedras tiek izgatavotas no īsām stieplēm, kas savienotas kopā ar presēšanu un saķepināšanu, procesu, kas pazīstams kā tīģeļa kausējuma ekstrakcija (CME)52. Tas nozīmē, ka to siltumvadītspēja ir atkarīga ne tikai no ražošanā izmantoto metālu tilpuma vadītspējas un gatavās struktūras porainības, bet arī no saišu kvalitātes starp pavedieniem. Šķiedras nav izotropiskas un ražošanas laikā mēdz būt sadalītas noteiktā virzienā, kas padara siltumvadītspēju šķērsvirzienā daudz zemāku.
Ūdens absorbcijas īpašības tika pētītas, izmantojot vienlaicīgu termogravimetrisko analīzi (TGA)/diferenciālo termogravimetrisko analīzi (DTG) vakuuma iepakojumā (Netzsch TG 209 F1 Libra). Mērījumi tika veikti plūstošā slāpekļa atmosfērā ar plūsmas ātrumu 10 ml/min un temperatūras diapazonā no 25 līdz 150°C alumīnija oksīda tīģeļos. Sildīšanas ātrums bija 1°C/min, parauga svars svārstījās no 10 līdz 20 mg, izšķirtspēja bija 0,1 μg. Šajā darbā jāatzīmē, ka masas starpībai uz virsmas vienību ir liela nenoteiktība. TGA-DTG izmantotie paraugi ir ļoti mazi un neregulāri sagriezti, kas padara to laukuma noteikšanu neprecīzu. Šīs vērtības var ekstrapolēt uz lielāku laukumu tikai tad, ja tiek ņemtas vērā lielas novirzes.
Novājinātas pilnīgas atstarošanas Furjē transformācijas infrasarkanā (ATR-FTIR) spektri tika iegūti ar Bruker Vertex 80 v FTIR spektrometru (Bruker Optik GmbH, Leipciga, Vācija), izmantojot ATR platīna piederumu (Bruker Optik GmbH, Vācija). Tīru, sausu dimanta kristālu spektri tika mērīti tieši vakuumā, pirms paraugu izmantošanas kā fonu eksperimentāliem mērījumiem. Paraugi tika mērīti vakuumā, izmantojot spektrālo izšķirtspēju 2 cm⁻¹ un vidējo skenējumu skaitu 32. Viļņu skaitļa diapazons ir no 8000 līdz 500 cm⁻¹. Spektrālā analīze tika veikta, izmantojot OPUS programmu.
SEM analīze tika veikta, izmantojot Zeiss DSM 982 Gemini ar paātrinājuma spriegumiem 2 un 5 kV. Enerģijas dispersīvā rentgenstaru spektroskopija (EDX) tika veikta, izmantojot Thermo Fischer System 7 ar Peltier atdzesētu silīcija nobīdes detektoru (SSD).
Metāla plākšņu sagatavošana tika veikta saskaņā ar procedūru, kas ir līdzīga 53. punktā aprakstītajai. Vispirms plāksne tika iegremdēta 50% sērskābē. 15 minūtes. Pēc tam tās tika ievietotas 1 M nātrija hidroksīda šķīdumā apmēram 10 sekundes. Pēc tam paraugus mazgāja ar lielu daudzumu destilēta ūdens un pēc tam 30 minūtes iemērcēja destilētā ūdenī. Pēc iepriekšējas virsmas apstrādes paraugi tika iegremdēti 3% piesātinātā HEC un mērķa sāls šķīdumā. Visbeidzot, tos izņēma un žāvēja 60°C temperatūrā.
Anodēšanas metode uzlabo un nostiprina dabisko oksīda slāni uz pasīvā metāla. Alumīnija paneļi tika anodēti ar sērskābi sacietētā stāvoklī un pēc tam noslēgti karstā ūdenī. Anodēšanai sekoja sākotnēja kodināšana ar 1 mol/l NaOH (600 s), kam sekoja neitralizācija 1 mol/l HNO3 (60 s). Elektrolīta šķīdums ir 2,3 M H2SO4, 0,01 M Al2(SO4)3 un 1 M MgSO4 + 7H2O maisījums. Anodēšana tika veikta (40 ± 1)°C temperatūrā, 30 mA/cm2 1200 sekundes. Blīvēšanas process tika veikts dažādos sālsūdens šķīdumos, kā aprakstīts materiālos (MgSO4, CaCl2, ZnSO4, SrCl2, CuSO4, MgCl2). Paraugu tajā vāra 1800 sekundes.
Ir izpētītas trīs dažādas kompozītmateriālu ražošanas metodes: līmējoša pārklāšana, tiešā reakcija un virsmas apstrāde. Katras apmācības metodes priekšrocības un trūkumi tiek sistemātiski analizēti un apspriesti. Rezultātu novērtēšanai tika izmantota tieša novērošana, nanoattēlveidošana un ķīmiskā/elementu analīze.
Anodēšana tika izvēlēta kā konversijas virsmas apstrādes metode, lai palielinātu sāls hidrātu saķeri. Šī virsmas apstrāde rada porainu alumīnija oksīda (alumīnija oksīda) struktūru tieši uz alumīnija virsmas. Tradicionāli šī metode sastāv no diviem posmiem: pirmajā posmā tiek izveidota poraina alumīnija oksīda struktūra, bet otrajā posmā tiek izveidots alumīnija hidroksīda pārklājums, kas aizver poras. Tālāk ir aprakstītas divas sāls bloķēšanas metodes, nebloķējot piekļuvi gāzes fāzei. Pirmā sastāv no šūnveida sistēmas, kurā pirmajā posmā iegūtas mazas alumīnija oksīda (Al2O3) caurulītes izmanto, lai noturētu adsorbenta kristālus un palielinātu tā saķeri ar metāla virsmām. Iegūto šūnveida struktūru diametrs ir aptuveni 50 nm un garums 200 nm (1.a att.). Kā minēts iepriekš, šīs dobumus otrajā posmā parasti aizver ar plānu Al2O(OH)2 bemīta slāni, ko atbalsta alumīnija oksīda caurules viršanas process. Otrajā metodē šis blīvēšanas process tiek modificēts tā, lai sāls kristāli tiktu uztverti vienmērīgi pārklājošā bemīta (Al2O(OH)) slānī, kas šajā gadījumā netiek izmantots blīvēšanai. Otrais posms tiek veikts atbilstošā sāls piesātinātā šķīdumā. Aprakstīto rakstu izmēri ir 50–100 nm diapazonā un tie izskatās kā izšļakstīti pilieni (1.b att.). Blīvēšanas procesa rezultātā iegūtajai virsmai ir izteikta telpiskā struktūra ar palielinātu kontakta laukumu. Šis virsmas raksts kopā ar daudzajām saišu konfigurācijām ir ideāli piemērots sāls kristālu pārnēsāšanai un noturēšanai. Abas aprakstītās struktūras šķiet patiesi porainas un tām ir mazi dobumi, kas, šķiet, ir labi piemēroti sāls hidrātu saglabāšanai un tvaiku adsorbēšanai uz sāls adsorbera darbības laikā. Tomēr šo virsmu elementu analīze, izmantojot EDX, var noteikt magnija un sēra pēdas uz bemīta virsmas, kas nav konstatētas alumīnija oksīda virsmas gadījumā.
Parauga ATR-FTIR spektrs apstiprināja, ka elements ir magnija sulfāts (sk. 2.b attēlu). Spektrā ir raksturīgie sulfāta jonu pīķi pie 610–680 un 1080–1130 cm–1, kā arī raksturīgie režģa ūdens pīķi pie 1600–1700 cm–1 un 3200–3800 cm–1 (sk. 2.a, c att.). Magnija jonu klātbūtne gandrīz nemaina spektru54.
(a) Ar bemītu pārklātas MgSO4 alumīnija plāksnes EDX, (b) Bemīta un MgSO4 pārklājumu ATR-FTIR spektri, (c) Tīra MgSO4 ATR-FTIR spektri.
Adsorbcijas efektivitātes saglabāšanās tika apstiprināta ar TGA. 3.b attēlā redzams desorbcijas pīķis aptuveni 60°C temperatūrā. Šis pīķis neatbilst divu pīķu temperatūrai, kas novēroti tīra sāls TGA (3.a attēls). Tika novērtēta adsorbcijas-desorbcijas cikla atkārtojamība, un tāda pati līkne tika novērota pēc paraugu ievietošanas mitrā atmosfērā (3.c attēls). Atšķirības, kas novērotas desorbcijas otrajā posmā, var būt dehidratācijas rezultāts plūstošā atmosfērā, jo tas bieži noved pie nepilnīgas dehidratācijas. Šīs vērtības atbilst aptuveni 17,9 g/m2 pirmajā atūdeņošanā un 10,3 g/m2 otrajā atūdeņošanā.
Bemīta un MgSO4 TGA analīzes salīdzinājums: tīra MgSO4 (a), maisījuma (b) un pēc rehidratācijas (c) TGA analīze.
Tā pati metode tika veikta, izmantojot kalcija hlorīdu kā adsorbentu. Rezultāti ir parādīti 4. attēlā. Vizuāla virsmas pārbaude atklāja nelielas izmaiņas metāliskajā mirdzumā. Apmatojums ir tik tikko redzams. SEM apstiprināja mazu kristālu klātbūtni, kas vienmērīgi izkliedēti pa virsmu. Tomēr TGA neuzrādīja dehidratāciju zem 150°C. Tas var būt saistīts ar faktu, ka sāls īpatsvars ir pārāk mazs, salīdzinot ar substrāta kopējo masu, lai to varētu noteikt ar TGA.
Vara sulfāta pārklājuma virsmas apstrādes ar anodēšanas metodi rezultāti ir parādīti 5. attēlā. Šajā gadījumā paredzētā CuSO4 iekļaušana Al oksīda struktūrā nenotika. Tā vietā ir novērotas vaļīgas adatas, kādas parasti tiek izmantotas vara hidroksīdam Cu(OH)2, ko lieto ar tipiskām tirkīza krāsvielām.
Anodētās virsmas apstrāde tika pārbaudīta arī kombinācijā ar stroncija hlorīdu. Rezultāti uzrādīja nevienmērīgu pārklājumu (sk. 6.a attēlu). Lai noteiktu, vai sāls pārklāja visu virsmu, tika veikta EDX analīze. Līkne punktam pelēkajā zonā (1. punkts 6.b attēlā) uzrāda mazu stroncija un daudz alumīnija. Tas norāda uz zemu stroncija saturu mērījumu zonā, kas savukārt norāda uz zemu stroncija hlorīda pārklājumu. Turpretī baltajās zonās ir augsts stroncija saturs un zems alumīnija saturs (2.–6. punkts 6.b attēlā). Baltās zonas EDX analīze uzrāda tumšākus punktus (2. un 4. punkts 6.b attēlā), zemu hlora saturu un augstu sēra saturu. Tas var liecināt par stroncija sulfāta veidošanos. Spilgtāki punkti atspoguļo augstu hlora saturu un zemu sēra saturu (3., 5. un 6. punkts 6.b attēlā). To var izskaidrot ar to, ka baltā pārklājuma galveno daļu veido paredzētais stroncija hlorīds. Parauga TGA apstiprināja analīzes interpretāciju ar maksimumu tīra stroncija hlorīda raksturīgajā temperatūrā (6.c att.). To mazo vērtību var pamatot ar nelielu sāls daļu salīdzinājumā ar metāla nesēja masu. Eksperimentos noteiktā desorbcijas masa atbilst 7,3 g/m2 daudzumam, kas izdalās uz adsorbera laukuma vienību 150°C temperatūrā.
Tika pārbaudīti arī ar eloksālu apstrādāti cinka sulfāta pārklājumi. Makroskopiski pārklājums ir ļoti plāns un vienmērīgs slānis (7.a att.). Tomēr SEM atklāja virsmas laukumu, kas pārklāts ar maziem kristāliem, kurus atdala tukšas zonas (7.b att.). Pārklājuma un substrāta TGA tika salīdzināts ar tīra sāls TGA (7.c attēls). Tīram sālim ir viens asimetrisks pīķis pie 59,1°C. Pārklātajam alumīnijam bija divi mazi pīķi pie 55,5°C un 61,3°C, kas norāda uz cinka sulfāta hidrāta klātbūtni. Eksperimentā atklātā masas starpība atbilst 10,9 g/m2 pie dehidratācijas temperatūras 150°C.
Tāpat kā iepriekšējā pieteikumā53, kā saistviela tika izmantota hidroksietilceluloze, lai uzlabotu sorbenta pārklājuma adhēziju un stabilitāti. Materiālu saderība un ietekme uz adsorbcijas veiktspēju tika novērtēta ar TGA metodi. Analīze tiek veikta attiecībā pret kopējo masu, t.i., paraugs ietver metāla plāksni, kas izmantota kā pārklājuma substrāts. Adhēziju pārbauda ar testu, kas balstīts uz šķērsgriezuma testu, kas definēts ISO2409 specifikācijā (iegriezumu atdalīšanas specifikāciju nevar izpildīt atkarībā no specifikācijas biezuma un platuma).
Paneļu pārklāšana ar kalcija hlorīdu (CaCl2) (sk. 8.a att.) izraisīja nevienmērīgu sadalījumu, kas netika novērots tīra alumīnija pārklājumā, kas tika izmantots šķērsgriezuma testā. Salīdzinot ar tīra CaCl2 rezultātiem, TGA (8.b att.) uzrāda divus raksturīgus pīķus, kas nobīdīti attiecīgi uz zemākām temperatūrām – 40 un 20 °C. Šķērsgriezuma tests neļauj veikt objektīvu salīdzinājumu, jo tīrs CaCl2 paraugs (paraugs labajā pusē 8.c attēlā) ir pulverveida nogulsnes, kas noņem augšējās daļiņas. HEC rezultāti uzrādīja ļoti plānu un vienmērīgu pārklājumu ar apmierinošu saķeri. Masas starpība, kas parādīta 8.b attēlā, atbilst 51,3 g/m2 uz adsorbera laukuma vienību 150 °C temperatūrā.
Pozitīvi rezultāti adhēzijas un vienmērīguma ziņā tika iegūti arī ar magnija sulfātu (MgSO4) (sk. 9. att.). Pārklājuma desorbcijas procesa analīze parādīja viena pīķa klātbūtni aptuveni 60 °C temperatūrā. Šī temperatūra atbilst galvenajam desorbcijas posmam, kas novērojams tīru sāļu dehidratācijā, kas pārstāv vēl vienu posmu 44 °C temperatūrā. Tā atbilst pārejai no heksahidrāta uz pentahidrātu un nav novērota pārklājumu ar saistvielām gadījumā. Šķērsgriezuma testi uzrāda uzlabotu sadalījumu un adhēziju salīdzinājumā ar pārklājumiem, kas izgatavoti, izmantojot tīru sāli. TGA-DTC novērotā masas starpība atbilst 18,4 g/m2 uz adsorbera laukuma vienību 150 °C temperatūrā.
Virsmas nelīdzenumu dēļ stroncija hlorīdam (SrCl2) uz ribām ir nevienmērīgs pārklājums (10.a att.). Tomēr šķērsvirziena iegriezuma testa rezultāti uzrādīja vienmērīgu sadalījumu ar ievērojami uzlabotu saķeri (10.c att.). TGA analīze uzrādīja ļoti nelielu svara atšķirību, kam jābūt saistītam ar zemāku sāls saturu salīdzinājumā ar metāla substrātu. Tomēr līknes pakāpieni liecina par dehidratācijas procesa klātbūtni, lai gan maksimums ir saistīts ar temperatūru, kas iegūta, raksturojot tīru sāli. Maksimumi pie 110°C un 70,2°C, kas novēroti 10.b attēlā, tika konstatēti arī, analizējot tīru sāli. Tomēr galvenais dehidratācijas solis, kas novērots tīrā sālī 50°C temperatūrā, netika atspoguļots līknēs, izmantojot saistvielu. Turpretī saistvielas maisījumam bija divi maksimumi pie 20,2°C un 94,1°C, kas netika mērīti tīram sālim (10.b att.). 150 °C temperatūrā novērotā masas starpība atbilst 7,2 g/m2 uz adsorbera laukuma vienību.
HEC un cinka sulfāta (ZnSO4) kombinācija nedeva pieņemamus rezultātus (11. attēls). Pārklātā metāla TGA analīze neatklāja nekādus dehidratācijas procesus. Lai gan pārklājuma sadalījums un adhēzija ir uzlabojusies, tā īpašības joprojām ir tālu no optimālām.
Vienkāršākais veids, kā pārklāt metāla šķiedras ar plānu un vienmērīgu slāni, ir mitrā impregnēšana (12.a att.), kas ietver mērķa sāls sagatavošanu un metāla šķiedru impregnēšanu ar ūdens šķīdumu.
Gatavojoties mitrai impregnēšanai, rodas divas galvenās problēmas. No vienas puses, fizioloģiskā šķīduma virsmas spraigums neļauj šķidrumam pareizi iekļauties porainajā struktūrā. Kristalizāciju uz ārējās virsmas (12.d att.) un gaisa burbuļus, kas iesprostoti struktūras iekšpusē (12.c att.), var samazināt, tikai samazinot virsmas spraigumu un iepriekš samitrinot paraugu ar destilētu ūdeni. Piespiedu šķīdināšana paraugā, izsūknējot gaisu no iekšpuses vai radot šķīduma plūsmu struktūrā, ir citi efektīvi veidi, kā nodrošināt pilnīgu struktūras piepildīšanu.
Otra problēma, ar ko saskārās sagatavošanas laikā, bija plēves noņemšana no daļas sāls (sk. 12.b att.). Šo parādību raksturo sausa pārklājuma veidošanās uz šķīdināšanas virsmas, kas aptur konvektīvi stimulēto žāvēšanu un sāk difūzijas stimulēto procesu. Otrais mehānisms ir daudz lēnāks nekā pirmais. Tā rezultātā saprātīgam žāvēšanas laikam ir nepieciešama augsta temperatūra, kas palielina burbuļu veidošanās risku parauga iekšpusē. Šī problēma tiek atrisināta, ieviešot alternatīvu kristalizācijas metodi, kuras pamatā nav koncentrācijas izmaiņas (iztvaikošana), bet gan temperatūras izmaiņas (kā piemērā ar MgSO4 13. attēlā).
Kristalizācijas procesa shematisks attēlojums dzesēšanas laikā un cietās un šķidrās fāzes atdalīšana, izmantojot MgSO4.
Piesātinātus sāls šķīdumus var pagatavot istabas temperatūrā (HT) vai augstākā temperatūrā, izmantojot šo metodi. Pirmajā gadījumā kristalizācija tika piespiesta, pazeminot temperatūru zem istabas temperatūras. Otrajā gadījumā kristalizācija notika, kad paraugs tika atdzesēts līdz istabas temperatūrai (RT). Rezultāts ir kristālu (B) un izšķīdušās vielas (A) maisījums, kura šķidrā daļa tiek noņemta ar saspiestu gaisu. Šī pieeja ne tikai novērš plēves veidošanos uz šiem hidrātiem, bet arī samazina laiku, kas nepieciešams citu kompozītu pagatavošanai. Tomēr šķidruma noņemšana ar saspiestu gaisu noved pie papildu sāls kristalizācijas, kā rezultātā veidojas biezāks pārklājums.
Vēl viena metode, ko var izmantot metāla virsmu pārklāšanai, ietver mērķa sāļu tiešu ražošanu, izmantojot ķīmiskas reakcijas. Pārklātiem siltummaiņiem, kas iegūti, skābēm reaģējot uz ribu un cauruļu metāla virsmām, ir vairākas priekšrocības, kā ziņots mūsu iepriekšējā pētījumā. Šīs metodes pielietošana šķiedrām noveda pie ļoti sliktiem rezultātiem gāzu veidošanās dēļ reakcijas laikā. Ūdeņraža gāzes burbuļu spiediens zondes iekšpusē palielinās un mainās, produktam izplūstot (14.a att.).
Pārklājums ir modificēts, izmantojot ķīmisku reakciju, lai labāk kontrolētu pārklājuma biezumu un sadalījumu. Šī metode ietver skābes miglas plūsmas izlaišanu caur paraugu (14.b attēls). Paredzams, ka tas, reaģējot ar substrāta metālu, radīs vienmērīgu pārklājumu. Rezultāti bija apmierinoši, taču process bija pārāk lēns, lai to uzskatītu par efektīvu metodi (14.c attēls). Īsāku reakcijas laiku var panākt, izmantojot lokalizētu sildīšanu.
Lai pārvarētu iepriekš minēto metožu trūkumus, tika pētīta pārklāšanas metode, kuras pamatā ir līmvielu izmantošana. HEC tika izvēlēts, pamatojoties uz iepriekšējā sadaļā sniegtajiem rezultātiem. Visi paraugi tika sagatavoti ar 3% svara. Saistviela tiek sajaukta ar sāli. Šķiedras tika iepriekš apstrādātas saskaņā ar to pašu procedūru kā ribām, t.i., 15 minūtes iemērcētas 50% tilp. sērskābē, pēc tam 20 sekundes iemērcētas nātrija hidroksīdā, mazgātas destilētā ūdenī un visbeidzot 30 minūtes iemērcētas destilētā ūdenī. Šajā gadījumā pirms piesūcināšanas tika pievienots papildu solis. Paraugu īslaicīgi iegremdē atšķaidītā mērķa sāls šķīdumā un žāvē aptuveni 60°C temperatūrā. Process ir paredzēts, lai modificētu metāla virsmu, izveidojot kodolu veidošanās vietas, kas uzlabo pārklājuma sadalījumu pēdējā posmā. Šķiedru struktūrai ir viena puse, kur pavedieni ir plānāki un blīvi iepakoti, un pretējā puse, kur pavedieni ir biezāki un mazāk izkliedēti. Tas ir 52 ražošanas procesu rezultāts.
Kalcija hlorīda (CaCl2) rezultāti ir apkopoti un ilustrēti ar attēliem 1. tabulā. Labs pārklājums pēc inokulācijas. Pat tām dzīslām, kurām uz virsmas nebija redzamu kristālu, bija samazināti metāliski atstarojumi, kas norāda uz apdares izmaiņām. Tomēr pēc tam, kad paraugi tika piesūcināti ar CaCl2 un HEC ūdens maisījumu un žāvēti aptuveni 60°C temperatūrā, pārklājumi bija koncentrēti struktūru krustpunktos. To izraisa šķīduma virsmas spraigums. Pēc mērcēšanas šķidrums paliek parauga iekšpusē tā virsmas spraiguma dēļ. Būtībā tas notiek struktūru krustpunktā. Parauga labākajā pusē ir vairāki caurumi, kas piepildīti ar sāli. Pēc pārklāšanas svars palielinājās par 0,06 g/cm3.
Pārklāšana ar magnija sulfātu (MgSO4) radīja vairāk sāls uz tilpuma vienību (2. tabula). Šajā gadījumā izmērītais pieaugums ir 0,09 g/cm3. Sēšanas process nodrošināja plašu parauga pārklājumu. Pēc pārklāšanas procesa sāls bloķē lielas parauga plānās puses platības. Turklāt dažas matēta materiāla zonas ir bloķētas, bet zināma porainība saglabājas. Šajā gadījumā sāļu veidošanos var viegli novērot struktūru krustpunktā, kas apstiprina, ka pārklāšanas process galvenokārt notiek šķidruma virsmas spraiguma, nevis sāls un metāla substrāta mijiedarbības dēļ.
Stroncija hlorīda (SrCl2) un HEC kombinācijas rezultāti uzrādīja līdzīgas īpašības kā iepriekšējos piemēros (3. tabula). Šajā gadījumā parauga plānākā puse ir gandrīz pilnībā pārklāta. Redzamas tikai atsevišķas poras, kas veidojas žāvēšanas laikā, izdalot tvaiku no parauga. Matētajā pusē novērotais raksts ir ļoti līdzīgs iepriekšējam gadījumam, laukums ir bloķēts ar sāli, un šķiedras nav pilnībā pārklātas.
Lai novērtētu šķiedrainās struktūras pozitīvo ietekmi uz siltummaiņa siltumvadītspēju, tika noteikta pārklātās šķiedrainās struktūras efektīvā siltumvadītspēja un salīdzināta ar tīru pārklājuma materiālu. Siltumvadītspēja tika mērīta saskaņā ar ASTM D 5470-2017, izmantojot plakanā paneļa ierīci, kas parādīta 15.a attēlā, izmantojot atsauces materiālu ar zināmu siltumvadītspēju. Salīdzinot ar citām pārejas mērīšanas metodēm, šis princips ir izdevīgs porainiem materiāliem, kas izmantoti pašreizējā pētījumā, jo mērījumi tiek veikti stacionārā stāvoklī un ar pietiekamu parauga lielumu (pamatnes laukums 30 × 30 mm2, augstums aptuveni 15 mm). Tīra pārklājuma materiāla (atsauces) un pārklātās šķiedru struktūras paraugi tika sagatavoti mērījumiem šķiedras virzienā un perpendikulāri šķiedras virzienam, lai novērtētu anizotropās siltumvadītspējas ietekmi. Paraugi tika slīpēti uz virsmas (P320 graudi), lai samazinātu virsmas raupjuma ietekmi parauga sagatavošanas dēļ, kas neatspoguļo struktūru parauga iekšpusē.