Bedankt voor uw bezoek aan Nature.com. De browserversie die u gebruikt, biedt beperkte CSS-ondersteuning. Voor de beste ervaring raden we u aan een bijgewerkte browser te gebruiken (of de compatibiliteitsmodus in Internet Explorer uit te schakelen). Om de ondersteuning te kunnen blijven garanderen, zullen we de site in de tussentijd zonder stijlen en JavaScript weergeven.
Het marktaandeel van adsorptiekoelsystemen en warmtepompen is nog steeds relatief klein vergeleken met traditionele compressorsystemen. Ondanks het enorme voordeel van het gebruik van goedkope warmte (in plaats van dure elektrische installaties), is de implementatie van systemen gebaseerd op adsorptieprincipes nog steeds beperkt tot enkele specifieke toepassingen. Het belangrijkste nadeel dat moet worden geëlimineerd, is de afname van het specifieke vermogen als gevolg van de lage thermische geleidbaarheid en de lage stabiliteit van het adsorbens. De huidige commerciële adsorptiekoelsystemen zijn gebaseerd op adsorbers op basis van gecoate platenwarmtewisselaars om de koelcapaciteit te optimaliseren. De resultaten zijn bekend: het verminderen van de dikte van de coating leidt tot een afname van de massaoverdrachtsimpedantie, en het vergroten van de oppervlakte-volumeverhouding van de geleidende structuren verhoogt het vermogen zonder de efficiëntie in gevaar te brengen. De metaalvezels die in dit werk worden gebruikt, kunnen een specifiek oppervlak in het bereik van 2500–50.000 m²/m³ bieden. Drie methoden voor het verkrijgen van zeer dunne maar stabiele coatings van zouthydraten op metalen oppervlakken, waaronder metaalvezels, voor de productie van coatings, demonstreren voor het eerst een warmtewisselaar met een hoge vermogensdichtheid. De oppervlaktebehandeling op basis van aluminiumanodisatie is gekozen om een ​​sterkere verbinding tussen de coating en het substraat te creëren. De microstructuur van het resulterende oppervlak werd geanalyseerd met behulp van scanning elektronenmicroscopie. Fourier-transformatie-infraroodspectroscopie met verminderde totale reflectie en energiedispersieve röntgenspectroscopie werden gebruikt om de aanwezigheid van de gewenste soorten in de assay te controleren. Hun vermogen om hydraten te vormen werd bevestigd door gecombineerde thermogravimetrische analyse (TGA)/differentiële thermogravimetrische analyse (DTG). Een slechte kwaliteit van meer dan 0,07 g (water)/g (composiet) werd gevonden in de MgSO4-coating, met tekenen van dehydratie bij ongeveer 60 °C en reproduceerbaar na rehydratatie. Positieve resultaten werden ook verkregen met SrCl2 en ZnSO4 met een massaverschil van ongeveer 0,02 g/g onder 100 °C. Hydroxyethylcellulose werd gekozen als additief om de stabiliteit en hechting van de coating te verhogen. De adsorptieve eigenschappen van de producten werden geëvalueerd door gelijktijdige TGA-DTG en hun hechting werd gekarakteriseerd door een methode gebaseerd op de tests beschreven in ISO2409. De consistentie en hechting van de CaCl2-coating zijn aanzienlijk verbeterd, terwijl de adsorptiecapaciteit behouden blijft met een gewichtsverschil van ongeveer 0,1 g/g bij temperaturen onder de 100 °C. Bovendien behoudt MgSO4 het vermogen om hydraten te vormen, met een massaverschil van meer dan 0,04 g/g bij temperaturen onder de 100 °C. Tot slot werden gecoate metaalvezels onderzocht. De resultaten tonen aan dat de effectieve thermische geleidbaarheid van de vezelstructuur gecoat met Al2(SO4)3 4,7 keer hoger kan zijn in vergelijking met het volume van zuiver Al2(SO4)3. De coating van de bestudeerde coatings werd visueel onderzocht en de interne structuur werd geëvalueerd met behulp van een microscopisch beeld van de dwarsdoorsneden. Er werd een Al2(SO4)3-laag met een dikte van ongeveer 50 µm verkregen, maar het algehele proces moet worden geoptimaliseerd om een ​​gelijkmatigere verdeling te bereiken.
Adsorptiesystemen hebben de afgelopen decennia veel aandacht gekregen omdat ze een milieuvriendelijk alternatief bieden voor traditionele compressiewarmtepompen of koelsystemen. Met stijgende comfortnormen en wereldwijde gemiddelde temperaturen kunnen adsorptiesystemen de afhankelijkheid van fossiele brandstoffen in de nabije toekomst verminderen. Bovendien kunnen verbeteringen in adsorptiekoeling of warmtepompen worden toegepast op thermische energieopslag, wat de mogelijkheden voor efficiënt gebruik van primaire energie verder vergroot. Het belangrijkste voordeel van adsorptiewarmtepompen en koelsystemen is dat ze kunnen werken met een lage warmtemassa. Dit maakt ze geschikt voor lagetemperatuurbronnen zoals zonne-energie of restwarmte. Wat betreft energieopslagtoepassingen heeft adsorptie het voordeel van een hogere energiedichtheid en minder energieverlies in vergelijking met voelbare of latente warmteopslag.
Adsorptiewarmtepompen en koelsystemen volgen dezelfde thermodynamische cyclus als hun tegenhangers met dampcompressie. Het belangrijkste verschil is de vervanging van compressorcomponenten door adsorbers. Dit element kan lagedruk-koelmiddeldamp adsorberen bij gematigde temperaturen, waardoor er meer koelmiddel verdampt, zelfs als de vloeistof koud is. Constante koeling van de adsorber is noodzakelijk om adsorptie-enthalpie (exotherm) uit te sluiten. De adsorber wordt geregenereerd bij hoge temperatuur, waardoor de koelmiddeldamp desorbeert. Verwarming moet continu plaatsvinden om de desorptie-enthalpie (endotherm) te behouden. Omdat adsorptieprocessen worden gekenmerkt door temperatuurveranderingen, vereist een hoge vermogensdichtheid een hoge thermische geleidbaarheid. Een lage thermische geleidbaarheid is echter verreweg het grootste nadeel in de meeste toepassingen.
Het grootste probleem van geleidbaarheid is het verhogen van de gemiddelde waarde, terwijl het transportpad dat de stroom van adsorptie-/desorptiedampen verzorgt, behouden blijft. Twee benaderingen worden vaak gebruikt om dit te bereiken: composiet warmtewisselaars en gecoate warmtewisselaars. De meest populaire en succesvolle composietmaterialen zijn die welke koolstofgebaseerde additieven gebruiken, namelijk geëxpandeerd grafiet, actieve kool of koolstofvezels. Oliveira et al. 2 impregneerden geëxpandeerd grafietpoeder met calciumchloride om een ​​adsorber te produceren met een specifiek koelvermogen (SCP) tot 306 W/kg en een prestatiecoëfficiënt (COP) tot 0,46. Zajaczkowski et al. 3 stelden een combinatie voor van geëxpandeerd grafiet, koolstofvezel en calciumchloride met een totale geleidbaarheid van 15 W/mK. Jian et al. 4 testten composieten met zwavelzuurbehandeld geëxpandeerd natuurlijk grafiet (ENG-TSA) als substraat in een tweetraps adsorptiekoelcyclus. Het model voorspelde een COP van 0,215 tot 0,285 en een SCP van 161,4 tot 260,74 W/kg.
Veruit de meest haalbare oplossing is de gecoate warmtewisselaar. De coatingmechanismen van deze warmtewisselaars kunnen worden onderverdeeld in twee categorieën: directe synthese en lijmen. De meest succesvolle methode is directe synthese, waarbij adsorberende materialen direct op het oppervlak van warmtewisselaars worden gevormd met behulp van de juiste reagentia. Sotech5 heeft een methode gepatenteerd voor de synthese van gecoat zeoliet voor gebruik in een reeks koelers geproduceerd door Fahrenheit GmbH. Schnabel et al.6 testten de prestaties van twee zeolieten gecoat op roestvrij staal. Deze methode werkt echter alleen met specifieke adsorbentia, waardoor coating met lijmen een interessant alternatief is. Bindmiddelen zijn passieve stoffen die gekozen worden om de adhesie en/of massaoverdracht van sorbenten te ondersteunen, maar spelen geen rol bij de adsorptie of verbetering van de geleidbaarheid. Freni et al.7 gecoate aluminium warmtewisselaars met AQSOA-Z02 zeoliet, gestabiliseerd met een bindmiddel op kleibasis. Calabrese et al.8 bestudeerden de bereiding van zeolietcoatings met polymere bindmiddelen. Ammann et al.9 stelden een methode voor voor het bereiden van poreuze zeolietcoatings uit magnetische mengsels van polyvinylalcohol. Alumina (alumina) wordt ook gebruikt als bindmiddel 10 in de adsorber. Voor zover wij weten, worden cellulose en hydroxyethylcellulose alleen gebruikt in combinatie met fysische adsorbentia11,12. Soms wordt de lijm niet gebruikt voor de verf, maar wordt deze gebruikt om de structuur 13 zelfstandig op te bouwen. De combinatie van alginaatpolymeermatrices met meerdere zouthydraten vormt flexibele composietkorrelstructuren die lekkage tijdens het drogen voorkomen en zorgen voor voldoende massaoverdracht. Kleien zoals bentoniet en attapulgiet zijn gebruikt als bindmiddelen voor de bereiding van composieten15,16,17. Ethylcellulose is gebruikt om calciumchloride18 of natriumsulfide19 te micro-encapsuleren.
Composieten met een poreuze metaalstructuur kunnen worden onderverdeeld in additieve warmtewisselaars en gecoate warmtewisselaars. Het voordeel van deze structuren is het hoge specifieke oppervlak. Dit resulteert in een groter contactoppervlak tussen adsorbens en metaal zonder de toevoeging van een inerte massa, wat de algehele efficiëntie van de koelcyclus vermindert. Lang et al. 20 hebben de algehele geleidbaarheid van een zeolietadsorber met een aluminium honingraatstructuur verbeterd. Gillerminot et al. 21 verbeterden de thermische geleidbaarheid van NaX-zeolietlagen met koper- en nikkelschuim. Hoewel composieten worden gebruikt als faseovergangsmaterialen (PCM's), zijn de bevindingen van Li et al. 22 en Zhao et al. 23 ook interessant voor chemisorptie. Ze vergeleken de prestaties van geëxpandeerd grafiet en metaalschuim en concludeerden dat laatstgenoemde alleen de voorkeur had als corrosie geen probleem was. Palomba et al. hebben onlangs andere poreuze metalen structuren vergeleken24. Van der Pal et al. hebben metaalzouten bestudeerd die in schuimen zijn ingebed25. Alle voorgaande voorbeelden komen overeen met dichte lagen van deeltjesvormige adsorbentia. Poreuze metalen structuren worden praktisch niet gebruikt om adsorbentia te bekleden, wat een meer optimale oplossing is. Een voorbeeld van binding aan zeolieten is te vinden in Wittstadt et al. 26, maar er is geen poging gedaan om zouthydraten te binden, ondanks hun hogere energiedichtheid 27 .
In dit artikel worden drie methoden voor het bereiden van adsorberende coatings onderzocht: (1) bindmiddelcoating, (2) directe reactie en (3) oppervlaktebehandeling. Hydroxyethylcellulose was het bindmiddel van keuze in dit werk vanwege de eerder gerapporteerde stabiliteit en goede coatinghechting in combinatie met fysische adsorbentia. Deze methode werd aanvankelijk onderzocht voor vlakke coatings en later toegepast op metaalvezelstructuren. Eerder werd een voorlopige analyse gerapporteerd van de mogelijkheid van chemische reacties met de vorming van adsorberende coatings. Eerdere ervaring wordt nu toegepast op het coaten van metaalvezelstructuren. De voor dit werk gekozen oppervlaktebehandeling is een methode gebaseerd op aluminiumanodisatie. Aluminiumanodisatie is met succes gecombineerd met metaalzouten voor esthetische doeleinden29. In deze gevallen kunnen zeer stabiele en corrosiebestendige coatings worden verkregen. Ze kunnen echter geen adsorptie- of desorptieproces uitvoeren. Dit artikel presenteert een variant van deze aanpak waarmee massa kan worden verplaatst met behulp van de adhesieve eigenschappen van het oorspronkelijke proces. Voor zover wij weten, is geen van de hier beschreven methoden eerder bestudeerd. Ze vertegenwoordigen een zeer interessante nieuwe technologie omdat ze de vorming van gehydrateerde adsorberende coatings mogelijk maken, die een aantal voordelen hebben ten opzichte van de veel bestudeerde fysische adsorbentia.
De gestempelde aluminiumplaten die als substraat voor deze experimenten werden gebruikt, werden geleverd door ALINVEST Břidličná, Tsjechië. Ze bevatten 98,11% aluminium, 1,3622% ijzer, 0,3618% mangaan en sporen koper, magnesium, silicium, titanium, zink, chroom en nikkel.
De materialen die voor de vervaardiging van composieten worden gekozen, worden geselecteerd op basis van hun thermodynamische eigenschappen. Dat wil zeggen, afhankelijk van de hoeveelheid water die ze kunnen adsorberen/desorberen bij temperaturen lager dan 120 °C.
Magnesiumsulfaat (MgSO4) is een van de meest interessante en bestudeerde gehydrateerde zouten30,31,32,33,34,35,36,37,38,39,40,41. De thermodynamische eigenschappen zijn systematisch gemeten en geschikt bevonden voor toepassingen in adsorptiekoeling, warmtepompen en energieopslag. Er werd gebruikgemaakt van droog magnesiumsulfaat CAS-nr. 7487-88-9 99% (Grüssing GmbH, Filsum, Nedersaksen, Duitsland).
Calciumchloride (CaCl2) (H319) is een ander goed onderzocht zout omdat het hydraat ervan interessante thermodynamische eigenschappen heeft41,42,43,44. Calciumchloridehexahydraat CAS-nr. 7774-34-7 97% gebruikt (Grüssing, GmbH, Filsum, Nedersaksen, Duitsland).
Zinksulfaat (ZnSO4) (H3O2, H318, H410) en zijn hydraten hebben thermodynamische eigenschappen die geschikt zijn voor adsorptieprocessen bij lage temperaturen45,46. Er werd zinksulfaatheptahydraat CAS-nr. 7733-02-0 99,5% (Grüssing GmbH, Filsum, Nedersaksen, Duitsland) gebruikt.
Strontiumchloride (SrCl2) (H318) heeft ook interessante thermodynamische eigenschappen4,45,47, hoewel het vaak wordt gecombineerd met ammoniak in onderzoek naar adsorptiewarmtepompen of energieopslag. Strontiumchloridehexahydraat CAS-nr. 10.476-85-4 99,0–102,0% (Sigma Aldrich, St. Louis, Missouri, VS) werd gebruikt voor de synthese.
Kopersulfaat (CuSO4) (H302, H315, H319, H410) behoort niet tot de hydraten die vaak in de vakliteratuur voorkomen, hoewel de thermodynamische eigenschappen ervan interessant zijn voor toepassingen bij lage temperaturen48,49. Kopersulfaat CAS-nr. 7758-99-8 99% (Sigma Aldrich, St. Louis, MO, VS) werd gebruikt voor de synthese.
Magnesiumchloride (MgCl2) is een van de gehydrateerde zouten die de laatste tijd meer aandacht krijgt op het gebied van thermische energieopslag50,51. Voor de experimenten werd magnesiumchloridehexahydraat CAS-nr. 7791-18-6 van zuivere farmaceutische kwaliteit (Applichem GmbH, Darmstadt, Duitsland) gebruikt.
Zoals hierboven vermeld, werd gekozen voor hydroxyethylcellulose vanwege de positieve resultaten in vergelijkbare toepassingen. Het materiaal dat we in onze synthese gebruiken is hydroxyethylcellulose CAS-nr. 9004-62-0 (Sigma Aldrich, St. Louis, MO, VS).
Metaalvezels worden gemaakt van korte draden die aan elkaar worden verbonden door compressie en sinteren, een proces dat bekend staat als crucible melt extraction (CME)52. Dit betekent dat hun thermische geleidbaarheid niet alleen afhangt van de bulkgeleiding van de gebruikte metalen en de porositeit van de uiteindelijke structuur, maar ook van de kwaliteit van de verbindingen tussen de draden. De vezels zijn niet isotroop en hebben de neiging om tijdens de productie in een bepaalde richting te worden verdeeld, waardoor de thermische geleidbaarheid in de dwarsrichting veel lager is.
De waterabsorptie-eigenschappen werden onderzocht met behulp van simultane thermogravimetrische analyse (TGA)/differentiële thermogravimetrische analyse (DTG) in een vacuümverpakking (Netzsch TG 209 F1 Libra). De metingen werden uitgevoerd in een stromende stikstofatmosfeer met een stroomsnelheid van 10 ml/min en een temperatuurbereik van 25 tot 150 °C in aluminiumoxidekroezen. De verwarmingssnelheid was 1 °C/min, het monstergewicht varieerde van 10 tot 20 mg en de resolutie was 0,1 μg. Bij dit onderzoek moet worden opgemerkt dat het massaverschil per oppervlakte-eenheid een grote onzekerheid kent. De monsters die in TGA-DTG worden gebruikt, zijn zeer klein en onregelmatig gesneden, waardoor hun oppervlaktebepaling onnauwkeurig is. Deze waarden kunnen alleen worden geëxtrapoleerd naar een groter oppervlak als er rekening wordt gehouden met grote afwijkingen.
Verzwakte totale reflectie Fourier-transformatie-infrarood (ATR-FTIR)-spectra werden opgenomen met een Bruker Vertex 80 v FTIR-spectrometer (Bruker Optik GmbH, Leipzig, Duitsland) met behulp van een ATR-platina-accessoire (Bruker Optik GmbH, Duitsland). De spectra van zuivere droge diamantkristallen werden direct in vacuüm gemeten voordat de monsters als achtergrond voor experimentele metingen werden gebruikt. De monsters werden in vacuüm gemeten met een spectrale resolutie van 2 cm-1 en een gemiddeld aantal scans van 32. Het golfgetalbereik liep van 8000 tot 500 cm-1. De spectrale analyse werd uitgevoerd met het OPUS-programma.
De SEM-analyse werd uitgevoerd met een DSM 982 Gemini van Zeiss bij versnellingsspanningen van 2 en 5 kV. Energiedispersieve röntgenspectroscopie (EDX) werd uitgevoerd met een Thermo Fischer System 7 met een Peltier-gekoelde siliciumdriftdetector (SSD).
De bereiding van de metalen platen werd uitgevoerd volgens dezelfde procedure als beschreven in 53. Dompel de plaat eerst 15 minuten onder in 50% zwavelzuur. Vervolgens werden ze ongeveer 10 seconden in een 1 M natriumhydroxide-oplossing gelegd. Vervolgens werden de monsters gewassen met een grote hoeveelheid gedestilleerd water en vervolgens 30 minuten in gedestilleerd water geweekt. Na een eerste oppervlaktebehandeling werden de monsters ondergedompeld in een verzadigde 3%-oplossing met HEC en doelzout. Haal ze er vervolgens uit en laat ze drogen bij 60 °C.
De anodisatiemethode verbetert en versterkt de natuurlijke oxidelaag op het passieve metaal. De aluminium panelen werden geanodiseerd met zwavelzuur in uitgeharde toestand en vervolgens afgedicht in heet water. Het anodiseren volgde op een eerste etsing met 1 mol/l NaOH (600 s), gevolgd door neutralisatie in 1 mol/l HNO3 (60 s). De elektrolytoplossing is een mengsel van 2,3 M H₂SO₂, 0,01 M Al₂(SO₂)₂ en 1 M MgSO₂ + 7H₂O. Het anodiseren werd uitgevoerd bij (40 ± 1) °C, 30 mA/cm² gedurende 1200 seconden. Het afdichtproces werd uitgevoerd in verschillende pekeloplossingen zoals beschreven in de materialen (MgSO₂, CaCl₂, ZnSO₂, SrCl₂, CuSO₂, MgCl₂). Het monster werd hierin gedurende 1800 seconden gekookt.
Er zijn drie verschillende methoden voor het produceren van composieten onderzocht: lijmcoating, directe reactie en oppervlaktebehandeling. De voor- en nadelen van elke trainingsmethode worden systematisch geanalyseerd en besproken. Directe observatie, nano-imaging en chemische/elementaire analyse werden gebruikt om de resultaten te evalueren.
Anodiseren werd gekozen als oppervlaktebehandelingsmethode om de hechting van zouthydraten te verbeteren. Deze oppervlaktebehandeling creëert een poreuze structuur van aluminiumoxide (alumina) direct op het aluminiumoppervlak. Traditioneel bestaat deze methode uit twee fasen: de eerste fase creëert een poreuze structuur van aluminiumoxide en de tweede fase creëert een coating van aluminiumhydroxide die de poriën sluit. Hieronder volgen twee methoden om zout te blokkeren zonder de toegang tot de gasfase te blokkeren. De eerste bestaat uit een honingraatsysteem met kleine aluminiumoxide (Al2O3) buisjes die in de eerste stap zijn verkregen om de adsorberende kristallen vast te houden en de hechting ervan aan metaaloppervlakken te verbeteren. De resulterende honingraten hebben een diameter van ongeveer 50 nm en een lengte van 200 nm (Fig. 1a). Zoals eerder vermeld, worden deze holtes meestal in een tweede stap gesloten met een dunne laag Al2O(OH)2-boehmiet, ondersteund door het kookproces van aluminiumoxidebuisjes. Bij de tweede methode wordt dit afdichtingsproces zodanig aangepast dat de zoutkristallen worden gevangen in een gelijkmatig dekkende laag boehmiet (Al2O(OH)), die in dit geval niet voor de afdichting wordt gebruikt. De tweede stap wordt uitgevoerd in een verzadigde oplossing van het overeenkomstige zout. De beschreven patronen hebben een grootte van 50-100 nm en zien eruit als gespetterde druppels (Fig. 1b). Het oppervlak dat door het afdichtingsproces wordt verkregen, heeft een uitgesproken ruimtelijke structuur met een groter contactoppervlak. Dit oppervlaktepatroon, samen met de vele bindingsconfiguraties, is ideaal voor het dragen en vasthouden van zoutkristallen. Beide beschreven structuren lijken echt poreus te zijn en hebben kleine holtes die zeer geschikt lijken te zijn voor het vasthouden van zouthydraten en het adsorberen van dampen aan het zout tijdens de werking van de adsorber. Elementanalyse van deze oppervlakken met behulp van EDX kan echter sporen van magnesium en zwavel op het oppervlak van boehmiet detecteren, die niet worden gedetecteerd in het geval van een aluminiumoxide-oppervlak.
De ATR-FTIR van het monster bevestigde dat het element magnesiumsulfaat was (zie figuur 2b). Het spectrum toont karakteristieke sulfaationpieken bij 610-680 en 1080-1130 cm-1 en karakteristieke roosterwaterpieken bij 1600-1700 cm-1 en 3200-3800 cm-1 (zie figuur 2a, c). De aanwezigheid van magnesiumionen verandert het spectrum vrijwel niet54.
(a) EDX van een met boehmiet gecoate MgSO4-aluminiumplaat, (b) ATR-FTIR-spectra van boehmiet- en MgSO4-coatings, (c) ATR-FTIR-spectra van zuivere MgSO4.
Het behoud van de adsorptie-efficiëntie werd bevestigd door TGA. Figuur 3b toont een desorptiepiek van circa 60 °C. Deze piek komt niet overeen met de temperatuur van de twee pieken die werden waargenomen bij TGA van puur zout (figuur 3a). De herhaalbaarheid van de adsorptie-desorptiecyclus werd geëvalueerd en dezelfde curve werd waargenomen na plaatsing van de monsters in een vochtige atmosfeer (figuur 3c). De verschillen die in de tweede desorptiefase werden waargenomen, kunnen het gevolg zijn van dehydratie in een stromende atmosfeer, aangezien dit vaak leidt tot onvolledige dehydratie. Deze waarden komen overeen met circa 17,9 g/m² in de eerste ontwatering en 10,3 g/m² in de tweede ontwatering.
Vergelijking van TGA-analyse van boehmiet en MgSO4: TGA-analyse van zuiver MgSO4 (a), mengsel (b) en na rehydratatie (c).
Dezelfde methode werd uitgevoerd met calciumchloride als adsorbens. De resultaten worden weergegeven in figuur 4. Visuele inspectie van het oppervlak toonde kleine veranderingen in de metaalachtige gloed. De vacht is nauwelijks zichtbaar. SEM bevestigde de aanwezigheid van kleine kristallen, gelijkmatig verdeeld over het oppervlak. TGA toonde echter geen dehydratie beneden 150 °C. Dit kan te wijten zijn aan het feit dat het zoutgehalte te klein is ten opzichte van de totale massa van het substraat voor detectie met TGA.
De resultaten van de oppervlaktebehandeling van de kopersulfaatcoating met behulp van de anodisatiemethode worden weergegeven in figuur 5. In dit geval vond de verwachte opname van CuSO4 in de aluminiumoxidestructuur niet plaats. In plaats daarvan werden losse naalden waargenomen, zoals gebruikelijk is bij koperhydroxide Cu(OH)2, gebruikt met typische turquoise kleurstoffen.
De geanodiseerde oppervlaktebehandeling werd ook getest in combinatie met strontiumchloride. De resultaten lieten een ongelijkmatige dekking zien (zie figuur 6a). Om te bepalen of het zout het gehele oppervlak bedekte, werd een EDX-analyse uitgevoerd. De curve voor een punt in het grijze gebied (punt 1 in figuur 6b) toont weinig strontium en veel aluminium. Dit wijst op een laag strontiumgehalte in de gemeten zone, wat op zijn beurt wijst op een lage strontiumchloridedekking. Witte gebieden daarentegen hebben een hoog strontiumgehalte en een laag aluminiumgehalte (punten 2-6 in figuur 6b). EDX-analyse van het witte gebied toont donkere stippen (punten 2 en 4 in figuur 6b), met een laag chloorgehalte en een hoog zwavelgehalte. Dit kan wijzen op de vorming van strontiumsulfaat. Helderdere stippen wijzen op een hoog chloorgehalte en een laag zwavelgehalte (punten 3, 5 en 6 in figuur 6b). Dit kan worden verklaard door het feit dat het grootste deel van de witte coating bestaat uit het verwachte strontiumchloride. De TGA van het monster bevestigde de interpretatie van de analyse met een piek bij de karakteristieke temperatuur van puur strontiumchloride (Fig. 6c). Hun geringe waarde kan worden gerechtvaardigd door een kleine zoutfractie in vergelijking met de massa van de metalen drager. De in de experimenten bepaalde desorptiemassa komt overeen met de hoeveelheid van 7,3 g/m² die per oppervlakte-eenheid van de adsorptie-eenheid wordt afgegeven bij een temperatuur van 150 °C.
Ook met Eloxal behandelde zinksulfaatcoatings werden getest. Macroscopisch gezien is de coating een zeer dunne en uniforme laag (Fig. 7a). SEM toonde echter een oppervlak bedekt met kleine kristallen, gescheiden door lege gedeeltes (Fig. 7b). De TGA van de coating en het substraat werd vergeleken met die van puur zout (Fig. 7c). Puur zout heeft één asymmetrische piek bij 59,1 °C. Het gecoate aluminium vertoonde twee kleine pieken bij 55,5 °C en 61,3 °C, wat wijst op de aanwezigheid van zinksulfaathydraat. Het massaverschil dat in het experiment werd gevonden, komt overeen met 10,9 g/m² bij een dehydratatietemperatuur van 150 °C.
Net als bij de vorige toepassing53 werd hydroxyethylcellulose als bindmiddel gebruikt om de hechting en stabiliteit van de sorbenscoating te verbeteren. De materiaalcompatibiliteit en het effect op de adsorptieprestaties werden beoordeeld met behulp van TGA. De analyse wordt uitgevoerd ten opzichte van de totale massa, d.w.z. het monster bevat een metalen plaat die als coatingsubstraat wordt gebruikt. De hechting wordt getest met een test op basis van de kruiskerftest zoals gedefinieerd in de ISO2409-specificatie (kan niet voldoen aan de specificatie voor kerfscheiding, afhankelijk van de dikte en breedte van de specificatie).
Het coaten van de panelen met calciumchloride (CaCl2) (zie figuur 8a) resulteerde in een ongelijkmatige verdeling, wat niet werd waargenomen in de zuivere aluminiumcoating die werd gebruikt voor de transversale kerftest. Vergeleken met de resultaten voor zuiver CaCl2 vertoont TGA (figuur 8b) twee karakteristieke pieken die verschoven zijn naar lagere temperaturen van respectievelijk 40 en 20 °C. De dwarsdoorsnedetest laat geen objectieve vergelijking toe, omdat het zuivere CaCl2-monster (monster rechts in figuur 8c) een poederachtige neerslag is, die de bovenste deeltjes verwijdert. De HEC-resultaten toonden een zeer dunne en uniforme coating met een bevredigende hechting. Het massaverschil in figuur 8b komt overeen met 51,3 g/m2 per oppervlakte-eenheid van de adsorber bij een temperatuur van 150 °C.
Positieve resultaten wat betreft hechting en uniformiteit werden ook verkregen met magnesiumsulfaat (MgSO4) (zie Afb. 9). Analyse van het desorptieproces van de coating toonde de aanwezigheid van één piek van circa 60 °C. Deze temperatuur komt overeen met de belangrijkste desorptiestap die wordt gezien bij de dehydratatie van zuivere zouten, en vertegenwoordigt een extra stap bij 44 °C. Het komt overeen met de overgang van hexahydraat naar pentahydraat en wordt niet waargenomen in het geval van coatings met bindmiddelen. Dwarsdoorsnedetesten tonen een verbeterde verdeling en hechting in vergelijking met coatings gemaakt met zuiver zout. Het waargenomen massaverschil in TGA-DTC komt overeen met 18,4 g/m² per oppervlakte-eenheid van de adsorber bij een temperatuur van 150 °C.
Vanwege oppervlakte-oneffenheden heeft strontiumchloride (SrCl2) een ongelijkmatige coating op de vinnen (Fig. 10a). De resultaten van de transversale kerftest lieten echter een uniforme verdeling zien met een aanzienlijk verbeterde hechting (Fig. 10c). TGA-analyse toonde een zeer klein gewichtsverschil, wat te wijten moet zijn aan het lagere zoutgehalte in vergelijking met het metalen substraat. De stappen op de curve tonen echter de aanwezigheid van een dehydratatieproces, hoewel de piek geassocieerd is met de temperatuur verkregen bij de karakterisering van zuiver zout. De pieken bij 110 °C en 70,2 °C waargenomen in Fig. 10b werden ook gevonden bij analyse van zuiver zout. De belangrijkste dehydratatiestap die in zuiver zout bij 50 °C werd waargenomen, werd echter niet weerspiegeld in de curven met het bindmiddel. Daarentegen vertoonde het bindmiddelmengsel twee pieken bij 20,2 °C en 94,1 °C, die niet werden gemeten voor het zuivere zout (Fig. 10b). Bij een temperatuur van 150 °C komt het waargenomen massaverschil overeen met 7,2 g/m2 per oppervlakte-eenheid van de adsorptieplaat.
De combinatie van HEC en zinksulfaat (ZnSO4) leverde geen acceptabele resultaten op (figuur 11). TGA-analyse van het gecoate metaal bracht geen dehydratatieprocessen aan het licht. Hoewel de verdeling en hechting van de coating zijn verbeterd, zijn de eigenschappen nog verre van optimaal.
De eenvoudigste manier om metaalvezels te coaten met een dunne en gelijkmatige laag is natte impregnatie (Fig. 12a). Hierbij wordt het doelzout voorbereid en worden de metaalvezels geïmpregneerd met een waterige oplossing.
Bij de voorbereiding op natte impregnatie treden twee belangrijke problemen op. Enerzijds verhindert de oppervlaktespanning van de zoutoplossing de correcte opname van de vloeistof in de poreuze structuur. Kristallisatie aan het buitenoppervlak (Fig. 12d) en luchtbellen in de structuur (Fig. 12c) kunnen alleen worden verminderd door de oppervlaktespanning te verlagen en het monster vooraf te bevochtigen met gedestilleerd water. Geforceerde oplossing in het monster door de lucht eruit te blazen of door een oplossingsstroom in de structuur te creëren, zijn andere effectieve manieren om een ​​volledige vulling van de structuur te garanderen.
Het tweede probleem dat zich tijdens de bereiding voordeed, was het verwijderen van de film van een deel van het zout (zie figuur 12b). Dit fenomeen wordt gekenmerkt door de vorming van een droge laag op het oplossingsoppervlak, waardoor de convectief gestimuleerde droging stopt en het diffusie-gestimuleerde proces start. Het tweede mechanisme is veel langzamer dan het eerste. Hierdoor is een hoge temperatuur vereist voor een redelijke droogtijd, wat het risico op bellenvorming in het monster vergroot. Dit probleem wordt opgelost door een alternatieve kristallisatiemethode te introduceren die niet gebaseerd is op concentratieverandering (verdamping), maar op temperatuurverandering (zoals in het voorbeeld met MgSO4 in figuur 13).
Schematische weergave van het kristallisatieproces tijdens koeling en scheiding van vaste en vloeibare fasen met behulp van MgSO4.
Verzadigde zoutoplossingen kunnen met deze methode worden bereid bij of boven kamertemperatuur (HT). In het eerste geval werd de kristallisatie geforceerd door de temperatuur onder kamertemperatuur te verlagen. In het tweede geval vond de kristallisatie plaats toen het monster werd afgekoeld tot kamertemperatuur (RT). Het resultaat is een mengsel van kristallen (B) en opgeloste stoffen (A), waarvan het vloeibare deel met perslucht wordt verwijderd. Deze aanpak voorkomt niet alleen de vorming van een film op deze hydraten, maar verkort ook de tijd die nodig is voor de bereiding van andere composieten. Het verwijderen van vloeistof met perslucht leidt echter tot extra kristallisatie van het zout, wat resulteert in een dikkere coating.
Een andere methode die kan worden gebruikt om metalen oppervlakken te coaten, is de directe productie van doelzouten door middel van chemische reacties. Gecoate warmtewisselaars, gemaakt door de reactie van zuren op de metalen oppervlakken van vinnen en buizen, hebben een aantal voordelen, zoals beschreven in onze eerdere studie. De toepassing van deze methode op vezels leidde tot zeer slechte resultaten vanwege de vorming van gassen tijdens de reactie. De druk van de waterstofgasbellen bouwt zich op in de sonde en verandert naarmate het product wordt uitgeworpen (Fig. 14a).
De coating is door middel van een chemische reactie aangepast om de dikte en verdeling ervan beter te kunnen beheersen. Deze methode omvat het leiden van een zure nevelstroom door het monster (Figuur 14b). Dit zal naar verwachting resulteren in een uniforme coating door reactie met het substraatmetaal. De resultaten waren bevredigend, maar het proces was te traag om als een effectieve methode te worden beschouwd (Figuur 14c). Kortere reactietijden kunnen worden bereikt door lokale verhitting.
Om de nadelen van de bovengenoemde methoden te ondervangen, is een coatingmethode gebaseerd op het gebruik van lijmen bestudeerd. HEC werd geselecteerd op basis van de resultaten die in de vorige sectie zijn gepresenteerd. Alle monsters werden bereid met een concentratie van 3%. Het bindmiddel werd gemengd met zout. De vezels werden voorbehandeld volgens dezelfde procedure als voor de ribben, d.w.z. geweekt in 50% vol. zwavelzuur binnen 15 minuten, vervolgens geweekt in natriumhydroxide gedurende 20 seconden, gewassen in gedestilleerd water en tenslotte geweekt in gedestilleerd water gedurende 30 minuten. In dit geval werd een extra stap toegevoegd vóór de impregnatie. Dompel het monster kort onder in een verdunde zoutoplossing en droog bij ongeveer 60 °C. Het proces is ontworpen om het oppervlak van het metaal te modificeren, waardoor nucleatieplaatsen ontstaan ​​die de verdeling van de coating in de laatste fase verbeteren. De vezelstructuur heeft aan één kant waar de filamenten dunner en dichter opeengepakt zijn, en aan de andere kant waar de filamenten dikker en minder verspreid zijn. Dit is het resultaat van 52 productieprocessen.
De resultaten voor calciumchloride (CaCl2) worden samengevat en geïllustreerd met afbeeldingen in Tabel 1. Goede dekking na inoculatie. Zelfs de strengen zonder zichtbare kristallen op het oppervlak vertoonden verminderde metaalreflecties, wat wijst op een verandering in de afwerking. Nadat de monsters echter waren geïmpregneerd met een waterig mengsel van CaCl2 en HEC en gedroogd bij een temperatuur van ongeveer 60 °C, concentreerden de coatings zich op de kruispunten van de structuren. Dit effect wordt veroorzaakt door de oppervlaktespanning van de oplossing. Na het weken blijft de vloeistof in het monster achter vanwege de oppervlaktespanning. Dit vindt in principe plaats op de kruispunten van de structuren. De beste zijde van het monster heeft verschillende gaten gevuld met zout. Het gewicht nam na het coaten met 0,06 g/cm3 toe.
Coating met magnesiumsulfaat (MgSO4) leverde meer zout op per volume-eenheid (tabel 2). In dit geval is de gemeten toename 0,09 g/cm3. Het seedingproces resulteerde in een uitgebreide monsterbedekking. Na het coatingproces blokkeert het zout grote delen van de dunne zijde van het monster. Bovendien zijn sommige delen van de matte geblokkeerd, maar blijft er enige porositeit behouden. In dit geval is zoutvorming gemakkelijk waarneembaar op de kruising van de structuren, wat bevestigt dat het coatingproces voornamelijk te wijten is aan de oppervlaktespanning van de vloeistof, en niet aan de interactie tussen het zout en het metalen substraat.
De resultaten voor de combinatie van strontiumchloride (SrCl2) en HEC lieten vergelijkbare eigenschappen zien als in de voorgaande voorbeelden (tabel 3). In dit geval is de dunnere zijde van het monster bijna volledig bedekt. ​​Alleen individuele poriën zijn zichtbaar, gevormd tijdens het drogen als gevolg van het vrijkomen van stoom uit het monster. Het patroon op de matte zijde lijkt sterk op dat in het vorige geval: het gebied is geblokkeerd met zout en de vezels zijn niet volledig bedekt.
Om het positieve effect van de vezelstructuur op de thermische prestaties van de warmtewisselaar te evalueren, werd de effectieve thermische geleidbaarheid van de gecoate vezelstructuur bepaald en vergeleken met die van het zuivere coatingmateriaal. De thermische geleidbaarheid werd gemeten volgens ASTM D 5470-2017 met behulp van het vlakke paneel dat is afgebeeld in figuur 15a, met behulp van een referentiemateriaal met bekende thermische geleidbaarheid. Vergeleken met andere transiënte meetmethoden is dit principe voordelig voor poreuze materialen die in de huidige studie zijn gebruikt, omdat de metingen worden uitgevoerd in een stabiele toestand en met een voldoende grote monstergrootte (basisoppervlak 30 × 30 mm², hoogte circa 15 mm). Monsters van het zuivere coatingmateriaal (referentie) en de gecoate vezelstructuur werden voorbereid voor metingen in de richting van de vezel en loodrecht op de richting van de vezel om het effect van anisotrope thermische geleidbaarheid te evalueren. De monsters werden op het oppervlak geslepen (korrel P320) om het effect van oppervlakteruwheid als gevolg van de monstervoorbereiding, die de structuur binnen het monster niet weerspiegelt, te minimaliseren.