Bedankt voor uw bezoek aan Nature.com.De browserversie die u gebruikt heeft beperkte CSS-ondersteuning.Voor de beste ervaring raden we u aan een bijgewerkte browser te gebruiken (of Compatibiliteitsmodus uit te schakelen in Internet Explorer).In de tussentijd zullen we, om voortdurende ondersteuning te garanderen, de site weergeven zonder stijlen en JavaScript.
Het marktaandeel van adsorptiekoelsystemen en warmtepompen is nog relatief klein in vergelijking met traditionele compressorsystemen.Ondanks het enorme voordeel van het gebruik van goedkope warmte (in plaats van duur elektrawerk), is de implementatie van systemen op basis van adsorptieprincipes nog 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 state-of-the-art commerciële adsorptiekoelsystemen zijn gebaseerd op adsorbers op basis van platenwarmtewisselaars die zijn gecoat om de koelcapaciteit te optimaliseren.De resultaten zijn algemeen bekend dat het verminderen van de dikte van de coating leidt tot een afname van de impedantie van de massaoverdracht, en het vergroten van de verhouding tussen oppervlak en volume 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 bieden in het bereik van 2500–50.000 m2/m3.Drie methoden voor het verkrijgen van zeer dunne maar stabiele coatings van zouthydraten op metalen oppervlakken, inclusief metaalvezels, voor de productie van coatings demonstreren voor het eerst een warmtewisselaar met hoge vermogensdichtheid.De oppervlaktebehandeling op basis van aluminiumanodisatie is gekozen om een ​​sterkere hechting tussen de coating en de ondergrond te creëren.De microstructuur van het resulterende oppervlak werd geanalyseerd met behulp van scanning-elektronenmicroscopie.Verminderde totale reflectie Fourier-transformatie-infraroodspectroscopie en energie-dispersieve röntgenspectroscopie werden gebruikt om te controleren op de aanwezigheid van de gewenste soort in de assay.Hun vermogen om hydraten te vormen werd bevestigd door gecombineerde thermogravimetrische analyse (TGA)/differentiële thermogravimetrische analyse (DTG).Slechte kwaliteit van meer dan 0,07 g (water)/g (composiet) werd gevonden in de MgSO4-coating, die tekenen van uitdroging vertoonde bij ongeveer 60 °C en reproduceerbaar was 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 adsorptie-eigenschappen van de producten werden geëvalueerd door gelijktijdige TGA-DTG en hun adhesie werd gekarakteriseerd door een methode gebaseerd op de testen beschreven in ISO2409.De consistentie en hechting van de CaCl2-coating is aanzienlijk verbeterd terwijl het adsorptievermogen behouden blijft met een gewichtsverschil van ongeveer 0,1 g/g bij temperaturen onder 100 °C.Bovendien behoudt MgSO4 het vermogen om hydraten te vormen, met een massaverschil van meer dan 0,04 g/g bij temperaturen onder 100 °C.Ten slotte worden gecoate metaalvezels onderzocht.De resultaten laten zien dat de effectieve thermische geleidbaarheid van de met Al2(SO4)3 gecoate vezelstructuur 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 coating van Al2(SO4)3 met een dikte van ongeveer 50 µm verkregen, maar het totale 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 in de nabije toekomst de afhankelijkheid van fossiele brandstoffen verminderen.Bovendien kunnen eventuele verbeteringen in adsorptiekoeling of warmtepompen worden overgedragen naar WKO, wat een extra toename betekent van het potentieel voor efficiënt gebruik van primaire energie.Het grote voordeel van adsorptiewarmtepompen en koelsystemen is dat ze kunnen werken met een lage warmtemassa.Hierdoor zijn ze geschikt voor lage temperatuur bronnen zoals zonne-energie of restwarmte.In termen van energieopslagtoepassingen heeft adsorptie het voordeel van een hogere energiedichtheid en minder energiedissipatie 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.Het element is in staat om koudemiddeldamp onder lage druk te adsorberen bij gematigde temperaturen, waardoor meer koelmiddel verdampt, zelfs als de vloeistof koud is.Het is noodzakelijk om te zorgen voor een constante koeling van de adsorber om de adsorptie-enthalpie (exotherm) uit te sluiten.De adsorber wordt bij hoge temperatuur geregenereerd, waardoor de koelmiddeldamp desorbeert.Verwarming moet de desorptie-enthalpie (endotherm) blijven leveren.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 belangrijkste probleem van geleidbaarheid is het verhogen van de gemiddelde waarde terwijl het transportpad dat zorgt voor de stroom van adsorptie-/desorptiedampen behouden blijft.Hiervoor worden gewoonlijk twee benaderingen gebruikt: composietwarmtewisselaars en gecoate warmtewisselaars.De meest populaire en succesvolle composietmaterialen zijn materialen die op koolstof gebaseerde additieven gebruiken, namelijk geëxpandeerd grafiet, actieve kool of koolstofvezels.Oliveira et al.2 geïmpregneerd 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 stelde een combinatie voor van geëxpandeerd grafiet, koolstofvezel en calciumchloride met een totale geleidbaarheid van 15 W/mK.Jian et al4 testten composieten met met zwavelzuur behandeld geëxpandeerd natuurlijk grafiet (ENG-TSA) als substraat in een tweetraps adsorptiekoelcyclus.Het model voorspelde COP van 0,215 tot 0,285 en SCP van 161,4 tot 260,74 W/kg.
Verreweg 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 rechtstreeks op het oppervlak van warmtewisselaars worden gevormd uit de juiste reagentia.Sotech5 heeft een methode gepatenteerd voor het synthetiseren van gecoat zeoliet voor gebruik in een reeks koelers vervaardigd door Fahrenheit GmbH.Schnabel et al6 testten de prestaties van twee zeolieten gecoat op roestvrij staal.Deze methode werkt echter alleen met specifieke adsorbentia, wat coating met lijmen een interessant alternatief maakt.Bindmiddelen zijn passieve stoffen die zijn gekozen om adhesie van het sorptiemiddel en/of massaoverdracht te ondersteunen, maar spelen geen rol bij adsorptie of verbetering van de geleidbaarheid.Frenie et al.7 gecoate aluminium warmtewisselaars met AQSOA-Z02 zeoliet gestabiliseerd met een bindmiddel op basis van klei.Calabrese et al.8 bestudeerden de bereiding van zeolietcoatings met polymere bindmiddelen.Ammann et al.9 stelden een methode voor om poreuze zeolietbekledingen te bereiden uit magnetische mengsels van polyvinylalcohol.Alumina (alumina) wordt ook gebruikt als bindmiddel 10 in de adsorber.Voor zover ons bekend 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 op zichzelf te bouwen.De combinatie van alginaatpolymeermatrices met meerdere zouthydraten vormt flexibele composietparelstructuren 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 micro-in te kapselen.
Composieten met een poreuze metaalstructuur zijn onder te verdelen 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 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 verbeterde 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 zijn ook van belang voor chemisorptie.Ze vergeleken de prestaties van geëxpandeerd grafiet en metaalschuim en concludeerden dat dit laatste alleen de voorkeur had als corrosie geen probleem was.Palomba et al.hebben onlangs andere metalen poreuze structuren vergeleken24.Van der Pal et al.hebben metaalzouten bestudeerd die in schuim zijn ingebed 25 .Alle voorgaande voorbeelden komen overeen met dichte lagen deeltjesvormige adsorbentia.Metalen poreuze structuren worden praktisch niet gebruikt om adsorbers te coaten, 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 zullen dus drie methoden voor het bereiden van adsorberende coatings worden onderzocht: (1) bindmiddelcoating, (2) directe reactie en (3) oppervlaktebehandeling.Hydroxyethylcellulose was het bindmiddel bij uitstek in dit werk vanwege de eerder gerapporteerde stabiliteit en goede hechting van de coating in combinatie met fysische adsorbentia.Deze methode werd aanvankelijk onderzocht voor vlakke coatings en later toegepast op metaalvezelstructuren.Eerder werd een voorlopige analyse van de mogelijkheid van chemische reacties met de vorming van adsorberende coatings gerapporteerd.Eerdere ervaringen worden nu overgedragen naar het coaten van metaalvezelstructuren.De gekozen oppervlaktebehandeling voor dit werk is een methode gebaseerd op aluminiumanodisatie.Het anodiseren van aluminium is met succes gecombineerd met metaalzouten voor esthetische doeleinden29.In deze gevallen kunnen zeer stabiele en corrosiebestendige coatings worden verkregen.Ze kunnen echter geen enkel adsorptie- of desorptieproces uitvoeren.Dit artikel presenteert een variant van deze benadering waarmee massa kan worden verplaatst met behulp van de hechtende 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 vaak 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 van koper, magnesium, silicium, titanium, zink, chroom en nikkel.
De materialen die worden gekozen voor de vervaardiging van composieten worden geselecteerd op basis van hun thermodynamische eigenschappen, namelijk afhankelijk van de hoeveelheid water die ze kunnen adsorberen/desorberen bij temperaturen onder 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 op het gebied van adsorptiekoeling, warmtepompen en energieopslag.Droog magnesiumsulfaat CAS-Nr.7487-88-9 99% (Grüssing GmbH, Filsum, Niedersachsen, Duitsland) werd gebruikt.
Calciumchloride (CaCl2) (H319) is een ander goed bestudeerd zout omdat het hydraat 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 temperatuur45,46.Zinksulfaatheptahydraat CAS-Nr.7733-02-0 99,5% (Grüssing GmbH, Filsum, Niedersachsen, Duitsland) werd gebruikt.
Strontiumchloride (SrCl2) (H318) heeft ook interessante thermodynamische eigenschappen4,45,47 hoewel het vaak wordt gecombineerd met ammoniak in onderzoek naar adsorptiewarmtepompen of energieopslag.Strontiumchloride-hexahydraat 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 worden aangetroffen, hoewel de thermodynamische eigenschappen ervan van belang 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 heeft gekregen op het gebied van thermische energieopslag50,51.Magnesiumchloridehexahydraat CAS-Nr.7791-18-6 zuivere farmaceutische kwaliteit (Applichem GmbH., Darmstadt, Duitsland) werd gebruikt voor de experimenten.
Zoals hierboven vermeld, werd gekozen voor hydroxyethylcellulose vanwege de positieve resultaten bij vergelijkbare toepassingen.Het materiaal dat bij onze synthese wordt gebruikt, is hydroxyethylcellulose CAS-Nr 9004-62-0 (Sigma Aldrich, St. Louis, MO, VS).
Metaalvezels worden gemaakt van korte draden die aan elkaar zijn gebonden 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 bulkgeleidbaarheid van de metalen die bij de fabricage worden gebruikt en de porositeit van de uiteindelijke structuur, maar ook van de kwaliteit van de hechtingen 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 gelijktijdige 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 smeltkroezen van aluminiumoxide.De verwarmingssnelheid was 1 °C/min, het monstergewicht varieerde van 10 tot 20 mg, de resolutie was 0,1 μg.In dit werk moet worden opgemerkt dat het massaverschil per oppervlakte-eenheid een grote onzekerheid heeft.De monsters die in TGA-DTG worden gebruikt, zijn erg klein en onregelmatig gesneden, waardoor hun gebiedsbepaling onnauwkeurig is.Deze waarden kunnen alleen worden geëxtrapoleerd naar een groter gebied als rekening wordt gehouden met grote afwijkingen.
Verzwakte totale reflectie Fourier-transformatie-infrarood (ATR-FTIR) spectra werden verkregen op 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 pure 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. Golfgetalbereik van 8000 tot 500 cm-1.Spectrale analyse werd uitgevoerd met behulp van het OPUS-programma.
SEM-analyse werd uitgevoerd met behulp van een DSM 982 Gemini van Zeiss bij versnellingsspanningen van 2 en 5 kV.Energiedispersieve röntgenspectroscopie (EDX) werd uitgevoerd met behulp van een Thermo Fischer System 7 met een Peltier gekoelde silicium driftdetector (SSD).
De voorbereiding van metalen platen werd uitgevoerd volgens de procedure die vergelijkbaar is met die beschreven in 53. Dompel de plaat eerst onder in 50% zwavelzuur.15 minuten.Daarna werden ze gedurende ongeveer 10 seconden in een 1 M natriumhydroxide-oplossing gebracht.Vervolgens werden de monsters gewassen met een grote hoeveelheid gedestilleerd water en vervolgens 30 minuten geweekt in gedestilleerd water.Na een voorafgaande oppervlaktebehandeling werden de monsters ondergedompeld in een 3% verzadigde oplossing.HEC en doelzout.Haal ze er ten slotte uit en droog ze op 60°C.
De anodisatiemethode verbetert en versterkt de natuurlijke oxidelaag op het passieve metaal.De aluminium panelen werden geanodiseerd met zwavelzuur in geharde toestand en vervolgens verzegeld in heet water.Anodisatie volgde op een eerste ets 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 H2SO4, 0,01 M Al2(SO4)3 en 1 M MgSO4 + 7H2O.Het anodiseren werd uitgevoerd bij (40 ± 1)°C, 30 mA/cm2 gedurende 1200 seconden.Het afdichtingsproces werd uitgevoerd in verschillende pekeloplossingen zoals beschreven in de materialen (MgSO4, CaCl2, ZnSO4, SrCl2, CuSO4, MgCl2).Het monster wordt er 1800 seconden in 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.
Er werd gekozen voor anodiseren als een conversiemethode voor oppervlaktebehandeling om de hechting van zouthydraten te vergroten.Door deze oppervlaktebehandeling ontstaat er direct op het aluminium oppervlak een poreuze structuur van aluminiumoxide (alumina).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 behulp van kleine aluminiumoxide (Al2O3) buisjes die in de eerste stap zijn verkregen om de adsorberende kristallen vast te houden en de hechting aan metalen oppervlakken te vergroten.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 afgesloten met een dunne laag Al2O(OH)2-boehmiet ondersteund door het alumina-buiskookproces.Bij de tweede methode wordt dit sealproces zo aangepast dat de zoutkristallen worden gevangen in een gelijkmatig dekkende laag boehmiet (Al2O(OH)), die hier niet voor sealen wordt gebruikt.De tweede fase wordt uitgevoerd in een verzadigde oplossing van het overeenkomstige zout.De beschreven patronen hebben afmetingen in het bereik van 50-100 nm en zien eruit als spattende druppels (fig. 1b).Het door het sealproces verkregen oppervlak heeft een uitgesproken ruimtelijke structuur met een groter contactoppervlak.Dit oppervlaktepatroon, samen met hun vele bindingsconfiguraties, is ideaal voor het dragen en vasthouden van zoutkristallen.Beide beschreven structuren blijken echt poreus te zijn en hebben kleine holten die zeer geschikt blijken te zijn voor het vasthouden van zouthydraten en het adsorberen van dampen aan het zout tijdens de werking van de adsorptie-inrichting.Elementaire analyse 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 oppervlak van aluminiumoxide.
De ATR-FTIR van het monster bevestigde dat het element magnesiumsulfaat was (zie figuur 2b).Het spectrum vertoont 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 bijna niet54.
(a) EDX van een met boehmiet gecoate MgSO4-aluminiumplaat, (b) ATR-FTIR-spectra van boehmiet- en MgSO4-coatings, (c) ATR-FTIR-spectra van zuiver MgSO4.
Het handhaven van de adsorptie-efficiëntie werd bevestigd door TGA.Op afb.3b toont een desorptiepiek van ca.60°C.Deze piek komt niet overeen met de temperatuur van de twee pieken waargenomen in TGA van puur zout (figuur 3a).De herhaalbaarheid van de adsorptie-desorptiecyclus werd geëvalueerd en dezelfde curve werd waargenomen nadat de monsters in een vochtige atmosfeer waren geplaatst (Fig. 3c).De waargenomen verschillen in de tweede fase van desorptie kunnen het gevolg zijn van uitdroging in een stromende atmosfeer, aangezien dit vaak leidt tot onvolledige uitdroging.Deze waarden komen overeen met ongeveer 17,9 g/m2 bij de eerste ontwatering en 10,3 g/m2 bij 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 gepresenteerd in figuur 4. Visuele inspectie van het oppervlak onthulde kleine veranderingen in de metaalglans.De vacht is nauwelijks zichtbaar.SEM bevestigde de aanwezigheid van kleine kristallen gelijkmatig verdeeld over het oppervlak.TGA vertoonde echter geen uitdroging beneden 150°C.Dit kan te wijten zijn aan het feit dat het aandeel zout te klein is in vergelijking met de totale massa van het substraat voor detectie door TGA.
De resultaten van oppervlaktebehandeling van de kopersulfaatcoating door de anodisatiemethode worden getoond in Fig.5. In dit geval vond de verwachte opname van CuSO4 in de Al-oxidestructuur niet plaats.In plaats daarvan worden losse naalden waargenomen, aangezien ze vaak worden gebruikt voor koperhydroxide Cu(OH)2 dat wordt gebruikt met typische turquoise kleurstoffen.
De geanodiseerde oppervlaktebehandeling is ook getest in combinatie met strontiumchloride.De resultaten toonden ongelijke dekking (zie figuur 6a).Om te bepalen of het zout het hele oppervlak bedekte, werd een EDX-analyse uitgevoerd.De curve voor een punt in het grijze gebied (punt 1 in Fig. 6b) toont weinig strontium en veel aluminium.Dit duidt op een laag strontiumgehalte in de gemeten zone, wat op zijn beurt wijst op een lage strontiumchloridedekking.Omgekeerd hebben witte gebieden een hoog gehalte aan strontium en een laag gehalte aan aluminium (punt 2-6 in figuur 6b).EDX-analyse van het witte gebied toont donkerdere stippen (punten 2 en 4 in Fig. 6b), laag in chloor en hoog in zwavel.Dit kan wijzen op de vorming van strontiumsulfaat.Helderdere stippen weerspiegelen een hoog chloorgehalte en een laag zwavelgehalte (punten 3, 5 en 6 in figuur 6b).Dit kan verklaard worden 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 zuiver strontiumchloride (figuur 6c).Hun kleine waarde kan worden gerechtvaardigd door een kleine fractie zout 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 adsorber wordt afgegeven bij een temperatuur van 150°C.
Eloxal-behandelde zinksulfaatcoatings werden ook getest.Macroscopisch is de coating een zeer dunne en uniforme laag (fig. 7a).SEM onthulde echter een oppervlak bedekt met kleine kristallen gescheiden door lege gebieden (Fig. 7b).De TGA van de coating en het substraat werd vergeleken met die van puur zout (Figuur 7c).Zuiver zout heeft één asymmetrische piek bij 59,1°C.Het beklede aluminium vertoonde twee kleine pieken bij 55,5°C en 61,3°C, wat wijst op de aanwezigheid van zinksulfaathydraat.Het in het experiment onthulde massaverschil komt overeen met 10,9 g/m2 bij een dehydratatietemperatuur van 150°C.
Net als in de vorige aanvraag53 werd hydroxyethylcellulose gebruikt als bindmiddel om de adhesie en stabiliteit van de absorberende coating te verbeteren.Materiaalcompatibiliteit en effect op adsorptieprestaties werden beoordeeld door TGA.De analyse wordt uitgevoerd in relatie tot de totale massa, dwz het monster bevat een metalen plaat die als coatingsubstraat wordt gebruikt.Hechting wordt getest door middel van een test op basis van de kruiskerfproef gedefinieerd in de ISO2409-specificatie (kan niet voldoen aan de kerfscheidingsspecificatie, afhankelijk van de dikte en breedte van de specificatie).
Het coaten van de panelen met calciumchloride (CaCl2) (zie Fig. 8a) resulteerde in ongelijkmatige verdeling, wat niet werd waargenomen in de pure aluminiumcoating die werd gebruikt voor de transversale kerfproef.Vergeleken met de resultaten voor zuiver CaCl2, vertoont TGA (Fig. 8b) twee karakteristieke pieken die verschoven zijn naar lagere temperaturen van respectievelijk 40 en 20°C.De dwarsdoorsnedetest maakt geen objectieve vergelijking mogelijk omdat het zuivere CaCl2-monster (monster rechts in Fig. 8c) een poederachtig neerslag is, dat de bovenste deeltjes verwijdert.De HEC-resultaten toonden een zeer dunne en uniforme coating met een bevredigende hechting.Het massaverschil getoond in Fig.8b komt overeen met 51,3 g/m2 per oppervlakte-eenheid van de adsorber bij een temperatuur van 150°C.
Ook met magnesiumsulfaat (MgSO4) werden positieve resultaten op het gebied van adhesie en uniformiteit verkregen (zie Fig. 9).Analyse van het desorptieproces van de coating toonde de aanwezigheid van één piek van ca.60°C.Deze temperatuur komt overeen met de belangrijkste desorptiestap die wordt gezien bij de dehydratie van zuivere zouten, wat een volgende stap vertegenwoordigt bij 44°C.Het komt overeen met de overgang van hexahydraat naar pentahydraat en wordt niet waargenomen bij coatings met bindmiddelen.Dwarsdoorsnedetesten tonen een verbeterde verdeling en hechting aan in vergelijking met coatings gemaakt met puur 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.
Door oppervlakte-onregelmatigheden heeft strontiumchloride (SrCl2) een ongelijkmatige coating op de vinnen (fig. 10a).De resultaten van de transversale kerfproef toonden echter een uniforme verdeling met een aanzienlijk verbeterde hechting (fig. 10c).TGA-analyse toonde een zeer klein verschil in gewicht aan, 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 verband houdt met de temperatuur die wordt verkregen bij het karakteriseren van puur zout.De pieken bij 110°C en 70,2°C waargenomen in Fig.10b werden ook gevonden bij het analyseren van puur zout.De belangrijkste dehydratatiestap die werd waargenomen in zuiver zout bij 50°C werd echter niet weerspiegeld in de curven met behulp van 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 adsorber.
De combinatie van HEC en zinksulfaat (ZnSO4) gaf geen acceptabele resultaten (Figuur 11).TGA-analyse van het beklede metaal bracht geen uitdrogingsprocessen aan het licht.Hoewel de verdeling en hechting van de coating verbeterd zijn, zijn de eigenschappen nog verre van optimaal.
De eenvoudigste manier om metaalvezels te coaten met een dunne en uniforme laag is natte impregnering (fig. 12a), wat de bereiding van het beoogde zout en impregnatie van metaalvezels met een waterige oplossing omvat.
Bij de voorbereiding op nat impregneren doen zich twee hoofdproblemen voor.Enerzijds verhindert de oppervlaktespanning van de zoutoplossing een correcte opname van de vloeistof in de poreuze structuur.Kristallisatie op het buitenoppervlak (fig. 12d) en luchtbellen die in de structuur zijn opgesloten (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 binnenin te evacueren of door een oplossingsstroom in de structuur te creëren, zijn andere effectieve manieren om volledige vulling van de structuur te verzekeren.
Het tweede probleem bij de bereiding was het verwijderen van de film van een deel van het zout (zie afb. 12b).Dit fenomeen wordt gekenmerkt door de vorming van een droge laag op het oplossingsoppervlak, die het door convectie gestimuleerde drogen stopt en het door diffusie gestimuleerde proces start.Het tweede mechanisme is veel langzamer dan het eerste.Als gevolg hiervan is een hoge temperatuur vereist voor een redelijke droogtijd, wat het risico op blaasvorming 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 Fig. 13).
Schematische weergave van het kristallisatieproces tijdens afkoeling en scheiding van vaste en vloeibare fasen met behulp van MgSO4.
Met deze methode kunnen verzadigde zoutoplossingen worden bereid bij of boven kamertemperatuur (HT).In het eerste geval werd kristallisatie geforceerd door de temperatuur te verlagen tot onder kamertemperatuur.In het tweede geval vond kristallisatie plaats toen het monster werd afgekoeld tot kamertemperatuur (RT).Het resultaat is een mengsel van kristallen (B) en opgeloste kristallen (A), waarvan het vloeibare deel door middel van perslucht wordt verwijderd.Deze aanpak voorkomt niet alleen de vorming van een film op deze hydraten, maar vermindert ook de tijd die nodig is voor de bereiding van andere composieten.Het verwijderen van vloeistof door 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 gerapporteerd in onze vorige studie.De toepassing van deze methode op vezels leidde tot zeer slechte resultaten door de vorming van gassen tijdens de reactie.De druk van de waterstofgasbellen wordt opgebouwd in de sonde en verschuift wanneer het product wordt uitgeworpen (afb. 14a).
De coating is door een chemische reactie aangepast om de dikte en verdeling van de coating beter te beheersen.Bij deze methode wordt een zure miststroom door het monster geleid (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 langzaam om als een effectieve methode te worden beschouwd (fig. 14c).Door plaatselijk te verhitten kunnen kortere reactietijden worden bereikt.
Om de nadelen van de bovenstaande methoden te ondervangen, is een coatingmethode op basis van 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 3% gew.Het bindmiddel wordt gemengd met zout.De vezels werden voorbehandeld volgens dezelfde procedure als voor de ribben, dwz gedrenkt in 50% vol.binnen 15 minuten.zwavelzuur, vervolgens gedrenkt in natriumhydroxide gedurende 20 seconden, gewassen in gedestilleerd water en tenslotte gedrenkt in gedestilleerd water gedurende 30 minuten.In dit geval is er een extra stap toegevoegd vóór het impregneren.Dompel het monster kort onder in een verdunde doelzoutoplossing 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 vezelachtige structuur heeft aan de ene kant waar de filamenten dunner en dichter op elkaar gepakt zijn, en aan de andere kant waar de filamenten dikker en minder verdeeld zijn.Dit is het resultaat van 52 productieprocessen.
De resultaten voor calciumchloride (CaCl2) zijn samengevat en geïllustreerd met afbeeldingen in tabel 1. Goede dekking na inoculatie.Zelfs die strengen zonder zichtbare kristallen op het oppervlak hadden minder metaalreflecties, wat wijst op een verandering in afwerking.Nadat de monsters echter waren geïmpregneerd met een waterig mengsel van CaCl2 en HEC en gedroogd bij een temperatuur van ongeveer 60°C, werden de coatings geconcentreerd op de kruispunten van de structuren.Dit is een effect veroorzaakt door de oppervlaktespanning van de oplossing.Na het weken blijft de vloeistof in het monster vanwege de oppervlaktespanning.In principe komt het voor op de kruising van structuren.De beste kant van het exemplaar heeft verschillende gaten gevuld met zout.Het gewicht nam toe met 0,06 g/cm3 na het coaten.
Coating met magnesiumsulfaat (MgSO4) produceerde meer zout per volume-eenheid (Tabel 2).In dit geval is de gemeten toename 0,09 g/cm3.Het seedingproces resulteerde in een uitgebreide monsterdekking.Na het coatingproces blokkeert het zout grote delen van de dunne kant van het monster.Bovendien zijn sommige delen van de matte geblokkeerd, maar blijft enige porositeit behouden.In dit geval is zoutvorming gemakkelijk waar te nemen 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 vertoonden soortgelijke eigenschappen als de vorige voorbeelden (Tabel 3).In dit geval is de dunnere kant 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 dat aan de matte kant wordt waargenomen, lijkt sterk op 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 prestatie van de warmtewisselaar te evalueren, werd de effectieve thermische geleidbaarheid van de gecoate vezelstructuur bepaald en vergeleken met het zuivere coatingmateriaal.Thermische geleidbaarheid werd gemeten volgens ASTM D 5470-2017 met gebruikmaking van het flatpanelapparaat weergegeven in afbeelding 15a met behulp van een referentiemateriaal met bekende thermische geleidbaarheid.In vergelijking met andere transiënte meetmethoden is dit principe voordelig voor poreuze materialen die in de huidige studie worden gebruikt, aangezien de metingen worden uitgevoerd in een stabiele toestand en met een voldoende steekproefomvang (basisgebied 30 × 30 mm2, hoogte ongeveer 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 (P320 grit) om het effect van oppervlakteruwheid als gevolg van de voorbereiding van het monster te minimaliseren, wat de structuur in het monster niet weerspiegelt.