Takk for at du besøker Nature.com.Nettleserversjonen du bruker har begrenset CSS-støtte.For den beste opplevelsen anbefaler vi at du bruker en oppdatert nettleser (eller deaktiverer kompatibilitetsmodus i Internet Explorer).I mellomtiden, for å sikre fortsatt støtte, vil vi gjengi nettstedet uten stiler og JavaScript.
Markedsandelen for adsorpsjonskjøleanlegg og varmepumper er fortsatt relativt liten sammenlignet med tradisjonelle kompressorsystemer.Til tross for den store fordelen med å bruke billig varme (i stedet for dyrt elektrisk arbeid), er implementeringen av systemer basert på adsorpsjonsprinsipper fortsatt begrenset til noen få spesifikke bruksområder.Den største ulempen som må elimineres er reduksjonen i spesifikk effekt på grunn av lav termisk ledningsevne og lav stabilitet av adsorbenten.Nåværende toppmoderne kommersielle adsorpsjonskjølesystemer er basert på adsorbere basert på platevarmevekslere belagt for å optimalisere kjølekapasiteten.Resultatene er velkjente at reduksjon av tykkelsen på belegget fører til en reduksjon i masseoverføringsimpedansen, og å øke forholdet mellom overflateareal og volum av de ledende strukturene øker kraften uten at det går på bekostning av effektiviteten.Metallfibrene som brukes i dette arbeidet kan gi et spesifikt overflateareal i området 2500–50 000 m2/m3.Tre metoder for å oppnå svært tynne, men stabile belegg av salthydrater på metalloverflater, inkludert metallfibre, for produksjon av belegg viser for første gang en varmeveksler med høy effekttetthet.Overflatebehandlingen basert på aluminiumanodisering er valgt for å skape en sterkere binding mellom belegget og underlaget.Mikrostrukturen til den resulterende overflaten ble analysert ved bruk av skanningselektronmikroskopi.Redusert totalrefleksjon Fourier-transformasjon infrarød spektroskopi og energidispersiv røntgenspektroskopi ble brukt for å sjekke forekomsten av den ønskede arten i analysen.Deres evne til å danne hydrater ble bekreftet ved kombinert termogravimetrisk analyse (TGA)/differensiell termogravimetrisk analyse (DTG).Dårlig kvalitet over 0,07 g (vann)/g (kompositt) ble funnet i MgSO4-belegget, som viser tegn til dehydrering ved ca. 60 °C og kan reproduseres etter rehydrering.Positive resultater ble også oppnådd med SrCl2 og ZnSO4 med en masseforskjell på ca. 0,02 g/g under 100 °C.Hydroksyetylcellulose ble valgt som et tilsetningsstoff for å øke stabiliteten og adhesjonen til belegget.De adsorptive egenskapene til produktene ble evaluert ved samtidig TGA-DTG og deres adhesjon ble karakterisert ved en metode basert på testene beskrevet i ISO2409.Konsistensen og adhesjonen til CaCl2-belegget er betydelig forbedret samtidig som adsorpsjonskapasiteten opprettholdes med en vektforskjell på ca. 0,1 g/g ved temperaturer under 100 °C.I tillegg beholder MgSO4 evnen til å danne hydrater, og viser en masseforskjell på mer enn 0,04 g/g ved temperaturer under 100 °C.Til slutt undersøkes belagte metallfibre.Resultatene viser at den effektive varmeledningsevnen til fiberstrukturen belagt med Al2(SO4)3 kan være 4,7 ganger høyere sammenlignet med volumet av ren Al2(SO4)3.Belegget av de studerte beleggene ble undersøkt visuelt, og den indre strukturen ble evaluert ved hjelp av et mikroskopisk bilde av tverrsnittene.Et belegg av Al2(SO4)3 med en tykkelse på ca. 50 µm ble oppnådd, men den totale prosessen må optimaliseres for å oppnå en jevnere fordeling.
Adsorpsjonssystemer har fått mye oppmerksomhet de siste tiårene da de er et miljøvennlig alternativ til tradisjonelle kompresjonsvarmepumper eller kjølesystemer.Med økende komfortstandarder og globale gjennomsnittstemperaturer, kan adsorpsjonssystemer redusere avhengigheten av fossilt brensel i nær fremtid.I tillegg kan eventuelle forbedringer innen adsorpsjonskjøling eller varmepumper overføres til termisk energilagring, noe som representerer en ytterligere økning i potensialet for effektiv bruk av primærenergi.Hovedfordelen med adsorpsjonsvarmepumper og kuldeanlegg er at de kan operere med lav varmemasse.Dette gjør dem egnet for lavtemperaturkilder som solenergi eller spillvarme.Når det gjelder energilagringsapplikasjoner, har adsorpsjon fordelen av høyere energitetthet og mindre energispredning sammenlignet med fornuftig eller latent varmelagring.
Adsorpsjonsvarmepumper og kjølesystemer følger samme termodynamiske syklus som deres dampkompresjonsmotstykker.Hovedforskjellen er utskifting av kompressorkomponenter med adsorbere.Elementet er i stand til å adsorbere lavtrykkskjølemiddeldamp ved moderate temperaturer, og fordamper mer kjølemiddel selv når væsken er kald.Det er nødvendig å sikre konstant avkjøling av adsorberen for å utelukke adsorpsjonsentalpien (eksoterm).Adsorberen regenereres ved høy temperatur, noe som får kjølemiddeldampen til å desorbere.Oppvarming må fortsette å gi desorpsjonsentalpien (endotermisk).Fordi adsorpsjonsprosesser er preget av temperaturendringer, krever høy effekttetthet høy varmeledningsevne.Imidlertid er lav varmeledningsevne den desidert største ulempen i de fleste applikasjoner.
Hovedproblemet med konduktivitet er å øke dens gjennomsnittsverdi samtidig som transportveien som gir strømmen av adsorpsjons-/desorpsjonsdamp opprettholdes.To tilnærminger brukes vanligvis for å oppnå dette: komposittvarmevekslere og belagte varmevekslere.De mest populære og vellykkede komposittmaterialene er de som bruker karbonbaserte tilsetningsstoffer, nemlig ekspandert grafitt, aktivert karbon eller karbonfibre.Oliveira et al.2 impregnert ekspandert grafittpulver med kalsiumklorid for å produsere en adsorber med en spesifikk kjølekapasitet (SCP) på opptil 306 W/kg og en ytelseskoeffisient (COP) på opptil 0,46.Zajaczkowski et al.3 foreslo en kombinasjon av ekspandert grafitt, karbonfiber og kalsiumklorid med en total ledningsevne på 15 W/mK.Jian et al4 testet kompositter med svovelsyrebehandlet ekspandert naturlig grafitt (ENG-TSA) som substrat i en to-trinns adsorpsjonskjølingssyklus.Modellen spådde COP fra 0,215 til 0,285 og SCP fra 161,4 til 260,74 W/kg.
Den desidert mest levedyktige løsningen er den belagte varmeveksleren.Beleggingsmekanismene til disse varmevekslerne kan deles inn i to kategorier: direkte syntese og lim.Den mest vellykkede metoden er direkte syntese, som involverer dannelse av adsorberende materialer direkte på overflaten av varmevekslere fra passende reagenser.Sotech5 har patentert en metode for syntetisering av belagt zeolitt for bruk i en serie kjølere produsert av Fahrenheit GmbH.Schnabel et al6 testet ytelsen til to zeolitter belagt på rustfritt stål.Denne metoden fungerer imidlertid kun med spesifikke adsorbenter, noe som gjør belegg med lim til et interessant alternativ.Bindemidler er passive stoffer valgt for å støtte adhesjon og/eller masseoverføring, men spiller ingen rolle i adsorpsjon eller ledningsevneforbedring.Freni et al.7 belagte aluminiumsvarmevekslere med AQSOA-Z02 zeolitt stabilisert med et leirebasert bindemiddel.Calabrese et al.8 studerte fremstillingen av zeolittbelegg med polymere bindemidler.Ammann et al.9 foreslo en metode for fremstilling av porøse zeolittbelegg fra magnetiske blandinger av polyvinylalkohol.Alumina (alumina) brukes også som bindemiddel 10 i adsorberen.Så vidt vi vet, brukes cellulose og hydroksyetylcellulose kun i kombinasjon med fysiske adsorbenter11,12.Noen ganger brukes ikke limet til malingen, men brukes til å bygge strukturen 13 på egen hånd.Kombinasjonen av alginatpolymermatriser med flere salthydrater danner fleksible komposittkulestrukturer som forhindrer lekkasje under tørking og gir tilstrekkelig masseoverføring.Leire som bentonitt og attapulgitt har blitt brukt som bindemidler for fremstilling av kompositter15,16,17.Etylcellulose har blitt brukt til å mikroinnkapsle kalsiumklorid18 eller natriumsulfid19.
Kompositter med porøs metallstruktur kan deles inn i additive varmevekslere og belagte varmevekslere.Fordelen med disse strukturene er det høye spesifikke overflatearealet.Dette resulterer i en større kontaktflate mellom adsorbent og metall uten tilsetning av en inert masse, noe som reduserer den totale effektiviteten til kjølesyklusen.Lang et al.20 har forbedret den totale ledningsevnen til en zeolittadsorber med en bikakestruktur av aluminium.Gillerminot et al.21 forbedret den termiske ledningsevnen til NaX zeolittlag med kobber- og nikkelskum.Selv om kompositter brukes som faseendringsmaterialer (PCM), er funnene til Li et al.22 og Zhao et al.23 er også av interesse for kjemisorpsjon.De sammenlignet ytelsen til ekspandert grafitt og metallskum og konkluderte med at sistnevnte kun var å foretrekke hvis korrosjon ikke var et problem.Palomba et al.har nylig sammenlignet andre metalliske porøse strukturer24.Van der Pal et al.har studert metallsalter innebygd i skum 25 .Alle tidligere eksempler tilsvarer tette lag av partikkelformige adsorbenter.Metallporøse strukturer brukes praktisk talt ikke til å belegge adsorbere, noe som er en mer optimal løsning.Et eksempel på binding til zeolitter kan finnes i Wittstadt et al.26 men det er ikke gjort noe forsøk på å binde salthydrater til tross for deres høyere energitetthet 27 .
Tre metoder for å fremstille adsorberende belegg vil derfor bli utforsket i denne artikkelen: (1) bindemiddelbelegg, (2) direkte reaksjon og (3) overflatebehandling.Hydroksyetylcellulose var det foretrukne bindemiddelet i dette arbeidet på grunn av tidligere rapportert stabilitet og god beleggvedheft i kombinasjon med fysiske adsorbenter.Denne metoden ble først undersøkt for flate belegg og senere brukt på metallfiberstrukturer.Tidligere ble det rapportert om en foreløpig analyse av muligheten for kjemiske reaksjoner med dannelse av adsorberende belegg.Tidligere erfaring overføres nå til belegging av metallfiberstrukturer.Overflatebehandlingen som er valgt for dette arbeidet er en metode basert på aluminiumanodisering.Aluminiumanodisering har blitt vellykket kombinert med metallsalter for estetiske formål29.I disse tilfellene kan meget stabile og korrosjonsbestandige belegg oppnås.De kan imidlertid ikke utføre noen adsorpsjons- eller desorpsjonsprosess.Denne artikkelen presenterer en variant av denne tilnærmingen som gjør at masse kan flyttes ved å bruke de klebemiddelegenskapene til den opprinnelige prosessen.Så vidt vi vet er ingen av metodene beskrevet her tidligere studert.De representerer en veldig interessant ny teknologi fordi de tillater dannelse av hydratiserte adsorberende belegg, som har en rekke fordeler i forhold til de ofte studerte fysiske adsorbentene.
De stemplede aluminiumsplatene som ble brukt som underlag for disse eksperimentene ble levert av ALINVEST Břidličná, Tsjekkia.De inneholder 98,11 % aluminium, 1,3622 % jern, 0,3618 % mangan og spor av kobber, magnesium, silisium, titan, sink, krom og nikkel.
Materialene som velges for fremstilling av kompositter er valgt i henhold til deres termodynamiske egenskaper, nemlig avhengig av mengden vann som de kan adsorbere/desorbere ved temperaturer under 120°C.
Magnesiumsulfat (MgSO4) er et av de mest interessante og studerte hydratiserte saltene30,31,32,33,34,35,36,37,38,39,40,41.De termodynamiske egenskapene er systematisk målt og funnet å være egnet for applikasjoner innen adsorpsjonskjøling, varmepumper og energilagring.Tørr magnesiumsulfat CAS-Nr.7487-88-9 99% (Grüssing GmbH, Filsum, Niedersachsen, Tyskland) ble brukt.
Kalsiumklorid (CaCl2) (H319) er et annet godt studert salt fordi hydratet har interessante termodynamiske egenskaper41,42,43,44.Kalsiumkloridheksahydrat CAS-nr.7774-34-7 97 % brukt (Grüssing, GmbH, Filsum, Niedersachsen, Tyskland).
Sinksulfat (ZnSO4) (H3O2, H318, H410) og dets hydrater har termodynamiske egenskaper egnet for adsorpsjonsprosesser ved lav temperatur45,46.Sinksulfatheptahydrat CAS-Nr.7733-02-0 99,5 % (Grüssing GmbH, Filsum, Niedersachsen, Tyskland) ble brukt.
Strontiumklorid (SrCl2) (H318) har også interessante termodynamiske egenskaper4,45,47 selv om det ofte kombineres med ammoniakk i adsorpsjonsvarmepumpe- eller energilagringsforskning.Strontiumkloridheksahydrat CAS-Nr.10.476-85-4 99,0–102,0 % (Sigma Aldrich, St. Louis, Missouri, USA) ble brukt til syntesen.
Kobbersulfat (CuSO4) (H302, H315, H319, H410) er ikke blant hydratene som ofte finnes i faglitteraturen, selv om dets termodynamiske egenskaper er av interesse for lavtemperaturapplikasjoner48,49.Kobbersulfat CAS-Nr.7758-99-8 99% (Sigma Aldrich, St. Louis, MO, USA) ble brukt til syntesen.
Magnesiumklorid (MgCl2) er et av de hydratiserte saltene som nylig har fått mer oppmerksomhet innen termisk energilagring50,51.Magnesiumkloridheksahydrat CAS-Nr.7791-18-6 ren farmasøytisk kvalitet (Applichem GmbH., Darmstadt, Tyskland) ble brukt for forsøkene.
Som nevnt ovenfor ble hydroksyetylcellulose valgt på grunn av de positive resultatene i lignende applikasjoner.Materialet som brukes i vår syntese er hydroksyetylcellulose CAS-Nr 9004-62-0 (Sigma Aldrich, St. Louis, MO, USA).
Metallfibre er laget av korte ledninger bundet sammen ved kompresjon og sintring, en prosess kjent som smelteekstraksjon av smeltedigel (CME)52.Dette betyr at deres varmeledningsevne ikke bare avhenger av bulkledningsevnen til metallene som brukes i fremstillingen og porøsiteten til den endelige strukturen, men også av kvaliteten på bindingene mellom trådene.Fibrene er ikke isotrope og har en tendens til å bli fordelt i en bestemt retning under produksjonen, noe som gjør varmeledningsevnen i tverrretningen mye lavere.
Vannabsorpsjonsegenskapene ble undersøkt ved bruk av simultan termogravimetrisk analyse (TGA)/differensiell termogravimetrisk analyse (DTG) i en vakuumpakke (Netzsch TG 209 F1 Libra).Målingene ble utført i en flytende nitrogenatmosfære med en strømningshastighet på 10 ml/min og et temperaturområde fra 25 til 150°C i aluminiumoksiddigler.Oppvarmingshastigheten var 1 °C/min, prøvevekten varierte fra 10 til 20 mg, oppløsningen var 0,1 μg.I dette arbeidet skal det bemerkes at masseforskjellen per flateenhet har stor usikkerhet.Prøvene som brukes i TGA-DTG er svært små og uregelmessig kuttet, noe som gjør områdebestemmelsen unøyaktig.Disse verdiene kan kun ekstrapoleres til et større område dersom det tas hensyn til store avvik.
Dempet totalrefleksjon Fourier-transformasjons-infrarøde (ATR-FTIR)-spektra ble anskaffet på et Bruker Vertex 80 v FTIR-spektrometer (Bruker Optik GmbH, Leipzig, Tyskland) ved bruk av et ATR-platinatilbehør (Bruker Optik GmbH, Tyskland).Spektrene til rene tørre diamantkrystaller ble målt direkte i vakuum før prøvene ble brukt som bakgrunn for eksperimentelle målinger.Prøvene ble målt i vakuum ved bruk av en spektral oppløsning på 2 cm-1 og et gjennomsnittlig antall skanninger på 32. Bølgenummer varierer fra 8000 til 500 cm-1.Spektralanalyse ble utført ved bruk av OPUS-programmet.
SEM-analyse ble utført ved bruk av en DSM 982 Gemini fra Zeiss ved akselererende spenninger på 2 og 5 kV.Energidispersiv røntgenspektroskopi (EDX) ble utført ved bruk av et Thermo Fischer System 7 med en Peltier-kjølt silisiumdriftdetektor (SSD).
Fremstillingen av metallplater ble utført i henhold til prosedyren lik den som er beskrevet i 53. Senk først platen i 50 % svovelsyre.15 minutter.Deretter ble de innført i 1 M natriumhydroksidløsning i ca. 10 sekunder.Deretter ble prøvene vasket med en stor mengde destillert vann, og deretter bløtlagt i destillert vann i 30 minutter.Etter foreløpig overflatebehandling ble prøvene nedsenket i en 3 % mettet løsning.HEC og målsalt.Ta dem til slutt ut og tørk dem ved 60°C.
Anodiseringsmetoden forsterker og styrker det naturlige oksidlaget på det passive metallet.Aluminiumsplatene ble anodisert med svovelsyre i herdet tilstand og deretter forseglet i varmt vann.Anodisering fulgte en innledende etsing med 1 mol/l NaOH (600 s) etterfulgt av nøytralisering i 1 mol/l HNO3 (60 s).Elektrolyttløsningen er en blanding av 2,3 M H2SO4, 0,01 M Al2(SO4)3 og 1 M MgSO4 + 7H2O.Anodisering ble utført ved (40 ± 1)°C, 30 mA/cm2 i 1200 sekunder.Forseglingsprosessen ble utført i ulike saltvannsløsninger som beskrevet i materialene (MgSO4, CaCl2, ZnSO4, SrCl2, CuSO4, MgCl2).Prøven kokes i den i 1800 sekunder.
Tre ulike metoder for å produsere kompositter er undersøkt: limbelegg, direkte reaksjon og overflatebehandling.Fordelene og ulempene ved hver treningsmetode analyseres og diskuteres systematisk.Direkte observasjon, nanoimaging og kjemisk/elementær analyse ble brukt for å evaluere resultatene.
Anodisering ble valgt som en konverteringsoverflatebehandlingsmetode for å øke vedheften til salthydrater.Denne overflatebehandlingen skaper en porøs struktur av alumina (aluminiumoksyd) direkte på aluminiumsoverflaten.Tradisjonelt består denne metoden av to trinn: det første trinnet skaper en porøs struktur av aluminiumoksid, og det andre trinnet lager et belegg av aluminiumhydroksid som lukker porene.Følgende er to metoder for å blokkere salt uten å blokkere tilgangen til gassfasen.Den første består av et honeycomb-system som bruker små aluminiumoksid (Al2O3)-rør oppnådd i det første trinnet for å holde adsorbentkrystallene og øke deres adhesjon til metalloverflater.De resulterende honningkakene har en diameter på ca. 50 nm og en lengde på 200 nm (fig. 1a).Som nevnt tidligere lukkes disse hulrommene vanligvis i et andre trinn med et tynt lag av Al2O(OH)2-bøhmitt støttet av kokeprosessen for aluminiumoksydrør.I den andre metoden modifiseres denne forseglingsprosessen på en slik måte at saltkrystallene fanges opp i et jevnt dekkende lag av bøhmitt (Al2O(OH)), som ikke brukes til forsegling i dette tilfellet.Det andre trinnet utføres i en mettet løsning av det tilsvarende saltet.De beskrevne mønstrene har størrelser i området 50–100 nm og ser ut som sprutede dråper (fig. 1b).Overflaten oppnådd som et resultat av forseglingsprosessen har en uttalt romlig struktur med økt kontaktflate.Dette overflatemønsteret, sammen med deres mange bindingskonfigurasjoner, er ideelt for å bære og holde saltkrystaller.Begge strukturene som er beskrevet ser ut til å være virkelig porøse og har små hulrom som ser ut til å være godt egnet for å holde på salthydrater og adsorbere damper til saltet under drift av adsorberen.Elementær analyse av disse overflatene ved bruk av EDX kan imidlertid oppdage spormengder av magnesium og svovel på overflaten av boehmitt, som ikke oppdages i tilfelle av en aluminiumoksydoverflate.
ATR-FTIR av prøven bekreftet at elementet var magnesiumsulfat (se figur 2b).Spekteret viser karakteristiske sulfationtopper ved 610–680 og 1080–1130 cm–1 og karakteristiske gittervanntopper ved 1600–1700 cm–1 og 3200–3800 cm–1 (se fig. 2a, c).).Tilstedeværelsen av magnesiumioner endrer nesten ikke spekteret54.
(a) EDX av en boehmittbelagt MgSO4-aluminiumsplate, (b) ATR-FTIR-spektra av boehmitt- og MgSO4-belegg, (c) ATR-FTIR-spektra av ren MgSO4.
Opprettholdelse av adsorpsjonseffektivitet ble bekreftet av TGA.På fig.3b viser en desorpsjonstopp på ca.60°C.Denne toppen tilsvarer ikke temperaturen til de to toppene observert i TGA av rent salt (fig. 3a).Repeterbarheten til adsorpsjon-desorpsjonssyklusen ble evaluert, og den samme kurven ble observert etter å ha plassert prøvene i en fuktig atmosfære (fig. 3c).Forskjellene observert i det andre trinnet av desorpsjon kan være et resultat av dehydrering i en flytende atmosfære, da dette ofte fører til ufullstendig dehydrering.Disse verdiene tilsvarer ca. 17,9 g/m2 ved første avvanning og 10,3 g/m2 ved andre avvanning.
Sammenligning av TGA-analyse av boehmitt og MgSO4: TGA-analyse av ren MgSO4 (a), blanding (b) og etter rehydrering (c).
Den samme metoden ble utført med kalsiumklorid som adsorbent.Resultatene er presentert i figur 4. Visuell inspeksjon av overflaten avdekket mindre endringer i den metalliske gløden.Pelsen er knapt synlig.SEM bekreftet tilstedeværelsen av små krystaller jevnt fordelt over overflaten.Imidlertid viste TGA ingen dehydrering under 150°C.Dette kan skyldes at andelen salt er for liten sammenlignet med den totale massen av substratet for påvisning ved TGA.
Resultatene av overflatebehandling av kobbersulfatbelegget ved anodiseringsmetoden er vist i fig.5. I dette tilfellet skjedde ikke den forventede inkorporeringen av CuSO4 i Al-oksidstrukturen.I stedet observeres løse nåler da de ofte brukes til kobberhydroksid Cu(OH)2 brukt med typiske turkise fargestoffer.
Den anodiserte overflatebehandlingen ble også testet i kombinasjon med strontiumklorid.Resultatene viste ujevn dekning (se figur 6a).For å avgjøre om saltet dekket hele overflaten ble det utført en EDX-analyse.Kurven for et punkt i gråsonen (punkt 1 i fig. 6b) viser lite strontium og mye aluminium.Dette indikerer lavt innhold av strontium i den målte sonen, som igjen indikerer lav dekning av strontiumklorid.Motsatt har hvite områder et høyt innhold av strontium og et lavt innhold av aluminium (punkt 2–6 i fig. 6b).EDX-analyse av det hvite området viser mørkere prikker (punkt 2 og 4 i fig. 6b), lite klor og høyt svovelinnhold.Dette kan indikere dannelsen av strontiumsulfat.Lysere prikker reflekterer høyt klorinnhold og lavt svovelinnhold (punkt 3, 5 og 6 i fig. 6b).Dette kan forklares med at hoveddelen av det hvite belegget består av forventet strontiumklorid.TGA for prøven bekreftet tolkningen av analysen med en topp ved den karakteristiske temperaturen til rent strontiumklorid (fig. 6c).Deres lille verdi kan rettferdiggjøres med en liten brøkdel salt sammenlignet med massen til metallstøtten.Desorpsjonsmassen bestemt i forsøkene tilsvarer mengden på 7,3 g/m2 avgitt per arealenhet av adsorberen ved en temperatur på 150°C.
Eloxal-behandlede sinksulfatbelegg ble også testet.Makroskopisk er belegget et meget tynt og jevnt lag (fig. 7a).Imidlertid avslørte SEM et overflateareal dekket med små krystaller atskilt av tomme områder (fig. 7b).TGA for belegget og substratet ble sammenlignet med det for rent salt (figur 7c).Rent salt har en asymmetrisk topp ved 59,1 °C.Det belagte aluminiumet viste to små topper ved 55,5°C og 61,3°C, noe som indikerer tilstedeværelsen av sinksulfathydrat.Masseforskjellen avdekket i forsøket tilsvarer 10,9 g/m2 ved en dehydreringstemperatur på 150°C.
Som i forrige søknad53 ble hydroksyetylcellulose brukt som bindemiddel for å forbedre adhesjonen og stabiliteten til det sorberende belegget.Materialkompatibilitet og effekt på adsorpsjonsytelse ble vurdert av TGA.Analysen utføres i forhold til totalmassen, dvs. prøven inkluderer en metallplate som brukes som beleggssubstrat.Vedheft testes med en test basert på krysshakktesten definert i ISO2409-spesifikasjonen (kan ikke oppfylle spesifikasjonen for hakkseparasjon avhengig av spesifikasjonens tykkelse og bredde).
Å belegge panelene med kalsiumklorid (CaCl2) (se fig. 8a) resulterte i ujevn fordeling, noe som ikke ble observert i det rene aluminiumsbelegget som ble brukt til tverrsnitttesten.Sammenlignet med resultatene for ren CaCl2 viser TGA (fig. 8b) to karakteristiske topper forskjøvet mot lavere temperaturer på henholdsvis 40 og 20°C.Tverrsnittstesten tillater ikke en objektiv sammenligning fordi den rene CaCl2-prøven (prøven til høyre i fig. 8c) er et pulveraktig bunnfall, som fjerner de øverste partiklene.HEC-resultatene viste et meget tynt og jevnt belegg med tilfredsstillende vedheft.Masseforskjellen vist i fig.8b tilsvarer 51,3 g/m2 per arealenhet av adsorberen ved en temperatur på 150°C.
Positive resultater når det gjelder adhesjon og jevnhet ble også oppnådd med magnesiumsulfat (MgSO4) (se fig. 9).Analyse av desorpsjonsprosessen til belegget viste tilstedeværelse av en topp på ca.60°C.Denne temperaturen tilsvarer hoveddesorpsjonstrinnet sett i dehydreringen av rene salter, og representerer et annet trinn ved 44°C.Det tilsvarer overgangen fra heksahydrat til pentahydrat og observeres ikke ved belegg med bindemidler.Tverrsnittstester viser forbedret fordeling og vedheft sammenlignet med belegg laget med rent salt.Masseforskjellen observert i TGA-DTC tilsvarer 18,4 g/m2 per arealenhet av adsorberen ved en temperatur på 150°C.
På grunn av overflateuregelmessigheter har strontiumklorid (SrCl2) et ujevnt belegg på finnene (fig. 10a).Resultatene av tverrsnitttesten viste imidlertid jevn fordeling med betydelig forbedret adhesjon (fig. 10c).TGA-analyse viste en svært liten forskjell i vekt, noe som må skyldes lavere saltinnhold sammenlignet med metallsubstratet.Trinnene på kurven viser imidlertid tilstedeværelsen av en dehydreringsprosess, selv om toppen er assosiert med temperaturen oppnådd ved karakterisering av rent salt.Toppene ved 110°C og 70,2°C observert i fig.10b ble også funnet ved analyse av rent salt.Imidlertid ble hoveddehydreringstrinnet observert i rent salt ved 50°C ikke reflektert i kurvene ved bruk av bindemidlet.Derimot viste bindemiddelblandingen to topper ved 20,2°C og 94,1°C, som ikke ble målt for det rene saltet (fig. 10b).Ved en temperatur på 150 °C tilsvarer den observerte masseforskjellen 7,2 g/m2 per arealenhet av adsorberen.
Kombinasjonen av HEC og sinksulfat (ZnSO4) ga ikke akseptable resultater (Figur 11).TGA-analyse av det belagte metallet avslørte ingen dehydreringsprosesser.Selv om fordelingen og vedheften til belegget har blitt bedre, er egenskapene fortsatt langt fra optimale.
Den enkleste måten å belegge metallfibre med et tynt og jevnt lag er våtimpregnering (fig. 12a), som inkluderer tilberedning av målsaltet og impregnering av metallfibre med en vandig løsning.
Ved klargjøring for våtimpregnering støter man på to hovedproblemer.På den ene siden forhindrer overflatespenningen til saltvannsoppløsningen riktig innlemmelse av væsken i den porøse strukturen.Krystallisering på den ytre overflaten (fig. 12d) og luftbobler fanget inne i strukturen (fig. 12c) kan bare reduseres ved å senke overflatespenningen og forhåndsfukte prøven med destillert vann.Tvunget oppløsning i prøven ved å evakuere luften i eller ved å skape en løsningsstrøm i strukturen er andre effektive måter å sikre fullstendig fylling av strukturen.
Det andre problemet som ble møtt under forberedelsen var fjerning av filmen fra en del av saltet (se fig. 12b).Dette fenomenet er karakterisert ved dannelsen av et tørt belegg på oppløsningsoverflaten, som stopper den konvektivt stimulerte tørkingen og starter den diffusjonsstimulerte prosessen.Den andre mekanismen er mye tregere enn den første.Som et resultat kreves det høy temperatur for en rimelig tørketid, noe som øker risikoen for bobler inni prøven.Dette problemet løses ved å introdusere en alternativ metode for krystallisering basert ikke på konsentrasjonsendring (fordampning), men på temperaturendringer (som i eksempelet med MgSO4 i fig. 13).
Skjematisk fremstilling av krystalliseringsprosessen under avkjøling og separasjon av faste og flytende faser ved bruk av MgSO4.
Mettede saltløsninger kan fremstilles ved eller over romtemperatur (HT) ved å bruke denne metoden.I det første tilfellet ble krystallisering tvunget frem ved å senke temperaturen under romtemperatur.I det andre tilfellet skjedde krystallisering når prøven ble avkjølt til romtemperatur (RT).Resultatet er en blanding av krystaller (B) og oppløst (A), hvis flytende del fjernes med trykkluft.Denne tilnærmingen unngår ikke bare dannelsen av en film på disse hydratene, men reduserer også tiden som kreves for fremstilling av andre kompositter.Fjerning av væske med trykkluft fører imidlertid til ytterligere krystallisering av saltet, noe som resulterer i et tykkere belegg.
En annen metode som kan brukes til å belegge metalloverflater involverer direkte produksjon av målsalter gjennom kjemiske reaksjoner.Belagte varmevekslere laget ved reaksjon av syrer på metalloverflatene til finner og rør har en rekke fordeler, som rapportert i vår tidligere studie.Anvendelsen av denne metoden på fibre førte til svært dårlige resultater på grunn av dannelsen av gasser under reaksjonen.Trykket til hydrogengassboblene bygges opp inne i sonden og skifter etter hvert som produktet skytes ut (fig. 14a).
Belegget har blitt modifisert gjennom en kjemisk reaksjon for bedre å kontrollere tykkelsen og fordelingen av belegget.Denne metoden innebærer å føre en sur tåkestrøm gjennom prøven (Figur 14b).Dette forventes å resultere i et jevnt belegg ved reaksjon med substratmetallet.Resultatene var tilfredsstillende, men prosessen gikk for sakte til å kunne anses som en effektiv metode (fig. 14c).Kortere reaksjonstider kan oppnås ved lokalisert oppvarming.
For å overvinne ulempene ved metodene ovenfor, er en belegningsmetode basert på bruk av lim blitt studert.HEC ble valgt basert på resultatene presentert i forrige avsnitt.Alle prøver ble fremstilt ved 3 vekt-%.Bindemidlet blandes med salt.Fibrene ble forbehandlet etter samme prosedyre som for ribben, dvs. bløtlagt i 50 % vol.innen 15 minutter.svovelsyre, deretter bløtlagt i natriumhydroksid i 20 sekunder, vasket i destillert vann og til slutt bløtlagt i destillert vann i 30 minutter.I dette tilfellet ble det lagt til et ekstra trinn før impregnering.Senk prøven kort i en fortynnet målsaltløsning og tørk ved ca. 60°C.Prosessen er designet for å modifisere overflaten av metallet, og skape kjernedannelsessteder som forbedrer fordelingen av belegget i sluttfasen.Fiberstrukturen har en side hvor filamentene er tynnere og tettpakket, og den motsatte siden hvor filamentene er tykkere og mindre fordelt.Dette er resultatet av 52 produksjonsprosesser.
Resultatene for kalsiumklorid (CaCl2) er oppsummert og illustrert med bilder i tabell 1. God dekning etter inokulering.Selv de trådene uten synlige krystaller på overflaten hadde reduserte metalliske refleksjoner, noe som indikerer en endring i finish.Etter at prøvene ble impregnert med en vandig blanding av CaCl2 og HEC og tørket ved en temperatur på ca. 60°C, ble imidlertid beleggene konsentrert ved skjæringspunktene mellom strukturene.Dette er en effekt forårsaket av overflatespenningen til løsningen.Etter bløtlegging forblir væsken inne i prøven på grunn av overflatespenningen.I utgangspunktet skjer det i skjæringspunktet mellom strukturer.Den beste siden av prøven har flere hull fylt med salt.Vekten økte med 0,06 g/cm3 etter belegning.
Belegg med magnesiumsulfat (MgSO4) ga mer salt per volumenhet (tabell 2).I dette tilfellet er den målte økningen 0,09 g/cm3.Såingsprosessen resulterte i omfattende prøvedekning.Etter belegningsprosessen blokkerer saltet store områder av den tynne siden av prøven.I tillegg er noen områder av matten blokkert, men noe porøsitet beholdes.I dette tilfellet er saltdannelse lett observert i skjæringspunktet mellom strukturene, noe som bekrefter at belegningsprosessen hovedsakelig skyldes overflatespenningen til væsken, og ikke samspillet mellom saltet og metallsubstratet.
Resultatene for kombinasjonen av strontiumklorid (SrCl2) og HEC viste lignende egenskaper som de foregående eksemplene (tabell 3).I dette tilfellet er den tynnere siden av prøven nesten fullstendig dekket.Bare individuelle porer er synlige, dannet under tørking som et resultat av frigjøring av damp fra prøven.Mønsteret observert på den matte siden er veldig lik det forrige tilfellet, området er blokkert med salt og fibrene er ikke helt dekket.
For å evaluere den positive effekten av den fibrøse strukturen på den termiske ytelsen til varmeveksleren, ble den effektive termiske ledningsevnen til den belagte fibrøse strukturen bestemt og sammenlignet med det rene beleggmaterialet.Termisk ledningsevne ble målt i henhold til ASTM D 5470-2017 ved bruk av flatpanelanordningen vist i figur 15a ved bruk av et referansemateriale med kjent termisk ledningsevne.Sammenlignet med andre transiente målemetoder er dette prinsippet fordelaktig for porøse materialer som brukes i den aktuelle studien, siden målingene utføres i en jevn tilstand og med tilstrekkelig prøvestørrelse (grunnareal 30 × 30 mm2, høyde ca. 15 mm).Prøver av det rene beleggmaterialet (referanse) og den belagte fiberstrukturen ble forberedt for målinger i fiberretningen og vinkelrett på fiberretningen for å evaluere effekten av anisotrop varmeledningsevne.Prøvene ble slipt på overflaten (P320-korn) for å minimere effekten av overflateruhet på grunn av prøveforberedelse, som ikke reflekterer strukturen i prøven.