Dziękujemy za odwiedzenie Nature.com.Wersja przeglądarki, której używasz, ma ograniczoną obsługę CSS.Aby uzyskać najlepsze wrażenia, zalecamy korzystanie ze zaktualizowanej przeglądarki (lub wyłączenie trybu zgodności w Internet Explorerze).W międzyczasie, aby zapewnić ciągłe wsparcie, będziemy renderować witrynę bez stylów i języka JavaScript.
Udział w rynku adsorpcyjnych systemów chłodniczych i pomp ciepła jest wciąż stosunkowo niewielki w porównaniu z tradycyjnymi systemami sprężarkowymi.Pomimo ogromnej przewagi wykorzystania taniego ciepła (zamiast kosztownych prac elektrycznych), implementacja systemów opartych na zasadach adsorpcji wciąż ogranicza się do kilku konkretnych zastosowań.Główną wadą, którą należy wyeliminować, jest spadek mocy właściwej z uwagi na niską przewodność cieplną i małą stabilność adsorbentu.Obecnie najnowocześniejsze komercyjne adsorpcyjne systemy chłodnicze oparte są na adsorberach opartych na płytowych wymiennikach ciepła powlekanych w celu optymalizacji wydajności chłodzenia.Wyniki są dobrze znane, że zmniejszenie grubości powłoki prowadzi do zmniejszenia impedancji przenoszenia masy, a zwiększenie stosunku pola powierzchni do objętości struktur przewodzących zwiększa moc bez uszczerbku dla wydajności.Zastosowane w tej pracy włókna metalowe mogą zapewnić powierzchnię właściwą w zakresie 2500–50 000 m2/m3.Trzy metody otrzymywania bardzo cienkich, ale stabilnych powłok hydratów soli na powierzchniach metalowych, w tym włókien metalowych, do wytwarzania powłok demonstrują po raz pierwszy wymiennik ciepła o dużej gęstości mocy.Obróbka powierzchni oparta na anodowaniu aluminium jest wybierana w celu stworzenia silniejszego wiązania między powłoką a podłożem.Mikrostrukturę otrzymanej powierzchni analizowano za pomocą skaningowej mikroskopii elektronowej.Do sprawdzenia obecności pożądanych związków w teście zastosowano spektroskopię w podczerwieni z transformacją Fouriera i spektroskopię rentgenowską z dyspersją energii o zmniejszonym całkowitym odbiciu.Ich zdolność do tworzenia hydratów została potwierdzona przez połączoną analizę termograwimetryczną (TGA)/różnicową analizę termograwimetryczną (DTG).Złą jakość powyżej 0,07 g (woda)/g (kompozyt) stwierdzono w powłoce MgSO4, wykazującej oznaki odwodnienia w temperaturze około 60°C i powtarzalnej po ponownym uwodnieniu.Pozytywne wyniki uzyskano również dla SrCl2 i ZnSO4 z różnicą masy około 0,02 g/g poniżej 100°C.Hydroksyetylocelulozę wybrano jako dodatek zwiększający stabilność i przyczepność powłoki.Właściwości adsorpcyjne produktów oceniono za pomocą jednoczesnej TGA-DTG, a ich adhezję scharakteryzowano metodą opartą na testach opisanych w ISO2409.Konsystencja i adhezja powłoki CaCl2 ulega znacznej poprawie przy zachowaniu jej zdolności adsorpcyjnej przy różnicy masy około 0,1 g/g w temperaturach poniżej 100°C.Ponadto MgSO4 zachowuje zdolność tworzenia hydratów, wykazując różnicę masy większą niż 0,04 g/g w temperaturach poniżej 100°C.Na koniec badane są powlekane włókna metalowe.Wyniki pokazują, że efektywna przewodność cieplna struktury włóknistej pokrytej Al2(SO4)3 może być 4,7 razy większa w porównaniu do objętości czystego Al2(SO4)3.Powłoka badanych powłok została zbadana wizualnie, a struktura wewnętrzna została oceniona za pomocą obrazu mikroskopowego przekrojów poprzecznych.Uzyskano powłokę Al2(SO4)3 o grubości około 50 µm, ale cały proces musi zostać zoptymalizowany, aby uzyskać bardziej równomierny rozkład.
Systemy adsorpcyjne zyskały wiele uwagi w ciągu ostatnich kilku dekad, ponieważ stanowią przyjazną dla środowiska alternatywę dla tradycyjnych sprężarkowych pomp ciepła lub systemów chłodniczych.Wraz z rosnącymi standardami komfortu i średnimi temperaturami na świecie systemy adsorpcyjne mogą w najbliższej przyszłości zmniejszyć zależność od paliw kopalnych.Dodatkowo wszelkie usprawnienia w chłodnictwie adsorpcyjnym czy pompach ciepła mogą zostać przeniesione do magazynowania energii cieplnej, co stanowi dodatkowy wzrost potencjału efektywnego wykorzystania energii pierwotnej.Główną zaletą adsorpcyjnych pomp ciepła i systemów chłodniczych jest to, że mogą pracować z małą masą cieplną.Dzięki temu nadają się do źródeł o niskiej temperaturze, takich jak energia słoneczna lub ciepło odpadowe.Jeśli chodzi o zastosowania związane z magazynowaniem energii, zaletą adsorpcji jest większa gęstość energii i mniejsze rozpraszanie energii w porównaniu z magazynowaniem ciepła jawnego lub utajonego.
Adsorpcyjne pompy ciepła i systemy chłodnicze podlegają temu samemu cyklowi termodynamicznemu, co ich odpowiedniki ze sprężaniem pary.Główną różnicą jest zastąpienie elementów sprężarki adsorberami.Element jest w stanie adsorbować opary czynnika chłodniczego pod niskim ciśnieniem w umiarkowanych temperaturach, odparowując więcej czynnika chłodniczego, nawet gdy ciecz jest zimna.Konieczne jest zapewnienie stałego chłodzenia adsorbera w celu wykluczenia entalpii adsorpcji (egzotermy).Adsorber jest regenerowany w wysokiej temperaturze, co powoduje desorpcję oparów czynnika chłodniczego.Ogrzewanie musi nadal zapewniać entalpię desorpcji (endotermiczną).Ponieważ procesy adsorpcji charakteryzują się zmianami temperatury, wysoka gęstość mocy wymaga wysokiej przewodności cieplnej.Jednak niska przewodność cieplna jest zdecydowanie główną wadą w większości zastosowań.
Głównym problemem przewodnictwa jest zwiększenie jego średniej wartości przy zachowaniu ścieżki transportu zapewniającej przepływ oparów adsorpcyjnych/desorpcyjnych.W tym celu powszechnie stosuje się dwa podejścia: kompozytowe wymienniki ciepła i powlekane wymienniki ciepła.Najbardziej popularne i odnoszące sukcesy materiały kompozytowe to te, które wykorzystują dodatki na bazie węgla, a mianowicie ekspandowany grafit, węgiel aktywny lub włókna węglowe.Oliveira i in.2 impregnowany proszek grafitu ekspandowanego z chlorkiem wapnia w celu wytworzenia adsorbera o właściwej wydajności chłodzenia (SCP) do 306 W/kg i współczynniku wydajności (COP) do 0,46.Zajączkowskiego i in.3 zaproponował połączenie grafitu ekspandowanego, włókna węglowego i chlorku wapnia o przewodności całkowitej 15 W/mK.Jian i wsp. 4 przetestowali kompozyty z ekspandowanym grafitem naturalnym (ENG-TSA) poddanym obróbce kwasem siarkowym jako podłożem w dwuetapowym cyklu chłodzenia adsorpcyjnego.Model przewidywał COP od 0,215 do 0,285, a SCP od 161,4 do 260,74 W/kg.
Zdecydowanie najbardziej opłacalnym rozwiązaniem jest powlekany wymiennik ciepła.Mechanizmy powlekania tych wymienników ciepła można podzielić na dwie kategorie: synteza bezpośrednia i kleje.Najskuteczniejszą metodą jest synteza bezpośrednia, która polega na tworzeniu materiałów adsorbujących bezpośrednio na powierzchni wymienników ciepła z odpowiednich reagentów.Sotech5 opatentował metodę syntezy powlekanego zeolitu do zastosowania w serii chłodnic produkowanych przez firmę Fahrenheit GmbH.Schnabel i wsp.6 przetestowali działanie dwóch zeolitów pokrytych stalą nierdzewną.Jednak ta metoda działa tylko z określonymi adsorbentami, co sprawia, że ​​powlekanie klejami jest interesującą alternatywą.Spoiwa są substancjami pasywnymi wybranymi do wspomagania adhezji sorbentu i/lub przenoszenia masy, ale nie odgrywają żadnej roli w adsorpcji lub poprawie przewodnictwa.Freni i in.7 powlekanych aluminiowych wymienników ciepła z zeolitem AQSOA-Z02 stabilizowanym lepiszczem na bazie gliny.Calabrese i in.8 badali wytwarzanie powłok zeolitowych ze spoiwami polimerowymi.Ammann i in.9 zaproponowali sposób otrzymywania porowatych powłok zeolitowych z magnetycznych mieszanin poli(alkoholu winylowego).Tlenek glinu (tlenek glinu) jest również stosowany jako spoiwo 10 w adsorberze.Według naszej wiedzy celuloza i hydroksyetyloceluloza są stosowane wyłącznie w połączeniu z adsorbentami fizycznymi11,12.Czasami klej nie jest używany do malowania, ale służy do samodzielnego zbudowania konstrukcji 13.Połączenie alginianowych matryc polimerowych z wieloma hydratami soli tworzy elastyczne kompozytowe struktury kulek, które zapobiegają wyciekom podczas suszenia i zapewniają odpowiednie przenoszenie masy.Gliny takie jak bentonit i atapulgit były stosowane jako spoiwa do wytwarzania kompozytów15,16,17.Etylocelulozę stosowano do mikrokapsułkowania chlorku wapnia18 lub siarczku sodu19.
Kompozyty o porowatej strukturze metalicznej można podzielić na addytywne wymienniki ciepła i powlekane wymienniki ciepła.Zaletą tych struktur jest duża powierzchnia właściwa.Skutkuje to większą powierzchnią styku adsorbentu z metalem bez dodatku masy obojętnej, co zmniejsza ogólną wydajność cyklu chłodzenia.Lang i in.20 poprawiły ogólną przewodność adsorbera zeolitowego z aluminiową strukturą plastra miodu.Gillerminot i in.21 poprawiło przewodność cieplną warstw zeolitu NaX z pianką miedzianą i niklową.Chociaż kompozyty są stosowane jako materiały zmiennofazowe (PCM), odkrycia Li i in.22 oraz Zhao i in.23 są również interesujące dla chemisorpcji.Porównali wydajność ekspandowanego grafitu i pianki metalowej i doszli do wniosku, że ten drugi jest lepszy tylko wtedy, gdy korozja nie stanowi problemu.Palomba i in.niedawno porównali inne metalowe struktury porowate24.Van der Pal i in.badali sole metali zatopione w piankach 25 .Wszystkie poprzednie przykłady odpowiadają gęstym warstwom adsorbentów w postaci cząstek.Metalowe struktury porowate praktycznie nie są stosowane do powlekania adsorberów, co jest bardziej optymalnym rozwiązaniem.Przykład wiązania do zeolitów można znaleźć w Wittstadt et al.26, ale nie podjęto próby wiązania hydratów soli pomimo ich większej gęstości energetycznej 27 .
Zatem w tym artykule zostaną zbadane trzy metody wytwarzania powłok adsorbentowych: (1) powlekanie spoiwem, (2) reakcja bezpośrednia i (3) obróbka powierzchniowa.Hydroksyetyloceluloza była spoiwem z wyboru w tej pracy ze względu na opisaną wcześniej stabilność i dobrą przyczepność powłoki w połączeniu z adsorbentami fizycznymi.Metodę tę badano początkowo w przypadku płaskich powłok, a później zastosowano ją do struktur z włókien metalowych.Wcześniej opublikowano wstępną analizę możliwości wystąpienia reakcji chemicznych z tworzeniem się powłok adsorbentowych.Dotychczasowe doświadczenia są teraz przenoszone do powlekania struktur z włókien metalowych.Obróbka powierzchni wybrana do tej pracy to metoda oparta na anodowaniu aluminium.Anodowanie aluminium zostało z powodzeniem połączone z solami metali w celach estetycznych29.W takich przypadkach można uzyskać bardzo stabilne i odporne na korozję powłoki.Nie mogą jednak przeprowadzać żadnego procesu adsorpcji ani desorpcji.W artykule przedstawiono wariant tego podejścia, który umożliwia przenoszenie masy przy użyciu właściwości adhezyjnych pierwotnego procesu.Zgodnie z naszą najlepszą wiedzą żadna z opisanych tutaj metod nie była wcześniej badana.Stanowią one bardzo interesującą nową technologię, ponieważ umożliwiają tworzenie uwodnionych powłok adsorbentowych, które mają szereg zalet w stosunku do często badanych adsorbentów fizycznych.
Tłoczone płyty aluminiowe użyte jako podłoża do tych eksperymentów zostały dostarczone przez ALINVEST Břidličná, Republika Czeska.Zawierają 98,11% aluminium, 1,3622% żelaza, 0,3618% manganu oraz śladowe ilości miedzi, magnezu, krzemu, tytanu, cynku, chromu i niklu.
Materiały do ​​produkcji kompozytów dobierane są ze względu na ich właściwości termodynamiczne, czyli w zależności od ilości wody, jaką mogą zaadsorbować/zdesorbować w temperaturach poniżej 120°C.
Siarczan magnezu (MgSO4) jest jedną z najciekawszych i przebadanych soli uwodnionych30,31,32,33,34,35,36,37,38,39,40,41.Właściwości termodynamiczne były systematycznie mierzone i okazały się odpowiednie do zastosowań w chłodnictwie adsorpcyjnym, pompach ciepła i magazynowaniu energii.Zastosowano suchy siarczan magnezu CAS-Nr.7487-88-9 99% (Grüssing GmbH, Filsum, Niedersachsen, Niemcy).
Chlorek wapnia (CaCl2) (H319) jest kolejną dobrze przebadaną solą, ponieważ jego hydrat ma interesujące właściwości termodynamiczne41,42,43,44.Chlorek wapnia sześciowodny Nr CAS.7774-34-7 97% wykorzystane (Grüssing, GmbH, Filsum, Niedersachsen, Niemcy).
Siarczan cynku (ZnSO4) (H3O2, H318, H410) i jego hydraty mają właściwości termodynamiczne odpowiednie do niskotemperaturowych procesów adsorpcyjnych45,46.Zastosowano siedmiowodny siarczan cynku CAS-Nr.7733-02-0 99,5% (Grüssing GmbH, Filsum, Niedersachsen, Niemcy).
Chlorek strontu (SrCl2) (H318) ma również interesujące właściwości termodynamiczne4,45,47, chociaż często łączy się go z amoniakiem w badaniach nad adsorpcyjną pompą ciepła lub magazynowaniem energii.Do syntezy użyto heksahydratu chlorku strontu CAS-Nr.10.476-85-4 99,0–102,0% (Sigma Aldrich, St. Louis, Missouri, USA).
Siarczan miedzi (CuSO4) (H302, H315, H319, H410) nie należy do hydratów często spotykanych w literaturze fachowej, chociaż jego właściwości termodynamiczne są interesujące w zastosowaniach niskotemperaturowych48,49.Do syntezy użyto siarczanu miedzi CAS-Nr.7758-99-8 99% (Sigma Aldrich, St. Louis, MO, USA).
Chlorek magnezu (MgCl2) jest jedną z uwodnionych soli, której ostatnio poświęcono więcej uwagi w dziedzinie magazynowania energii cieplnej50,51.Do doświadczeń użyto heksahydratu chlorku magnezu CAS-Nr.7791-18-6 o czystości farmaceutycznej (Applichem GmbH., Darmstadt, Niemcy).
Jak wspomniano powyżej, wybrano hydroksyetylocelulozę ze względu na pozytywne wyniki w podobnych zastosowaniach.Materiałem użytym w naszej syntezie jest hydroksyetyloceluloza CAS-Nr 9004-62-0 (Sigma Aldrich, St. Louis, MO, USA).
Włókna metalowe są wykonane z krótkich drutów połączonych ze sobą przez prasowanie i spiekanie, w procesie znanym jako tygiel do ekstrakcji ze stopu (CME)52.Oznacza to, że ich przewodność cieplna zależy nie tylko od przewodnictwa masowego metali użytych do produkcji i porowatości finalnej struktury, ale także od jakości wiązań między nitkami.Włókna nie są izotropowe i podczas produkcji mają tendencję do układania się w określonym kierunku, co powoduje, że przewodność cieplna w kierunku poprzecznym jest znacznie niższa.
Właściwości absorpcji wody badano za pomocą jednoczesnej analizy termograwimetrycznej (TGA)/różnicowej analizy termograwimetrycznej (DTG) w opakowaniu próżniowym (Netzsch TG 209 F1 Libra).Pomiary prowadzono w atmosferze przepływającego azotu przy szybkości przepływu 10 ml/min i zakresie temperatur od 25 do 150°C w tyglach z tlenku glinu.Szybkość ogrzewania wynosiła 1 ° C/min, masa próbki wahała się od 10 do 20 mg, rozdzielczość wynosiła 0,1 μg.W tej pracy należy zauważyć, że różnica masy na jednostkę powierzchni ma dużą niepewność.Próbki stosowane w TGA-DTG są bardzo małe i nieregularnie cięte, co sprawia, że ​​ich wyznaczenie powierzchni jest niedokładne.Wartości te można ekstrapolować na większy obszar tylko wtedy, gdy uwzględni się duże odchylenia.
Widma w podczerwieni z transformacją Fouriera z osłabionym całkowitym odbiciem (ATR-FTIR) rejestrowano na spektrometrze Bruker Vertex 80 v FTIR (Bruker Optik GmbH, Leipzig, Niemcy) przy użyciu platynowego akcesorium ATR (Bruker Optik GmbH, Niemcy).Widma czystych suchych kryształów diamentu mierzono bezpośrednio w próżni przed użyciem próbek jako tła do pomiarów eksperymentalnych.Próbki mierzono w próżni stosując rozdzielczość widmową 2 cm-1 i średnią liczbę skanów 32. Zakres liczby falowej od 8000 do 500 cm-1.Analizę spektralną przeprowadzono za pomocą programu OPUS.
Analizę SEM przeprowadzono stosując DSM 982 Gemini firmy Zeiss przy napięciach przyspieszających 2 i 5 kV.Spektroskopię rentgenowską z dyspersją energii (EDX) przeprowadzono stosując Thermo Fischer System 7 z krzemowym detektorem dryftu chłodzonym Peltierem (SSD).
Przygotowanie płytek metalowych przeprowadzono zgodnie z procedurą podobną do opisanej w 53. Najpierw zanurz płytkę w 50% kwasie siarkowym.15 minut.Następnie wprowadzono je do 1 M roztworu wodorotlenku sodu na około 10 sekund.Następnie próbki przemyto dużą ilością wody destylowanej, a następnie moczono w wodzie destylowanej przez 30 minut.Po wstępnej obróbce powierzchni próbki zanurzono w 3% nasyconym roztworze.HEC i sól docelowa.Na koniec wyjmij je i wysusz w temperaturze 60°C.
Metoda anodowania uwydatnia i wzmacnia naturalną warstwę tlenku na metalu pasywnym.Panele aluminiowe anodowano kwasem siarkowym w stanie utwardzonym, a następnie uszczelniono w gorącej wodzie.Po anodowaniu następowało wstępne wytrawianie 1 mol/l NaOH (600 s), a następnie neutralizacja w 1 mol/l HNO3 (60 s).Roztwór elektrolitu jest mieszaniną 2,3 M H2SO4, 0,01 M Al2(SO4)3 i 1 M MgSO4 + 7H2O.Anodowanie prowadzono w (40 ± 1)°C, 30 mA/cm2 przez 1200 sekund.Proces uszczelniania przeprowadzono w różnych roztworach solanek opisanych w materiałach (MgSO4, CaCl2, ZnSO4, SrCl2, CuSO4, MgCl2).Próbkę gotuje się w niej przez 1800 sekund.
Zbadano trzy różne metody wytwarzania kompozytów: powlekanie adhezyjne, reakcja bezpośrednia i obróbka powierzchniowa.Zalety i wady każdej metody szkoleniowej są systematycznie analizowane i omawiane.Do oceny wyników wykorzystano bezpośrednią obserwację, nanoobrazowanie oraz analizę chemiczną/pierwiastkową.
Anodowanie wybrano jako konwersyjną metodę obróbki powierzchni w celu zwiększenia adhezji hydratów soli.Ta obróbka powierzchni tworzy porowatą strukturę tlenku glinu (korundu) bezpośrednio na powierzchni aluminium.Tradycyjnie metoda ta składa się z dwóch etapów: pierwszy etap tworzy porowatą strukturę tlenku glinu, a drugi etap tworzy powłokę z wodorotlenku glinu, która zamyka pory.Poniżej przedstawiono dwie metody blokowania soli bez blokowania dostępu do fazy gazowej.Pierwszy składa się z systemu o strukturze plastra miodu, wykorzystującego małe rurki z tlenku glinu (Al2O3) otrzymane w pierwszym etapie w celu utrzymania kryształów adsorbentu i zwiększenia jego przyczepności do powierzchni metalowych.Powstałe plastry miodu mają średnicę około 50 nm i długość 200 nm (ryc. 1a).Jak wspomniano wcześniej, wnęki te są zwykle zamykane w drugim etapie cienką warstwą behmitu Al2O(OH)2 wspieranego przez proces wrzenia rurki z tlenku glinu.W drugiej metodzie ten proces uszczelniania jest modyfikowany w taki sposób, że kryształy soli są wychwytywane przez równomiernie pokrywającą warstwę boehmitu (Al2O(OH)), który w tym przypadku nie jest używany do uszczelniania.Drugi etap przeprowadza się w nasyconym roztworze odpowiedniej soli.Opisane wzory mają rozmiary w zakresie 50–100 nm i wyglądają jak rozpryskiwane krople (ryc. 1b).Powierzchnia uzyskana w wyniku procesu uszczelniania ma wyraźną strukturę przestrzenną o zwiększonej powierzchni styku.Ten wzór powierzchni, wraz z wieloma konfiguracjami wiązania, jest idealny do przenoszenia i trzymania kryształów soli.Obie opisane struktury wydają się być naprawdę porowate i mają małe wnęki, które wydają się być dobrze przystosowane do zatrzymywania hydratów soli i adsorpcji oparów na soli podczas pracy adsorbera.Jednak analiza elementarna tych powierzchni za pomocą EDX może wykryć śladowe ilości magnezu i siarki na powierzchni bemitu, które nie są wykrywane w przypadku powierzchni z tlenku glinu.
ATR-FTIR próbki potwierdził, że pierwiastkiem był siarczan magnezu (patrz rysunek 2b).Widmo pokazuje charakterystyczne piki jonów siarczanowych przy 610-680 i 1080-1130 cm-1 oraz charakterystyczne piki wody sieciowej przy 1600-1700 cm-1 i 3200-3800 cm-1 (patrz ryc. 2a, c).).Obecność jonów magnezu prawie nie zmienia widma54.
(a) EDX płytki aluminiowej MgSO4 pokrytej boehmitem, (b) widma ATR-FTIR powłok boehmit i MgSO4, (c) widma ATR-FTIR czystego MgSO4.
Utrzymanie efektywności adsorpcji zostało potwierdzone metodą TGA.na ryc.3b pokazuje pik desorpcji ok.60°C.Ten pik nie odpowiada temperaturze dwóch pików obserwowanych w TGA czystej soli (ryc. 3a).Oceniono powtarzalność cyklu adsorpcji-desorpcji i zaobserwowano tę samą krzywą po umieszczeniu próbek w wilgotnej atmosferze (ryc. 3c).Różnice obserwowane w drugim etapie desorpcji mogą wynikać z odwodnienia w przepływającej atmosferze, co często prowadzi do niecałkowitego odwodnienia.Wartości te odpowiadają około 17,9 g/m2 przy pierwszym odwadnianiu i 10,3 g/m2 przy drugim odwadnianiu.
Porównanie analizy TGA behmitu i MgSO4: Analiza TGA czystego MgSO4 (a), mieszaniny (b) i po uwodnieniu (c).
Tę samą metodę zastosowano z chlorkiem wapnia jako adsorbentem.Wyniki przedstawiono na rycinie 4. Wizualna ocena powierzchni wykazała niewielkie zmiany metalicznej poświaty.Futro jest ledwo widoczne.SEM potwierdziło obecność małych kryształków równomiernie rozmieszczonych na powierzchni.Jednak TGA nie wykazała odwodnienia poniżej 150°C.Może to wynikać z faktu, że udział soli jest zbyt mały w stosunku do całkowitej masy substratu do wykrycia metodą TGA.
Wyniki obróbki powierzchniowej powłoki siarczanu miedzi metodą anodowania przedstawiono na rys.5. W tym przypadku oczekiwane wbudowanie CuSO4 w strukturę tlenku Al nie nastąpiło.Zamiast tego obserwuje się luźne igły, ponieważ są one powszechnie używane do wodorotlenku miedzi Cu(OH)2 używanego z typowymi turkusowymi barwnikami.
Anodowaną obróbkę powierzchni przetestowano również w połączeniu z chlorkiem strontu.Wyniki wykazały nierówne pokrycie (patrz ryc. 6a).Aby określić, czy sól pokryła całą powierzchnię, przeprowadzono analizę EDX.Krzywa dla punktu w szarym obszarze (punkt 1 na ryc. 6b) pokazuje mało strontu i dużo aluminium.Wskazuje to na niską zawartość strontu w mierzonej strefie, co z kolei świadczy o niskim pokryciu chlorkiem strontu.I odwrotnie, białe obszary mają wysoką zawartość strontu i niską zawartość glinu (punkty 2–6 na ryc. 6b).Analiza EDX białego obszaru pokazuje ciemniejsze kropki (punkty 2 i 4 na ryc. 6b), niską zawartość chloru i wysoką zawartość siarki.Może to wskazywać na powstawanie siarczanu strontu.Jaśniejsze kropki odzwierciedlają wysoką zawartość chloru i niską zawartość siarki (punkty 3, 5 i 6 na ryc. 6b).Można to wytłumaczyć faktem, że główna część białej powłoki składa się z oczekiwanego chlorku strontu.TGA próbki potwierdziło interpretację analizy z pikiem w charakterystycznej temperaturze czystego chlorku strontu (ryc. 6c).Ich niewielką wartość można uzasadnić niewielkim ułamkiem soli w stosunku do masy metalowego podłoża.Wyznaczona w doświadczeniach masa desorpcyjna odpowiada ilości 7,3 g/m2 wydzielonej na jednostkę powierzchni adsorbera w temperaturze 150°C.
Zbadano również powłoki z siarczanu cynku poddane działaniu preparatu Eloxal.Makroskopowo powłoka jest bardzo cienką i jednolitą warstwą (ryc. 7a).Jednak SEM ujawnił obszar powierzchni pokryty małymi kryształami oddzielonymi pustymi obszarami (ryc. 7b).TGA powłoki i podłoża porównano z TGA czystej soli (ryc. 7c).Czysta sól ma jeden asymetryczny pik przy 59,1°C.Pokryte aluminium wykazywało dwa małe piki w 55,5°C i 61,3°C, co wskazuje na obecność wodzianu siarczanu cynku.Różnica masy ujawniona w eksperymencie odpowiada 10,9 g/m2 przy temperaturze odwadniania 150°C.
Podobnie jak w poprzednim wniosku53, jako spoiwo poprawiające przyczepność i stabilność powłoki sorbentu zastosowano hydroksyetylocelulozę.Zgodność materiałowa i wpływ na wydajność adsorpcji oceniono metodą TGA.Analizę przeprowadza się w stosunku do masy całkowitej, tzn. próbka zawiera metalową płytkę, która służy jako podłoże do powlekania.Przyczepność jest testowana w teście opartym na teście nacięć krzyżowych określonym w specyfikacji ISO2409 (nie można spełnić specyfikacji separacji nacięć w zależności od grubości i szerokości specyfikacji).
Powlekanie paneli chlorkiem wapnia (CaCl2) (patrz rys. 8a) skutkowało nierównomiernym rozkładem, czego nie zaobserwowano w przypadku powłoki z czystego aluminium użytej do testu karbu poprzecznego.W porównaniu z wynikami dla czystego CaCl2, TGA (rys. 8b) wykazuje dwa charakterystyczne piki przesunięte w kierunku niższych temperatur odpowiednio 40 i 20°C.Test przekrojowy nie pozwala na obiektywne porównanie, ponieważ próbka czystego CaCl2 (próbka po prawej stronie na ryc. 8c) jest sproszkowanym osadem, który usuwa najwyższe cząstki.Wyniki HEC wykazały bardzo cienką i jednolitą powłokę o zadowalającej przyczepności.Różnica masy pokazana na ryc.8b odpowiada 51,3 g/m2 na jednostkę powierzchni adsorbera w temperaturze 150°C.
Pozytywne wyniki w zakresie przyczepności i jednorodności uzyskano również z siarczanem magnezu (MgSO4) (patrz rys. 9).Analiza procesu desorpcji powłoki wykazała obecność jednego piku ok.60°C.Ta temperatura odpowiada głównemu etapowi desorpcji obserwowanemu podczas odwadniania czystych soli, reprezentując kolejny etap w temperaturze 44°C.Odpowiada to przejściu od heksahydratu do pentahydratu i nie jest obserwowane w przypadku powłok ze spoiwami.Testy przekrojowe wykazują lepszą dystrybucję i przyczepność w porównaniu z powłokami wykonanymi z czystej soli.Różnica masy zaobserwowana w TGA-DTC odpowiada 18,4 g/m2 na jednostkę powierzchni adsorbera w temperaturze 150°C.
Ze względu na nieregularności powierzchni chlorek strontu (SrCl2) ma nierówną powłokę na żeberkach (ryc. 10a).Jednak wyniki testu z karbem poprzecznym wykazały równomierny rozkład ze znacznie poprawioną przyczepnością (ryc. 10c).Analiza TGA wykazała bardzo małą różnicę w masie, co musi wynikać z niższej zawartości soli w porównaniu z podłożem metalowym.Jednak kroki na krzywej wskazują na obecność procesu odwadniania, chociaż pik jest związany z temperaturą uzyskaną przy charakteryzowaniu czystej soli.Piki w 110°C i 70,2°C obserwowane na ryc.10b znaleziono również podczas analizy czystej soli.Jednak główny etap dehydratacji obserwowany w czystej soli w temperaturze 50°C nie znalazł odzwierciedlenia w krzywych z użyciem spoiwa.Natomiast mieszanina spoiwa wykazywała dwa piki w 20,2°C i 94,1°C, których nie mierzono dla czystej soli (ryc. 10b).W temperaturze 150°C zaobserwowana różnica masy odpowiada 7,2 g/m2 na jednostkę powierzchni adsorbera.
Połączenie HEC i siarczanu cynku (ZnSO4) nie dało zadowalających wyników (Rysunek 11).Analiza TGA powleczonego metalu nie wykazała żadnych procesów dehydratacji.Chociaż rozkład i przyczepność powłoki uległy poprawie, to jej właściwości wciąż są dalekie od optymalnych.
Najprostszym sposobem pokrycia włókien metalowych cienką i jednolitą warstwą jest impregnacja na mokro (rys. 12a), która obejmuje przygotowanie docelowej soli i nasycenie włókien metalicznych roztworem wodnym.
Podczas przygotowywania do impregnacji na mokro napotyka się dwa główne problemy.Z jednej strony napięcie powierzchniowe roztworu soli uniemożliwia prawidłowe wbudowanie płynu w porowatą strukturę.Krystalizację na powierzchni zewnętrznej (Rys. 12d) oraz pęcherzyki powietrza uwięzione wewnątrz struktury (Rys. 12c) można ograniczyć jedynie poprzez obniżenie napięcia powierzchniowego i wstępne zwilżenie próbki wodą destylowaną.Wymuszone rozpuszczanie w próbce poprzez usuwanie powietrza z wnętrza lub tworzenie przepływu roztworu w strukturze to inne skuteczne sposoby zapewnienia całkowitego wypełnienia struktury.
Drugim problemem napotkanym podczas preparacji było usunięcie filmu z części soli (patrz ryc. 12b).Zjawisko to charakteryzuje się tworzeniem suchej powłoki na powierzchni rozpuszczania, która zatrzymuje konwekcyjne suszenie i rozpoczyna proces stymulowany dyfuzją.Drugi mechanizm jest znacznie wolniejszy niż pierwszy.W rezultacie wymagana jest wysoka temperatura przez rozsądny czas suszenia, co zwiększa ryzyko tworzenia się pęcherzyków wewnątrz próbki.Problem ten rozwiązuje się wprowadzając alternatywną metodę krystalizacji opartą nie na zmianie stężenia (odparowaniu), ale na zmianie temperatury (jak w przykładzie z MgSO4 na rys. 13).
Schematyczne przedstawienie procesu krystalizacji podczas chłodzenia i rozdzielania fazy stałej i ciekłej za pomocą MgSO4.
Tą metodą można przygotować nasycone roztwory soli w temperaturze pokojowej (HT) lub wyższej.W pierwszym przypadku krystalizacja została wymuszona przez obniżenie temperatury poniżej temperatury pokojowej.W drugim przypadku krystalizacja nastąpiła po schłodzeniu próbki do temperatury pokojowej (RT).Rezultatem jest mieszanina kryształów (B) i rozpuszczonych (A), której płynna część jest usuwana za pomocą sprężonego powietrza.Takie podejście nie tylko pozwala uniknąć tworzenia się filmu na tych hydratach, ale także skraca czas potrzebny do przygotowania innych kompozytów.Jednak usuwanie cieczy za pomocą sprężonego powietrza prowadzi do dodatkowej krystalizacji soli, co skutkuje grubszą powłoką.
Inną metodą, którą można zastosować do powlekania powierzchni metalowych, jest bezpośrednie wytwarzanie docelowych soli w reakcjach chemicznych.Powlekane wymienniki ciepła wykonane w wyniku reakcji kwasów na metalowych powierzchniach żeber i rurek mają szereg zalet, o czym informowaliśmy w naszym poprzednim badaniu.Zastosowanie tej metody do włókien prowadziło do bardzo słabych wyników ze względu na tworzenie się gazów podczas reakcji.Ciśnienie pęcherzyków gazowego wodoru narasta wewnątrz sondy i zmienia się wraz z wyrzucaniem produktu (ryc. 14a).
Powłoka została zmodyfikowana w wyniku reakcji chemicznej, aby lepiej kontrolować grubość i rozkład powłoki.Ta metoda polega na przepuszczaniu strumienia kwaśnej mgły przez próbkę (Rysunek 14b).Oczekuje się, że spowoduje to jednorodną powłokę w wyniku reakcji z metalem podłoża.Wyniki były zadowalające, ale proces był zbyt powolny, aby można go było uznać za skuteczną metodę (ryc. 14c).Krótsze czasy reakcji można osiągnąć przez miejscowe ogrzewanie.
Aby przezwyciężyć wady powyższych sposobów, zbadano sposób powlekania oparty na zastosowaniu klejów.HEC został wybrany na podstawie wyników przedstawionych w poprzedniej sekcji.Wszystkie próbki przygotowano w stężeniu 3% wag.Spoiwo miesza się z solą.Włókna poddano obróbce wstępnej zgodnie z tą samą procedurą, co w przypadku żeber, tj. nasączono w 50% obj.w ciągu 15 minut.kwas siarkowy, następnie moczono w wodorotlenku sodu przez 20 sekund, przemywano wodą destylowaną i na koniec moczono w wodzie destylowanej przez 30 minut.W tym przypadku przed impregnacją dodano dodatkowy etap.Zanurz próbkę na krótko w rozcieńczonym docelowym roztworze soli i wysusz w temperaturze około 60°C.Proces ma na celu modyfikację powierzchni metalu, tworząc miejsca zarodkowania, które poprawiają rozprowadzanie powłoki w końcowym etapie.Włóknista struktura ma jedną stronę, na której włókna są cieńsze i ciasno upakowane, a drugą stronę, na której włókna są grubsze i mniej rozmieszczone.Jest to wynikiem 52 procesów produkcyjnych.
Wyniki dla chlorku wapnia (CaCl2) podsumowano i zilustrowano rysunkami w Tabeli 1. Dobre pokrycie po zaszczepieniu.Nawet pasma bez widocznych kryształków na powierzchni miały zmniejszone metaliczne refleksy, co wskazywało na zmianę wykończenia.Jednak po nasyceniu próbek wodną mieszaniną CaCl2 i HEC i wysuszeniu w temperaturze około 60°C powłoki zatężono na przecięciach struktur.Jest to efekt spowodowany napięciem powierzchniowym roztworu.Po namoczeniu ciecz pozostaje w próbce dzięki napięciu powierzchniowemu.Zasadniczo występuje na przecięciu struktur.Na najlepszej stronie okazu znajduje się kilka otworów wypełnionych solą.Masa wzrosła o 0,06 g/cm3 po powlekaniu.
Powlekanie siarczanem magnezu (MgSO4) dawało więcej soli na jednostkę objętości (tab. 2).W tym przypadku zmierzony przyrost wynosi 0,09 g/cm3.Proces wysiewu zaowocował obszernym pokryciem próbek.Po procesie powlekania sól blokuje duże obszary cienkiej strony próbki.Ponadto niektóre obszary matowe są zablokowane, ale część porowatości zostaje zachowana.W tym przypadku tworzenie się soli można łatwo zaobserwować na przecięciu struktur, co potwierdza, że ​​proces powlekania jest spowodowany głównie napięciem powierzchniowym cieczy, a nie oddziaływaniem soli z metalowym podłożem.
Wyniki dla kombinacji chlorku strontu (SrCl2) i HEC wykazały podobne właściwości jak w poprzednich przykładach (Tabela 3).W tym przypadku cieńsza strona próbki jest prawie całkowicie pokryta.Widoczne są jedynie pojedyncze pory, powstałe podczas suszenia w wyniku uwolnienia się pary wodnej z próbki.Wzór obserwowany na matowej stronie jest bardzo podobny do poprzedniego przypadku, obszar jest zablokowany solą, a włókna nie są całkowicie pokryte.
W celu oceny pozytywnego wpływu struktury włóknistej na parametry cieplne wymiennika ciepła wyznaczono efektywną przewodność cieplną powleczonej struktury włóknistej i porównano ją z czystym materiałem powłokowym.Przewodność cieplną mierzono zgodnie z normą ASTM D 5470-2017 przy użyciu płaskiego urządzenia pokazanego na rysunku 15a, stosując materiał odniesienia o znanej przewodności cieplnej.W porównaniu z innymi metodami pomiaru stanu nieustalonego, ta zasada jest korzystna dla materiałów porowatych stosowanych w obecnym badaniu, ponieważ pomiary są wykonywane w stanie ustalonym i przy wystarczającej wielkości próbki (powierzchnia podstawy 30 × 30 mm2, wysokość około 15 mm).Przygotowano próbki czystego materiału powłokowego (odniesienie) i powlekanej struktury włókien do pomiarów w kierunku włókna i prostopadle do kierunku włókna w celu oceny wpływu anizotropowej przewodności cieplnej.Próbki szlifowano na powierzchni (ziarnistość P320) w celu zminimalizowania efektu chropowatości powierzchni wynikającej z przygotowania próbki, które nie odzwierciedla struktury w próbce.