Vă mulțumim că ați vizitat Nature.com.Versiunea de browser pe care o utilizați are suport limitat pentru CSS.Pentru cea mai bună experiență, vă recomandăm să utilizați un browser actualizat (sau să dezactivați Modul de compatibilitate în Internet Explorer).Între timp, pentru a asigura suport continuu, vom reda site-ul fără stiluri și JavaScript.
Cota de piață a sistemelor frigorifice cu adsorbție și a pompelor de căldură este încă relativ mică în comparație cu sistemele tradiționale de compresoare.În ciuda avantajului uriaș de a folosi căldură ieftină (în loc de lucrări electrice costisitoare), implementarea sistemelor bazate pe principii de adsorbție este încă limitată la câteva aplicații specifice.Principalul dezavantaj care trebuie eliminat este scăderea puterii specifice datorită conductivității termice scăzute și stabilității scăzute a adsorbantului.Sistemele comerciale de refrigerare cu adsorbție de ultimă generație se bazează pe adsorboare bazate pe schimbătoare de căldură cu plăci acoperite pentru a optimiza capacitatea de răcire.Rezultatele sunt bine cunoscute că scăderea grosimii acoperirii duce la o scădere a impedanței de transfer de masă, iar creșterea raportului suprafață-volum al structurilor conductoare crește puterea fără a compromite eficiența.Fibrele metalice utilizate în această lucrare pot oferi o suprafață specifică în intervalul 2500-50.000 m2/m3.Trei metode de obținere a unor acoperiri foarte subțiri, dar stabile, de hidrați de sare pe suprafețe metalice, inclusiv fibre metalice, pentru producerea de acoperiri demonstrează pentru prima dată un schimbător de căldură cu densitate mare de putere.Tratamentul de suprafață pe bază de anodizare a aluminiului este ales pentru a crea o legătură mai puternică între acoperire și substrat.Microstructura suprafeței rezultate a fost analizată folosind microscopia electronică cu scanare.Pentru a verifica prezența speciilor dorite în test, au fost utilizate spectroscopie infraroșu cu transformată Fourier cu reflexie totală redusă și spectroscopie cu raze X cu dispersie de energie.Capacitatea lor de a forma hidrați a fost confirmată prin analiza termogravimetrică combinată (TGA)/analiza termogravimetrică diferențială (DTG).S-a găsit o calitate slabă peste 0,07 g (apă)/g (compozit) în acoperirea cu MgSO4, prezentând semne de deshidratare la aproximativ 60 °C și reproductibilă după rehidratare.Rezultate pozitive au fost, de asemenea, obținute cu SrCl2 și ZnSO4 cu o diferență de masă de aproximativ 0,02 g/g sub 100 °C.Hidroxietilceluloza a fost aleasă ca aditiv pentru a crește stabilitatea și aderența acoperirii.Proprietățile de adsorbție ale produselor au fost evaluate prin TGA-DTG simultan și aderența lor a fost caracterizată printr-o metodă bazată pe testele descrise în ISO2409.Consistența și aderența acoperirii cu CaCl2 sunt îmbunătățite semnificativ, menținând în același timp capacitatea de adsorbție cu o diferență de greutate de aproximativ 0,1 g/g la temperaturi sub 100 °C.În plus, MgSO4 își păstrează capacitatea de a forma hidrați, prezentând o diferență de masă mai mare de 0,04 g/g la temperaturi sub 100 °C.În cele din urmă, sunt examinate fibrele metalice acoperite.Rezultatele arată că conductivitatea termică efectivă a structurii fibrei acoperite cu Al2(SO4)3 poate fi de 4,7 ori mai mare în comparație cu volumul de Al2(SO4)3 pur.Acoperirea acoperirilor studiate a fost examinată vizual, iar structura internă a fost evaluată folosind o imagine microscopică a secțiunilor transversale.S-a obținut o acoperire de Al2(SO4)3 cu o grosime de aproximativ 50 µm, dar procesul general trebuie optimizat pentru a obține o distribuție mai uniformă.
Sistemele de adsorbție au câștigat multă atenție în ultimele decenii, deoarece oferă o alternativă ecologică la pompele de căldură cu compresie tradiționale sau sistemele de refrigerare.Cu standardele de confort în creștere și temperaturile medii globale, sistemele de adsorbție pot reduce dependența de combustibilii fosili în viitorul apropiat.In plus, orice imbunatatiri ale refrigerarii cu adsorbtie sau pompelor de caldura pot fi transferate in stocarea energiei termice, ceea ce reprezinta o crestere suplimentara a potentialului de utilizare eficienta a energiei primare.Principalul avantaj al pompelor de căldură cu adsorbție și al sistemelor de refrigerare este că pot funcționa cu masă termică redusă.Acest lucru le face potrivite pentru surse de temperatură scăzută, cum ar fi energia solară sau căldura reziduală.În ceea ce privește aplicațiile de stocare a energiei, adsorbția are avantajul unei densități mai mari de energie și o disipare mai mică a energiei în comparație cu stocarea căldurii sensibile sau latente.
Pompele de căldură cu adsorbție și sistemele de refrigerare urmează același ciclu termodinamic ca și omologii lor de compresie a vaporilor.Principala diferență este înlocuirea componentelor compresorului cu absorbanți.Elementul este capabil să adsorbe vaporii de agent frigorific de joasă presiune la temperaturi moderate, evaporând mai mult agent frigorific chiar și atunci când lichidul este rece.Este necesar să se asigure răcirea constantă a adsorbantului pentru a exclude entalpia de adsorbție (exotermă).Adsorbantul este regenerat la temperatură ridicată, determinând desorbția vaporilor de agent frigorific.Încălzirea trebuie să continue să asigure entalpia de desorbție (endotermă).Deoarece procesele de adsorbție sunt caracterizate prin schimbări de temperatură, densitatea mare de putere necesită o conductivitate termică ridicată.Cu toate acestea, conductibilitatea termică scăzută este de departe principalul dezavantaj în majoritatea aplicațiilor.
Principala problemă a conductivității este creșterea valorii sale medii menținând în același timp traseul de transport care asigură fluxul de vapori de adsorbție/desorbție.Două abordări sunt utilizate în mod obișnuit pentru a realiza acest lucru: schimbătoare de căldură compozite și schimbătoare de căldură acoperite.Cele mai populare și de succes materiale compozite sunt cele care folosesc aditivi pe bază de carbon, și anume grafit expandat, cărbune activ sau fibre de carbon.Oliveira et al.2 pulbere de grafit expandat impregnată cu clorură de calciu pentru a produce un adsorbant cu o capacitate specifică de răcire (SCP) de până la 306 W/kg și un coeficient de performanță (COP) de până la 0,46.Zajaczkowski și colab.3 a propus o combinație de grafit expandat, fibră de carbon și clorură de calciu cu o conductivitate totală de 15 W/mK.Jian și colab.4 au testat compozite cu grafit natural expandat tratat cu acid sulfuric (ENG-TSA) ca substrat într-un ciclu de răcire cu adsorbție în două etape.Modelul a prezis COP de la 0,215 la 0,285 și SCP de la 161,4 la 260,74 W/kg.
De departe cea mai viabilă soluție este schimbătorul de căldură acoperit.Mecanismele de acoperire ale acestor schimbătoare de căldură pot fi împărțite în două categorii: sinteză directă și adezivi.Cea mai reușită metodă este sinteza directă, care presupune formarea de materiale adsorbante direct pe suprafața schimbătoarelor de căldură din reactivii corespunzători.Sotech5 a brevetat o metodă de sintetizare a zeolitului acoperit pentru utilizare într-o serie de răcitoare produse de Fahrenheit GmbH.Schnabel et al6 au testat performanța a doi zeoliți acoperiți pe oțel inoxidabil.Cu toate acestea, această metodă funcționează numai cu adsorbanți specifici, ceea ce face ca acoperirea cu adezivi să fie o alternativă interesantă.Lianții sunt substanțe pasive alese pentru a susține aderența sorbantului și/sau transferul de masă, dar nu joacă niciun rol în adsorbție sau îmbunătățirea conductivității.Freni și colab.7 schimbătoare de căldură din aluminiu acoperite cu zeolit ​​AQSOA-Z02 stabilizat cu un liant pe bază de argilă.Calabrese et al.8 au studiat prepararea acoperirilor cu zeolit ​​cu lianți polimerici.Ammann și colab.9 au propus o metodă de preparare a acoperirilor poroase cu zeolit ​​din amestecuri magnetice de alcool polivinilic.Alumina (alumina) este, de asemenea, utilizată ca liant 10 în adsorbant.Din cunoștințele noastre, celuloza și hidroxietil celuloza sunt utilizate numai în combinație cu adsorbanți fizici11,12.Uneori, adezivul nu este folosit pentru vopsea, ci este folosit pentru a construi singur structura 13.Combinația de matrice de polimer alginat cu hidrați de sare multiple formează structuri compozite flexibile de sferă care previn scurgerea în timpul uscării și asigură un transfer de masă adecvat.Argile precum bentonita și atapulgitul au fost folosite ca lianți pentru prepararea compozitelor15,16,17.Etilceluloza a fost utilizată pentru microîncapsularea clorurii de calciu18 sau a sulfurei de sodiu19.
Compozitele cu o structură metalică poroasă pot fi împărțite în schimbătoare de căldură aditive și schimbătoare de căldură acoperite.Avantajul acestor structuri este suprafața specifică mare.Acest lucru are ca rezultat o suprafață de contact mai mare între adsorbant și metal fără adăugarea unei mase inerte, ceea ce reduce eficiența generală a ciclului de refrigerare.Lang şi colab.20 au îmbunătățit conductivitatea generală a unui adsorbant cu zeolit ​​cu o structură de fagure de aluminiu.Gillerminot et al.21 a îmbunătățit conductivitatea termică a straturilor de zeolit ​​NaX cu spumă de cupru și nichel.Deși compozitele sunt utilizate ca materiale cu schimbare de fază (PCM), constatările lui Li și colab.22 şi Zhao şi colab.23 sunt de asemenea de interes pentru chimisorbție.Ei au comparat performanța grafitului expandat și a spumei metalice și au concluzionat că aceasta din urmă este de preferat doar dacă coroziunea nu era o problemă.Palomba și colab.au comparat recent alte structuri metalice poroase24.Van der Pal et al.au studiat sărurile metalice înglobate în spume 25 .Toate exemplele anterioare corespund unor straturi dense de adsorbanți sub formă de particule.Structurile metalice poroase practic nu sunt folosite pentru acoperirea adsorbanților, ceea ce este o soluție mai optimă.Un exemplu de legare la zeoliți poate fi găsit în Wittstadt și colab.26 dar nu a fost făcută nicio încercare de a lega hidrații de sare în ciuda densității lor energetice mai mari 27 .
Astfel, trei metode de preparare a acoperirilor adsorbante vor fi explorate în acest articol: (1) acoperire cu liant, (2) reacție directă și (3) tratament de suprafață.Hidroxietilceluloza a fost liantul de alegere în această lucrare datorită stabilității raportate anterior și aderenței bune a acoperirii în combinație cu adsorbanții fizici.Această metodă a fost investigată inițial pentru acoperiri plate și ulterior aplicată structurilor din fibre metalice.Anterior, a fost raportată o analiză preliminară a posibilității reacțiilor chimice cu formarea de acoperiri adsorbante.Experiența anterioară este acum transferată la acoperirea structurilor din fibre metalice.Tratamentul de suprafață ales pentru această lucrare este o metodă bazată pe anodizarea aluminiului.Anodizarea aluminiului a fost combinată cu succes cu săruri metalice în scopuri estetice29.În aceste cazuri, pot fi obținute acoperiri foarte stabile și rezistente la coroziune.Cu toate acestea, nu pot efectua niciun proces de adsorbție sau desorbție.Această lucrare prezintă o variantă a acestei abordări care permite deplasarea masei folosind proprietățile adezive ale procesului original.Din câte știm, niciuna dintre metodele descrise aici nu a fost studiată anterior.Reprezintă o nouă tehnologie foarte interesantă deoarece permit formarea de învelișuri adsorbante hidratate, care prezintă o serie de avantaje față de adsorbanții fizici frecvent studiati.
Plăcile de aluminiu ștanțate utilizate ca substrat pentru aceste experimente au fost furnizate de ALINVEST Břidličná, Republica Cehă.Conțin 98,11% aluminiu, 1,3622% fier, 0,3618% mangan și urme de cupru, magneziu, siliciu, titan, zinc, crom și nichel.
Materialele alese pentru fabricarea compozitelor sunt selectate in functie de proprietatile lor termodinamice si anume in functie de cantitatea de apa pe care o pot adsorbi/desorbi la temperaturi sub 120°C.
Sulfatul de magneziu (MgSO4) este una dintre cele mai interesante și studiate săruri hidratate30,31,32,33,34,35,36,37,38,39,40,41.Proprietățile termodinamice au fost măsurate sistematic și s-au dovedit a fi potrivite pentru aplicații în domeniile frigorifice cu adsorbție, pompe de căldură și stocare de energie.S-a folosit sulfat de magneziu uscat CAS-Nr.7487-88-9 99% (Grüssing GmbH, Filsum, Niedersachsen, Germania).
Clorura de calciu (CaCl2) (H319) este o altă sare bine studiată deoarece hidratul său are proprietăți termodinamice interesante41,42,43,44.Clorura de calciu hexahidrat Nr.7774-34-7 97% utilizat (Grüssing, GmbH, Filsum, Niedersachsen, Germania).
Sulfatul de zinc (ZnSO4) (H3O2, H318, H410) și hidrații săi au proprietăți termodinamice adecvate proceselor de adsorbție la temperatură joasă45,46.S-a folosit sulfat de zinc heptahidrat CAS-Nr.7733-02-0 99,5% (Grüssing GmbH, Filsum, Niedersachsen, Germania).
Clorura de stronțiu (SrCl2) (H318) are, de asemenea, proprietăți termodinamice interesante4,45,47, deși este adesea combinată cu amoniacul în pompa de căldură prin adsorbție sau în cercetarea stocării energiei.Pentru sinteză a fost utilizat clorură de stronțiu hexahidrat CAS-Nr.10.476-85-4 99,0–102,0% (Sigma Aldrich, St. Louis, Missouri, SUA).
Sulfatul de cupru (CuSO4) (H302, H315, H319, H410) nu se numără printre hidrații întâlniți frecvent în literatura de specialitate, deși proprietățile sale termodinamice sunt de interes pentru aplicații la temperaturi scăzute48,49.Pentru sinteza a fost utilizat sulfat de cupru CAS-Nr.7758-99-8 99% (Sigma Aldrich, St. Louis, MO, SUA).
Clorura de magneziu (MgCl2) este una dintre sărurile hidratate care a primit recent mai multă atenție în domeniul stocării energiei termice50,51.Pentru experimente a fost utilizat clorură de magneziu hexahidrat CAS-Nr.7791-18-6 de calitate farmaceutică pură (Applichem GmbH., Darmstadt, Germania).
După cum sa menționat mai sus, a fost aleasă hidroxietil celuloza din cauza rezultatelor pozitive în aplicații similare.Materialul folosit în sinteza noastră este hidroxietil celuloză CAS-Nr 9004-62-0 (Sigma Aldrich, St. Louis, MO, SUA).
Fibrele metalice sunt realizate din fire scurte legate între ele prin compresie și sinterizare, un proces cunoscut sub numele de extracție prin topitură în creuzet (CME)52.Aceasta înseamnă că conductivitatea lor termică depinde nu numai de conductibilitatea în vrac a metalelor utilizate la fabricare și de porozitatea structurii finale, ci și de calitatea legăturilor dintre fire.Fibrele nu sunt izotrope și tind să fie distribuite într-o anumită direcție în timpul producției, ceea ce face ca conductivitatea termică în direcția transversală să fie mult mai mică.
Proprietățile de absorbție a apei au fost investigate utilizând analiza termogravimetrică simultană (TGA)/analiza termogravimetrică diferențială (DTG) într-un ambalaj în vid (Netzsch TG 209 F1 Libra).Măsurătorile au fost efectuate într-o atmosferă de azot curgătoare la un debit de 10 ml/min și un interval de temperatură de la 25 la 150°C în creuzete de oxid de aluminiu.Viteza de încălzire a fost de 1 °C/min, greutatea probei a variat de la 10 la 20 mg, rezoluția a fost de 0,1 μg.În această lucrare, trebuie remarcat faptul că diferența de masă pe unitate de suprafață are o mare incertitudine.Probele utilizate în TGA-DTG sunt foarte mici și tăiate neregulat, ceea ce face ca determinarea zonei lor să fie inexactă.Aceste valori pot fi extrapolate într-o zonă mai mare doar dacă se iau în considerare abateri mari.
Spectrele de infraroșu cu transformată Fourier (ATR-FTIR) de reflexie totală atenuată au fost achiziționate pe un spectrometru FTIR Bruker Vertex 80 v (Bruker Optik GmbH, Leipzig, Germania) utilizând un accesoriu de platină ATR (Bruker Optik GmbH, Germania).Spectrele cristalelor de diamant pur uscat au fost măsurate direct în vid înainte de a utiliza probele ca fundal pentru măsurători experimentale.Probele au fost măsurate în vid folosind o rezoluție spectrală de 2 cm-1 și un număr mediu de scanări de 32. Numărul de undă este cuprins între 8000 și 500 cm-1.Analiza spectrală a fost efectuată folosind programul OPUS.
Analiza SEM a fost efectuată folosind un DSM 982 Gemini de la Zeiss la tensiuni de accelerare de 2 și 5 kV.Spectroscopia cu raze X cu dispersie de energie (EDX) a fost efectuată utilizând un Thermo Fischer System 7 cu un detector de deriva de siliciu (SSD) răcit Peltier.
Pregătirea plăcilor metalice a fost efectuată conform procedurii similare cu cea descrisă în 53. În primul rând, scufundați placa în acid sulfuric 50%.15 minute.Apoi au fost introduse în soluție de hidroxid de sodiu 1 M timp de aproximativ 10 secunde.Apoi probele au fost spălate cu o cantitate mare de apă distilată și apoi înmuiate în apă distilată timp de 30 de minute.După tratarea preliminară a suprafeței, probele au fost scufundate într-o soluție saturată de 3%.HEC și sare țintă.La final, scoateți-le și uscați-le la 60°C.
Metoda de anodizare îmbunătățește și întărește stratul de oxid natural de pe metalul pasiv.Panourile de aluminiu au fost anodizate cu acid sulfuric în stare întărită și apoi etanșate în apă fierbinte.Anodizarea a urmat o gravare inițială cu 1 mol/l NaOH (600 s) urmată de neutralizare în 1 mol/l HNO3 (60 s).Soluția de electrolit este un amestec de 2,3 M H2SO4, 0,01 M Al2(SO4)3 și 1 M MgSO4 + 7H2O.Anodizarea a fost efectuată la (40 ± 1)°C, 30 mA/cm2 timp de 1200 secunde.Procesul de etanșare a fost efectuat în diferite soluții de saramură așa cum este descris în materiale (MgSO4, CaCl2, ZnSO4, SrCl2, CuSO4, MgCl2).Proba se fierbe în ea timp de 1800 de secunde.
Au fost investigate trei metode diferite de producere a compozitelor: acoperirea cu adeziv, reacția directă și tratarea suprafeței.Avantajele și dezavantajele fiecărei metode de antrenament sunt analizate și discutate sistematic.Observația directă, nanoimagingul și analiza chimică/elementală au fost folosite pentru a evalua rezultatele.
Anodizarea a fost aleasă ca metodă de tratare a suprafeței de conversie pentru a crește aderența hidraților de sare.Acest tratament de suprafață creează o structură poroasă de alumină (alumină) direct pe suprafața de aluminiu.În mod tradițional, această metodă constă din două etape: prima etapă creează o structură poroasă de oxid de aluminiu, iar a doua etapă creează un strat de hidroxid de aluminiu care închide porii.Următoarele sunt două metode de blocare a sării fără a bloca accesul la faza gazoasă.Primul constă într-un sistem de tip fagure care utilizează tuburi mici de oxid de aluminiu (Al2O3) obținute în prima etapă pentru a reține cristalele adsorbante și pentru a crește aderența acestuia la suprafețele metalice.Fagurii rezultați au un diametru de aproximativ 50 nm și o lungime de 200 nm (Fig. 1a).După cum sa menționat mai devreme, aceste cavități sunt de obicei închise într-o a doua etapă cu un strat subțire de boehmită Al2O(OH)2 susținut de procesul de fierbere a tubului de alumină.În a doua metodă, acest proces de etanșare este modificat în așa fel încât cristalele de sare să fie captate într-un strat uniform acoperitor de boehmită (Al2O(OH)), care nu este utilizat pentru etanșare în acest caz.A doua etapă se efectuează într-o soluție saturată de sare corespunzătoare.Modelele descrise au dimensiuni în intervalul 50-100 nm și arată ca picături stropite (Fig. 1b).Suprafața obținută în urma procesului de etanșare are o structură spațială pronunțată cu o zonă de contact crescută.Acest model de suprafață, împreună cu numeroasele lor configurații de lipire, este ideal pentru transportul și păstrarea cristalelor de sare.Ambele structuri descrise par a fi cu adevărat poroase și au cavități mici care par a fi potrivite pentru reținerea hidraților de sare și adsorbția vaporilor la sare în timpul funcționării adsorbantului.Cu toate acestea, analiza elementară a acestor suprafețe folosind EDX poate detecta urme de magneziu și sulf pe suprafața boehmitei, care nu sunt detectate în cazul unei suprafețe de alumină.
ATR-FTIR a probei a confirmat că elementul era sulfat de magneziu (vezi Figura 2b).Spectrul prezintă vârfuri caracteristice ale ionilor sulfat la 610–680 și 1080–1130 cm–1 și vârfuri caracteristice ale rețelei de apă la 1600–1700 cm–1 și 3200–3800 cm–1 (vezi Fig. 2a, c).).Prezența ionilor de magneziu aproape că nu schimbă spectrul54.
(a) EDX al unei plăci de aluminiu MgSO4 acoperită cu boehmit, (b) spectre ATR-FTIR ale straturilor de boehmite și MgSO4, (c) spectre ATR-FTIR ale MgSO4 pur.
Menținerea eficienței de adsorbție a fost confirmată de TGA.Pe fig.3b prezintă un vârf de desorbție de aprox.60°C.Acest vârf nu corespunde temperaturii celor două vârfuri observate în TGA de sare pură (Fig. 3a).A fost evaluată repetabilitatea ciclului de adsorbție-desorbție și aceeași curbă a fost observată după plasarea probelor într-o atmosferă umedă (Fig. 3c).Diferențele observate în a doua etapă de desorbție pot fi rezultatul deshidratării într-o atmosferă curgătoare, deoarece aceasta duce adesea la deshidratare incompletă.Aceste valori corespund cu aproximativ 17,9 g/m2 la prima deshidratare și 10,3 g/m2 la a doua deshidratare.
Comparația analizei TGA a boehmitei și MgSO4: analiza TGA a MgSO4 pur (a), amestecul (b) și după rehidratare (c).
Aceeași metodă a fost efectuată cu clorură de calciu ca adsorbant.Rezultatele sunt prezentate în Figura 4. Inspecția vizuală a suprafeței a relevat modificări minore ale strălucirii metalice.Blana abia se vede.SEM a confirmat prezența unor cristale mici distribuite uniform pe suprafață.Cu toate acestea, TGA nu a arătat deshidratare sub 150°C.Acest lucru se poate datora faptului că proporția de sare este prea mică în comparație cu masa totală a substratului pentru detectarea prin TGA.
Rezultatele tratării suprafeței acoperirii cu sulfat de cupru prin metoda de anodizare sunt prezentate în fig.5. În acest caz, încorporarea așteptată a CuSO4 în structura oxidului de Al nu a avut loc.În schimb, se observă ace libere, deoarece sunt utilizate în mod obișnuit pentru hidroxidul de cupru Cu(OH)2 utilizat cu coloranții tipici turcoaz.
Tratamentul suprafeței anodizate a fost testat și în combinație cu clorură de stronțiu.Rezultatele au arătat o acoperire neuniformă (vezi Figura 6a).Pentru a determina dacă sarea a acoperit întreaga suprafață, a fost efectuată o analiză EDX.Curba pentru un punct din zona gri (punctul 1 din Fig. 6b) arată puțin stronțiu și mult aluminiu.Aceasta indică un conținut scăzut de stronțiu în zona măsurată, care, la rândul său, indică o acoperire scăzută a clorurii de stronțiu.În schimb, zonele albe au un conținut ridicat de stronțiu și un conținut scăzut de aluminiu (punctele 2–6 din Fig. 6b).Analiza EDX a zonei albe arată puncte mai întunecate (punctele 2 și 4 din Fig. 6b), cu conținut scăzut de clor și cu conținut ridicat de sulf.Acest lucru poate indica formarea sulfatului de stronțiu.Punctele mai strălucitoare reflectă conținutul ridicat de clor și conținutul scăzut de sulf (punctele 3, 5 și 6 din Fig. 6b).Acest lucru poate fi explicat prin faptul că partea principală a stratului alb constă din clorură de stronțiu așteptată.TGA a probei a confirmat interpretarea analizei cu un vârf la temperatura caracteristică a clorurii de stronțiu pură (Fig. 6c).Valoarea lor mică poate fi justificată de o mică fracțiune de sare în comparație cu masa suportului metalic.Masa de desorbție determinată în experimente corespunde cantității de 7,3 g/m2 emisă pe unitatea de suprafață a adsorbantului la o temperatură de 150°C.
Acoperirile cu sulfat de zinc tratate cu eloxal au fost de asemenea testate.Macroscopic, acoperirea este un strat foarte subțire și uniform (Fig. 7a).Cu toate acestea, SEM a dezvăluit o suprafață acoperită cu cristale mici separate de zone goale (Fig. 7b).TGA al acoperirii și al substratului a fost comparat cu cel al sării pure (Figura 7c).Sarea pură are un vârf asimetric la 59,1°C.Aluminiul acoperit a prezentat două vârfuri mici la 55,5°C și 61,3°C, indicând prezența sulfatului de zinc hidrat.Diferența de masă revelată în experiment corespunde la 10,9 g/m2 la o temperatură de deshidratare de 150°C.
Ca și în cererea anterioară53, hidroxietil celuloza a fost utilizată ca liant pentru a îmbunătăți aderența și stabilitatea acoperirii cu absorbant.Compatibilitatea materialului și efectul asupra performanței de adsorbție au fost evaluate de TGA.Analiza se efectuează în raport cu masa totală, adică proba include o placă metalică folosită ca substrat de acoperire.Aderența este testată printr-un test bazat pe testul cu crestături încrucișate definit în specificația ISO2409 (nu poate îndeplini specificația de separare a crestăturii în funcție de grosimea și lățimea specificației).
Acoperirea panourilor cu clorură de calciu (CaCl2) (vezi Fig. 8a) a dus la o distribuție neuniformă, ceea ce nu a fost observat în stratul de aluminiu pur utilizat pentru testul de crestătură transversală.În comparație cu rezultatele pentru CaCl2 pur, TGA (Fig. 8b) arată două vârfuri caracteristice deplasate către temperaturi mai scăzute de 40 și, respectiv, 20 ° C.Testul de secțiune transversală nu permite o comparație obiectivă deoarece proba de CaCl2 pură (proba din dreapta în Fig. 8c) este un precipitat sub formă de pulbere, care îndepărtează particulele de sus.Rezultatele HEC au arătat o acoperire foarte subțire și uniformă cu aderență satisfăcătoare.Diferența de masă prezentată în fig.8b corespunde la 51,3 g/m2 pe unitate de suprafață a adsorbantului la o temperatură de 150°C.
Rezultate pozitive în ceea ce privește aderența și uniformitatea s-au obținut și cu sulfat de magneziu (MgSO4) (vezi Fig. 9).Analiza procesului de desorbție a acoperirii a arătat prezența unui vârf de cca.60°C.Această temperatură corespunde etapei principale de desorbție observată în deshidratarea sărurilor pure, reprezentând o altă etapă la 44°C.Corespunde trecerii de la hexahidrat la pentahidrat si nu se observa in cazul acoperirilor cu lianti.Testele în secțiune transversală arată o distribuție și aderență îmbunătățite în comparație cu acoperirile realizate cu sare pură.Diferența de masă observată în TGA-DTC corespunde cu 18,4 g/m2 pe unitatea de suprafață a adsorbantului la o temperatură de 150°C.
Datorită neregularităților de suprafață, clorura de stronțiu (SrCl2) are o acoperire neuniformă pe aripioare (Fig. 10a).Cu toate acestea, rezultatele testului de crestătură transversală au arătat o distribuție uniformă cu aderență îmbunătățită semnificativ (Fig. 10c).Analiza TGA a arătat o diferență foarte mică de greutate, care trebuie să se datoreze conținutului mai scăzut de sare în comparație cu substratul metalic.Totuși, pașii de pe curbă arată prezența unui proces de deshidratare, deși vârful este asociat cu temperatura obținută la caracterizarea sării pure.Vârfurile la 110°C și 70,2°C observate în Fig.10b au fost găsite și la analiza sării pure.Cu toate acestea, etapa principală de deshidratare observată în sare pură la 50°C nu a fost reflectată în curbe folosind liantul.În contrast, amestecul de liant a prezentat două vârfuri la 20,2°C și 94,1°C, care nu au fost măsurate pentru sarea pură (Fig. 10b).La o temperatură de 150 °C, diferența de masă observată corespunde la 7,2 g/m2 pe unitatea de suprafață a adsorbantului.
Combinația de HEC și sulfat de zinc (ZnSO4) nu a dat rezultate acceptabile (Figura 11).Analiza TGA a metalului acoperit nu a evidențiat niciun proces de deshidratare.Deși distribuția și aderența acoperirii s-au îmbunătățit, proprietățile sale sunt încă departe de a fi optime.
Cel mai simplu mod de a acoperi fibrele metalice cu un strat subțire și uniform este impregnarea umedă (Fig. 12a), care include prepararea sării țintă și impregnarea fibrelor metalice cu o soluție apoasă.
La pregătirea pentru impregnarea umedă, se întâlnesc două probleme principale.Pe de o parte, tensiunea superficială a soluției saline împiedică încorporarea corectă a lichidului în structura poroasă.Cristalizarea pe suprafața exterioară (Fig. 12d) și bulele de aer prinse în interiorul structurii (Fig. 12c) pot fi reduse doar prin scăderea tensiunii superficiale și umezirea prealabilă a probei cu apă distilată.Dizolvarea forțată în probă prin evacuarea aerului din interior sau prin crearea unui flux de soluție în structură sunt alte modalități eficiente de a asigura umplerea completă a structurii.
A doua problemă întâlnită în timpul preparării a fost îndepărtarea peliculei din o parte din sare (vezi Fig. 12b).Acest fenomen se caracterizează prin formarea unei acoperiri uscate pe suprafața de dizolvare, care oprește uscarea stimulată convectiv și începe procesul de difuzie stimulată.Al doilea mecanism este mult mai lent decât primul.Ca urmare, este necesară o temperatură ridicată pentru un timp de uscare rezonabil, ceea ce crește riscul formării de bule în interiorul probei.Această problemă este rezolvată prin introducerea unei metode alternative de cristalizare bazată nu pe modificarea concentrației (evaporare), ci pe schimbarea temperaturii (ca în exemplul cu MgSO4 din Fig. 13).
Reprezentare schematică a procesului de cristalizare în timpul răcirii și separării fazelor solide și lichide folosind MgSO4.
Soluțiile de sare saturată pot fi preparate la sau peste temperatura camerei (HT) folosind această metodă.În primul caz, cristalizarea a fost forțată prin scăderea temperaturii sub temperatura camerei.În al doilea caz, cristalizarea a avut loc atunci când proba a fost răcită la temperatura camerei (RT).Rezultatul este un amestec de cristale (B) și dizolvate (A), a cărui parte lichidă este îndepărtată prin aer comprimat.Această abordare nu numai că evită formarea unui film pe acești hidrați, dar reduce și timpul necesar pentru prepararea altor compozite.Cu toate acestea, îndepărtarea lichidului prin aer comprimat duce la cristalizarea suplimentară a sării, rezultând o acoperire mai groasă.
O altă metodă care poate fi utilizată pentru acoperirea suprafețelor metalice implică producerea directă a sărurilor țintă prin reacții chimice.Schimbătoarele de căldură acoperite realizate prin reacția acizilor pe suprafețele metalice ale aripioarelor și tuburilor au o serie de avantaje, așa cum sa raportat în studiul nostru anterior.Aplicarea acestei metode la fibre a condus la rezultate foarte slabe din cauza formării de gaze în timpul reacției.Presiunea bulelor de hidrogen gazos se acumulează în interiorul sondei și se schimbă pe măsură ce produsul este ejectat (Fig. 14a).
Acoperirea a fost modificată printr-o reacție chimică pentru a controla mai bine grosimea și distribuția acoperirii.Această metodă implică trecerea unui curent de ceață acidă prin probă (Figura 14b).Se așteaptă ca aceasta să aibă ca rezultat o acoperire uniformă prin reacția cu metalul substrat.Rezultatele au fost satisfăcătoare, dar procesul a fost prea lent pentru a fi considerat o metodă eficientă (Fig. 14c).Se pot obține timpi de reacție mai scurti prin încălzire localizată.
Pentru a depăși dezavantajele metodelor de mai sus, a fost studiată o metodă de acoperire bazată pe utilizarea adezivilor.HEC a fost selectat pe baza rezultatelor prezentate în secțiunea anterioară.Toate probele au fost preparate la 3% greutate.Liantul se amestecă cu sare.Fibrele au fost pretratate după aceeași procedură ca și pentru coaste, adică înmuiate în 50% vol.în 15 minute.acid sulfuric, apoi înmuiat în hidroxid de sodiu timp de 20 de secunde, spălat în apă distilată și în final înmuiat în apă distilată timp de 30 de minute.În acest caz, a fost adăugat un pas suplimentar înainte de impregnare.Se scufundă proba pentru scurt timp într-o soluție de sare țintă diluată și se usucă la aproximativ 60°C.Procesul este conceput pentru a modifica suprafața metalului, creând locuri de nucleare care îmbunătățesc distribuția acoperirii în etapa finală.Structura fibroasă are o latură în care filamentele sunt mai subțiri și strâns împachetate, iar partea opusă unde filamentele sunt mai groase și mai puțin distribuite.Acesta este rezultatul a 52 de procese de fabricație.
Rezultatele pentru clorură de calciu (CaCl2) sunt rezumate și ilustrate cu imagini în Tabelul 1. Acoperire bună după inoculare.Chiar și acele fire fără cristale vizibile la suprafață aveau reflexii metalice reduse, indicând o schimbare a finisajului.Totuși, după ce probele au fost impregnate cu un amestec apos de CaCI2 și HEC și uscate la o temperatură de aproximativ 60°C, acoperirile au fost concentrate la intersecțiile structurilor.Acesta este un efect cauzat de tensiunea superficială a soluției.După înmuiere, lichidul rămâne în interiorul probei datorită tensiunii sale superficiale.Practic apare la intersecția structurilor.Cea mai bună parte a specimenului are mai multe găuri umplute cu sare.Greutatea a crescut cu 0,06 g/cm3 după acoperire.
Acoperirea cu sulfat de magneziu (MgSO4) a produs mai multă sare pe unitate de volum (Tabelul 2).În acest caz, incrementul măsurat este de 0,09 g/cm3.Procesul de însămânțare a dus la o acoperire extinsă a probei.După procesul de acoperire, sarea blochează zone mari din partea subțire a probei.În plus, unele zone ale matei sunt blocate, dar o anumită porozitate este păstrată.În acest caz, formarea de sare este observată cu ușurință la intersecția structurilor, confirmând că procesul de acoperire se datorează în principal tensiunii superficiale a lichidului și nu interacțiunii dintre sare și substratul metalic.
Rezultatele pentru combinația de clorură de stronțiu (SrCl2) și HEC au arătat proprietăți similare cu exemplele anterioare (Tabelul 3).În acest caz, partea mai subțire a probei este aproape complet acoperită.Sunt vizibili doar porii individuali, formați în timpul uscării ca urmare a eliberării de abur din probă.Modelul observat pe partea mată este foarte asemănător cu cazul precedent, zona este blocată cu sare și fibrele nu sunt acoperite complet.
Pentru a evalua efectul pozitiv al structurii fibroase asupra performanței termice a schimbătorului de căldură, a fost determinată conductivitatea termică efectivă a structurii fibroase acoperite și a fost comparată cu materialul de acoperire pur.Conductivitatea termică a fost măsurată conform ASTM D 5470-2017 utilizând dispozitivul cu ecran plat prezentat în Figura 15a utilizând un material de referință cu conductivitate termică cunoscută.Comparativ cu alte metode de măsurare tranzitorie, acest principiu este avantajos pentru materialele poroase utilizate în studiul curent, deoarece măsurătorile sunt efectuate în stare staționară și cu o dimensiune suficientă a eșantionului (aria de bază 30 × 30 mm2, înălțimea de aproximativ 15 mm).S-au pregătit probe de material de acoperire pur (de referință) și structura fibrei acoperite pentru măsurători în direcția fibrei și perpendicular pe direcția fibrei pentru a evalua efectul conductivității termice anizotrope.Probele au fost măcinate pe suprafață (granulație P320) pentru a minimiza efectul rugozității suprafeței datorat pregătirii specimenului, care nu reflectă structura din eșantion.