Спасибо за посещение Nature.com. Версия браузера, которую вы используете, имеет ограниченную поддержку CSS. Для наилучшего опыта мы рекомендуем вам использовать обновленный браузер (или отключить режим совместимости в Internet Explorer). В то же время, чтобы обеспечить постоянную поддержку, мы будем отображать сайт без стилей и JavaScript.
Доля рынка адсорбционных холодильных систем и тепловых насосов по-прежнему относительно мала по сравнению с традиционными компрессорными системами. Несмотря на огромное преимущество использования дешевого тепла (вместо дорогостоящей электроработы), внедрение систем, основанных на принципах адсорбции, по-прежнему ограничено несколькими конкретными приложениями. Основным недостатком, который необходимо устранить, является снижение удельной мощности из-за низкой теплопроводности и низкой стабильности адсорбента. Современные коммерческие адсорбционные холодильные системы основаны на адсорберах на основе пластинчатых теплообменников с покрытием для оптимизации охлаждающей способности. Результаты хорошо известны: уменьшение толщины покрытия приводит к снижению сопротивления массопереносу, а увеличение отношения площади поверхности к объему проводящих структур увеличивает мощность без ущерба для эффективности. Металлические волокна, используемые в этой работе, могут обеспечить удельную площадь поверхности в диапазоне 2500–50 000 м2/м3. Три метода получения очень тонких, но стабильных покрытий из гидратов солей на металлических поверхностях, включая металлические волокна, для производства покрытий впервые демонстрируют теплообменник с высокой плотностью мощности. Обработка поверхности на основе анодирования алюминия выбрана для создания более прочной связи между покрытием и подложкой. Микроструктура полученной поверхности была проанализирована с помощью сканирующей электронной микроскопии. Фурье-инфракрасная спектроскопия с пониженным полным внутренним отражением и энергодисперсионная рентгеновская спектроскопия использовались для проверки наличия желаемых видов в анализе. Их способность образовывать гидраты была подтверждена комбинированным термогравиметрическим анализом (ТГА)/дифференциальным термогравиметрическим анализом (ДТГ). Низкое качество более 0,07 г (воды)/г (композита) было обнаружено в покрытии MgSO4, показывающем признаки дегидратации при температуре около 60 °C и воспроизводимом после регидратации. Положительные результаты были также получены с SrCl2 и ZnSO4 с разницей масс около 0,02 г/г ниже 100 °C. Гидроксиэтилцеллюлоза была выбрана в качестве добавки для повышения стабильности и адгезии покрытия. Адсорбционные свойства продуктов оценивались с помощью одновременного ТГА-ДТГ, а их адгезия характеризовалась методом, основанным на испытаниях, описанных в ISO2409. Консистенция и адгезия покрытия CaCl2 значительно улучшаются при сохранении его адсорбционной емкости с разницей веса около 0,1 г/г при температурах ниже 100 °C. Кроме того, MgSO4 сохраняет способность образовывать гидраты, показывая разницу веса более 0,04 г/г при температурах ниже 100 °C. Наконец, исследуются покрытые металлические волокна. Результаты показывают, что эффективная теплопроводность структуры волокна, покрытого Al2(SO4)3, может быть в 4,7 раза выше по сравнению с объемом чистого Al2(SO4)3. Покрытие исследуемых покрытий исследовалось визуально, а внутренняя структура оценивалась с помощью микроскопического изображения поперечных сечений. Было получено покрытие Al2(SO4)3 толщиной около 50 мкм, но весь процесс необходимо оптимизировать для достижения более равномерного распределения.
Адсорбционные системы привлекли большое внимание за последние несколько десятилетий, поскольку они представляют собой экологически чистую альтернативу традиционным компрессионным тепловым насосам или системам охлаждения. С ростом стандартов комфорта и мировых средних температур адсорбционные системы могут снизить зависимость от ископаемого топлива в ближайшем будущем. Кроме того, любые усовершенствования в адсорбционном охлаждении или тепловых насосах могут быть перенесены на хранение тепловой энергии, что представляет собой дополнительное увеличение потенциала эффективного использования первичной энергии. Главное преимущество адсорбционных тепловых насосов и систем охлаждения заключается в том, что они могут работать с низкой тепловой массой. Это делает их подходящими для низкотемпературных источников, таких как солнечная энергия или отработанное тепло. С точки зрения приложений хранения энергии адсорбция имеет преимущество более высокой плотности энергии и меньшего рассеивания энергии по сравнению с хранением явного или скрытого тепла.
Адсорбционные тепловые насосы и холодильные системы следуют тому же термодинамическому циклу, что и их парокомпрессионные аналоги. Главное отличие заключается в замене компонентов компрессора адсорберами. Элемент способен адсорбировать пары хладагента низкого давления при умеренных температурах, испаряя больше хладагента, даже когда жидкость холодная. Необходимо обеспечить постоянное охлаждение адсорбера, чтобы исключить энтальпию адсорбции (экзотермию). Адсорбер регенерируется при высокой температуре, заставляя пары хладагента десорбироваться. Нагрев должен продолжать обеспечивать энтальпию десорбции (эндотермию). Поскольку процессы адсорбции характеризуются изменениями температуры, высокая плотность мощности требует высокой теплопроводности. Однако низкая теплопроводность является, безусловно, главным недостатком в большинстве применений.
Основная проблема проводимости — повышение ее среднего значения при сохранении пути транспортировки, обеспечивающего поток паров адсорбции/десорбции. Для достижения этого обычно используются два подхода: композитные теплообменники и теплообменники с покрытием. Наиболее популярными и успешными композитными материалами являются те, которые используют добавки на основе углерода, а именно расширенный графит, активированный уголь или углеродные волокна. Оливейра и др. 2 пропитали порошок расширенного графита хлоридом кальция, чтобы получить адсорбер с удельной холодопроизводительностью (SCP) до 306 Вт/кг и коэффициентом полезного действия (COP) до 0,46. Зайончковский и др. 3 предложили комбинацию расширенного графита, углеродного волокна и хлорида кальция с общей проводимостью 15 Вт/мК. Цзянь и др. 4 испытали композиты с обработанным серной кислотой расширенным природным графитом (ENG-TSA) в качестве субстрата в двухступенчатом цикле адсорбционного охлаждения. Модель предсказывала COP от 0,215 до 0,285 и SCP от 161,4 до 260,74 Вт/кг.
Наиболее жизнеспособным решением является теплообменник с покрытием. Механизмы покрытия этих теплообменников можно разделить на две категории: прямой синтез и адгезивы. Наиболее успешным методом является прямой синтез, который включает в себя образование адсорбирующих материалов непосредственно на поверхности теплообменников из соответствующих реагентов. Sotech5 запатентовал метод синтеза покрытого цеолита для использования в серии охладителей, производимых Fahrenheit GmbH. Шнабель и др.6 протестировали производительность двух цеолитов, нанесенных на нержавеющую сталь. Однако этот метод работает только со специфическими адсорбентами, что делает покрытие адгезивами интересной альтернативой. Связующие вещества — это пассивные вещества, выбранные для поддержки адгезии сорбента и/или массопереноса, но не играют никакой роли в улучшении адсорбции или проводимости. Френи и др. 7 покрытых алюминиевых теплообменников с цеолитом AQSOA-Z02, стабилизированным связующим на основе глины. Калабрезе и др.8 изучали подготовку цеолитных покрытий с полимерными связующими. Амманн и др.9 предложили метод приготовления пористых цеолитовых покрытий из магнитных смесей поливинилового спирта. Оксид алюминия (глинозем) также используется в качестве связующего вещества10 в адсорбере. Насколько нам известно, целлюлоза и гидроксиэтилцеллюлоза используются только в сочетании с физическими адсорбентами11,12. Иногда клей не используется для краски, а используется для построения структуры13 сам по себе. Сочетание альгинатных полимерных матриц с несколькими гидратами солей образует гибкие композитные структуры из шариков, которые предотвращают утечку во время высыхания и обеспечивают адекватный массоперенос. Такие глины, как бентонит и аттапульгит, использовались в качестве связующих веществ для приготовления композитов15,16,17. Этилцеллюлоза использовалась для микрокапсулирования хлорида кальция18 или сульфида натрия19.
Композиты с пористой металлической структурой можно разделить на аддитивные теплообменники и теплообменники с покрытием. Преимуществом этих структур является высокая удельная площадь поверхности. Это приводит к большей поверхности контакта между адсорбентом и металлом без добавления инертной массы, что снижает общую эффективность холодильного цикла. Ланг и др. 20 улучшили общую проводимость цеолитового адсорбера с алюминиевой сотовой структурой. Джиллерминот и др. 21 улучшили теплопроводность слоев цеолита NaX с медной и никелевой пеной. Хотя композиты используются в качестве материалов с изменяющейся фазой (PCM), выводы Ли и др. 22 и Чжао и др. 23 также представляют интерес для хемосорбции. Они сравнили производительность расширенного графита и металлической пены и пришли к выводу, что последняя предпочтительнее только в том случае, если коррозия не является проблемой. Паломба и др. недавно сравнили другие металлические пористые структуры24. Ван дер Пал и др. изучали металлические соли, внедренные в пены 25 . Все предыдущие примеры соответствуют плотным слоям адсорбентов в виде частиц. Металлические пористые структуры практически не используются для покрытия адсорберов, что является более оптимальным решением. Пример связывания с цеолитами можно найти в Wittstadt et al. 26 , но не было предпринято никаких попыток связать гидраты солей, несмотря на их более высокую плотность энергии 27 .
Таким образом, в этой статье будут рассмотрены три метода получения адсорбционных покрытий: (1) покрытие связующим, (2) прямая реакция и (3) обработка поверхности. Гидроксиэтилцеллюлоза была выбрана в качестве связующего в этой работе из-за ранее сообщенной стабильности и хорошей адгезии покрытия в сочетании с физическими адсорбентами. Этот метод был первоначально исследован для плоских покрытий и позже применен к структурам из металлических волокон. Ранее был опубликован предварительный анализ возможности химических реакций с образованием адсорбционных покрытий. Предыдущий опыт теперь переносится на покрытие структур из металлических волокон. Обработка поверхности, выбранная для этой работы, представляет собой метод, основанный на анодировании алюминия. Анодирование алюминия успешно сочеталось с солями металлов в эстетических целях29. В этих случаях можно получить очень стабильные и коррозионно-стойкие покрытия. Однако они не могут осуществлять какой-либо процесс адсорбции или десорбции. В этой статье представлен вариант этого подхода, который позволяет перемещать массу с использованием адгезионных свойств исходного процесса. Насколько нам известно, ни один из описанных здесь методов ранее не изучался. Они представляют собой очень интересную новую технологию, поскольку позволяют формировать гидратированные адсорбционные покрытия, которые имеют ряд преимуществ по сравнению с часто изучаемыми физическими адсорбентами.
Штампованные алюминиевые пластины, использованные в качестве подложек для этих экспериментов, были предоставлены ALINVEST Břidličná, Чешская Республика. Они содержат 98,11% алюминия, 1,3622% железа, 0,3618% марганца и следы меди, магния, кремния, титана, цинка, хрома и никеля.
Материалы, используемые для изготовления композитов, выбираются в соответствии с их термодинамическими свойствами, а именно в зависимости от количества воды, которое они могут адсорбировать/десорбировать при температурах ниже 120°С.
Сульфат магния (MgSO4) является одной из самых интересных и изученных гидратированных солей30,31,32,33,34,35,36,37,38,39,40,41. Термодинамические свойства были систематически измерены и признаны пригодными для применения в области адсорбционного охлаждения, тепловых насосов и хранения энергии. Использовался сухой сульфат магния CAS-Nr.7487-88-9 99% (Grüssing GmbH, Filsum, Niedersachsen, Germany).
Хлорид кальция (CaCl2) (H319) — еще одна хорошо изученная соль, поскольку ее гидрат обладает интересными термодинамическими свойствами41,42,43,44. Гексагидрат хлорида кальция CAS-номер 7774-34-7 97% использовано (Grüssing, GmbH, Filsum, Niedersachsen, Германия).
Сульфат цинка (ZnSO4) (H3O2, H318, H410) и его гидраты обладают термодинамическими свойствами, подходящими для низкотемпературных процессов адсорбции45,46. Использовался гептагидрат сульфата цинка CAS-Nr.7733-02-0 99,5% (Grüssing GmbH, Filsum, Niedersachsen, Германия).
Хлорид стронция (SrCl2) (H318) также обладает интересными термодинамическими свойствами4,45,47, хотя его часто сочетают с аммиаком в адсорбционных тепловых насосах или исследованиях по хранению энергии. Для синтеза использовался гексагидрат хлорида стронция CAS-Nr.10.476-85-4 99,0–102,0% (Sigma Aldrich, Сент-Луис, Миссури, США).
Сульфат меди (CuSO4) (H302, H315, H319, H410) не входит в число гидратов, часто встречающихся в профессиональной литературе, хотя его термодинамические свойства представляют интерес для низкотемпературных применений48,49. Для синтеза использовался сульфат меди CAS-Nr.7758-99-8 99% (Sigma Aldrich, Сент-Луис, Миссури, США).
Хлорид магния (MgCl2) является одной из гидратированных солей, которая в последнее время привлекает все больше внимания в области хранения тепловой энергии50,51. Для экспериментов использовался гексагидрат хлорида магния CAS-Nr.7791-18-6 чистого фармацевтического класса (Applichem GmbH., Дармштадт, Германия).
Как упоминалось выше, гидроксиэтилцеллюлоза была выбрана из-за положительных результатов в аналогичных приложениях. Материал, используемый в нашем синтезе, — гидроксиэтилцеллюлоза CAS-Nr 9004-62-0 (Sigma Aldrich, Сент-Луис, Миссури, США).
Металлические волокна изготавливаются из коротких проволок, соединенных вместе путем сжатия и спекания, процесс, известный как тигельная экстракция расплава (CME)52. Это означает, что их теплопроводность зависит не только от объемной проводимости металлов, используемых при изготовлении, и пористости конечной структуры, но и от качества связей между нитями. Волокна не являются изотропными и имеют тенденцию распределяться в определенном направлении во время производства, что делает теплопроводность в поперечном направлении значительно ниже.
Свойства поглощения воды исследовали с помощью одновременного термогравиметрического анализа (ТГА)/дифференциального термогравиметрического анализа (ДТГ) в вакуумной упаковке (Netzsch TG 209 F1 Libra). Измерения проводили в проточной атмосфере азота при скорости потока 10 мл/мин и диапазоне температур от 25 до 150 °C в тиглях из оксида алюминия. Скорость нагрева составляла 1 °C/мин, масса образца варьировалась от 10 до 20 мг, разрешение составляло 0,1 мкг. В данной работе следует отметить, что разница масс на единицу поверхности имеет большую неопределенность. Образцы, используемые в ТГА-ДТГ, очень малы и неравномерно вырезаны, что делает определение их площади неточным. Эти значения можно экстраполировать на большую площадь только с учетом больших отклонений.
Спектры Фурье-преобразования с ослабленным полным внутренним отражением (ИК-Фурье спектры) были получены на спектрометре Bruker Vertex 80 v ИК-Фурье (Bruker Optik GmbH, Лейпциг, Германия) с использованием платиновой насадки НПВО (Bruker Optik GmbH, Германия). Спектры чистых сухих кристаллов алмаза были измерены непосредственно в вакууме перед использованием образцов в качестве фона для экспериментальных измерений. Образцы были измерены в вакууме с использованием спектрального разрешения 2 см-1 и среднего числа сканирований 32. Диапазон волновых чисел от 8000 до 500 см-1. Спектральный анализ был выполнен с использованием программы OPUS.
Анализ SEM проводился с использованием DSM 982 Gemini от Zeiss при ускоряющих напряжениях 2 и 5 кВ. Энергодисперсионная рентгеновская спектроскопия (EDX) проводилась с использованием Thermo Fischer System 7 с охлаждаемым Пельтье кремниевым дрейфовым детектором (SSD).
Подготовка металлических пластин проводилась по методике, аналогичной описанной в 53. Сначала погружали пластину в 50% серную кислоту. на 15 минут. Затем их вводили в 1 М раствор гидроксида натрия примерно на 10 секунд. Затем образцы промывали большим количеством дистиллированной воды, а затем замачивали в дистиллированной воде в течение 30 минут. После предварительной обработки поверхности образцы погружали в 3% насыщенный раствор. ГЭЦ и целевой соли. Наконец, вынимали их и высушивали при температуре 60°С.
Метод анодирования усиливает и укрепляет естественный оксидный слой на пассивном металле. Алюминиевые панели были анодированы серной кислотой в закаленном состоянии, а затем запечатаны в горячей воде. Анодирование следовало за начальным травлением 1 моль/л NaOH (600 с) с последующей нейтрализацией в 1 моль/л HNO3 (60 с). Раствор электролита представляет собой смесь 2,3 М H2SO4, 0,01 М Al2(SO4)3 и 1 М MgSO4 + 7H2O. Анодирование проводилось при (40 ± 1)°C, 30 мА/см2 в течение 1200 секунд. Процесс запечатывания проводился в различных солевых растворах, как описано в материалах (MgSO4, CaCl2, ZnSO4, SrCl2, CuSO4, MgCl2). Образец кипятился в нем в течение 1800 секунд.
Были исследованы три различных метода производства композитов: адгезионное покрытие, прямая реакция и обработка поверхности. Преимущества и недостатки каждого метода обучения систематически анализируются и обсуждаются. Для оценки результатов использовались прямое наблюдение, нановизуализация и химический/элементный анализ.
Анодирование было выбрано в качестве метода конверсионной обработки поверхности для повышения адгезии гидратов соли. Такая обработка поверхности создает пористую структуру оксида алюминия (глинозема) непосредственно на поверхности алюминия. Традиционно этот метод состоит из двух этапов: на первом этапе создается пористая структура оксида алюминия, а на втором этапе создается покрытие из гидроксида алюминия, которое закрывает поры. Ниже приведены два метода блокирования соли без блокирования доступа к газовой фазе. Первый состоит из сотовой системы с использованием небольших трубок оксида алюминия (Al2O3), полученных на первом этапе, для удержания кристаллов адсорбента и повышения его адгезии к металлическим поверхностям. Полученные соты имеют диаметр около 50 нм и длину 200 нм (рис. 1а). Как упоминалось ранее, эти полости обычно закрываются на втором этапе тонким слоем бемита Al2O(OH)2, поддерживаемого процессом кипячения трубок оксида алюминия. Во втором методе этот процесс герметизации модифицирован таким образом, что кристаллы соли захватываются в равномерно покрывающем слое бемита (Al2O(OH)), который в данном случае не используется для герметизации. Вторая стадия осуществляется в насыщенном растворе соответствующей соли. Описанные узоры имеют размеры в диапазоне 50–100 нм и выглядят как разбрызганные капли (рис. 1б). Поверхность, полученная в результате процесса герметизации, имеет выраженную пространственную структуру с увеличенной площадью контакта. Этот узор поверхности, наряду с их многочисленными конфигурациями связей, идеально подходит для переноса и удержания кристаллов соли. Обе описанные структуры кажутся действительно пористыми и имеют небольшие полости, которые, по-видимому, хорошо подходят для удержания гидратов соли и адсорбции паров на соли во время работы адсорбера. Однако элементный анализ этих поверхностей с использованием EDX может обнаружить следовые количества магния и серы на поверхности бемита, которые не обнаруживаются в случае поверхности оксида алюминия.
ИК-спектроскопия НПВО образца подтвердила, что элемент представляет собой сульфат магния (см. рисунок 2b). Спектр показывает характерные пики сульфатных ионов при 610–680 и 1080–1130 см–1 и характерные пики решеточной воды при 1600–1700 см–1 и 3200–3800 см–1 (см. рисунок 2a, c). ). Присутствие ионов магния почти не изменяет спектр54.
(a) EDX алюминиевой пластины MgSO4, покрытой бемитом, (b) спектры ATR-FTIR покрытий из бемита и MgSO4, (c) спектры ATR-FTIR чистого MgSO4.
Поддержание эффективности адсорбции было подтверждено ТГА. На рис. 3б показан пик десорбции примерно 60°С. Этот пик не соответствует температуре двух пиков, наблюдаемых при ТГА чистой соли (рис. 3а). Была оценена повторяемость цикла адсорбции-десорбции, и та же кривая наблюдалась после помещения образцов во влажную атмосферу (рис. 3в). Различия, наблюдаемые на втором этапе десорбции, могут быть результатом дегидратации в проточной атмосфере, так как это часто приводит к неполной дегидратации. Эти значения соответствуют примерно 17,9 г/м2 при первом обезвоживании и 10,3 г/м2 при втором обезвоживании.
Сравнение результатов ТГА-анализа бемита и MgSO4: ТГА-анализ чистого MgSO4 (a), смеси (b) и после регидратации (c).
Тот же метод был реализован с использованием хлорида кальция в качестве адсорбента. Результаты представлены на рисунке 4. Визуальный осмотр поверхности выявил незначительные изменения в металлическом свечении. Мех едва заметен. СЭМ подтвердил наличие мелких кристаллов, равномерно распределенных по поверхности. Однако ТГА не показал дегидратации ниже 150°C. Это может быть связано с тем, что доля соли слишком мала по сравнению с общей массой субстрата для обнаружения методом ТГА.
Результаты обработки поверхности покрытия из медного купороса методом анодирования показаны на рис. 5. В этом случае ожидаемого включения CuSO4 в структуру оксида Al не произошло. Вместо этого наблюдаются свободные иглы, как это обычно бывает с гидроксидом меди Cu(OH)2, используемым с типичными бирюзовыми красителями.
Обработка анодированной поверхности также была протестирована в сочетании с хлоридом стронция. Результаты показали неравномерное покрытие (см. Рисунок 6а). Чтобы определить, покрыла ли соль всю поверхность, был проведен анализ EDX. Кривая для точки в серой области (точка 1 на Рис. 6б) показывает мало стронция и много алюминия. Это указывает на низкое содержание стронция в измеряемой зоне, что, в свою очередь, указывает на низкое покрытие хлоридом стронция. Наоборот, белые области имеют высокое содержание стронция и низкое содержание алюминия (точки 2–6 на Рис. 6б). Анализ EDX белой области показывает более темные точки (точки 2 и 4 на Рис. 6б), низкое содержание хлора и высокое содержание серы. Это может указывать на образование сульфата стронция. Более яркие точки отражают высокое содержание хлора и низкое содержание серы (точки 3, 5 и 6 на Рис. 6б). Это можно объяснить тем, что основная часть белого покрытия состоит из ожидаемого хлорида стронция. ТГА образца подтвердила интерпретацию анализа с пиком при характеристической температуре чистого хлорида стронция (рис. 6c). Их малое значение можно оправдать малой долей соли по сравнению с массой металлического носителя. Десорбционная масса, определенная в экспериментах, соответствует количеству 7,3 г/м2, отданному с единицы площади адсорбера при температуре 150°C.
Также были испытаны покрытия из сульфата цинка, обработанные элоксалом. Макроскопически покрытие представляет собой очень тонкий и однородный слой (рис. 7а). Однако СЭМ выявила область поверхности, покрытую мелкими кристаллами, разделенными пустыми областями (рис. 7б). ТГА покрытия и подложки сравнивали с ТГА чистой соли (рис. 7в). Чистая соль имеет один асимметричный пик при 59,1°C. Покрытый алюминий показал два небольших пика при 55,5°C и 61,3°C, что указывает на присутствие гидрата сульфата цинка. Разница масс, выявленная в эксперименте, соответствует 10,9 г/м2 при температуре дегидратации 150°C.
Как и в предыдущем приложении53, гидроксиэтилцеллюлоза использовалась в качестве связующего для улучшения адгезии и стабильности сорбционного покрытия. Совместимость материалов и влияние на адсорбционные характеристики оценивались методом ТГА. Анализ проводился по отношению к общей массе, т. е. образец включал металлическую пластину, используемую в качестве подложки покрытия. Адгезия проверялась с помощью теста на основе теста с перекрестным надрезом, определенного в спецификации ISO2409 (не может соответствовать спецификации разделения надрезов в зависимости от толщины и ширины спецификации).
Покрытие панелей хлоридом кальция (CaCl2) (см. рис. 8а) привело к неравномерному распределению, которое не наблюдалось в чистом алюминиевом покрытии, использованном для теста с поперечным надрезом. По сравнению с результатами для чистого CaCl2, ТГА (рис. 8б) показывает два характерных пика, смещенных в сторону более низких температур 40 и 20 °C соответственно. Тест поперечного сечения не позволяет провести объективное сравнение, поскольку чистый образец CaCl2 (образец справа на рис. 8в) представляет собой порошкообразный осадок, который удаляет самые верхние частицы. Результаты ГЭЦ показали очень тонкое и однородное покрытие с удовлетворительной адгезией. Разница масс, показанная на рис. 8б, соответствует 51,3 г/м2 на единицу площади адсорбера при температуре 150 °C.
Положительные результаты с точки зрения адгезии и однородности были также получены с сульфатом магния (MgSO4) (см. рис. 9). Анализ процесса десорбции покрытия показал наличие одного пика около 60°C. Эта температура соответствует основному этапу десорбции, наблюдаемому при дегидратации чистых солей, представляющему другой этап при 44°C. Он соответствует переходу от гексагидрата к пентагидрату и не наблюдается в случае покрытий со связующими. Испытания поперечного сечения показывают улучшенное распределение и адгезию по сравнению с покрытиями, изготовленными с использованием чистой соли. Разница масс, наблюдаемая в TGA-DTC, соответствует 18,4 г/м2 на единицу площади адсорбера при температуре 150°C.
Из-за неровностей поверхности хлорид стронция (SrCl2) имеет неравномерное покрытие на ребрах (рис. 10а). Однако результаты теста с поперечным надрезом показали равномерное распределение со значительно улучшенной адгезией (рис. 10c). Анализ TGA показал очень небольшую разницу в весе, что должно быть связано с более низким содержанием соли по сравнению с металлической подложкой. Однако ступеньки на кривой показывают наличие процесса дегидратации, хотя пик связан с температурой, полученной при характеристике чистой соли. Пики при 110°C и 70,2°C, наблюдаемые на рис. 10b, были также обнаружены при анализе чистой соли. Однако основной шаг дегидратации, наблюдаемый в чистой соли при 50°C, не был отражен на кривых с использованием связующего. Напротив, смесь связующего показала два пика при 20,2°C и 94,1°C, которые не были измерены для чистой соли (рис. 10b). При температуре 150 °С наблюдаемая разница масс соответствует 7,2 г/м2 на единицу площади адсорбера.
Сочетание ГЭЦ и сульфата цинка (ZnSO4) не дало приемлемых результатов (рисунок 11). Анализ ТГА покрытого металла не выявил никаких процессов дегидратации. Хотя распределение и адгезия покрытия улучшились, его свойства все еще далеки от оптимальных.
Наиболее простым способом покрытия металлических волокон тонким и равномерным слоем является мокрая пропитка (рис. 12а), которая включает приготовление целевой соли и пропитку металлических волокон водным раствором.
При подготовке к влажной пропитке возникают две основные проблемы. С одной стороны, поверхностное натяжение солевого раствора препятствует правильному внедрению жидкости в пористую структуру. Кристаллизация на внешней поверхности (рис. 12d) и пузырьки воздуха, захваченные внутри структуры (рис. 12c), могут быть уменьшены только путем снижения поверхностного натяжения и предварительного смачивания образца дистиллированной водой. Принудительное растворение в образце путем откачки воздуха внутри или путем создания потока раствора в структуре являются другими эффективными способами обеспечения полного заполнения структуры.
Вторая проблема, возникшая при подготовке, заключалась в удалении пленки с части соли (см. рис. 12б). Это явление характеризуется образованием сухого покрытия на поверхности растворения, что останавливает конвективно-стимулированную сушку и запускает диффузионно-стимулированный процесс. Второй механизм гораздо медленнее первого. В результате для разумного времени сушки требуется высокая температура, что увеличивает риск образования пузырьков внутри образца. Эта проблема решается введением альтернативного метода кристаллизации, основанного не на изменении концентрации (испарении), а на изменении температуры (как в примере с MgSO4 на рис. 13).
Схематическое изображение процесса кристаллизации при охлаждении и разделении твердой и жидкой фаз с использованием MgSO4.
Насыщенные растворы солей можно приготовить при комнатной температуре (HT) или выше с помощью этого метода. В первом случае кристаллизация была принудительно вызвана понижением температуры ниже комнатной. Во втором случае кристаллизация произошла при охлаждении образца до комнатной температуры (RT). В результате получается смесь кристаллов (B) и растворенного вещества (A), жидкая часть которой удаляется сжатым воздухом. Такой подход не только позволяет избежать образования пленки на этих гидратах, но и сокращает время, необходимое для приготовления других композитов. Однако удаление жидкости сжатым воздухом приводит к дополнительной кристаллизации соли, что приводит к более толстому покрытию.
Другой метод, который можно использовать для покрытия металлических поверхностей, включает прямое производство целевых солей посредством химических реакций. Покрытые теплообменники, изготовленные путем реакции кислот на металлических поверхностях ребер и труб, имеют ряд преимуществ, как сообщалось в нашем предыдущем исследовании. Применение этого метода к волокнам привело к очень плохим результатам из-за образования газов во время реакции. Давление пузырьков газообразного водорода нарастает внутри зонда и смещается по мере выброса продукта (рис. 14а).
Покрытие было модифицировано посредством химической реакции для лучшего контроля толщины и распределения покрытия. Этот метод включает пропускание потока кислотного тумана через образец (рис. 14b). Ожидается, что это приведет к равномерному покрытию путем реакции с металлом подложки. Результаты были удовлетворительными, но процесс был слишком медленным, чтобы считаться эффективным методом (рис. 14c). Более короткое время реакции может быть достигнуто путем локального нагрева.
Для преодоления недостатков вышеуказанных методов был изучен метод покрытия, основанный на использовании клеев. HEC был выбран на основе результатов, представленных в предыдущем разделе. Все образцы были подготовлены при 3% масс. Связующее вещество смешивалось с солью. Волокна были предварительно обработаны в соответствии с той же процедурой, что и для ребер, т. е. замачивались в 50% об. в течение 15 минут. серной кислоте, затем замачивались в гидроксиде натрия в течение 20 секунд, промывались в дистиллированной воде и, наконец, замачивались в дистиллированной воде в течение 30 минут. В этом случае был добавлен дополнительный шаг перед пропиткой. Погрузите образец на короткое время в разбавленный целевой солевой раствор и высушите при температуре около 60 °C. Процесс предназначен для модификации поверхности металла, создавая центры зародышеобразования, которые улучшают распределение покрытия на конечной стадии. Волокнистая структура имеет одну сторону, где нити тоньше и плотно упакованы, и противоположную сторону, где нити толще и менее распределены. Это результат 52 производственных процессов.
Результаты для хлорида кальция (CaCl2) суммированы и проиллюстрированы рисунками в Таблице 1. Хорошее покрытие после инокуляции. Даже те нити, на поверхности которых не было видимых кристаллов, имели уменьшенные металлические отражения, что указывает на изменение отделки. Однако после того, как образцы были пропитаны водной смесью CaCl2 и HEC и высушены при температуре около 60°C, покрытия были сконцентрированы на пересечениях структур. Это эффект, вызванный поверхностным натяжением раствора. После замачивания жидкость остается внутри образца из-за его поверхностного натяжения. В основном это происходит на пересечении структур. Лучшая сторона образца имеет несколько отверстий, заполненных солью. Вес увеличился на 0,06 г/см3 после покрытия.
Покрытие сульфатом магния (MgSO4) дало больше соли на единицу объема (таблица 2). В этом случае измеренный прирост составляет 0,09 г/см3. Процесс затравки привел к обширному покрытию образца. После процесса покрытия соль блокирует большие площади тонкой стороны образца. Кроме того, некоторые области мата блокируются, но некоторая пористость сохраняется. В этом случае образование соли легко наблюдается на пересечении структур, подтверждая, что процесс покрытия в основном обусловлен поверхностным натяжением жидкости, а не взаимодействием между солью и металлической подложкой.
Результаты для комбинации хлорида стронция (SrCl2) и ГЭЦ показали схожие свойства с предыдущими примерами (таблица 3). В этом случае более тонкая сторона образца почти полностью покрыта. Видны только отдельные поры, образовавшиеся во время сушки в результате выделения пара из образца. Рисунок, наблюдаемый на матовой стороне, очень похож на предыдущий случай, область заблокирована солью, а волокна не полностью покрыты.
Для оценки положительного влияния волокнистой структуры на тепловые характеристики теплообменника была определена эффективная теплопроводность покрытой волокнистой структуры и сравнена с чистым материалом покрытия. Теплопроводность измерялась в соответствии с ASTM D 5470-2017 с помощью плоскопанельного устройства, показанного на рисунке 15a, с использованием эталонного материала с известной теплопроводностью. По сравнению с другими методами измерения переходных процессов этот принцип выгоден для пористых материалов, используемых в текущем исследовании, поскольку измерения проводятся в стационарном состоянии и с достаточным размером образца (площадь основания 30 × 30 мм2, высота приблизительно 15 мм). Образцы чистого материала покрытия (эталон) и покрытой волокнистой структуры были подготовлены для измерений в направлении волокна и перпендикулярно направлению волокна для оценки эффекта анизотропной теплопроводности. Образцы были отшлифованы на поверхности (зернистость P320), чтобы минимизировать влияние шероховатости поверхности из-за подготовки образца, которая не отражает структуру внутри образца.