Ďakujeme, že ste navštívili Nature.com.Verzia prehliadača, ktorú používate, má obmedzenú podporu CSS.Pre najlepší zážitok vám odporúčame použiť aktualizovaný prehliadač (alebo vypnúť režim kompatibility v programe Internet Explorer).Medzitým, aby sme zabezpečili nepretržitú podporu, vykreslíme stránku bez štýlov a JavaScriptu.
Trhový podiel adsorpčných chladiacich systémov a tepelných čerpadiel je stále relatívne malý v porovnaní s tradičnými kompresorovými systémami.Napriek obrovskej výhode využitia lacného tepla (namiesto drahých elektroinštalačných prác) je realizácia systémov založených na adsorpčných princípoch stále obmedzená na niekoľko špecifických aplikácií.Hlavnou nevýhodou, ktorú je potrebné odstrániť, je pokles merného výkonu v dôsledku nízkej tepelnej vodivosti a nízkej stability adsorbenta.Súčasný stav techniky komerčných adsorpčných chladiacich systémov je založený na adsorbéroch na báze doskových výmenníkov tepla potiahnutých na optimalizáciu chladiacej kapacity.Výsledky sú dobre známe, že zmenšenie hrúbky povlaku vedie k zníženiu impedancie prenosu hmoty a zvýšenie pomeru plochy povrchu k objemu vodivých štruktúr zvyšuje výkon bez zníženia účinnosti.Kovové vlákna použité v tejto práci môžu poskytnúť špecifický povrch v rozsahu 2500–50 000 m2/m3.Tri spôsoby získania veľmi tenkých, ale stabilných povlakov hydrátov solí na kovových povrchoch, vrátane kovových vlákien, na výrobu povlakov demonštrujú po prvýkrát výmenník tepla s vysokou hustotou výkonu.Povrchová úprava na báze eloxovania hliníka je zvolená tak, aby vytvorila pevnejšiu väzbu medzi náterom a podkladom.Mikroštruktúra výsledného povrchu bola analyzovaná pomocou skenovacej elektrónovej mikroskopie.Znížená totálna reflexia Infračervená spektroskopia s Fourierovou transformáciou a energeticky disperzná rôntgenová spektroskopia sa použili na kontrolu prítomnosti požadovaných druhov v teste.Ich schopnosť tvoriť hydráty bola potvrdená kombinovanou termogravimetrickou analýzou (TGA)/diferenciálnou termogravimetrickou analýzou (DTG).V povlaku MgS04 bola zistená nízka kvalita nad 0,07 g (voda)/g (kompozit), vykazujúci známky dehydratácie pri približne 60 °C a reprodukovateľné po rehydratácii.Pozitívne výsledky sa získali aj s SrCl2 a ZnSO4 s hmotnostným rozdielom približne 0,02 g/g pod 100 °C.Hydroxyetylcelulóza bola zvolená ako prísada na zvýšenie stability a priľnavosti povlaku.Adsorpčné vlastnosti produktov boli hodnotené simultánnym TGA-DTG a ich adhézia bola charakterizovaná metódou založenou na testoch opísaných v ISO2409.Konzistencia a priľnavosť povlaku CaCl2 sa výrazne zlepšuje pri zachovaní jeho adsorpčnej kapacity s rozdielom hmotnosti cca 0,1 g/g pri teplotách pod 100 °C.Okrem toho si MgS04 zachováva schopnosť vytvárať hydráty, pričom pri teplotách pod 100 °C vykazuje hmotnostný rozdiel viac ako 0,04 g/g.Nakoniec sa skúmajú potiahnuté kovové vlákna.Výsledky ukazujú, že efektívna tepelná vodivosť vláknitej štruktúry potiahnutej Al2(SO4)3 môže byť 4,7-krát vyššia v porovnaní s objemom čistého Al2(SO4)3.Povlak študovaných povlakov bol skúmaný vizuálne a vnútorná štruktúra bola hodnotená pomocou mikroskopického obrazu prierezov.Získal sa povlak Al2(SO4)3 s hrúbkou asi 50 um, ale celý proces musí byť optimalizovaný, aby sa dosiahla rovnomernejšia distribúcia.
Adsorpčné systémy si v posledných desaťročiach získali veľkú pozornosť, pretože poskytujú ekologickú alternatívu k tradičným kompresným tepelným čerpadlám alebo chladiacim systémom.S rastúcimi štandardmi komfortu a globálnymi priemernými teplotami môžu adsorpčné systémy v blízkej budúcnosti znížiť závislosť od fosílnych palív.Akékoľvek vylepšenia v adsorpčnom chladení alebo tepelných čerpadlách je navyše možné preniesť na akumuláciu tepelnej energie, čo predstavuje dodatočné zvýšenie potenciálu efektívneho využitia primárnej energie.Hlavnou výhodou adsorpčných tepelných čerpadiel a chladiacich systémov je, že môžu pracovať s nízkou tepelnou hmotnosťou.Vďaka tomu sú vhodné pre nízkoteplotné zdroje, ako je solárna energia alebo odpadové teplo.Pokiaľ ide o aplikácie skladovania energie, adsorpcia má výhodu vyššej hustoty energie a menšieho rozptylu energie v porovnaní s akumuláciou citeľného alebo latentného tepla.
Adsorpčné tepelné čerpadlá a chladiace systémy sledujú rovnaký termodynamický cyklus ako ich náprotivky s kompresiou pár.Hlavným rozdielom je výmena komponentov kompresora za adsorbéry.Prvok je schopný adsorbovať pary chladiva s nízkym tlakom pri miernych teplotách, čím sa vyparí viac chladiva, aj keď je kvapalina studená.Je potrebné zabezpečiť stále chladenie adsorbéra, aby sa vylúčila entalpia adsorpcie (exoterma).Adsorbér sa regeneruje pri vysokej teplote, čo spôsobuje desorbciu pary chladiva.Zahrievanie musí pokračovať, aby sa zabezpečila entalpia desorpcie (endotermická).Pretože adsorpčné procesy sú charakterizované zmenami teploty, vysoká hustota výkonu vyžaduje vysokú tepelnú vodivosť.Nízka tepelná vodivosť je však zďaleka hlavnou nevýhodou vo väčšine aplikácií.
Hlavným problémom vodivosti je zvýšenie jej priemernej hodnoty pri zachovaní transportnej cesty, ktorá zabezpečuje prúdenie adsorpčných/desorpčných pár.Na dosiahnutie tohto cieľa sa bežne používajú dva prístupy: kompozitné výmenníky tepla a potiahnuté výmenníky tepla.Najpopulárnejšie a najúspešnejšie kompozitné materiály sú tie, ktoré používajú aditíva na báze uhlíka, konkrétne expandovaný grafit, aktívne uhlie alebo uhlíkové vlákna.Oliveira a kol.2 impregnovaný expandovaný grafitový prášok s chloridom vápenatým na výrobu adsorbéra so špecifickou chladiacou kapacitou (SCP) do 306 W/kg a koeficientom výkonu (COP) do 0,46.Zajaczkowski a kol.3 navrhol kombináciu expandovaného grafitu, uhlíkových vlákien a chloridu vápenatého s celkovou vodivosťou 15 W/mK.Jian et al4 testovali kompozity s expandovaným prírodným grafitom upraveným kyselinou sírovou (ENG-TSA) ako substrátom v dvojstupňovom adsorpčnom chladiacom cykle.Model predpovedal COP od 0,215 do 0,285 a SCP od 161,4 do 260,74 W/kg.
Jednoznačne najschodnejším riešením je potiahnutý výmenník tepla.Mechanizmy povlaku týchto výmenníkov tepla možno rozdeliť do dvoch kategórií: priama syntéza a lepidlá.Najúspešnejšou metódou je priama syntéza, ktorá zahŕňa tvorbu adsorpčných materiálov priamo na povrchu výmenníkov tepla z príslušných činidiel.Spoločnosť Sotech5 patentovala metódu syntézy potiahnutého zeolitu na použitie v sérii chladičov vyrábaných spoločnosťou Fahrenheit GmbH.Schnabel et al6 testovali výkonnosť dvoch zeolitov potiahnutých na nehrdzavejúcej oceli.Táto metóda však funguje len so špecifickými adsorbentmi, čo robí natieranie adhezívami zaujímavou alternatívou.Spojivá sú pasívne látky vybrané na podporu adhézie sorbentu a/alebo prenosu hmoty, ale nehrajú žiadnu úlohu pri zvyšovaní adsorpcie alebo vodivosti.Freni a kol.7 potiahnutých hliníkových výmenníkov tepla so zeolitom AQSOA-Z02 stabilizovaných spojivom na báze ílu.Calabrese et al.8 študovali prípravu zeolitových povlakov s polymérnymi spojivami.Ammann et al.9 navrhli spôsob prípravy poréznych zeolitových povlakov z magnetických zmesí polyvinylalkoholu.Alumina (oxid hlinitý) sa tiež používa ako spojivo 10 v adsorbéri.Podľa našich vedomostí sa celulóza a hydroxyetylcelulóza používajú iba v kombinácii s fyzikálnymi adsorbentmi11,12.Niekedy sa lepidlo nepoužíva na farbu, ale používa sa na stavbu konštrukcie 13 samostatne.Kombinácia alginátových polymérnych matríc s viacerými hydrátmi solí vytvára flexibilné kompozitné guľôčkové štruktúry, ktoré zabraňujú úniku počas sušenia a poskytujú primeraný prenos hmoty.Íly ako bentonit a attapulgit boli použité ako spojivá na prípravu kompozitov15,16,17.Etylcelulóza sa používa na mikroenkapsuláciu chloridu vápenatého18 alebo sulfidu sodného19.
Kompozity s poréznou kovovou štruktúrou možno rozdeliť na aditívne výmenníky tepla a potiahnuté výmenníky tepla.Výhodou týchto štruktúr je vysoký špecifický povrch.Výsledkom je väčšia kontaktná plocha medzi adsorbentom a kovom bez pridania inertnej hmoty, čo znižuje celkovú účinnosť chladiaceho cyklu.Lang a kol.20 zlepšili celkovú vodivosť zeolitového adsorbéra s hliníkovou voštinovou štruktúrou.Gillerminot a kol.21 zlepšil tepelnú vodivosť NaX zeolitových vrstiev s meďou a niklovou penou.Hoci sa kompozity používajú ako materiály s fázovou zmenou (PCM), zistenia Li a kol.22 a Zhao a kol.23 sú tiež zaujímavé pre chemisorpciu.Porovnali výkonnosť expandovaného grafitu a kovovej peny a dospeli k záveru, že druhá menovaná je výhodnejšia len vtedy, ak nepredstavuje problém korózia.Palomba a kol.nedávno porovnali iné kovové porézne štruktúry24.Van der Pal a kol.študovali kovové soli uložené v penách 25 .Všetky predchádzajúce príklady zodpovedajú hustým vrstvám časticových adsorbentov.Kovové porézne štruktúry sa prakticky nepoužívajú na poťahovanie adsorbérov, čo je optimálnejšie riešenie.Príklad väzby na zeolity možno nájsť vo Wittstadt et al.26, ale nebol urobený žiadny pokus viazať hydráty solí napriek ich vyššej energetickej hustote 27 .
V tomto článku sa teda preskúmajú tri spôsoby prípravy adsorbčných povlakov: (1) poťahovanie spojivom, (2) priama reakcia a (3) povrchová úprava.Hydroxyetylcelulóza bola v tejto práci zvoleným spojivom kvôli predtým uvádzanej stabilite a dobrej priľnavosti povlaku v kombinácii s fyzikálnymi adsorbentmi.Táto metóda bola pôvodne skúmaná pre ploché povlaky a neskôr aplikovaná na štruktúry z kovových vlákien.Predtým bola publikovaná predbežná analýza možnosti chemických reakcií s tvorbou adsorbčných povlakov.Doterajšie skúsenosti sa teraz prenášajú na povlakovanie štruktúr z kovových vlákien.Povrchová úprava zvolená pre túto prácu je metóda založená na anodizácii hliníka.Eloxovanie hliníka bolo úspešne kombinované so soľami kovov na estetické účely29.V týchto prípadoch je možné získať veľmi stabilné a korózii odolné povlaky.Nemôžu však vykonávať žiadny adsorpčný alebo desorpčný proces.Tento článok predstavuje variant tohto prístupu, ktorý umožňuje pohyb hmoty pomocou adhéznych vlastností pôvodného procesu.Pokiaľ je nám známe, žiadna z tu opísaných metód nebola predtým študovaná.Predstavujú veľmi zaujímavú novú technológiu, pretože umožňujú tvorbu povlakov hydratovaných adsorbentov, ktoré majú množstvo výhod oproti často študovaným fyzikálnym adsorbentom.
Lisované hliníkové platne použité ako substráty pre tieto experimenty poskytla spoločnosť ALINVEST Břidličná, Česká republika.Obsahujú 98,11 % hliníka, 1,3622 % železa, 0,3618 % mangánu a stopy medi, horčíka, kremíka, titánu, zinku, chrómu a niklu.
Materiály zvolené na výrobu kompozitov sa vyberajú v súlade s ich termodynamickými vlastnosťami, konkrétne v závislosti od množstva vody, ktoré môžu adsorbovať/desorbovať pri teplotách pod 120 °C.
Síran horečnatý (MgSO4) je jednou z najzaujímavejších a preštudovaných hydratovaných solí30,31,32,33,34,35,36,37,38,39,40,41.Termodynamické vlastnosti boli systematicky merané a bolo zistené, že sú vhodné pre aplikácie v oblasti adsorpčného chladenia, tepelných čerpadiel a skladovania energie.Použil sa suchý síran horečnatý CAS-Nr. 7487-88-9 99 % (Grussing GmbH, Filsum, Niedersachsen, Nemecko).
Chlorid vápenatý (CaCl2) (H319) je ďalšou dobre študovanou soľou, pretože jej hydrát má zaujímavé termodynamické vlastnosti41,42,43,44.Chlorid vápenatý hexahydrát Č.7774-34-7 97 % použitých (Grüssing, GmbH, Filsum, Niedersachsen, Nemecko).
Síran zinočnatý (ZnSO4) (H3O2, H318, H410) a jeho hydráty majú termodynamické vlastnosti vhodné pre nízkoteplotné adsorpčné procesy45,46.Použil sa heptahydrát síranu zinočnatého CAS-Nr. 7733-02-0 99,5 % (Grussing GmbH, Filsum, Niedersachsen, Nemecko).
Chlorid strontnatý (SrCl2) (H318) má tiež zaujímavé termodynamické vlastnosti4,45,47 hoci sa často kombinuje s amoniakom pri výskume adsorpčných tepelných čerpadiel alebo akumulácie energie.Na syntézu bol použitý hexahydrát chloridu strontnatého CAS-Nr.10.476-85-4 99,0–102,0 % (Sigma Aldrich, St. Louis, Missouri, USA).
Síran meďnatý (CuSO4) (H302, H315, H319, H410) nepatrí medzi hydráty, ktoré sa často vyskytujú v odbornej literatúre, hoci jeho termodynamické vlastnosti sú zaujímavé pre aplikácie pri nízkych teplotách48,49.Na syntézu bol použitý síran meďnatý CAS-Nr.7758-99-8 99% (Sigma Aldrich, St. Louis, MO, USA).
Chlorid horečnatý (MgCl2) je jednou z hydratovaných solí, ktorým sa v poslednej dobe venuje väčšia pozornosť v oblasti skladovania tepelnej energie50,51.Na experimenty sa použil hexahydrát chloridu horečnatého CAS-Nr. 7791-18-6 čistej farmaceutickej kvality (Applichem GmbH., Darmstadt, Nemecko).
Ako bolo uvedené vyššie, hydroxyetylcelulóza bola vybraná kvôli pozitívnym výsledkom v podobných aplikáciách.Materiál použitý v našej syntéze je hydroxyetylcelulóza CAS-Nr 9004-62-0 (Sigma Aldrich, St. Louis, MO, USA).
Kovové vlákna sú vyrobené z krátkych drôtov spojených dohromady lisovaním a spekaním, čo je proces známy ako extrakcia taveniny v tégliku (CME)52.To znamená, že ich tepelná vodivosť závisí nielen od objemovej vodivosti kovov použitých pri výrobe a pórovitosti finálnej štruktúry, ale aj od kvality spojov medzi závitmi.Vlákna nie sú izotropné a majú tendenciu sa pri výrobe rozmiestňovať v určitom smere, čím je tepelná vodivosť v priečnom smere oveľa nižšia.
Vlastnosti absorpcie vody sa skúmali pomocou simultánnej termogravimetrickej analýzy (TGA)/diferenčnej termogravimetrickej analýzy (DTG) vo vákuovom balení (Netzsch TG 209 F1 Libra).Merania sa uskutočňovali v prúdiacej dusíkovej atmosfére pri prietokovej rýchlosti 10 ml/min a teplotnom rozsahu od 25 do 150 °C v téglikoch s oxidom hlinitým.Rýchlosť zahrievania bola 1 °C/min, hmotnosť vzorky sa pohybovala od 10 do 20 mg, rozlíšenie bolo 0,1 μg.V tejto práci je potrebné poznamenať, že hmotnostný rozdiel na jednotku povrchu má veľkú neistotu.Vzorky používané v TGA-DTG sú veľmi malé a nepravidelne rezané, čo spôsobuje nepresné určenie ich plochy.Tieto hodnoty možno extrapolovať na väčšiu oblasť len vtedy, ak sa berú do úvahy veľké odchýlky.
Infračervené spektrá s Fourierovou transformáciou (ATR-FTIR) s oslabeným úplným odrazom sa získali na spektrometri Bruker Vertex 80 v FTIR (Bruker Optik GmbH, Lipsko, Nemecko) s použitím platinového príslušenstva ATR (Bruker Optik GmbH, Nemecko).Spektrá čistých kryštálov suchého diamantu boli merané priamo vo vákuu pred použitím vzoriek ako pozadia pre experimentálne merania.Vzorky boli merané vo vákuu s použitím spektrálneho rozlíšenia 2 cm-1 a priemerného počtu skenov 32. Rozsah vlnových čísel od 8000 do 500 cm-1.Spektrálna analýza sa uskutočnila pomocou programu OPUS.
SEM analýza sa uskutočnila s použitím DSM 982 Gemini od Zeiss pri urýchľovacích napätiach 2 a 5 kV.Energeticky disperzná rôntgenová spektroskopia (EDX) sa uskutočnila pomocou Thermo Fischer System 7 s Peltierovým chladeným kremíkovým driftovým detektorom (SSD).
Príprava kovových platní sa uskutočnila podľa postupu podobného postupu opísanému v 53. Najprv ponorte platňu do 50 % kyseliny sírovej.15 minút.Potom sa vložili do 1 M roztoku hydroxidu sodného na približne 10 sekúnd.Potom sa vzorky premyli veľkým množstvom destilovanej vody a potom sa namočili do destilovanej vody na 30 minút.Po predbežnej povrchovej úprave boli vzorky ponorené do 3% nasýteného roztoku.HEC a cieľová soľ.Nakoniec ich vyberieme a sušíme pri 60°C.
Metóda eloxovania zvýrazňuje a spevňuje prirodzenú vrstvu oxidu na pasívnom kove.Hliníkové panely boli eloxované kyselinou sírovou vo vytvrdnutom stave a následne zatavené v horúcej vode.Po eloxovaní nasledovalo počiatočné leptanie 1 mol/l NaOH (600 s) s následnou neutralizáciou v 1 mol/l HNO3 (60 s).Roztok elektrolytu je zmesou 2,3 ​​M H2SO4, 0,01 M Al2(S04)3 a 1 M MgS04 + 7H20.Eloxovanie sa uskutočnilo pri (40 ± 1) °C, 30 mA/cm2 počas 1200 sekúnd.Proces utesnenia sa uskutočnil v rôznych soľných roztokoch, ako je opísané v materiáloch (MgS04, CaCl2, ZnS04, SrCl2, CuS04, MgCl2).Vzorka sa v nej varí 1800 sekúnd.
Boli skúmané tri rôzne spôsoby výroby kompozitov: adhézne nanášanie, priama reakcia a povrchová úprava.Výhody a nevýhody každej tréningovej metódy sú systematicky analyzované a diskutované.Na vyhodnotenie výsledkov sa použilo priame pozorovanie, nanozobrazovanie a chemická/elementárna analýza.
Ako konverzná metóda povrchovej úpravy na zvýšenie priľnavosti hydrátov solí bola zvolená anodizácia.Táto povrchová úprava vytvára poréznu štruktúru oxidu hlinitého (alumina) priamo na povrchu hliníka.Tradične sa tento spôsob skladá z dvoch stupňov: prvý stupeň vytvára poréznu štruktúru oxidu hlinitého a druhý stupeň vytvára povlak z hydroxidu hlinitého, ktorý uzatvára póry.Nasledujú dva spôsoby blokovania soli bez blokovania prístupu k plynnej fáze.Prvý pozostáva z voštinového systému s použitím malých trubíc z oxidu hlinitého (Al2O3) získaných v prvom kroku na uchytenie kryštálov adsorbenta a zvýšenie jeho priľnavosti ku kovovým povrchom.Výsledné plásty majú priemer asi 50 nm a dĺžku 200 nm (obr. 1a).Ako už bolo spomenuté, tieto dutiny sú zvyčajne uzavreté v druhom kroku tenkou vrstvou Al2O(OH)2 bôhmitu podporovaného procesom varu v trubici z oxidu hlinitého.Pri druhom spôsobe je tento proces utesňovania upravený tak, že kryštály soli sú zachytené v rovnomerne krycej vrstve bôhmitu (Al2O(OH)), ktorý sa v tomto prípade na utesnenie nepoužíva.Druhý stupeň sa uskutočňuje v nasýtenom roztoku zodpovedajúcej soli.Opísané obrazce majú veľkosti v rozsahu 50–100 nm a vyzerajú ako striekané kvapky (obr. 1b).Povrch získaný ako výsledok procesu tesnenia má výraznú priestorovú štruktúru so zväčšenou kontaktnou plochou.Tento povrchový vzor spolu s ich mnohými konfiguráciami spájania je ideálny na prenášanie a držanie kryštálov soli.Obe opísané štruktúry sa zdajú byť skutočne porézne a majú malé dutiny, ktoré sa javia ako vhodné na zadržiavanie hydrátov solí a adsorbovanie pár na soľ počas prevádzky adsorbéra.Elementárna analýza týchto povrchov pomocou EDX však môže detekovať stopové množstvá horčíka a síry na povrchu boehmitu, ktoré nie sú detekované v prípade povrchu oxidu hlinitého.
ATR-FTIR vzorky potvrdilo, že prvkom bol síran horečnatý (pozri obrázok 2b).Spektrum ukazuje charakteristické píky síranových iónov pri 610–680 a 1080–1130 cm–1 a charakteristické píky mriežkovej vody pri 1600–1700 cm–1 a 3200–3800 cm–1 (pozri obr. 2a, c).).Prítomnosť iónov horčíka takmer nemení spektrum54.
(a) EDX bôhmitom potiahnutej MgS04 hliníkovej platne, (b) ATR-FTIR spektrá bôhmitových a MgS04 povlakov, (c) ATR-FTIR spektrá čistého MgS04.
Udržiavanie účinnosti adsorpcie bolo potvrdené pomocou TGA.Na obr.3b ukazuje desorpčný pík cca.60 °C.Tento pík nezodpovedá teplote dvoch píkov pozorovaných v TGA čistej soli (obr. 3a).Hodnotila sa opakovateľnosť cyklu adsorpcia-desorpcia a rovnaká krivka bola pozorovaná aj po umiestnení vzoriek do vlhkej atmosféry (obr. 3c).Rozdiely pozorované v druhom stupni desorpcie môžu byť výsledkom dehydratácie v prúdiacej atmosfére, pretože to často vedie k neúplnej dehydratácii.Tieto hodnoty zodpovedajú približne 17,9 g/m2 pri prvom odvodnení a 10,3 g/m2 pri druhom odvodňovaní.
Porovnanie TGA analýzy bôhmitu a MgS04: TGA analýza čistého MgS04 (a), zmesi (b) a po rehydratácii (c).
Rovnaký spôsob sa uskutočnil s chloridom vápenatým ako adsorbentom.Výsledky sú uvedené na obrázku 4. Vizuálna kontrola povrchu odhalila menšie zmeny v kovovej žiare.Srsť je sotva viditeľná.SEM potvrdil prítomnosť malých kryštálov rovnomerne rozložených po povrchu.Avšak TGA nevykazoval žiadnu dehydratáciu pod 150 °C.Môže to byť spôsobené skutočnosťou, že podiel soli je príliš malý v porovnaní s celkovou hmotnosťou substrátu na detekciu pomocou TGA.
Výsledky povrchovej úpravy povlaku síranu meďnatého metódou eloxovania sú znázornené na obr.5. V tomto prípade nenastala očakávaná inkorporácia CuSO4 do štruktúry Al oxidu.Namiesto toho sú pozorované voľné ihly, ktoré sa bežne používajú pre hydroxid meďnatý Cu(OH)2 používaný s typickými tyrkysovými farbivami.
Eloxovaná povrchová úprava bola testovaná aj v kombinácii s chloridom strontnatým.Výsledky ukázali nerovnomerné pokrytie (pozri obrázok 6a).Aby sa zistilo, či soľ pokrýva celý povrch, bola vykonaná EDX analýza.Krivka pre bod v sivej oblasti (bod 1 na obr. 6b) ukazuje málo stroncia a veľa hliníka.To naznačuje nízky obsah stroncia v meranej zóne, čo zase naznačuje nízke pokrytie chloridu strontnatého.Naopak, biele plochy majú vysoký obsah stroncia a nízky obsah hliníka (body 2–6 na obr. 6b).EDX analýza bielej oblasti ukazuje tmavšie bodky (body 2 a 4 na obr. 6b), nízky obsah chlóru a vysoký obsah síry.To môže naznačovať tvorbu síranu strontnatého.Svetlejšie bodky odrážajú vysoký obsah chlóru a nízky obsah síry (body 3, 5 a 6 na obr. 6b).To možno vysvetliť skutočnosťou, že hlavnú časť bieleho povlaku tvorí očakávaný chlorid strontnatý.TGA vzorky potvrdila interpretáciu analýzy s vrcholom pri charakteristickej teplote čistého chloridu strontnatého (obr. 6c).Ich malá hodnota môže byť odôvodnená malým zlomkom soli v porovnaní s hmotnosťou kovového nosiča.Desorpčná hmotnosť stanovená v experimentoch zodpovedá množstvu 7,3 g/m2 uvoľnenému na jednotku plochy adsorbéra pri teplote 150 °C.
Testovali sa aj povlaky zo síranu zinočnatého upravené eloxom.Makroskopicky je povlak veľmi tenká a rovnomerná vrstva (obr. 7a).SEM však odhalil povrch pokrytý malými kryštálmi oddelenými prázdnymi oblasťami (obr. 7b).TGA povlaku a substrátu sa porovnala s TGA čistej soli (obrázok 7c).Čistá soľ má jeden asymetrický pík pri 59,1 °C.Potiahnutý hliník vykazoval dva malé píky pri 55,5 °C a 61,3 °C, čo naznačuje prítomnosť hydrátu síranu zinočnatého.Hmotnostný rozdiel zistený v experimente zodpovedá 10,9 g/m2 pri teplote dehydratácie 150 °C.
Ako v predchádzajúcej prihláške53 bola ako spojivo použitá hydroxyetylcelulóza na zlepšenie adhézie a stability povlaku sorbentu.Materiálová kompatibilita a vplyv na adsorpčný výkon boli hodnotené pomocou TGA.Analýza sa vykonáva vo vzťahu k celkovej hmotnosti, tj vzorka obsahuje kovovú platňu použitú ako povlakový substrát.Priľnavosť sa testuje testom založeným na krížovom vrubovom teste definovanom v špecifikácii ISO2409 (nemôže spĺňať špecifikáciu separácie vrubov v závislosti od hrúbky a šírky špecifikácie).
Potiahnutie panelov chloridom vápenatým (CaCl2) (pozri obr. 8a) malo za následok nerovnomernú distribúciu, ktorá nebola pozorovaná v povlaku z čistého hliníka použitého na skúšku priečnym vrubom.V porovnaní s výsledkami pre čistý CaCl2 vykazuje TGA (obr. 8b) dva charakteristické píky posunuté smerom k nižším teplotám 40 a 20 °C.Skúška prierezu neumožňuje objektívne porovnanie, pretože vzorka čistého CaCl2 (vzorka vpravo na obr. 8c) je prášková zrazenina, ktorá odstraňuje najvrchnejšie častice.Výsledky HEC ukázali veľmi tenký a rovnomerný povlak s uspokojivou priľnavosťou.Hmotnostný rozdiel znázornený na obr.8b zodpovedá 51,3 g/m2 na jednotku plochy adsorbéra pri teplote 150 °C.
Pozitívne výsledky, pokiaľ ide o priľnavosť a rovnomernosť, sa dosiahli aj so síranom horečnatým (MgS04) (pozri obr. 9).Analýza procesu desorpcie povlaku ukázala prítomnosť jedného píku cca.60 °C.Táto teplota zodpovedá hlavnému desorpčnému kroku pozorovanému pri dehydratácii čistých solí, čo predstavuje ďalší krok pri 44 °C.Zodpovedá prechodu z hexahydrátu na pentahydrát a nie je pozorovaný v prípade náterov so spojivami.Skúšky v priereze ukazujú zlepšenú distribúciu a priľnavosť v porovnaní s nátermi vyrobenými s použitím čistej soli.Hmotnostný rozdiel pozorovaný v TGA-DTC zodpovedá 18,4 g/m2 na jednotku plochy adsorbéra pri teplote 150 °C.
V dôsledku nepravidelností povrchu má chlorid strontnatý (SrCl2) nerovnomerný povlak na rebrách (obr. 10a).Výsledky testu priečneho vrubu však ukázali rovnomerné rozloženie s výrazne zlepšenou adhéziou (obr. 10c).Analýza TGA ukázala veľmi malý rozdiel v hmotnosti, čo musí byť spôsobené nižším obsahom soli v porovnaní s kovovým substrátom.Kroky na krivke však ukazujú prítomnosť procesu dehydratácie, hoci vrchol je spojený s teplotou získanou pri charakterizácii čistej soli.Píky pri 110 °C a 70,2 °C pozorované na obr.10b sa našli aj pri analýze čistej soli.Avšak hlavný dehydratačný krok pozorovaný v čistej soli pri 50 °C sa neodrazil v krivkách s použitím spojiva.Na rozdiel od toho zmes spojiva vykazovala dva píky pri 20,2 °C a 94,1 °C, ktoré neboli namerané pre čistú soľ (obr. 10b).Pri teplote 150 °C zodpovedá pozorovaný hmotnostný rozdiel 7,2 g/m2 na jednotku plochy adsorbéra.
Kombinácia HEC a síranu zinočnatého (ZnSO4) neposkytla prijateľné výsledky (obrázok 11).TGA analýza potiahnutého kovu neodhalila žiadne dehydratačné procesy.Aj keď sa rozloženie a priľnavosť náteru zlepšilo, jeho vlastnosti stále nie sú ani zďaleka optimálne.
Najjednoduchším spôsobom potiahnutia kovových vlákien tenkou a rovnomernou vrstvou je impregnácia za mokra (obr. 12a), ktorá zahŕňa prípravu cieľovej soli a impregnáciu kovových vlákien vodným roztokom.
Pri príprave na mokrú impregnáciu sa stretávajú dva hlavné problémy.Na jednej strane povrchové napätie soľného roztoku bráni správnemu zabudovaniu kvapaliny do poréznej štruktúry.Kryštalizáciu na vonkajšom povrchu (obr. 12d) a vzduchové bubliny zachytené vo vnútri štruktúry (obr. 12c) možno znížiť iba znížením povrchového napätia a predbežným navlhčením vzorky destilovanou vodou.Nútené rozpúšťanie vo vzorke evakuáciou vzduchu alebo vytvorením toku roztoku v štruktúre sú ďalšie účinné spôsoby, ako zabezpečiť úplné naplnenie štruktúry.
Druhým problémom, ktorý sa vyskytol pri príprave, bolo odstránenie filmu z časti soli (pozri obr. 12b).Tento jav je charakterizovaný tvorbou suchého povlaku na rozpúšťacom povrchu, ktorý zastaví konvekčne stimulované sušenie a spustí proces stimulovaný difúziou.Druhý mechanizmus je oveľa pomalší ako prvý.V dôsledku toho je potrebná vysoká teplota pre primeraný čas sušenia, čo zvyšuje riziko tvorby bublín vo vnútri vzorky.Tento problém je vyriešený zavedením alternatívnej metódy kryštalizácie založenej nie na zmene koncentrácie (odparovanie), ale na zmene teploty (ako v príklade s MgSO4 na obr. 13).
Schematické znázornenie procesu kryštalizácie počas chladenia a separácie pevnej a kvapalnej fázy pomocou MgSO4.
Nasýtené roztoky solí sa môžu pripraviť pri teplote miestnosti (HT) alebo vyššej s použitím tejto metódy.V prvom prípade bola kryštalizácia vynútená znížením teploty pod teplotu miestnosti.V druhom prípade došlo ku kryštalizácii, keď bola vzorka ochladená na teplotu miestnosti (RT).Výsledkom je zmes kryštálov (B) a rozpustených (A), ktorej kvapalná časť sa odstráni stlačeným vzduchom.Tento prístup nielenže zabraňuje tvorbe filmu na týchto hydrátoch, ale tiež znižuje čas potrebný na prípravu iných kompozitov.Odstránenie kvapaliny stlačeným vzduchom však vedie k ďalšej kryštalizácii soli, čo vedie k hrubšiemu povlaku.
Ďalší spôsob, ktorý možno použiť na poťahovanie kovových povrchov, zahŕňa priamu produkciu cieľových solí prostredníctvom chemických reakcií.Potiahnuté výmenníky tepla vyrobené reakciou kyselín na kovových povrchoch rebier a rúrok majú množstvo výhod, ako je uvedené v našej predchádzajúcej štúdii.Aplikácia tejto metódy na vlákna viedla k veľmi zlým výsledkom v dôsledku tvorby plynov počas reakcie.Tlak plynových bublín vodíka sa zvyšuje vo vnútri sondy a mení sa, keď je produkt vypudzovaný (obr. 14a).
Povlak bol upravený chemickou reakciou, aby sa lepšie kontrolovala hrúbka a rozloženie povlaku.Táto metóda zahŕňa prechod prúdu kyslej hmly cez vzorku (obrázok 14b).Očakáva sa, že výsledkom bude rovnomerný povlak reakciou s kovom substrátu.Výsledky boli uspokojivé, ale proces bol príliš pomalý na to, aby sa dal považovať za účinnú metódu (obr. 14c).Kratšie reakčné časy je možné dosiahnuť lokálnym zahrievaním.
Aby sa prekonali nevýhody vyššie uvedených metód, bola študovaná metóda poťahovania založená na použití lepidiel.HEC bol vybraný na základe výsledkov uvedených v predchádzajúcej časti.Všetky vzorky boli pripravené s 3 % hmotn.Spojivo sa zmieša so soľou.Vlákna boli vopred upravené podľa rovnakého postupu ako v prípade rebier, tj namočené v 50 % obj.do 15 minút.kyseliny sírovej, potom namočený v hydroxide sodnom na 20 sekúnd, premytý v destilovanej vode a nakoniec namočený v destilovanej vode na 30 minút.V tomto prípade bol pred impregnáciou pridaný ďalší krok.Vzorku krátko ponorte do zriedeného roztoku cieľovej soli a vysušte pri teplote približne 60 °C.Proces je navrhnutý tak, aby modifikoval povrch kovu a vytváral nukleačné miesta, ktoré zlepšujú distribúciu povlaku v konečnom štádiu.Vláknitá štruktúra má jednu stranu, kde sú vlákna tenšie a tesne zbalené, a opačnú stranu, kde sú vlákna hrubšie a menej rozložené.Je to výsledok 52 výrobných procesov.
Výsledky pre chlorid vápenatý (CaCl2) sú zhrnuté a ilustrované obrázkami v tabuľke 1. Dobré pokrytie po inokulácii.Dokonca aj tie pramene bez viditeľných kryštálov na povrchu mali znížené kovové odlesky, čo naznačuje zmenu povrchovej úpravy.Po impregnácii vzoriek vodnou zmesou CaCl2 a HEC a vysušení pri teplote asi 60 °C sa však povlaky skoncentrovali v priesečníkoch štruktúr.Ide o efekt spôsobený povrchovým napätím roztoku.Po nasiaknutí zostáva kvapalina vo vnútri vzorky v dôsledku jej povrchového napätia.V zásade sa vyskytuje na priesečníku štruktúr.Najlepšia strana vzorky má niekoľko otvorov naplnených soľou.Hmotnosť sa po potiahnutí zvýšila o 0,06 g/cm3.
Potiahnutie síranom horečnatým (MgS04) produkovalo viac soli na jednotku objemu (tabuľka 2).V tomto prípade je nameraný prírastok 0,09 g/cm3.Proces očkovania viedol k rozsiahlemu pokrytiu vzorky.Po procese poťahovania soľ blokuje veľké plochy tenkej strany vzorky.Okrem toho sú niektoré oblasti matného povrchu blokované, ale určitá pórovitosť je zachovaná.V tomto prípade je tvorba soli ľahko pozorovateľná na priesečníku štruktúr, čo potvrdzuje, že proces poťahovania je spôsobený hlavne povrchovým napätím kvapaliny, a nie interakciou medzi soľou a kovovým substrátom.
Výsledky pre kombináciu chloridu strontnatého (SrCl2) a HEC ukázali podobné vlastnosti ako v predchádzajúcich príkladoch (tabuľka 3).V tomto prípade je tenšia strana vzorky takmer úplne pokrytá.Viditeľné sú len jednotlivé póry, ktoré vznikli počas sušenia v dôsledku uvoľňovania pary zo vzorky.Vzor pozorovaný na matnej strane je veľmi podobný predchádzajúcemu prípadu, oblasť je zablokovaná soľou a vlákna nie sú úplne pokryté.
Aby sa vyhodnotil pozitívny vplyv vláknitej štruktúry na tepelný výkon výmenníka tepla, bola stanovená efektívna tepelná vodivosť potiahnutej vláknitej štruktúry a porovnaná s čistým poťahovým materiálom.Tepelná vodivosť sa merala podľa ASTM D 5470-2017 s použitím zariadenia s plochým panelom znázorneného na obrázku 15a s použitím referenčného materiálu so známou tepelnou vodivosťou.V porovnaní s inými prechodovými metódami merania je tento princíp výhodný pre porézne materiály použité v súčasnej štúdii, keďže merania sa vykonávajú v ustálenom stave a s dostatočnou veľkosťou vzorky (plocha základne 30 × 30 mm2, výška približne 15 mm).Vzorky čistého poťahového materiálu (referenčný) a potiahnutej vláknitej štruktúry boli pripravené na merania v smere vlákna a kolmo na smer vlákna, aby sa vyhodnotil vplyv anizotropnej tepelnej vodivosti.Vzorky boli zbrúsené na povrchu (zrnitosť P320), aby sa minimalizoval vplyv drsnosti povrchu v dôsledku prípravy vzorky, ktorá neodráža štruktúru vo vzorke.