Hvala, ker ste obiskali Nature.com. Različica brskalnika, ki jo uporabljate, ima omejeno podporo za CSS. Za najboljšo izkušnjo priporočamo, da uporabite posodobljen brskalnik (ali onemogočite način združljivosti v Internet Explorerju). Medtem bomo za zagotovitev nadaljnje podpore spletno mesto prikazali brez slogov in JavaScripta.
Tržni delež adsorpcijskih hladilnih sistemov in toplotnih črpalk je v primerjavi s tradicionalnimi kompresorskimi sistemi še vedno relativno majhen. Kljub veliki prednosti uporabe poceni toplote (namesto dragega električnega dela) je uporaba sistemov, ki temeljijo na adsorpcijskih načelih, še vedno omejena na nekaj specifičnih aplikacij. Glavna pomanjkljivost, ki jo je treba odpraviti, je zmanjšanje specifične moči zaradi nizke toplotne prevodnosti in nizke stabilnosti adsorbenta. Trenutni komercialni adsorpcijski hladilni sistemi temeljijo na adsorberjih, ki temeljijo na ploščnih toplotnih izmenjevalnikih, prevlečenih za optimizacijo hladilne zmogljivosti. Rezultati so dobro znani, da zmanjšanje debeline prevleke vodi do zmanjšanja impedance prenosa mase, povečanje razmerja med površino in prostornino prevodnih struktur pa poveča moč brez ogrožanja učinkovitosti. Kovinska vlakna, uporabljena v tem delu, lahko zagotovijo specifično površino v območju od 2500 do 50.000 m2/m3. Tri metode za pridobivanje zelo tankih, a stabilnih prevlek solnih hidratov na kovinskih površinah, vključno s kovinskimi vlakni, za proizvodnjo prevlek prvič prikazujejo toplotni izmenjevalec z visoko gostoto moči. Površinska obdelava na osnovi eloksiranja aluminija je izbrana za ustvarjanje močnejše vezi med prevleko in podlago. Mikrostruktura nastale površine je bila analizirana z vrstično elektronsko mikroskopijo. Za preverjanje prisotnosti želenih vrst v testu sta bili uporabljeni Fourierjeva transformacijska infrardeča spektroskopija z zmanjšanim popolnim odbojem in energijsko disperzivna rentgenska spektroskopija. Njihova sposobnost tvorbe hidratov je bila potrjena s kombinirano termogravimetrično analizo (TGA)/diferencialno termogravimetrično analizo (DTG). V prevleki MgSO4 je bila ugotovljena slaba kakovost nad 0,07 g (voda)/g (kompozit), ki je kazala znake dehidracije pri približno 60 °C in je bila ponovljiva po rehidraciji. Pozitivni rezultati so bili pridobljeni tudi s SrCl2 in ZnSO4 z masno razliko približno 0,02 g/g pod 100 °C. Kot dodatek je bila izbrana hidroksietilceluloza za povečanje stabilnosti in oprijema prevleke. Adsorptivne lastnosti izdelkov so bile ocenjene s sočasno TGA-DTG, njihov oprijem pa je bil okarakteriziran z metodo, ki temelji na testih, opisanih v standardu ISO2409. Konsistenca in oprijem premaza CaCl2 se znatno izboljšata, hkrati pa ohranita svojo adsorpcijsko sposobnost z razliko v teži približno 0,1 g/g pri temperaturah pod 100 °C. Poleg tega MgSO4 ohrani sposobnost tvorbe hidratov, pri čemer kaže razliko v masi več kot 0,04 g/g pri temperaturah pod 100 °C. Nazadnje so pregledana prevlečena kovinska vlakna. Rezultati kažejo, da je lahko efektivna toplotna prevodnost vlaknene strukture, prevlečene z Al2(SO4)3, 4,7-krat večja v primerjavi z volumnom čistega Al2(SO4)3. Premaz preučevanih premazov je bil vizualno pregledan, notranja struktura pa je bila ocenjena z mikroskopsko sliko prečnih prerezov. Pridobljen je bil premaz Al2(SO4)3 z debelino približno 50 µm, vendar je treba celoten postopek optimizirati, da se doseže bolj enakomerna porazdelitev.
Adsorpcijski sistemi so v zadnjih nekaj desetletjih deležni veliko pozornosti, saj predstavljajo okolju prijazno alternativo tradicionalnim kompresijskim toplotnim črpalkam ali hladilnim sistemom. Z naraščajočimi standardi udobja in povprečnimi svetovnimi temperaturami bi lahko adsorpcijski sistemi v bližnji prihodnosti zmanjšali odvisnost od fosilnih goriv. Poleg tega se lahko vse izboljšave adsorpcijskega hlajenja ali toplotnih črpalk prenesejo na shranjevanje toplotne energije, kar predstavlja dodatno povečanje potenciala za učinkovito rabo primarne energije. Glavna prednost adsorpcijskih toplotnih črpalk in hladilnih sistemov je, da lahko delujejo z nizko toplotno maso. Zaradi tega so primerne za nizkotemperaturne vire, kot sta sončna energija ali odpadna toplota. Kar zadeva uporabo shranjevanja energije, ima adsorpcija prednost večje energijske gostote in manjšega odvajanja energije v primerjavi s shranjevanjem občutne ali latentne toplote.
Adsorpcijske toplotne črpalke in hladilni sistemi sledijo istemu termodinamičnemu ciklu kot njihovi parnokompresijski ekvivalenti. Glavna razlika je zamenjava komponent kompresorja z adsorberji. Element lahko adsorbira hlape hladilnega sredstva pri nizkem tlaku pri zmernih temperaturah, pri čemer izhlapi več hladilnega sredstva, tudi ko je tekočina hladna. Zagotoviti je treba stalno hlajenje adsorberja, da se izključi entalpija adsorpcije (eksoterma). Adsorber se regenerira pri visoki temperaturi, zaradi česar se hlapi hladilnega sredstva desorbirajo. Ogrevanje se mora nadaljevati, da se zagotovi entalpija desorpcije (endoterma). Ker so za adsorpcijske procese značilne temperaturne spremembe, visoka gostota moči zahteva visoko toplotno prevodnost. Vendar pa je nizka toplotna prevodnost daleč glavna pomanjkljivost v večini uporab.
Glavni problem prevodnosti je povečanje njene povprečne vrednosti ob hkratnem ohranjanju transportne poti, ki zagotavlja pretok adsorpcijskih/desorpcijskih hlapov. Za dosego tega se običajno uporabljata dva pristopa: kompozitni toplotni izmenjevalniki in prevlečeni toplotni izmenjevalniki. Najbolj priljubljeni in uspešni kompozitni materiali so tisti, ki uporabljajo dodatke na osnovi ogljika, in sicer ekspandirani grafit, aktivno oglje ali ogljikova vlakna. Oliveira in sod.2 so impregnirali ekspandirani grafitni prah s kalcijevim kloridom, da bi ustvarili adsorber s specifično hladilno zmogljivostjo (SCP) do 306 W/kg in koeficientom učinkovitosti (COP) do 0,46. Zajaczkowski in sod.3 so predlagali kombinacijo ekspandiranega grafita, ogljikovih vlaken in kalcijevega klorida s skupno prevodnostjo 15 W/mK. Jian in sod.4 so testirali kompozite z ekspandiranim naravnim grafitom, obdelanim z žveplovo kislino (ENG-TSA), kot substratom v dvostopenjskem adsorpcijskem hladilnem ciklu. Model je napovedal COP od 0,215 do 0,285 in SCP od 161,4 do 260,74 W/kg.
Daleč najbolj izvedljiva rešitev je prevlečen toplotni izmenjevalnik. Mehanizme nanašanja premazov pri teh toplotnih izmenjevalnikih lahko razdelimo v dve kategoriji: neposredno sintezo in lepila. Najuspešnejša metoda je neposredna sinteza, ki vključuje tvorbo adsorbirajočih materialov neposredno na površini toplotnih izmenjevalnikov iz ustreznih reagentov. Sotech5 je patentiral metodo za sintezo prevlečenega zeolita za uporabo v seriji hladilnikov, ki jih proizvaja Fahrenheit GmbH. Schnabel in sod.6 so testirali delovanje dveh zeolitov, prevlečenih na nerjavečem jeklu. Vendar ta metoda deluje le s specifičnimi adsorbenti, zaradi česar je premaz z lepili zanimiva alternativa. Veziva so pasivne snovi, izbrane za podporo adhezije in/ali prenosa mase sorbenta, vendar ne igrajo nobene vloge pri adsorpciji ali izboljšanju prevodnosti. Freni in sod.7 so prevlekli aluminijaste toplotne izmenjevalnike z zeolitom AQSOA-Z02, stabiliziranim z vezivom na osnovi gline. Calabrese in sod.8 so preučevali pripravo zeolitnih premazov s polimernimi vezivi. Ammann in sod.9 so predlagali metodo za pripravo poroznih zeolitnih premazov iz magnetnih mešanic polivinil alkohola. Aluminijev oksid (aluminijev oksid) se v adsorberju uporablja tudi kot vezivo 10. Kolikor vemo, se celuloza in hidroksietil celuloza uporabljata le v kombinaciji s fizikalnimi adsorbenti 11, 12. Včasih se lepilo ne uporablja za barvo, temveč se uporablja za samostojno gradnjo strukture 13. Kombinacija alginatnih polimernih matric z več solnimi hidrati tvori fleksibilne kompozitne strukture kroglic, ki preprečujejo puščanje med sušenjem in zagotavljajo ustrezen prenos mase. Gline, kot sta bentonit in atapulgit, so bile uporabljene kot veziva za pripravo kompozitov 15, 16, 17. Etilceluloza je bila uporabljena za mikrokapsulacijo kalcijevega klorida 18 ali natrijevega sulfida 19.
Kompozite s porozno kovinsko strukturo lahko razdelimo na aditivne toplotne izmenjevalnike in prevlečene toplotne izmenjevalnike. Prednost teh struktur je velika specifična površina. To ima za posledico večjo kontaktno površino med adsorbentom in kovino brez dodajanja inertne mase, kar zmanjšuje splošno učinkovitost hladilnega cikla. Lang in sod.20 so izboljšali splošno prevodnost zeolitnega adsorberja z aluminijasto satjasto strukturo. Gillerminot in sod.21 so izboljšali toplotno prevodnost plasti zeolita NaX z bakreno in nikljevo peno. Čeprav se kompoziti uporabljajo kot fazno spremenljivi materiali (PCM), so ugotovitve Li in sod.22 in Zhao in sod.23 zanimive tudi za kemisorpcijo. Primerjali so delovanje ekspandiranega grafita in kovinske pene ter ugotovili, da je slednja boljša le, če korozija ni problem. Palomba in sod. so pred kratkim primerjali druge kovinske porozne strukture24. Van der Pal in sod. so preučevali kovinske soli, vgrajene v pene25. Vsi prejšnji primeri ustrezajo gostim plastem delcev adsorbentov. Kovinske porozne strukture se praktično ne uporabljajo za prevleko adsorberjev, kar je bolj optimalna rešitev. Primer vezave na zeolite lahko najdemo v Wittstadt et al.26, vendar kljub njihovi višji energijski gostoti ni bilo nobenega poskusa vezave hidratov soli27.
V tem članku bomo tako raziskali tri metode za pripravo adsorbentnih premazov: (1) nanašanje veziva, (2) neposredna reakcija in (3) površinska obdelava. Hidroksietilceluloza je bila v tem delu izbrano vezivo zaradi že prej poročane stabilnosti in dobre adhezije premaza v kombinaciji s fizikalnimi adsorbenti. Ta metoda je bila sprva raziskana za ravne premaze, kasneje pa je bila uporabljena za kovinske vlaknene strukture. Pred tem je bila objavljena predhodna analiza možnosti kemijskih reakcij z nastankom adsorbentnih premazov. Prejšnje izkušnje se zdaj prenašajo na nanašanje kovinskih vlaknenih struktur. Površinska obdelava, izbrana za to delo, je metoda, ki temelji na eloksiranju aluminija. Eloksiranje aluminija je bilo uspešno kombinirano s kovinskimi solmi za estetske namene29. V teh primerih je mogoče dobiti zelo stabilne in proti koroziji odporne premaze. Vendar pa ne morejo izvajati nobenega procesa adsorpcije ali desorpcije. Ta članek predstavlja različico tega pristopa, ki omogoča premikanje mase z uporabo adhezivnih lastnosti prvotnega postopka. Kolikor nam je znano, nobena od tukaj opisanih metod ni bila predhodno raziskana. Predstavljajo zelo zanimivo novo tehnologijo, saj omogočajo nastanek hidriranih adsorbentnih premazov, ki imajo številne prednosti pred pogosto preučevanimi fizikalnimi adsorbenti.
Žigosane aluminijaste plošče, uporabljene kot substrati za te poskuse, je zagotovilo podjetje ALINVEST Břidličná iz Češke. Vsebujejo 98,11 % aluminija, 1,3622 % železa, 0,3618 % mangana ter sledi bakra, magnezija, silicija, titana, cinka, kroma in niklja.
Materiali, izbrani za izdelavo kompozitov, so izbrani v skladu z njihovimi termodinamičnimi lastnostmi, in sicer glede na količino vode, ki jo lahko adsorbirajo/desorbirajo pri temperaturah pod 120 °C.
Magnezijev sulfat (MgSO4) je ena najbolj zanimivih in preučevanih hidriranih soli30,31,32,33,34,35,36,37,38,39,40,41. Termodinamične lastnosti so bile sistematično izmerjene in ugotovljeno je bilo, da so primerne za uporabo na področju adsorpcijskega hlajenja, toplotnih črpalk in shranjevanja energije. Uporabljen je bil suhi magnezijev sulfat CAS-št. 7487-88-9 99 % (Grüssing GmbH, Filsum, Niedersachsen, Nemčija).
Kalcijev klorid (CaCl2) (H319) je še ena dobro preučena sol, ker ima njegov hidrat zanimive termodinamične lastnosti41,42,43,44. Kalcijev klorid heksahidrat, št. CAS 7774-34-7, uporabljenih 97 % (Grüssing, GmbH, Filsum, Niedersachsen, Nemčija).
Cinkov sulfat (ZnSO4) (H3O2, H318, H410) in njegovi hidrati imajo termodinamične lastnosti, primerne za nizkotemperaturne adsorpcijske procese45,46. Uporabljen je bil cinkov sulfat heptahidrat CAS-št. 7733-02-0 99,5 % (Grüssing GmbH, Filsum, Niedersachsen, Nemčija).
Stroncijev klorid (SrCl2) (H318) ima prav tako zanimive termodinamične lastnosti4,45,47, čeprav se pogosto kombinira z amonijakom v raziskavah adsorpcijskih toplotnih črpalk ali shranjevanja energije. Za sintezo je bil uporabljen stroncijev klorid heksahidrat, št. CAS 10.476-85-4, 99,0–102,0 % (Sigma Aldrich, St. Louis, Missouri, ZDA).
Bakrov sulfat (CuSO4) (H302, H315, H319, H410) ne sodi med hidrate, ki jih pogosto najdemo v strokovni literaturi, čeprav so njegove termodinamične lastnosti zanimive za uporabo pri nizkih temperaturah48,49. Za sintezo je bil uporabljen bakrov sulfat CAS-št. 7758-99-8 99 % (Sigma Aldrich, St. Louis, MO, ZDA).
Magnezijev klorid (MgCl2) je ena od hidriranih soli, ki ji je v zadnjem času namenjena večja pozornost na področju shranjevanja toplotne energije50,51. Za poskuse je bil uporabljen magnezijev klorid heksahidrat, št. CAS 7791-18-6, farmacevtske kakovosti (Applichem GmbH., Darmstadt, Nemčija).
Kot je bilo že omenjeno, je bila hidroksietilceluloza izbrana zaradi pozitivnih rezultatov pri podobnih aplikacijah. Material, uporabljen v naši sintezi, je hidroksietilceluloza CAS-št. 9004-62-0 (Sigma Aldrich, St. Louis, MO, ZDA).
Kovinska vlakna so izdelana iz kratkih žic, ki so med seboj povezane s stiskanjem in sintranjem, postopkom, znanim kot ekstrakcija taline v lončku (CME)52. To pomeni, da njihova toplotna prevodnost ni odvisna le od prevodnosti kovin, uporabljenih pri izdelavi, in poroznosti končne strukture, temveč tudi od kakovosti vezi med nitmi. Vlakna niso izotropna in se med proizvodnjo nagibajo k porazdelitvi v določeni smeri, zaradi česar je toplotna prevodnost v prečni smeri precej nižja.
Lastnosti absorpcije vode so bile raziskane s sočasno termogravimetrično analizo (TGA)/diferencialno termogravimetrično analizo (DTG) v vakuumskem paketu (Netzsch TG 209 F1 Libra). Meritve so bile izvedene v tekoči dušikovi atmosferi s pretokom 10 ml/min in temperaturnim območjem od 25 do 150 °C v aluminijevooksidnih lončkih. Hitrost segrevanja je bila 1 °C/min, teža vzorca se je gibala od 10 do 20 mg, ločljivost pa je bila 0,1 μg. V tem delu je treba upoštevati, da ima razlika v masi na enoto površine veliko negotovost. Vzorci, uporabljeni v TGA-DTG, so zelo majhni in nepravilno rezani, zaradi česar je določanje njihove površine netočno. Te vrednosti je mogoče ekstrapolirati na večjo površino le, če upoštevamo velika odstopanja.
Spektri Fourierjeve transformacije v infrardečem območju z oslabljenim popolnim odbojem (ATR-FTIR) so bili pridobljeni na spektrometru Bruker Vertex 80 v FTIR (Bruker Optik GmbH, Leipzig, Nemčija) z uporabo platinastega dodatka ATR (Bruker Optik GmbH, Nemčija). Spektri čistih suhih diamantnih kristalov so bili izmerjeni neposredno v vakuumu, preden so bili vzorci uporabljeni kot ozadje za eksperimentalne meritve. Vzorci so bili izmerjeni v vakuumu s spektralno ločljivostjo 2 cm-1 in povprečnim številom skeniranj 32. Območje valovnih števil je od 8000 do 500 cm-1. Spektralna analiza je bila izvedena s programom OPUS.
SEM analiza je bila izvedena z uporabo DSM 982 Gemini podjetja Zeiss pri pospeševalnih napetostih 2 in 5 kV. Energijsko disperzivna rentgenska spektroskopija (EDX) je bila izvedena z uporabo Thermo Fischer System 7 s Peltierjevim hlajenim silicijevim drift detektorjem (SSD).
Priprava kovinskih plošč je bila izvedena po postopku, podobnem tistemu, opisanemu v 53. Najprej smo ploščo potopili v 50 % žveplovo kislino za 15 minut. Nato smo jo za približno 10 sekund potopili v 1 M raztopino natrijevega hidroksida. Nato smo vzorce sprali z veliko količino destilirane vode in jih nato 30 minut namočili v destilirani vodi. Po predhodni površinski obdelavi smo vzorce potopili v 3 % nasičeno raztopino HEC in ciljne soli. Na koncu smo jih vzeli iz pečice in posušili pri 60 °C.
Metoda anodizacije izboljša in okrepi naravno oksidno plast na pasivni kovini. Aluminijaste plošče so bile v strjenem stanju eloksirane z žveplovo kislino in nato zatesnjene v vroči vodi. Anodizaciji je sledilo začetno jedkanje z 1 mol/l NaOH (600 s), ki mu je sledila nevtralizacija v 1 mol/l HNO3 (60 s). Raztopina elektrolita je mešanica 2,3 M H2SO4, 0,01 M Al2(SO4)3 in 1 M MgSO4 + 7H2O. Anodizacija je bila izvedena pri (40 ± 1) °C, 30 mA/cm2 1200 sekund. Postopek zatesnitve je bil izveden v različnih raztopinah slanice, kot je opisano v materialih (MgSO4, CaCl2, ZnSO4, SrCl2, CuSO4, MgCl2). Vzorec je bil v njej kuhan 1800 sekund.
Raziskane so bile tri različne metode za izdelavo kompozitov: nanašanje lepila, neposredna reakcija in površinska obdelava. Prednosti in slabosti vsake metode učenja so sistematično analizirane in obravnavane. Za oceno rezultatov so bili uporabljeni neposredno opazovanje, nanoslikanje in kemijska/elementarna analiza.
Anodizacija je bila izbrana kot metoda površinske obdelave za povečanje oprijema hidratov soli. Ta površinska obdelava ustvari porozno strukturo aluminijevega oksida (aluminijevega oksida) neposredno na aluminijevi površini. Tradicionalno je ta metoda sestavljena iz dveh stopenj: prva stopnja ustvari porozno strukturo aluminijevega oksida, druga stopnja pa ustvari prevleko aluminijevega hidroksida, ki zapre pore. Sledita dve metodi blokiranja soli brez blokiranja dostopa do plinske faze. Prva je sestavljena iz sistema satja z uporabo majhnih cevk iz aluminijevega oksida (Al2O3), pridobljenih v prvem koraku, za zadrževanje kristalov adsorbenta in povečanje njegove oprijema na kovinske površine. Nastali satji imajo premer približno 50 nm in dolžino 200 nm (slika 1a). Kot smo že omenili, se te votline običajno zaprejo v drugem koraku s tanko plastjo bemita Al2O(OH)2, ki jo podpira postopek vrenja v cevki iz aluminijevega oksida. Pri drugi metodi je ta postopek tesnjenja spremenjen tako, da se kristali soli ujamejo v enakomerno prekrivno plast bemita (Al2O(OH)), ki se v tem primeru ne uporablja za tesnjenje. Druga faza se izvede v nasičeni raztopini ustrezne soli. Opisani vzorci imajo velikosti v območju 50–100 nm in so videti kot razpršene kapljice (slika 1b). Površina, ki nastane kot rezultat postopka tesnjenja, ima izrazito prostorsko strukturo s povečano kontaktno površino. Ta površinski vzorec je skupaj s številnimi konfiguracijami vezanja idealen za prenašanje in zadrževanje kristalov soli. Obe opisani strukturi sta videti resnično porozni in imata majhne votline, ki so zelo primerne za zadrževanje hidratov soli in adsorpcijo hlapov na sol med delovanjem adsorberja. Vendar pa lahko elementarna analiza teh površin z uporabo EDX zazna sledi magnezija in žvepla na površini bemita, ki jih v primeru površine iz aluminijevega oksida ne zaznamo.
ATR-FTIR vzorca je potrdil, da je bil element magnezijev sulfat (glej sliko 2b). Spekter kaže značilne vrhove sulfatnih ionov pri 610–680 in 1080–1130 cm–1 ter značilne vrhove vode v kristalni mreži pri 1600–1700 cm–1 in 3200–3800 cm–1 (glej sliko 2a, c). Prisotnost magnezijevih ionov skoraj ne spremeni spektra54.
(a) EDX aluminijeve plošče z boehmitom, prevlečene z MgSO4, (b) ATR-FTIR spektri boehmita in prevlek MgSO4, (c) ATR-FTIR spektri čistega MgSO4.
Ohranjanje učinkovitosti adsorpcije je bilo potrjeno s TGA. Na sliki 3b je prikazan desorpcijski vrh pri približno 60 °C. Ta vrh ne ustreza temperaturi obeh vrhov, opaženih pri TGA čiste soli (slika 3a). Ocenjena je bila ponovljivost cikla adsorpcije-desorpcije in enaka krivulja je bila opažena po namestitvi vzorcev v vlažno atmosfero (slika 3c). Razlike, opažene v drugi fazi desorpcije, so lahko posledica dehidracije v tekoči atmosferi, saj to pogosto vodi do nepopolne dehidracije. Te vrednosti ustrezajo približno 17,9 g/m2 pri prvem odstranjevanju vode in 10,3 g/m2 pri drugem odstranjevanju vode.
Primerjava TGA analize boehmita in MgSO4: TGA analiza čistega MgSO4 (a), zmesi (b) in po rehidraciji (c).
Ista metoda je bila izvedena s kalcijevim kloridom kot adsorbentom. Rezultati so predstavljeni na sliki 4. Vizualni pregled površine je pokazal manjše spremembe v kovinskem sijaju. Dlaka je komaj vidna. SEM je potrdil prisotnost majhnih kristalov, enakomerno razporejenih po površini. Vendar pa TGA ni pokazala dehidracije pod 150 °C. To je lahko posledica dejstva, da je delež soli premajhen v primerjavi s skupno maso substrata za detekcijo s TGA.
Rezultati površinske obdelave prevleke iz bakrovega sulfata z anodizirajočo metodo so prikazani na sliki 5. V tem primeru ni prišlo do pričakovane vključitve CuSO4 v strukturo Al oksida. Namesto tega so opazne ohlapne iglice, saj se te običajno uporabljajo za bakrov hidroksid Cu(OH)2, ki se uporablja s tipičnimi turkiznimi barvili.
Anodizirana površinska obdelava je bila preizkušena tudi v kombinaciji s stroncijevim kloridom. Rezultati so pokazali neenakomerno pokritost (glej sliko 6a). Da bi ugotovili, ali je sol prekrila celotno površino, je bila izvedena EDX analiza. Krivulja za točko v sivem območju (točka 1 na sliki 6b) kaže malo stroncija in veliko aluminija. To kaže na nizko vsebnost stroncija v izmerjeni coni, kar posledično kaže na nizko pokritost s stroncijevim kloridom. Nasprotno pa imajo bela območja visoko vsebnost stroncija in nizko vsebnost aluminija (točke 2–6 na sliki 6b). EDX analiza belega območja kaže temnejše pike (točki 2 in 4 na sliki 6b), nizko vsebnost klora in visoko vsebnost žvepla. To lahko kaže na nastanek stroncijevega sulfata. Svetlejše pike odražajo visoko vsebnost klora in nizko vsebnost žvepla (točke 3, 5 in 6 na sliki 6b). To je mogoče pojasniti z dejstvom, da glavni del bele prevleke sestavlja pričakovani stroncijev klorid. TGA vzorca je potrdila interpretacijo analize z vrhom pri karakteristični temperaturi čistega stroncijevega klorida (slika 6c). Njihovo majhno vrednost je mogoče upravičiti z majhnim deležem soli v primerjavi z maso kovinskega nosilca. Desorpcijska masa, določena v poskusih, ustreza količini 7,3 g/m2, ki se sprosti na enoto površine adsorberja pri temperaturi 150 °C.
Preizkušeni so bili tudi premazi iz cinkovega sulfata, obdelani z eloksalom. Makroskopsko je premaz zelo tanka in enakomerna plast (slika 7a). Vendar pa je SEM razkril površino, prekrito z majhnimi kristali, ločenimi s praznimi območji (slika 7b). TGA premaza in podlage je bil primerjan s TGA čiste soli (slika 7c). Čista sol ima en asimetričen vrh pri 59,1 °C. Prevlečeni aluminij je pokazal dva majhna vrhova pri 55,5 °C in 61,3 °C, kar kaže na prisotnost hidrata cinkovega sulfata. Razlika v masi, ugotovljena v poskusu, ustreza 10,9 g/m2 pri temperaturi dehidracije 150 °C.
Kot v prejšnji prijavi53 je bila kot vezivo uporabljena hidroksietilceluloza za izboljšanje oprijema in stabilnosti sorbentnega premaza. Združljivost materialov in vpliv na adsorpcijsko delovanje sta bila ocenjena s TGA. Analiza se izvede glede na skupno maso, tj. vzorec vključuje kovinsko ploščo, ki se uporablja kot substrat premaza. Oprijem se preizkusi s preskusom, ki temelji na preskusu s križnim zarezom, opredeljenem v specifikaciji ISO2409 (ne more izpolnjevati specifikacije ločevanja zarez, odvisno od debeline in širine specifikacije).
Premaz plošč s kalcijevim kloridom (CaCl2) (glej sliko 8a) je povzročil neenakomerno porazdelitev, česar pri čistem aluminijevem premazu, uporabljenem za prečni zarezni test, nismo opazili. V primerjavi z rezultati za čisti CaCl2, TGA (slika 8b) kaže dva značilna vrhova, premaknjena proti nižjim temperaturam 40 oziroma 20 °C. Prečni prerez ne omogoča objektivne primerjave, ker je vzorec čistega CaCl2 (vzorec na desni na sliki 8c) praškasta oborina, ki odstrani zgornje delce. Rezultati HEC so pokazali zelo tanek in enakomeren premaz z zadovoljivo adhezijo. Razlika v masi, prikazana na sliki 8b, ustreza 51,3 g/m2 na enoto površine adsorberja pri temperaturi 150 °C.
Pozitivni rezultati glede adhezije in enakomernosti so bili doseženi tudi z magnezijevim sulfatom (MgSO4) (glej sliko 9). Analiza procesa desorpcije premaza je pokazala prisotnost enega vrha pri približno 60 °C. Ta temperatura ustreza glavnemu koraku desorpcije, ki ga opazimo pri dehidraciji čistih soli, kar predstavlja še en korak pri 44 °C. Ustreza prehodu iz heksahidrata v pentahidrat in ga pri premazih z vezivi ne opazimo. Prerezni testi kažejo izboljšano porazdelitev in adhezijo v primerjavi s premazi, narejenimi s čisto soljo. Masna razlika, opažena pri TGA-DTC, ustreza 18,4 g/m2 na enoto površine adsorberja pri temperaturi 150 °C.
Zaradi površinskih nepravilnosti ima stroncijev klorid (SrCl2) neenakomeren premaz na rebrih (slika 10a). Vendar pa so rezultati prečnega zareznega testa pokazali enakomerno porazdelitev z bistveno izboljšano adhezijo (slika 10c). TGA analiza je pokazala zelo majhno razliko v teži, kar mora biti posledica nižje vsebnosti soli v primerjavi s kovinsko podlago. Vendar pa stopnice na krivulji kažejo na prisotnost procesa dehidracije, čeprav je vrh povezan s temperaturo, doseženo pri karakterizaciji čiste soli. Vrhova pri 110 °C in 70,2 °C, opažena na sliki 10b, sta bila najdena tudi pri analizi čiste soli. Vendar pa se glavni korak dehidracije, opažen v čisti soli pri 50 °C, ni odražal v krivuljah z uporabo veziva. Nasprotno pa je mešanica veziv pokazala dva vrhova pri 20,2 °C in 94,1 °C, ki nista bila izmerjena pri čisti soli (slika 10b). Pri temperaturi 150 °C opažena razlika v masi ustreza 7,2 g/m2 na enoto površine adsorberja.
Kombinacija HEC in cinkovega sulfata (ZnSO4) ni dala sprejemljivih rezultatov (slika 11). TGA analiza prevlečene kovine ni pokazala nobenih procesov dehidracije. Čeprav sta se porazdelitev in oprijem prevleke izboljšali, so njene lastnosti še vedno daleč od optimalnih.
Najenostavnejši način za nanašanje tanke in enakomerne plasti na kovinska vlakna je mokra impregnacija (slika 12a), ki vključuje pripravo ciljne soli in impregnacijo kovinskih vlaken z vodno raztopino.
Pri pripravi mokre impregnacije se srečamo z dvema glavnima težavama. Po eni strani površinska napetost fiziološke raztopine preprečuje pravilno vključitev tekočine v porozno strukturo. Kristalizacijo na zunanji površini (slika 12d) in zračne mehurčke, ujete v notranjosti strukture (slika 12c), je mogoče zmanjšati le z znižanjem površinske napetosti in predhodnim vlaženjem vzorca z destilirano vodo. Prisilno raztapljanje v vzorcu z evakuacijo zraka znotraj ali z ustvarjanjem toka raztopine v strukturi sta druga učinkovita načina za zagotovitev popolnega polnjenja strukture.
Druga težava, s katero smo se srečali med pripravo, je bila odstranitev filma z dela soli (glej sliko 12b). Za ta pojav je značilno nastanek suhe prevleke na površini raztapljanja, ki ustavi konvektivno stimulirano sušenje in začne proces, stimuliran z difuzijo. Drugi mehanizem je veliko počasnejši od prvega. Posledično je za razumen čas sušenja potrebna visoka temperatura, kar poveča tveganje za nastanek mehurčkov v vzorcu. Ta težava se reši z uvedbo alternativne metode kristalizacije, ki ne temelji na spremembi koncentracije (izhlapevanju), temveč na spremembi temperature (kot v primeru z MgSO4 na sliki 13).
Shematski prikaz procesa kristalizacije med hlajenjem in ločevanjem trdne in tekoče faze z uporabo MgSO4.
Nasičene raztopine soli lahko s to metodo pripravimo pri sobni temperaturi (HT) ali nad njo. V prvem primeru je bila kristalizacija prisiljena z znižanjem temperature pod sobno temperaturo. V drugem primeru je do kristalizacije prišlo, ko je bil vzorec ohlajen na sobno temperaturo (RT). Rezultat je mešanica kristalov (B) in raztopljenega (A), katere tekoči del se odstrani s stisnjenim zrakom. Ta pristop ne le prepreči nastanek filma na teh hidratih, temveč tudi skrajša čas, potreben za pripravo drugih kompozitov. Vendar pa odstranjevanje tekočine s stisnjenim zrakom povzroči dodatno kristalizacijo soli, kar ima za posledico debelejši premaz.
Druga metoda, ki se lahko uporabi za nanašanje premazov na kovinske površine, vključuje neposredno proizvodnjo ciljnih soli s kemičnimi reakcijami. Prevlečeni toplotni izmenjevalniki, izdelani z reakcijo kislin na kovinskih površinah reber in cevi, imajo številne prednosti, kot je bilo opisano v naši prejšnji študiji. Uporaba te metode za vlakna je privedla do zelo slabih rezultatov zaradi nastajanja plinov med reakcijo. Tlak mehurčkov vodikovega plina se v sondi poveča in spremeni, ko se produkt izvrže (slika 14a).
Premaz je bil spremenjen s kemično reakcijo za boljši nadzor nad debelino in porazdelitvijo premaza. Ta metoda vključuje prepuščanje curka kisle megle skozi vzorec (slika 14b). Pričakuje se, da bo to zaradi reakcije s kovino podlage povzročilo enakomeren premaz. Rezultati so bili zadovoljivi, vendar je bil postopek prepočasen, da bi ga lahko šteli za učinkovito metodo (slika 14c). Krajše reakcijske čase je mogoče doseči z lokalnim segrevanjem.
Da bi premagali pomanjkljivosti zgornjih metod, je bila proučena metoda nanašanja premaza, ki temelji na uporabi lepil. HEC je bil izbran na podlagi rezultatov, predstavljenih v prejšnjem razdelku. Vsi vzorci so bili pripravljeni s 3 % mas. Vezivo je bilo zmešano s soljo. Vlakna so bila predhodno obdelana po enakem postopku kot za rebra, tj. namočena v 50 % vol. žveplovi kislini v 15 minutah, nato namočena v natrijevem hidroksidu 20 sekund, oprana v destilirani vodi in na koncu namočena v destilirani vodi 30 minut. V tem primeru je bil pred impregnacijo dodan dodaten korak. Vzorec se na kratko potopi v razredčeno ciljno raztopino soli in posuši pri približno 60 °C. Postopek je zasnovan tako, da modificira površino kovine in ustvari mesta nukleacije, ki izboljšajo porazdelitev premaza v končni fazi. Vlaknasta struktura ima eno stran, kjer so nitke tanjše in tesno zložene, in nasprotno stran, kjer so nitke debelejše in manj porazdeljene. To je rezultat 52 proizvodnih procesov.
Rezultati za kalcijev klorid (CaCl2) so povzeti in prikazani s slikami v tabeli 1. Dobra pokritost po inokulaciji. Tudi tiste niti brez vidnih kristalov na površini so imele zmanjšane kovinske odseve, kar kaže na spremembo v končni obdelavi. Vendar pa so se premazi po impregnaciji vzorcev z vodno mešanico CaCl2 in HEC ter sušenju pri temperaturi približno 60 °C koncentrirali na stičiščih struktur. To je učinek, ki ga povzroča površinska napetost raztopine. Po namakanju tekočina ostane v vzorcu zaradi svoje površinske napetosti. V bistvu se pojavi na stičiščih struktur. Na boljši strani vzorca je več lukenj, napolnjenih s soljo. Teža se je po nanosu premaza povečala za 0,06 g/cm3.
Premaz z magnezijevim sulfatom (MgSO4) je proizvedel več soli na enoto prostornine (tabela 2). V tem primeru je izmerjeni prirastek 0,09 g/cm3. Postopek sejanja je povzročil obsežno pokritost vzorca. Po postopku nanašanja sol blokira velike površine tanke strani vzorca. Poleg tega so nekatera območja mat materiala blokirana, vendar se ohrani nekaj poroznosti. V tem primeru je nastajanje soli na stičišču struktur zlahka opazno, kar potrjuje, da je postopek nanašanja predvsem posledica površinske napetosti tekočine in ne interakcije med soljo in kovinsko podlago.
Rezultati za kombinacijo stroncijevega klorida (SrCl2) in HEC so pokazali podobne lastnosti kot v prejšnjih primerih (tabela 3). V tem primeru je tanjša stran vzorca skoraj v celoti prekrita. Vidne so le posamezne pore, ki so nastale med sušenjem zaradi sproščanja pare iz vzorca. Vzorec, opažen na mat strani, je zelo podoben prejšnjemu primeru, območje je blokirano s soljo in vlakna niso popolnoma prekrita.
Za oceno pozitivnega vpliva vlaknaste strukture na toplotno delovanje toplotnega izmenjevalnika je bila določena efektivna toplotna prevodnost prevlečene vlaknaste strukture in primerjana s čistim premaznim materialom. Toplotna prevodnost je bila izmerjena v skladu z ASTM D 5470-2017 z uporabo naprave z ravno ploščo, prikazane na sliki 15a, z uporabo referenčnega materiala z znano toplotno prevodnostjo. V primerjavi z drugimi metodami prehodnih meritev je to načelo ugodnejše za porozne materiale, uporabljene v tej študiji, saj se meritve izvajajo v ustaljenem stanju in z zadostno velikostjo vzorca (osnovna površina 30 × 30 mm2, višina približno 15 mm). Vzorci čistega premaznega materiala (referenca) in prevlečene vlaknaste strukture so bili pripravljeni za meritve v smeri vlaken in pravokotno na smer vlaken, da bi ocenili vpliv anizotropne toplotne prevodnosti. Vzorci so bili brušeni na površini (zrnatost P320), da bi zmanjšali vpliv hrapavosti površine zaradi priprave vzorca, ki ne odraža strukture znotraj vzorca.