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 stalne podpore spletno mesto upodobili brez slogov in JavaScripta.
Tržni delež adsorpcijskih hladilnih sistemov in toplotnih črpalk je v primerjavi s tradicionalnimi kompresorskimi sistemi še razmeroma majhen.Kljub veliki prednosti uporabe poceni toplote (namesto dragih električnih del) je izvedba sistemov, ki temeljijo na načelih adsorpcije, 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 najsodobnejši komercialni adsorpcijski hladilni sistemi temeljijo na adsorberjih na osnovi ploščnih toplotnih izmenjevalcev, prevlečenih za optimizacijo hladilne zmogljivosti.Rezultati so dobro znani, da zmanjšanje debeline prevleke povzroči zmanjšanje impedance prenosa mase, povečanje razmerja med površino in prostornino prevodnih struktur pa poveča moč brez ogrožanja učinkovitosti.Kovinska vlakna, uporabljena pri tem delu, lahko zagotovijo specifično površino v območju 2500–50.000 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 izmenjevalnik z visoko gostoto moči.Površinska obdelava na osnovi eloksiranja aluminija je izbrana za ustvarjanje močnejše vezi med premazom in podlago.Mikrostrukturo nastale površine smo analizirali z vrstično elektronsko mikroskopijo.Za preverjanje prisotnosti želenih vrst v testu sta bili uporabljeni infrardeča spektroskopija z zmanjšano popolno refleksijo Fourierjeve transformacije in energijsko disperzivna rentgenska spektroskopija.Njihovo sposobnost tvorbe hidratov je potrdila kombinirana termogravimetrična analiza (TGA)/diferencialna termogravimetrična analiza (DTG).Slaba kakovost nad 0,07 g (voda)/g (kompozit) je bila ugotovljena v prevleki MgSO4, ki je kazala znake dehidracije pri približno 60 °C in ponovljiva po rehidraciji.Pozitivne rezultate smo dobili tudi pri SrCl2 in ZnSO4 z masno razliko okoli 0,02 g/g pod 100 °C.Hidroksietilceluloza je bila izbrana kot dodatek za povečanje stabilnosti in oprijema premaza.Adsorptivne lastnosti izdelkov so bile ovrednotene s sočasnim TGA-DTG, njihova adhezija pa je bila karakterizirana z metodo, ki temelji na testih, opisanih v ISO2409.Konzistentnost in oprijem prevleke CaCl2 sta bistveno izboljšani, medtem ko se ohranja njena adsorpcijska sposobnost z masno razliko približno 0,1 g/g pri temperaturah pod 100 °C.Poleg tega MgSO4 ohranja sposobnost tvorbe hidratov, kar kaže masno razliko več kot 0,04 g/g pri temperaturah pod 100 °C.Nazadnje se pregledajo prevlečena kovinska vlakna.Rezultati kažejo, da je lahko efektivna toplotna prevodnost strukture vlaken, prevlečenih z Al2(SO4)3, 4,7-krat večja v primerjavi z volumnom čistega Al2(SO4)3.Prevleko proučevanih prevlek smo pregledali vizualno, notranjo strukturo pa ovrednotili z mikroskopsko sliko prerezov.Dobili smo prevleko iz 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 pridobili veliko pozornosti, saj zagotavljajo okolju prijazno alternativo tradicionalnim kompresijskim toplotnim črpalkam ali hladilnim sistemom.Z naraščajočimi standardi udobja in svetovnimi povprečnimi temperaturami lahko adsorpcijski sistemi v bližnji prihodnosti zmanjšajo odvisnost od fosilnih goriv.Poleg tega se morebitne izboljšave adsorpcijskega hlajenja ali toplotnih črpalk lahko prenesejo v hranilnike toplotne energije, kar predstavlja dodatno povečanje potenciala učinkovite rabe primarne energije.Glavna prednost adsorpcijskih toplotnih črpalk in hladilnih sistemov je, da lahko delujejo z nizko toplotno maso.Zaradi tega so primerni za nizkotemperaturne vire, kot je sončna energija ali odpadna toplota.Kar zadeva aplikacije shranjevanja energije, ima adsorpcija prednost večje energijske gostote in manjšega odvajanja energije v primerjavi z občutljivim ali latentnim shranjevanjem toplote.
Adsorpcijske toplotne črpalke in hladilni sistemi sledijo istemu termodinamičnemu ciklu kot njihovi kompresijski primerki.Glavna razlika je zamenjava komponent kompresorja z adsorberji.Element lahko adsorbira nizkotlačne hlape hladilnega sredstva 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 (eksoterm).Adsorber se regenerira pri visoki temperaturi, kar povzroči desorpcijo hlapov hladilnega sredstva.Ogrevanje mora še naprej zagotavljati entalpijo desorpcije (endotermno).Ker so za adsorpcijske procese značilne temperaturne spremembe, visoka gostota moči zahteva visoko toplotno prevodnost.Vendar je nizka toplotna prevodnost daleč glavna pomanjkljivost v večini aplikacij.
Glavna težava prevodnosti je povečati njeno povprečno vrednost ob 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 idr.2 impregniranega ekspandiranega grafitnega prahu s kalcijevim kloridom za izdelavo adsorberja s specifično hladilno zmogljivostjo (SCP) do 306 W/kg in koeficientom učinkovitosti (COP) do 0,46.Zajaczkowski et al.3 je predlagal kombinacijo ekspandiranega grafita, ogljikovih vlaken in kalcijevega klorida s skupno prevodnostjo 15 W/mK.Jian et al4 so testirali kompozite z ekspandiranim naravnim grafitom, obdelanim z žveplovo kislino (ENG-TSA), kot substratom v dvostopenjskem ciklu adsorpcijskega hlajenja.Model je predvidel COP od 0,215 do 0,285 in SCP od 161,4 do 260,74 W/kg.
Daleč najbolj izvedljiva rešitev je prevlečeni toplotni izmenjevalnik.Mehanizmi premazov teh toplotnih izmenjevalnikov se lahko razdelijo v dve kategoriji: neposredna sinteza in lepila.Najuspešnejša metoda je direktna sinteza, ki vključuje tvorbo adsorbirajočih materialov neposredno na površini toplotnih izmenjevalcev iz ustreznih reagentov.Sotech5 je patentiral metodo za sintezo prevlečenega zeolita za uporabo v seriji hladilnikov, ki jih proizvaja Fahrenheit GmbH.Schnabel et al6 so testirali delovanje dveh zeolitov, prevlečenih na nerjavno jeklo.Vendar ta metoda deluje samo s posebnimi adsorbenti, zaradi česar je premazovanje z lepili zanimiva alternativa.Veziva so pasivne snovi, izbrane za podporo adhezije sorbenta in/ali prenosa mase, vendar nimajo nobene vloge pri adsorpciji ali povečanju prevodnosti.Freni idr.7 prevlečenih aluminijastih toplotnih izmenjevalnikov z zeolitom AQSOA-Z02 stabiliziranim z vezivom na osnovi gline.Calabrese et al.8 so preučevali pripravo zeolitnih prevlek s polimernimi vezivi.Ammann et al.9 sta predlagala metodo za pripravo poroznih zeolitnih prevlek iz magnetnih zmesi polivinilalkohola.Aluminijev oksid (aluminijev oksid) se uporablja tudi kot vezivo 10 v adsorberju.Kolikor vemo, se celuloza in hidroksietil celuloza uporabljata samo v kombinaciji s fizikalnimi adsorbenti11,12.Včasih se lepilo ne uporablja za barvo, ampak se uporablja za samostojno gradnjo strukture 13.Kombinacija alginatnih polimernih matric z več hidrati soli tvori prožne strukture kompozitnih kroglic, ki preprečujejo puščanje med sušenjem in zagotavljajo ustrezen prenos mase.Gline, kot sta bentonit in atapulgit, so bile uporabljene kot veziva za pripravo kompozitov15,16,17.Etilceluloza je bila uporabljena za mikrokapsulacijo kalcijevega klorida18 ali natrijevega sulfida19.
Kompozite s porozno kovinsko strukturo lahko razdelimo na aditivne toplotne izmenjevalce in prevlečene toplotne izmenjevalce.Prednost teh struktur je visoka specifična površina.Posledica tega je večja kontaktna površina med adsorbentom in kovino brez dodajanja inertne mase, kar zmanjša celotno učinkovitost hladilnega cikla.Lang et al.20 so izboljšali celotno prevodnost zeolitnega adsorberja z aluminijevo satasto strukturo.Gillerminot et al.21 izboljšal toplotno prevodnost zeolitnih plasti NaX z bakrovo in nikljevo peno.Čeprav se kompoziti uporabljajo kot materiali s fazno spremembo (PCM), so ugotovitve Li et al.22 in Zhao et al.23 so zanimivi tudi za kemosorpcijo.Primerjali so delovanje ekspandiranega grafita in kovinske pene ter ugotovili, da je slednja boljša le, če korozija ni problem.Palomba idr.so nedavno primerjali druge kovinske porozne strukture24.Van der Pal et al.so preučevali kovinske soli, vdelane v pene 25 .Vsi prejšnji primeri ustrezajo gostim slojem adsorbentov delcev.Kovinske porozne strukture se praktično ne uporabljajo za prevleko adsorberjev, kar je bolj optimalna rešitev.Primer vezave na zeolite je mogoče najti v Wittstadt et al.26, vendar ni bilo nobenega poskusa vezave solnih hidratov kljub njihovi višji energijski gostoti 27.
Tako bodo v tem članku raziskane tri metode za pripravo adsorbentnih prevlek: (1) nanos veziva, (2) neposredna reakcija in (3) površinska obdelava.Hidroksietilceluloza je bila izbrano vezivo v tem delu zaradi predhodno poročane stabilnosti in dobrega oprijema prevleke v kombinaciji s fizikalnimi adsorbenti.Ta metoda je bila prvotno raziskana za ravne prevleke in kasneje uporabljena za strukture iz kovinskih vlaken.Pred tem so poročali o predhodni analizi možnosti kemičnih reakcij s tvorbo adsorbentnih prevlek.Prejšnje izkušnje se zdaj prenašajo na prevleke kovinsko-vlakenskih konstrukcij.Površinska obdelava, izbrana za to delo, je metoda, ki temelji na eloksiranju aluminija.Anodiziranje aluminija je bilo uspešno kombinirano s kovinskimi solmi za estetske namene29.V teh primerih lahko dobimo zelo stabilne in proti koroziji odporne premaze.Vendar pa ne morejo izvesti 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 tvorbo hidratiziranih adsorbentnih prevlek, ki imajo vrsto prednosti pred pogosto proučevanimi fizikalnimi adsorbenti.
Žigosane aluminijaste plošče, uporabljene kot podlage za te poskuse, je zagotovil ALINVEST Břidličná, Češka.Vsebujejo 98,11 % aluminija, 1,3622 % železa, 0,3618 % mangana in sledi bakra, magnezija, silicija, titana, cinka, kroma in niklja.
Materiali, izbrani za izdelavo kompozitov, so izbrani glede na njihove termodinamične lastnosti, in sicer glede na količino vode, ki jo lahko adsorbirajo/desorbirajo pri temperaturah pod 120°C.
Magnezijev sulfat (MgSO4) je ena najbolj zanimivih in raziskanih hidratiranih 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 področjih adsorpcijskega hlajenja, toplotnih črpalk in shranjevanja energije.Uporabljen je bil suh magnezijev sulfat CAS-Nr.7487-88-9 99 % (Grüssing GmbH, Filsum, Niedersachsen, Nemčija).
Kalcijev klorid (CaCl2) (H319) je še ena dobro raziskana sol, ker ima njegov hidrat zanimive termodinamične lastnosti41,42,43,44.Kalcijev klorid heksahidrat Št. CAS7774-34-7 97 % uporabljeno (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-Nr.7733-02-0 99,5 % (Grüssing GmbH, Filsum, Niedersachsen, Nemčija).
Stroncijev klorid (SrCl2) (H318) ima tudi zanimive termodinamične lastnosti4,45,47, čeprav se pogosto kombinira z amoniakom v raziskavah adsorpcijske toplotne črpalke ali shranjevanja energije.Za sintezo smo uporabili stroncijev klorid heksahidrat CAS-Nr.10.476-85-4 99,0–102,0 % (Sigma Aldrich, St. Louis, Missouri, ZDA).
Bakrov sulfat (CuSO4) (H302, H315, H319, H410) ni med hidrati, ki jih pogosto najdemo v strokovni literaturi, čeprav so njegove termodinamične lastnosti zanimive za uporabo pri nizkih temperaturah48,49.Za sintezo smo uporabili bakrov sulfat CAS-Nr.7758-99-8 99 % (Sigma Aldrich, St. Louis, MO, ZDA).
Magnezijev klorid (MgCl2) je ena od hidratiranih soli, ki je v zadnjem času deležna več pozornosti na področju shranjevanja toplotne energije50,51.Za poskuse je bil uporabljen magnezijev klorid heksahidrat CAS-Nr.7791-18-6 čiste farmacevtske kakovosti (Applichem GmbH., Darmstadt, Nemčija).
Kot je navedeno zgoraj, je bila hidroksietil celuloza izbrana zaradi pozitivnih rezultatov pri podobnih aplikacijah.Material, uporabljen v naši sintezi, je hidroksietil celuloza CAS-Nr 9004-62-0 (Sigma Aldrich, St. Louis, MO, ZDA).
Kovinska vlakna so izdelana iz kratkih žic, povezanih s stiskanjem in sintranjem, procesom, znanim kot ekstrakcija taline v lončku (CME)52.To pomeni, da njihova toplotna prevodnost ni odvisna samo od skupne 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 razporeditvi v določeno smer, zaradi česar je toplotna prevodnost v prečni smeri precej nižja.
Lastnosti vpojnosti vode so bile raziskane s sočasno termogravimetrično analizo (TGA)/diferencialno termogravimetrično analizo (DTG) v vakuumski embalaži (Netzsch TG 209 F1 Libra).Meritve smo izvajali v pretočni atmosferi dušika pri pretoku 10 ml/min in temperaturnem območju od 25 do 150 °C v lončkih iz aluminijevega oksida.Hitrost segrevanja je bila 1 °C/min, masa vzorca je variirala od 10 do 20 mg, ločljivost 0,1 μg.Pri tem delu je treba opozoriti, da ima razlika v masi na enoto površine veliko negotovost.Vzorci, uporabljeni v TGA-DTG, so zelo majhni in nepravilno izrezani, zaradi česar je določanje njihove površine netočno.Te vrednosti je mogoče ekstrapolirati na večje območje le, če se upoštevajo velika odstopanja.
Infrardeči spektri oslabljenega popolnega odboja s Fourierjevo transformacijo (ATR-FTIR) so bili pridobljeni na spektrometru Bruker Vertex 80 v FTIR (Bruker Optik GmbH, Leipzig, Nemčija) z uporabo dodatka ATR iz platine (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. Razpon valovnega števila od 8000 do 500 cm-1.Spektralno analizo smo izvedli s programom OPUS.
Analiza SEM 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 sistema Thermo Fischer System 7 s Peltierjevim hlajenim silicijevim detektorjem odnašanja (SSD).
Priprava kovinskih plošč je potekala po postopku, podobnem opisanemu v 53. Ploščo najprej potopimo v 50 % žveplovo kislino.15 minut.Nato so jih za približno 10 sekund dali v 1 M raztopino natrijevega hidroksida.Nato smo vzorce sprali z veliko količino destilirane vode in jih nato za 30 minut namakali v destilirani vodi.Po predhodni površinski obdelavi smo vzorce potopili v 3 % nasičeno raztopino.HEC in ciljna sol.Na koncu jih vzemite ven in posušite na 60°C.
Metoda anodiziranja poveča in okrepi naravni oksidni sloj na pasivni kovini.Aluminijaste plošče so bile anodizirane z žveplovo kislino v strjenem stanju in nato zaprte v vroči vodi.Anodizaciji je sledilo začetno jedkanje z 1 mol/l NaOH (600 s), čemur je sledila nevtralizacija v 1 mol/l HNO3 (60 s).Raztopina elektrolita je zmes 2,3 M H2SO4, 0,01 M Al2(SO4)3 in 1 M MgSO4 + 7H2O.Anodiziranje je potekalo pri (40 ± 1) °C, 30 mA/cm2 1200 sekund.Postopek tesnjenja je bil izveden v različnih raztopinah slanice, kot je opisano v materialih (MgSO4, CaCl2, ZnSO4, SrCl2, CuSO4, MgCl2).V njej vzorec kuhamo 1800 sekund.
Raziskane so bile tri različne metode za izdelavo kompozitov: lepilni premaz, direktna reakcija in površinska obdelava.Prednosti in slabosti vsake metode usposabljanja so sistematično analizirane in obravnavane.Za ovrednotenje rezultatov so bili uporabljeni neposredno opazovanje, nanoslikanje in kemijska/elementarna analiza.
Anodizacija je bila izbrana kot metoda pretvorbene površinske obdelave za povečanje oprijema solnih hidratov.Ta površinska obdelava ustvari porozno strukturo aluminijevega oksida (aluminijev oksid) neposredno na površini aluminija.Tradicionalno je ta metoda sestavljena iz dveh stopenj: prva stopnja ustvari porozno strukturo aluminijevega oksida, druga stopnja pa ustvari prevleko iz aluminijevega hidroksida, ki zapre pore.Sledita dva načina blokiranja soli brez blokiranja dostopa do plinske faze.Prvi je sestavljen iz satjastega sistema, ki uporablja majhne cevi iz aluminijevega oksida (Al2O3), pridobljene v prvem koraku, za držanje kristalov adsorbenta in povečanje njegovega oprijema na kovinske površine.Nastalo satje ima 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 Al2O(OH)2 bemita, ki ga podpira postopek vrenja v cevi iz aluminijevega oksida.Pri drugi metodi je ta postopek tesnjenja modificiran tako, da se kristali soli zajamejo v enakomerno prekrivni sloj boemita (Al2O(OH)), ki se v tem primeru ne uporablja za tesnjenje.Drugo stopnjo izvedemo v nasičeni raztopini ustrezne soli.Opisani vzorci imajo velikosti v območju 50–100 nm in izgledajo kot poškropljene kapljice (slika 1b).Površina, pridobljena s postopkom tesnjenja, ima izrazito prostorsko strukturo s povečano kontaktno površino.Ta površinski vzorec je skupaj s številnimi povezovalnimi konfiguracijami idealen za prenašanje in držanje kristalov soli.Zdi se, da sta obe opisani strukturi resnično porozni in imata majhne votline, ki se zdijo zelo primerne za zadrževanje solnih hidratov in adsorpcijo hlapov na sol med delovanjem adsorberja.Vendar pa lahko elementarna analiza teh površin z uporabo EDX zazna sledove magnezija in žvepla na površini boemita, ki jih v primeru površine aluminijevega oksida ne zaznamo.
ATR-FTIR vzorca je potrdil, da je 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 rešetki pri 1600–1700 cm–1 in 3200–3800 cm–1 (glej sliko 2a, c).).Prisotnost magnezijevih ionov skoraj ne spremeni spektra54.
(a) EDX aluminijaste plošče MgSO4, prevlečene z boemitom, (b) spektri ATR-FTIR prevlek iz boemita in MgSO4, (c) spektri ATR-FTIR čistega MgSO4.
Ohranjanje adsorpcijske učinkovitosti je bilo potrjeno s TGA.Na sl.3b prikazuje vrh desorpcije pribl.60°C.Ta vrh ne ustreza temperaturi dveh vrhov, opaženih v TGA čiste soli (slika 3a).Ocenili smo ponovljivost adsorpcijsko-desorpcijskega cikla in isto krivuljo opazili po postavitvi 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 odvodnjavanju in 10,3 g/m2 pri drugem odvodnjavanju.
Primerjava TGA analize boemita in MgSO4: TGA analiza čistega MgSO4 (a), zmesi (b) in po rehidraciji (c).
Enako metodo smo izvedli s kalcijevim kloridom kot adsorbentom.Rezultati so predstavljeni na sliki 4. Vizualni pregled površine je pokazal manjše spremembe v kovinskem sijaju.Kožuh je komaj viden.SEM je potrdil prisotnost majhnih kristalov, enakomerno porazdeljenih po površini.Vendar TGA ni pokazala dehidracije pod 150 °C.To je lahko posledica dejstva, da je delež soli premajhen v primerjavi s celotno maso substrata za detekcijo s TGA.
Rezultati površinske obdelave prevleke iz bakrovega sulfata z metodo anodiziranja so prikazani na sl.5. V tem primeru ni prišlo do pričakovane vključitve CuSO4 v strukturo Al oksida.Namesto tega opazimo ohlapne igle, ki se običajno uporabljajo za bakrov hidroksid Cu(OH)2, ki se uporablja s tipičnimi turkiznimi barvili.
Anodizirana površinska obdelava je bila testirana tudi v kombinaciji s stroncijevim kloridom.Rezultati so pokazali neenakomerno pokritost (glej sliko 6a).Da bi ugotovili, ali je sol prekrila celotno površino, so izvedli analizo EDX.Krivulja za točko v sivem območju (točka 1 na sliki 6b) kaže malo stroncija in veliko aluminija.To kaže na nizko vsebnost stroncija v merjenem območju, kar posledično 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), z nizko vsebnostjo klora in visoko vsebnostjo 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 je glavni del bele prevleke sestavljen iz pričakovanega stroncijevega klorida.TGA vzorca je potrdila interpretacijo analize z vrhom pri karakteristični temperaturi čistega stroncijevega klorida (slika 6c).Njihovo majhno vrednost lahko upravičimo 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, obdelani s cinkovim sulfatom.Makroskopsko je prevleka zelo tanka in enakomerna plast (slika 7a).Vendar pa je SEM razkril površino, prekrito z majhnimi kristali, ločenimi s praznimi območji (slika 7b).TGA prevleke in substrata je bil primerjan s tistim čiste soli (slika 7c).Čista sol ima en asimetrični vrh pri 59,1 °C.Prevlečeni aluminij je pokazal dva majhna vrhova pri 55,5 °C in 61,3 °C, kar kaže na prisotnost cinkovega sulfatnega hidrata.Masna razlika, ugotovljena v poskusu, ustreza 10,9 g/m2 pri temperaturi dehidracije 150 °C.
Kot v prejšnji prijavi53 je bila kot vezivo uporabljena hidroksietil celuloza za izboljšanje oprijema in stabilnosti prevleke sorbenta.Združljivost materiala in učinek na adsorpcijsko učinkovitost je ocenil TGA.Analiza se izvede glede na skupno maso, tj. vzorec vključuje kovinsko ploščo, ki se uporablja kot substrat za premaz.Adhezija je preizkušena s testom, ki temelji na preskusu navzkrižnih zarez, opredeljenem v specifikaciji ISO2409 (ne more izpolniti specifikacije za ločevanje zarez, odvisno od debeline in širine specifikacije).
Prevleka plošč s kalcijevim kloridom (CaCl2) (glej sliko 8a) je povzročila neenakomerno porazdelitev, ki je ni opaziti pri prevleki iz čistega aluminija, uporabljeni za preskus s prečnimi zarezami.V primerjavi z rezultati za čisti CaCl2, TGA (slika 8b) kaže dva značilna vrha, premaknjena proti nižjim temperaturam, 40 oziroma 20 °C.Prečni test ne omogoča objektivne primerjave, ker je čisti vzorec CaCl2 (vzorec desno na sliki 8c) praškasta oborina, ki odstrani najvišje delce.Rezultati HEC so pokazali zelo tanek in enoten premaz z zadovoljivim oprijemom.Masna razlika, prikazana na sl.8b ustreza 51,3 g/m2 na enoto površine adsorberja pri temperaturi 150°C.
Pozitivne rezultate v smislu adhezije in enakomernosti smo dobili tudi z magnezijevim sulfatom (MgSO4) (glej sliko 9).Analiza procesa desorpcije prevleke je pokazala prisotnost enega vrha pribl.60°C.Ta temperatura ustreza glavni stopnji desorpcije, ki jo vidimo pri dehidraciji čistih soli, kar predstavlja drugo stopnjo pri 44 °C.Ustreza prehodu iz heksahidrata v pentahidrat in ga pri premazih z vezivi ne opazimo.Preizkusi preseka kažejo izboljšano porazdelitev in oprijem 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 testa s prečno zarezo pokazali enakomerno porazdelitev z znatno izboljšano oprijemljivostjo (slika 10c).TGA analiza je pokazala zelo majhno razliko v masi, ki naj bi bila posledica nižje vsebnosti soli v primerjavi s kovinsko podlago.Vendar pa koraki na krivulji kažejo na prisotnost procesa dehidracije, čeprav je vrh povezan s temperaturo, pridobljeno pri karakterizaciji čiste soli.Vrhovi pri 110 °C in 70,2 °C, opaženi na sl.10b so našli tudi pri analizi čiste soli.Vendar se glavna stopnja dehidracije, opažena v čisti soli pri 50 °C, ni odrazila v krivuljah z uporabo veziva.Nasprotno pa je vezivna mešanica pokazala dva vrhova pri 20,2 °C in 94,1 °C, ki nista bila izmerjena za čisto sol (slika 10b).Pri temperaturi 150 °C opazovana masna razlika 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 dehidracijskih procesov.Čeprav sta se porazdelitev in oprijemljivost premaza izboljšala, so njegove lastnosti še daleč od optimalnih.
Najenostavnejši način prevleke kovinskih vlaken s tanko in enakomerno plastjo je mokra impregnacija (slika 12a), ki vključuje pripravo ciljne soli in impregnacijo kovinskih vlaken z vodno raztopino.
Pri pripravi na mokro impregnacijo naletimo na dve glavni težavi.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 strukturi (slika 12c), je mogoče zmanjšati le z znižanjem površinske napetosti in predhodnim omočenjem vzorca z destilirano vodo.Prisilno raztapljanje v vzorcu z odvajanjem zraka v strukturi ali z ustvarjanjem pretoka raztopine v strukturi so drugi učinkoviti načini za zagotovitev popolnega polnjenja strukture.
Druga težava, na katero smo naleteli med pripravo, je bila odstranitev filma z dela soli (glej sliko 12b).Za ta pojav je značilno nastajanje suhe prevleke na površini raztapljanja, ki ustavi konvektivno stimulirano sušenje in začne difuzijsko stimuliran proces.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 problem je rešen z uvedbo alternativne metode kristalizacije, ki ne temelji na spremembi koncentracije (izhlapevanje), ampak na spremembi temperature (kot v primeru z MgSO4 na sliki 13).
Shematski prikaz procesa kristalizacije pri ohlajanju in ločevanju trdne in tekoče faze z MgSO4.
Nasičene raztopine soli lahko pripravimo pri sobni temperaturi (HT) ali nad njo s to metodo.V prvem primeru je bila kristalizacija forsirana z znižanjem temperature pod sobno.V drugem primeru je do kristalizacije prišlo, ko je bil vzorec ohlajen na sobno temperaturo (RT).Rezultat je zmes kristalov (B) in raztopljenega (A), katerega tekoči del odstrani stisnjen zrak.S tem pristopom se ne samo izognemo nastanku filma na teh hidratih, ampak tudi zmanjšamo čas, potreben za pripravo drugih kompozitov.Odstranjevanje tekočine s stisnjenim zrakom pa povzroči dodatno kristalizacijo soli, kar ima za posledico debelejšo prevleko.
Druga metoda, ki se lahko uporablja za premazovanje kovinskih površin, vključuje neposredno proizvodnjo ciljnih soli s kemičnimi reakcijami.Prevlečeni izmenjevalniki toplote, izdelani z reakcijo kislin na kovinskih površinah reber in cevi, imajo številne prednosti, kot je navedeno v naši prejšnji študiji.Uporaba te metode na vlaknih je povzročila zelo slabe rezultate zaradi nastajanja plinov med reakcijo.Tlak mehurčkov vodikovega plina nastane znotraj sonde in se premakne, ko se produkt izvrže (slika 14a).
Prevleka je bila spremenjena s kemično reakcijo za boljši nadzor debeline in porazdelitve prevleke.Ta metoda vključuje prehajanje toka kisle meglice skozi vzorec (slika 14b).Pričakuje se, da bo zaradi reakcije s kovino substrata nastala enotna prevleka.Rezultati so bili zadovoljivi, vendar je bil postopek prepočasen, da bi ga lahko obravnavali kot učinkovito metodo (slika 14c).Krajši reakcijski čas je mogoče doseči z lokalnim ogrevanjem.
Za premagovanje pomanjkljivosti zgornjih metod je bila proučena metoda premazovanja, ki temelji na uporabi lepil.HEC je bil izbran na podlagi rezultatov, predstavljenih v prejšnjem razdelku.Vsi vzorci so bili pripravljeni pri 3 % mas.Vezivo zmešamo s soljo.Vlakna smo predhodno obdelali po enakem postopku kot za rebra, to je namočili v 50 % vol.v 15 minutah.žveplovo kislino, nato 20 sekund namočimo v natrijev hidroksid, speremo z destilirano vodo in nazadnje 30 minut namočimo v destilirano vodo.V tem primeru je bil pred impregnacijo dodan dodaten korak.Vzorec na kratko potopite v razredčeno ciljno raztopino soli in posušite pri približno 60 °C.Postopek je zasnovan za spreminjanje površine kovine, ustvarjanje mest nukleacije, ki izboljšajo porazdelitev prevleke v končni fazi.Vlaknasta struktura ima eno stran, kjer so filamenti tanjši in tesno zapakirani, in nasprotno stran, kjer so filamenti debelejši in manj porazdeljeni.To je rezultat 52 proizvodnih procesov.
Rezultati za kalcijev klorid (CaCl2) so povzeti in ilustrirani s slikami v tabeli 1. Dobra pokritost po inokulaciji.Celo prameni brez vidnih kristalov na površini so imeli manjše kovinske odseve, kar kaže na spremembo končne obdelave.Ko pa so bili vzorci impregnirani z vodno mešanico CaCl2 in HEC in posušeni pri temperaturi približno 60 °C, so bili nanosi koncentrirani na presečiščih struktur.To je učinek, ki ga povzroča površinska napetost raztopine.Po namakanju ostane tekočina v vzorcu zaradi površinske napetosti.V bistvu se pojavi na presečišču struktur.Najboljša stran primerka ima več lukenj, napolnjenih s soljo.Teža se je po nanosu povečala za 0,06 g/cm3.
Prevleka z magnezijevim sulfatom (MgSO4) je proizvedla več soli na prostorninsko enoto (tabela 2).V tem primeru je izmerjeni prirastek 0,09 g/cm3.Postopek sejanja je povzročil obsežno pokritost vzorcev.Po postopku premazovanja sol blokira velike površine tanke strani vzorca.Poleg tega so nekatera področja matiranja blokirana, nekaj poroznosti pa se ohrani.V tem primeru je enostavno opaziti tvorbo soli na presečišču struktur, kar potrjuje, da je postopek nanašanja v glavnem 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 nastanejo med sušenjem kot posledica izpusta pare iz vzorca.Vzorec, opažen na mat strani, je zelo podoben prejšnjemu primeru, območje je blokirano s soljo in vlakna niso popolnoma prekrita.
Da bi ovrednotili pozitiven učinek vlaknaste strukture na toplotno zmogljivost toplotnega izmenjevalnika, smo določili efektivno toplotno prevodnost prevlečene vlaknaste strukture in jo primerjali s čistim premaznim materialom.Toplotna prevodnost je bila izmerjena v skladu z ASTM D 5470-2017 z uporabo ploščate naprave, prikazane na sliki 15a, z uporabo referenčnega materiala z znano toplotno prevodnostjo.V primerjavi z drugimi prehodnimi merilnimi metodami je ta princip ugoden za porozne materiale, uporabljene v trenutni študiji, saj se meritve izvajajo v stabilnem stanju in z zadostno velikostjo vzorca (osnovna površina 30 × 30 mm2, višina približno 15 mm).Vzorce čistega premaznega materiala (referenčni) in prevlečeno strukturo vlaken smo pripravili za meritve v smeri vlakna in pravokotno na smer vlakna, da bi ocenili učinek anizotropne toplotne prevodnosti.Vzorci so bili površinsko brušeni (zrnatost P320), da se zmanjša učinek površinske hrapavosti zaradi priprave vzorca, ki ne odraža strukture v vzorcu.