Asante kwa kutembelea Nature.com. Toleo la kivinjari unachotumia lina usaidizi mdogo wa CSS. Kwa matumizi bora zaidi, tunapendekeza utumie kivinjari kilichosasishwa (au uzime Hali ya Utangamano katika Internet Explorer). Wakati huo huo, ili kuhakikisha usaidizi unaoendelea, tutatoa tovuti bila mitindo na JavaScript.
Sehemu ya soko ya mifumo ya kupoeza ya kufyonza na pampu za joto bado ni ndogo ikilinganishwa na mifumo ya kawaida ya kujazia. Licha ya faida kubwa ya kutumia joto la bei nafuu (badala ya kazi ya umeme ya gharama kubwa), utekelezaji wa mifumo kulingana na kanuni za kufyonza bado ni mdogo kwa matumizi machache maalum. Hasara kuu inayohitaji kuondolewa ni kupungua kwa nguvu maalum kutokana na upitishaji mdogo wa joto na utulivu mdogo wa kifyonza. Mifumo ya sasa ya kisasa ya kufyonza ya kibiashara inategemea vifyonzaji kulingana na vibadilishaji joto vya sahani vilivyofunikwa ili kuboresha uwezo wa kupoeza. Matokeo yanajulikana vyema kwamba kupunguza unene wa mipako husababisha kupungua kwa kizuizi cha uhamishaji wa wingi, na kuongeza uwiano wa eneo la uso hadi ujazo wa miundo ya upitishaji huongeza nguvu bila kuathiri ufanisi. Nyuzi za chuma zinazotumika katika kazi hii zinaweza kutoa eneo maalum la uso katika safu ya 2500–50,000 m2/m3. Njia tatu za kupata mipako nyembamba sana lakini thabiti ya chumvi kwenye nyuso za chuma, ikiwa ni pamoja na nyuzi za chuma, kwa ajili ya utengenezaji wa mipako zinaonyesha kwa mara ya kwanza kibadilishaji joto cha msongamano wa nguvu nyingi. Matibabu ya uso kulingana na anodizing ya alumini huchaguliwa ili kuunda uhusiano mkubwa zaidi kati ya mipako na substrate. Muundo mdogo wa uso unaotokana ulichambuliwa kwa kutumia hadubini ya elektroni ya kuchanganua. Spektroskopia ya infrared ya Fourier iliyopunguzwa na spektroskopia ya X-ray ya kutawanya nishati zilitumika kuangalia uwepo wa spishi inayohitajika katika jaribio. Uwezo wao wa kuunda hidrati ulithibitishwa na uchambuzi wa pamoja wa thermogravimetric (TGA)/uchambuzi tofauti wa thermogravimetric (DTG). Ubora duni zaidi ya 0.07 g (maji)/g (mchanganyiko) ulipatikana katika mipako ya MgSO4, ikionyesha dalili za upungufu wa maji mwilini kwa takriban 60 °C na inaweza kuzalishwa tena baada ya maji mwilini. Matokeo chanya pia yalipatikana kwa kutumia SrCl2 na ZnSO4 zenye tofauti ya uzito ya takriban 0.02 g/g chini ya 100 °C. Hydroxyethylcellulose ilichaguliwa kama nyongeza ili kuongeza uthabiti na mshikamano wa mipako. Sifa za kunyonya za bidhaa zilitathminiwa kwa kutumia TGA-DTG ya wakati mmoja na mshikamano wao ulibainishwa na mbinu kulingana na majaribio yaliyoelezwa katika ISO2409. Uthabiti na mshikamano wa mipako ya CaCl2 umeboreshwa kwa kiasi kikubwa huku ikidumisha uwezo wake wa kunyonya kwa tofauti ya uzito ya takriban 0.1 g/g kwa halijoto chini ya 100 °C. Kwa kuongezea, MgSO4 inahifadhi uwezo wa kuunda hidrati, ikionyesha tofauti ya uzito ya zaidi ya 0.04 g/g kwa halijoto chini ya 100 °C. Hatimaye, nyuzi za chuma zilizofunikwa zinachunguzwa. Matokeo yanaonyesha kuwa upitishaji joto unaofaa wa muundo wa nyuzi uliofunikwa na Al2(SO4)3 unaweza kuwa mara 4.7 zaidi ikilinganishwa na ujazo wa Al2(SO4)3 safi. Mipako ya mipako iliyochunguzwa ilichunguzwa kwa macho, na muundo wa ndani ulitathminiwa kwa kutumia picha ya hadubini ya sehemu za msalaba. Mipako ya Al2(SO4)3 yenye unene wa takriban 50 µm ilipatikana, lakini mchakato mzima lazima uboreshwe ili kufikia usambazaji sare zaidi.
Mifumo ya kunyonya imevutia umakini mkubwa katika miongo michache iliyopita kwani hutoa njia mbadala rafiki kwa mazingira kwa pampu za joto za kawaida za kubana au mifumo ya majokofu. Kwa viwango vya faraja vinavyoongezeka na wastani wa halijoto duniani, mifumo ya kunyonya inaweza kupunguza utegemezi wa mafuta ya visukuku katika siku za usoni. Zaidi ya hayo, maboresho yoyote katika majokofu ya kunyonya au pampu za joto yanaweza kuhamishiwa kwenye hifadhi ya nishati ya joto, ambayo inawakilisha ongezeko la ziada la uwezekano wa matumizi bora ya nishati ya msingi. Faida kuu ya pampu za joto za kunyonya na mifumo ya majokofu ni kwamba zinaweza kufanya kazi kwa joto la chini. Hii inazifanya zifae kwa vyanzo vya halijoto ya chini kama vile nishati ya jua au joto taka. Kwa upande wa matumizi ya kuhifadhi nishati, kunyonya kuna faida ya msongamano mkubwa wa nishati na uondoaji mdogo wa nishati ikilinganishwa na hifadhi ya joto inayofaa au iliyofichwa.
Pampu za joto za kufyonza na mifumo ya majokofu hufuata mzunguko sawa wa thermodynamic kama wenzao wa mgandamizo wa mvuke. Tofauti kuu ni uingizwaji wa vipengele vya compressor na vifyonzaji. Kipengele hiki kinaweza kufyonza mvuke wa jokofu wenye shinikizo la chini katika halijoto ya wastani, na kuyeyusha jokofu zaidi hata wakati kioevu ni baridi. Ni muhimu kuhakikisha upoezaji wa adsorber mara kwa mara ili kuondoa enthalpy ya kufyonza (exotherm). Adsorber huzaliwa upya katika halijoto ya juu, na kusababisha mvuke wa jokofu kufyonza. Kupasha joto lazima kuendelee kutoa enthalpy ya kufyonza (endothermic). Kwa sababu michakato ya kufyonza ina sifa ya mabadiliko ya halijoto, msongamano mkubwa wa nguvu unahitaji upitishaji wa juu wa joto. Hata hivyo, upitishaji wa chini wa joto ndio hasara kuu katika matumizi mengi.
Tatizo kuu la upitishaji ni kuongeza thamani yake ya wastani huku ikidumisha njia ya usafiri inayotoa mtiririko wa mvuke wa kufyonza/kufyonza. Mbinu mbili hutumiwa kwa kawaida ili kufanikisha hili: vibadilishaji joto vya mchanganyiko na vibadilishaji joto vilivyofunikwa. Vifaa vya mchanganyiko maarufu na vilivyofanikiwa zaidi ni vile vinavyotumia viongeza vinavyotokana na kaboni, yaani grafiti iliyopanuliwa, kaboni iliyoamilishwa, au nyuzi za kaboni. Oliveira et al. 2 walitia unga wa grafiti iliyopanuliwa iliyopanuliwa na kloridi ya kalsiamu ili kutoa kipeperushi chenye uwezo maalum wa kupoeza (SCP) wa hadi 306 W/kg na mgawo wa utendaji (COP) wa hadi 0.46. Zajaczkowski et al. 3 walipendekeza mchanganyiko wa grafiti iliyopanuliwa, nyuzi za kaboni na kloridi ya kalsiamu yenye upitishaji jumla wa 15 W/mK. Jian et al4 walijaribu vipeperushi vyenye grafiti asilia iliyopanuliwa iliyotibiwa na asidi ya sulfuriki (ENG-TSA) kama sehemu ndogo katika mzunguko wa kupoeza wa kufyonza wa hatua mbili. Mfano huo ulitabiri COP kutoka 0.215 hadi 0.285 na SCP kutoka 161.4 hadi 260.74 W/kg.
Kwa kiasi kikubwa suluhisho linalofaa zaidi ni kibadilisha joto kilichofunikwa. Mifumo ya mipako ya vibadilisha joto hivi inaweza kugawanywa katika makundi mawili: usanisi wa moja kwa moja na gundi. Njia iliyofanikiwa zaidi ni usanisi wa moja kwa moja, ambao unahusisha uundaji wa vifaa vya kufyonza moja kwa moja kwenye uso wa vibadilisha joto kutoka kwa vitendanishi vinavyofaa. Sotech5 imetoa hati miliki ya njia ya kusanisha zeolite iliyofunikwa kwa matumizi katika mfululizo wa vipozaji vilivyotengenezwa na Fahrenheit GmbH. Schnabel et al6 walijaribu utendaji wa zeolite mbili zilizofunikwa kwenye chuma cha pua. Hata hivyo, njia hii inafanya kazi tu na viongeza maalum, ambayo hufanya mipako yenye gundi kuwa mbadala wa kuvutia. Vifunga ni vitu visivyotumika vilivyochaguliwa kusaidia mshikamano wa sorbent na/au uhamishaji wa wingi, lakini havina jukumu lolote katika ufyonzaji au uboreshaji wa upitishaji. Freni et al. Vibadilisha joto vya alumini vilivyofunikwa na zeolite ya AQSOA-Z02 vilivyoimarishwa na kifunga cha udongo. Calabrese et al.8 walisoma utayarishaji wa mipako ya zeolite na vifunga vya polima. Ammann na wenzake 9 walipendekeza njia ya kuandaa mipako ya zeolite yenye vinyweleo kutoka kwa mchanganyiko wa sumaku wa pombe ya polivinili. Alumina (alumina) pia hutumika kama kifungashio 10 kwenye kifungashio. Kwa ufahamu wetu, selulosi na selulosi ya hydroxyethyl hutumika tu pamoja na vifungashio vya kimwili 11,12. Wakati mwingine gundi haitumiki kwa rangi, lakini hutumika kujenga muundo 13 peke yake. Mchanganyiko wa matrices ya polima ya alginate na hidrati nyingi za chumvi huunda miundo rahisi ya shanga za mchanganyiko ambayo huzuia kuvuja wakati wa kukausha na kutoa uhamishaji wa kutosha wa wingi. Udongo kama vile bentonite na attapulgite umetumika kama vifungashio kwa ajili ya maandalizi ya vifungashio 15,16,17. Ethiliseli imetumika kukumbatia kloridi ya kalsiamu 18 au sulfidi ya sodiamu 19.
Misombo yenye muundo wa chuma chenye vinyweleo inaweza kugawanywa katika vibadilisha joto vya nyongeza na vibadilisha joto vilivyofunikwa. Faida ya miundo hii ni eneo maalum la juu la uso. Hii husababisha uso mkubwa wa mguso kati ya adsorbent na chuma bila kuongezwa kwa uzito usio na kinyesi, ambayo hupunguza ufanisi wa jumla wa mzunguko wa majokofu. Lang et al. 20 wameboresha upitishaji wa jumla wa adsorber ya zeolite yenye muundo wa asali ya alumini. Gillerminot et al. 21 waliboresha upitishaji wa joto wa tabaka za zeolite za NaX zenye povu ya shaba na nikeli. Ingawa misombo hutumika kama nyenzo za mabadiliko ya awamu (PCMs), matokeo ya Li et al. 22 na Zhao et al. 23 pia yanavutia kwa kemisorption. Walilinganisha utendaji wa grafiti iliyopanuliwa na povu ya chuma na kuhitimisha kuwa ya mwisho ilikuwa bora tu ikiwa kutu haikuwa tatizo. Palomba et al. hivi karibuni walilinganisha miundo mingine yenye vinyweleo vya metali 24. Van der Pal et al. wamesoma chumvi za chuma zilizowekwa kwenye povu 25. Mifano yote ya awali inahusiana na tabaka mnene za adsorbent za chembechembe. Miundo yenye vinyweleo vya chuma haitumiki kufunika vipeperushi, ambayo ni suluhisho bora zaidi. Mfano wa kuunganishwa na zeolite unaweza kupatikana katika Wittstadt et al. 26 lakini hakuna jaribio lililofanywa la kuunganisha hidrati za chumvi licha ya msongamano wao mkubwa wa nishati 27.
Kwa hivyo, mbinu tatu za kuandaa mipako ya kunyonya zitachunguzwa katika makala haya: (1) mipako ya kunyonya, (2) mmenyuko wa moja kwa moja, na (3) matibabu ya uso. Hydroxyethylcellulose ilikuwa chaguo la kunyonya katika kazi hii kutokana na uthabiti ulioripotiwa hapo awali na mshikamano mzuri wa mipako pamoja na vinyonyaji vya kimwili. Njia hii ilichunguzwa awali kwa mipako tambarare na baadaye kutumika kwa miundo ya nyuzi za chuma. Hapo awali, uchambuzi wa awali wa uwezekano wa athari za kemikali na uundaji wa mipako ya kunyonya uliripotiwa. Uzoefu wa awali sasa unahamishiwa kwenye mipako ya miundo ya nyuzi za chuma. Matibabu ya uso uliochaguliwa kwa kazi hii ni njia inayotegemea anodizing ya alumini. Anodizing ya alumini imeunganishwa kwa mafanikio na chumvi za chuma kwa madhumuni ya urembo29. Katika visa hivi, mipako thabiti sana na inayostahimili kutu inaweza kupatikana. Hata hivyo, haiwezi kutekeleza mchakato wowote wa kunyonya au kuondoa. Karatasi hii inatoa aina tofauti ya mbinu hii ambayo inaruhusu uzito kuhamishwa kwa kutumia sifa za gundi za mchakato wa asili. Kwa ufahamu wetu bora, hakuna njia yoyote iliyoelezwa hapa ambayo imesomwa hapo awali. Zinawakilisha teknolojia mpya ya kuvutia sana kwa sababu zinaruhusu uundaji wa mipako ya kunyonya yenye maji, ambayo ina faida kadhaa ikilinganishwa na vinyonyaji vya kimwili vinavyosomwa mara kwa mara.
Sahani za alumini zilizopigwa mhuri zilizotumika kama substrates kwa majaribio haya zilitolewa na ALINVEST Břidličná, Jamhuri ya Czech. Zina alumini 98.11%, chuma 1.3622%, manganese 0.3618% na chembechembe za shaba, magnesiamu, silicon, titani, zinki, kromiamu na nikeli.
Nyenzo zilizochaguliwa kwa ajili ya utengenezaji wa mchanganyiko huchaguliwa kulingana na sifa zao za thermodynamic, yaani, kulingana na kiasi cha maji ambacho kinaweza kufyonzwa/kufyonzwa kwa halijoto chini ya 120°C.
Sulfate ya magnesiamu (MgSO4) ni mojawapo ya chumvi zenye unyevunyevu zinazovutia na zilizosomwa zaidi30,31,32,33,34,35,36,37,38,39,40,41. Sifa za thermodynamic zimepimwa kimfumo na kupatikana kuwa zinafaa kwa matumizi katika nyanja za kupoeza kwa kufyonza, pampu za joto na uhifadhi wa nishati. Sulfate kavu ya magnesiamu CAS-Nr.7487-88-9 99% (Grüssing GmbH, Filsum, Niedersachsen, Ujerumani) ilitumika.
Kloridi ya kalsiamu (CaCl2) (H319) ni chumvi nyingine iliyosomwa vizuri kwa sababu hidrati yake ina sifa za kuvutia za joto 41,42,43,44. Heksahidrati ya kloridi ya kalsiamu CAS-No. 7774-34-7 97% inayotumika (Grüssing, GmbH, Filsum, Niedersachsen, Ujerumani).
Zinki salfeti (ZnSO4) (H3O2, H318, H410) na hidrati zake zina sifa za thermodynamic zinazofaa kwa michakato ya ufyonzaji wa joto la chini45,46. Zinki salfeti heptahydrate CAS-Nr.7733-02-0 99.5% (Grüssing GmbH, Filsum, Niedersachsen, Ujerumani) ilitumika.
Kloridi ya Strontiamu (SrCl2) (H318) pia ina sifa za kuvutia za thermodynamic4,45,47 ingawa mara nyingi huchanganywa na amonia katika utafiti wa pampu ya joto ya kufyonza au uhifadhi wa nishati. Heksahidrati ya kloridi ya Strontiamu CAS-Nr.10.476-85-4 99.0–102.0% (Sigma Aldrich, St. Louis, Missouri, Marekani) ilitumika kwa usanisi.
Sulfate ya Shaba (CuSO4) (H302, H315, H319, H410) si miongoni mwa hidrati zinazopatikana mara kwa mara katika fasihi ya kitaalamu, ingawa sifa zake za thermodynamic zinavutia kwa matumizi ya halijoto ya chini48,49. Sulfate ya Shaba CAS-Nr.7758-99-8 99% (Sigma Aldrich, St. Louis, MO, Marekani) ilitumika kwa usanisi.
Kloridi ya magnesiamu (MgCl2) ni mojawapo ya chumvi zenye unyevunyevu ambazo hivi karibuni zimepewa kipaumbele zaidi katika uwanja wa uhifadhi wa nishati ya joto50,51. Heksahidrati ya kloridi ya magnesiamu CAS-Nr.7791-18-6 daraja la dawa safi (Applichem GmbH., Darmstadt, Ujerumani) ilitumika kwa majaribio hayo.
Kama ilivyotajwa hapo juu, selulosi ya hydroxyethyl ilichaguliwa kwa sababu ya matokeo chanya katika matumizi sawa. Nyenzo inayotumika katika usanisi wetu ni selulosi ya hydroxyethyl CAS-Nr 9004-62-0 (Sigma Aldrich, St. Louis, MO, Marekani).
Nyuzi za chuma hutengenezwa kwa waya mfupi zilizounganishwa pamoja kwa kubana na kuchuja, mchakato unaojulikana kama uchimbaji wa kuyeyuka kwa crucible (CME)52. Hii ina maana kwamba upitishaji wao wa joto hutegemea sio tu upitishaji wa wingi wa metali zinazotumika katika utengenezaji na unyeyushaji wa muundo wa mwisho, lakini pia ubora wa vifungo kati ya nyuzi. Nyuzi si za isotropiki na huwa zinasambazwa katika mwelekeo fulani wakati wa uzalishaji, jambo ambalo hufanya upitishaji wa joto katika mwelekeo wa kupita kuwa chini sana.
Sifa za unyonyaji wa maji zilichunguzwa kwa kutumia uchambuzi wa jotogravimetric wa wakati mmoja (TGA)/uchambuzi tofauti wa jotogravimetric (DTG) katika kifurushi cha utupu (Netzsch TG 209 F1 Libra). Vipimo vilifanywa katika angahewa ya nitrojeni inayotiririka kwa kiwango cha mtiririko wa 10 ml/dakika na kiwango cha joto kutoka 25 hadi 150°C katika vinu vya oksidi za alumini. Kiwango cha joto kilikuwa 1°C/dakika, uzito wa sampuli ulitofautiana kutoka 10 hadi 20 mg, azimio lilikuwa 0.1 μg. Katika kazi hii, ikumbukwe kwamba tofauti ya uzito kwa kila uso wa kitengo ina kutokuwa na uhakika mkubwa. Sampuli zinazotumika katika TGA-DTG ni ndogo sana na zimekatwa kwa njia isiyo ya kawaida, ambayo inafanya uamuzi wa eneo lao kuwa si sahihi. Thamani hizi zinaweza tu kuongezwa kwenye eneo kubwa ikiwa mikengeuko mikubwa itazingatiwa.
Spektri za infrared za Fourier transform infrared (ATR-FTIR) zilizopunguzwa zilipatikana kwenye spktrimita ya Bruker Vertex 80 v FTIR (Bruker Optik GmbH, Leipzig, Ujerumani) kwa kutumia kifaa cha ziada cha platinamu cha ATR (Bruker Optik GmbH, Ujerumani). Spektri za fuwele safi za almasi kavu zilipimwa moja kwa moja kwenye utupu kabla ya kutumia sampuli kama usuli wa vipimo vya majaribio. Sampuli zilipimwa kwenye utupu kwa kutumia azimio la spktri la 2 cm-1 na wastani wa idadi ya skani za 32. Nambari ya mawimbi ni kati ya 8000 hadi 500 cm-1. Uchambuzi wa spktri ulifanywa kwa kutumia programu ya OPUS.
Uchambuzi wa SEM ulifanywa kwa kutumia DSM 982 Gemini kutoka Zeiss kwa volteji za kuongeza kasi za 2 na 5 kV. Spektroskopia ya X-ray ya kutawanya nishati (EDX) ilifanywa kwa kutumia Mfumo wa Thermo Fischer 7 kwa kutumia kigunduzi cha kuteleza cha silikoni kilichopozwa cha Peltier (SSD).
Maandalizi ya sahani za chuma yalifanyika kulingana na utaratibu sawa na ule ulioelezwa katika 53. Kwanza, immerse sahani katika asidi ya sulfuriki 50%. Dakika 15. Kisha ziliingizwa kwenye myeyusho wa hidroksidi ya sodiamu 1 M kwa takriban sekunde 10. Kisha sampuli zilioshwa kwa kiasi kikubwa cha maji yaliyosafishwa, na kisha kulowekwa kwenye maji yaliyosafishwa kwa dakika 30. Baada ya matibabu ya awali ya uso, sampuli zilizamishwa kwenye myeyusho uliojaa 3%. HEC na chumvi lengwa. Hatimaye, zitoe na uzikaushe kwa 60°C.
Mbinu ya anodizing huongeza na kuimarisha safu ya oksidi asilia kwenye chuma tulivu. Paneli za alumini ziliongezwa anodi kwa asidi ya sulfuriki katika hali ngumu na kisha kufungwa kwa maji ya moto. Anodizing ilifuata uchongaji wa awali na 1 mol/l NaOH (600 s) ikifuatiwa na upunguzaji katika 1 mol/l HNO3 (60 s). Mmumunyo wa elektroliti ni mchanganyiko wa 2.3 M H2SO4, 0.01 M Al2(SO4)3, na 1 M MgSO4 + 7H2O. Anodizing ilifanywa kwa (40 ± 1)°C, 30 mA/cm2 kwa sekunde 1200. Mchakato wa kuziba ulifanyika katika myeyusho mbalimbali ya chumvi kama ilivyoelezwa katika nyenzo (MgSO4, CaCl2, ZnSO4, SrCl2, CuSO4, MgCl2). Sampuli huchemshwa ndani yake kwa sekunde 1800.
Mbinu tatu tofauti za kutengeneza mchanganyiko zimechunguzwa: mipako ya gundi, mmenyuko wa moja kwa moja, na matibabu ya uso. Faida na hasara za kila njia ya mafunzo zinachambuliwa na kujadiliwa kimfumo. Uchunguzi wa moja kwa moja, upigaji picha wa nano, na uchambuzi wa kemikali/elementi zilitumika kutathmini matokeo.
Kuongeza unyevunyevu kulichaguliwa kama njia ya matibabu ya uso wa ubadilishaji ili kuongeza mshikamano wa hidrati za chumvi. Matibabu haya ya uso huunda muundo wa vinyweleo vya alumina (alumina) moja kwa moja kwenye uso wa alumini. Kijadi, njia hii ina hatua mbili: hatua ya kwanza huunda muundo wa vinyweleo vya oksidi ya alumini, na hatua ya pili huunda mipako ya hidroksidi ya alumini ambayo hufunga vinyweleo. Zifuatazo ni njia mbili za kuzuia chumvi bila kuzuia ufikiaji wa awamu ya gesi. Ya kwanza ina mfumo wa asali kwa kutumia mirija midogo ya oksidi ya alumini (Al2O3) inayopatikana katika hatua ya kwanza ili kushikilia fuwele zinazofyonza na kuongeza mshikamano wake kwenye nyuso za chuma. Asali zinazotokana zina kipenyo cha takriban 50 na urefu wa 200 nam (Mchoro 1a). Kama ilivyotajwa hapo awali, mashimo haya kwa kawaida hufungwa katika hatua ya pili na safu nyembamba ya boehmite ya Al2O(OH)2 inayoungwa mkono na mchakato wa kuchemsha wa mirija ya alumina. Katika njia ya pili, mchakato huu wa kuziba hurekebishwa kwa njia ambayo fuwele za chumvi hukamatwa katika safu ya kufunika sawa ya boehmite (Al2O(OH)), ambayo haitumiki kwa kuziba katika kesi hii. Hatua ya pili hufanywa katika myeyusho uliojaa wa chumvi inayolingana. Mifumo iliyoelezwa ina ukubwa katika safu ya 50–100 nm na inaonekana kama matone yaliyomwagika (Mchoro 1b). Uso unaopatikana kutokana na mchakato wa kuziba una muundo wa anga uliotamkwa na eneo lililoongezeka la mguso. Muundo huu wa uso, pamoja na usanidi wao mwingi wa kuunganisha, ni bora kwa kubeba na kushikilia fuwele za chumvi. Miundo yote miwili iliyoelezwa inaonekana kuwa na vinyweleo kweli na ina mashimo madogo ambayo yanaonekana kufaa vizuri kwa kuhifadhi maji ya chumvi na kufyonza mvuke kwenye chumvi wakati wa uendeshaji wa adsorber. Hata hivyo, uchambuzi wa elementi wa nyuso hizi kwa kutumia EDX unaweza kugundua kiasi kidogo cha magnesiamu na salfa kwenye uso wa boehmite, ambazo hazigunduliki katika hali ya uso wa alumina.
ATR-FTIR ya sampuli ilithibitisha kwamba kipengele hicho kilikuwa magnesiamu salfeti (tazama Mchoro 2b). Wigo unaonyesha vilele vya ioni za salfeti katika 610–680 na 1080–1130 cm–1 na vilele vya maji vya kimiani katika 1600–1700 cm–1 na 3200–3800 cm–1 (tazama Mchoro 2a, c). ). Uwepo wa ioni za magnesiamu karibu haubadilishi wigo54.
(a) EDX ya bamba la alumini la MgSO4 lililofunikwa na boehmite, (b) Spektri za ATR-FTIR za mipako ya boehmite na MgSO4, (c) Spektri za ATR-FTIR za MgSO4 safi.
Kudumisha ufanisi wa kunyonya kulithibitishwa na TGA. Kwenye mchoro 3b inaonyesha kilele cha kunyonya cha takriban 60°C. Kilele hiki hakilingani na halijoto ya vilele viwili vilivyoonekana katika TGA ya chumvi safi (Mchoro 3a). Uwezo wa kurudia wa mzunguko wa kunyonya-kunyonya ulitathminiwa, na mkunjo huo huo ulionekana baada ya kuweka sampuli katika angahewa yenye unyevunyevu (Mchoro 3c). Tofauti zilizoonekana katika hatua ya pili ya kunyonya zinaweza kuwa matokeo ya upungufu wa maji mwilini katika angahewa inayotiririka, kwani hii mara nyingi husababisha upungufu wa maji mwilini usiokamilika. Thamani hizi zinalingana na takriban 17.9 g/m2 katika kunyonya kwa kwanza na 10.3 g/m2 katika kunyonya kwa pili.
Ulinganisho wa uchambuzi wa TGA wa boehmite na MgSO4: Uchambuzi wa TGA wa MgSO4 safi (a), mchanganyiko (b) na baada ya maji mwilini (c).
Njia hiyo hiyo ilifanywa na kloridi ya kalsiamu kama kifyonzaji. Matokeo yanawasilishwa katika Mchoro 4. Ukaguzi wa kuona wa uso ulionyesha mabadiliko madogo katika mwanga wa metali. Manyoya hayaonekani vizuri. SEM ilithibitisha uwepo wa fuwele ndogo zilizosambazwa sawasawa juu ya uso. Hata hivyo, TGA haikuonyesha upungufu wa maji mwilini chini ya 150°C. Hii inaweza kuwa kutokana na ukweli kwamba uwiano wa chumvi ni mdogo sana ikilinganishwa na uzito wote wa substrate kwa ajili ya kugunduliwa na TGA.
Matokeo ya matibabu ya uso wa mipako ya salfeti ya shaba kwa njia ya anodizing yanaonyeshwa kwenye mchoro 5. Katika hali hii, kuingizwa kwa CuSO4 katika muundo wa oksidi ya Al hakukutokea. Badala yake, sindano zilizolegea huonekana kwani hutumika sana kwa hidroksidi ya shaba Cu(OH)2 inayotumika na rangi za kawaida za zumaridi.
Matibabu ya uso uliotiwa anodi pia yalijaribiwa pamoja na kloridi ya strontiamu. Matokeo yalionyesha kuwa hakuna usawa katika kufunika uso mzima (tazama Mchoro 6a). Ili kubaini kama chumvi ilifunika uso mzima, uchambuzi wa EDX ulifanywa. Mkunjo wa nukta katika eneo la kijivu (nukta ya 1 katika Mchoro 6b) unaonyesha strontiamu kidogo na alumini nyingi. Hii inaonyesha kiwango cha chini cha strontiamu katika eneo lililopimwa, ambalo, kwa upande wake, linaonyesha kiwango cha chini cha kloridi ya strontiamu. Kinyume chake, maeneo meupe yana kiwango cha juu cha strontiamu na kiwango cha chini cha alumini (nukta 2-6 katika Mchoro 6b). Uchambuzi wa EDX wa eneo jeupe unaonyesha nukta nyeusi zaidi (nukta 2 na 4 katika Mchoro 6b), klorini kidogo na salfa nyingi. Hii inaweza kuonyesha uundaji wa strontiamu sulfate. Nukta angavu zaidi zinaonyesha kiwango cha juu cha klorini na kiwango cha chini cha salfa (nukta 3, 5, na 6 katika Mchoro 6b). Hii inaweza kuelezewa na ukweli kwamba sehemu kuu ya mipako nyeupe ina kloridi inayotarajiwa ya strontiamu. TGA ya sampuli ilithibitisha tafsiri ya uchambuzi kwa kilele katika halijoto ya tabia ya kloridi safi ya strontiamu (Mchoro 6c). Thamani yao ndogo inaweza kuhesabiwa haki kwa sehemu ndogo ya chumvi ikilinganishwa na uzito wa usaidizi wa chuma. Uzito wa kufyonza uliobainishwa katika majaribio unalingana na kiasi cha 7.3 g/m2 kilichotolewa kwa kila eneo la kiambatisho kwa joto la 150°C.
Mipako ya zinki salfeti iliyotibiwa na Eloksal pia ilijaribiwa. Kwa kutumia makroskopia, mipako hiyo ni safu nyembamba sana na sare (Mchoro 7a). Hata hivyo, SEM ilionyesha eneo la uso lililofunikwa na fuwele ndogo zilizotenganishwa na maeneo tupu (Mchoro 7b). TGA ya mipako na substrate ililinganishwa na ile ya chumvi safi (Mchoro 7c). Chumvi safi ina kilele kimoja kisicho na ulinganifu kwa 59.1°C. Alumini iliyofunikwa ilionyesha vilele viwili vidogo kwa 55.5°C na 61.3°C, ikionyesha uwepo wa hidrati ya zinki salfeti. Tofauti ya uzito iliyoonyeshwa katika jaribio inalingana na 10.9 g/m2 kwa joto la upungufu wa maji mwilini la 150°C.
Kama ilivyo katika matumizi ya awali53, selulosi ya hydroxyethyl ilitumika kama kifungashio ili kuboresha mshikamano na uthabiti wa mipako ya sorbent. Utangamano wa nyenzo na athari kwenye utendaji wa ufyonzaji ulipimwa na TGA. Uchambuzi unafanywa kuhusiana na jumla ya uzito, yaani sampuli inajumuisha bamba la chuma linalotumika kama substrate ya mipako. Mshikamano hujaribiwa kwa jaribio kulingana na jaribio la notch msalaba lililofafanuliwa katika vipimo vya ISO2409 (haiwezi kukidhi vipimo vya utengano wa notch kulingana na unene na upana wa vipimo).
Kupaka paneli na kloridi ya kalsiamu (CaCl2) (tazama Mchoro 8a) kulisababisha usambazaji usio sawa, ambao haukuonekana katika mipako safi ya alumini iliyotumika kwa jaribio la notch ya mlalo. Ikilinganishwa na matokeo ya CaCl2 safi, TGA (Mchoro 8b) inaonyesha vilele viwili vya sifa vilivyogeuzwa kuelekea halijoto ya chini ya 40 na 20°C, mtawalia. Jaribio la sehemu mtambuka haliruhusu ulinganisho wa lengo kwa sababu sampuli safi ya CaCl2 (sampuli iliyo upande wa kulia katika Mchoro 8c) ni mchirizi wa unga, ambao huondoa chembe za juu kabisa. Matokeo ya HEC yalionyesha mipako nyembamba sana na sare yenye mshikamano wa kuridhisha. Tofauti ya uzito iliyoonyeshwa katika Mchoro 8b inalingana na 51.3 g/m2 kwa kila eneo la kiambatisho kwa joto la 150°C.
Matokeo chanya katika suala la mshikamano na ulinganifu pia yalipatikana kwa kutumia magnesiamu sulfate (MgSO4) (tazama Mchoro 9). Uchambuzi wa mchakato wa kufyonza mipako ulionyesha uwepo wa kilele kimoja cha takriban 60°C. Halijoto hii inalingana na hatua kuu ya kufyonza inayoonekana katika upungufu wa maji mwilini wa chumvi safi, ikiwakilisha hatua nyingine kwa 44°C. Inalingana na mpito kutoka heksahidrati hadi pentahidrati na haionekani katika kesi ya mipako yenye vifungashio. Vipimo vya sehemu mtambuka vinaonyesha usambazaji na mshikamano ulioboreshwa ikilinganishwa na mipako iliyotengenezwa kwa kutumia chumvi safi. Tofauti ya uzito inayoonekana katika TGA-DTC inalingana na 18.4 g/m2 kwa kila eneo la kiambatisho kwa joto la 150°C.
Kutokana na makosa ya uso, kloridi ya strontiamu (SrCl2) ina mipako isiyo sawa kwenye mapezi (Mchoro 10a). Hata hivyo, matokeo ya jaribio la notch ya mlalo yalionyesha usambazaji sawa na mshikamano ulioboreshwa kwa kiasi kikubwa (Mchoro 10c). Uchambuzi wa TGA ulionyesha tofauti ndogo sana ya uzito, ambayo lazima iwe kutokana na kiwango cha chini cha chumvi ikilinganishwa na substrate ya chuma. Hata hivyo, hatua kwenye mkunjo zinaonyesha uwepo wa mchakato wa upungufu wa maji mwilini, ingawa kilele kinahusishwa na halijoto inayopatikana wakati wa kubainisha chumvi safi. Vilele vya 110°C na 70.2°C vilivyoonekana katika Michoro 10b pia vilipatikana wakati wa kuchanganua chumvi safi. Hata hivyo, hatua kuu ya upungufu wa maji mwilini iliyoonekana katika chumvi safi kwa 50°C haikuonekana katika mikunjo kwa kutumia kifaa cha kufunga. Kwa upande mwingine, mchanganyiko wa kifaa cha kufunga ulionyesha vilele viwili kwa 20.2°C na 94.1°C, ambavyo havikupimwa kwa chumvi safi (Mchoro 10b). Katika halijoto ya 150 °C, tofauti ya uzito inayoonekana inalingana na 7.2 g/m2 kwa kila eneo la kiambatisho.
Mchanganyiko wa HEC na zinki sulfate (ZnSO4) haukutoa matokeo yanayokubalika (Mchoro 11). Uchambuzi wa TGA wa chuma kilichopakwa haukuonyesha michakato yoyote ya upungufu wa maji mwilini. Ingawa usambazaji na mshikamano wa mipako umeimarika, sifa zake bado haziko katika kiwango bora.
Njia rahisi zaidi ya kupaka nyuzi za chuma safu nyembamba na sawa ni upachikaji wa maji (Mchoro 12a), ambao unajumuisha utayarishaji wa chumvi lengwa na upachikaji wa nyuzi za chuma kwa myeyusho wa maji.
Wakati wa kujiandaa kwa ajili ya upandikizaji wa maji, matatizo mawili makuu hukutana. Kwa upande mmoja, mvutano wa uso wa myeyusho wa chumvi huzuia uingizwaji sahihi wa kioevu kwenye muundo wenye vinyweleo. Fuwele kwenye uso wa nje (Mchoro 12d) na viputo vya hewa vilivyonaswa ndani ya muundo (Mchoro 12c) vinaweza kupunguzwa tu kwa kupunguza mvutano wa uso na kulowesha sampuli kabla ya maji yaliyosafishwa. Kuyeyuka kwa nguvu katika sampuli kwa kuondoa hewa ndani au kwa kuunda mtiririko wa myeyusho katika muundo ni njia zingine bora za kuhakikisha ujazo kamili wa muundo.
Tatizo la pili lililotokea wakati wa maandalizi lilikuwa ni kuondolewa kwa filamu kutoka sehemu ya chumvi (tazama Mchoro 12b). Jambo hili linaonyeshwa na uundaji wa mipako kavu kwenye uso wa kuyeyuka, ambayo huzuia kukausha kwa kuchochea msongamano na kuanza mchakato wa kuchochea uenezaji. Utaratibu wa pili ni polepole zaidi kuliko wa kwanza. Matokeo yake, halijoto ya juu inahitajika kwa muda unaofaa wa kukausha, ambao huongeza hatari ya viputo kuunda ndani ya sampuli. Tatizo hili linatatuliwa kwa kuanzisha njia mbadala ya fuwele kulingana na si mabadiliko ya mkusanyiko (uvukizi), bali mabadiliko ya halijoto (kama ilivyo katika mfano na MgSO4 kwenye Mchoro 13).
Uwakilishi wa kimfumo wa mchakato wa fuwele wakati wa kupoeza na kutenganisha awamu ngumu na kioevu kwa kutumia MgSO4.
Miyeyusho ya chumvi iliyojaa inaweza kutayarishwa kwa joto la kawaida au zaidi ya joto la kawaida (HT) kwa kutumia njia hii. Katika kesi ya kwanza, ufulishaji ulilazimishwa kwa kupunguza joto chini ya joto la kawaida. Katika kesi ya pili, ufulishaji ulitokea wakati sampuli ilipopozwa hadi joto la kawaida (RT). Matokeo yake ni mchanganyiko wa fuwele (B) na kuyeyushwa (A), sehemu yake ya kioevu huondolewa na hewa iliyoshinikizwa. Mbinu hii sio tu kwamba huepuka uundaji wa filamu kwenye hidrati hizi, lakini pia hupunguza muda unaohitajika kwa ajili ya utayarishaji wa mchanganyiko mwingine. Hata hivyo, kuondolewa kwa kioevu kwa hewa iliyoshinikizwa husababisha ufulishaji zaidi wa chumvi, na kusababisha mipako nene.
Njia nyingine ambayo inaweza kutumika kupaka nyuso za chuma inahusisha uzalishaji wa moja kwa moja wa chumvi lengwa kupitia athari za kemikali. Vibadilisha joto vilivyofunikwa vinavyotengenezwa na mmenyuko wa asidi kwenye nyuso za chuma za mapezi na mirija vina faida kadhaa, kama ilivyoripotiwa katika utafiti wetu uliopita. Matumizi ya njia hii kwenye nyuzi yalisababisha matokeo mabaya sana kutokana na uundaji wa gesi wakati wa mmenyuko. Shinikizo la viputo vya gesi ya hidrojeni hujikusanya ndani ya probe na hubadilika kadri bidhaa inavyotolewa (Mchoro 14a).
Mipako imebadilishwa kupitia mmenyuko wa kemikali ili kudhibiti vyema unene na usambazaji wa mipako. Njia hii inahusisha kupitisha mkondo wa ukungu wa asidi kupitia sampuli (Mchoro 14b). Hii inatarajiwa kusababisha mipako sare kwa mmenyuko na chuma cha msingi. Matokeo yalikuwa ya kuridhisha, lakini mchakato ulikuwa mwepesi sana kuzingatiwa kama njia bora (Mchoro 14c). Muda mfupi wa mmenyuko unaweza kupatikana kwa kupasha joto kwa njia ya ndani.
Ili kushinda hasara za mbinu zilizo hapo juu, mbinu ya mipako kulingana na matumizi ya gundi imesomwa. HEC ilichaguliwa kulingana na matokeo yaliyowasilishwa katika sehemu iliyopita. Sampuli zote zilitayarishwa kwa 3% wt. Kifungashio huchanganywa na chumvi. Nyuzi zilitibiwa mapema kulingana na utaratibu sawa na wa mbavu, yaani kulowekwa katika 50% vol. ndani ya dakika 15. asidi ya sulfuriki, kisha kulowekwa katika hidroksidi ya sodiamu kwa sekunde 20, kuoshwa katika maji yaliyosafishwa na hatimaye kulowekwa katika maji yaliyosafishwa kwa dakika 30. Katika hali hii, hatua ya ziada iliongezwa kabla ya kuingizwa. Ingiza sampuli kwa muda mfupi katika myeyusho wa chumvi lengwa iliyopunguzwa na ukauke kwa takriban 60°C. Mchakato huu umeundwa kurekebisha uso wa chuma, na kuunda maeneo ya nucleation ambayo huboresha usambazaji wa mipako katika hatua ya mwisho. Muundo wa nyuzi una upande mmoja ambapo nyuzi ni nyembamba na zimefungwa vizuri, na upande mwingine ambapo nyuzi ni nene na hazisambazwi sana. Hii ni matokeo ya michakato 52 ya utengenezaji.
Matokeo ya kloridi ya kalsiamu (CaCl2) yamefupishwa na kuonyeshwa kwa picha katika Jedwali 1. Ufuniko mzuri baada ya chanjo. Hata nyuzi zile ambazo hazikuwa na fuwele zinazoonekana juu ya uso zilikuwa na tafakari ya metali iliyopungua, ikionyesha mabadiliko katika umaliziaji. Hata hivyo, baada ya sampuli kuingizwa mchanganyiko wa maji wa CaCl2 na HEC na kukaushwa kwenye halijoto ya takriban 60°C, mipako ilijilimbikizia kwenye makutano ya miundo. Hii ni athari inayosababishwa na mvutano wa uso wa myeyusho. Baada ya kuloweka, kioevu hubaki ndani ya sampuli kutokana na mvutano wake wa uso. Kimsingi hutokea kwenye makutano ya miundo. Upande bora wa sampuli una mashimo kadhaa yaliyojazwa chumvi. Uzito uliongezeka kwa 0.06 g/cm3 baada ya mipako.
Kupaka kwa sulfate ya magnesiamu (MgSO4) kulizalisha chumvi zaidi kwa kila ujazo wa kitengo (Jedwali 2). Katika hali hii, ongezeko lililopimwa ni 0.09 g/cm3. Mchakato wa kupanda mbegu ulisababisha kufunika kwa kina sampuli. Baada ya mchakato wa mipako, chumvi huzuia maeneo makubwa ya upande mwembamba wa sampuli. Zaidi ya hayo, baadhi ya maeneo ya matte yameziba, lakini baadhi ya vinyweleo huhifadhiwa. Katika hali hii, uundaji wa chumvi huonekana kwa urahisi kwenye makutano ya miundo, ikithibitisha kwamba mchakato wa mipako unatokana hasa na mvutano wa uso wa kioevu, na si mwingiliano kati ya chumvi na substrate ya chuma.
Matokeo ya mchanganyiko wa kloridi ya strontiamu (SrCl2) na HEC yalionyesha sifa zinazofanana na mifano iliyopita (Jedwali 3). Katika hali hii, upande mwembamba wa sampuli umefunikwa karibu kabisa. Ni vinyweleo vya mtu binafsi pekee vinavyoonekana, vinavyoundwa wakati wa kukausha kutokana na kutolewa kwa mvuke kutoka kwa sampuli. Muundo unaoonekana upande usio na rangi unafanana sana na hali iliyotangulia, eneo hilo limezibwa na chumvi na nyuzi hazijafunikwa kabisa.
Ili kutathmini athari chanya ya muundo wa nyuzi kwenye utendaji wa joto wa kibadilishaji joto, upitishaji joto unaofaa wa muundo wa nyuzi uliofunikwa ulibainishwa na kulinganishwa na nyenzo safi ya mipako. Upitishaji joto ulipimwa kulingana na ASTM D 5470-2017 kwa kutumia kifaa cha paneli tambarare kilichoonyeshwa kwenye Mchoro 15a kwa kutumia nyenzo ya marejeleo yenye upitishaji joto unaojulikana. Ikilinganishwa na mbinu zingine za upimaji wa muda mfupi, kanuni hii ina faida kwa nyenzo zenye vinyweleo vinavyotumika katika utafiti wa sasa, kwa kuwa vipimo hufanywa katika hali thabiti na kwa ukubwa wa kutosha wa sampuli (eneo la msingi 30 × 30 mm2, urefu wa takriban 15 mm). Sampuli za nyenzo safi ya mipako (rejeleo) na muundo wa nyuzi iliyofunikwa zilitayarishwa kwa vipimo katika mwelekeo wa nyuzi na zikiwa sawa na mwelekeo wa nyuzi ili kutathmini athari ya upitishaji joto wa anisotropic. Sampuli zilisagwa juu ya uso (grit ya P320) ili kupunguza athari ya ukali wa uso kutokana na utayarishaji wa sampuli, ambayo haiakisi muundo ndani ya sampuli.