Nature.com'u ziyaret ettiğiniz için teşekkür ederiz.Kullanmakta olduğunuz tarayıcı sürümü sınırlı CSS desteğine sahiptir.En iyi deneyim için güncellenmiş bir tarayıcı kullanmanızı (veya Internet Explorer'da Uyumluluk Modunu devre dışı bırakmanızı) öneririz.Bu arada, sürekli destek sağlamak için siteyi stiller ve JavaScript olmadan yapacağız.
Adsorpsiyonlu soğutma sistemlerinin ve ısı pompalarının pazar payı, geleneksel kompresör sistemlerine kıyasla hala nispeten küçüktür.Ucuz ısı kullanmanın (pahalı elektrik işi yerine) büyük avantajına rağmen, adsorpsiyon ilkelerine dayalı sistemlerin uygulanması hala birkaç özel uygulama ile sınırlıdır.Ortadan kaldırılması gereken ana dezavantaj, adsorbanın düşük termal iletkenliği ve düşük kararlılığı nedeniyle özgül gücün azalmasıdır.Mevcut teknoloji harikası ticari adsorpsiyonlu soğutma sistemleri, soğutma kapasitesini optimize etmek için kaplanmış plakalı ısı eşanjörlerine dayanan adsorberlere dayanmaktadır.Sonuçlar, kaplamanın kalınlığının azaltılmasının kütle transfer empedansında bir azalmaya yol açtığı ve iletken yapıların yüzey alanının hacme oranının arttırılmasının, verimlilikten ödün vermeden gücü arttırdığı iyi bilinmektedir.Bu çalışmada kullanılan metal lifler 2500–50.000 m2/m3 aralığında spesifik yüzey alanı sağlayabilmektedir.Kaplama üretimi için metal lifler de dahil olmak üzere metal yüzeyler üzerinde çok ince fakat kararlı tuz hidrat kaplamaları elde etmeye yönelik üç yöntem, ilk kez yüksek güç yoğunluklu bir ısı eşanjörünü göstermektedir.Alüminyum anotlamaya dayalı yüzey işlemi, kaplama ile alt tabaka arasında daha güçlü bir bağ oluşturmak için seçilir.Ortaya çıkan yüzeyin mikro yapısı, taramalı elektron mikroskobu kullanılarak analiz edildi.Azaltılmış toplam yansıma Fourier dönüşümü kızılötesi spektroskopisi ve enerji dağılımlı X-ışını spektroskopisi, tahlilde istenen türlerin varlığını kontrol etmek için kullanıldı.Hidrat oluşturma yetenekleri, kombine termogravimetrik analiz (TGA)/diferansiyel termogravimetrik analiz (DTG) ile doğrulandı.MgS04 kaplamada 0,07 g (su)/g (kompozit) üzerinde düşük kalite bulundu, yaklaşık 60 °C'de dehidrasyon belirtileri gösterdi ve rehidrasyondan sonra tekrarlanabilir.100 °C'nin altında yaklaşık 0,02 g/g kütle farkı ile SrCl2 ve ZnSO4 ile de pozitif sonuçlar elde edilmiştir.Kaplamanın stabilitesini ve yapışmasını arttırmak için katkı maddesi olarak hidroksietilselüloz seçilmiştir.Ürünlerin adsorptif özellikleri, eş zamanlı TGA-DTG ile değerlendirildi ve yapışmaları, ISO2409'da açıklanan testlere dayanan bir yöntemle karakterize edildi.CaCl2 kaplamanın tutarlılığı ve yapışması, 100 °C'nin altındaki sıcaklıklarda yaklaşık 0,1 g/g ağırlık farkıyla adsorpsiyon kapasitesini korurken önemli ölçüde iyileştirilir.Ek olarak MgSO4, 100 °C'nin altındaki sıcaklıklarda 0,04 g/g'den daha fazla bir kütle farkı göstererek hidrat oluşturma yeteneğini korur.Son olarak kaplanmış metal lifler incelenir.Sonuçlar, Al2(SO4)3 ile kaplanmış fiber yapının etkin termal iletkenliğinin, saf Al2(SO4)3 hacmine kıyasla 4,7 kat daha yüksek olabileceğini göstermektedir.İncelenen kaplamaların kaplaması görsel olarak incelenmiş ve kesitlerin mikroskobik görüntüsü kullanılarak iç yapı değerlendirilmiştir.Yaklaşık 50 µm kalınlığında bir Al2(SO4)3 kaplaması elde edildi, ancak daha homojen bir dağılım elde etmek için tüm prosesin optimize edilmesi gerekiyor.
Adsorpsiyon sistemleri, geleneksel sıkıştırmalı ısı pompalarına veya soğutma sistemlerine çevre dostu bir alternatif sağladıkları için son birkaç on yılda büyük ilgi gördü.Yükselen konfor standartları ve küresel ortalama sıcaklıklar ile adsorpsiyon sistemleri yakın gelecekte fosil yakıtlara olan bağımlılığı azaltabilir.Ek olarak, adsorpsiyonlu soğutma veya ısı pompalarındaki herhangi bir gelişme, birincil enerjinin verimli kullanım potansiyelinde ek bir artışı temsil eden termal enerji depolamaya aktarılabilir.Adsorpsiyonlu ısı pompaları ve soğutma sistemlerinin temel avantajı düşük ısı kütlesi ile çalışabilmeleridir.Bu, onları güneş enerjisi veya atık ısı gibi düşük sıcaklık kaynakları için uygun hale getirir.Enerji depolama uygulamaları açısından adsorpsiyon, duyulur veya gizli ısı depolamaya kıyasla daha yüksek enerji yoğunluğu ve daha az enerji dağılımı avantajına sahiptir.
Adsorpsiyonlu ısı pompaları ve soğutma sistemleri, buhar sıkıştırmalı muadilleriyle aynı termodinamik çevrimi takip eder.Ana fark, kompresör bileşenlerinin adsorberlerle değiştirilmesidir.Eleman, düşük basınçlı soğutucu buharını orta sıcaklıklarda adsorbe edebilir ve sıvı soğukken bile daha fazla soğutucu buharlaştırabilir.Adsorpsiyon entalpisini (ekzoterm) hariç tutmak için adsorberin sürekli soğutulmasını sağlamak gerekir.Adsorber, yüksek sıcaklıkta rejenere edilerek soğutucu akışkan buharının desorbe olmasına neden olur.Isıtma, desorpsiyon entalpisini (endotermik) sağlamaya devam etmelidir.Adsorpsiyon işlemleri sıcaklık değişimleri ile karakterize edildiğinden, yüksek güç yoğunluğu, yüksek termal iletkenlik gerektirir.Bununla birlikte, düşük termal iletkenlik, çoğu uygulamada ana dezavantajdır.
İletkenliğin temel sorunu, adsorpsiyon/desorpsiyon buharlarının akışını sağlayan taşıma yolunu korurken ortalama değerini artırmaktır.Bunu başarmak için yaygın olarak iki yaklaşım kullanılır: kompozit ısı eşanjörleri ve kaplamalı ısı eşanjörleri.En popüler ve başarılı kompozit malzemeler, karbon bazlı katkı maddeleri, yani genişletilmiş grafit, aktif karbon veya karbon lifleri kullananlardır.Oliveira ve ark.2 306 W/kg'a kadar spesifik soğutma kapasitesine (SCP) ve 0,46'ya kadar performans katsayısına (COP) sahip bir adsorban üretmek için kalsiyum klorür ile emprenye edilmiş genişletilmiş grafit tozu.Zajaczkowski ve ark.3, toplam iletkenliği 15 W/mK olan genleştirilmiş grafit, karbon elyafı ve kalsiyum klorürün bir kombinasyonunu önermiştir.Jian ve arkadaşları4, iki aşamalı adsorpsiyonlu soğutma döngüsünde substrat olarak sülfürik asitle işlenmiş genişletilmiş doğal grafit (ENG-TSA) içeren kompozitleri test etti.Model, COP'u 0,215'ten 0,285'e ve SCP'yi 161,4'ten 260,74 W/kg'a tahmin etti.
Şimdiye kadar en uygun çözüm, kaplamalı ısı eşanjörüdür.Bu ısı eşanjörlerinin kaplama mekanizmaları iki kategoriye ayrılabilir: doğrudan sentez ve yapıştırıcılar.En başarılı yöntem, uygun reaktiflerden doğrudan ısı eşanjörlerinin yüzeyinde adsorbe edici malzemelerin oluşumunu içeren doğrudan sentezdir.Sotech5, Fahrenheit GmbH tarafından üretilen bir dizi soğutucuda kullanılmak üzere kaplanmış zeolitin sentezlenmesi için bir yöntemin patentini almıştır.Schnabel ve arkadaşları6 paslanmaz çelik üzerine kaplanmış iki zeolitin performansını test etti.Bununla birlikte, bu yöntem yalnızca belirli adsorbanlarla çalışır ve bu da yapışkanlarla kaplamayı ilginç bir alternatif haline getirir.Bağlayıcılar, sorbent yapışmasını ve/veya kütle transferini desteklemek için seçilen pasif maddelerdir, ancak adsorpsiyon veya iletkenlik artışında hiçbir rol oynamazlar.Freni ve ark.Kil bazlı bir bağlayıcı ile stabilize edilmiş AQSOA-Z02 zeolit ​​ile 7 kaplamalı alüminyum ısı eşanjörü.Calabrese ve arkadaşları8, polimerik bağlayıcılarla zeolit ​​kaplamaların hazırlanmasını inceledi.Ammann ve arkadaşları9, polivinil alkolün manyetik karışımlarından gözenekli zeolit ​​kaplamalar hazırlamak için bir yöntem önerdi.Adsorberde bağlayıcı 10 olarak alümina (alümina) da kullanılır.Bildiğimiz kadarıyla, selüloz ve hidroksietil selüloz yalnızca fiziksel adsorbanlar11,12ile birlikte kullanılır.Bazen yapıştırıcı boya için kullanılmaz, yapıyı 13 kendi başına inşa etmek için kullanılır.Aljinat polimer matrislerinin çoklu tuz hidratlarla kombinasyonu, kurutma sırasında sızıntıyı önleyen ve yeterli kütle aktarımı sağlayan esnek kompozit boncuk yapıları oluşturur.Bentonit ve attapuljit gibi killer, kompozitlerin15,16,17 hazırlanması için bağlayıcı olarak kullanılmıştır.Etilselüloz, kalsiyum klorür18 veya sodyum sülfidi19 mikrokapsüllemek için kullanılmıştır.
Gözenekli metal yapıya sahip kompozitler, katkılı ısı değiştiriciler ve kaplamalı ısı değiştiriciler olarak ayrılabilir.Bu yapıların avantajı, yüksek özgül yüzey alanıdır.Bu, soğutma döngüsünün genel verimliliğini azaltan, atıl bir kütle eklenmeden adsorban ile metal arasında daha geniş bir temas yüzeyi ile sonuçlanır.Lang ve ark.20, alüminyum petek yapılı bir zeolit ​​adsorberin genel iletkenliğini iyileştirmiştir.Gillerminot ve ark.21, NaX zeolit ​​tabakalarının termal iletkenliğini bakır ve nikel köpük ile iyileştirmiştir.Kompozitler faz değiştiren malzemeler (PCM'ler) olarak kullanılsa da, Li ve ark.22 ve Zhao ve ark.23 ayrıca kemisorpsiyon için de ilgi çekicidir.Genişletilmiş grafit ve metal köpüğün performansını karşılaştırdılar ve ikincisinin yalnızca korozyon sorunu yoksa tercih edilebileceği sonucuna vardılar.Palomba ve ark.yakın zamanda diğer metalik gözenekli yapıları24karşılaştırdı.Van der Pal ve ark.köpükler 25 içine gömülmüş metal tuzları üzerinde çalışmışlardır.Önceki örneklerin tümü yoğun parçacıklı adsorban katmanlarına karşılık gelir.Metal gözenekli yapılar pratikte adsorbanları kaplamak için kullanılmaz ki bu daha uygun bir çözümdür.Zeolitlere bağlanmanın bir örneği, Wittstadt ve diğ.26, ancak daha yüksek enerji yoğunluklarına 27 rağmen tuz hidratları bağlamak için hiçbir girişimde bulunulmamıştır.
Bu nedenle, bu makalede adsorban kaplamaların hazırlanmasına yönelik üç yöntem incelenecektir: (1) bağlayıcı kaplama, (2) doğrudan reaksiyon ve (3) yüzey işlemi.Hidroksietilselüloz, fiziksel adsorbanlarla kombinasyon halinde daha önce bildirilen stabilite ve iyi kaplama yapışması nedeniyle bu çalışmada tercih edilen bağlayıcı olmuştur.Bu yöntem başlangıçta düz kaplamalar için araştırılmış ve daha sonra metal fiber yapılara uygulanmıştır.Daha önce, adsorban kaplamaların oluşumu ile kimyasal reaksiyon olasılığının bir ön analizi rapor edilmişti.Önceki deneyimler artık metal fiber yapıların kaplanmasına aktarılıyor.Bu iş için seçilen yüzey işlemi alüminyum eloksal esaslı bir yöntemdir.Alüminyum anotlama, estetik amaçlar için metal tuzları ile başarılı bir şekilde birleştirilmiştir29.Bu durumlarda çok kararlı ve korozyona dayanıklı kaplamalar elde edilebilir.Ancak herhangi bir adsorpsiyon veya desorpsiyon işlemi gerçekleştiremezler.Bu makale, orijinal işlemin yapışkan özellikleri kullanılarak kütlenin hareket ettirilmesine izin veren bu yaklaşımın bir varyantını sunmaktadır.Bildiğimiz kadarıyla, burada açıklanan yöntemlerden hiçbiri daha önce çalışılmamıştır.Sıkça çalışılan fiziksel adsorbanlara göre bir takım avantajları olan hidratlı adsorban kaplamaların oluşumuna izin verdikleri için çok ilginç yeni bir teknolojiyi temsil ederler.
Bu deneyler için substrat olarak kullanılan damgalı alüminyum plakalar, Çek Cumhuriyeti'nden ALINVEST Břidličná tarafından sağlandı.%98,11 alüminyum, %1,3622 demir, %0,3618 manganez ve eser miktarda bakır, magnezyum, silikon, titanyum, çinko, krom ve nikel içerirler.
Kompozitlerin üretimi için seçilen malzemeler, termodinamik özelliklerine göre, yani 120°C'nin altındaki sıcaklıklarda adsorbe edebilecekleri/desorbe edebilecekleri su miktarına bağlı olarak seçilmektedir.
Magnezyum sülfat (MgSO4) en ilginç ve incelenen hidratlı tuzlardan biridir30,31,32,33,34,35,36,37,38,39,40,41.Termodinamik özellikler sistematik olarak ölçülmüş ve adsorpsiyonlu soğutma, ısı pompaları ve enerji depolama alanlarındaki uygulamalar için uygun bulunmuştur.Kuru magnezyum sülfat CAS-Nr.7487-88-9 %99 (Grüssing GmbH, Filsum, Niedersachsen, Almanya) kullanıldı.
Kalsiyum klorür (CaCl2) (H319), hidratının ilginç termodinamik özelliklere sahip olması nedeniyle iyi çalışılmış başka bir tuzdur41,42,43,44.Kalsiyum klorür hekzahidrat CAS-No.7774-34-7 %97 kullanılmış (Grüssing, GmbH, Filsum, Niedersachsen, Almanya).
Çinko sülfat (ZnSO4) (H3O2, H318, H410) ve hidratları, düşük sıcaklıkta adsorpsiyon prosesleri için uygun termodinamik özelliklere sahiptir45,46.Çinko sülfat heptahidrat CAS-Nr.7733-02-0 %99.5 (Grüssing GmbH, Filsum, Niedersachsen, Almanya) kullanıldı.
Stronsiyum klorür (SrCl2) (H318), adsorpsiyonlu ısı pompası veya enerji depolama araştırmalarında sıklıkla amonyakla birleştirilmesine rağmen ilginç termodinamik özelliklere4,45,47 sahiptir.Sentez için stronsiyum klorür hekzahidrat CAS-Nr.10.476-85-4 %99.0–102.0 (Sigma Aldrich, St. Louis, Missouri, ABD) kullanıldı.
Bakır sülfat (CuSO4) (H302, H315, H319, H410), termodinamik özellikleri düşük sıcaklık uygulamaları için ilgi çekici olmasına rağmen, profesyonel literatürde sıklıkla bulunan hidratlar arasında yer almaz48,49.Sentez için bakır sülfat CAS-Nr.7758-99-8 %99 (Sigma Aldrich, St. Louis, MO, ABD) kullanıldı.
Magnezyum klorür (MgCl2), son zamanlarda termal enerji depolama alanında daha fazla ilgi gören hidratlı tuzlardan biridir50,51.Deneyler için magnezyum klorür hekzahidrat CAS-Nr.7791-18-6 saf farmasötik sınıf (Applichem GmbH., Darmstadt, Almanya) kullanıldı.
Yukarıda bahsedildiği gibi, benzer uygulamalardaki olumlu sonuçlar nedeniyle hidroksietil selüloz seçilmiştir.Sentezimizde kullanılan malzeme hidroksietil selüloz CAS-Nr 9004-62-0'dır (Sigma Aldrich, St. Louis, MO, ABD).
Metal lifler, pota eriyik ekstraksiyonu (CME)52 olarak bilinen bir işlem olan sıkıştırma ve sinterleme ile birbirine bağlanan kısa tellerden yapılır.Bu, termal iletkenliklerinin yalnızca imalatta kullanılan metallerin toplu iletkenliğine ve nihai yapının gözenekliliğine değil, aynı zamanda iplikler arasındaki bağların kalitesine de bağlı olduğu anlamına gelir.Lifler izotropik değildir ve üretim sırasında belirli bir yönde dağılma eğilimindedir, bu da enine yöndeki termal iletkenliği çok daha düşük hale getirir.
Su emme özellikleri, bir vakum paketinde (Netzsch TG 209 F1 Libra) eşzamanlı termogravimetrik analiz (TGA)/diferansiyel termogravimetrik analiz (DTG) kullanılarak incelenmiştir.Ölçümler, akan nitrojen atmosferinde, 10 ml/dk akış hızında ve 25 ila 150°C sıcaklık aralığında, alüminyum oksit potalarda gerçekleştirildi.Isıtma hızı 1 °C/dak idi, numune ağırlığı 10 ila 20 mg arasında değişiyordu, çözünürlük 0.1 μg idi.Bu çalışmada, birim yüzey başına kütle farkının büyük bir belirsizliğe sahip olduğuna dikkat edilmelidir.TGA-DTG'de kullanılan numuneler çok küçük ve düzensiz kesilmiş, bu da alan tespitlerini yanlış yapıyor.Bu değerler, yalnızca büyük sapmalar dikkate alınırsa daha geniş bir alana tahmin edilebilir.
Zayıflatılmış toplam yansıma Fourier dönüşümü kızılötesi (ATR-FTIR) spektrumları, bir ATR platin aksesuarı (Bruker Optik GmbH, Almanya) kullanılarak bir Bruker Vertex 80 v FTIR spektrometresinde (Bruker Optik GmbH, Leipzig, Almanya) elde edildi.Saf kuru elmas kristallerinin spektrumları, numuneler deneysel ölçümler için bir arka plan olarak kullanılmadan önce doğrudan vakumda ölçüldü.Numuneler, 2 cm-1'lik bir spektral çözünürlük ve ortalama 32 tarama sayısı kullanılarak vakumda ölçülmüştür. Dalga sayısı aralığı 8000 ila 500 cm-1 arasındadır.OPUS programı kullanılarak spektral analiz yapıldı.
SEM analizi, 2 ve 5 kV hızlanma voltajlarında Zeiss'ten bir DSM 982 Gemini kullanılarak yapıldı.Enerji dağılımlı X-ışını spektroskopisi (EDX), Peltier soğutmalı silikon sürüklenme detektörü (SSD) ile Thermo Fischer System 7 kullanılarak yapıldı.
Metal plakaların hazırlanması, 53'te açıklanana benzer prosedüre göre gerçekleştirildi. İlk olarak, plaka %50 sülfürik asit içine daldırılır.15 dakika.Daha sonra yaklaşık 10 saniye süreyle 1 M sodyum hidroksit çözeltisine sokuldular.Daha sonra örnekler bol miktarda distile su ile yıkandı ve ardından 30 dakika distile suda bekletildi.Ön yüzey işleminden sonra numuneler %3 doymuş çözeltiye daldırıldı.HEC ve hedef tuz.Son olarak, bunları çıkarın ve 60°C'de kurutun.
Eloksal yöntemi, pasif metal üzerindeki doğal oksit tabakasını geliştirir ve güçlendirir.Alüminyum paneller, sertleştirilmiş halde sülfürik asit ile anotlandı ve daha sonra sıcak suda kapatıldı.Eloksallama, 1 mol/l NaOH (600 s) ile bir ilk aşındırmayı, ardından 1 mol/l HNO3 (60 s) içinde nötrleştirmeyi takip etti.Elektrolit solüsyonu 2,3 ​​M H2SO4, 0,01 M Al2(SO4)3 ve 1 M MgSO4 + 7H2O karışımıdır.Eloksallama (40 ± 1)°C, 30 mA/cm2'de 1200 saniye süreyle gerçekleştirildi.Sızdırmazlık işlemi, malzemelerde (MgSO4, CaCl2, ZnSO4, SrCl2, CuSO4, MgCl2) tarif edildiği gibi çeşitli tuzlu su çözeltilerinde gerçekleştirildi.Numune içinde 1800 saniye kaynatılır.
Kompozit üretmek için üç farklı yöntem araştırılmıştır: adeziv kaplama, doğrudan reaksiyon ve yüzey işleme.Her eğitim yönteminin avantajları ve dezavantajları sistematik olarak analiz edilir ve tartışılır.Sonuçları değerlendirmek için doğrudan gözlem, nanogörüntüleme ve kimyasal/element analizi kullanıldı.
Eloksal, tuz hidratların yapışmasını arttırmak için bir dönüştürme yüzey işleme yöntemi olarak seçilmiştir.Bu yüzey işlemi, doğrudan alüminyum yüzey üzerinde gözenekli bir alümina (alümina) yapısı oluşturur.Geleneksel olarak, bu yöntem iki aşamadan oluşur: ilk aşama, gözenekli bir alüminyum oksit yapısı oluşturur ve ikinci aşama, gözenekleri kapatan bir alüminyum hidroksit kaplama oluşturur.Aşağıdakiler, gaz fazına erişimi engellemeden tuzu engellemenin iki yöntemidir.Birincisi, adsorban kristallerini tutmak ve metal yüzeylere yapışmasını artırmak için birinci adımda elde edilen küçük alüminyum oksit (Al2O3) tüplerinin kullanıldığı bir petek sisteminden oluşur.Ortaya çıkan peteklerin çapı yaklaşık 50 nm ve uzunluğu 200 nm'dir (Şekil 1a).Daha önce bahsedildiği gibi, bu boşluklar genellikle ikinci bir adımda alümina tüp kaynatma işlemiyle desteklenen ince bir Al2O(OH)2 böhmit tabakasıyla kapatılır.İkinci yöntemde, bu mühürleme işlemi, tuz kristallerinin, bu durumda mühürleme için kullanılmayan, muntazam bir örtücü böhmit (Al2O(OH)) tabakasında tutulacağı şekilde modifiye edilir.İkinci aşama, karşılık gelen tuzun doymuş bir çözeltisinde gerçekleştirilir.Açıklanan desenler, 50–100 nm aralığında boyutlara sahiptir ve sıçrayan damlalara benzer (Şekil 1b).Sızdırmazlık işlemi sonucunda elde edilen yüzey, artan temas alanı ile belirgin bir uzamsal yapıya sahiptir.Bu yüzey deseni, birçok bağlama konfigürasyonuyla birlikte, tuz kristallerini taşımak ve tutmak için idealdir.Tarif edilen her iki yapı da gerçekten gözenekli görünmektedir ve adsorbe edicinin çalışması sırasında tuz hidratlarını tutmak ve buharları tuza adsorbe etmek için çok uygun görünen küçük boşluklara sahiptir.Bununla birlikte, EDX kullanılarak bu yüzeylerin elementel analizi, alümina yüzey durumunda tespit edilemeyen, böhmit yüzeyinde eser miktarda magnezyum ve kükürt tespit edebilir.
Numunenin ATR-FTIR'ı, elementin magnezyum sülfat olduğunu doğruladı (bkz. Şekil 2b).Spektrum, 610–680 ve 1080–1130 cm–1'de karakteristik sülfat iyonu tepe noktalarını ve 1600–1700 cm–1 ve 3200–3800 cm–1'de karakteristik kafes su tepe noktalarını gösterir (bkz. Şekil 2a, c).).Magnezyum iyonlarının varlığı spektrumu hemen hemen değiştirmez54.
(a) Böhmit kaplı MgS04 alüminyum levhanın EDX'i, (b) Böhmit ve MgS04 kaplamaların ATR-FTIR spektrumları, (c) saf MgS04'ün ATR-FTIR tayfları.
Adsorpsiyon etkinliğinin sürdürülmesi TGA tarafından doğrulandı.Şek.Şekil 3b, yakl.60°C.Bu tepe noktası, saf tuzun TGA'sında gözlemlenen iki tepe noktasının sıcaklığına karşılık gelmez (Şekil 3a).Adsorpsiyon-desorpsiyon döngüsünün tekrarlanabilirliği değerlendirildi ve numuneler nemli bir atmosfere yerleştirildikten sonra aynı eğri gözlendi (Şekil 3c).Desorpsiyonun ikinci aşamasında gözlemlenen farklılıklar, genellikle eksik dehidrasyona yol açtığından, akan bir atmosferdeki dehidrasyonun sonucu olabilir.Bu değerler ilk susuzlaştırmada yaklaşık 17,9 g/m2, ikinci susuzlaştırmada ise 10,3 g/m2'ye karşılık gelmektedir.
Böhmit ve MgSO4'ün TGA analizinin karşılaştırılması: Saf MgSO4 (a), karışım (b) ve rehidrasyondan sonra (c) TGA analizi.
Aynı yöntem adsorban olarak kalsiyum klorür ile gerçekleştirilmiştir.Sonuçlar Şekil 4'te sunulmaktadır. Yüzeyin görsel olarak incelenmesi, metalik parıltıda küçük değişiklikler olduğunu ortaya çıkardı.Kürk zar zor görülebilir.SEM, yüzey üzerinde eşit olarak dağılmış küçük kristallerin varlığını doğruladı.Ancak TGA, 150°C'nin altında dehidrasyon göstermedi.Bunun nedeni, tuz oranının TGA tarafından tespit için substratın toplam kütlesine kıyasla çok küçük olması olabilir.
Eloksal yöntemiyle bakır sülfat kaplamanın yüzey işleminin sonuçları şekil 2'de gösterilmektedir.5. Bu durumda, CuSO4'ün Al oksit yapısına beklenen katılımı gerçekleşmedi.Bunun yerine, tipik turkuaz boyalarla kullanılan bakır hidroksit Cu(OH)2 için yaygın olarak kullanıldıkları için gevşek iğneler gözlenir.
Eloksallı yüzey işlemi ayrıca stronsiyum klorür ile kombinasyon halinde test edildi.Sonuçlar eşit olmayan kapsama gösterdi (bkz. Şekil 6a).Tuzun tüm yüzeyi kaplayıp kaplamadığını belirlemek için bir EDX analizi yapıldı.Gri alandaki bir noktanın eğrisi (Şekil 6b'deki 1. nokta) çok az stronsiyum ve çok miktarda alüminyum gösterir.Bu, ölçülen bölgede düşük bir stronsiyum içeriğine işaret eder ve bu da düşük bir stronsiyum klorür kapsamına işaret eder.Tersine, beyaz alanlar yüksek stronsiyum içeriğine ve düşük alüminyum içeriğine sahiptir (Şekil 6b'deki 2-6 noktaları).Beyaz alanın EDX analizi, daha koyu noktalar (Şekil 6b'deki 2 ve 4 noktaları), düşük klor ve yüksek kükürt gösterir.Bu, stronsiyum sülfat oluşumunu gösterebilir.Daha parlak noktalar, yüksek klor içeriğini ve düşük kükürt içeriğini yansıtır (Şekil 6b'deki 3, 5 ve 6. noktalar).Bu, beyaz kaplamanın ana kısmının beklenen stronsiyum klorürden oluşmasıyla açıklanabilir.Numunenin TGA'sı, saf stronsiyum klorürün karakteristik sıcaklığındaki bir zirve ile analizin yorumunu doğruladı (Şekil 6c).Küçük değerleri, metal desteğin kütlesine kıyasla küçük bir tuz fraksiyonu ile haklı çıkarılabilir.Deneylerde belirlenen desorpsiyon kütlesi, 150°C sıcaklıkta adsorberin birim alanına verilen 7,3 g/m2 miktarına karşılık gelmektedir.
Eloksal ile işlenmiş çinko sülfat kaplamalar da test edilmiştir.Makroskopik olarak, kaplama çok ince ve muntazam bir tabakadır (Şekil 7a).Ancak SEM, boş alanlarla ayrılmış küçük kristallerle kaplı bir yüzey alanı ortaya çıkardı (Şekil 7b).Kaplama ve substratın TGA'sı, saf tuzunkiyle karşılaştırıldı (Şekil 7c).Saf tuzun 59.1°C'de bir asimetrik zirvesi vardır.Kaplanmış alüminyum, 55.5°C ve 61.3°C'de iki küçük tepe noktası göstererek, çinko sülfat hidratın varlığını gösterir.Deneyde ortaya çıkan kütle farkı, 150°C dehidrasyon sıcaklığında 10,9 g/m2'ye karşılık gelmektedir.
Önceki başvuruda53 olduğu gibi, emici kaplamanın yapışmasını ve stabilitesini geliştirmek için bağlayıcı olarak hidroksietil selüloz kullanılmıştır.Malzeme uyumluluğu ve adsorpsiyon performansı üzerindeki etkisi TGA ile değerlendirildi.Analiz, toplam kütleye göre gerçekleştirilir, yani numune, kaplama substratı olarak kullanılan bir metal plaka içerir.Yapışma, ISO2409 spesifikasyonunda tanımlanan çapraz çentik testine dayalı bir testle test edilir (şartnamenin kalınlığına ve genişliğine bağlı olarak çentik ayırma spesifikasyonunu karşılayamaz).
Panellerin kalsiyum klorür (CaCl2) ile kaplanması (bkz. Şekil 8a), enine çentik testi için kullanılan saf alüminyum kaplamada gözlenmeyen düzensiz dağılımla sonuçlandı.Saf CaCl2 sonuçlarıyla karşılaştırıldığında, TGA (Şekil 8b), sırasıyla 40 ve 20°C'lik daha düşük sıcaklıklara doğru kayan iki karakteristik tepe noktası gösterir.Enine kesit testi objektif bir karşılaştırmaya izin vermez çünkü saf CaCl2 numunesi (Şekil 8c'de sağdaki numune), en üstteki parçacıkları çıkaran toz halinde bir çökeltidir.HEC sonuçları, tatmin edici yapışma ile çok ince ve düzgün bir kaplama gösterdi.Şek.8b, 150°C sıcaklıkta adsorberin birim alanı başına 51,3 g/m2'ye karşılık gelir.
Magnezyum sülfat (MgSO4) ile de yapışma ve homojenlik açısından olumlu sonuçlar elde edilmiştir (bkz. Şekil 9).Kaplamanın desorpsiyon işleminin analizi, yakl.60°C.Bu sıcaklık, saf tuzların dehidrasyonunda görülen ana desorpsiyon adımına karşılık gelir ve 44°C'deki başka bir adımı temsil eder.Hekzahidrattan pentahidrata geçişe karşılık gelir ve bağlayıcılı kaplamalarda gözlenmez.Kesit testleri, saf tuz kullanılarak yapılan kaplamalara kıyasla gelişmiş dağılım ve yapışma gösterir.TGA-DTC'de gözlemlenen kütle farkı, 150°C sıcaklıkta adsorberin birim alanı başına 18,4 g/m2'ye karşılık gelmektedir.
Yüzey düzensizlikleri nedeniyle, stronsiyum klorür (SrCl2) kanatçıklar üzerinde eşit olmayan bir kaplamaya sahiptir (Şekil 10a).Bununla birlikte, enine çentik testinin sonuçları, önemli ölçüde geliştirilmiş yapışma ile düzgün dağılım gösterdi (Şekil 10c).TGA analizi, metal substrat ile karşılaştırıldığında daha düşük tuz içeriğine bağlı olması gereken ağırlıkta çok küçük bir fark gösterdi.Bununla birlikte, tepe noktası saf tuzu karakterize ederken elde edilen sıcaklıkla ilişkili olmasına rağmen, eğri üzerindeki adımlar bir dehidrasyon işleminin varlığını göstermektedir.110°C ve 70.2°C'deki pikler, Şekiller 1 ve 2'de gözlemlenmiştir.Saf tuzu analiz ederken 10b de bulundu.Ancak 50°C'de saf tuzda gözlemlenen ana dehidrasyon aşaması, bağlayıcı kullanılarak eğrilere yansımadı.Tersine, bağlayıcı karışımı 20.2°C ve 94.1°C'de saf tuz için ölçülmemiş iki tepe noktası gösterdi (Şekil 10b).150 °C sıcaklıkta gözlenen kütle farkı, adsorbanın birim alanı başına 7,2 g/m2'ye karşılık gelir.
HEC ve çinko sülfat (ZnSO4) kombinasyonu kabul edilebilir sonuçlar vermedi (Şekil 11).Kaplanmış metalin TGA analizi, herhangi bir dehidrasyon sürecini ortaya çıkarmadı.Kaplamanın dağılımı ve yapışması iyileşmiş olsa da, özellikleri hala optimal olmaktan uzaktır.
Metal lifleri ince ve düzgün bir tabaka ile kaplamanın en basit yolu, hedef tuzun hazırlanmasını ve metal liflerin sulu bir solüsyonla emprenye edilmesini içeren ıslak emdirmedir (Şekil 12a).
Yaş emprenye işlemine hazırlanırken iki ana problemle karşılaşılır.Bir yandan salin solüsyonunun yüzey gerilimi, sıvının gözenekli yapıya doğru şekilde dahil edilmesini engeller.Dış yüzeydeki kristalleşme (Şekil 12d) ve yapının içinde hapsolmuş hava kabarcıkları (Şekil 12c) yalnızca yüzey geriliminin düşürülmesi ve numunenin damıtılmış su ile önceden ıslatılmasıyla azaltılabilir.İçerideki havayı tahliye ederek veya yapıda bir çözelti akışı oluşturarak numunede zorla çözündürme, yapının tamamen dolmasını sağlamanın diğer etkili yollarıdır.
Hazırlama sırasında karşılaşılan ikinci sorun, filmin tuzun bir kısmından çıkarılmasıydı (bkz. Şekil 12b).Bu fenomen, çözünme yüzeyinde konvektif olarak uyarılan kurumayı durduran ve difüzyonla uyarılan süreci başlatan kuru bir kaplamanın oluşumu ile karakterize edilir.İkinci mekanizma birincisinden çok daha yavaştır.Sonuç olarak, makul bir kuruma süresi için yüksek sıcaklık gereklidir, bu da numune içinde kabarcık oluşma riskini artırır.Bu sorun, konsantrasyon değişikliğine (buharlaşma) değil, sıcaklık değişikliğine (Şekil 13'teki MgS04 ile örnekte olduğu gibi) dayalı alternatif bir kristalleştirme yöntemi getirilerek çözülür.
MgSO4 kullanılarak katı ve sıvı fazların soğutulması ve ayrılması sırasında kristalleşme sürecinin şematik gösterimi.
Doymuş tuz çözeltileri, bu yöntem kullanılarak oda sıcaklığında (HT) veya üzerinde hazırlanabilir.İlk durumda, kristalleşme, sıcaklığın oda sıcaklığının altına düşürülmesiyle zorlandı.İkinci durumda, numune oda sıcaklığına (RT) soğutulduğunda kristalleşme meydana geldi.Sonuç, sıvı kısmı basınçlı hava ile çıkarılan bir kristal (B) ve çözünmüş (A) karışımıdır.Bu yaklaşım sadece bu hidratlar üzerinde bir film oluşmasını önlemekle kalmaz, aynı zamanda diğer kompozitlerin hazırlanması için gereken süreyi de azaltır.Bununla birlikte, sıvının basınçlı hava ile uzaklaştırılması, tuzun daha fazla kristalleşmesine yol açarak daha kalın bir kaplamaya neden olur.
Metal yüzeyleri kaplamak için kullanılabilecek başka bir yöntem, kimyasal reaksiyonlar yoluyla hedef tuzların doğrudan üretimini içerir.Asitlerin kanatçıkların ve boruların metal yüzeylerindeki reaksiyonuyla yapılan kaplamalı ısı eşanjörleri, önceki çalışmamızda bildirildiği gibi bir takım avantajlara sahiptir.Bu yöntemin liflere uygulanması, reaksiyon sırasında gaz oluşumundan dolayı çok kötü sonuçlara yol açmıştır.Hidrojen gazı kabarcıklarının basıncı, probun içinde birikir ve ürün dışarı atılırken değişir (Şekil 14a).
Kaplama, kalınlığını ve dağılımını daha iyi kontrol etmek için kimyasal bir reaksiyon yoluyla modifiye edilmiştir.Bu yöntem, numune içinden bir asit buharı akışının geçirilmesini içerir (Şekil 14b).Bunun, substrat metali ile reaksiyona girerek düzgün bir kaplama ile sonuçlanması beklenir.Sonuçlar tatmin ediciydi, ancak süreç etkili bir yöntem olarak kabul edilemeyecek kadar yavaştı (Şekil 14c).Lokalize ısıtma ile daha kısa reaksiyon süreleri elde edilebilir.
Yukarıdaki yöntemlerin dezavantajlarının üstesinden gelmek için, yapıştırıcıların kullanımına dayalı bir kaplama yöntemi incelenmiştir.HEC, önceki bölümde sunulan sonuçlara göre seçilmiştir.Tüm numuneler ağırlıkça %3 oranında hazırlandı.Bağlayıcı tuz ile karıştırılır.Lifler, nervürlerle aynı prosedüre göre ön işleme tabi tutuldu, yani %50 hacme batırıldı.15 dakika içinde.sülfürik asit, daha sonra 20 saniye sodyum hidroksit içinde bekletildi, distile suda yıkandı ve son olarak 30 dakika distile suda ıslatıldı.Bu durumda, emprenye işleminden önce ek bir adım eklenmiştir.Numuneyi seyreltik bir hedef tuz çözeltisine kısa bir süre daldırın ve yaklaşık 60°C'de kurutun.İşlem, metalin yüzeyini değiştirmek ve son aşamada kaplamanın dağılımını iyileştiren çekirdeklenme bölgeleri oluşturmak için tasarlanmıştır.Fibröz yapı, filamentlerin daha ince ve sıkı bir şekilde toplandığı bir tarafa ve filamentlerin daha kalın ve daha az dağıldığı karşı tarafa sahiptir.Bu, 52 üretim sürecinin sonucudur.
Kalsiyum klorür (CaCl2) için sonuçlar Tablo 1'de özetlenmiş ve resimlerle gösterilmiştir. Aşılamadan sonra iyi kapsama alanı.Yüzeyinde görünür kristal olmayan şeritler bile metalik yansımaları azalttı, bu da cilada bir değişiklik olduğunu gösteriyor.Bununla birlikte, numuneler sulu bir CaCl2 ve HEC karışımı ile emprenye edildikten ve yaklaşık 60°C'lik bir sıcaklıkta kurutulduktan sonra, kaplamalar yapıların kesişme noktalarında yoğunlaşmıştır.Bu, çözeltinin yüzey geriliminden kaynaklanan bir etkidir.Islatma işleminden sonra sıvı, yüzey gerilimi nedeniyle numunenin içinde kalır.Temelde yapıların kesişme noktasında meydana gelir.Numunenin en iyi tarafı, tuzla dolu birkaç deliğe sahiptir.Kaplamadan sonra ağırlık 0,06 g/cm3 arttı.
Magnezyum sülfat (MgSO4) ile kaplama, birim hacim başına daha fazla tuz üretti (Tablo 2).Bu durumda ölçülen artış 0,09 g/cm3'tür.Tohumlama işlemi, kapsamlı numune kapsamı ile sonuçlandı.Kaplama işleminden sonra tuz, numunenin ince tarafındaki geniş alanları bloke eder.Ek olarak, örtünün bazı alanları bloke edilir, ancak bir miktar gözeneklilik korunur.Bu durumda, yapıların kesişme noktasında tuz oluşumu kolayca gözlemlenir ve bu da kaplama işleminin esas olarak sıvının yüzey geriliminden kaynaklandığını ve tuz ile metal substrat arasındaki etkileşimden kaynaklanmadığını doğrular.
Stronsiyum klorür (SrCl2) ve HEC kombinasyonu için sonuçlar önceki örneklere benzer özellikler gösterdi (Tablo 3).Bu durumda, numunenin daha ince tarafı neredeyse tamamen kaplanmıştır.Numuneden buharın salınmasının bir sonucu olarak kurutma sırasında oluşan yalnızca tek tek gözenekler görülebilir.Mat tarafta gözlenen desen bir önceki duruma çok benzer, alan tuzla bloke edilir ve lifler tamamen kaplanmaz.
Lifli yapının ısı eşanjörünün termal performansı üzerindeki olumlu etkisini değerlendirmek için kaplanmış lifli yapının etkin termal iletkenliği belirlenmiş ve saf kaplama malzemesi ile karşılaştırılmıştır.Termal iletkenlik, bilinen termal iletkenliğe sahip bir referans malzeme kullanılarak Şekil 15a'da gösterilen düz panel cihaz kullanılarak ASTM D 5470-2017'ye göre ölçülmüştür.Diğer geçici ölçüm yöntemleriyle karşılaştırıldığında, bu çalışmada kullanılan gözenekli malzemeler için bu ilke avantajlıdır, çünkü ölçümler sabit bir durumda ve yeterli bir numune boyutuyla (taban alanı 30 × 30 mm2, yükseklik yaklaşık 15 mm) gerçekleştirilir.Anizotropik termal iletkenliğin etkisini değerlendirmek için elyaf yönünde ve elyaf yönüne dik ölçümler için saf kaplama malzemesi (referans) ve kaplanmış elyaf yapısının numuneleri hazırlandı.Numune içindeki yapıyı yansıtmayan numune hazırlığından kaynaklanan yüzey pürüzlülüğünün etkisini en aza indirmek için numuneler yüzey üzerinde taşlanmıştır (P320 grit).