Nature.com'u ziyaret ettiğiniz için teşekkür ederiz. Kullandığınız 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 desteği sağlamak için siteyi stiller ve JavaScript olmadan sunacağız.
Adsorpsiyon soğutma sistemleri ve ısı pompalarının pazar payı, geleneksel kompresör sistemlerine kıyasla hala nispeten küçüktür. Ucuz ısı kullanmanın (pahalı elektrik işi yerine) büyük avantajına rağmen, adsorpsiyon prensiplerine dayalı sistemlerin uygulanması hala birkaç özel uygulama ile sınırlıdır. Ortadan kaldırılması gereken temel dezavantaj, düşük ısıl iletkenlik ve adsorbanın düşük kararlılığı nedeniyle özgül güçteki azalmadır. Günümüzdeki ticari adsorpsiyon soğutma sistemleri, soğutma kapasitesini optimize etmek için kaplanmış plakalı ısı eşanjörlerine dayalı adsorberlere dayanmaktadır. Kaplamanın kalınlığının azaltılmasının kütle transfer empedansında bir azalmaya yol açtığı ve iletken yapıların hacim oranına göre yüzey alanının artırılmasının verimlilikten ödün vermeden gücü artırdığı iyi bilinmektedir. Bu çalışmada kullanılan metal lifler 2500-50.000 m2/m3 aralığında özgül bir yüzey alanı sağlayabilir. Metal lifler de dahil olmak üzere metal yüzeylerde çok ince ama kararlı tuz hidratları kaplamaları elde etmek için üç yöntem, kaplama üretimi için ilk kez yüksek güç yoğunluklu bir ısı değiştiricisini göstermektedir. Alüminyum eloksal bazlı yüzey işlemi, kaplama ile alt tabaka arasında daha güçlü bir bağ oluşturmak için seçilmiştir. Elde edilen yüzeyin mikro yapısı taramalı elektron mikroskobu kullanılarak analiz edilmiştir. Azaltılmış toplam yansımalı Fourier dönüşümlü kızılötesi spektroskopisi ve enerji dağılımlı X-ışını spektroskopisi, deneyde istenen türlerin varlığını kontrol etmek için kullanılmıştır. Hidrat oluşturma kabiliyetleri, kombine termogravimetrik analiz (TGA)/diferansiyel termogravimetrik analiz (DTG) ile doğrulanmıştır. MgSO4 kaplamasında 0,07 g (su)/g (kompozit) üzerinde düşük kalite bulunmuş, yaklaşık 60 °C'de dehidratasyon belirtileri göstermiş ve yeniden hidratlamadan sonra tekrarlanabilir olmuştur. 100 °C'nin altında yaklaşık 0,02 g/g kütle farkı ile SrCl2 ve ZnSO4 ile de olumlu sonuçlar elde edilmiştir. Kaplamanın kararlılığını ve yapışmasını artırmak için katkı maddesi olarak hidroksietilselüloz seçilmiştir. Ürünlerin adsorptif özellikleri eş zamanlı TGA-DTG ile değerlendirilmiş ve yapışmaları ISO2409'da açıklanan testlere dayanan bir yöntemle karakterize edilmiştir. CaCl2 kaplamanın kıvamı ve yapışması, 100 °C'nin altındaki sıcaklıklarda yaklaşık 0,1 g/g ağırlık farkıyla adsorpsiyon kapasitesini korurken önemli ölçüde iyileştirilmiştir. Ek olarak, MgSO4 hidrat oluşturma yeteneğini koruyarak 100 °C'nin altındaki sıcaklıklarda 0,04 g/g'dan fazla kütle farkı göstermektedir. Son olarak, kaplanmış metal lifler incelenmiştir. Sonuçlar, Al2(SO4)3 ile kaplanmış lif yapısının etkin termal iletkenliğinin saf Al2(SO4)3 hacmine kıyasla 4,7 kat daha yüksek olabileceğini göstermektedir. İncelenen kaplamaların kaplaması görsel olarak incelenmiş ve iç yapı, enine kesitlerin mikroskobik görüntüsü kullanılarak değerlendirilmiştir. Yaklaşık 50 µm kalınlığında bir Al2(SO4)3 kaplaması elde edildi, ancak daha homojen bir dağılım elde etmek için genel sürecin optimize edilmesi gerekiyor.
Adsorpsiyon sistemleri, geleneksel sıkıştırma ısı pompaları veya soğutma sistemlerine çevre dostu bir alternatif sağladıkları için son birkaç on yılda çok fazla ilgi gördü. Artan konfor standartları ve küresel ortalama sıcaklıklarla, adsorpsiyon sistemleri yakın gelecekte fosil yakıtlara olan bağımlılığı azaltabilir. Ek olarak, adsorpsiyon soğutma veya ısı pompalarındaki herhangi bir iyileştirme, birincil enerjinin verimli kullanımı potansiyelinde ek bir artışı temsil eden termal enerji depolamasına aktarılabilir. Adsorpsiyon ısı pompaları ve soğutma sistemlerinin temel avantajı, düşük ısı kütlesiyle çalışabilmeleridir. Bu, onları güneş enerjisi veya atık ısı gibi düşük sıcaklık kaynakları için uygun hale getirir. Enerji depolama uygulamaları açısından, adsorpsiyon, duyarlı veya gizli ısı depolamasına 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. Temel fark, kompresör bileşenlerinin adsorberlerle değiştirilmesidir. Eleman, orta sıcaklıklarda düşük basınçlı soğutucu buharını adsorbe edebilir ve sıvı soğuk olsa bile daha fazla soğutucu buharlaştırabilir. Adsorpsiyon entalpisini (ekzoterm) hariç tutmak için adsorberin sürekli soğutulmasını sağlamak gerekir. Adsorber yüksek sıcaklıkta rejenerasyona uğrar ve soğutucu buharının desorbe olmasına neden olur. Desorpsiyon entalpisini (endotermik) sağlamak için ısıtma devam etmelidir. Adsorpsiyon süreçleri sıcaklık değişimleriyle karakterize edildiğinden, yüksek güç yoğunluğu yüksek termal iletkenlik gerektirir. Ancak, düşük termal iletkenlik çoğu uygulamada açık ara en büyük dezavantajdır.
İletkenliğin temel sorunu, adsorpsiyon/desorpsiyon buharlarının akışını sağlayan taşıma yolunu korurken ortalama değerini artırmaktır. Bunu başarmak için genellikle iki yaklaşım kullanılır: kompozit ısı eşanjörleri ve kaplamalı ısı eşanjörleri. En popüler ve başarılı kompozit malzemeler, karbon bazlı katkı maddeleri kullananlardır, yani genişletilmiş grafit, aktif karbon veya karbon lifleri. Oliveira vd. 2 genişletilmiş grafit tozunu kalsiyum klorür ile emdirerek özgül soğutma kapasitesi (SCP) 306 W/kg'a kadar ve performans katsayısı (COP) 0,46'ya kadar olan bir adsorber üretti. Zajaczkowski vd. 3 toplam iletkenliği 15 W/mK olan genişletilmiş grafit, karbon lifi ve kalsiyum klorür kombinasyonunu önerdi. Jian vd.4 iki aşamalı bir adsorpsiyon soğutma döngüsünde substrat olarak sülfürik asitle işlenmiş genişletilmiş doğal grafit (ENG-TSA) içeren kompozitleri test etti. Model, COP'yi 0,215 ila 0,285, SCP'yi ise 161,4 ila 260,74 W/kg arasında tahmin etti.
Şimdiye kadarki en uygulanabilir çözüm kaplamalı ısı değiştiricidir. Bu ısı değiştiricilerin kaplama mekanizmaları iki kategoriye ayrılabilir: doğrudan sentez ve yapıştırıcılar. En başarılı yöntem, uygun reaktiflerden doğrudan ısı değiştiricilerin yüzeyinde adsorbe edici malzemelerin oluşumunu içeren doğrudan sentezdir. Sotech5, Fahrenheit GmbH tarafından üretilen bir dizi soğutucuda kullanılmak üzere kaplamalı zeolit ​​sentezleme yöntemi için patent almıştır. Schnabel ve arkadaşları6, paslanmaz çeliğe kaplanmış iki zeolitin performansını test etmiştir. Ancak, bu yöntem yalnızca belirli adsorbanlarla çalışır ve bu da yapıştırıcılarla 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 arkadaşları. 7 kil bazlı bir bağlayıcı ile stabilize edilmiş AQSOA-Z02 zeolitli kaplamalı alüminyum ısı değiştiriciler. Calabrese ve arkadaşları8, polimerik bağlayıcılarla zeolit ​​kaplamalarının hazırlanmasını incelemiştir. Ammann ve ark.9, polivinil alkolün manyetik karışımlarından gözenekli zeolit ​​kaplamalar hazırlamak için bir yöntem önerdi. Alümina (alümina) ayrıca adsorberde bağlayıcı 10 olarak kullanılır. Bildiğimiz kadarıyla, selüloz ve hidroksietil selüloz yalnızca fiziksel adsorbanlarla birlikte kullanılır11,12. Bazen tutkal boya için kullanılmaz, ancak yapı 13'ü kendi başına oluşturmak için kullanılır. Aljinat polimer matrislerinin çoklu tuz hidratlarıyla kombinasyonu, kurutma sırasında sızıntıyı önleyen ve yeterli kütle transferi sağlayan esnek kompozit boncuk yapıları oluşturur. Bentonit ve atapulgit gibi killer, kompozitlerin hazırlanmasında bağlayıcı olarak kullanılmıştır15,16,17. Etilselüloz, kalsiyum klorür18 veya sodyum sülfürü19 mikrokapsüllemek için kullanılmıştır.
Gözenekli metal yapıya sahip kompozitler, katkılı ısı değiştiriciler ve kaplamalı ısı değiştiriciler olarak ikiye ayrılabilir. Bu yapıların avantajı yüksek özgül yüzey alanıdır. Bu, inert bir kütle eklenmeden adsorban ve metal arasında daha büyük bir temas yüzeyi ile sonuçlanır ve bu da soğutma döngüsünün genel verimliliğini azaltır. Lang ve arkadaşları 20, alüminyum petek yapılı bir zeolit ​​adsorbanının genel iletkenliğini iyileştirmiştir. Gillerminot ve arkadaşları 21, bakır ve nikel köpüklü NaX zeolit ​​katmanlarının termal iletkenliğini iyileştirmiştir. Kompozitler faz değişim malzemeleri (PCM'ler) olarak kullanılmasına rağmen, Li ve arkadaşlarının 22 ve Zhao ve arkadaşlarının 23 bulguları da kemisorpsiyon için ilgi çekicidir. Genişletilmiş grafit ve metal köpüğün performansını karşılaştırdılar ve ikincisinin yalnızca korozyon sorun değilse tercih edilebilir olduğu sonucuna vardılar. Palomba ve arkadaşları yakın zamanda diğer metalik gözenekli yapıları karşılaştırdılar24. Van der Pal ve arkadaşları köpüklere gömülü metal tuzlarını incelediler25 . Önceki tüm örnekler, partikül adsorbanların yoğun katmanlarına karşılık gelir. Metal gözenekli yapılar, adsorbanları kaplamak için pratik olarak kullanılmaz, bu daha optimum bir çözümdür. Zeolitlere bağlanmanın bir örneği Wittstadt ve ark.'da bulunabilir 26 ancak daha yüksek enerji yoğunluklarına rağmen tuz hidratlarını bağlamak için hiçbir girişimde bulunulmamıştır 27 .
Bu nedenle, bu makalede adsorban kaplamalar hazırlamak için üç yöntem incelenecektir: (1) bağlayıcı kaplama, (2) doğrudan reaksiyon ve (3) yüzey işlemi. Hidroksietilselüloz, daha önce bildirilen kararlılığı ve fiziksel adsorbanlarla kombinasyon halinde iyi kaplama yapışması nedeniyle bu çalışmada tercih edilen bağlayıcıydı. Bu yöntem başlangıçta düz kaplamalar için araştırılmış ve daha sonra metal elyaf yapılarına uygulanmıştır. Daha önce, adsorban kaplamaların oluşumuyla kimyasal reaksiyonların olasılığının ön analizi rapor edilmiştir. Önceki deneyimler artık metal elyaf yapıların kaplanmasına aktarılmaktadır. Bu çalışma için seçilen yüzey işlemi, alüminyum anodize etmeye dayalı bir yöntemdir. Alüminyum anodize, estetik amaçlar için metal tuzlarıyla 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 özelliklerini kullanarak kütlenin hareket ettirilmesine izin veren bu yaklaşımın bir çeşidini sunmaktadır. Bildiğimiz kadarıyla, burada açıklanan yöntemlerin hiçbiri daha önce incelenmemiştir. Bunlar, sıklıkla incelenen fiziksel adsorbanlara kıyasla bir dizi avantaja sahip olan hidratlı adsorban kaplamaların oluşumuna izin verdikleri için oldukça ilginç yeni bir teknolojiyi temsil etmektedir.
Bu deneyler için alt tabaka olarak kullanılan damgalı alüminyum plakalar Çek Cumhuriyeti'ndeki ALINVEST Břidličná tarafından sağlanmıştır. %98,11 alüminyum, %1,3622 demir, %0,3618 manganez ve eser miktarda bakır, magnezyum, silikon, titanyum, çinko, krom ve nikel içerirler.
Kompozitlerin üretiminde seçilen malzemeler termodinamik özelliklerine göre, yani 120°C’nin altındaki sıcaklıklarda adsorbe/desorbe edebildiği su miktarına göre seçilmektedir.
Magnezyum sülfat (MgSO4) en ilgi çekici ve çalışılmış hidratlı tuzlardan biridir30,31,32,33,34,35,36,37,38,39,40,41. Termodinamik özellikler sistematik olarak ölçülmüştür ve adsorpsiyon soğutma, ısı pompaları ve enerji depolama alanlarındaki uygulamalar için uygun olduğu bulunmuştur. Kuru magnezyum sülfat CAS-Nr.7487-88-9 %99 (Grüssing GmbH, Filsum, Niedersachsen, Almanya) kullanılmıştır.
Kalsiyum klorür (CaCl2) (H319) iyi çalışılmış bir diğer tuzdur çünkü hidratı ilginç termodinamik özelliklere sahiptir41,42,43,44. Kalsiyum klorür hekzahidrat CAS-No. 7774-34-7 %97 kullanılmıştır (Grüssing, GmbH, Filsum, Niedersachsen, Almanya).
Çinko sülfat (ZnSO4) (H3O2, H318, H410) ve hidratları düşük sıcaklık 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) de ilginç termodinamik özelliklere sahiptir4,45,47 ancak adsorpsiyonlu ısı pompası veya enerji depolama araştırmalarında sıklıkla amonyakla birleştirilir. Sentez için stronsiyum klorür hekzahidrat CAS-Nr.10.476-85-4 %99,0–102,0 (Sigma Aldrich, St. Louis, Missouri, ABD) kullanılmıştır.
Bakır sülfat (CuSO4) (H302, H315, H319, H410) profesyonel literatürde sıklıkla bulunan hidratlar arasında değildir, ancak termodinamik özellikleri düşük sıcaklık uygulamaları için ilgi çekicidir48,49. 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 saf farmasötik sınıf magnezyum klorür hekzahidrat CAS-Nr.7791-18-6 (Applichem GmbH., Darmstadt, Almanya) kullanıldı.
Yukarıda belirtildiği gibi, benzer uygulamalardaki olumlu sonuçlar nedeniyle hidroksietil selüloz seçildi. Sentezimizde kullanılan malzeme hidroksietil selüloz CAS-Nr 9004-62-0'dır (Sigma Aldrich, St. Louis, MO, ABD).
Metal lifler, sıkıştırma ve sinterleme ile birbirine bağlanmış kısa tellerden yapılır, bu da pota eriyik ekstraksiyonu (CME)52 olarak bilinen bir işlemdir. Bu, termal iletkenliklerinin yalnızca üretimde 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 emilim özellikleri vakum paketinde (Netzsch TG 209 F1 Libra) eş zamanlı termogravimetrik analiz (TGA)/diferansiyel termogravimetrik analiz (DTG) kullanılarak araştırıldı. Ölçümler, 10 ml/dk akış hızı ve 25 ila 150 °C sıcaklık aralığında alüminyum oksit potalarda akan bir azot atmosferinde gerçekleştirildi. Isıtma hızı 1 °C/dk, numune ağırlığı 10 ila 20 mg arasında değişti, 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 kesilmiştir, bu da alan belirlemelerini yanlış hale getirir. Bu değerler yalnızca büyük sapmalar hesaba katılırsa daha büyük bir alana ekstrapole edilebilir.
Zayıflatılmış toplam yansımalı Fourier dönüşümlü kızılötesi (ATR-FTIR) spektrumları, bir ATR platin aksesuarı (Bruker Optik GmbH, Almanya) kullanılarak bir Bruker Vertex 80 v FTIR spektrometresi (Bruker Optik GmbH, Leipzig, Almanya) üzerinde 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 32'lik ortalama tarama sayısı kullanılarak vakumda ölçüldü. Dalga sayısı aralığı 8000 ila 500 cm-1. Spektral analiz OPUS programı kullanılarak gerçekleştirildi.
SEM analizi, 2 ve 5 kV'luk hızlandırma voltajlarında Zeiss'tan bir DSM 982 Gemini kullanılarak gerçekleştirildi. Enerji dağılımlı X-ışını spektroskopisi (EDX), Peltier soğutmalı silikon sürüklenme dedektörü (SSD) içeren bir Thermo Fischer System 7 kullanılarak gerçekleştirildi.
Metal plakaların hazırlanması 53'te açıklanan prosedüre benzer şekilde gerçekleştirildi. Önce plakayı %50 sülfürik aside daldırın. 15 dakika. Sonra yaklaşık 10 saniye boyunca 1 M sodyum hidroksit çözeltisine daldırıldılar. Sonra numuneler büyük miktarda damıtılmış suyla yıkandı ve sonra 30 dakika boyunca damıtılmış suya batırıldı. Ön yüzey işleminden sonra numuneler %3 doymuş bir çözeltiye daldırıldı. HEC ve hedef tuz. Son olarak, çıkarın ve 60°C'de kurutun.
Eloksal yöntemi pasif metal üzerindeki doğal oksit tabakasını güçlendirir ve kuvvetlendirir. Alüminyum paneller sertleştirilmiş halde sülfürik asitle eloksallanmış ve daha sonra sıcak suda kapatılmıştır. Eloksal, 1 mol/l NaOH (600 s) ile ilk aşındırmayı ve ardından 1 mol/l HNO3 (60 s) ile nötrleştirmeyi takip etmiştir. Elektrolit çözeltisi 2,3 M H2SO4, 0,01 M Al2(SO4)3 ve 1 M MgSO4 + 7H2O karışımıdır. Eloksal, (40 ± 1) °C, 30 mA/cm2'de 1200 saniye boyunca gerçekleştirilmiştir. Sızdırmazlık işlemi, malzemelerde (MgSO4, CaCl2, ZnSO4, SrCl2, CuSO4, MgCl2) açıklandığı gibi çeşitli tuzlu su çözeltilerinde gerçekleştirilmiştir. Numune 1800 saniye boyunca içinde kaynatılmıştır.
Kompozit üretmek için üç farklı yöntem araştırılmıştır: yapıştırıcı kaplama, doğrudan reaksiyon ve yüzey işlemi. Her eğitim yönteminin avantajları ve dezavantajları sistematik olarak analiz edilmiş ve tartışılmıştır. Sonuçları değerlendirmek için doğrudan gözlem, nanogörüntüleme ve kimyasal/elementel analiz kullanılmıştır.
Eloksal, tuz hidratlarının yapışmasını artırmak için bir dönüşüm yüzey işleme yöntemi olarak seçildi. Bu yüzey işlemi, doğrudan alüminyum yüzeyinde gözenekli bir alümina (alümina) yapısı oluşturur. Geleneksel olarak, bu yöntem iki aşamadan oluşur: ilk aşama alüminyum oksitten gözenekli bir yapı oluşturur ve ikinci aşama gözenekleri kapatan bir alüminyum hidroksit kaplaması oluşturur. Aşağıda, gaz fazına erişimi engellemeden tuzu engellemenin iki yöntemi bulunmaktadır. İlki, adsorban kristalleri tutmak ve metal yüzeylere yapışmasını artırmak için ilk adımda elde edilen küçük alüminyum oksit (Al2O3) tüpleri kullanan bir petek sisteminden oluşur. Elde edilen peteklerin çapı yaklaşık 50 nm ve uzunluğu 200 nm'dir (Şekil 1a). Daha önce belirtildiği gibi, bu boşluklar genellikle ikinci adımda alümina tüp kaynatma işlemiyle desteklenen ince bir Al2O(OH)2 boehmit tabakasıyla kapatılır. İkinci yöntemde, bu sızdırmazlık işlemi, tuz kristallerinin bu durumda sızdırmazlık için kullanılmayan, düzgün bir şekilde kaplayan bir boehmit (Al2O(OH)) tabakasında yakalanması için değiştirilir. İkinci aşama, karşılık gelen tuzun doymuş bir çözeltisinde gerçekleştirilir. Açıklanan desenler, 50-100 nm aralığında boyutlara sahiptir ve sıçrayan damlalara benzer (Şekil 1b). Sızdırmazlık işleminin bir sonucu olarak elde edilen yüzey, artırılmış bir temas alanına sahip belirgin bir mekansal yapıya sahiptir. Bu yüzey deseni, birçok bağlanma yapılandırmasıyla birlikte, tuz kristallerini taşımak ve tutmak için idealdir. Açıklanan her iki yapı da gerçekten gözenekli görünmektedir ve adsorberin çalışması sırasında tuz hidratlarını tutmak ve buharları tuza adsorbe etmek için çok uygun görünen küçük boşluklara sahiptir. Ancak, bu yüzeylerin EDX kullanılarak element analizi, bir alümina yüzey durumunda tespit edilmeyen boehmit yüzeyinde eser miktarda magnezyum ve kükürt tespit edebilir.
Örneğin ATR-FTIR'si elementin magnezyum sülfat olduğunu doğruladı (bkz. Şekil 2b). Spektrum, 610–680 ve 1080–1130 cm–1'de karakteristik sülfat iyon pikleri ve 1600–1700 cm–1 ve 3200–3800 cm–1'de karakteristik kafes su pikleri gösteriyor (bkz. Şekil 2a, c). Magnezyum iyonlarının varlığı spektrumu neredeyse hiç değiştirmiyor54.
(a) Böhmit kaplı MgSO4 alüminyum levhanın EDX'i, (b) Böhmit ve MgSO4 kaplamaların ATR-FTIR spektrumları, (c) Saf MgSO4'ün ATR-FTIR spektrumları.
Adsorpsiyon verimliliğinin sürdürülmesi TGA ile doğrulandı. Şekil 3b'de yaklaşık 60°C'lik bir desorpsiyon piki gösterilmektedir. Bu pik, saf tuzun TGA'sında gözlenen iki pikin sıcaklığına karşılık gelmemektedir (Şekil 3a). Adsorpsiyon-desorpsiyon döngüsünün tekrarlanabilirliği değerlendirildi ve numuneler nemli bir atmosfere yerleştirildikten sonra aynı eğri gözlendi (Şekil 3c). Desorpsiyonun ikinci aşamasında gözlenen farklılıklar, genellikle eksik dehidratasyona yol açtığı için akan bir atmosferde dehidratasyonun sonucu olabilir. Bu değerler, ilk susuzlaştırmada yaklaşık 17,9 g/m2 ve ikinci susuzlaştırmada 10,3 g/m2'ye karşılık gelmektedir.
Böhmit ve MgSO4'ün TGA analizinin karşılaştırılması: Saf MgSO4'ün (a), karışımın (b) ve rehidratasyondan sonra (c) TGA analizi.
Aynı yöntem adsorban olarak kalsiyum klorür ile gerçekleştirildi. Sonuçlar Şekil 4'te sunulmuştur. Yüzeyin görsel incelemesi metalik parıltıda küçük değişiklikler olduğunu gösterdi. Kürk neredeyse görünmüyor. SEM, yüzeyde eşit şekilde dağılmış küçük kristallerin varlığını doğruladı. Ancak TGA, 150°C'nin altında hiçbir dehidratasyon göstermedi. Bunun nedeni, tuz oranının TGA tarafından tespit edilemeyecek kadar düşük olması olabilir.
Bakır sülfat kaplamanın anodize yöntemi ile yüzey işleminin sonuçları şekil 5'te gösterilmiştir. Bu durumda, CuSO4'ün Al oksit yapısına beklenen katılımı gerçekleşmemiştir. Bunun yerine, tipik turkuaz boyalarla kullanılan bakır hidroksit Cu(OH)2 için yaygın olarak kullanılan gevşek iğneler gözlemlenmiştir.
Eloksallı yüzey işlemi stronsiyum klorür ile birlikte de test edildi. Sonuçlar eşit olmayan bir kaplama gösterdi (bkz. Şekil 6a). Tuzun tüm yüzeyi kaplayıp kaplamadığını belirlemek için bir EDX analizi yapıldı. Gri alandaki bir noktanın eğrisi (Şekil 6b'deki nokta 1) az stronsiyum ve çok fazla alüminyum gösteriyor. Bu, ölçülen bölgede düşük bir stronsiyum içeriği olduğunu ve bu da düşük bir stronsiyum klorür kaplaması olduğunu gösteriyor. Tersine, beyaz alanlar yüksek bir stronsiyum içeriğine ve düşük bir alüminyum içeriğine sahiptir (Şekil 6b'deki noktalar 2–6). Beyaz alanın EDX analizi daha koyu noktalar (Şekil 6b'deki noktalar 2 ve 4), düşük klor ve yüksek kükürt gösteriyor. Bu, stronsiyum sülfat oluşumunu gösterebilir. Daha parlak noktalar yüksek klor içeriğini ve düşük kükürt içeriğini yansıtır (Şekil 6b'deki noktalar 3, 5 ve 6). Bu, beyaz kaplamanın ana kısmının beklenen stronsiyum klorürden oluşmasıyla açıklanabilir. Numunenin TGA'sı, saf stronsiyum klorürün karakteristik sıcaklığında bir tepe ile analizin yorumlanmasını doğruladı (Şekil 6c). Küçük değerleri, metal desteğin kütlesine kıyasla küçük bir tuz kesri ile haklı çıkarılabilir. Deneylerde belirlenen desorpsiyon kütlesi, 150°C sıcaklıkta adsorbanın birim alanı başına verilen 7,3 g/m2 miktarına karşılık gelir.
Eloksal ile işlenmiş çinko sülfat kaplamalar da test edildi. Makroskopik olarak, kaplama çok ince ve düzgün bir tabakadır (Şekil 7a). Ancak SEM, boş alanlarla ayrılmış küçük kristallerle kaplı bir yüzey alanı ortaya koydu (Şekil 7b). Kaplamanın ve substratın TGA'sı saf tuzunkiyle karşılaştırıldı (Şekil 7c). Saf tuzun 59,1°C'de bir asimetrik tepesi vardır. Kaplanmış alüminyum, 55,5°C ve 61,3°C'de iki küçük tepe gösterdi ve bu da çinko sülfat hidratının varlığını gösterdi. Deneyde ortaya çıkan kütle farkı, 150°C'lik bir dehidratasyon sıcaklığında 10,9 g/m2'ye karşılık gelir.
Önceki başvuruda53 olduğu gibi, sorbent kaplamanın yapışmasını ve kararlılığını iyileştirmek için bağlayıcı olarak hidroksietil selüloz kullanılmıştır. Malzeme uyumluluğu ve adsorpsiyon performansı üzerindeki etkisi TGA ile değerlendirilmiştir. Analiz toplam kütleye göre gerçekleştirilmiştir, yani numune kaplama alt tabakası olarak kullanılan bir metal plakayı içermektedir. Yapışma, ISO2409 spesifikasyonunda tanımlanan çapraz çentik testine dayalı bir testle test edilir (spesifikasyon kalınlığına ve genişliğine bağlı olarak çentik ayırma spesifikasyonunu karşılayamaz).
Panellerin kalsiyum klorür (CaCl2) ile kaplanması (bkz. Şekil 8a), enine çentik testinde kullanılan saf alüminyum kaplamada gözlenmeyen eşit olmayan bir dağılıma neden oldu. Saf CaCl2 sonuçlarıyla karşılaştırıldığında, TGA (Şekil 8b), sırasıyla 40 ve 20 °C'lik daha düşük sıcaklıklara doğru kayan iki karakteristik tepe noktası göstermektedir. Kesit testi, saf CaCl2 numunesinin (Şekil 8c'de sağdaki numune) en üstteki parçacıkları uzaklaştıran toz halinde bir çökelti olması nedeniyle nesnel bir karşılaştırmaya izin vermemektedir. HEC sonuçları, tatmin edici yapışma ile çok ince ve düzgün bir kaplama göstermiştir. Şekil 8b'de gösterilen kütle farkı, 150 °C'lik bir sıcaklıkta adsorbanın birim alanı başına 51,3 g/m2'ye karşılık gelmektedir.
Magnezyum sülfat (MgSO4) ile de yapışma ve homojenlik açısından olumlu sonuçlar elde edilmiştir (bkz. Şekil 9). Kaplamanın desorpsiyon sürecinin analizi, yaklaşık 60 °C'lik bir tepe noktasının varlığını göstermiştir. Bu sıcaklık, saf tuzların dehidratasyonunda görülen ana desorpsiyon adımına karşılık gelir ve 44 °C'de başka bir adımı temsil eder. Hekzahidrattan pentahidrata geçişe karşılık gelir ve bağlayıcılı kaplamalarda gözlenmez. Kesit testleri, saf tuz kullanılarak yapılan kaplamalara kıyasla iyileştirilmiş dağılım ve yapışma göstermektedir. TGA-DTC'de gözlenen kütle farkı, 150 °C'lik bir sıcaklıkta adsorbanın birim alanı başına 18,4 g/m2'ye karşılık gelir.
Stronsiyum klorür (SrCl2) yüzey düzensizlikleri nedeniyle kanatçıklar üzerinde düzensiz bir kaplamaya sahiptir (Şekil 10a). Ancak, enine çentik testinin sonuçları önemli ölçüde iyileştirilmiş yapışma ile düzgün dağılım gösterdi (Şekil 10c). TGA analizi, metal alt tabaka ile karşılaştırıldığında daha düşük tuz içeriğinden kaynaklanması gereken çok küçük bir ağırlık farkı gösterdi. Ancak, eğrideki adımlar, tepe noktası saf tuzu karakterize ederken elde edilen sıcaklıkla ilişkili olmasına rağmen, bir dehidratasyon sürecinin varlığını göstermektedir. Şekil 10b'de gözlemlenen 110°C ve 70,2°C'deki tepe noktaları, saf tuzu analiz ederken de bulundu. Ancak, 50°C'de saf tuzda gözlemlenen ana dehidratasyon adımı, bağlayıcı kullanılarak eğrilere yansıtılmadı. Bunun aksine, bağlayıcı karışımı, saf tuz için ölçülmeyen 20,2°C ve 94,1°C'de iki tepe noktası gösterdi (Şekil 10b). 150 °C sıcaklıkta gözlenen kütle farkı, adsorbanın birim alanı başına 7,2 g/m2'ye karşılık gelmektedir.
HEC ve çinko sülfat (ZnSO4) kombinasyonu kabul edilebilir sonuçlar vermedi (Şekil 11). Kaplanan metalin TGA analizi herhangi bir dehidratasyon süreci ortaya koymadı. Kaplamanın dağılımı ve yapışması iyileşmiş olsa da özellikleri hala optimumdan uzaktır.
Metal lifleri ince ve homojen bir tabaka ile kaplamanın en basit yolu, hedef tuzun hazırlanmasını ve metal liflerin sulu bir çözelti ile emprenye edilmesini içeren ıslak emdirmedir (Şekil 12a).
Islak emdirme için hazırlık yaparken iki ana sorunla karşılaşılır. Bir yandan, tuzlu çözeltinin 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 gerilimini düşürerek ve numuneyi damıtılmış suyla önceden ıslatarak azaltılabilir. İçerideki havayı boşaltarak veya yapıda bir çözelti akışı oluşturarak numunede zorla çözünme, yapının tamamen dolmasını sağlamanın diğer etkili yollarıdır.
Hazırlık sırasında karşılaşılan ikinci sorun, tuzun bir kısmından filmin çıkarılmasıydı (bkz. Şekil 12b). Bu olgu, çözünme yüzeyinde kuru bir kaplamanın oluşmasıyla karakterize edilir, bu da konvektif olarak uyarılan kurumayı durdurur ve difüzyonla uyarılan işlemi başlatır. İkinci mekanizma, birincisinden çok daha yavaştır. Sonuç olarak, makul bir kurutma süresi için yüksek bir sıcaklık gerekir, bu da numunenin içinde kabarcık oluşma riskini artırır. Bu sorun, konsantrasyon değişikliğine (buharlaşma) değil, sıcaklık değişikliğine (Şekil 13'teki MgSO4 örneğinde olduğu gibi) dayalı alternatif bir kristalleşme yönteminin tanıtılmasıyla çözülür.
MgSO4 kullanılarak soğutma ve katı-sıvı fazların ayrılması sırasında kristalleşme sürecinin şematik gösterimi.
Bu yöntem kullanılarak doymuş tuz çözeltileri oda sıcaklığında veya oda sıcaklığının (HT) üzerinde hazırlanabilir. İlk durumda, kristalleşme sıcaklığın oda sıcaklığının altına düşürülmesiyle zorlandı. İkinci durumda, kristalleşme numune oda sıcaklığına (RT) soğutulduğunda meydana geldi. Sonuç, kristallerin (B) ve çözünmüş (A) bir karışımıdır ve sıvı kısmı basınçlı hava ile uzaklaştırılır. Bu yaklaşım, yalnızca bu hidratlar üzerinde bir film oluşmasını önlemekle kalmaz, aynı zamanda diğer kompozitlerin hazırlanması için gereken süreyi de azaltır. Ancak, sıvının basınçlı hava ile uzaklaştırılması tuzun ek kristalleşmesine yol açarak daha kalın bir kaplamayla sonuçlanır.
Metal yüzeyleri kaplamak için kullanılabilecek bir diğer yöntem, kimyasal reaksiyonlar yoluyla hedef tuzların doğrudan üretilmesini içerir. Önceki çalışmamızda bildirdiğimiz gibi, yüzgeçlerin ve tüplerin metal yüzeylerindeki asitlerin reaksiyonuyla yapılan kaplamalı ısı değiştiricilerin bir dizi avantajı vardır. Bu yöntemin liflere uygulanması, reaksiyon sırasında gaz oluşumu nedeniyle çok zayıf sonuçlara yol açmıştır. Hidrojen gazı kabarcıklarının basıncı, probun içinde birikir ve ürün dışarı atılırken kayar (Şekil 14a).
Kaplama, kaplamanın kalınlığını ve dağılımını daha iyi kontrol etmek için kimyasal bir reaksiyonla modifiye edilmiştir. Bu yöntem, numuneden bir asit sisi akışı geçirmeyi içerir (Şekil 14b). Bunun, alt tabaka metaliyle reaksiyona girerek düzgün bir kaplama ile sonuçlanması beklenir. Sonuçlar tatmin ediciydi, ancak süreç etkili bir yöntem olarak kabul edilemeyecek kadar yavaştı (Şekil 14c). Daha kısa reaksiyon süreleri, yerel ısıtma ile elde edilebilir.
Yukarıdaki yöntemlerin dezavantajlarının üstesinden gelmek için yapıştırıcı kullanımına dayalı bir kaplama yöntemi incelenmiştir. HEC, önceki bölümde sunulan sonuçlara dayanarak seçilmiştir. Tüm numuneler %3 ağırlıkta hazırlanmıştır. Bağlayıcı tuzla karıştırılmıştır. Lifler, kaburgalar için uygulanan prosedüre göre ön işleme tabi tutulmuş, yani 15 dakika içinde %50 hacim sülfürik asitte bekletilmiş, ardından 20 saniye sodyum hidroksitte bekletilmiş, damıtılmış suda yıkanmış ve son olarak 30 dakika damıtılmış suda bekletilmiştir. Bu durumda, emdirmeden önce ek bir adım eklenmiştir. Numuneyi seyreltik bir hedef tuz çözeltisine kısa bir süre daldırın ve yaklaşık 60°C'de kurutun. İşlem, metalin yüzeyini değiştirerek son aşamada kaplamanın dağılımını iyileştiren çekirdeklenme bölgeleri oluşturmak için tasarlanmıştır. Lifli yapı, filamentlerin daha ince ve sıkı bir şekilde paketlendiği bir tarafa ve filamentlerin daha kalın ve daha az dağıldığı karşı tarafa sahiptir. Bu, 52 üretim işleminin sonucudur.
Kalsiyum klorür (CaCl2) için sonuçlar Tablo 1'de özetlenmiş ve resimlerle gösterilmiştir. Aşılamadan sonra iyi kaplama. Yüzeyinde görünür kristal olmayan tellerde bile metalik yansımalar azalmıştı ve bu da yüzeyde bir değişiklik olduğunu gösteriyordu. Ancak, numuneler CaCl2 ve HEC'nin sulu bir karışımı ile emprenye edildikten ve yaklaşık 60°C'lik bir sıcaklıkta kurutulduktan sonra, kaplamalar yapıların kesişim noktalarında yoğunlaştı. Bu, çözeltinin yüzey geriliminden kaynaklanan bir etkidir. Islatıldıktan sonra sıvı, yüzey gerilimi nedeniyle numunenin içinde kalır. Temel olarak yapıların kesişim noktasında meydana gelir. Numunenin en iyi tarafında tuzla dolu birkaç delik vardır. 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, geniş numune kapsamıyla sonuçlandı. Kaplama işleminden sonra, tuz numunenin ince tarafının geniş alanlarını tıkar. Ek olarak, matın bazı alanları tıkar, ancak bir miktar gözeneklilik korunur. Bu durumda, tuz oluşumu yapıların kesişiminde kolayca gözlemlenir ve bu, kaplama işleminin esas olarak sıvının yüzey geriliminden kaynaklandığını ve tuz ile metal alt tabaka arasındaki etkileşimden kaynaklanmadığını doğrular.
Stronsiyum klorür (SrCl2) ve HEC kombinasyonunun sonuçları önceki örneklere benzer özellikler gösterdi (Tablo 3). Bu durumda, numunenin daha ince tarafı neredeyse tamamen kaplanmıştır. Sadece numuneden buharın salınması sonucu kurutma sırasında oluşan bireysel gözenekler görünür. Mat tarafta gözlemlenen desen önceki duruma çok benzerdir, alan tuzla tıkanmıştır ve lifler tamamen kaplanmamıştır.
Lifli yapının ısı değiştiricinin termal performansı üzerindeki olumlu etkisini değerlendirmek amacıyla, kaplanmış lifli yapının etkin termal iletkenliği belirlendi ve saf kaplama malzemesiyle karşılaştırıldı. Termal iletkenlik, Şekil 15a'da gösterilen düz panel cihazı kullanılarak, bilinen termal iletkenliğe sahip bir referans malzeme kullanılarak ASTM D 5470-2017'ye göre ölçüldü. Diğer geçiş ölçüm yöntemleriyle karşılaştırıldığında, bu prensip, mevcut çalışmada kullanılan gözenekli malzemeler için avantajlıdır, çünkü ölçümler sabit bir durumda ve yeterli örnek boyutu (taban alanı 30 × 30 mm2, yükseklik yaklaşık 15 mm) ile gerçekleştirilir. Anizotropik termal iletkenliğin etkisini değerlendirmek için saf kaplama malzemesinin (referans) ve kaplanmış fiber yapının örnekleri, fiber yönünde ve fiber yönüne dik olarak ölçümler için hazırlandı. Numuneler, numune içindeki yapıyı yansıtmayan numune hazırlama nedeniyle oluşan yüzey pürüzlülüğünün etkisini en aza indirmek için yüzeyde zımparalandı (P320 grit).