Nature.com'u ziyaret ettiğiniz için teşekkür ederiz. Kullandığınız tarayıcı sürümünün CSS desteği sınırlıdır. En iyi deneyim için, güncel bir tarayıcı kullanmanızı (veya Internet Explorer'da Uyumluluk Modunu devre dışı bırakmanızı) öneririz. Bu süre zarfında, desteğin devamlılığını sağlamak için siteyi stiller ve JavaScript olmadan görüntüleyeceğiz.
Adsorpsiyonlu soğutma sistemleri ve ısı pompalarının pazar payı, geleneksel kompresör sistemlerine kıyasla hala nispeten küçüktür. Ucuz ısı kullanımının (pahalı elektrik enerjisi yerine) büyük avantajına rağmen, adsorpsiyon prensiplerine dayalı sistemlerin uygulanması hala birkaç özel uygulama ile sınırlıdır. Ortadan kaldırılması gereken en büyük dezavantaj, adsorbanın düşük termal iletkenliği ve düşük kararlılığı nedeniyle özgül güçteki azalmadır. Mevcut en gelişmiş ticari adsorpsiyonlu soğutma sistemleri, soğutma kapasitesini optimize etmek için kaplanmış plakalı ısı eşanjörlerine dayalı adsorberlere dayanmaktadır. Kaplamanın kalınlığının azaltılmasının kütle transfer empedansında azalmaya yol açtığı ve iletken yapıların yüzey alanı/hacim oranının 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 yüzeyler üzerinde, metal lifler de dahil olmak üzere, çok ince ancak kararlı tuz hidrat kaplamaları elde etmek için üç yöntem, ilk kez yüksek güç yoğunluklu bir ısı eşanjörü göstermektedir. Kaplama ve alt tabaka arasında daha güçlü bir bağ oluşturmak için alüminyum anotlama esaslı yüzey işlemi seçilmiştir. Elde edilen yüzeyin mikro yapısı taramalı elektron mikroskobu kullanılarak analiz edilmiştir. İstenen türlerin varlığını kontrol etmek için indirgenmiş toplam yansıma Fourier dönüşümlü kızılötesi spektroskopisi ve enerji dağılımlı X-ışını spektroskopisi kullanılmıştır. Hidrat oluşturma yetenekleri, 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 dehidrasyon belirtileri göstermiş ve yeniden hidrasyondan sonra tekrarlanabilir olmuştur. SrCl2 ve ZnSO4 ile de 100 °C'nin altında yaklaşık 0,02 g/g kütle farkıyla olumlu sonuçlar elde edilmiştir. Kaplamanın stabilitesini ve yapışmasını artırmak için katkı maddesi olarak hidroksietilselüloz seçilmiştir. Ürünlerin adsorpsiyon özellikleri eş zamanlı TGA-DTG ile değerlendirilmiş ve yapışma özellikleri ISO2409'da açıklanan testlere dayalı bir yöntemle karakterize edilmiştir. CaCl2 kaplamasının kıvamı ve yapışması, 100 °C'nin altındaki sıcaklıklarda yaklaşık 0,1 g/g ağırlık farkıyla adsorpsiyon kapasitesini korurken önemli ölçüde iyileştirilmiştir. Ayrıca, MgSO4, 100 °C'nin altındaki sıcaklıklarda 0,04 g/g'den fazla kütle farkı göstererek hidrat oluşturma yeteneğini korumuştur. 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 yapısı kesitlerin mikroskobik görüntüsü kullanılarak değerlendirilmiştir. Yaklaşık 50 µm kalınlığında bir Al2(SO4)3 kaplaması elde edilmiştir, ancak daha homojen bir dağılım elde etmek için genel sürecin optimize edilmesi gerekmektedir.
Adsorpsiyon sistemleri, geleneksel kompresyonlu ısı pompalarına veya soğutma sistemlerine çevre dostu bir alternatif sağladıkları için son birkaç on yılda büyük ilgi görmüştür. Yükselen konfor standartları ve küresel ortalama sıcaklıklarla birlikte, adsorpsiyon sistemleri yakın gelecekte fosil yakıtlara olan bağımlılığı azaltabilir. Ayrıca, adsorpsiyonlu soğutma veya ısı pompalarındaki herhangi bir iyileştirme, termal enerji depolamasına aktarılabilir; bu da birincil enerjinin verimli kullanım potansiyelinde ek bir artış anlamına gelir. Adsorpsiyonlu ısı pompalarının ve soğutma sistemlerinin temel avantajı, düşük ısı kütlesiyle çalışabilmeleridir. Bu da 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 kaybı avantajına sahiptir.
Adsorpsiyonlu ısı pompaları ve soğutma sistemleri, buhar sıkıştırmalı sistemlerle aynı termodinamik döngüyü izler. Ana fark, kompresör bileşenlerinin adsorberlerle değiştirilmesidir. Bu eleman, orta sıcaklıklarda düşük basınçlı soğutucu buharını adsorbe edebilir ve sıvı soğuk olsa bile daha fazla soğutucu buharlaştırabilir. Adsorpsiyon entalpisini (ekzotermik) ortadan kaldırmak için adsorberin sürekli soğutulması gereklidir. Adsorber yüksek sıcaklıkta rejenere edilir ve bu da soğutucu buharının desorbe olmasına neden olur. Desorpsiyon entalpisini (endotermik) sağlamak için ısıtmaya devam edilmelidir. Adsorpsiyon süreçleri sıcaklık değişimleriyle karakterize edildiğinden, yüksek güç yoğunluğu yüksek termal iletkenlik gerektirir. Bununla birlikte, düşük termal iletkenlik çoğu uygulamada en büyük dezavantajdır.
İletkenliğin temel problemi, 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 genleştirilmiş grafit, aktif karbon veya karbon lifleri kullananlardır. Oliveira vd. 2, 306 W/kg'a kadar özgül soğutma kapasitesine (SCP) ve 0,46'ya kadar performans katsayısına (COP) sahip bir adsorber üretmek için genleştirilmiş grafit tozunu kalsiyum klorür ile emprenye etmiştir. Zajaczkowski vd. 3, toplam iletkenliği 15 W/mK olan genleştirilmiş grafit, karbon lifi ve kalsiyum klorür kombinasyonunu önermiştir. Jian vd. 4, iki aşamalı bir adsorpsiyon soğutma döngüsünde substrat olarak sülfürik asit ile işlenmiş genleştirilmiş doğal grafit (ENG-TSA) içeren kompozitleri test etmiştir. Model, COP değerini 0,215 ile 0,285 arasında ve SCP değerini 161,4 ile 260,74 W/kg arasında tahmin etti.
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 oluşturulmasını içeren doğrudan sentezdir. Sotech5, Fahrenheit GmbH tarafından üretilen bir dizi soğutucuda kullanılmak üzere kaplamalı zeolit ​​sentezleme yönteminin patentini almıştır. Schnabel ve ark.6, paslanmaz çelik üzerine kaplanmış iki zeolitin performansını test etmiştir. Bununla birlikte, bu yöntem yalnızca belirli adsorbanlarla çalışır, 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 rol oynamazlar. Freni ve ark.7, kil bazlı bir bağlayıcı ile stabilize edilmiş AQSOA-Z02 zeoliti ile alüminyum ısı eşanjörlerini kaplamıştır. Calabrese ve ark.8, polimerik bağlayıcılarla zeolit ​​kaplamalarının hazırlanmasını incelemiştir. Ammann ve ark.9, polivinil alkolün manyetik karışımlarından gözenekli zeolit ​​kaplamalar hazırlama yöntemini önerdi. Alümina (alümina) ayrıca adsorberde bağlayıcı olarak da kullanılır 10. Bildiğimiz kadarıyla, selüloz ve hidroksietil selüloz sadece fiziksel adsorbanlarla birlikte kullanılır11,12. Bazen yapıştırıcı boya için kullanılmaz, ancak yapıyı oluşturmak için tek başına kullanılır 13. Aljinat polimer matrislerinin çoklu tuz hidratlarıyla kombinasyonu, kuruma sırasında sızıntıyı önleyen ve yeterli kütle transferi sağlayan esnek kompozit boncuk yapıları oluşturur. Bentonit ve attapulgit gibi killer, kompozitlerin hazırlanmasında bağlayıcı olarak kullanılmıştır15,16,17. Etilselüloz, kalsiyum klorür18 veya sodyum sülfürün19 mikro kapsüllenmesinde kullanılmıştır.
Gözenekli metal yapıya sahip kompozitler, katkılı ısı değiştiriciler ve kaplamalı ısı değiştiriciler olarak ikiye ayrılabilir. Bu yapıların avantajı, yüksek özgül yüzey alanıdır. Bu, soğutma çevriminin genel verimliliğini azaltan inert bir kütle eklenmeden, adsorban ve metal arasında daha büyük bir temas yüzeyi sağlar. Lang vd. 20, alüminyum petek yapısına sahip bir zeolit ​​adsorberin genel iletkenliğini iyileştirmiştir. Gillerminot vd. 21, bakır ve nikel köpük ile NaX zeolit ​​katmanlarının termal iletkenliğini iyileştirmiştir. Kompozitler faz değişim malzemeleri (PCM) olarak kullanılsa da, Li vd. 22 ve Zhao vd. 23'ün bulguları kimyasal adsorpsiyon için de ilgi çekicidir. Genişletilmiş grafit ve metal köpüğün performansını karşılaştırmış ve korozyonun sorun teşkil etmediği durumlarda metal köpüğün tercih edilebilir olduğu sonucuna varmışlardır. Palomba vd. yakın zamanda diğer metalik gözenekli yapıları karşılaştırmıştır 24. Van der Pal vd. köpüklere gömülü metal tuzlarını incelemiştir 25. Önceki örneklerin tümü, yoğun partikül adsorban katmanlarına karşılık gelmektedir. Metal gözenekli yapılar, adsorbanları kaplamak için pratikte kullanılmamaktadır; bu daha optimal bir çözümdür. Zeolitlere bağlanmaya dair bir örnek Wittstadt vd. 26'da bulunabilir, ancak daha yüksek enerji yoğunluklarına rağmen tuz hidratlarına bağlanma girişiminde bulunulmamıştır 27.
Bu nedenle, bu makalede adsorban kaplamaların hazırlanması için üç yöntem incelenecektir: (1) bağlayıcı kaplama, (2) doğrudan reaksiyon ve (3) yüzey işlemi. Bu çalışmada, daha önce bildirilen kararlılığı ve fiziksel adsorbanlarla birlikte iyi kaplama yapışması nedeniyle hidroksietilselüloz bağlayıcı olarak seçilmiştir. Bu yöntem başlangıçta düz kaplamalar için araştırılmış ve daha sonra metal fiber yapılara uygulanmıştır. Daha önce, adsorban kaplamaların oluşumuyla kimyasal reaksiyonların olasılığına ilişkin ön bir analiz rapor edilmiştir. Önceki deneyim şimdi metal fiber yapıların kaplanmasına aktarılmaktadır. Bu çalışma için seçilen yüzey işlemi, alüminyum anotlamaya dayalı bir yöntemdir. Alüminyum anotlama, estetik amaçlar için metal tuzlarıyla başarıyla birleştirilmiştir29. Bu durumlarda, çok kararlı ve korozyona dayanıklı kaplamalar elde edilebilir. Bununla birlikte, herhangi bir adsorpsiyon veya desorpsiyon işlemi gerçekleştiremezler. Bu makale, orijinal işlemin yapışkan özelliklerini kullanarak kütlenin hareket ettirilmesine olanak tanıyan bu yaklaşımın bir varyantını sunmaktadır. Bildiğimiz kadarıyla, burada açıklanan yöntemlerin hiçbiri daha önce incelenmemiştir. Bu teknoloji, sıklıkla incelenen fiziksel adsorbanlara göre bir dizi avantaja sahip olan hidratlanmış adsorban kaplamaların oluşumuna olanak sağladığı için oldukça ilgi çekici yeni bir teknolojiyi temsil etmektedir.
Bu deneylerde altlık olarak kullanılan damgalı alüminyum levhalar, Çek Cumhuriyeti'ndeki ALINVEST Břidličná tarafından sağlanmıştır. Bu levhalar %98,11 alüminyum, %1,3622 demir, %0,3618 manganez ve eser miktarda bakır, magnezyum, silisyum, titanyum, çinko, krom ve nikel içermektedir.
Kompozitlerin üretiminde kullanılan malzemeler, termodinamik özelliklerine, yani 120°C'nin altındaki sıcaklıklarda emebilecekleri/salabilecekleri su miktarına bağlı olarak seçilir.
Magnezyum sülfat (MgSO4), en ilgi çekici ve üzerinde en çok çalışılan hidratlı tuzlardan biridir30,31,32,33,34,35,36,37,38,39,40,41. Termodinamik özellikleri sistematik olarak ölçülmüş ve adsorpsiyonlu 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), hidratının ilginç termodinamik özelliklere sahip olması nedeniyle iyi incelenmiş bir diğer tuzdur41,42,43,44. Kullanılan kalsiyum klorür heksahidrat CAS No. 7774-34-7 %97 (Grüssing, GmbH, Filsum, Niedersachsen, Almanya).
Çinko sülfat (ZnSO4) (H3O2, H318, H410) ve hidratları, düşük sıcaklık adsorpsiyon işlemleri için uygun termodinamik özelliklere sahiptir45,46. Çinko sülfat heptahidrat CAS-Nr.7733-02-0 %99,5 (Grüssing GmbH, Filsum, Niedersachsen, Almanya) kullanılmıştır.
Stronsiyum klorür (SrCl2) (H318), adsorpsiyonlu ısı pompası veya enerji depolama araştırmalarında sıklıkla amonyakla birleştirilmesine rağmen, ilginç termodinamik özelliklere de sahiptir4,45,47. Sentez için %99,0–102,0 saflıkta stronsiyum klorür heksahidrat CAS-Nr.10.476-85-4 (Sigma Aldrich, St. Louis, Missouri, ABD) kullanılmıştır.
Bakır sülfat (CuSO4) (H302, H315, H319, H410), termodinamik özellikleri düşük sıcaklık uygulamaları için ilgi çekici olmasına rağmen, profesyonel literatürde sıkça rastlanan hidratlar arasında yer almamaktadır48,49. Sentez için %99 saflıkta bakır sülfat CAS-Nr.7758-99-8 (Sigma Aldrich, St. Louis, MO, ABD) kullanılmıştır.
Magnezyum klorür (MgCl2), son zamanlarda termal enerji depolama alanında daha fazla ilgi gören hidratlı tuzlardan biridir50,51. Deneylerde, saf farmasötik sınıf magnezyum klorür heksahidrat CAS-Nr.7791-18-6 (Applichem GmbH., Darmstadt, Almanya) kullanılmıştır.
Yukarıda belirtildiği gibi, benzer uygulamalardaki olumlu sonuçlar nedeniyle hidroksietil selüloz seçilmiştir. Sentezimizde kullanılan malzeme, CAS-Nr 9004-62-0 kodlu hidroksietil selülozdur (Sigma Aldrich, St. Louis, MO, ABD).
Metal lifler, sıkıştırma ve sinterleme yoluyla birbirine bağlanmış kısa tellerden yapılır; bu işleme pota eriyik ekstraksiyonu (CME)52 denir. Bu, termal iletkenliklerinin yalnızca üretimde kullanılan metallerin genel iletkenliğine ve nihai yapının gözenekliliğine değil, aynı zamanda teller 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, vakum paketinde (Netzsch TG 209 F1 Libra) eş zamanlı termogravimetrik analiz (TGA)/diferansiyel termogravimetrik analiz (DTG) kullanılarak incelenmiştir. Ölçümler, 10 ml/dakika akış hızında ve 25 ila 150°C sıcaklık aralığında alüminyum oksit potalarda akan azot atmosferinde gerçekleştirilmiştir. Isıtma hızı 1 °C/dakika, numune ağırlığı 10 ila 20 mg arasında değişmiş, çözünürlük 0,1 μg olmuştur. Bu çalışmada, birim yüzey başına kütle farkının büyük bir belirsizliğe sahip olduğu belirtilmelidir. TGA-DTG'de kullanılan numuneler çok küçük ve düzensiz kesilmiştir, bu da alan belirlemelerini doğru yapmamaktadır. Bu değerler, ancak büyük sapmalar dikkate alındığında daha büyük bir alana ekstrapole edilebilir.
Azaltılmış toplam yansıma Fourier dönüşümü kızılötesi (ATR-FTIR) spektrumları, bir Bruker Vertex 80 v FTIR spektrometresi (Bruker Optik GmbH, Leipzig, Almanya) ve bir ATR platin aksesuarı (Bruker Optik GmbH, Almanya) kullanılarak elde edildi. Saf kuru elmas kristallerinin spektrumları, numuneler deneysel ölçümler için arka plan olarak kullanılmadan önce doğrudan vakumda ölçüldü. Numuneler, 2 cm-1 spektral çözünürlük ve ortalama 32 tarama sayısı kullanılarak vakumda ölçüldü. Dalga sayısı aralığı 8000 ila 500 cm-1 arasındadır. Spektral analiz, OPUS programı kullanılarak gerçekleştirildi.
SEM analizi, Zeiss'ten DSM 982 Gemini cihazı kullanılarak 2 ve 5 kV hızlandırma voltajlarında gerçekleştirildi. Enerji dağılımlı X-ışını spektroskopisi (EDX), Peltier soğutmalı silikon kayma dedektörü (SSD) bulunan bir Thermo Fischer System 7 kullanılarak yapıldı.
Metal levhaların hazırlanması, 53'te açıklanan prosedüre benzer şekilde gerçekleştirildi. İlk olarak, levha %50'lik sülfürik aside 15 dakika süreyle daldırıldı. Daha sonra yaklaşık 10 saniye süreyle 1 M sodyum hidroksit çözeltisine daldırıldı. Ardından numuneler bol miktarda damıtılmış su ile yıkandı ve 30 dakika boyunca damıtılmış suda bekletildi. Ön yüzey işleminden sonra, numuneler %3'lük doymuş HEC ve hedef tuz çözeltisine daldırıldı. Son olarak, çıkarıldılar ve 60°C'de kurutuldular.
Anodizasyon yöntemi, pasif metal üzerindeki doğal oksit tabakasını güçlendirir ve sağlamlaştırır. Alüminyum paneller, sertleştirilmiş halde sülfürik asit ile anodize edildi ve ardından sıcak suda kapatıldı. Anodizasyon, 1 mol/l NaOH (600 s) ile ilk aşındırma ve ardından 1 mol/l HNO3 (60 s) ile nötrleştirme işleminden sonra gerçekleştirildi. Elektrolit çözeltisi, 2,3 M H2SO4, 0,01 M Al2(SO4)3 ve 1 M MgSO4 + 7H2O karışımından oluşmaktadır. Anodizasyon, (40 ± 1)°C'de, 30 mA/cm2 akım yoğunluğunda 1200 saniye süreyle gerçekleştirildi. Kapatma işlemi, malzemelerde belirtildiği gibi çeşitli tuzlu su çözeltilerinde (MgSO4, CaCl2, ZnSO4, SrCl2, CuSO4, MgCl2) gerçekleştirildi. Numune, bu çözeltide 1800 saniye kaynatıldı.
Kompozit üretimi için üç farklı yöntem incelenmiştir: yapıştırıcı kaplama, doğrudan reaksiyon ve yüzey işleme. Her bir üretim yönteminin avantajları ve dezavantajları sistematik olarak analiz edilmiş ve tartışılmıştır. Sonuçların değerlendirilmesinde doğrudan gözlem, nano görüntüleme ve kimyasal/elementel analiz kullanılmıştır.
Tuz hidratlarının yapışmasını artırmak için bir dönüşüm yüzey işleme yöntemi olarak anotlama seçilmiştir. Bu yüzey işlemi, doğrudan alüminyum yüzeyinde gözenekli bir alümina (alüminyum oksit) yapısı oluşturur. Geleneksel olarak, bu yöntem iki aşamadan oluşur: birinci aşama gözenekli bir alüminyum oksit yapısı oluşturur ve ikinci aşama gözenekleri kapatan bir alüminyum hidroksit kaplaması oluşturur. Gaz fazına erişimi engellemeden tuzu bloke etmenin iki yöntemi şunlardır: Birincisi, adsorban kristallerini tutmak ve metal yüzeylere yapışmasını artırmak için birinci adımda elde edilen küçük alüminyum oksit (Al2O3) tüplerini 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 bir adımda, alümina tüpü kaynatma işlemiyle desteklenen ince bir Al2O(OH)2 böhmit tabakasıyla kapatılır. İkinci yöntemde, bu sızdırma işlemi, tuz kristallerinin bu durumda sızdırma için kullanılmayan, homojen bir şekilde kaplayan bir boehmit (Al2O(OH)) tabakası içinde tutulacağı şekilde değiştirilir. İkinci aşama, ilgili tuzun doymuş çözeltisinde gerçekleştirilir. Tanımlanan desenler 50-100 nm aralığında boyutlara sahiptir ve sıçramış damlalara benzer (Şekil 1b). Sızdırma 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. Tanımlanan her iki yapı da gerçekten gözenekli görünmektedir ve adsorberin çalışması sırasında tuz hidratlarını tutmak ve buharları tuza adsorbe etmek için oldukça uygun görünen küçük boşluklara sahiptir. Bununla birlikte, EDX kullanılarak bu yüzeylerin elementel analizi, alümina yüzeyinde tespit edilemeyen eser miktarda magnezyum ve kükürtü boehmit yüzeyinde tespit edebilir.
Numunenin ATR-FTIR analizi, elementin magnezyum sülfat olduğunu doğruladı (bkz. Şekil 2b). Spektrum, 610–680 ve 1080–1130 cm–1'de karakteristik sülfat iyonu piklerini ve 1600–1700 cm–1 ve 3200–3800 cm–1'de karakteristik kafes suyu piklerini göstermektedir (bkz. Şekil 2a, c). Magnezyum iyonlarının varlığı spektrumu neredeyse hiç değiştirmez54.
(a) Boehmit kaplı MgSO4 alüminyum plakanın EDX analizi, (b) Boehmit ve MgSO4 kaplamalarının ATR-FTIR spektrumları, (c) Saf MgSO4'ün ATR-FTIR spektrumları.
Adsorpsiyon verimliliğinin korunduğu TGA ile doğrulandı. Şekil 3b'de yaklaşık 60°C'lik bir desorpsiyon tepe noktası görülmektedir. Bu tepe noktası, saf tuzun TGA'sında gözlemlenen iki tepe noktasının sıcaklığına karşılık gelmemektedir (Şekil 3a). Adsorpsiyon-desorpsiyon döngüsünün tekrarlanabilirliği değerlendirildi ve numuneler nemli bir atmosfere yerleştirildikten sonra aynı eğri gözlemlendi (Şekil 3c). Desorpsiyonun ikinci aşamasında gözlemlenen farklılıklar, akışkan bir atmosferde dehidrasyonun sonucu olabilir, çünkü bu genellikle eksik dehidrasyona yol açar. Bu değerler, birinci dehidrasyonda yaklaşık 17,9 g/m2 ve ikinci dehidrasyonda 10,3 g/m2'ye karşılık gelmektedir.
Boehmit ve MgSO4'ün TGA analizinin karşılaştırılması: Saf MgSO4'ün (a), karışımın (b) ve yeniden hidrasyondan sonraki (c) TGA analizi.
Aynı yöntem, adsorban olarak kalsiyum klorür kullanılarak da uygulandı. Sonuçlar Şekil 4'te sunulmuştur. Yüzeyin görsel incelemesi, metalik parıltıda küçük değişiklikler olduğunu ortaya koydu. Kürk neredeyse görünmez durumda. SEM, yüzey üzerinde eşit olarak dağılmış küçük kristallerin varlığını doğruladı. Bununla birlikte, TGA, 150°C'nin altında herhangi bir dehidrasyon göstermedi. Bu, tuz oranının, TGA tarafından tespit edilemeyecek kadar küçük olmasından kaynaklanıyor olabilir.
Bakır sülfat kaplamanın anotlama yöntemiyle yüzey işlemine tabi tutulmasının sonuçları Şekil 5'te gösterilmiştir. Bu durumda, CuSO4'ün Al oksit yapısına beklenen şekilde dahil edilmesi gerçekleşmemiştir. Bunun yerine, tipik turkuaz boyalarla kullanılan bakır hidroksit Cu(OH)2'de yaygın olarak görülen gevşek iğneler gözlemlenmiştir.
Anodize yüzey işlemi, stronsiyum klorür ile birlikte de test edildi. Sonuçlar düzensiz bir kaplama gösterdi (bkz. Şekil 6a). Tuzun tüm yüzeyi kaplayıp kaplamadığını belirlemek için bir EDX analizi yapıldı. Gri alandaki bir noktanın (Şekil 6b'deki 1. nokta) eğrisi, az miktarda stronsiyum ve çok miktarda alüminyum göstermektedir. Bu, ölçülen bölgede düşük stronsiyum içeriğine ve dolayısıyla düşük stronsiyum klorür kaplamasına işaret eder. Tersine, beyaz alanlar yüksek stronsiyum içeriğine ve düşük alüminyum içeriğine sahiptir (Şekil 6b'deki 2-6. noktalar). Beyaz alanın EDX analizi, düşük klor ve yüksek kükürt içeriğine sahip daha koyu noktalar (Şekil 6b'deki 2 ve 4. noktalar) göstermektedir. 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 durum, beyaz kaplamanın ana kısmının beklenen stronsiyum klorürden oluşmasıyla açıklanabilir. Numunenin TGA analizi, saf stronsiyum klorürün karakteristik sıcaklığında bir tepe noktasıyla analiz yorumunu doğruladı (Şekil 6c). Bu küçük değer, metal desteğin kütlesine kıyasla tuzun küçük bir fraksiyonuyla açıklanabilir. Deneylerde belirlenen desorpsiyon kütlesi, 150°C sıcaklıkta adsorberin birim alanı başına salınan 7,3 g/m2 miktarına karşılık gelir.
Eloksal ile işlem görmüş çinko sülfat kaplamalar da test edildi. Makroskobik olarak, kaplama çok ince ve homojen bir tabakadır (Şekil 7a). Bununla birlikte, SEM, boş alanlarla ayrılmış küçük kristallerle kaplı bir yüzey alanını ortaya çıkardı (Şekil 7b). Kaplama ve alt tabakanın TGA'sı, saf tuzun TGA'sı ile karşılaştırıldı (Şekil 7c). Saf tuz, 59,1°C'de asimetrik bir tepeye sahiptir. Kaplanmış alüminyum, 55,5°C ve 61,3°C'de iki küçük tepe göstererek çinko sülfat hidratın varlığını işaret etmektedir. Deneyde ortaya çıkan kütle farkı, 150°C'lik bir dehidrasyon sıcaklığında 10,9 g/m2'ye karşılık gelmektedir.
Önceki uygulamada olduğu gibi53, sorbent kaplamanın yapışmasını ve stabilitesini iyileştirmek için bağlayıcı olarak hidroksietil selüloz kullanılmıştır. Malzeme uyumluluğu ve adsorpsiyon performansı üzerindeki etkisi TGA ile değerlendirilmiştir. Analiz, toplam kütleye göre yapılır, yani numune, kaplama alt tabakası olarak kullanılan bir metal plakayı içerir. Yapışma, ISO2409 spesifikasyonunda tanımlanan çapraz çentik testine dayalı bir testle test edilir (spesifikasyon kalınlığı ve genişliğine bağlı olarak çentik ayrımı spesifikasyonunu karşılayamayabilir).
Panellerin kalsiyum klorür (CaCl2) ile kaplanması (bkz. Şekil 8a), enine çentik testi için kullanılan saf alüminyum kaplamada gözlemlenmeyen düzensiz bir dağılıma neden oldu. Saf CaCl2 sonuçlarıyla karşılaştırıldığında, TGA (Şekil 8b), sırasıyla 40 ve 20°C'lik daha düşük sıcaklıklara doğru kaymış iki karakteristik tepe göstermektedir. Kesit testi, saf CaCl2 numunesinin (Şekil 8c'deki sağdaki numune) en üstteki parçacıkları uzaklaştıran toz halindeki bir çökelti olması nedeniyle objektif bir karşılaştırmaya izin vermez. HEC sonuçları, tatmin edici yapışma özelliğine sahip çok ince ve homojen bir kaplama gösterdi. Şekil 8b'de gösterilen kütle farkı, 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 edildi (bkz. Şekil 9). Kaplamanın desorpsiyon sürecinin analizi, yaklaşık 60°C'de bir tepe noktasının varlığını gösterdi. Bu sıcaklık, saf tuzların dehidrasyonunda görülen ana desorpsiyon adımına karşılık gelir ve 44°C'de başka bir adımı temsil eder. Bu, heksahidrattan pentahidrata geçişe karşılık gelir ve bağlayıcı içeren kaplamalarda gözlenmez. Kesit testleri, saf tuz kullanılarak yapılan kaplamalara kıyasla daha iyi dağılım ve yapışma göstermektedir. TGA-DTC'de gözlemlenen kütle farkı, 150°C sıcaklıkta adsorberin birim alanı başına 18,4 g/m2'ye karşılık gelir.
Yüzey düzensizlikleri nedeniyle, stronsiyum klorür (SrCl2) kanatçıklar üzerinde düzensiz bir kaplamaya sahiptir (Şekil 10a). Bununla birlikte, enine çentik testi sonuçları, önemli ölçüde iyileştirilmiş yapışma ile düzgün bir dağılım göstermiştir (Şekil 10c). TGA analizi, metal alt tabakaya kıyasla daha düşük tuz içeriğinden kaynaklanması gereken çok küçük bir ağırlık farkı göstermiştir. Bununla birlikte, eğrideki basamaklar, tepe noktası saf tuzun karakterizasyonunda elde edilen sıcaklıkla ilişkili olsa da, bir dehidrasyon sürecinin varlığını göstermektedir. Şekil 10b'de gözlemlenen 110°C ve 70,2°C'deki tepe noktaları, saf tuz analizinde de bulunmuştur. Bununla birlikte, saf tuzda 50°C'de gözlemlenen ana dehidrasyon adımı, bağlayıcı kullanılarak elde edilen eğrilerde yansıtılmamıştır. Aksine, bağlayıcı karışımı, saf tuz için ölçülmeyen 20,2°C ve 94,1°C'de iki tepe noktası göstermiştir (Şekil 10b). 150 °C sıcaklıkta, gözlemlenen kütle farkı, adsorberin birim alanı başına 7,2 g/m2'ye karşılık gelir.
HEC ve çinko sülfatın (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 optimum seviyeden uzaktır.
Metal liflerini ince ve düzgün bir tabaka ile kaplamanın en basit yolu, hedef tuzun hazırlanmasını ve metal liflerinin sulu bir çözelti ile emprenye edilmesini içeren ıslak emprenye yöntemidir (Şekil 12a).
Islak emprenye işlemine hazırlık yapılırken iki ana sorunla karşılaşılır. Bir yandan, tuzlu çözeltinin yüzey gerilimi, sıvının gözenekli yapıya doğru şekilde dahil edilmesini engeller. Dış yüzeyde kristalleşme (Şekil 12d) ve yapının içinde hapsolmuş hava kabarcıkları (Şekil 12c), ancak yüzey geriliminin düşürülmesi ve numunenin damıtılmış su ile önceden ıslatılmasıyla azaltılabilir. Numunenin içindeki havanın boşaltılması veya yapıda bir çözelti akışı oluşturulması yoluyla numunede zorla çözünme, yapının tamamen doldurulmasını sağlamanın diğer etkili yollarıdır.
Hazırlık sırasında karşılaşılan ikinci sorun, tuzun bir kısmından filmin uzaklaştırılmasıydı (bkz. Şekil 12b). Bu olgu, çözünme yüzeyinde kuru bir kaplamanın oluşmasıyla karakterize edilir; bu kaplama, konveksiyonla uyarılan kurutmayı durdurur ve difüzyonla uyarılan süreci başlatır. 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 değişimine (buharlaşma) değil, sıcaklık değişimine dayalı alternatif bir kristalleşme yöntemi (Şekil 13'teki MgSO4 örneğinde olduğu gibi) getirilerek çözülür.
Soğutma sırasında kristalleşme sürecinin ve MgSO4 kullanılarak katı ve sıvı fazların ayrılmasının şematik gösterimi.
Bu yöntem kullanılarak oda sıcaklığında (HT) veya üzerinde doymuş tuz çözeltileri hazırlanabilir. Birinci durumda, sıcaklık oda sıcaklığının altına düşürülerek kristalleşme zorlandı. İkinci durumda ise, numune oda sıcaklığına (RT) soğutulduğunda kristalleşme meydana geldi. Sonuç olarak, kristaller (B) ve çözünmüş (A) bir karışım elde edilir; sıvı kısım basınçlı hava ile uzaklaştırılır. Bu yaklaşım, bu hidratlar üzerinde bir film oluşumunu önlemekle kalmaz, aynı zamanda diğer kompozitlerin hazırlanması için gereken süreyi de azaltır. Bununla birlikte, sıvının basınçlı hava ile uzaklaştırılması, tuzun ilave kristalleşmesine yol açarak daha kalın bir kaplama oluşmasına neden olur.
Metal yüzeyleri kaplamak için kullanılabilecek bir diğer yöntem ise kimyasal reaksiyonlar yoluyla hedef tuzların doğrudan üretilmesini içerir. Önceki çalışmamızda da belirtildiği gibi, kanatçıkların ve boruların metal yüzeylerinde asitlerin reaksiyonuyla üretilen kaplanmış ısı eşanjörlerinin bir dizi avantajı vardır. Bu yöntemin liflere uygulanması, reaksiyon sırasında gaz oluşumu nedeniyle çok kötü sonuçlara yol açmıştır. Hidrojen gazı kabarcıklarının basıncı probun içinde birikir ve ürün dışarı atılırken değişir (Şekil 14a).
Kaplamanın kalınlığını ve dağılımını daha iyi kontrol etmek için kimyasal bir reaksiyon yoluyla kaplama modifiye edilmiştir. Bu yöntem, numuneden asit buharı akımı geçirilmesini içerir (Şekil 14b). Bunun, alt tabaka metal ile reaksiyon sonucu düzgün bir kaplama oluşturması beklenmektedir. Sonuçlar tatmin ediciydi, ancak işlem etkili bir yöntem olarak kabul edilemeyecek kadar yavaştı (Şekil 14c). Lokal ısıtma ile daha kısa reaksiyon süreleri elde edilebilir.
Yukarıdaki yöntemlerin dezavantajlarının üstesinden gelmek için, yapıştırıcı kullanımına dayalı bir kaplama yöntemi incelenmiştir. Önceki bölümde sunulan sonuçlara dayanarak HEC seçilmiştir. Tüm numuneler %3 ağırlık oranında hazırlanmıştır. Bağlayıcı tuz ile karıştırılmıştır. Lifler, kaburgalar için uygulanan prosedürle aynı şekilde ön işlemden geçirilmiştir; yani 15 dakika boyunca %50 hacim oranında sülfürik asitte bekletilmiş, ardından 20 saniye boyunca sodyum hidroksitte bekletilmiş, damıtılmış suda yıkanmış ve son olarak 30 dakika boyunca damıtılmış suda bekletilmiştir. Bu durumda, emprenye işleminden önce ek bir adım eklenmiştir. Numuneyi kısa süreliğine seyreltilmiş hedef tuz çözeltisine daldırın ve yaklaşık 60°C'de kurutun. İşlem, metal yüzeyini değiştirmek ve son aşamada kaplamanın dağılımını iyileştiren çekirdeklenme bölgeleri oluşturmak için tasarlanmıştır. Lifli yapının bir tarafında filamentler daha ince ve sıkıca paketlenmiş, diğer tarafında ise filamentler daha kalın ve daha az dağılmıştır. Bu, 52 üretim sürecinin sonucudur.
Kalsiyum klorür (CaCl2) sonuçları Tablo 1'de özetlenmiş ve resimlerle gösterilmiştir. Aşılama sonrasında iyi bir kaplama elde edilmiştir. Yüzeyde görünür kristal bulunmayan tellerde bile metalik yansımalar azalmış, bu da yüzey kalitesinde bir değişikliğe işaret etmektedir. Bununla birlikte, numuneler CaCl2 ve HEC'nin sulu karışımıyla emprenye edildikten ve yaklaşık 60°C sıcaklıkta kurutulduktan sonra, kaplamalar yapıların kesişim noktalarında yoğunlaşmıştır. Bu, çözeltinin yüzey geriliminden kaynaklanan bir etkidir. Islatma işleminden sonra, sıvı yüzey gerilimi nedeniyle numunenin içinde kalır. Temelde yapıların kesişim noktalarında meydana gelir. Numunenin en iyi tarafında tuzla dolu birkaç delik bulunmaktadır. Kaplamadan sonra ağırlık 0,06 g/cm3 artmıştır.
Magnezyum sülfat (MgSO4) ile kaplama, birim hacim başına daha fazla tuz üretimine yol açtı (Tablo 2). Bu durumda, ölçülen artış 0,09 g/cm3'tür. Tohumlama işlemi, numunenin geniş bir şekilde kaplanmasını sağladı. Kaplama işleminden sonra, tuz numunenin ince tarafının geniş alanlarını bloke etti. Ayrıca, matın bazı alanları bloke edildi, ancak bir miktar gözeneklilik korundu. Bu durumda, tuz oluşumu yapıların kesişim noktalarında kolayca gözlemlenebilir; bu da kaplama işleminin esas olarak sıvının yüzey geriliminden kaynaklandığını ve tuz ile metal alt tabaka arasındaki etkileşimden kaynaklanmadığını doğrulamaktadır.
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 buhar salınımı sonucu kuruma sırasında oluşan tek tek gözenekler görülebilir. Mat tarafta gözlemlenen desen, önceki duruma çok benzer; alan tuzla kaplanmıştır ve lifler tamamen kaplanmamıştır.
Isı eşanjörünün termal performansına lifli yapının olumlu etkisini değerlendirmek için, 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 ile ASTM D 5470-2017 standardına göre ölçüldü. Diğer geçici ölçüm yöntemlerine kıyasla, bu prensip, ölçümlerin kararlı bir durumda ve yeterli numune boyutuyla (taban alanı 30 × 30 mm2, yükseklik yaklaşık 15 mm) gerçekleştirilmesi nedeniyle, mevcut çalışmada kullanılan gözenekli malzemeler için avantajlıdır. Anizotropik termal iletkenliğin etkisini değerlendirmek için, saf kaplama malzemesi (referans) ve kaplanmış lifli yapı numuneleri, lif yönünde ve lif yönüne dik olarak ölçümler için hazırlandı. Numuneler, numune hazırlama nedeniyle oluşan ve numune içindeki yapıyı yansıtmayan yüzey pürüzlülüğünün etkisini en aza indirmek için yüzeyden zımparalandı (P320 kum).