Nature.com saytiga tashrif buyurganingiz uchun tashakkur. Siz foydalanayotgan brauzer versiyasida CSS qo'llab-quvvatlashi cheklangan. Eng yaxshi tajriba uchun sizga yangilangan brauzerdan foydalanishingizni tavsiya qilamiz (yoki Internet Explorer-da moslik rejimini o'chirib qo'ying). Shu bilan birga, uzluksiz qo'llab-quvvatlashni ta'minlash uchun biz saytni uslublar va JavaScriptsiz renderlaymiz.
Adsorbsion sovutish tizimlari va issiqlik nasoslarining bozor ulushi an'anaviy kompressor tizimlariga nisbatan hali ham nisbatan kichik. Arzon issiqlikdan (qimmat elektr ishlari o'rniga) foydalanishning katta afzalligiga qaramay, adsorbsiya tamoyillariga asoslangan tizimlarni joriy etish hali ham bir nechta maxsus qo'llanmalar bilan cheklangan. Yo'q qilinishi kerak bo'lgan asosiy kamchilik - bu past issiqlik o'tkazuvchanligi va adsorbentning past barqarorligi tufayli solishtirma quvvatning pasayishi. Zamonaviy tijorat adsorbsion sovutish tizimlari sovutish quvvatini optimallashtirish uchun qoplangan plastinka issiqlik almashtirgichlariga asoslangan adsorberlarga asoslangan. Natijalar yaxshi ma'lumki, qoplama qalinligini kamaytirish massa uzatish empedansining pasayishiga olib keladi va o'tkazuvchan tuzilmalarning sirt maydonining hajmga nisbatini oshirish samaradorlikka putur yetkazmasdan quvvatni oshiradi. Ushbu ishda ishlatiladigan metall tolalar 2500–50 000 m2/m3 oralig'ida ma'lum bir sirt maydonini ta'minlashi mumkin. Qoplamalar ishlab chiqarish uchun metall tolalarni o'z ichiga olgan metall yuzalarda tuz gidratlarining juda yupqa, ammo barqaror qoplamalarini olishning uchta usuli birinchi marta yuqori quvvat zichligidagi issiqlik almashtirgichni namoyish etadi. Alyuminiy anodlashga asoslangan sirt ishlovi qoplama va substrat o'rtasida kuchliroq bog'lanish hosil qilish uchun tanlandi. Olingan sirtning mikrotuzilishi skanerlash elektron mikroskopiyasi yordamida tahlil qilindi. Tahlilda kerakli turlarning mavjudligini tekshirish uchun kamaytirilgan to'liq aks ettirish Furye konvertatsiyasi infraqizil spektroskopiyasi va energiya dispersiyasi rentgen spektroskopiyasi qo'llanildi. Ularning gidrat hosil qilish qobiliyati kombinatsiyalangan termogravimetrik tahlil (TGA)/differentsial termogravimetrik tahlil (DTG) yordamida tasdiqlandi. MgSO4 qoplamasida 0,07 g (suv)/g (kompozit) dan yuqori sifatsiz modda topildi, taxminan 60 °C da suvsizlanish belgilarini ko'rsatdi va qayta gidratatsiyadan keyin takrorlanishi mumkin. SrCl2 va ZnSO4 bilan ham 100 °C dan pastda taxminan 0,02 g/g massa farqi bilan ijobiy natijalarga erishildi. Qoplamaning barqarorligi va yopishishini oshirish uchun qo'shimcha sifatida gidroksietilsellyuloza tanlandi. Mahsulotlarning adsorbsiya xususiyatlari bir vaqtning o'zida TGA-DTG yordamida baholandi va ularning yopishishi ISO2409 da tasvirlangan sinovlarga asoslangan usul bilan tavsiflandi. CaCl2 qoplamasining konsistensiyasi va yopishishi 100 °C dan past haroratlarda taxminan 0,1 g/g og'irlik farqi bilan adsorbsiya qobiliyatini saqlab qolish bilan birga sezilarli darajada yaxshilanadi. Bundan tashqari, MgSO4 gidratlar hosil qilish qobiliyatini saqlab qoladi va 100 °C dan past haroratlarda 0,04 g/g dan ortiq massa farqini ko'rsatadi. Nihoyat, qoplangan metall tolalar tekshiriladi. Natijalar shuni ko'rsatadiki, Al2(SO4)3 bilan qoplangan tola tuzilishining samarali issiqlik o'tkazuvchanligi sof Al2(SO4)3 hajmiga nisbatan 4,7 baravar yuqori bo'lishi mumkin. O'rganilgan qoplamalarning qoplamasi vizual ravishda tekshirildi va ichki tuzilishi kesimlarning mikroskopik tasviri yordamida baholandi. Taxminan 50 µm qalinlikdagi Al2(SO4)3 qoplamasi olindi, ammo yanada tekis taqsimlanish uchun umumiy jarayon optimallashtirilishi kerak.
So'nggi bir necha o'n yilliklar davomida adsorbsiya tizimlari an'anaviy siqishni issiqlik nasoslari yoki sovutish tizimlariga ekologik jihatdan qulay alternativa taqdim etgani uchun katta e'tiborga sazovor bo'ldi. Qulaylik standartlari va global o'rtacha haroratning oshishi bilan adsorbsiya tizimlari yaqin kelajakda qazilma yoqilg'ilarga bog'liqlikni kamaytirishi mumkin. Bundan tashqari, adsorbsiya sovutish yoki issiqlik nasoslaridagi har qanday yaxshilanishlar issiqlik energiyasini saqlashga o'tkazilishi mumkin, bu esa birlamchi energiyadan samarali foydalanish salohiyatining qo'shimcha oshishini anglatadi. Adsorbsiya issiqlik nasoslari va sovutish tizimlarining asosiy afzalligi shundaki, ular past issiqlik massasi bilan ishlay oladi. Bu ularni quyosh energiyasi yoki chiqindi issiqlik kabi past haroratli manbalar uchun mos qiladi. Energiyani saqlash qo'llanilishi nuqtai nazaridan, adsorbsiya sezgir yoki yashirin issiqlik saqlashga nisbatan yuqori energiya zichligi va kamroq energiya tarqalishi afzalliklariga ega.
Adsorbsiya issiqlik nasoslari va sovutish tizimlari bug' siqish analoglari bilan bir xil termodinamik siklga amal qiladi. Asosiy farq kompressor komponentlarini adsorberlar bilan almashtirishdir. Element past bosimli sovutgich bug'ini o'rtacha haroratda adsorbsiyalashga qodir, hatto suyuqlik sovuq bo'lsa ham ko'proq sovutgichni bug'latadi. Adsorbsiya entalpiyasini (ekzoterm) istisno qilish uchun adsorberning doimiy sovishini ta'minlash kerak. Adsorber yuqori haroratda qayta tiklanadi, bu esa sovutgich bug'ining desorbsiyasiga olib keladi. Desorbsiya entalpiyasini (endotermik) ta'minlash uchun isitish davom etishi kerak. Adsorbsiya jarayonlari harorat o'zgarishi bilan tavsiflanganligi sababli, yuqori quvvat zichligi yuqori issiqlik o'tkazuvchanligini talab qiladi. Biroq, past issiqlik o'tkazuvchanligi ko'pgina qo'llanmalarda asosiy kamchilik hisoblanadi.
O'tkazuvchanlikning asosiy muammosi adsorbsiya/desorbsiya bug'lari oqimini ta'minlaydigan transport yo'lini saqlab qolish bilan birga uning o'rtacha qiymatini oshirishdir. Bunga erishish uchun odatda ikkita yondashuv qo'llaniladi: kompozit issiqlik almashinuvchilari va qoplangan issiqlik almashinuvchilari. Eng mashhur va muvaffaqiyatli kompozit materiallar uglerod asosidagi qo'shimchalardan, ya'ni kengaytirilgan grafit, faollashtirilgan uglerod yoki uglerod tolalaridan foydalanadigan materiallardir. Oliveira va boshqalar 2 kengaytirilgan grafit kukunini kaltsiy xlorid bilan singdirib, 306 Vt/kg gacha bo'lgan maxfiy sovutish quvvati (SCP) va 0,46 gacha ishlash koeffitsienti (COP) bo'lgan adsorber ishlab chiqarishdi. Zajaczkowski va boshqalar 3 kengaytirilgan grafit, uglerod tolasi va kaltsiy xloridning umumiy o'tkazuvchanligi 15 Vt/mK bo'lgan kombinatsiyasini taklif qilishdi. Jian va boshqalar 4 kompozitlarni ikki bosqichli adsorbsiya sovutish siklida substrat sifatida sulfat kislota bilan ishlov berilgan kengaytirilgan tabiiy grafit (ENG-TSA) bilan sinovdan o'tkazdilar. Model COPni 0,215 dan 0,285 gacha va SCPni 161,4 dan 260,74 Vt/kg gacha bashorat qildi.
Hozircha eng samarali yechim qoplamali issiqlik almashtirgichdir. Ushbu issiqlik almashtirgichlarning qoplama mexanizmlarini ikki toifaga bo'lish mumkin: to'g'ridan-to'g'ri sintez va yopishtiruvchi moddalar. Eng muvaffaqiyatli usul to'g'ridan-to'g'ri sintez bo'lib, u tegishli reagentlardan issiqlik almashtirgichlar yuzasida to'g'ridan-to'g'ri adsorbsiyalovchi materiallarni hosil qilishni o'z ichiga oladi. Sotech5 Fahrenheit GmbH tomonidan ishlab chiqarilgan bir qator sovutgichlarda foydalanish uchun qoplamali seolitni sintez qilish usulini patentladi. Schnabel va boshqalar6 zanglamaydigan po'lat bilan qoplangan ikkita seolitning ishlashini sinovdan o'tkazdilar. Biroq, bu usul faqat ma'lum adsorbentlar bilan ishlaydi, bu esa yopishtiruvchi moddalar bilan qoplamani qiziqarli alternativa qiladi. Bog'lovchi moddalar sorbent yopishishini va/yoki massa uzatishni qo'llab-quvvatlash uchun tanlangan passiv moddalardir, ammo adsorbsiya yoki o'tkazuvchanlikni oshirishda hech qanday rol o'ynamaydi. Freni va boshqalar. Loy asosidagi bog'lovchi bilan stabillashtirilgan AQSOA-Z02 seolitli 7 ta qoplangan alyuminiy issiqlik almashtirgich. Calabrese va boshqalar8 polimer bog'lovchilar bilan seolit ​​qoplamalarini tayyorlashni o'rganishdi. Ammann va boshqalar9 polivinil spirtining magnit aralashmalaridan g'ovakli zeolit ​​qoplamalarini tayyorlash usulini taklif qilishdi. Alumina (alyuminiy oksidi) adsorberda 10 bog'lovchi sifatida ham ishlatiladi. Bizning ma'lumotimizga ko'ra, tsellyuloza va gidroksietil tsellyuloza faqat fizik adsorbentlar bilan birgalikda ishlatiladi11,12. Ba'zan yelim bo'yoq uchun ishlatilmaydi, balki 13-strukturani mustaqil ravishda qurish uchun ishlatiladi. Alginat polimer matritsalarining bir nechta tuz gidratlari bilan kombinatsiyasi quritish paytida oqishning oldini oladigan va etarli massa almashinuvini ta'minlaydigan moslashuvchan kompozit boncuk tuzilmalarini hosil qiladi. Bentonit va attapulgit kabi gil kompozitlarni tayyorlash uchun bog'lovchi sifatida ishlatilgan15,16,17. Etiltsellyuloza kaltsiy xlorid18 yoki natriy sulfid19 ni mikrokapsulyatsiya qilish uchun ishlatilgan.
G'ovakli metall tuzilishga ega kompozitlarni qo'shimcha issiqlik almashinuvchilari va qoplamali issiqlik almashinuvchilarga bo'lish mumkin. Bu tuzilmalarning afzalligi yuqori solishtirma sirt maydonidir. Bu adsorbent va metall o'rtasida inert massa qo'shilmasdan kattaroq kontakt yuzasiga olib keladi, bu esa sovutish siklining umumiy samaradorligini pasaytiradi. Lang va boshqalar 20 alyuminiy ko'plab chuqurchalar tuzilishga ega zeolit ​​adsorberining umumiy o'tkazuvchanligini yaxshiladilar. Gillerminot va boshqalar 21 mis va nikel ko'pik bilan NaX zeolit ​​qatlamlarining issiqlik o'tkazuvchanligini yaxshiladilar. Kompozitlar faza o'zgarishi materiallari (PCM) sifatida ishlatilsa-da, Li va boshqalar 22 va Zhao va boshqalar 23 ning topilmalari ham xemosorbsiya uchun qiziqarlidir. Ular kengaytirilgan grafit va metall ko'pikning ishlashini taqqoslashdi va ikkinchisi faqat korroziya muammo bo'lmagan taqdirda afzalroq degan xulosaga kelishdi. Palomba va boshqalar yaqinda boshqa metall g'ovakli tuzilmalarni taqqoslashdi24. Van der Pal va boshqalar ko'piklarga singdirilgan metall tuzlarini o'rganishdi25. Oldingi barcha misollar zarrachali adsorbentlarning zich qatlamlariga mos keladi. Metall g'ovakli konstruksiyalar adsorberlarni qoplash uchun deyarli qo'llanilmaydi, bu esa eng maqbul yechimdir. Zeolitlarga bog'lanish misolini Wittstadt va boshqalar 26 da topish mumkin, ammo ularning yuqori energiya zichligiga qaramay, tuz gidratlarini bog'lashga urinish amalga oshirilmagan 27.
Shunday qilib, ushbu maqolada adsorbent qoplamalarini tayyorlashning uchta usuli ko'rib chiqiladi: (1) bog'lovchi qoplama, (2) to'g'ridan-to'g'ri reaksiya va (3) sirtni qayta ishlash. Gidroksietiltsellyuloza ushbu ishda avval xabar qilingan barqarorlik va fizik adsorbentlar bilan birgalikda yaxshi qoplama yopishishi tufayli tanlangan bog'lovchi bo'ldi. Ushbu usul dastlab tekis qoplamalar uchun o'rganilgan va keyinchalik metall tolali konstruksiyalarga qo'llanilgan. Ilgari adsorbent qoplamalarining hosil bo'lishi bilan kimyoviy reaksiyalar ehtimoli bo'yicha dastlabki tahlil xabar qilingan edi. Endi metall tolali konstruksiyalarni qoplashga avvalgi tajriba o'tkazilmoqda. Ushbu ish uchun tanlangan sirtni qayta ishlash alyuminiy anodlashga asoslangan usuldir. Alyuminiy anodlash estetik maqsadlar uchun metall tuzlari bilan muvaffaqiyatli birlashtirilgan29. Bunday hollarda juda barqaror va korroziyaga chidamli qoplamalar olinishi mumkin. Biroq, ular hech qanday adsorbsiya yoki desorbsiya jarayonini amalga oshira olmaydi. Ushbu maqolada asl jarayonning yopishqoq xususiyatlaridan foydalangan holda massani harakatlantirishga imkon beradigan ushbu yondashuvning bir varianti keltirilgan. Bizning bilishimcha, bu yerda tasvirlangan usullarning hech biri ilgari o'rganilmagan. Ular juda qiziqarli yangi texnologiyani ifodalaydi, chunki ular tez-tez o'rganiladigan fizik adsorbentlar bo'yicha bir qator afzalliklarga ega bo'lgan gidratlangan adsorbent qoplamalarini hosil qilish imkonini beradi.
Ushbu tajribalar uchun substrat sifatida ishlatilgan shtamplangan alyuminiy plitalar Chexiya Respublikasining ALINVEST Břidličná kompaniyasi tomonidan taqdim etilgan. Ular tarkibida 98,11% alyuminiy, 1,3622% temir, 0,3618% marganets va mis, magniy, kremniy, titan, rux, xrom va nikel izlari mavjud.
Kompozitlarni ishlab chiqarish uchun tanlangan materiallar ularning termodinamik xususiyatlariga muvofiq, ya'ni 120°C dan past haroratlarda adsorbsiyalash/desorbsiyalash mumkin bo'lgan suv miqdoriga qarab tanlanadi.
Magniy sulfati (MgSO4) eng qiziqarli va o'rganilgan gidratlangan tuzlardan biridir30,31,32,33,34,35,36,37,38,39,40,41. Termodinamik xususiyatlar tizimli ravishda o'lchandi va adsorbsion sovutish, issiqlik nasoslari va energiya saqlash sohalarida qo'llanilishi mumkinligi aniqlandi. Quruq magniy sulfati CAS-Nr.7487-88-9 99% (Grüssing GmbH, Filsum, Niedersachsen, Germaniya) ishlatilgan.
Kaltsiy xlorid (CaCl2) (H319) yana bir yaxshi o'rganilgan tuzdir, chunki uning gidrati qiziqarli termodinamik xususiyatlarga ega41,42,43,44. Kaltsiy xlorid geksagidrat CAS-№ 7774-34-7 97% ishlatilgan (Grüssing, GmbH, Filsum, Niedersachsen, Germaniya).
Rux sulfati (ZnSO4) (H3O2, H318, H410) va uning gidratlari past haroratli adsorbsiya jarayonlari uchun mos termodinamik xususiyatlarga ega45,46. Rux sulfat geptahidrati CAS-Nr.7733-02-0 99.5% (Grüssing GmbH, Filsum, Niedersachsen, Germaniya) ishlatilgan.
Stronsiy xlorid (SrCl2) (H318) ham qiziqarli termodinamik xususiyatlarga ega4,45,47 garchi u adsorbsion issiqlik nasosida yoki energiya saqlash tadqiqotlarida ko'pincha ammiak bilan birlashtirilsa ham. Sintez uchun stronsiy xlorid geksagidrat CAS-Nr.10.476-85-4 99.0–102.0% (Sigma Aldrich, Sent-Luis, Missuri, AQSh) ishlatilgan.
Mis sulfat (CuSO4) (H302, H315, H319, H410) professional adabiyotlarda tez-tez uchraydigan gidratlar qatoriga kirmaydi, garchi uning termodinamik xususiyatlari past haroratli dasturlar uchun qiziqish uyg'otsa ham48,49. Sintez uchun mis sulfat CAS-Nr.7758-99-8 99% (Sigma Aldrich, Sent-Luis, MO, AQSh) ishlatilgan.
Magniy xlorid (MgCl2) issiqlik energiyasini saqlash sohasida yaqinda ko'proq e'tiborga sazovor bo'lgan gidratlangan tuzlardan biridir50,51. Tajribalar uchun CAS-Nr.7791-18-6 sof farmatsevtik navli magniy xlorid geksagidrat (Applichem GmbH., Darmshtadt, Germaniya) ishlatilgan.
Yuqorida aytib o'tilganidek, gidroksietil tsellyuloza shunga o'xshash qo'llanmalarda ijobiy natijalar tufayli tanlangan. Sintezimizda ishlatiladigan material gidroksietil tsellyuloza CAS-Nr 9004-62-0 (Sigma Aldrich, Sent-Luis, MO, AQSh).
Metall tolalar siqish va sinterlash orqali bir-biriga bog'langan qisqa simlardan tayyorlanadi, bu jarayon tigel eritmasini ekstraktsiya qilish (CME)52 deb nomlanadi. Bu shuni anglatadiki, ularning issiqlik o'tkazuvchanligi nafaqat ishlab chiqarishda ishlatiladigan metallarning hajm o'tkazuvchanligiga va yakuniy strukturaning g'ovakliligiga, balki iplar orasidagi bog'lanish sifatiga ham bog'liq. Tolalar izotrop emas va ishlab chiqarish jarayonida ma'lum bir yo'nalishda taqsimlanishga moyil bo'ladi, bu esa ko'ndalang yo'nalishda issiqlik o'tkazuvchanligini ancha past qiladi.
Suvni yutish xususiyatlari vakuumli paketda (Netzsch TG 209 F1 Libra) bir vaqtning o'zida termogravimetrik tahlil (TGA)/differentsial termogravimetrik tahlil (DTG) yordamida o'rganildi. O'lchovlar alyuminiy oksidi tigellarida 10 ml/min oqim tezligida va 25 dan 150°C gacha harorat oralig'ida oqayotgan azot atmosferasida amalga oshirildi. Isitish tezligi 1 °C/min, namunaning og'irligi 10 dan 20 mg gacha o'zgarib turdi, o'lchamlari 0,1 mkg edi. Ushbu ishda shuni ta'kidlash kerakki, birlik yuzasiga massa farqi katta noaniqlikka ega. TGA-DTG da ishlatiladigan namunalar juda kichik va tartibsiz kesilgan, bu ularning maydonini aniqlashni noto'g'ri qiladi. Bu qiymatlarni faqat katta og'ishlar hisobga olingan taqdirdagina katta maydonga ekstrapolyatsiya qilish mumkin.
Zaiflashtirilgan to'liq aks ettirish Furye konvertatsiyasi infraqizil (ATR-FTIR) spektrlari Bruker Vertex 80 v FTIR spektrometrida (Bruker Optik GmbH, Leyptsig, Germaniya) ATR platina aksessuari (Bruker Optik GmbH, Germaniya) yordamida olingan. Sof quruq olmos kristallarining spektrlari namunalarni eksperimental o'lchovlar uchun fon sifatida ishlatishdan oldin to'g'ridan-to'g'ri vakuumda o'lchandi. Namunalar vakuumda 2 sm-1 spektral o'lcham va o'rtacha skanerlash soni 32 yordamida o'lchandi. To'lqin soni 8000 dan 500 sm-1 gacha. Spektral tahlil OPUS dasturi yordamida amalga oshirildi.
SEM tahlili Zeiss kompaniyasining DSM 982 Gemini yordamida 2 va 5 kV tezlashtiruvchi kuchlanishlarda amalga oshirildi. Energiya dispersiyasi rentgen spektroskopiyasi (EDX) Peltier sovutilgan kremniy drift detektori (SSD) bilan Thermo Fischer System 7 yordamida amalga oshirildi.
Metall plitalarni tayyorlash 53-bandda tasvirlangan protseduraga o'xshash tarzda amalga oshirildi. Avval plastinka 50% li sulfat kislotaga 15 daqiqa botiriladi. Keyin ular taxminan 10 soniya davomida 1 M natriy gidroksid eritmasiga kiritiladi. Keyin namunalar ko'p miqdorda distillangan suv bilan yuviladi va keyin 30 daqiqa davomida distillangan suvda namlanadi. Dastlabki sirt ishlov berilgandan so'ng, namunalar 3% to'yingan eritmaga botiriladi. HEC va nishon tuzi. Nihoyat, ularni olib, 60°C da quriting.
Anodlash usuli passiv metalldagi tabiiy oksid qatlamini kuchaytiradi va mustahkamlaydi. Alyuminiy panellar qotib qolgan holatda sulfat kislota bilan anodlangan va keyin issiq suvda muhrlangan. Anodlash 1 mol/l NaOH (600 s) bilan dastlabki o'yishdan so'ng, keyin 1 mol/l HNO3 (60 s) da neytrallashdan so'ng amalga oshirildi. Elektrolit eritmasi 2,3 M H2SO4, 0,01 M Al2(SO4)3 va 1 M MgSO4 + 7H2O aralashmasidir. Anodlash (40 ± 1)°C, 30 mA/sm2 da 1200 soniya davomida amalga oshirildi. Muhrlash jarayoni materiallarda tasvirlanganidek (MgSO4, CaCl2, ZnSO4, SrCl2, CuSO4, MgCl2) turli xil sho'r suv eritmalarida amalga oshirildi. Namuna unda 1800 soniya davomida qaynatiladi.
Kompozitlarni ishlab chiqarishning uch xil usuli o'rganildi: yopishqoq qoplama, to'g'ridan-to'g'ri reaksiya va sirtni qayta ishlash. Har bir o'qitish usulining afzalliklari va kamchiliklari tizimli ravishda tahlil qilinadi va muhokama qilinadi. Natijalarni baholash uchun to'g'ridan-to'g'ri kuzatish, nanotasvirlash va kimyoviy/elementar tahlil qo'llanildi.
Anodlash tuz gidratlarining yopishishini oshirish uchun konversiya sirtini qayta ishlash usuli sifatida tanlandi. Ushbu sirtni qayta ishlash to'g'ridan-to'g'ri alyuminiy yuzasida alyuminiy oksidining (alyuminiy oksidi) g'ovak tuzilishini yaratadi. An'anaga ko'ra, bu usul ikki bosqichdan iborat: birinchi bosqich alyuminiy oksidining g'ovak tuzilishini yaratadi va ikkinchi bosqich teshiklarni yopadigan alyuminiy gidroksid qoplamasini yaratadi. Quyida gaz fazasiga kirishni to'sib qo'ymasdan tuzni blokirovka qilishning ikkita usuli keltirilgan. Birinchisi, adsorbent kristallarini ushlab turish va uning metall yuzalarga yopishishini oshirish uchun birinchi bosqichda olingan kichik alyuminiy oksidi (Al2O3) naychalaridan foydalanadigan ko'plab chuqurchalar tizimidan iborat. Olingan chuqurchalarning diametri taxminan 50 nm va uzunligi 200 nm (1a-rasm). Avval aytib o'tilganidek, bu bo'shliqlar odatda ikkinchi bosqichda alyuminiy oksidi naychasining qaynatish jarayoni bilan qo'llab-quvvatlanadigan yupqa Al2O(OH)2 boehmit qatlami bilan yopiladi. Ikkinchi usulda, bu muhrlash jarayoni shunday o'zgartiriladiki, tuz kristallari bir tekis qoplovchi boehmit (Al2O(OH)) qatlamida ushlanib qoladi, bu esa bu holda muhrlash uchun ishlatilmaydi. Ikkinchi bosqich mos keladigan tuzning to'yingan eritmasida amalga oshiriladi. Ta'riflangan naqshlarning o'lchamlari 50–100 nm oralig'ida va sachragan tomchilarga o'xshaydi (1b-rasm). Muhrlash jarayoni natijasida olingan sirt aniq fazoviy tuzilishga ega bo'lib, aloqa maydoni kattalashgan. Ushbu sirt naqshlari, ularning ko'plab bog'lanish konfiguratsiyalari bilan birgalikda, tuz kristallarini tashish va ushlab turish uchun idealdir. Ta'riflangan ikkala struktura ham chinakam g'ovakli bo'lib ko'rinadi va adsorber ishlayotganda tuz gidratlarini ushlab turish va bug'larni tuzga adsorbsiyalash uchun juda mos keladigan kichik bo'shliqlarga ega. Biroq, EDX yordamida ushbu sirtlarni elementar tahlil qilish boehmit yuzasida magniy va oltingugurtning iz miqdorini aniqlashi mumkin, ular alyuminiy oksidi yuzasi holatida aniqlanmaydi.
Namunaning ATR-FTIR elementi magniy sulfati ekanligini tasdiqladi (2b-rasmga qarang). Spektrda 610–680 va 1080–1130 sm–1 da xarakterli sulfat ion cho'qqilari va 1600–1700 sm–1 va 3200–3800 sm–1 da xarakterli panjara suv cho'qqilari ko'rsatilgan (2a, c-rasmga qarang). Magniy ionlarining mavjudligi spektrni deyarli o'zgartirmaydi54.
(a) Boemit bilan qoplangan MgSO4 alyuminiy plastinkasining EDX, (b) Boemit va MgSO4 qoplamalarining ATR-FTIR spektrlari, (c) Sof MgSO4 ning ATR-FTIR spektrlari.
Adsorbsiya samaradorligining saqlanib qolishi TGA tomonidan tasdiqlandi. 3b-rasmda taxminan 60°C desorbsiya cho'qqisi ko'rsatilgan. Bu cho'qqi sof tuzning TGA da kuzatilgan ikkita cho'qqining haroratiga mos kelmaydi (3a-rasm). Adsorbsiya-desorbsiya siklining takrorlanishi baholandi va namunalar nam atmosferaga joylashtirilgandan so'ng xuddi shunday egri chiziq kuzatildi (3c-rasm). Desorbsiyaning ikkinchi bosqichida kuzatilgan farqlar oqayotgan atmosferada suvsizlanish natijasi bo'lishi mumkin, chunki bu ko'pincha to'liq bo'lmagan suvsizlanishga olib keladi. Bu qiymatlar birinchi suvsizlantirishda taxminan 17,9 g/m2 va ikkinchi suvsizlantirishda 10,3 g/m2 ga to'g'ri keladi.
Boehmit va MgSO4 ning TGA tahlilini taqqoslash: sof MgSO4 ning (a), aralashmaning (b) va regidratatsiyadan keyingi (c) TGA tahlili.
Xuddi shu usul adsorbent sifatida kaltsiy xlorid bilan amalga oshirildi. Natijalar 4-rasmda keltirilgan. Sirtni vizual tekshirish metall porlashida kichik o'zgarishlarni aniqladi. Mo'yna deyarli ko'rinmaydi. SEM sirt bo'ylab teng taqsimlangan kichik kristallar mavjudligini tasdiqladi. Biroq, TGA 150°C dan past haroratda suvsizlanishni ko'rsatmadi. Buning sababi, TGA tomonidan aniqlash uchun tuzning ulushi substratning umumiy massasiga nisbatan juda kichik bo'lishi mumkin.
Mis sulfat qoplamasini anodlash usuli bilan sirt ishlov berish natijalari 5-rasmda ko'rsatilgan. Bu holda, CuSO4 ning Al oksidi tuzilishiga kiritilishi kutilmadi. Buning o'rniga, odatda firuza bo'yoqlari bilan ishlatiladigan mis gidroksid Cu(OH)2 uchun ishlatiladigan bo'shashgan ignalar kuzatiladi.
Anodlangan sirt ishlovi stronsiy xlorid bilan birgalikda ham sinovdan o'tkazildi. Natijalar notekis qoplamani ko'rsatdi (6a-rasmga qarang). Tuz butun sirtni qoplaganmi yoki yo'qligini aniqlash uchun EDX tahlili o'tkazildi. Kulrang sohadagi nuqta uchun egri chiziq (6b-rasmdagi 1-nuqta) stronsiyning kam miqdorini va alyuminiyning ko'pligini ko'rsatadi. Bu o'lchangan zonada stronsiyning past miqdorini ko'rsatadi, bu esa o'z navbatida stronsiy xloridning past miqdorini ko'rsatadi. Aksincha, oq sohalarda stronsiyning yuqori miqdori va alyuminiyning past miqdori mavjud (6b-rasmdagi 2-6 nuqtalar). Oq sohaning EDX tahlili quyuqroq nuqtalarni (6b-rasmdagi 2 va 4 nuqtalar), xlorning kamligi va oltingugurtning yuqori miqdorini ko'rsatadi. Bu stronsiy sulfatning hosil bo'lishini ko'rsatishi mumkin. Yorqinroq nuqtalar yuqori xlor miqdori va past oltingugurt miqdorini aks ettiradi (6b-rasmdagi 3, 5 va 6 nuqtalar). Buni oq qoplamaning asosiy qismi kutilgan stronsiy xloriddan iboratligi bilan izohlash mumkin. Namunaning TGAsi sof stronsiy xloridning xarakterli haroratida cho'qqi bilan tahlil talqinini tasdiqladi (6c-rasm). Ularning kichik qiymatini metall tayanch massasiga nisbatan tuzning kichik bir qismi bilan oqlash mumkin. Tajribalarda aniqlangan desorbsiya massasi 150°C haroratda adsorberning birlik maydoniga berilgan 7,3 g/m2 miqdoriga to'g'ri keladi.
Eloksal bilan ishlov berilgan rux sulfat qoplamalari ham sinovdan o'tkazildi. Makroskopik jihatdan qoplama juda yupqa va bir xil qatlamdir (7a-rasm). Biroq, SEM bo'sh joylar bilan ajratilgan kichik kristallar bilan qoplangan sirt maydonini aniqladi (7b-rasm). Qoplama va substratning TGA qiymati sof tuzning TGA qiymati bilan taqqoslandi (7c-rasm). Sof tuz 59,1°C da bitta assimetrik cho'qqiga ega. Qoplangan alyuminiy 55,5°C va 61,3°C da ikkita kichik cho'qqini ko'rsatdi, bu rux sulfat gidratining mavjudligini ko'rsatadi. Tajribada aniqlangan massa farqi 150°C suvsizlanish haroratida 10,9 g/m2 ga to'g'ri keladi.
Avvalgi qo'llanmada bo'lgani kabi53, gidroksietil tsellyuloza sorbent qoplamasining yopishishi va barqarorligini yaxshilash uchun bog'lovchi sifatida ishlatilgan. Materialning mosligi va adsorbsiya ko'rsatkichlariga ta'siri TGA tomonidan baholandi. Tahlil umumiy massaga nisbatan amalga oshiriladi, ya'ni namunada qoplama substrati sifatida ishlatiladigan metall plastinka mavjud. Yopishqoqlik ISO2409 spetsifikatsiyasida belgilangan o'zaro kesishish sinoviga asoslangan sinov orqali sinovdan o'tkaziladi (spetsifikatsiya qalinligi va kengligiga qarab kesishish ajratish spetsifikatsiyasiga javob bera olmaydi).
Panellarni kaltsiy xlorid (CaCl2) bilan qoplash (8a-rasmga qarang) notekis taqsimlanishlarga olib keldi, bu ko'ndalang kesma sinovi uchun ishlatilgan sof alyuminiy qoplamasida kuzatilmadi. Sof CaCl2 natijalari bilan taqqoslaganda, TGA (8b-rasm) mos ravishda 40 va 20°C past haroratlarga siljigan ikkita xarakterli cho'qqini ko'rsatadi. Ko'ndalang kesim sinovi ob'ektiv taqqoslashga imkon bermaydi, chunki sof CaCl2 namunasi (8c-rasmdagi o'ngdagi namuna) eng yuqori zarrachalarni olib tashlaydigan kukunsimon cho'kma hisoblanadi. HEC natijalari qoniqarli yopishishga ega juda yupqa va bir xil qoplamani ko'rsatdi. 8b-rasmda ko'rsatilgan massa farqi 150°C haroratda adsorberning birlik maydoniga 51,3 g/m2 ga to'g'ri keladi.
Magniy sulfati (MgSO4) bilan ham yopishish va bir xillik jihatidan ijobiy natijalarga erishildi (9-rasmga qarang). Qoplamaning desorbsiya jarayonini tahlil qilish taxminan 60°C ga teng bitta cho'qqining mavjudligini ko'rsatdi. Bu harorat sof tuzlarning suvsizlanishida kuzatiladigan asosiy desorbsiya bosqichiga mos keladi, bu 44°C da yana bir bosqichni ifodalaydi. Bu geksahidratdan pentahidratga o'tishga mos keladi va bog'lovchi moddalar bilan qoplangan qoplamalarda kuzatilmaydi. Kesish sinovlari sof tuz yordamida tayyorlangan qoplamalarga nisbatan yaxshilangan taqsimot va yopishishni ko'rsatadi. TGA-DTC da kuzatilgan massa farqi 150°C haroratda adsorberning birlik maydoniga 18,4 g/m2 ga to'g'ri keladi.
Sirt notekisligi tufayli stronsiy xlorid (SrCl2) qanotchalarida notekis qoplamaga ega (10a-rasm). Biroq, ko'ndalang kesma sinovi natijalari sezilarli darajada yaxshilangan yopishish bilan bir xil taqsimlanishni ko'rsatdi (10c-rasm). TGA tahlili og'irlikda juda kichik farqni ko'rsatdi, bu metall substratga nisbatan tuz miqdorining pastligi bilan bog'liq bo'lishi kerak. Biroq, egri chiziqdagi qadamlar suvsizlanish jarayonining mavjudligini ko'rsatadi, garchi cho'qqi sof tuzni tavsiflashda olingan harorat bilan bog'liq bo'lsa ham. 10b-rasmlarda kuzatilgan 110°C va 70,2°C da cho'qqilar sof tuzni tahlil qilishda ham topilgan. Biroq, 50°C da sof tuzda kuzatilgan asosiy suvsizlanish bosqichi bog'lovchi yordamida egri chiziqlarda aks etmadi. Aksincha, bog'lovchi aralashmasi 20,2°C va 94,1°C da ikkita cho'qqini ko'rsatdi, ular sof tuz uchun o'lchanmadi (10b-rasm). 150 °C haroratda kuzatilgan massa farqi adsorberning har bir birlik maydoniga 7,2 g/m2 ga to'g'ri keladi.
HEC va rux sulfati (ZnSO4) ning kombinatsiyasi maqbul natijalarni bermadi (11-rasm). Qoplangan metallning TGA tahlili hech qanday suvsizlanish jarayonlarini aniqlamadi. Qoplamaning tarqalishi va yopishishi yaxshilangan bo'lsa-da, uning xususiyatlari hali ham optimal darajadan uzoq.
Metall tolalarni yupqa va bir xil qatlam bilan qoplashning eng oddiy usuli - bu nam emdirish (12a-rasm), bu maqsadli tuzni tayyorlash va metall tolalarni suvli eritma bilan emdirishni o'z ichiga oladi.
Nam singdirishga tayyorgarlik ko'rishda ikkita asosiy muammoga duch keladi. Bir tomondan, sho'r eritmaning sirt tarangligi suyuqlikning g'ovakli tuzilishga to'g'ri kirishiga to'sqinlik qiladi. Tashqi yuzadagi kristallanish (12d-rasm) va struktura ichida qolib ketgan havo pufakchalari (12c-rasm) faqat sirt tarangligini pasaytirish va namunani distillangan suv bilan oldindan namlash orqali kamaytirilishi mumkin. Namuna ichidagi havoni evakuatsiya qilish yoki strukturada eritma oqimini yaratish orqali majburiy eritish strukturaning to'liq to'ldirilishini ta'minlashning boshqa samarali usullari hisoblanadi.
Tayyorlash jarayonida duch kelgan ikkinchi muammo tuzning bir qismidan plyonkani olib tashlash edi (12b-rasmga qarang). Bu hodisa eritish yuzasida quruq qoplama hosil bo'lishi bilan tavsiflanadi, bu konvektiv ravishda stimulyatsiya qilingan quritishni to'xtatadi va diffuziya bilan stimulyatsiya qilingan jarayonni boshlaydi. Ikkinchi mexanizm birinchisiga qaraganda ancha sekinroq. Natijada, oqilona quritish vaqti uchun yuqori harorat talab qilinadi, bu esa namunaning ichida pufakchalar paydo bo'lish xavfini oshiradi. Bu muammo konsentratsiya o'zgarishiga (bug'lanish) emas, balki harorat o'zgarishiga asoslangan muqobil kristallanish usulini joriy etish orqali hal qilinadi (13-rasmdagi MgSO4 misolida bo'lgani kabi).
MgSO4 yordamida qattiq va suyuq fazalarni sovutish va ajratish jarayonida kristallanish jarayonining sxematik tasviri.
To'yingan tuz eritmalarini ushbu usul yordamida xona haroratida (HT) yoki undan yuqori haroratda tayyorlash mumkin. Birinchi holda, haroratni xona haroratidan pastga tushirish orqali kristallanish majburiy ravishda amalga oshirildi. Ikkinchi holda, namuna xona haroratiga (RT) sovutilganda kristallanish sodir bo'ldi. Natijada kristallar (B) va erigan (A) aralashmasi hosil bo'ladi, uning suyuq qismi siqilgan havo bilan olib tashlanadi. Bu yondashuv nafaqat bu gidratlarda plyonka hosil bo'lishining oldini oladi, balki boshqa kompozitlarni tayyorlash uchun zarur bo'lgan vaqtni ham qisqartiradi. Biroq, suyuqlikni siqilgan havo bilan olib tashlash tuzning qo'shimcha kristallanishiga olib keladi va natijada qalinroq qoplama hosil bo'ladi.
Metall sirtlarni qoplash uchun ishlatilishi mumkin bo'lgan yana bir usul kimyoviy reaksiyalar orqali maqsadli tuzlarni to'g'ridan-to'g'ri ishlab chiqarishni o'z ichiga oladi. Oldingi tadqiqotimizda xabar qilinganidek, qanotlar va naychalarning metall yuzalarida kislotalarning reaksiyasi natijasida hosil bo'lgan qoplamali issiqlik almashinuvchilari bir qator afzalliklarga ega. Ushbu usulni tolalarga qo'llash reaksiya paytida gazlar hosil bo'lishi tufayli juda yomon natijalarga olib keldi. Vodorod gaz pufakchalarining bosimi zond ichida to'planadi va mahsulot chiqarilganda o'zgaradi (14a-rasm).
Qoplama qalinligi va taqsimlanishini yaxshiroq nazorat qilish uchun kimyoviy reaksiya orqali o'zgartirildi. Bu usul namunadan kislotali tuman oqimini o'tkazishni o'z ichiga oladi (14b-rasm). Bu substrat metall bilan reaksiyaga kirishib, bir tekis qoplama hosil bo'lishiga olib kelishi kutilmoqda. Natijalar qoniqarli edi, ammo jarayon samarali usul deb hisoblanishi uchun juda sekin edi (14c-rasm). Mahalliy isitish orqali qisqaroq reaksiya vaqtlariga erishish mumkin.
Yuqoridagi usullarning kamchiliklarini bartaraf etish uchun yopishtiruvchi vositalardan foydalanishga asoslangan qoplama usuli o'rganildi. HEC oldingi bo'limda keltirilgan natijalar asosida tanlandi. Barcha namunalar 3% og'irlikda tayyorlandi. Bog'lovchi tuz bilan aralashtiriladi. Tolalar qovurg'alar bilan bir xil protsedura bo'yicha oldindan ishlov berildi, ya'ni 15 daqiqa ichida 50% vol. sulfat kislotasida namlandi, so'ngra 20 soniya davomida natriy gidroksidda namlandi, distillangan suvda yuvildi va nihoyat 30 daqiqa davomida distillangan suvda namlandi. Bu holda, singdirishdan oldin qo'shimcha qadam qo'shildi. Namunani suyultirilgan maqsadli tuz eritmasiga qisqa vaqtga botiring va taxminan 60°C da quriting. Jarayon metall yuzasini o'zgartirish, oxirgi bosqichda qoplamaning tarqalishini yaxshilaydigan yadrolanish joylarini yaratish uchun mo'ljallangan. Tolali tuzilishning bir tomonida filamentlar ingichka va zich joylashgan, qarama-qarshi tomonida esa filamentlar qalinroq va kamroq tarqalgan. Bu 52 ta ishlab chiqarish jarayonining natijasidir.
Kaltsiy xlorid (CaCl2) uchun natijalar umumlashtirilgan va 1-jadvalda rasmlar bilan ko'rsatilgan. Emlashdan keyin yaxshi qoplama. Hatto yuzasida ko'rinadigan kristallari bo'lmagan iplar ham metall aks ettirishni kamaytirdi, bu esa qoplamaning o'zgarishini ko'rsatadi. Biroq, namunalar CaCl2 va HEC suvli aralashmasi bilan singdirilgandan va taxminan 60°C haroratda quritilgandan so'ng, qoplamalar tuzilmalar kesishmasida to'plangan. Bu eritmaning sirt tarangligi tufayli yuzaga keladigan ta'sir. Namlangandan so'ng, suyuqlik sirt tarangligi tufayli namunaning ichida qoladi. Asosan, bu tuzilmalar kesishmasida sodir bo'ladi. Namunaning eng yaxshi tomonida tuz bilan to'ldirilgan bir nechta teshiklar mavjud. Qoplamadan keyin og'irlik 0,06 g/sm3 ga oshdi.
Magniy sulfat (MgSO4) bilan qoplash birlik hajmga ko'proq tuz hosil qildi (2-jadval). Bu holda, o'lchangan o'sish 0,09 g/sm3 ni tashkil qiladi. Urug'lantirish jarayoni namunalarni keng qoplashga olib keldi. Qoplash jarayonidan so'ng, tuz namunaning yupqa tomonining katta maydonlarini to'sib qo'yadi. Bundan tashqari, matning ba'zi joylari to'sib qo'yiladi, ammo ba'zi g'ovaklilik saqlanib qoladi. Bu holda, tuz hosil bo'lishi tuzilmalar kesishmasida osongina kuzatiladi, bu esa qoplama jarayoni asosan suyuqlikning sirt tarangligi tufayli sodir bo'lishini va tuz va metall substrat o'rtasidagi o'zaro ta'sirga bog'liq emasligini tasdiqlaydi.
Stronsiy xlorid (SrCl2) va HEC kombinatsiyasi natijalari oldingi misollarga o'xshash xususiyatlarni ko'rsatdi (3-jadval). Bu holda, namunaning yupqa tomoni deyarli to'liq qoplangan. Faqat alohida teshiklar ko'rinadi, ular namunadan bug' chiqishi natijasida quritish paytida hosil bo'ladi. Mat tomonda kuzatilgan naqsh avvalgi holatga juda o'xshash, bu joy tuz bilan to'silgan va tolalar to'liq qoplanmagan.
Issiqlik almashtirgichning issiqlik ishlashiga tolali strukturaning ijobiy ta'sirini baholash uchun qoplangan tolali strukturaning samarali issiqlik o'tkazuvchanligi aniqlandi va sof qoplama materiali bilan taqqoslandi. Issiqlik o'tkazuvchanligi ASTM D 5470-2017 standartiga muvofiq 15a-rasmda ko'rsatilgan yassi panelli qurilma yordamida ma'lum issiqlik o'tkazuvchanligiga ega bo'lgan mos yozuvlar materialidan foydalangan holda o'lchandi. Boshqa o'tish davri o'lchash usullari bilan taqqoslaganda, ushbu tamoyil joriy tadqiqotda qo'llaniladigan g'ovakli materiallar uchun foydalidir, chunki o'lchovlar barqaror holatda va yetarli namunaviy o'lchamda (asos maydoni 30 × 30 mm2, balandligi taxminan 15 mm) amalga oshiriladi. Anizotrop issiqlik o'tkazuvchanligining ta'sirini baholash uchun sof qoplama materialining (mos yozuvlar) va qoplangan tola strukturasining namunalari tola yo'nalishi bo'yicha va tola yo'nalishiga perpendikulyar o'lchovlar uchun tayyorlandi. Namunalarni tayyorlash natijasida yuzaga keladigan sirt pürüzlülüğünün ta'sirini minimallashtirish uchun namunalar sirt ustida maydalandi (P320 grit), bu esa namunadagi strukturani aks ettirmaydi.