Cảm ơn bạn đã ghé thăm Nature.com.Phiên bản trình duyệt bạn đang sử dụng có hỗ trợ CSS hạn chế.Để có trải nghiệm tốt nhất, chúng tôi khuyên bạn nên sử dụng trình duyệt cập nhật (hoặc tắt Chế độ tương thích trong Internet Explorer).Trong thời gian chờ đợi, để đảm bảo hỗ trợ liên tục, chúng tôi sẽ hiển thị trang web không có kiểu và JavaScript.
Thị phần của hệ thống lạnh hấp phụ và bơm nhiệt vẫn còn tương đối nhỏ so với hệ thống máy nén truyền thống.Mặc dù có lợi thế rất lớn là sử dụng nhiệt rẻ (thay vì công việc điện đắt tiền), việc triển khai các hệ thống dựa trên nguyên tắc hấp phụ vẫn chỉ giới hạn ở một vài ứng dụng cụ thể.Nhược điểm chính cần được loại bỏ là giảm công suất riêng do độ dẫn nhiệt thấp và độ ổn định thấp của chất hấp phụ.Các hệ thống làm lạnh hấp phụ thương mại hiện đại dựa trên các chất hấp phụ dựa trên các bộ trao đổi nhiệt dạng tấm được phủ để tối ưu hóa khả năng làm mát.Các kết quả đều được biết rõ rằng việc giảm độ dày của lớp phủ dẫn đến giảm trở kháng truyền khối và tăng tỷ lệ diện tích bề mặt trên thể tích của các cấu trúc dẫn điện làm tăng công suất mà không ảnh hưởng đến hiệu suất.Các sợi kim loại được sử dụng trong công việc này có thể cung cấp diện tích bề mặt cụ thể trong khoảng 2500–50.000 m2/m3.Ba phương pháp để có được lớp phủ muối hydrat rất mỏng nhưng ổn định trên bề mặt kim loại, bao gồm cả sợi kim loại, để sản xuất lớp phủ lần đầu tiên chứng minh một bộ trao đổi nhiệt mật độ năng lượng cao.Phương pháp xử lý bề mặt dựa trên quá trình anot hóa nhôm được chọn để tạo liên kết bền hơn giữa lớp phủ và chất nền.Cấu trúc vi mô của bề mặt thu được được phân tích bằng kính hiển vi điện tử quét.Giảm phản xạ toàn phần Quang phổ hồng ngoại biến đổi Fourier và quang phổ tia X tán sắc năng lượng được sử dụng để kiểm tra sự hiện diện của loài mong muốn trong xét nghiệm.Khả năng tạo thành hydrat của chúng được xác nhận bằng phân tích nhiệt trọng lượng kết hợp (TGA)/phân tích nhiệt trọng lượng vi sai (DTG).Chất lượng kém hơn 0,07 g (nước)/g (composite) được tìm thấy trong lớp phủ MgSO4, có dấu hiệu mất nước ở khoảng 60 °C và có thể tái tạo sau khi bù nước.Kết quả khả quan cũng thu được với SrCl2 và ZnSO4 với chênh lệch khối lượng khoảng 0,02 g/g dưới 100 °C.Hydroxyethylcellulose được chọn làm chất phụ gia để tăng tính ổn định và độ bám dính của lớp sơn phủ.Các đặc tính hấp phụ của sản phẩm được đánh giá bằng TGA-DTG đồng thời và độ bám dính của chúng được đặc trưng bằng phương pháp dựa trên các thử nghiệm được mô tả trong ISO2409.Độ đặc và độ bám dính của lớp phủ CaCl2 được cải thiện đáng kể trong khi vẫn duy trì khả năng hấp phụ với chênh lệch trọng lượng khoảng 0,1 g/g ở nhiệt độ dưới 100°C.Ngoài ra, MgSO4 vẫn giữ được khả năng tạo thành hydrat, cho thấy chênh lệch khối lượng lớn hơn 0,04 g/g ở nhiệt độ dưới 100 °C.Cuối cùng, các sợi kim loại tráng được kiểm tra.Kết quả cho thấy khả năng dẫn nhiệt hiệu quả của cấu trúc sợi được phủ Al2(SO4)3 có thể cao gấp 4,7 lần so với thể tích của Al2(SO4)3 nguyên chất.Lớp phủ của các lớp phủ được nghiên cứu đã được kiểm tra bằng mắt và cấu trúc bên trong được đánh giá bằng hình ảnh hiển vi của các mặt cắt ngang.Đã thu được lớp phủ Al2(SO4)3 với độ dày khoảng 50 µm, nhưng quy trình tổng thể phải được tối ưu hóa để đạt được sự phân bố đồng đều hơn.
Các hệ thống hấp phụ đã thu hút được nhiều sự chú ý trong vài thập kỷ qua vì chúng cung cấp một giải pháp thay thế thân thiện với môi trường cho các máy bơm nhiệt nén hoặc hệ thống làm lạnh truyền thống.Với tiêu chuẩn tiện nghi ngày càng tăng và nhiệt độ trung bình toàn cầu, các hệ thống hấp phụ có thể giảm sự phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch trong tương lai gần.Ngoài ra, bất kỳ cải tiến nào trong làm lạnh hấp phụ hoặc bơm nhiệt đều có thể được chuyển sang lưu trữ năng lượng nhiệt, điều này thể hiện sự gia tăng thêm về tiềm năng sử dụng hiệu quả năng lượng sơ cấp.Ưu điểm chính của bơm nhiệt hấp phụ và hệ thống lạnh là chúng có thể hoạt động với khối lượng nhiệt thấp.Điều này làm cho chúng phù hợp với các nguồn nhiệt độ thấp như năng lượng mặt trời hoặc nhiệt thải.Về các ứng dụng lưu trữ năng lượng, hấp phụ có ưu điểm là mật độ năng lượng cao hơn và tiêu hao năng lượng ít hơn so với lưu trữ nhiệt hợp lý hoặc tiềm ẩn.
Máy bơm nhiệt hấp phụ và hệ thống làm lạnh tuân theo cùng một chu kỳ nhiệt động lực học như các máy nén hơi của chúng.Sự khác biệt chính là việc thay thế các bộ phận máy nén bằng bộ hấp phụ.Phần tử này có thể hấp thụ hơi môi chất lạnh áp suất thấp ở nhiệt độ vừa phải, làm bay hơi nhiều môi chất lạnh hơn ngay cả khi chất lỏng lạnh.Cần phải đảm bảo làm mát liên tục chất hấp phụ để loại trừ entanpy của sự hấp phụ (tỏa nhiệt).Chất hấp phụ được tái sinh ở nhiệt độ cao, làm cho hơi chất làm lạnh bị giải hấp.Hệ thống sưởi phải tiếp tục cung cấp entanpy của quá trình giải hấp (thu nhiệt).Vì các quá trình hấp phụ được đặc trưng bởi sự thay đổi nhiệt độ nên mật độ năng lượng cao đòi hỏi độ dẫn nhiệt cao.Tuy nhiên, cho đến nay, độ dẫn nhiệt thấp là nhược điểm chính trong hầu hết các ứng dụng.
Vấn đề chính của độ dẫn điện là tăng giá trị trung bình của nó trong khi vẫn duy trì đường vận chuyển cung cấp dòng hơi hấp phụ/giải hấp.Hai phương pháp thường được sử dụng để đạt được điều này: bộ trao đổi nhiệt composite và bộ trao đổi nhiệt phủ.Các vật liệu composite phổ biến và thành công nhất là những vật liệu sử dụng các chất phụ gia dựa trên carbon, cụ thể là than chì giãn nở, than hoạt tính hoặc sợi carbon.Oliveira và cộng sự.2 đã ngâm tẩm bột than chì trương nở với canxi clorua để tạo ra chất hấp phụ có công suất làm lạnh cụ thể (SCP) lên đến 306 W/kg và hệ số hiệu suất (COP) lên đến 0,46.Zajaczkowski và cộng sự.3 đã đề xuất sự kết hợp của than chì giãn nở, sợi carbon và canxi clorua với tổng độ dẫn điện là 15 W/mK.Jian et al4 đã thử nghiệm vật liệu tổng hợp với than chì tự nhiên mở rộng được xử lý bằng axit sulfuric (ENG-TSA) làm chất nền trong chu trình làm mát hấp phụ hai giai đoạn.Mô hình dự đoán COP từ 0,215 đến 0,285 và SCP từ 161,4 đến 260,74 W/kg.
Cho đến nay, giải pháp khả thi nhất là bộ trao đổi nhiệt có lớp phủ.Cơ chế phủ của các bộ trao đổi nhiệt này có thể được chia thành hai loại: tổng hợp trực tiếp và chất kết dính.Phương pháp thành công nhất là tổng hợp trực tiếp, bao gồm việc hình thành các vật liệu hấp phụ trực tiếp trên bề mặt của bộ trao đổi nhiệt từ các thuốc thử thích hợp.Sotech5 đã được cấp bằng sáng chế cho phương pháp tổng hợp zeolit ​​phủ để sử dụng trong một loạt thiết bị làm mát do Fahrenheit GmbH sản xuất.Schnabel et al6 đã thử nghiệm hiệu suất của hai loại zeolit ​​được phủ trên thép không gỉ.Tuy nhiên, phương pháp này chỉ hoạt động với các chất hấp phụ cụ thể, điều này làm cho lớp phủ bằng chất kết dính trở thành một giải pháp thay thế thú vị.Chất kết dính là những chất thụ động được chọn để hỗ trợ sự kết dính và/hoặc truyền khối của chất hấp phụ, nhưng không đóng vai trò trong việc tăng cường khả năng hấp phụ hoặc tăng cường độ dẫn điện.Freni et al.7 bộ trao đổi nhiệt bằng nhôm được phủ bằng zeolit ​​AQSOA-Z02 được ổn định bằng chất kết dính gốc đất sét.Calabrese et al.8 đã nghiên cứu việc chuẩn bị lớp phủ zeolit ​​với chất kết dính polyme.Ammann et al.9 đã đề xuất một phương pháp điều chế lớp phủ zeolit ​​xốp từ hỗn hợp từ tính của rượu polyvinyl.Alumina (nhôm) cũng được sử dụng làm chất kết dính 10 trong chất hấp phụ.Theo hiểu biết của chúng tôi, cellulose và hydroxyethyl cellulose chỉ được sử dụng kết hợp với các chất hấp phụ vật lý11,12.Đôi khi keo không được sử dụng cho sơn mà được sử dụng để tự xây dựng cấu trúc 13.Sự kết hợp của ma trận polyme alginate với nhiều muối hydrat tạo thành cấu trúc hạt hỗn hợp linh hoạt giúp ngăn rò rỉ trong quá trình sấy khô và cung cấp khả năng truyền khối thích hợp.Các loại đất sét như bentonite và attapulgite đã được sử dụng làm chất kết dính để điều chế vật liệu tổng hợp15,16,17.Ethylcellulose đã được sử dụng để vi bao canxi clorua18 hoặc natri sulfua19.
Vật liệu tổng hợp có cấu trúc kim loại xốp có thể được chia thành bộ trao đổi nhiệt phụ gia và bộ trao đổi nhiệt tráng.Ưu điểm của các cấu trúc này là diện tích bề mặt riêng cao.Điều này dẫn đến bề mặt tiếp xúc lớn hơn giữa chất hấp phụ và kim loại mà không cần bổ sung khối lượng trơ, làm giảm hiệu quả tổng thể của chu trình làm lạnh.Lãng và cộng sự.20 đã cải thiện độ dẫn tổng thể của chất hấp phụ zeolit ​​có cấu trúc tổ ong bằng nhôm.Gillerminot và cộng sự.21 cải thiện tính dẫn nhiệt của các lớp zeolit ​​NaX với bọt đồng và niken.Mặc dù vật liệu tổng hợp được sử dụng làm vật liệu thay đổi pha (PCM), những phát hiện của Li et al.22 và Zhao et al.23 cũng được quan tâm cho quá trình hấp thụ hóa học.Họ đã so sánh hiệu suất của bọt than chì và bọt kim loại trương nở và kết luận rằng bọt kim loại và than chì trương nở chỉ thích hợp hơn nếu sự ăn mòn không phải là vấn đề.Palomba và cộng sự.gần đây đã so sánh các cấu trúc xốp kim loại khác24.Van der Pal và cộng sự.đã nghiên cứu muối kim loại nhúng trong bọt 25 .Tất cả các ví dụ trước tương ứng với các lớp chất hấp phụ dạng hạt dày đặc.Cấu trúc xốp kim loại thực tế không được sử dụng để phủ chất hấp phụ, đây là một giải pháp tối ưu hơn.Một ví dụ về liên kết với zeolit ​​có thể được tìm thấy trong Wittstadt et al.26 nhưng không có nỗ lực nào được thực hiện để liên kết muối hydrat mặc dù mật độ năng lượng của chúng cao hơn 27 .
Vì vậy, ba phương pháp chuẩn bị lớp phủ hấp phụ sẽ được khám phá trong bài viết này: (1) lớp phủ chất kết dính, (2) phản ứng trực tiếp và (3) xử lý bề mặt.Hydroxyethylcellulose là chất kết dính được lựa chọn trong nghiên cứu này do tính ổn định đã được báo cáo trước đây và độ bám dính lớp phủ tốt khi kết hợp với các chất hấp phụ vật lý.Phương pháp này ban đầu được nghiên cứu cho các lớp phủ phẳng và sau đó được áp dụng cho các cấu trúc sợi kim loại.Trước đây, một phân tích sơ bộ về khả năng phản ứng hóa học với sự hình thành lớp phủ hấp phụ đã được báo cáo.Kinh nghiệm trước đây hiện đang được chuyển sang lớp phủ cấu trúc sợi kim loại.Phương pháp xử lý bề mặt được chọn cho công việc này là phương pháp dựa trên anot hóa nhôm.Anodizing nhôm đã được kết hợp thành công với muối kim loại cho mục đích thẩm mỹ29.Trong những trường hợp này, có thể thu được các lớp phủ rất ổn định và chống ăn mòn.Tuy nhiên, chúng không thể thực hiện bất kỳ quá trình hấp phụ hoặc giải hấp phụ nào.Bài báo này trình bày một biến thể của phương pháp này cho phép di chuyển khối lượng bằng cách sử dụng các đặc tính kết dính của quy trình ban đầu.Theo hiểu biết tốt nhất của chúng tôi, không có phương pháp nào được mô tả ở đây đã được nghiên cứu trước đây.Chúng đại diện cho một công nghệ mới rất thú vị vì chúng cho phép hình thành các lớp phủ chất hấp phụ ngậm nước, lớp phủ này có một số ưu điểm so với các chất hấp phụ vật lý thường được nghiên cứu.
Các tấm nhôm dập được sử dụng làm chất nền cho các thí nghiệm này được cung cấp bởi ALINVEST Břidličná, Cộng hòa Séc.Chúng chứa 98,11% nhôm, 1,3622% sắt, 0,3618% mangan và dấu vết của đồng, magiê, silic, titan, kẽm, crom và niken.
Các vật liệu được chọn để sản xuất vật liệu tổng hợp được lựa chọn phù hợp với đặc tính nhiệt động của chúng, cụ thể là tùy thuộc vào lượng nước mà chúng có thể hấp phụ/giải hấp ở nhiệt độ dưới 120°C.
Magiê sunfat (MgSO4) là một trong những muối ngậm nước được quan tâm và nghiên cứu nhiều nhất30,31,32,33,34,35,36,37,38,39,40,41.Các đặc tính nhiệt động học đã được đo lường một cách có hệ thống và được cho là phù hợp cho các ứng dụng trong lĩnh vực làm lạnh hấp phụ, bơm nhiệt và lưu trữ năng lượng.Magie sulfat khô CAS-Nr.7487-88-9 99% (Grüssing GmbH, Filsum, Niedersachsen, Đức) đã được sử dụng.
Canxi clorua (CaCl2) (H319) là một loại muối khác đã được nghiên cứu kỹ lưỡng vì hydrat của nó có các đặc tính nhiệt động học thú vị41,42,43,44.Canxi clorua hexahydrat CAS-No.7774-34-7 Đã qua sử dụng 97% (Grüssing, GmbH, Filsum, Niedersachsen, Germany).
Kẽm sulfat (ZnSO4) (H3O2, H318, H410) và các hydrat của nó có các đặc tính nhiệt động thích hợp cho các quá trình hấp phụ ở nhiệt độ thấp45,46.Kẽm sulfat heptahydrat CAS-Nr.7733-02-0 99,5% (Grüssing GmbH, Filsum, Niedersachsen, Đức) đã được sử dụng.
Stronti clorua (SrCl2) (H318) cũng có các đặc tính nhiệt động học thú vị4,45,47 mặc dù nó thường được kết hợp với amoniac trong nghiên cứu bơm nhiệt hấp phụ hoặc lưu trữ năng lượng.Stronti clorua hexahydrat CAS-Nr.10.476-85-4 99,0–102,0% (Sigma Aldrich, St. Louis, Missouri, Hoa Kỳ) được sử dụng để tổng hợp.
Đồng sunfat (CuSO4) (H302, H315, H319, H410) không nằm trong số các hydrat thường thấy trong tài liệu chuyên môn, mặc dù các đặc tính nhiệt động học của nó được quan tâm đối với các ứng dụng ở nhiệt độ thấp48,49.Đồng sunfat CAS-Nr.7758-99-8 99% (Sigma Aldrich, St. Louis, MO, USA) đã được sử dụng để tổng hợp.
Magiê clorua (MgCl2) là một trong những muối ngậm nước gần đây đã được chú ý nhiều hơn trong lĩnh vực lưu trữ năng lượng nhiệt50,51.Magiê clorua hexahydrat loại dược phẩm tinh khiết CAS-Nr.7791-18-6 (Applichem GmbH., Darmstadt, Đức) đã được sử dụng cho các thí nghiệm.
Như đã đề cập ở trên, hydroxyethyl cellulose được chọn vì kết quả khả quan trong các ứng dụng tương tự.Vật liệu được sử dụng trong quá trình tổng hợp của chúng tôi là hydroxyethyl cellulose CAS-Nr 9004-62-0 (Sigma Aldrich, St. Louis, MO, USA).
Sợi kim loại được làm từ các sợi dây ngắn liên kết với nhau bằng cách nén và thiêu kết, một quá trình được gọi là chiết xuất nóng chảy bằng nồi nấu kim loại (CME)52.Điều này có nghĩa là độ dẫn nhiệt của chúng không chỉ phụ thuộc vào độ dẫn điện khối lượng lớn của kim loại được sử dụng trong sản xuất và độ xốp của cấu trúc cuối cùng mà còn phụ thuộc vào chất lượng của các liên kết giữa các sợi.Các sợi không có tính đẳng hướng và có xu hướng phân bố theo một hướng nhất định trong quá trình sản xuất, điều này làm cho độ dẫn nhiệt theo hướng ngang thấp hơn nhiều.
Các đặc tính hấp thụ nước đã được nghiên cứu bằng cách sử dụng phân tích đo nhiệt lượng đồng thời (TGA)/phân tích đo nhiệt lượng vi sai (DTG) trong gói chân không (Netzsch TG 209 F1 Libra).Các phép đo được thực hiện trong môi trường khí nitơ chảy với tốc độ dòng 10 ml/phút và nhiệt độ nằm trong khoảng từ 25 đến 150°C trong chén nung oxit nhôm.Tốc độ gia nhiệt là 1°C/phút, khối lượng mẫu thay đổi từ 10 đến 20 mg, độ phân giải là 0,1 μg.Trong công việc này, cần lưu ý rằng chênh lệch khối lượng trên một đơn vị bề mặt có độ không đảm bảo lớn.Các mẫu được sử dụng trong TGA-DTG rất nhỏ và được cắt không đều, khiến cho việc xác định diện tích của chúng không chính xác.Các giá trị này chỉ có thể được ngoại suy cho một khu vực lớn hơn nếu tính đến các sai lệch lớn.
Phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (ATR-FTIR) phản xạ toàn phần suy yếu đã thu được trên máy quang phổ Bruker Vertex 80 v FTIR (Bruker Optik GmbH, Leipzig, Đức) sử dụng phụ kiện bạch kim ATR (Bruker Optik GmbH, Đức).Quang phổ của các tinh thể kim cương khô nguyên chất được đo trực tiếp trong chân không trước khi sử dụng các mẫu làm nền cho các phép đo thực nghiệm.Các mẫu được đo trong chân không sử dụng độ phân giải quang phổ là 2 cm-1 và số lần quét trung bình là 32. Dải số sóng từ 8000 đến 500 cm-1.Phân tích quang phổ được thực hiện bằng chương trình OPUS.
Phân tích SEM được thực hiện bằng DSM 982 Gemini của Zeiss ở điện áp gia tốc 2 và 5 kV.Quang phổ tia X phân tán năng lượng (EDX) được thực hiện bằng cách sử dụng Hệ thống Thermo Fischer 7 với đầu dò trôi dạt silicon làm mát bằng Peltier (SSD).
Việc chuẩn bị các tấm kim loại được thực hiện theo quy trình tương tự như quy trình được mô tả trong 53. Đầu tiên, nhúng tấm kim loại vào axit sunfuric 50%.15 phút.Sau đó, chúng được đưa vào dung dịch natri hydroxit 1 M trong khoảng 10 giây.Sau đó, các mẫu được rửa bằng một lượng lớn nước cất, sau đó ngâm trong nước cất trong 30 phút.Sau khi xử lý bề mặt sơ bộ, các mẫu được ngâm trong dung dịch bão hòa 3%.HEC và muối mục tiêu.Cuối cùng, lấy chúng ra và sấy khô ở 60°C.
Phương pháp anot hóa giúp tăng cường và củng cố lớp oxit tự nhiên trên kim loại thụ động.Các tấm nhôm được anốt hóa bằng axit sunfuric ở trạng thái cứng lại và sau đó được hàn kín trong nước nóng.Quá trình anot hóa tiếp theo quá trình ăn mòn ban đầu với 1 mol/l NaOH (600 giây) sau đó trung hòa trong 1 mol/l HNO3 (60 giây).Dung dịch điện phân là hỗn hợp H2SO4 2,3 M, Al2(SO4)3 0,01 M và MgSO4 1 M + 7H2O.Anốt hóa được thực hiện ở (40 ± 1)°C, 30 mA/cm2 trong 1200 giây.Quá trình niêm phong được thực hiện trong các dung dịch nước muối khác nhau như được mô tả trong tài liệu (MgSO4, CaCl2, ZnSO4, SrCl2, CuSO4, MgCl2).Mẫu được đun sôi trong đó trong 1800 giây.
Ba phương pháp khác nhau để sản xuất vật liệu tổng hợp đã được nghiên cứu: phủ chất kết dính, phản ứng trực tiếp và xử lý bề mặt.Những ưu điểm và nhược điểm của từng phương pháp đào tạo được phân tích và thảo luận một cách có hệ thống.Quan sát trực tiếp, hình ảnh nano và phân tích hóa học/nguyên tố đã được sử dụng để đánh giá kết quả.
Anodizing được chọn làm phương pháp xử lý bề mặt chuyển đổi để tăng độ bám dính của muối hydrat.Quá trình xử lý bề mặt này tạo ra cấu trúc xốp của alumin (nhôm) trực tiếp trên bề mặt nhôm.Theo truyền thống, phương pháp này bao gồm hai giai đoạn: giai đoạn đầu tiên tạo ra cấu trúc xốp của oxit nhôm và giai đoạn thứ hai tạo ra lớp phủ hydroxit nhôm giúp đóng lỗ chân lông.Sau đây là hai phương pháp chặn muối mà không chặn truy cập vào pha khí.Đầu tiên bao gồm một hệ thống tổ ong sử dụng các ống nhôm oxit (Al2O3) nhỏ thu được trong bước đầu tiên để giữ các tinh thể chất hấp phụ và tăng độ bám dính của nó với bề mặt kim loại.Các tổ ong thu được có đường kính khoảng 50 nm và chiều dài 200 nm (Hình 1a).Như đã đề cập trước đó, những lỗ hổng này thường được đóng lại trong bước thứ hai bằng một lớp boehmite Al2O(OH)2 mỏng được hỗ trợ bởi quá trình đun sôi ống nhôm oxit.Trong phương pháp thứ hai, quá trình hàn kín này được sửa đổi theo cách sao cho các tinh thể muối được giữ lại trong một lớp boehmite (Al2O(OH)) bao phủ đồng nhất, lớp này không được sử dụng để hàn kín trong trường hợp này.Giai đoạn thứ hai được thực hiện trong dung dịch bão hòa của muối tương ứng.Các mẫu được mô tả có kích thước trong khoảng 50–100nm và trông giống như những giọt nước bắn tung tóe (Hình 1b).Bề mặt thu được do quá trình hàn kín có cấu trúc không gian rõ rệt với diện tích tiếp xúc tăng lên.Kiểu bề mặt này, cùng với nhiều cấu hình liên kết của chúng, rất lý tưởng để mang và giữ các tinh thể muối.Cả hai cấu trúc được mô tả dường như thực sự xốp và có các hốc nhỏ dường như rất phù hợp để giữ lại muối hydrat và hấp phụ hơi vào muối trong quá trình hoạt động của chất hấp phụ.Tuy nhiên, phân tích nguyên tố của các bề mặt này sử dụng EDX có thể phát hiện lượng vết magie và lưu huỳnh trên bề mặt boehmite, mà không được phát hiện trong trường hợp bề mặt alumin.
ATR-FTIR của mẫu đã xác nhận rằng nguyên tố này là magie sulfat (xem Hình 2b).Quang phổ cho thấy các đỉnh ion sulfat đặc trưng ở 610–680 và 1080–1130 cm–1 và các đỉnh nước mạng tinh thể đặc trưng ở 1600–1700 cm–1 và 3200–3800 cm–1 (xem Hình 2a, c).).Sự có mặt của ion magie hầu như không làm thay đổi quang phổ54.
(a) EDX của tấm nhôm MgSO4 phủ boehmite, (b) Phổ ATR-FTIR của lớp phủ boehmite và MgSO4, (c) Phổ ATR-FTIR của MgSO4 tinh khiết.
Duy trì hiệu quả hấp phụ đã được xác nhận bởi TGA.Trên hình.Hình 3b cho thấy đỉnh giải hấp xấp xỉ.60°C.Đỉnh này không tương ứng với nhiệt độ của hai đỉnh được quan sát thấy trong TGA của muối tinh khiết (Hình 3a).Độ lặp lại của chu trình giải hấp phụ hấp phụ đã được đánh giá và đường cong tương tự đã được quan sát thấy sau khi đặt các mẫu trong môi trường ẩm (Hình 3c).Sự khác biệt quan sát được trong giai đoạn thứ hai của quá trình giải hấp có thể là kết quả của sự mất nước trong khí quyển chảy, vì điều này thường dẫn đến sự mất nước không hoàn toàn.Các giá trị này tương ứng với khoảng 17,9 g/m2 ở lần khử nước đầu tiên và 10,3 g/m2 ở lần khử nước thứ hai.
So sánh phân tích TGA của boehmite và MgSO4: Phân tích TGA của MgSO4 tinh khiết (a), hỗn hợp (b) và sau khi bù nước (c).
Phương pháp tương tự được thực hiện với canxi clorua làm chất hấp phụ.Kết quả được trình bày trong Hình 4. Kiểm tra trực quan bề mặt cho thấy những thay đổi nhỏ trong ánh sáng kim loại.Bộ lông hầu như không nhìn thấy được.SEM xác nhận sự hiện diện của các tinh thể nhỏ phân bố đều trên bề mặt.Tuy nhiên, TGA cho thấy không có hiện tượng mất nước dưới 150°C.Điều này có thể là do tỷ lệ muối quá nhỏ so với tổng khối lượng của chất nền để TGA phát hiện.
Kết quả xử lý bề mặt của lớp phủ đồng sunfat bằng phương pháp anot hóa được thể hiện trong hình.5. Trong trường hợp này, dự kiến ​​CuSO4 kết hợp với cấu trúc oxit Al đã không xảy ra.Thay vào đó, người ta quan sát thấy những chiếc kim lỏng lẻo vì chúng thường được sử dụng cho đồng hydroxit Cu(OH)2 được sử dụng với thuốc nhuộm màu ngọc lam điển hình.
Xử lý bề mặt anot hóa cũng đã được thử nghiệm kết hợp với stronti clorua.Kết quả cho thấy độ bao phủ không đồng đều (xem Hình 6a).Để xác định xem muối có bao phủ toàn bộ bề mặt hay không, phân tích EDX đã được thực hiện.Đường cong của một điểm trong vùng màu xám (điểm 1 trong Hình 6b) cho thấy ít stronti và nhiều nhôm.Điều này cho thấy hàm lượng stronti thấp trong vùng được đo, do đó, cho thấy mức độ bao phủ của stronti clorua thấp.Ngược lại, các vùng màu trắng có hàm lượng stronti cao và hàm lượng nhôm thấp (điểm 2–6 trong Hình 6b).Phân tích EDX của vùng màu trắng cho thấy các chấm sẫm màu hơn (điểm 2 và 4 trong Hình 6b), hàm lượng clo thấp và hàm lượng lưu huỳnh cao.Điều này có thể chỉ ra sự hình thành của stronti sulfat.Các chấm sáng hơn phản ánh hàm lượng clo cao và hàm lượng lưu huỳnh thấp (điểm 3, 5 và 6 trong Hình 6b).Điều này có thể được giải thích bởi thực tế là phần chính của lớp phủ màu trắng bao gồm stronti clorua dự kiến.TGA của mẫu đã xác nhận việc giải thích phép phân tích với cực đại ở nhiệt độ đặc trưng của stronti clorua tinh khiết (Hình 6c).Giá trị nhỏ của chúng có thể được chứng minh bằng một phần nhỏ muối so với khối lượng của giá đỡ kim loại.Khối lượng giải hấp được xác định trong các thí nghiệm tương ứng với lượng 7,3 g/m2 thoát ra trên một đơn vị diện tích của chất hấp phụ ở nhiệt độ 150°C.
Các lớp phủ kẽm sulfat được xử lý bằng eloxal cũng đã được thử nghiệm.Về mặt vĩ mô, lớp phủ là một lớp rất mỏng và đồng nhất (Hình 7a).Tuy nhiên, SEM cho thấy một diện tích bề mặt được bao phủ bởi các tinh thể nhỏ được phân tách bằng các vùng trống (Hình 7b).TGA của lớp phủ và chất nền được so sánh với TGA của muối tinh khiết (Hình 7c).Muối tinh khiết có một cực đại không đối xứng ở 59,1 ° C.Nhôm được phủ cho thấy hai đỉnh nhỏ ở 55,5°C và 61,3°C, cho thấy sự có mặt của kẽm sulfat hydrat.Sự khác biệt về khối lượng được tiết lộ trong thí nghiệm tương ứng với 10,9 g/m2 ở nhiệt độ khử nước là 150°C.
Như trong ứng dụng trước53, hydroxyethyl cellulose được sử dụng làm chất kết dính để cải thiện độ bám dính và độ ổn định của lớp phủ hấp thụ.Khả năng tương thích của vật liệu và ảnh hưởng đến hiệu suất hấp phụ được đánh giá bởi TGA.Việc phân tích được thực hiện liên quan đến tổng khối lượng, tức là mẫu bao gồm một tấm kim loại được sử dụng làm chất nền phủ.Độ bám dính được kiểm tra bằng một thử nghiệm dựa trên thử nghiệm khía chữ thập được xác định trong thông số kỹ thuật ISO2409 (không thể đáp ứng thông số kỹ thuật tách khía tùy thuộc vào độ dày và chiều rộng của thông số kỹ thuật).
Việc phủ các tấm bằng canxi clorua (CaCl2) (xem Hình 8a) dẫn đến sự phân bố không đồng đều, điều này không được quan sát thấy ở lớp phủ nhôm nguyên chất được sử dụng cho thử nghiệm khía ngang.So với kết quả của CaCl2 tinh khiết, TGA (Hình 8b) cho thấy hai đỉnh đặc trưng dịch chuyển về nhiệt độ thấp hơn tương ứng là 40 và 20°C.Thử nghiệm cắt ngang không cho phép so sánh khách quan vì mẫu CaCl2 nguyên chất (mẫu bên phải trong Hình 8c) là kết tủa dạng bột, loại bỏ các hạt trên cùng.Kết quả HEC cho thấy lớp phủ rất mỏng và đồng nhất với độ bám dính đạt yêu cầu.Sự khác biệt khối lượng thể hiện trong hình.8b tương ứng với 51,3 g/m2 trên một đơn vị diện tích của chất hấp phụ ở nhiệt độ 150°C.
Kết quả khả quan về độ bám dính và tính đồng nhất cũng thu được với magie sulfat (MgSO4) (xem Hình 9).Phân tích quá trình giải hấp của lớp phủ cho thấy sự hiện diện của một đỉnh xấp xỉ.60°C.Nhiệt độ này tương ứng với bước giải hấp chính được thấy trong quá trình khử nước của muối tinh khiết, đại diện cho một bước khác ở 44°C.Nó tương ứng với sự chuyển đổi từ hexahydrat sang pentahydrat và không được quan sát thấy trong trường hợp lớp phủ có chất kết dính.Các thử nghiệm mặt cắt ngang cho thấy sự phân bố và độ bám dính được cải thiện so với các lớp phủ được làm bằng muối tinh khiết.Chênh lệch khối lượng quan sát được trong TGA-DTC tương ứng với 18,4 g/m2 trên một đơn vị diện tích của chất hấp phụ ở nhiệt độ 150°C.
Do bề mặt không đều, stronti clorua (SrCl2) có lớp phủ không đều trên các cánh (Hình 10a).Tuy nhiên, kết quả của thử nghiệm khía ngang cho thấy sự phân bố đồng đều với độ bám dính được cải thiện đáng kể (Hình 10c).Phân tích TGA cho thấy sự khác biệt rất nhỏ về trọng lượng, điều này phải là do hàm lượng muối thấp hơn so với chất nền kim loại.Tuy nhiên, các bước trên đường cong cho thấy sự hiện diện của quá trình khử nước, mặc dù đỉnh gắn liền với nhiệt độ thu được khi đặc trưng cho muối tinh khiết.Các đỉnh ở 110°C và 70,2°C được quan sát trong Hình.10b cũng được tìm thấy khi phân tích muối tinh khiết.Tuy nhiên, bước khử nước chính được quan sát thấy trong muối tinh khiết ở 50°C không được phản ánh trong các đường cong sử dụng chất kết dính.Ngược lại, hỗn hợp chất kết dính cho thấy hai đỉnh ở 20,2°C và 94,1°C, không đo được đối với muối tinh khiết (Hình 10b).Ở nhiệt độ 150°C, chênh lệch khối lượng quan sát được tương ứng với 7,2 g/m2 trên một đơn vị diện tích của chất hấp phụ.
Sự kết hợp của HEC và kẽm sulfat (ZnSO4) không cho kết quả chấp nhận được (Hình 11).Phân tích TGA của kim loại được phủ không cho thấy bất kỳ quá trình khử nước nào.Mặc dù sự phân bố và độ bám dính của lớp phủ đã được cải thiện, nhưng các đặc tính của nó vẫn chưa đạt mức tối ưu.
Cách đơn giản nhất để phủ lên các sợi kim loại một lớp mỏng và đồng nhất là tẩm ướt (Hình 12a), bao gồm việc chuẩn bị muối mục tiêu và tẩm các sợi kim loại bằng dung dịch nước.
Khi chuẩn bị ngâm tẩm ướt, có hai vấn đề chính gặp phải.Một mặt, sức căng bề mặt của dung dịch muối ngăn cản sự kết hợp chính xác của chất lỏng vào cấu trúc xốp.Chỉ có thể giảm hiện tượng kết tinh trên bề mặt bên ngoài (Hình 12d) và bọt khí bị mắc kẹt bên trong cấu trúc (Hình 12c) bằng cách giảm sức căng bề mặt và làm ướt trước mẫu bằng nước cất.Hòa tan cưỡng bức trong mẫu bằng cách hút chân không không khí bên trong hoặc bằng cách tạo dòng dung dịch trong cấu trúc là những cách hiệu quả khác để đảm bảo làm đầy hoàn toàn cấu trúc.
Vấn đề thứ hai gặp phải trong quá trình chuẩn bị là loại bỏ màng khỏi một phần muối (xem Hình 12b).Hiện tượng này được đặc trưng bởi sự hình thành một lớp phủ khô trên bề mặt hòa tan, làm ngừng quá trình sấy do kích thích đối lưu và bắt đầu quá trình kích thích khuếch tán.Cơ chế thứ hai chậm hơn nhiều so với cơ chế thứ nhất.Do đó, cần có nhiệt độ cao để có thời gian sấy hợp lý, điều này làm tăng nguy cơ hình thành bong bóng bên trong mẫu.Vấn đề này được giải quyết bằng cách giới thiệu một phương pháp kết tinh thay thế không dựa trên sự thay đổi nồng độ (sự bay hơi), mà dựa trên sự thay đổi nhiệt độ (như trong ví dụ với MgSO4 ở Hình 13).
Sơ đồ biểu diễn quá trình kết tinh trong quá trình làm lạnh và tách pha rắn và pha lỏng bằng MgSO4.
Dung dịch muối bão hòa có thể được chuẩn bị ở hoặc cao hơn nhiệt độ phòng (HT) bằng phương pháp này.Trong trường hợp đầu tiên, quá trình kết tinh bị cưỡng bức bằng cách hạ nhiệt độ xuống dưới nhiệt độ phòng.Trong trường hợp thứ hai, quá trình kết tinh xảy ra khi mẫu được làm lạnh đến nhiệt độ phòng (RT).Kết quả thu được hỗn hợp tinh thể (B) và hòa tan (A), phần chất lỏng được loại bỏ bằng khí nén.Cách tiếp cận này không chỉ tránh được sự hình thành màng trên các hydrat này mà còn giảm thời gian cần thiết để điều chế các vật liệu tổng hợp khác.Tuy nhiên, việc loại bỏ chất lỏng bằng khí nén dẫn đến sự kết tinh thêm của muối, dẫn đến lớp phủ dày hơn.
Một phương pháp khác có thể được sử dụng để phủ bề mặt kim loại liên quan đến việc sản xuất trực tiếp muối mục tiêu thông qua các phản ứng hóa học.Bộ trao đổi nhiệt có lớp phủ được tạo ra từ phản ứng của axit trên bề mặt kim loại của cánh tản nhiệt và ống có một số ưu điểm, như đã báo cáo trong nghiên cứu trước đây của chúng tôi.Việc áp dụng phương pháp này cho sợi dẫn đến kết quả rất kém do sự hình thành khí trong quá trình phản ứng.Áp suất của bong bóng khí hydro tích tụ bên trong đầu dò và thay đổi khi sản phẩm được đẩy ra (Hình 14a).
Lớp phủ đã được sửa đổi thông qua phản ứng hóa học để kiểm soát tốt hơn độ dày và sự phân bố của lớp phủ.Phương pháp này liên quan đến việc cho một luồng hơi axit đi qua mẫu (Hình 14b).Điều này dự kiến ​​sẽ tạo ra một lớp phủ đồng nhất do phản ứng với kim loại nền.Kết quả thật khả quan, nhưng quá trình này quá chậm để được coi là một phương pháp hiệu quả (Hình 14c).Thời gian phản ứng ngắn hơn có thể đạt được bằng cách gia nhiệt cục bộ.
Để khắc phục nhược điểm của các phương pháp trên, phương pháp phủ dựa trên việc sử dụng chất kết dính đã được nghiên cứu.HEC đã được chọn dựa trên các kết quả được trình bày trong phần trước.Tất cả các mẫu được chuẩn bị ở mức 3% wt.Chất kết dính được trộn với muối.Các sợi được xử lý trước theo quy trình tương tự như đối với xương sườn, tức là ngâm trong 50% thể tích.trong vòng 15 phút.axit sunfuric, sau đó ngâm trong natri hydroxit trong 20 giây, rửa sạch trong nước cất và cuối cùng ngâm trong nước cất trong 30 phút.Trong trường hợp này, một bước bổ sung đã được thêm vào trước khi ngâm tẩm.Nhúng nhanh mẫu vào dung dịch muối mục tiêu loãng và sấy khô ở khoảng 60°C.Quá trình này được thiết kế để sửa đổi bề mặt của kim loại, tạo ra các vị trí tạo mầm giúp cải thiện sự phân bố của lớp phủ trong giai đoạn cuối cùng.Cấu trúc dạng sợi có một mặt là các sợi mỏng hơn và xếp chặt vào nhau, và mặt đối diện là các sợi dày hơn và ít phân bố hơn.Đây là kết quả của 52 quy trình sản xuất.
Kết quả đối với canxi clorua (CaCl2) được tóm tắt và minh họa bằng hình ảnh trong Bảng 1. Độ che phủ tốt sau khi cấy.Ngay cả những sợi không có tinh thể nhìn thấy được trên bề mặt cũng bị giảm phản xạ kim loại, cho thấy sự thay đổi về lớp hoàn thiện.Tuy nhiên, sau khi các mẫu được ngâm tẩm với hỗn hợp nước gồm CaCl2 và HEC và sấy khô ở nhiệt độ khoảng 60°C, các lớp phủ được cô đặc tại các giao điểm của kết cấu.Đây là một hiệu ứng gây ra bởi sức căng bề mặt của giải pháp.Sau khi ngâm, chất lỏng vẫn còn bên trong mẫu do sức căng bề mặt của nó.Về cơ bản nó xảy ra ở giao điểm của các cấu trúc.Mặt tốt nhất của mẫu vật có một số lỗ chứa đầy muối.Trọng lượng tăng 0,06 g/cm3 sau khi phủ.
Phủ bằng magie sulfat (MgSO4) tạo ra nhiều muối hơn trên một đơn vị thể tích (Bảng 2).Trong trường hợp này, gia số đo được là 0,09 g/cm3.Quá trình gieo hạt dẫn đến phạm vi bao phủ mẫu rộng rãi.Sau quá trình phủ, muối sẽ chặn các khu vực lớn trên mặt mỏng của mẫu.Ngoài ra, một số khu vực mờ bị chặn, nhưng một số độ xốp vẫn được giữ lại.Trong trường hợp này, sự hình thành muối có thể dễ dàng quan sát thấy tại giao điểm của các cấu trúc, xác nhận rằng quá trình phủ chủ yếu là do sức căng bề mặt của chất lỏng chứ không phải do tương tác giữa muối và nền kim loại.
Kết quả cho sự kết hợp của stronti clorua (SrCl2) và HEC cho thấy các đặc tính tương tự như các ví dụ trước đó (Bảng 3).Trong trường hợp này, mặt mỏng hơn của mẫu gần như được bao phủ hoàn toàn.Chỉ có thể nhìn thấy các lỗ nhỏ riêng lẻ, được hình thành trong quá trình sấy khô do hơi nước thoát ra khỏi mẫu.Hoa văn quan sát được ở mặt mờ rất giống với trường hợp trước, khu vực này bị muối chặn và các sợi không được bao phủ hoàn toàn.
Để đánh giá tác động tích cực của cấu trúc sợi đối với hiệu suất nhiệt của bộ trao đổi nhiệt, độ dẫn nhiệt hiệu quả của cấu trúc sợi phủ được xác định và so sánh với vật liệu phủ nguyên chất.Độ dẫn nhiệt được đo theo tiêu chuẩn ASTM D 5470-2017 bằng cách sử dụng thiết bị màn hình phẳng như trong Hình 15a sử dụng vật liệu tham chiếu có độ dẫn nhiệt đã biết.So với các phương pháp đo tạm thời khác, nguyên tắc này thuận lợi cho các vật liệu xốp được sử dụng trong nghiên cứu hiện tại, vì các phép đo được thực hiện ở trạng thái ổn định và với kích thước mẫu đủ (diện tích cơ sở 30 × 30 mm2, chiều cao khoảng 15 mm).Các mẫu vật liệu phủ tinh khiết (tham chiếu) và cấu trúc sợi phủ được chuẩn bị để đo theo hướng của sợi và vuông góc với hướng của sợi để đánh giá tác động của tính dẫn nhiệt dị hướng.Các mẫu được mài trên bề mặt (hạt P320) để giảm thiểu ảnh hưởng của độ nhám bề mặt do chuẩn bị mẫu, không phản ánh cấu trúc bên trong mẫu.