Благодарим ви, че посетихте Nature.com. Версията на браузъра, която използвате, има ограничена поддръжка на CSS. За най-добро изживяване ви препоръчваме да използвате актуализиран браузър (или да деактивирате режима на съвместимост в Internet Explorer). Междувременно, за да осигурим непрекъсната поддръжка, ще рендираме сайта без стилове и JavaScript.
Пазарният дял на адсорбционните хладилни системи и термопомпите е все още относително малък в сравнение с традиционните компресорни системи. Въпреки огромното предимство на използването на евтина топлина (вместо скъпа електрическа работа), внедряването на системи, базирани на адсорбционни принципи, все още е ограничено до няколко специфични приложения. Основният недостатък, който трябва да бъде отстранен, е намаляването на специфичната мощност поради ниската топлопроводимост и ниската стабилност на адсорбента. Съвременните търговски адсорбционни хладилни системи са базирани на адсорбери, базирани на пластинчати топлообменници, покрити за оптимизиране на охлаждащия капацитет. Резултатите са добре известни, че намаляването на дебелината на покритието води до намаляване на импеданса на масопреноса, а увеличаването на съотношението повърхност към обем на проводимите структури увеличава мощността без компромис с ефективността. Металните влакна, използвани в тази работа, могат да осигурят специфична повърхност в диапазона от 2500–50 000 m2/m3. Три метода за получаване на много тънки, но стабилни покрития от солеви хидрати върху метални повърхности, включително метални влакна, за производство на покрития демонстрират за първи път топлообменник с висока плътност на мощността. Повърхностната обработка, базирана на анодиране на алуминий, е избрана, за да се създаде по-здрава връзка между покритието и основата. Микроструктурата на получената повърхност беше анализирана с помощта на сканираща електронна микроскопия. За проверка на наличието на желаните видове в анализа бяха използвани инфрачервена спектроскопия с Фурие трансформация и намалено пълно отражение и енергийно-дисперсионна рентгенова спектроскопия. Способността им да образуват хидрати беше потвърдена чрез комбиниран термогравиметричен анализ (TGA)/диференциален термогравиметричен анализ (DTG). В MgSO4 покритието беше установено лошо качество над 0,07 g (вода)/g (композит), показващо признаци на дехидратация при около 60 °C и възпроизводимо след рехидратация. Положителни резултати бяха получени и със SrCl2 и ZnSO4 с разлика в масата от около 0,02 g/g под 100 °C. Хидроксиетилцелулозата беше избрана като добавка за повишаване на стабилността и адхезията на покритието. Адсорбционните свойства на продуктите бяха оценени чрез едновременен TGA-DTG и тяхната адхезия беше характеризирана чрез метод, базиран на тестовете, описани в ISO2409. Консистенцията и адхезията на CaCl2 покритието са значително подобрени, като същевременно се запазва неговият адсорбционен капацитет с разлика в теглото от около 0,1 g/g при температури под 100 °C. Освен това, MgSO4 запазва способността си да образува хидрати, показвайки разлика в масата от повече от 0,04 g/g при температури под 100 °C. Накрая се изследват покритите метални влакна. Резултатите показват, че ефективната топлопроводимост на влакнестата структура, покрита с Al2(SO4)3, може да бъде 4,7 пъти по-висока в сравнение с обема на чист Al2(SO4)3. Покритието на изследваните покрития е изследвано визуално, а вътрешната структура е оценена с помощта на микроскопско изображение на напречните сечения. Получено е покритие от Al2(SO4)3 с дебелина около 50 µm, но цялостният процес трябва да бъде оптимизиран, за да се постигне по-равномерно разпределение.
Адсорбционните системи привлякоха много внимание през последните няколко десетилетия, тъй като предоставят екологична алтернатива на традиционните компресионни термопомпи или хладилни системи. С повишаващите се стандарти за комфорт и средните глобални температури, адсорбционните системи могат да намалят зависимостта от изкопаеми горива в близко бъдеще. Освен това, всички подобрения в адсорбционното охлаждане или термопомпите могат да бъдат прехвърлени към съхранението на топлинна енергия, което представлява допълнително увеличение на потенциала за ефективно използване на първичната енергия. Основното предимство на адсорбционните термопомпи и хладилни системи е, че те могат да работят с ниска топлинна маса. Това ги прави подходящи за нискотемпературни източници като слънчева енергия или отпадна топлина. По отношение на приложенията за съхранение на енергия, адсорбцията има предимството на по-висока енергийна плътност и по-малко разсейване на енергия в сравнение със съхранението на разумна или латентна топлина.
Адсорбционните термопомпи и хладилните системи следват същия термодинамичен цикъл като техните еквиваленти с парокомпресия. Основната разлика е замяната на компонентите на компресора с адсорбери. Елементът е способен да адсорбира пари на хладилен агент с ниско налягане при умерени температури, изпарявайки повече хладилен агент, дори когато течността е студена. Необходимо е да се осигури постоянно охлаждане на адсорбера, за да се изключи енталпията на адсорбция (екзотермия). Адсорберът се регенерира при висока температура, което води до десорбция на парите на хладилния агент. Нагряването трябва да продължи, за да се осигури енталпията на десорбция (ендотермия). Тъй като процесите на адсорбция се характеризират с температурни промени, високата плътност на мощността изисква висока топлопроводимост. Ниската топлопроводимост обаче е основният недостатък в повечето приложения.
Основният проблем на проводимостта е да се увеличи средната ѝ стойност, като същевременно се запази транспортният път, който осигурява потока на адсорбционни/десорбционни пари. За постигането на това обикновено се използват два подхода: композитни топлообменници и покрити топлообменници. Най-популярните и успешни композитни материали са тези, които използват добавки на основата на въглерод, а именно експандиран графит, активен въглен или въглеродни влакна. Оливейра и др.2 импрегнират експандиран графитен прах с калциев хлорид, за да произведат адсорбер със специфичен охлаждащ капацитет (SCP) до 306 W/kg и коефициент на преобразуване (COP) до 0,46. Заячковски и др.3 предлагат комбинация от експандиран графит, въглеродни влакна и калциев хлорид с обща проводимост 15 W/mK. Джиан и др.4 тестват композити с обработен със сярна киселина експандиран естествен графит (ENG-TSA) като субстрат в двуетапен цикъл на адсорбционно охлаждане. Моделът прогнозира COP от 0,215 до 0,285 и SCP от 161,4 до 260,74 W/kg.
Най-жизнеспособното решение е покритият топлообменник. Механизмите за нанасяне на покритие на тези топлообменници могат да бъдат разделени на две категории: директен синтез и лепила. Най-успешният метод е директният синтез, който включва образуването на адсорбиращи материали директно върху повърхността на топлообменниците от подходящите реагенти. Sotech5 е патентовала метод за синтезиране на покрит зеолит за използване в серия охладители, произведени от Fahrenheit GmbH. Schnabel et al.6 тестваха производителността на два зеолита, покрити върху неръждаема стомана. Този метод обаче работи само със специфични адсорбенти, което прави покритието с лепила интересна алтернатива. Свързващите вещества са пасивни вещества, избрани да поддържат адхезията на сорбента и/или масопреноса, но не играят роля в подобряването на адсорбцията или проводимостта. Freni et al.7 покриха алуминиеви топлообменници със зеолит AQSOA-Z02, стабилизиран със свързващо вещество на глинена основа. Calabrese et al.8 изследваха приготвянето на зеолитни покрития с полимерни свързващи вещества. Ammann et al.9 предложиха метод за приготвяне на порести зеолитни покрития от магнитни смеси от поливинилов алкохол. Алуминиевият оксид (алуминиев оксид) също се използва като свързващо вещество 10 в адсорбера. Доколкото ни е известно, целулозата и хидроксиетилцелулозата се използват само в комбинация с физически адсорбенти 11,12. Понякога лепилото не се използва за боята, а се използва за изграждане на структурата 13 самостоятелно. Комбинацията от алгинатни полимерни матрици с множество солеви хидрати образува гъвкави композитни структури от мъниста, които предотвратяват изтичане по време на сушене и осигуряват адекватен масопренос. Глини като бентонит и атапулгит са използвани като свързващи вещества за приготвянето на композити 15,16,17. Етилцелулозата е използвана за микрокапсулиране на калциев хлорид 18 или натриев сулфид 19.
Композитите с пореста метална структура могат да бъдат разделени на адитивни топлообменници и покрити топлообменници. Предимството на тези структури е високата специфична повърхност. Това води до по-голяма контактна повърхност между адсорбента и метала без добавяне на инертна маса, което намалява общата ефективност на хладилния цикъл. Lang et al.20 са подобрили общата проводимост на зеолитен адсорбер с алуминиева структура тип „пчелна пита“. Gillerminot et al.21 са подобрили топлопроводимостта на NaX зеолитни слоеве с медна и никелова пяна. Въпреки че композитите се използват като фазово-променящи се материали (PCM), откритията на Li et al.22 и Zhao et al.23 също са интересни за хемосорбцията. Те сравняват характеристиките на експандирания графит и металната пяна и стигат до заключението, че последната е за предпочитане само ако корозията не е проблем. Palomba et al. наскоро са сравнили други метални порести структури24. Van der Pal et al. са изследвали метални соли, вградени в пени25. Всички предишни примери съответстват на плътни слоеве от частици адсорбенти. Металните порести структури практически не се използват за покриване на адсорбери, което е по-оптимално решение. Пример за свързване със зеолити може да се намери в Wittstadt et al.26, но не е направен опит за свързване на солеви хидрати, въпреки по-високата им енергийна плътност27.
Следователно, в тази статия ще бъдат разгледани три метода за приготвяне на адсорбентни покрития: (1) нанасяне на свързващо вещество, (2) директна реакция и (3) обработка на повърхността. Хидроксиетилцелулозата беше предпочитаното свързващо вещество в тази работа поради предварително съобщената стабилност и добра адхезия на покритието в комбинация с физични адсорбенти. Този метод първоначално е изследван за плоски покрития, а по-късно е приложен към метални влакнести структури. Преди това е докладван предварителен анализ на възможността за химични реакции с образуване на адсорбентни покрития. Предишен опит сега се пренася към покритието на метални влакнести структури. Избраната за тази работа обработка на повърхността е метод, базиран на анодиране на алуминий. Анодирането на алуминий е успешно комбинирано с метални соли за естетически цели29. В тези случаи могат да се получат много стабилни и устойчиви на корозия покрития. Те обаче не могат да извършват никакъв процес на адсорбция или десорбция. Тази статия представя вариант на този подход, който позволява преместването на масата, използвайки адхезивните свойства на оригиналния процес. Доколкото ни е известно, нито един от описаните тук методи не е бил проучван преди това. Те представляват много интересна нова технология, защото позволяват образуването на хидратирани адсорбентни покрития, които имат редица предимства пред често изучаваните физични адсорбенти.
Щампованите алуминиеви плочи, използвани като подложки за тези експерименти, са предоставени от ALINVEST Břidličná, Чехия. Те съдържат 98,11% алуминий, 1,3622% желязо, 0,3618% манган и следи от мед, магнезий, силиций, титан, цинк, хром и никел.
Материалите, избрани за производството на композити, се подбират в съответствие с техните термодинамични свойства, а именно в зависимост от количеството вода, което могат да адсорбират/десорбират при температури под 120°C.
Магнезиевият сулфат (MgSO4) е една от най-интересните и изследвани хидратирани соли30,31,32,33,34,35,36,37,38,39,40,41. Термодинамичните свойства са систематично измерени и е установено, че са подходящи за приложения в областта на адсорбционното охлаждане, термопомпите и съхранението на енергия. Използван е сух магнезиев сулфат CAS-Nr.7487-88-9 99% (Grüssing GmbH, Filsum, Долна Саксония, Германия).
Калциевият хлорид (CaCl2) (H319) е друга добре проучена сол, тъй като неговият хидрат има интересни термодинамични свойства41,42,43,44. Калциев хлорид хексахидрат CAS-№ 7774-34-7 97% използван (Grüssing, GmbH, Филсум, Долна Саксония, Германия).
Цинковият сулфат (ZnSO4) (H3O2, H318, H410) и неговите хидрати имат термодинамични свойства, подходящи за нискотемпературни адсорбционни процеси45,46. Използван е цинков сулфат хептахидрат CAS-Nr.7733-02-0 99.5% (Grüssing GmbH, Филсум, Долна Саксония, Германия).
Стронциевият хлорид (SrCl2) (H318) също има интересни термодинамични свойства4,45,47, въпреки че често се комбинира с амоняк в изследванията за адсорбционни термопомпи или съхранение на енергия. За синтеза е използван стронциев хлорид хексахидрат CAS-Nr.10.476-85-4 99.0–102.0% (Sigma Aldrich, Сейнт Луис, Мисури, САЩ).
Медният сулфат (CuSO4) (H302, H315, H319, H410) не е сред хидратите, често срещани в професионалната литература, въпреки че неговите термодинамични свойства са от интерес за приложения при ниски температури48,49. За синтеза е използван меден сулфат CAS-Nr.7758-99-8 99% (Sigma Aldrich, Сейнт Луис, Мисури, САЩ).
Магнезиевият хлорид (MgCl2) е една от хидратираните соли, на които напоследък се обръща повече внимание в областта на съхранението на топлинна енергия50,51. За експериментите е използван магнезиев хлорид хексахидрат CAS-Nr.7791-18-6, чист фармацевтичен клас (Applichem GmbH., Дармщат, Германия).
Както бе споменато по-горе, хидроксиетилцелулозата беше избрана поради положителните резултати при подобни приложения. Материалът, използван в нашия синтез, е хидроксиетилцелулоза CAS-Nr 9004-62-0 (Sigma Aldrich, Сейнт Луис, Мисури, САЩ).
Металните влакна се изработват от къси жици, свързани помежду си чрез компресия и синтероване, процес, известен като екстракция от стопилка в тигел (CME)52. Това означава, че тяхната топлопроводимост зависи не само от обемната проводимост на използваните в производството метали и порьозността на крайната структура, но и от качеството на връзките между нишките. Влакната не са изотропни и са склонни да се разпределят в определена посока по време на производството, което прави топлопроводимостта в напречна посока много по-ниска.
Водопоглъщателните свойства бяха изследвани чрез едновременен термогравиметричен анализ (TGA)/диференциален термогравиметричен анализ (DTG) във вакуумна опаковка (Netzsch TG 209 F1 Libra). Измерванията бяха проведени в течаща азотна атмосфера при дебит 10 ml/min и температурен диапазон от 25 до 150°C в тигли от алуминиев оксид. Скоростта на нагряване беше 1 °C/min, теглото на пробата варираше от 10 до 20 mg, а разделителната способност беше 0,1 μg. В тази работа трябва да се отбележи, че разликата в масата на единица повърхност има голяма неопределеност. Пробите, използвани в TGA-DTG, са много малки и неравномерно нарязани, което прави определянето на площта им неточно. Тези стойности могат да бъдат екстраполирани към по-голяма площ само ако се вземат предвид големи отклонения.
Спектрите на инфрачервения спектър с атенюирано пълно отражение и Фурие трансформация (ATR-FTIR) бяха получени на спектрометър Bruker Vertex 80 v FTIR (Bruker Optik GmbH, Лайпциг, Германия), използвайки платинен аксесоар ATR (Bruker Optik GmbH, Германия). Спектрите на чисти сухи диамантени кристали бяха измерени директно във вакуум, преди пробите да бъдат използвани като фон за експериментални измервания. Пробите бяха измерени във вакуум, използвайки спектрална резолюция от 2 cm-1 и среден брой сканирания от 32. Диапазонът на вълновите числа е от 8000 до 500 cm-1. Спектралният анализ беше извършен с помощта на програмата OPUS.
SEM анализът беше извършен с помощта на DSM 982 Gemini от Zeiss при ускоряващи напрежения от 2 и 5 kV. Енергийно дисперсионна рентгенова спектроскопия (EDX) беше извършена с помощта на Thermo Fischer System 7 с охлаждан от Пелтие силициев дрейфов детектор (SSD).
Приготвянето на метални пластини се извършва по процедура, подобна на описаната в 53. Първо, пластините се потапят в 50% сярна киселина за 15 минути. След това се поставят в 1 М разтвор на натриев хидроксид за около 10 секунди. След това пробите се измиват с голямо количество дестилирана вода и се накисват в дестилирана вода за 30 минути. След предварителна обработка на повърхността, пробите се потапят в 3% наситен разтвор на HEC и целевата сол. Накрая се изваждат и се сушат при 60°C.
Методът на анодиране подобрява и укрепва естествения оксиден слой върху пасивния метал. Алуминиевите панели бяха анодирани със сярна киселина във втвърдено състояние и след това запечатани в гореща вода. Анодирането последва първоначално ецване с 1 mol/l NaOH (600 s), последвано от неутрализация в 1 mol/l HNO3 (60 s). Електролитният разтвор е смес от 2.3 M H2SO4, 0.01 M Al2(SO4)3 и 1 M MgSO4 + 7H2O. Анодирането беше проведено при (40 ± 1)°C, 30 mA/cm2 за 1200 секунди. Процесът на запечатване беше проведен в различни солеви разтвори, както е описано в материалите (MgSO4, CaCl2, ZnSO4, SrCl2, CuSO4, MgCl2). Пробата се вари в него за 1800 секунди.
Изследвани са три различни метода за производство на композити: адхезивно покритие, директна реакция и повърхностна обработка. Предимствата и недостатъците на всеки метод на обучение са систематично анализирани и обсъдени. За оценка на резултатите са използвани директно наблюдение, наноизобразяване и химичен/елементен анализ.
Анодирането беше избрано като метод за конверсионна повърхностна обработка, за да се увеличи адхезията на солевите хидрати. Тази повърхностна обработка създава пореста структура от алуминиев оксид (алуминиев оксид) директно върху алуминиевата повърхност. Традиционно този метод се състои от два етапа: първият етап създава пореста структура от алуминиев оксид, а вторият етап създава покритие от алуминиев хидроксид, което затваря порите. Следват два метода за блокиране на солта без блокиране на достъпа до газовата фаза. Първият се състои от система тип „пчелна пита“, използваща малки тръбички от алуминиев оксид (Al2O3), получени в първата стъпка, за задържане на кристалите на адсорбента и увеличаване на адхезията му към металните повърхности. Получените „пчелни пити“ имат диаметър около 50 nm и дължина 200 nm (фиг. 1a). Както бе споменато по-рано, тези кухини обикновено се затварят във втора стъпка с тънък слой бемит Al2O(OH)2, поддържан от процеса на варене в алуминиевата тръбичка. При втория метод този процес на запечатване е модифициран по такъв начин, че солевите кристали се улавят в равномерно покриващ слой бемит (Al2O(OH)), който в този случай не се използва за запечатване. Вторият етап се провежда в наситен разтвор на съответната сол. Описаните модели имат размери в диапазона 50–100 nm и изглеждат като разпръснати капки (фиг. 1б). Повърхността, получена в резултат на процеса на запечатване, има ясно изразена пространствена структура с увеличена контактна площ. Тази повърхностна структура, заедно с многобройните им конфигурации на свързване, е идеална за носене и задържане на солни кристали. И двете описани структури изглеждат наистина порести и имат малки кухини, които изглеждат добре пригодени за задържане на солни хидрати и адсорбиране на пари към солта по време на работа на адсорбера. Елементният анализ на тези повърхности с помощта на EDX обаче може да открие следи от магнезий и сяра върху повърхността на бемит, които не се откриват в случай на алуминиева повърхност.
ATR-FTIR анализът на пробата потвърди, че елементът е магнезиев сулфат (виж Фигура 2b). Спектърът показва характерни пикове на сулфатни йони при 610–680 и 1080–1130 cm–1 и характерни пикове на решетъчна вода при 1600–1700 cm–1 и 3200–3800 cm–1 (виж Фиг. 2a, c). Наличието на магнезиеви йони почти не променя спектъра54.
(a) EDX на алуминиева плоча с боемит, покрита с MgSO4, (b) ATR-FTIR спектри на покрития с боемит и MgSO4, (c) ATR-FTIR спектри на чист MgSO4.
Поддържането на ефективността на адсорбция беше потвърдено чрез TGA. На фиг. 3b е показан десорбционен пик от приблизително 60°C. Този пик не съответства на температурата на двата пика, наблюдавани при TGA на чиста сол (фиг. 3a). Беше оценена повторяемостта на цикъла адсорбция-десорбция и същата крива беше наблюдавана след поставяне на пробите във влажна атмосфера (фиг. 3c). Разликите, наблюдавани във втория етап на десорбция, може да са резултат от дехидратация в течаща атмосфера, тъй като това често води до непълна дехидратация. Тези стойности съответстват на приблизително 17,9 g/m2 при първото обезводняване и 10,3 g/m2 при второто обезводняване.
Сравнение на TGA анализ на бемит и MgSO4: TGA анализ на чист MgSO4 (a), смес (b) и след рехидратация (c).
Същият метод беше проведен с калциев хлорид като адсорбент. Резултатите са представени на Фигура 4. Визуалната проверка на повърхността разкри незначителни промени в металното сияние. Козината е едва видима. SEM потвърди наличието на малки кристали, равномерно разпределени по повърхността. TGA обаче не показа дехидратация под 150°C. Това може да се дължи на факта, че делът на солта е твърде малък в сравнение с общата маса на субстрата за откриване чрез TGA.
Резултатите от повърхностната обработка на медносулфатното покритие чрез метода на анодиране са показани на фиг. 5. В този случай очакваното включване на CuSO4 в структурата на Al оксида не се е случило. Вместо това се наблюдават хлабави иглички, тъй като те обикновено се използват за меден хидроксид Cu(OH)2, използван с типични тюркоазени багрила.
Анодизираната повърхностна обработка също беше тествана в комбинация със стронциев хлорид. Резултатите показаха неравномерно покритие (виж Фигура 6а). За да се определи дали солта е покрила цялата повърхност, беше извършен EDX анализ. Кривата за точка в сивата зона (точка 1 на Фиг. 6б) показва малко стронций и много алуминий. Това показва ниско съдържание на стронций в измерената зона, което от своя страна показва ниско покритие със стронциев хлорид. Обратно, белите зони имат високо съдържание на стронций и ниско съдържание на алуминий (точки 2–6 на Фиг. 6б). EDX анализът на бялата зона показва по-тъмни точки (точки 2 и 4 на Фиг. 6б), ниско съдържание на хлор и високо съдържание на сяра. Това може да показва образуването на стронциев сулфат. По-светлите точки отразяват високо съдържание на хлор и ниско съдържание на сяра (точки 3, 5 и 6 на Фиг. 6б). Това може да се обясни с факта, че основната част от бялото покритие се състои от очаквания стронциев хлорид. TGA на пробата потвърди интерпретацията на анализа с пик при характерната температура на чист стронциев хлорид (фиг. 6в). Малката им стойност може да се обясни с малка фракция сол в сравнение с масата на металния носител. Десорбционната маса, определена в експериментите, съответства на количеството от 7,3 g/m2, отделено на единица площ на адсорбера при температура 150°C.
Тествани са и покрития от цинков сулфат, обработени с елоксал. Макроскопски покритието е много тънък и равномерен слой (фиг. 7а). SEM обаче разкрива повърхност, покрита с малки кристали, разделени от празни области (фиг. 7б). TGA на покритието и субстрата е сравнен с този на чиста сол (фиг. 7в). Чистата сол има един асиметричен пик при 59,1°C. Покритият алуминий показва два малки пика при 55,5°C и 61,3°C, което показва наличието на цинков сулфат хидрат. Разликата в масата, установена в експеримента, съответства на 10,9 g/m2 при температура на дехидратация от 150°C.
Както в предишното заявление53, хидроксиетилцелулозата е използвана като свързващо вещество за подобряване на адхезията и стабилността на сорбентното покритие. Съвместимостта на материалите и ефектът върху адсорбционните характеристики са оценени чрез TGA. Анализът се извършва спрямо общата маса, т.е. пробата включва метална плоча, използвана като субстрат за покритие. Адхезията се тества чрез тест, базиран на теста с кръстосан надрез, дефиниран в спецификацията ISO2409 (не може да отговаря на спецификацията за разделяне на надрезите в зависимост от дебелината и ширината на спецификацията).
Покриването на панелите с калциев хлорид (CaCl2) (виж Фиг. 8a) доведе до неравномерно разпределение, което не се наблюдава при покритието от чист алуминий, използвано за теста с напречен прорез. В сравнение с резултатите за чист CaCl2, TGA (Фиг. 8b) показва два характерни пика, изместени към по-ниски температури съответно от 40 и 20°C. Тестът с напречно сечение не позволява обективно сравнение, тъй като пробата от чист CaCl2 (пробата вдясно на Фиг. 8c) е прахообразна утайка, която премахва най-горните частици. Резултатите от HEC показаха много тънко и равномерно покритие със задоволителна адхезия. Разликата в масата, показана на Фиг. 8b, съответства на 51,3 g/m2 на единица площ на адсорбера при температура 150°C.
Положителни резултати по отношение на адхезията и еднородността са получени и с магнезиев сулфат (MgSO4) (виж Фиг. 9). Анализът на процеса на десорбция на покритието показва наличието на един пик от приблизително 60°C. Тази температура съответства на основната стъпка на десорбция, наблюдавана при дехидратацията на чисти соли, представляваща друга стъпка при 44°C. Тя съответства на прехода от хексахидрат към пентахидрат и не се наблюдава в случай на покрития със свързващи вещества. Тестовете с напречно сечение показват подобрено разпределение и адхезия в сравнение с покрития, направени с помощта на чиста сол. Разликата в масата, наблюдавана при TGA-DTC, съответства на 18,4 g/m2 на единица площ на адсорбера при температура 150°C.
Поради повърхностни неравности, стронциевият хлорид (SrCl2) има неравномерно покритие върху ребрата (фиг. 10а). Резултатите от теста с напречен прорез обаче показват равномерно разпределение със значително подобрена адхезия (фиг. 10в). TGA анализът показва много малка разлика в теглото, което трябва да се дължи на по-ниското съдържание на сол в сравнение с металния субстрат. Стъпките на кривата обаче показват наличието на процес на дехидратация, въпреки че пикът е свързан с температурата, получена при характеризиране на чиста сол. Пиковете при 110°C и 70,2°C, наблюдавани на фиг. 10б, са открити и при анализ на чиста сол. Основният етап на дехидратация, наблюдаван в чиста сол при 50°C, обаче не е отразен в кривите, използващи свързващото вещество. За разлика от това, сместа от свързващи вещества показва два пика при 20,2°C и 94,1°C, които не са измерени за чистата сол (фиг. 10б). При температура от 150 °C, наблюдаваната разлика в масата съответства на 7,2 g/m2 на единица площ на адсорбера.
Комбинацията от HEC и цинков сулфат (ZnSO4) не даде приемливи резултати (Фигура 11). TGA анализът на покрития метал не разкри никакви процеси на дехидратация. Въпреки че разпределението и адхезията на покритието са се подобрили, свойствата му все още са далеч от оптимални.
Най-лесният начин за покриване на метални влакна с тънък и равномерен слой е мокрото импрегниране (фиг. 12а), което включва приготвяне на целевата сол и импрегниране на метални влакна с воден разтвор.
При подготовката за мокро импрегниране се срещат два основни проблема. От една страна, повърхностното напрежение на соления разтвор предотвратява правилното включване на течността в порестата структура. Кристализацията по външната повърхност (фиг. 12d) и въздушните мехурчета, хванати вътре в структурата (фиг. 12c), могат да бъдат намалени само чрез понижаване на повърхностното напрежение и предварително намокряне на пробата с дестилирана вода. Принудителното разтваряне в пробата чрез евакуиране на въздуха вътре или чрез създаване на поток от разтвор в структурата са други ефективни начини за осигуряване на пълно запълване на структурата.
Вторият проблем, възникнал по време на приготвянето, беше отстраняването на филма от част от солта (виж Фиг. 12б). Това явление се характеризира с образуването на сухо покритие върху повърхността на разтваряне, което спира конвективно стимулираното сушене и стартира дифузионно стимулирания процес. Вторият механизъм е много по-бавен от първия. В резултат на това е необходима висока температура за разумно време на сушене, което увеличава риска от образуване на мехурчета вътре в пробата. Този проблем се решава чрез въвеждане на алтернативен метод за кристализация, основан не на промяна на концентрацията (изпаряване), а на промяна на температурата (както в примера с MgSO4 на Фиг. 13).
Схематично представяне на процеса на кристализация по време на охлаждане и разделяне на твърда и течна фаза с помощта на MgSO4.
Наситени солеви разтвори могат да се приготвят при или над стайна температура (HT), използвайки този метод. В първия случай кристализацията е била принудена чрез понижаване на температурата под стайната температура. Във втория случай кристализацията е настъпила, когато пробата е била охладена до стайна температура (RT). Резултатът е смес от кристали (B) и разтворени вещества (A), чиято течна част се отстранява със сгъстен въздух. Този подход не само избягва образуването на филм върху тези хидрати, но и намалява времето, необходимо за приготвянето на други композити. Отстраняването на течността със сгъстен въздух обаче води до допълнителна кристализация на солта, което води до по-дебело покритие.
Друг метод, който може да се използва за покриване на метални повърхности, включва директното производство на целеви соли чрез химични реакции. Покритите топлообменници, направени чрез реакция на киселини върху металните повърхности на ребра и тръби, имат редица предимства, както е съобщено в предишното ни проучване. Прилагането на този метод към влакна доведе до много лоши резултати поради образуването на газове по време на реакцията. Налягането на мехурчетата водороден газ се натрупва вътре в сондата и се измества с изхвърлянето на продукта (фиг. 14а).
Покритието е модифицирано чрез химическа реакция, за да се контролира по-добре дебелината и разпределението на покритието. Този метод включва пропускане на струя от киселинна мъгла през пробата (Фигура 14b). Очаква се това да доведе до равномерно покритие чрез реакция с метала на основата. Резултатите бяха задоволителни, но процесът беше твърде бавен, за да се счита за ефективен метод (Фиг. 14c). По-кратко време за реакция може да се постигне чрез локализирано нагряване.
За да се преодолеят недостатъците на горните методи, е проучен метод за нанасяне на покритие, базиран на използването на лепила. HEC е избран въз основа на резултатите, представени в предишния раздел. Всички проби са приготвени с 3% тегловни. Свързващото вещество се смесва със сол. Влакната са предварително обработени по същата процедура, както за ребрата, т.е. накиснати в 50% об. сярна киселина в рамките на 15 минути, след това накиснати в натриев хидроксид за 20 секунди, измити в дестилирана вода и накрая накиснати в дестилирана вода за 30 минути. В този случай е добавена допълнителна стъпка преди импрегнирането. Пробата се потапя за кратко в разреден разтвор на целева сол и се суши при приблизително 60°C. Процесът е предназначен да модифицира повърхността на метала, създавайки места за образуване на зародиши, които подобряват разпределението на покритието в крайния етап. Влакнестата структура има едната страна, където нишките са по-тънки и плътно опаковани, и противоположната страна, където нишките са по-дебели и по-слабо разпределени. Това е резултат от 52 производствени процеса.
Резултатите за калциев хлорид (CaCl2) са обобщени и илюстрирани с картинки в Таблица 1. Добро покритие след инокулация. Дори тези нишки без видими кристали на повърхността са имали намалени метални отражения, което показва промяна в покритието. След като обаче пробите са импрегнирани с водна смес от CaCl2 и HEC и са изсушени при температура около 60°C, покритията са концентрирани в пресечните точки на структурите. Това е ефект, причинен от повърхностното напрежение на разтвора. След накисване течността остава вътре в пробата поради повърхностното ѝ напрежение. Това се случва основно в пресечните точки на структурите. Най-добрата страна на образеца има няколко дупки, запълнени със сол. Теглото се е увеличило с 0,06 g/cm3 след нанасяне на покритието.
Покритието с магнезиев сулфат (MgSO4) доведе до образуването на повече сол на единица обем (Таблица 2). В този случай измереното увеличение е 0,09 g/cm3. Процесът на засяване доведе до обширно покритие на пробата. След процеса на покриване, солта блокира големи площи от тънката страна на пробата. Освен това, някои области на материала са блокирани, но известна порьозност се запазва. В този случай образуването на сол се наблюдава лесно в пресечната точка на структурите, което потвърждава, че процесът на покриване се дължи главно на повърхностното напрежение на течността, а не на взаимодействието между солта и металния субстрат.
Резултатите за комбинацията от стронциев хлорид (SrCl2) и HEC показаха сходни свойства с предишните примери (Таблица 3). В този случай по-тънката страна на пробата е почти изцяло покрита. Виждат се само отделни пори, образувани по време на сушенето в резултат на отделянето на пара от пробата. Наблюдаваната картина от матовата страна е много подобна на предишния случай, зоната е блокирана със сол и влакната не са напълно покрити.
За да се оцени положителният ефект на влакнестата структура върху топлинните характеристики на топлообменника, беше определена ефективната топлопроводимост на покритата влакнеста структура и сравнена с тази на чистия покривен материал. Топлопроводимостта беше измерена съгласно ASTM D 5470-2017, използвайки плоскопанелен уред, показан на Фигура 15а, с помощта на референтен материал с известна топлопроводимост. В сравнение с други методи за измерване с преходни процеси, този принцип е предимство за порести материали, използвани в настоящото изследване, тъй като измерванията се извършват в стационарно състояние и с достатъчен размер на пробата (основна площ 30 × 30 mm2, височина приблизително 15 mm). Проби от чистия покривен материал (референтен) и покритата влакнеста структура бяха подготвени за измервания по посока на влакното и перпендикулярно на посоката на влакното, за да се оцени ефектът на анизотропната топлопроводимост. Образците бяха шлайфани по повърхността (зърнестост P320), за да се сведе до минимум ефектът от грапавостта на повърхността, дължаща се на подготовката на пробата, която не отразява структурата в нея.