Grazas por visitar Nature.com. A versión do navegador que estás a usar ten compatibilidade limitada con CSS. Para obter a mellor experiencia, recomendámosche que uses un navegador actualizado (ou que desactives o modo de compatibilidade en Internet Explorer). Mentres tanto, para garantir a compatibilidade continua, renderizaremos o sitio sen estilos nin JavaScript.
A cota de mercado dos sistemas de refrixeración por adsorción e as bombas de calor segue sendo relativamente pequena en comparación cos sistemas de compresores tradicionais. A pesar da enorme vantaxe de usar calor barata (en lugar de traballo eléctrico caro), a implementación de sistemas baseados en principios de adsorción aínda está limitada a unhas poucas aplicacións específicas. A principal desvantaxe que cómpre eliminar é a diminución da potencia específica debido á baixa condutividade térmica e á baixa estabilidade do adsorbente. Os sistemas de refrixeración por adsorción comerciais actuais baséanse en adsorbedores baseados en intercambiadores de calor de placas revestidos para optimizar a capacidade de refrixeración. Os resultados son ben coñecidos: a diminución do grosor do revestimento leva a unha diminución da impedancia de transferencia de masa e o aumento da relación superficie-volume das estruturas condutoras aumenta a potencia sen comprometer a eficiencia. As fibras metálicas empregadas neste traballo poden proporcionar unha superficie específica no rango de 2500 a 50 000 m2/m3. Tres métodos para obter revestimentos moi finos pero estables de hidratos de sales en superficies metálicas, incluídas as fibras metálicas, para a produción de revestimentos demostran por primeira vez un intercambiador de calor de alta densidade de potencia. Escolleuse o tratamento superficial baseado na anodización do aluminio para crear unha unión máis forte entre o revestimento e o substrato. A microestrutura da superficie resultante analizouse mediante microscopía electrónica de varrido. Empregáronse espectroscopia infravermella de transformada de Fourier con reflexión total reducida e espectroscopia de raios X por dispersión de enerxía para comprobar a presenza das especies desexadas no ensaio. A súa capacidade para formar hidratos confirmouse mediante análise termogravimétrica combinada (TGA)/análise termogravimétrica diferencial (DTG). Atopouse unha calidade deficiente superior a 0,07 g (auga)/g (composto) no revestimento de MgSO4, que mostraba signos de deshidratación a uns 60 °C e era reproducible despois da rehidratación. Tamén se obtiveron resultados positivos con SrCl2 e ZnSO4 cunha diferenza de masa duns 0,02 g/g por debaixo dos 100 °C. Escolleuse hidroxietilcelulosa como aditivo para aumentar a estabilidade e a adhesión do revestimento. As propiedades adsortivas dos produtos avaliáronse mediante TGA-DTG simultáneo e a súa adhesión caracterizouse mediante un método baseado nas probas descritas na norma ISO2409. A consistencia e a adhesión do revestimento de CaCl2 melloran significativamente, mantendo a súa capacidade de adsorción cunha diferenza de peso duns 0,1 g/g a temperaturas inferiores a 100 °C. Ademais, o MgSO4 conserva a capacidade de formar hidratos, mostrando unha diferenza de masa de máis de 0,04 g/g a temperaturas inferiores a 100 °C. Finalmente, examínanse as fibras metálicas revestidas. Os resultados mostran que a condutividade térmica efectiva da estrutura da fibra revestida con Al2(SO4)3 pode ser 4,7 veces maior en comparación co volume de Al2(SO4)3 puro. O revestimento dos revestimentos estudados examinouse visualmente e a estrutura interna avaliouse mediante unha imaxe microscópica das seccións transversais. Obtivose un revestimento de Al2(SO4)3 cun grosor duns 50 µm, pero o proceso xeral debe optimizarse para lograr unha distribución máis uniforme.
Os sistemas de adsorción recibiron moita atención nas últimas décadas, xa que ofrecen unha alternativa respectuosa co medio ambiente ás bombas de calor de compresión tradicionais ou aos sistemas de refrixeración. Co aumento dos estándares de confort e as temperaturas medias globais, os sistemas de adsorción poden reducir a dependencia dos combustibles fósiles nun futuro próximo. Ademais, calquera mellora na refrixeración por adsorción ou nas bombas de calor pode transferirse ao almacenamento de enerxía térmica, o que representa un aumento adicional no potencial para o uso eficiente da enerxía primaria. A principal vantaxe das bombas de calor de adsorción e os sistemas de refrixeración é que poden funcionar con baixa masa de calor. Isto fainos axeitados para fontes de baixa temperatura, como a enerxía solar ou a calor residual. En termos de aplicacións de almacenamento de enerxía, a adsorción ten a vantaxe dunha maior densidade de enerxía e unha menor disipación de enerxía en comparación co almacenamento de calor sensible ou latente.
As bombas de calor de adsorción e os sistemas de refrixeración seguen o mesmo ciclo termodinámico que as súas contrapartes de compresión de vapor. A principal diferenza é a substitución dos compoñentes do compresor por adsorbedores. O elemento é capaz de adsorber vapor de refrixerante a baixa presión a temperaturas moderadas, evaporando máis refrixerante mesmo cando o líquido está frío. É necesario garantir un arrefriamento constante do adsorbedor para excluír a entalpía de adsorción (exotermia). O adsorbedor rexenérase a alta temperatura, o que fai que o vapor de refrixerante se desorba. O quecemento debe continuar para proporcionar a entalpía de desorción (endotérmica). Debido a que os procesos de adsorción caracterízanse por cambios de temperatura, unha alta densidade de potencia require unha alta condutividade térmica. Non obstante, a baixa condutividade térmica é, con moita diferenza, a principal desvantaxe na maioría das aplicacións.
O principal problema da condutividade é aumentar o seu valor medio mantendo a ruta de transporte que proporciona o fluxo de vapores de adsorción/desorción. Para conseguilo, úsanse dúas estratexias: os intercambiadores de calor compostos e os intercambiadores de calor revestidos. Os materiais compostos máis populares e exitosos son os que empregan aditivos a base de carbono, concretamente grafito expandido, carbón activado ou fibras de carbono. Oliveira et al. 2 impregnaron po de grafito expandido con cloruro de calcio para producir un adsorbedor cunha capacidade de arrefriamento específica (SCP) de ata 306 W/kg e un coeficiente de rendemento (COP) de ata 0,46. Zajaczkowski et al. 3 propuxeron unha combinación de grafito expandido, fibra de carbono e cloruro de calcio cunha condutividade total de 15 W/mK. Jian et al. 4 probaron materiais compostos con grafito natural expandido tratado con ácido sulfúrico (ENG-TSA) como substrato nun ciclo de arrefriamento por adsorción de dúas etapas. O modelo predixo un COP de 0,215 a 0,285 e un SCP de 161,4 a 260,74 W/kg.
A solución máis viable é, de lonxe, o intercambiador de calor revestido. Os mecanismos de revestimento destes intercambiadores de calor pódense dividir en dúas categorías: síntese directa e adhesivos. O método máis exitoso é a síntese directa, que implica a formación de materiais adsorbentes directamente na superficie dos intercambiadores de calor a partir dos reactivos axeitados. Sotech5 patentou un método para sintetizar zeolita revestida para o seu uso nunha serie de refrixeradores fabricados por Fahrenheit GmbH. Schnabel et al.6 probaron o rendemento de dúas zeolitas revestidas sobre aceiro inoxidable. Non obstante, este método só funciona con adsorbentes específicos, o que fai que o revestimento con adhesivos sexa unha alternativa interesante. Os aglutinantes son substancias pasivas escollidas para favorecer a adhesión do sorbente e/ou a transferencia de masa, pero non desempeñan ningún papel na adsorción ou na mellora da condutividade. Freni et al.7 intercambiadores de calor de aluminio revestidos con zeolita AQSOA-Z02 estabilizada cun aglutinante a base de arxila. Calabrese et al.8 estudaron a preparación de revestimentos de zeolita con aglutinantes poliméricos. Ammann et al.9 propuxeron un método para preparar revestimentos porosos de zeolita a partir de mesturas magnéticas de alcohol polivinílico. A alúmina (alúmina) tamén se usa como aglutinante 10 no adsorbedor. Ata onde sabemos, a celulosa e a hidroxietilcelulosa só se usan en combinación con adsorbentes físicos11,12. Ás veces, a cola non se usa para a pintura, senón que se usa para construír a estrutura 13 por si soa. A combinación de matrices poliméricas de alxinato con múltiples hidratos de sales forma estruturas de perlas compostas flexibles que impiden as fugas durante o secado e proporcionan unha transferencia de masa axeitada. Arxilas como a bentonita e a atapulgita utilizáronse como aglutinantes para a preparación de materiais compostos15,16,17. A etilcelulosa utilizouse para microencapsular cloruro de calcio18 ou sulfuro de sodio19.
Os materiais compostos cunha estrutura metálica porosa pódense dividir en intercambiadores de calor aditivos e intercambiadores de calor revestidos. A vantaxe destas estruturas é a alta superficie específica. Isto resulta nunha maior superficie de contacto entre o adsorbente e o metal sen a adición dunha masa inerte, o que reduce a eficiencia global do ciclo de refrixeración. Lang et al. 20 melloraron a condutividade global dun adsorbente de zeolita cunha estrutura de panal de aluminio. Gillerminot et al. 21 melloraron a condutividade térmica das capas de zeolita de NaX con escuma de cobre e níquel. Aínda que os materiais compostos se usan como materiais de cambio de fase (PCM), os achados de Li et al. 22 e Zhao et al. 23 tamén son de interese para a quimiosorción. Compararon o rendemento do grafito expandido e a escuma metálica e concluíron que esta última era preferible só se a corrosión non era un problema. Palomba et al. compararon recentemente outras estruturas porosas metálicas24. Van der Pal et al. estudaron sales metálicas incrustadas en escumas 25. Todos os exemplos anteriores corresponden a capas densas de adsorbentes particulados. As estruturas porosas metálicas practicamente non se empregan para revestir adsorbedores, o que supón unha solución máis óptima. Un exemplo de unión a zeolitas pódese atopar en Wittstadt et al. 26, pero non se fixo ningún intento de unir hidratos de sales a pesar da súa maior densidade de enerxía 27.
Así, neste artigo exploraranse tres métodos para preparar revestimentos adsorbentes: (1) revestimento con aglutinante, (2) reacción directa e (3) tratamento superficial. A hidroxietilcelulosa foi o aglutinante escollido neste traballo debido á estabilidade previamente descrita e á boa adhesión do revestimento en combinación con adsorbentes físicos. Este método investigouse inicialmente para revestimentos planos e posteriormente aplicouse a estruturas de fibra metálica. Anteriormente, informouse dunha análise preliminar da posibilidade de reaccións químicas coa formación de revestimentos adsorbentes. A experiencia previa está a transferirse agora ao revestimento de estruturas de fibra metálica. O tratamento superficial escollido para este traballo é un método baseado na anodización do aluminio. A anodización do aluminio combinouse con éxito con sales metálicas con fins estéticos29. Nestes casos, pódense obter revestimentos moi estables e resistentes á corrosión. Non obstante, non poden levar a cabo ningún proceso de adsorción ou desorción. Este artigo presenta unha variante desta estratexia que permite mover a masa utilizando as propiedades adhesivas do proceso orixinal. Ata onde sabemos, ningún dos métodos descritos aquí foi estudado previamente. Representan unha nova tecnoloxía moi interesante porque permiten a formación de recubrimentos adsorbentes hidratados, que presentan unha serie de vantaxes sobre os adsorbentes físicos estudados con frecuencia.
As placas de aluminio estampadas empregadas como substratos para estes experimentos foron proporcionadas por ALINVEST Břidličná, República Checa. Conteñen un 98,11 % de aluminio, un 1,3622 % de ferro, un 0,3618 % de manganeso e trazas de cobre, magnesio, silicio, titanio, cinc, cromo e níquel.
Os materiais escollidos para a fabricación de materiais compostos selecciónanse de acordo coas súas propiedades termodinámicas, é dicir, en función da cantidade de auga que poden adsorber/desorber a temperaturas inferiores a 120 °C.
O sulfato de magnesio (MgSO4) é un dos sales hidratados máis interesantes e estudados30,31,32,33,34,35,36,37,38,39,40,41. As propiedades termodinámicas medíronse sistematicamente e demostrouse que son axeitadas para aplicacións nos campos da refrixeración por adsorción, as bombas de calor e o almacenamento de enerxía. Empregouse sulfato de magnesio seco CAS-Nr.7487-88-9 99 % (Grüssing GmbH, Filsum, Niedersachsen, Alemaña).
O cloruro de calcio (CaCl2) (H319) é outro sal ben estudado porque o seu hidrato ten propiedades termodinámicas interesantes41,42,43,44. Cloruro de calcio hexahidratado Nº CAS 7774-34-7 Empregado ao 97 % (Grüssing, GmbH, Filsum, Niedersachsen, Alemaña).
O sulfato de cinc (ZnSO4) (H3O2, H318, H410) e os seus hidratos teñen propiedades termodinámicas axeitadas para procesos de adsorción a baixa temperatura45,46. Empregouse sulfato de cinc heptahidratado CAS-Nr. 7733-02-0 99,5 % (Grüssing GmbH, Filsum, Niedersachsen, Alemaña).
O cloruro de estroncio (SrCl2) (H318) tamén ten propiedades termodinámicas interesantes4,45,47, aínda que a miúdo se combina con amoníaco na investigación de bombas de calor de adsorción ou almacenamento de enerxía. Para a síntese empregouse cloruro de estroncio hexahidratado CAS-Nr. 10.476-85-4 99,0–102,0 % (Sigma Aldrich, St. Louis, Missouri, EUA).
O sulfato de cobre (CuSO4) (H302, H315, H319, H410) non se atopa entre os hidratos que se atopan con frecuencia na literatura profesional, aínda que as súas propiedades termodinámicas son de interese para aplicacións a baixa temperatura48,49. Para a síntese empregouse sulfato de cobre CAS-Nr. 7758-99-8 99 % (Sigma Aldrich, St. Louis, MO, EUA).
O cloruro de magnesio (MgCl2) é un dos sales hidratados que recibiu máis atención recentemente no campo do almacenamento de enerxía térmica50,51. Para os experimentos empregouse cloruro de magnesio hexahidratado CAS-Nr. 7791-18-6 de grao farmacéutico puro (Applichem GmbH., Darmstadt, Alemaña).
Como se mencionou anteriormente, escolleuse a hidroxietilcelulosa debido aos resultados positivos en aplicacións similares. O material empregado na nosa síntese é a hidroxietilcelulosa CAS-Nr 9004-62-0 (Sigma Aldrich, St. Louis, MO, EUA).
As fibras metálicas fabrícanse a partir de fíos curtos unidos por compresión e sinterización, un proceso coñecido como extracción por fusión en crisol (CME)52. Isto significa que a súa condutividade térmica depende non só da condutividade aparente dos metais empregados na fabricación e da porosidade da estrutura final, senón tamén da calidade das unións entre os fíos. As fibras non son isotrópicas e tenden a distribuírse nunha determinada dirección durante a produción, o que fai que a condutividade térmica na dirección transversal sexa moito menor.
As propiedades de absorción de auga investigáronse mediante análise termogravimétrica simultánea (TGA)/análise termogravimétrica diferencial (DTG) nun envase de baleiro (Netzsch TG 209 F1 Libra). As medicións realizáronse nunha atmosfera de nitróxeno en fluxo a un caudal de 10 ml/min e un rango de temperatura de 25 a 150 °C en crisois de óxido de aluminio. A velocidade de quecemento foi de 1 °C/min, o peso da mostra variou de 10 a 20 mg e a resolución foi de 0,1 μg. Neste traballo, débese ter en conta que a diferenza de masa por unidade de superficie ten unha gran incerteza. As mostras utilizadas en TGA-DTG son moi pequenas e están cortadas irregularmente, o que fai que a súa determinación de área sexa inexacta. Estes valores só se poden extrapolar a unha área maior se se teñen en conta as grandes desviacións.
Os espectros de reflexión total atenuada por transformada de Fourier no infravermello (ATR-FTIR) foron adquiridos nun espectrómetro FTIR Bruker Vertex 80 v (Bruker Optik GmbH, Leipzig, Alemaña) usando un accesorio de platino ATR (Bruker Optik GmbH, Alemaña). Os espectros de cristais de diamante seco puro foron medidos directamente no baleiro antes de usar as mostras como fondo para as medicións experimentais. As mostras foron medidas no baleiro usando unha resolución espectral de 2 cm-1 e un número medio de exploracións de 32. O rango de número de onda está entre 8000 e 500 cm-1. A análise espectral realizouse usando o programa OPUS.
A análise SEM realizouse cun DSM 982 Gemini de Zeiss a voltaxes de aceleración de 2 e 5 kV. A espectroscopia de raios X por dispersión de enerxía (EDX) realizouse cun Thermo Fischer System 7 cun detector de deriva de silicio (SSD) arrefriado por Peltier.
A preparación das placas metálicas realizouse segundo un procedemento similar ao descrito no punto 53. Primeiro, mergullouse a placa en ácido sulfúrico ao 50 % durante 15 minutos. Despois, introducíronse nunha solución de hidróxido de sodio 1 M durante uns 10 segundos. A continuación, laváronse as mostras cunha gran cantidade de auga destilada e logo mergulláronse en auga destilada durante 30 minutos. Tras un tratamento superficial preliminar, as mostras mergulláronse nunha solución saturada ao 3 % de HEC e sal diana. Finalmente, retiráronse e secáronse a 60 °C.
O método de anodización mellora e fortalece a capa de óxido natural do metal pasivo. Os paneis de aluminio foron anodizados con ácido sulfúrico nun estado endurecido e logo selados en auga quente. A anodización seguiu dun gravado inicial con 1 mol/l de NaOH (600 s) seguido de neutralización en 1 mol/l de HNO3 (60 s). A solución electrolítica é unha mestura de H2SO4 2,3 M, Al2(SO4)3 0,01 M e MgSO4 + 7H2O 1 M. A anodización realizouse a (40 ± 1) °C, 30 mA/cm2 durante 1200 segundos. O proceso de selado levouse a cabo en varias solucións de salmoira como se describe nos materiais (MgSO4, CaCl2, ZnSO4, SrCl2, CuSO4, MgCl2). A mostra férvese nela durante 1800 segundos.
Investigáronse tres métodos diferentes para producir materiais compostos: revestimento adhesivo, reacción directa e tratamento superficial. Analízanse e discútense sistematicamente as vantaxes e desvantaxes de cada método de adestramento. Empregáronse a observación directa, a nanoimaxes e a análise química/elemental para avaliar os resultados.
A anodización foi escollida como método de tratamento superficial de conversión para aumentar a adhesión dos hidratos de sales. Este tratamento superficial crea unha estrutura porosa de alúmina (alúmina) directamente sobre a superficie de aluminio. Tradicionalmente, este método consta de dúas etapas: a primeira etapa crea unha estrutura porosa de óxido de aluminio e a segunda etapa crea un revestimento de hidróxido de aluminio que pecha os poros. Os seguintes son dous métodos para bloquear o sal sen bloquear o acceso á fase gasosa. O primeiro consiste nun sistema de panal de abella utilizando pequenos tubos de óxido de aluminio (Al2O3) obtidos no primeiro paso para manter os cristais adsorbentes e aumentar a súa adhesión ás superficies metálicas. Os panais de abella resultantes teñen un diámetro duns 50 nm e unha lonxitude de 200 nm (Fig. 1a). Como se mencionou anteriormente, estas cavidades adoitan pecharse nun segundo paso cunha capa fina de boehmita Al2O(OH)2 soportada polo proceso de ebulición en tubos de alúmina. No segundo método, este proceso de selado modifícase de tal xeito que os cristais de sal quedan capturados nunha capa uniforme de boehmita (Al2O(OH)), que non se usa para o selado neste caso. A segunda etapa lévase a cabo nunha solución saturada do sal correspondente. Os patróns descritos teñen tamaños no rango de 50–100 nm e parecen pingas salpicadas (Fig. 1b). A superficie obtida como resultado do proceso de selado ten unha estrutura espacial pronunciada cunha maior área de contacto. Este patrón superficial, xunto coas súas moitas configuracións de unión, é ideal para transportar e manter cristais de sal. Ambas as estruturas descritas parecen ser verdadeiramente porosas e teñen pequenas cavidades que parecen ser axeitadas para reter hidratos de sal e adsorber vapores ao sal durante o funcionamento do adsorbedor. Non obstante, a análise elemental destas superficies mediante EDX pode detectar trazas de magnesio e xofre na superficie da boehmita, que non se detectan no caso dunha superficie de alúmina.
O ATR-FTIR da mostra confirmou que o elemento era sulfato de magnesio (véxase a Figura 2b). O espectro mostra picos de ións sulfato característicos a 610–680 e 1080–1130 cm–1 e picos de auga de rede característicos a 1600–1700 cm–1 e 3200–3800 cm–1 (véxase a Fig. 2a, c). A presenza de ións de magnesio case non altera o espectro54.
(a) Espectro de EDX dunha placa de aluminio MgSO4 recuberta de boehmita, (b) Espectros ATR-FTIR de recubrimentos de boehmita e MgSO4, (c) Espectros ATR-FTIR de MgSO4 puro.
O mantemento da eficiencia da adsorción confirmouse mediante TGA. Na figura 3b móstrase un pico de desorción de aproximadamente 60 °C. Este pico non se corresponde coa temperatura dos dous picos observados na TGA de sal puro (figura 3a). Avaliouse a repetibilidade do ciclo de adsorción-desorción e observouse a mesma curva despois de colocar as mostras nunha atmosfera húmida (figura 3c). As diferenzas observadas na segunda etapa da desorción poden ser o resultado da deshidratación nunha atmosfera fluída, xa que isto adoita levar a unha deshidratación incompleta. Estes valores corresponden a aproximadamente 17,9 g/m2 na primeira deshidratación e 10,3 g/m2 na segunda deshidratación.
Comparación da análise TGA de boehmita e MgSO4: análise TGA de MgSO4 puro (a), mestura (b) e despois da rehidratación (c).
O mesmo método levouse a cabo con cloruro de calcio como adsorbente. Os resultados preséntanse na Figura 4. A inspección visual da superficie revelou pequenos cambios no brillo metálico. A pel é apenas visible. O SEM confirmou a presenza de pequenos cristais distribuídos uniformemente pola superficie. Non obstante, a TGA non mostrou deshidratación por debaixo dos 150 °C. Isto pode deberse ao feito de que a proporción de sal é demasiado pequena en comparación coa masa total do substrato para a súa detección mediante TGA.
Os resultados do tratamento superficial do revestimento de sulfato de cobre mediante o método de anodización móstranse na figura 5. Neste caso, non se produciu a incorporación esperada de CuSO4 na estrutura do óxido de Al. En cambio, obsérvanse agullas soltas, xa que se usan habitualmente para o hidróxido de cobre Cu(OH)2 que se emprega con tinguiduras turquesa típicas.
O tratamento superficial anodizado tamén se probou en combinación con cloruro de estroncio. Os resultados mostraron unha cobertura desigual (véxase a Figura 6a). Para determinar se o sal cubría toda a superficie, realizouse unha análise EDX. A curva para un punto na área gris (punto 1 na Fig. 6b) mostra pouco estroncio e moito aluminio. Isto indica un baixo contido de estroncio na zona medida, o que, á súa vez, indica unha baixa cobertura de cloruro de estroncio. Pola contra, as áreas brancas teñen un alto contido de estroncio e un baixo contido de aluminio (puntos 2-6 na Fig. 6b). A análise EDX da área branca mostra puntos máis escuros (puntos 2 e 4 na Fig. 6b), baixo contido de cloro e alto contido de xofre. Isto pode indicar a formación de sulfato de estroncio. Os puntos máis brillantes reflicten un alto contido de cloro e un baixo contido de xofre (puntos 3, 5 e 6 na Fig. 6b). Isto pódese explicar polo feito de que a parte principal do revestimento branco consiste no cloruro de estroncio esperado. A TGA da mostra confirmou a interpretación da análise cun pico á temperatura característica do cloruro de estroncio puro (Fig. 6c). O seu pequeno valor pódese xustificar por unha pequena fracción de sal en comparación coa masa do soporte metálico. A masa de desorción determinada nos experimentos corresponde á cantidade de 7,3 g/m2 desprendida por unidade de área do adsorbedor a unha temperatura de 150 °C.
Tamén se probaron revestimentos de sulfato de cinc tratados con eloxal. Macroscopicamente, o revestimento é unha capa moi fina e uniforme (Fig. 7a). Non obstante, a microscopía electrónica de varrido (SEM) revelou unha área superficial cuberta con pequenos cristais separados por áreas baleiras (Fig. 7b). A TGA do revestimento e do substrato comparouse coa do sal puro (Figura 7c). O sal puro ten un pico asimétrico a 59,1 °C. O aluminio revestido mostrou dous pequenos picos a 55,5 °C e 61,3 °C, o que indica a presenza de hidrato de sulfato de cinc. A diferenza de masa revelada no experimento corresponde a 10,9 g/m2 a unha temperatura de deshidratación de 150 °C.
Do mesmo xeito que na solicitude anterior53, empregouse hidroxietilcelulosa como aglutinante para mellorar a adhesión e a estabilidade do revestimento sorbente. A compatibilidade do material e o efecto no rendemento da adsorción avaliáronse mediante TGA. A análise realízase en relación coa masa total, é dicir, a mostra inclúe unha placa metálica utilizada como substrato do revestimento. A adhesión compróbase mediante unha proba baseada na proba de entalla cruzada definida na especificación ISO2409 (non pode cumprir a especificación de separación de entalla dependendo do grosor e a anchura da especificación).
O revestimento dos paneis con cloruro de calcio (CaCl2) (véxase a figura 8a) deu lugar a unha distribución desigual, que non se observou no revestimento de aluminio puro empregado para a proba de entalla transversal. En comparación cos resultados para CaCl2 puro, a TGA (figura 8b) mostra dous picos característicos desprazados cara a temperaturas máis baixas de 40 e 20 °C, respectivamente. A proba de sección transversal non permite unha comparación obxectiva porque a mostra de CaCl2 puro (mostra da dereita na figura 8c) é un precipitado en po, que elimina as partículas superiores. Os resultados da HEC mostraron un revestimento moi fino e uniforme cunha adhesión satisfactoria. A diferenza de masa mostrada na figura 8b corresponde a 51,3 g/m2 por unidade de área do adsorbedor a unha temperatura de 150 °C.
Tamén se obtiveron resultados positivos en termos de adhesión e uniformidade con sulfato de magnesio (MgSO4) (véxase a Fig. 9). A análise do proceso de desorción do recubrimento mostrou a presenza dun pico de aproximadamente 60 °C. Esta temperatura corresponde ao paso principal de desorción observado na deshidratación de sales puras, representando outro paso a 44 °C. Corresponde á transición de hexahidrato a pentahidrato e non se observa no caso de recubrimentos con aglutinantes. As probas de sección transversal mostran unha mellor distribución e adhesión en comparación cos recubrimentos realizados con sal puro. A diferenza de masa observada en TGA-DTC corresponde a 18,4 g/m2 por unidade de área do adsorbedor a unha temperatura de 150 °C.
Debido ás irregularidades da superficie, o cloruro de estroncio (SrCl2) ten un revestimento desigual nas aletas (Fig. 10a). Non obstante, os resultados da proba de entalla transversal mostraron unha distribución uniforme cunha adhesión significativamente mellorada (Fig. 10c). A análise TGA mostrou unha diferenza moi pequena no peso, que debe deberse ao menor contido de sal en comparación co substrato metálico. Non obstante, os pasos da curva mostran a presenza dun proceso de deshidratación, aínda que o pico está asociado coa temperatura obtida ao caracterizar o sal puro. Os picos a 110 °C e 70,2 °C observados nas Figs. 10b tamén se atoparon ao analizar o sal puro. Non obstante, o paso principal de deshidratación observado no sal puro a 50 °C non se reflectiu nas curvas que empregan o aglutinante. Pola contra, a mestura de aglutinante mostrou dous picos a 20,2 °C e 94,1 °C, que non se mediron para o sal puro (Fig. 10b). A unha temperatura de 150 °C, a diferenza de masa observada corresponde a 7,2 g/m2 por unidade de área do adsorbedor.
A combinación de HEC e sulfato de cinc (ZnSO4) non deu resultados aceptables (Figura 11). A análise TGA do metal revestido non revelou ningún proceso de deshidratación. Aínda que a distribución e a adhesión do revestimento melloraron, as súas propiedades aínda están lonxe de ser óptimas.
A forma máis sinxela de recubrir fibras metálicas cunha capa fina e uniforme é a impregnación húmida (Fig. 12a), que inclúe a preparación do sal obxectivo e a impregnación das fibras metálicas cunha solución acuosa.
Ao prepararse para a impregnación húmida, atópanse dous problemas principais. Por unha banda, a tensión superficial da solución salina impide a correcta incorporación do líquido na estrutura porosa. A cristalización na superficie exterior (Fig. 12d) e as burbullas de aire atrapadas dentro da estrutura (Fig. 12c) só se poden reducir baixando a tensión superficial e humedecendo previamente a mostra con auga destilada. A disolución forzada na mostra mediante a evacuación do aire do interior ou mediante a creación dun fluxo de solución na estrutura son outras formas eficaces de garantir o recheo completo da estrutura.
O segundo problema atopado durante a preparación foi a eliminación da película dunha parte do sal (véxase a figura 12b). Este fenómeno caracterízase pola formación dun revestimento seco na superficie de disolución, que detén o secado estimulado por convección e inicia o proceso estimulado por difusión. O segundo mecanismo é moito máis lento que o primeiro. Como resultado, requírese unha temperatura alta durante un tempo de secado razoable, o que aumenta o risco de que se formen burbullas dentro da mostra. Este problema resólvese introducindo un método alternativo de cristalización baseado non no cambio de concentración (evaporación), senón no cambio de temperatura (como no exemplo con MgSO4 na figura 13).
Representación esquemática do proceso de cristalización durante o arrefriamento e a separación de fases sólida e líquida empregando MgSO4.
As solucións salinas saturadas pódense preparar a temperatura ambiente (HT) ou por riba dela usando este método. No primeiro caso, a cristalización forzouse baixando a temperatura por debaixo da temperatura ambiente. No segundo caso, a cristalización produciuse cando a mostra se arrefriou á temperatura ambiente (RT). O resultado é unha mestura de cristais (B) e disoltos (A), cuxa parte líquida se elimina mediante aire comprimido. Este enfoque non só evita a formación dunha película sobre estes hidratos, senón que tamén reduce o tempo necesario para a preparación doutros compostos. Non obstante, a eliminación de líquido mediante aire comprimido leva a unha cristalización adicional do sal, o que resulta nun revestimento máis groso.
Outro método que se pode empregar para revestir superficies metálicas implica a produción directa de sales obxectivo mediante reaccións químicas. Os intercambiadores de calor revestidos fabricados pola reacción de ácidos nas superficies metálicas de aletas e tubos teñen unha serie de vantaxes, como se informou no noso estudo anterior. A aplicación deste método ás fibras levou a resultados moi deficientes debido á formación de gases durante a reacción. A presión das burbullas de gas hidróxeno acumúlase dentro da sonda e cambia a medida que se expulsa o produto (Fig. 14a).
O revestimento foi modificado mediante unha reacción química para controlar mellor o grosor e a distribución do mesmo. Este método implica pasar unha corrente de néboa ácida a través da mostra (Figura 14b). Espérase que isto dea lugar a un revestimento uniforme por reacción co metal do substrato. Os resultados foron satisfactorios, pero o proceso foi demasiado lento para ser considerado un método eficaz (Fig. 14c). Pódense conseguir tempos de reacción máis curtos mediante quentamento localizado.
Para superar as desvantaxes dos métodos anteriores, estudouse un método de revestimento baseado no uso de adhesivos. Seleccionouse a HEC en función dos resultados presentados na sección anterior. Todas as mostras preparáronse ao 3 % en peso. O aglutinante mestúrase con sal. As fibras foron pretratadas segundo o mesmo procedemento que para as costelas, é dicir, mergulláronse en ácido sulfúrico ao 50 % en volume en 15 minutos, despois mergulláronse en hidróxido de sodio durante 20 segundos, laváronse en auga destilada e finalmente mergulláronse en auga destilada durante 30 minutos. Neste caso, engadiuse un paso adicional antes da impregnación. Mergulle a mostra brevemente nunha solución salina diluída e séquea a aproximadamente 60 °C. O proceso está deseñado para modificar a superficie do metal, creando sitios de nucleación que melloren a distribución do revestimento na fase final. A estrutura fibrosa ten un lado onde os filamentos son máis finos e están compactados, e o lado oposto onde os filamentos son máis grosos e están menos distribuídos. Este é o resultado de 52 procesos de fabricación.
Os resultados para o cloruro de calcio (CaCl2) resúmense e ilústranse con imaxes na Táboa 1. Boa cobertura despois da inoculación. Mesmo aqueles fíos sen cristais visibles na superficie tiveron reflexións metálicas reducidas, o que indica un cambio no acabado. Non obstante, despois de impregnar as mostras cunha mestura acuosa de CaCl2 e HEC e secalas a unha temperatura duns 60 °C, os recubrimentos concentráronse nas interseccións das estruturas. Este é un efecto causado pola tensión superficial da solución. Despois do remollo, o líquido permanece dentro da mostra debido á súa tensión superficial. Basicamente, ocorre na intersección das estruturas. O mellor lado da mostra ten varios buratos cheos de sal. O peso aumentou en 0,06 g/cm3 despois do recubrimento.
O recubrimento con sulfato de magnesio (MgSO4) produciu máis sal por unidade de volume (Táboa 2). Neste caso, o incremento medido é de 0,09 g/cm3. O proceso de sementeira resultou nunha extensa cobertura da mostra. Despois do proceso de recubrimento, o sal bloquea grandes áreas da parte delgada da mostra. Ademais, algunhas áreas da mata quedan bloqueadas, pero mantense algo de porosidade. Neste caso, a formación de sal obsérvase facilmente na intersección das estruturas, o que confirma que o proceso de recubrimento se debe principalmente á tensión superficial do líquido e non á interacción entre o sal e o substrato metálico.
Os resultados para a combinación de cloruro de estroncio (SrCl2) e HEC mostraron propiedades similares aos exemplos anteriores (Táboa 3). Neste caso, o lado máis fino da mostra está case completamente cuberto. Só son visibles poros individuais, formados durante o secado como resultado da liberación de vapor da mostra. O patrón observado no lado mate é moi similar ao caso anterior, a área está bloqueada con sal e as fibras non están completamente cubertas.
Para avaliar o efecto positivo da estrutura fibrosa no rendemento térmico do intercambiador de calor, determinouse a condutividade térmica efectiva da estrutura fibrosa revestida e comparouse co material de revestimento puro. A condutividade térmica mediuse segundo a norma ASTM D 5470-2017 empregando o dispositivo de panel plano que se mostra na Figura 15a, empregando un material de referencia con condutividade térmica coñecida. En comparación con outros métodos de medición transitoria, este principio é vantaxoso para os materiais porosos empregados no presente estudo, xa que as medicións se realizan nun estado estacionario e cun tamaño de mostra suficiente (área de base 30 × 30 mm2, altura aproximadamente 15 mm). Preparáronse mostras do material de revestimento puro (referencia) e da estrutura de fibra revestida para as medicións na dirección da fibra e perpendicular á dirección da fibra para avaliar o efecto da condutividade térmica anisotrópica. As mostras moéronse na superficie (gran P320) para minimizar o efecto da rugosidade superficial debido á preparación da mostra, que non reflicte a estrutura dentro da mostra.