Takk for at du besøker Nature.com. Nettleserversjonen du bruker har begrenset CSS-støtte. For best mulig opplevelse anbefaler vi at du bruker en oppdatert nettleser (eller deaktiverer kompatibilitetsmodus i Internet Explorer). I mellomtiden, for å sikre fortsatt støtte, vil vi gjengi nettstedet uten stiler og JavaScript.
Markedsandelen for adsorpsjonskjølesystemer og varmepumper er fortsatt relativt liten sammenlignet med tradisjonelle kompressorsystemer. Til tross for den store fordelen med å bruke billig varme (i stedet for dyrt elektrisk arbeid), er implementeringen av systemer basert på adsorpsjonsprinsipper fortsatt begrenset til noen få spesifikke bruksområder. Hovedulempen som må elimineres, er reduksjonen i spesifikk effekt på grunn av lav varmeledningsevne og lav stabilitet til adsorbenten. Nåværende kommersielle adsorpsjonskjølesystemer er basert på adsorbere basert på platevarmevekslere belagt for å optimalisere kjølekapasiteten. Resultatene er velkjente at reduksjon av tykkelsen på belegget fører til en reduksjon i masseoverføringsimpedansen, og økning av overflateareal til volumforholdet til de ledende strukturene øker effekten uten at det går på bekostning av effektiviteten. Metallfibrene som brukes i dette arbeidet kan gi et spesifikt overflateareal i området 2500–50 000 m2/m3. Tre metoder for å oppnå svært tynne, men stabile belegg av salthydrater på metalloverflater, inkludert metallfibre, for produksjon av belegg demonstrerer for første gang en varmeveksler med høy effekttetthet. Overflatebehandlingen basert på anodisering av aluminium er valgt for å skape en sterkere binding mellom belegget og substratet. Mikrostrukturen til den resulterende overflaten ble analysert ved hjelp av skanningselektronmikroskopi. Redusert totalrefleksjon Fourier-transform infrarødspektroskopi og energidispersiv røntgenspektroskopi ble brukt til å kontrollere tilstedeværelsen av de ønskede artene i analysen. Deres evne til å danne hydrater ble bekreftet ved kombinert termogravimetrisk analyse (TGA)/differensiell termogravimetrisk analyse (DTG). Dårlig kvalitet over 0,07 g (vann)/g (kompositt) ble funnet i MgSO4-belegget, som viste tegn på dehydrering ved omtrent 60 °C og var reproduserbar etter rehydrering. Positive resultater ble også oppnådd med SrCl2 og ZnSO4 med en masseforskjell på omtrent 0,02 g/g under 100 °C. Hydroksyetylcellulose ble valgt som et tilsetningsstoff for å øke stabiliteten og adhesjonen til belegget. Produktenes adsorptive egenskaper ble evaluert ved samtidig TGA-DTG, og adhesjonen deres ble karakterisert ved en metode basert på testene beskrevet i ISO2409. Konsistensen og adhesjonen til CaCl2-belegget forbedres betydelig, samtidig som adsorpsjonskapasiteten opprettholdes med en vektforskjell på omtrent 0,1 g/g ved temperaturer under 100 °C. I tillegg beholder MgSO4 evnen til å danne hydrater, og viser en masseforskjell på mer enn 0,04 g/g ved temperaturer under 100 °C. Til slutt undersøkes belagte metallfibre. Resultatene viser at den effektive varmeledningsevnen til fiberstrukturen belagt med Al2(SO4)3 kan være 4,7 ganger høyere sammenlignet med volumet av ren Al2(SO4)3. Belegget til de studerte beleggene ble undersøkt visuelt, og den indre strukturen ble evaluert ved hjelp av et mikroskopisk bilde av tverrsnittene. Et belegg av Al2(SO4)3 med en tykkelse på omtrent 50 µm ble oppnådd, men den totale prosessen må optimaliseres for å oppnå en mer jevn fordeling.
Adsorpsjonssystemer har fått mye oppmerksomhet de siste tiårene, ettersom de gir et miljøvennlig alternativ til tradisjonelle kompresjonsvarmepumper eller kjølesystemer. Med økende komfortstandarder og globale gjennomsnittstemperaturer kan adsorpsjonssystemer redusere avhengigheten av fossilt brensel i nær fremtid. I tillegg kan eventuelle forbedringer innen adsorpsjonskjøling eller varmepumper overføres til termisk energilagring, noe som representerer en ytterligere økning i potensialet for effektiv bruk av primærenergi. Hovedfordelen med adsorpsjonsvarmepumper og kjølesystemer er at de kan operere med lav varmemasse. Dette gjør dem egnet for lavtemperaturkilder som solenergi eller spillvarme. Når det gjelder energilagringsapplikasjoner, har adsorpsjon fordelen av høyere energitetthet og mindre energitap sammenlignet med lagring av sensibel eller latent varme.
Adsorpsjonsvarmepumper og kjølesystemer følger den samme termodynamiske syklusen som sine dampkompresjonsmotparter. Hovedforskjellen er erstatningen av kompressorkomponenter med adsorbere. Elementet er i stand til å adsorbere lavtrykkskjølemiddeldamp ved moderate temperaturer, og fordampe mer kjølemiddel selv når væsken er kald. Det er nødvendig å sikre konstant kjøling av adsorberen for å utelukke adsorpsjonsentalpi (eksoterm). Adsorberen regenereres ved høy temperatur, noe som får kjølemiddeldampen til å desorbere. Oppvarming må fortsette å gi desorpsjonsentalpi (endoterm). Fordi adsorpsjonsprosesser er preget av temperaturendringer, krever høy effekttetthet høy varmeledningsevne. Lav varmeledningsevne er imidlertid den klart største ulempen i de fleste applikasjoner.
Hovedproblemet med konduktivitet er å øke gjennomsnittsverdien samtidig som transportveien som gir strømmen av adsorpsjons-/desorpsjonsdamp opprettholdes. To tilnærminger brukes ofte for å oppnå dette: komposittvarmevekslere og belagte varmevekslere. De mest populære og vellykkede komposittmaterialene er de som bruker karbonbaserte tilsetningsstoffer, nemlig ekspandert grafitt, aktivert karbon eller karbonfibre. Oliveira et al. 2 impregnerte ekspandert grafittpulver med kalsiumklorid for å produsere en adsorber med en spesifikk kjølekapasitet (SCP) på opptil 306 W/kg og en effektfaktor (COP) på opptil 0,46. Zajaczkowski et al. 3 foreslo en kombinasjon av ekspandert grafitt, karbonfiber og kalsiumklorid med en total konduktivitet på 15 W/mK. Jian et al. 4 testet kompositter med svovelsyrebehandlet ekspandert naturlig grafitt (ENG-TSA) som substrat i en totrinns adsorpsjonskjølesyklus. Modellen forutså en COP fra 0,215 til 0,285 og en SCP fra 161,4 til 260,74 W/kg.
Den klart mest levedyktige løsningen er den belagte varmeveksleren. Beleggmekanismene til disse varmevekslerne kan deles inn i to kategorier: direkte syntese og lim. Den mest vellykkede metoden er direkte syntese, som involverer dannelse av adsorberende materialer direkte på overflaten av varmevekslere fra de passende reagensene. Sotech5 har patentert en metode for å syntetisere belagt zeolitt for bruk i en serie kjølere produsert av Fahrenheit GmbH. Schnabel et al.6 testet ytelsen til to zeolitter belagt på rustfritt stål. Denne metoden fungerer imidlertid bare med spesifikke adsorbenter, noe som gjør belegg med lim til et interessant alternativ. Bindemidler er passive stoffer valgt for å støtte sorbentadhesjon og/eller masseoverføring, men spiller ingen rolle i adsorpsjon eller konduktivitetsforbedring. Freni et al.7 belagte aluminiumvarmevekslere med AQSOA-Z02 zeolitt stabilisert med et leirebasert bindemiddel. Calabrese et al.8 studerte fremstillingen av zeolittbelegg med polymere bindemidler. Ammann et al.9 foreslo en metode for å fremstille porøse zeolittbelegg fra magnetiske blandinger av polyvinylalkohol. Alumina (alumina) brukes også som bindemiddel 10 i adsorberen. Så vidt vi vet, brukes cellulose og hydroksyetylcellulose kun i kombinasjon med fysiske adsorbenter11,12. Noen ganger brukes ikke limet til malingen, men brukes til å bygge strukturen 13 alene. Kombinasjonen av alginatpolymermatriser med flere salthydrater danner fleksible komposittkulestrukturer som forhindrer lekkasje under tørking og gir tilstrekkelig masseoverføring. Leire som bentonitt og attapulgitt har blitt brukt som bindemidler for fremstilling av kompositter15,16,17. Etylcellulose har blitt brukt til å mikroinnkapsle kalsiumklorid18 eller natriumsulfid19.
Kompositter med en porøs metallstruktur kan deles inn i additive varmevekslere og belagte varmevekslere. Fordelen med disse strukturene er det høye spesifikke overflatearealet. Dette resulterer i en større kontaktflate mellom adsorbent og metall uten tilsetning av en inert masse, noe som reduserer den totale effektiviteten til kjølesyklusen. Lang et al. 20 har forbedret den totale konduktiviteten til en zeolittadsorber med en aluminiumsbikakestruktur. Gillerminot et al. 21 forbedret den termiske konduktiviteten til NaX-zeolittlag med kobber- og nikkelskum. Selv om kompositter brukes som faseendringsmaterialer (PCM), er funnene til Li et al. 22 og Zhao et al. 23 også av interesse for kjemisorpsjon. De sammenlignet ytelsen til ekspandert grafitt og metallskum og konkluderte med at sistnevnte bare var å foretrekke hvis korrosjon ikke var et problem. Palomba et al. har nylig sammenlignet andre metalliske porøse strukturer 24. Van der Pal et al. har studert metallsalter innebygd i skum 25. Alle tidligere eksempler tilsvarer tette lag med partikkelformede adsorbenter. Porøse metallstrukturer brukes praktisk talt ikke til å belegge adsorbere, noe som er en mer optimal løsning. Et eksempel på binding til zeolitter finnes i Wittstadt et al. 26, men det er ikke gjort noe forsøk på å binde salthydrater til tross for deres høyere energitetthet 27.
I denne artikkelen vil tre metoder for å fremstille adsorbentbelegg bli utforsket: (1) bindemiddelbelegg, (2) direkte reaksjon og (3) overflatebehandling. Hydroksyetylcellulose var det valgte bindemidlet i dette arbeidet på grunn av tidligere rapportert stabilitet og god beleggheft i kombinasjon med fysiske adsorbenter. Denne metoden ble først undersøkt for flate belegg og senere anvendt på metallfiberstrukturer. Tidligere ble det rapportert om en foreløpig analyse av muligheten for kjemiske reaksjoner med dannelse av adsorbentbelegg. Tidligere erfaring overføres nå til belegg av metallfiberstrukturer. Overflatebehandlingen som er valgt for dette arbeidet er en metode basert på aluminiumanodisering. Aluminiumanodisering har blitt kombinert med metallsalter for estetiske formål29. I disse tilfellene kan man oppnå svært stabile og korrosjonsbestandige belegg. De kan imidlertid ikke utføre noen adsorpsjons- eller desorpsjonsprosess. Denne artikkelen presenterer en variant av denne tilnærmingen som tillater at masse flyttes ved hjelp av de adhesive egenskapene til den opprinnelige prosessen. Så vidt vi vet, har ingen av metodene beskrevet her blitt studert tidligere. De representerer en svært interessant ny teknologi fordi de tillater dannelse av hydrerte adsorbentbelegg, som har en rekke fordeler i forhold til de ofte studerte fysiske adsorbentene.
De stemplede aluminiumsplatene som ble brukt som underlag for disse eksperimentene ble levert av ALINVEST Břidličná, Tsjekkia. De inneholder 98,11 % aluminium, 1,3622 % jern, 0,3618 % mangan og spor av kobber, magnesium, silisium, titan, sink, krom og nikkel.
Materialene som velges for produksjon av kompositter velges i samsvar med deres termodynamiske egenskaper, nemlig avhengig av mengden vann de kan adsorbere/desorbere ved temperaturer under 120 °C.
Magnesiumsulfat (MgSO4) er et av de mest interessante og studerte hydrerte saltene30,31,32,33,34,35,36,37,38,39,40,41. De termodynamiske egenskapene har blitt systematisk målt og funnet å være egnet for anvendelser innen adsorpsjonskjøling, varmepumper og energilagring. Tørt magnesiumsulfat CAS-nr. 7487-88-9 99 % (Grüssing GmbH, Filsum, Niedersachsen, Tyskland) ble brukt.
Kalsiumklorid (CaCl2) (H319) er et annet godt studert salt fordi hydratet har interessante termodynamiske egenskaper41,42,43,44. Kalsiumkloridheksahydrat CAS-nr. 7774-34-7 97 % brukt (Grüssing, GmbH, Filsum, Niedersachsen, Tyskland).
Sinksulfat (ZnSO4) (H3O2, H318, H410) og dets hydrater har termodynamiske egenskaper som er egnet for adsorpsjonsprosesser ved lav temperatur45,46. Sinksulfatheptahydrat CAS-nr. 7733-02-0 99,5 % (Grüssing GmbH, Filsum, Niedersachsen, Tyskland) ble brukt.
Strontiumklorid (SrCl2) (H318) har også interessante termodynamiske egenskaper4,45,47, selv om det ofte kombineres med ammoniakk i forskning på adsorpsjonsvarmepumper eller energilagring. Strontiumkloridheksahydrat CAS-nr. 10.476-85-4 99,0–102,0 % (Sigma Aldrich, St. Louis, Missouri, USA) ble brukt til syntesen.
Kobbersulfat (CuSO4) (H302, H315, H319, H410) er ikke blant hydratene som ofte finnes i faglitteraturen, selv om dets termodynamiske egenskaper er av interesse for lavtemperaturapplikasjoner48,49. Kobbersulfat CAS-nr. 7758-99-8 99 % (Sigma Aldrich, St. Louis, MO, USA) ble brukt til syntesen.
Magnesiumklorid (MgCl2) er et av de hydrerte saltene som nylig har fått mer oppmerksomhet innen termisk energilagring50,51. Magnesiumkloridheksahydrat CAS-nr. 7791-18-6 ren farmasøytisk kvalitet (Applichem GmbH., Darmstadt, Tyskland) ble brukt til forsøkene.
Som nevnt ovenfor ble hydroksyetylcellulose valgt på grunn av de positive resultatene i lignende anvendelser. Materialet som brukes i syntesen vår er hydroksyetylcellulose CAS-nr. 9004-62-0 (Sigma Aldrich, St. Louis, MO, USA).
Metallfibre er laget av korte tråder bundet sammen ved kompresjon og sintring, en prosess kjent som crucible melt extraction (CME)52. Dette betyr at deres varmeledningsevne ikke bare avhenger av bulkledningsevnen til metallene som brukes i produksjonen og porøsiteten til den endelige strukturen, men også av kvaliteten på bindingene mellom trådene. Fibrene er ikke isotrope og har en tendens til å være fordelt i en bestemt retning under produksjonen, noe som gjør varmeledningsevnen i tverrretningen mye lavere.
Vannabsorpsjonsegenskapene ble undersøkt ved hjelp av samtidig termogravimetrisk analyse (TGA)/differensiell termogravimetrisk analyse (DTG) i en vakuumpakke (Netzsch TG 209 F1 Libra). Målingene ble utført i en strømmende nitrogenatmosfære med en strømningshastighet på 10 ml/min og et temperaturområde fra 25 til 150 °C i aluminiumoksiddigler. Oppvarmingshastigheten var 1 °C/min, prøvevekten varierte fra 10 til 20 mg, og oppløsningen var 0,1 μg. I dette arbeidet skal det bemerkes at masseforskjellen per overflateenhet har stor usikkerhet. Prøvene som brukes i TGA-DTG er svært små og uregelmessig kuttet, noe som gjør arealbestemmelsen unøyaktig. Disse verdiene kan bare ekstrapoleres til et større område hvis store avvik tas i betraktning.
Dempede totalrefleksjons-Fourier-transform infrarøde (ATR-FTIR)-spektre ble innhentet på et Bruker Vertex 80 v FTIR-spektrometer (Bruker Optik GmbH, Leipzig, Tyskland) ved bruk av et ATR-platinatilbehør (Bruker Optik GmbH, Tyskland). Spektrene til rene, tørre diamantkrystaller ble målt direkte i vakuum før prøvene ble brukt som bakgrunn for eksperimentelle målinger. Prøvene ble målt i vakuum med en spektral oppløsning på 2 cm⁻¹ og et gjennomsnittlig antall skanninger på 32. Bølgetallområdet er fra 8000 til 500 cm⁻¹. Spektralanalyse ble utført ved hjelp av OPUS-programmet.
SEM-analyse ble utført med en DSM 982 Gemini fra Zeiss ved akselerasjonsspenninger på 2 og 5 kV. Energidispersiv røntgenspektroskopi (EDX) ble utført med et Thermo Fischer System 7 med en Peltier-kjølt silisiumdriftdetektor (SSD).
Forberedelsen av metallplatene ble utført i henhold til en prosedyre som ligner på den som er beskrevet i 53. Først ble platen senket ned i 50 % svovelsyre i 15 minutter. Deretter ble de introdusert i 1 M natriumhydroksidløsning i omtrent 10 sekunder. Deretter ble prøvene vasket med en stor mengde destillert vann og deretter bløtlagt i destillert vann i 30 minutter. Etter forbehandling av overflaten ble prøvene senket ned i en 3 % mettet løsning av HEC og målsalt. Til slutt ble de tatt ut og tørket ved 60 °C.
Anodiseringsmetoden forsterker og forsterker det naturlige oksidlaget på det passive metallet. Aluminiumsplatene ble anodisert med svovelsyre i herdet tilstand og deretter forseglet i varmt vann. Anodiseringen fulgte etter en innledende etsing med 1 mol/l NaOH (600 s) etterfulgt av nøytralisering i 1 mol/l HNO3 (60 s). Elektrolyttløsningen er en blanding av 2,3 M H2SO4, 0,01 M Al2(SO4)3 og 1 M MgSO4 + 7H2O. Anodiseringen ble utført ved (40 ± 1) °C, 30 mA/cm2 i 1200 sekunder. Forseglingsprosessen ble utført i forskjellige saltlakeløsninger som beskrevet i materialene (MgSO4, CaCl2, ZnSO4, SrCl2, CuSO4, MgCl2). Prøven kokes i den i 1800 sekunder.
Tre ulike metoder for å produsere kompositter har blitt undersøkt: klebende belegg, direkte reaksjon og overflatebehandling. Fordeler og ulemper med hver treningsmetode analyseres og diskuteres systematisk. Direkte observasjon, nanoavbildning og kjemisk/elementær analyse ble brukt til å evaluere resultatene.
Anodisering ble valgt som en konverteringsoverflatebehandlingsmetode for å øke adhesjonen til salthydrater. Denne overflatebehandlingen skaper en porøs struktur av alumina (alumina) direkte på aluminiumoverflaten. Tradisjonelt består denne metoden av to trinn: det første trinnet skaper en porøs struktur av aluminiumoksid, og det andre trinnet skaper et belegg av aluminiumhydroksid som lukker porene. Følgende er to metoder for å blokkere salt uten å blokkere tilgangen til gassfasen. Den første består av et bikakesystem som bruker små aluminiumoksid (Al₂O₃)-rør oppnådd i det første trinnet for å holde adsorbentkrystallene og øke adhesjonen til metalloverflater. De resulterende bikakene har en diameter på omtrent 50 nm og en lengde på 200 nm (fig. 1a). Som nevnt tidligere, lukkes disse hulrommene vanligvis i et andre trinn med et tynt lag av Al₂O(OH)₂-bømitt støttet av aluminarørkokeprosessen. I den andre metoden modifiseres denne forseglingsprosessen på en slik måte at saltkrystallene fanges opp i et jevnt dekkende lag av bøhmitt (Al2O(OH)), som ikke brukes til forsegling i dette tilfellet. Det andre trinnet utføres i en mettet løsning av det tilsvarende saltet. De beskrevne mønstrene har størrelser i området 50–100 nm og ser ut som sprutende dråper (fig. 1b). Overflaten som oppnås som et resultat av forseglingsprosessen har en uttalt romlig struktur med et økt kontaktareal. Dette overflatemønsteret, sammen med deres mange bindingskonfigurasjoner, er ideelt for å bære og holde saltkrystaller. Begge de beskrevne strukturene ser ut til å være virkelig porøse og har små hulrom som ser ut til å være godt egnet til å holde på salthydrater og adsorbere damper til saltet under drift av adsorberen. Imidlertid kan elementanalyse av disse overflatene ved hjelp av EDX oppdage spormengder av magnesium og svovel på overflaten av bøhmitt, som ikke oppdages i tilfelle av en aluminaoverflate.
ATR-FTIR-analysen av prøven bekreftet at grunnstoffet var magnesiumsulfat (se figur 2b). Spekteret viser karakteristiske sulfationtopper ved 610–680 og 1080–1130 cm⁻¹ og karakteristiske gittervanntopper ved 1600–1700 cm⁻¹ og 3200–3800 cm⁻¹ (se figur 2a, c). Tilstedeværelsen av magnesiumioner endrer nesten ikke spekteret54.
(a) EDX av en bøhmittbelagt MgSO4-aluminiumplate, (b) ATR-FTIR-spektre av bøhmitt- og MgSO4-belegg, (c) ATR-FTIR-spektre av ren MgSO4.
Opprettholdt adsorpsjonseffektivitet ble bekreftet ved TGA. Figur 3b viser en desorpsjonstopp på ca. 60 °C. Denne toppen samsvarer ikke med temperaturen til de to toppene observert i TGA av rent salt (figur 3a). Repeterbarheten til adsorpsjon-desorpsjonssyklusen ble evaluert, og den samme kurven ble observert etter at prøvene ble plassert i en fuktig atmosfære (figur 3c). Forskjellene som ble observert i det andre desorpsjonstrinnet kan være et resultat av dehydrering i en strømmende atmosfære, da dette ofte fører til ufullstendig dehydrering. Disse verdiene tilsvarer omtrent 17,9 g/m2 ved første avvanning og 10,3 g/m2 ved andre avvanning.
Sammenligning av TGA-analyse av bøhmitt og MgSO4: TGA-analyse av ren MgSO4 (a), blanding (b) og etter rehydrering (c).
Den samme metoden ble utført med kalsiumklorid som adsorbent. Resultatene er presentert i figur 4. Visuell inspeksjon av overflaten avdekket mindre endringer i den metalliske gløden. Pelsen er knapt synlig. SEM bekreftet tilstedeværelsen av små krystaller jevnt fordelt over overflaten. TGA viste imidlertid ingen dehydrering under 150 °C. Dette kan skyldes at andelen salt er for liten sammenlignet med substratets totale masse til deteksjon med TGA.
Resultatene av overflatebehandlingen av kobbersulfatbelegget med anodiseringsmetoden er vist i figur 5. I dette tilfellet skjedde ikke den forventede inkorporeringen av CuSO4 i Al-oksidstrukturen. I stedet observeres løse nåler slik de vanligvis brukes til kobberhydroksid Cu(OH)2 brukt med typiske turkise fargestoffer.
Den anodiserte overflatebehandlingen ble også testet i kombinasjon med strontiumklorid. Resultatene viste ujevn dekning (se figur 6a). For å avgjøre om saltet dekket hele overflaten, ble det utført en EDX-analyse. Kurven for et punkt i det grå området (punkt 1 i figur 6b) viser lite strontium og mye aluminium. Dette indikerer et lavt innhold av strontium i den målte sonen, som igjen indikerer en lav dekning av strontiumklorid. Motsatt har hvite områder et høyt innhold av strontium og et lavt innhold av aluminium (punkt 2–6 i figur 6b). EDX-analyse av det hvite området viser mørkere prikker (punkt 2 og 4 i figur 6b), lavt klorinnhold og høyt svovelinnhold. Dette kan indikere dannelse av strontiumsulfat. Lysere prikker reflekterer høyt klorinnhold og lavt svovelinnhold (punkt 3, 5 og 6 i figur 6b). Dette kan forklares med at hoveddelen av det hvite belegget består av det forventede strontiumkloridet. TGA-analysen av prøven bekreftet tolkningen av analysen med en topp ved den karakteristiske temperaturen til rent strontiumklorid (fig. 6c). Deres lave verdi kan rettferdiggjøres av en liten andel salt sammenlignet med massen til metallbæreren. Desorpsjonsmassen bestemt i forsøkene tilsvarer mengden på 7,3 g/m2 som avgis per arealenhet av adsorberen ved en temperatur på 150 °C.
Eloxalbehandlede sinksulfatbelegg ble også testet. Makroskopisk er belegget et veldig tynt og ensartet lag (fig. 7a). SEM avslørte imidlertid et overflateareal dekket med små krystaller atskilt av tomme områder (fig. 7b). TGA for belegget og substratet ble sammenlignet med rent salt (figur 7c). Rent salt har én asymmetrisk topp ved 59,1 °C. Det belagte aluminiumet viste to små topper ved 55,5 °C og 61,3 °C, noe som indikerer tilstedeværelsen av sinksulfathydrat. Masseforskjellen som ble avslørt i eksperimentet tilsvarer 10,9 g/m2 ved en dehydreringstemperatur på 150 °C.
Som i forrige søknad53 ble hydroksyetylcellulose brukt som bindemiddel for å forbedre adhesjonen og stabiliteten til sorbentbelegget. Materialkompatibilitet og effekt på adsorpsjonsytelsen ble vurdert ved hjelp av TGA. Analysen utføres i forhold til totalmassen, dvs. at prøven inkluderer en metallplate brukt som beleggsubstrat. Adhesjonen testes ved hjelp av en test basert på krysshakktesten definert i ISO2409-spesifikasjonen (kan ikke oppfylle hakkseparasjonsspesifikasjonen avhengig av spesifikasjonens tykkelse og bredde).
Belegg av panelene med kalsiumklorid (CaCl2) (se fig. 8a) resulterte i ujevn fordeling, noe som ikke ble observert i det rene aluminiumsbelegget som ble brukt til tverrgående hakktest. Sammenlignet med resultatene for ren CaCl2, viser TGA (fig. 8b) to karakteristiske topper forskjøvet mot lavere temperaturer på henholdsvis 40 og 20 °C. Tverrsnittstesten tillater ikke en objektiv sammenligning fordi den rene CaCl2-prøven (prøven til høyre i fig. 8c) er et pulveraktig bunnfall som fjerner de øverste partiklene. HEC-resultatene viste et veldig tynt og jevnt belegg med tilfredsstillende adhesjon. Masseforskjellen vist i fig. 8b tilsvarer 51,3 g/m2 per arealenhet av adsorberen ved en temperatur på 150 °C.
Positive resultater med hensyn til adhesjon og ensartethet ble også oppnådd med magnesiumsulfat (MgSO4) (se fig. 9). Analyse av desorpsjonsprosessen til belegget viste tilstedeværelsen av én topp på ca. 60 °C. Denne temperaturen tilsvarer hoveddesorpsjonstrinnet som sees i dehydreringen av rene salter, og representerer et annet trinn ved 44 °C. Det tilsvarer overgangen fra heksahydrat til pentahydrat og observeres ikke ved belegg med bindemidler. Tverrsnittstester viser forbedret fordeling og adhesjon sammenlignet med belegg laget med rent salt. Masseforskjellen observert i TGA-DTC tilsvarer 18,4 g/m2 per arealenhet av adsorberen ved en temperatur på 150 °C.
På grunn av ujevnheter i overflaten har strontiumklorid (SrCl2) et ujevnt belegg på finnene (fig. 10a). Resultatene av den tverrgående hakktesten viste imidlertid jevn fordeling med betydelig forbedret adhesjon (fig. 10c). TGA-analyse viste en svært liten vektforskjell, som må skyldes det lavere saltinnholdet sammenlignet med metallsubstratet. Trinnene på kurven viser imidlertid tilstedeværelsen av en dehydreringsprosess, selv om toppen er assosiert med temperaturen som oppnås ved karakterisering av rent salt. Toppene ved 110 °C og 70,2 °C observert i fig. 10b ble også funnet ved analyse av rent salt. Hoveddehydreringstrinnet observert i rent salt ved 50 °C gjenspeiles imidlertid ikke i kurvene ved bruk av bindemiddelet. I motsetning til dette viste bindemiddelblandingen to topper ved 20,2 °C og 94,1 °C, som ikke ble målt for det rene saltet (fig. 10b). Ved en temperatur på 150 °C tilsvarer den observerte masseforskjellen 7,2 g/m2 per arealenhet av adsorberen.
Kombinasjonen av HEC og sinksulfat (ZnSO4) ga ikke akseptable resultater (figur 11). TGA-analyse av det belagte metallet avdekket ingen dehydreringsprosesser. Selv om fordelingen og adhesjonen til belegget har blitt bedre, er egenskapene fortsatt langt fra optimale.
Den enkleste måten å belegge metallfibre med et tynt og jevnt lag er våtimpregnering (fig. 12a), som inkluderer fremstilling av målsaltet og impregnering av metallfibre med en vandig løsning.
Ved forberedelse til våtimpregnering støter man på to hovedproblemer. På den ene siden hindrer overflatespenningen til saltløsningen riktig innlemmelse av væsken i den porøse strukturen. Krystallisering på den ytre overflaten (fig. 12d) og luftbobler fanget inne i strukturen (fig. 12c) kan bare reduseres ved å senke overflatespenningen og forfukte prøven med destillert vann. Tvungen oppløsning i prøven ved å evakuere luften inni eller ved å skape en løsningsstrøm i strukturen er andre effektive måter å sikre fullstendig fylling av strukturen.
Det andre problemet som oppsto under fremstillingen var fjerningen av filmen fra deler av saltet (se fig. 12b). Dette fenomenet er karakterisert ved dannelsen av et tørt belegg på oppløsningsoverflaten, som stopper den konvektivt stimulerte tørkingen og starter den diffusjonsstimulerte prosessen. Den andre mekanismen er mye tregere enn den første. Som et resultat kreves det en høy temperatur for en rimelig tørketid, noe som øker risikoen for bobledannelse inne i prøven. Dette problemet løses ved å introdusere en alternativ krystalliseringsmetode basert ikke på konsentrasjonsendring (fordampning), men på temperaturendring (som i eksemplet med MgSO4 i fig. 13).
Skjematisk fremstilling av krystalliseringsprosessen under avkjøling og separasjon av faste og flytende faser ved bruk av MgSO4.
Mettede saltløsninger kan fremstilles ved eller over romtemperatur (HT) ved hjelp av denne metoden. I det første tilfellet ble krystalliseringen tvunget frem ved å senke temperaturen til under romtemperatur. I det andre tilfellet skjedde krystalliseringen når prøven ble avkjølt til romtemperatur (RT). Resultatet er en blanding av krystaller (B) og oppløste stoffer (A), hvorav den flytende delen fjernes med trykkluft. Denne tilnærmingen unngår ikke bare dannelsen av en film på disse hydratene, men reduserer også tiden som kreves for fremstilling av andre kompositter. Fjerning av væske med trykkluft fører imidlertid til ytterligere krystallisering av saltet, noe som resulterer i et tykkere belegg.
En annen metode som kan brukes til å belegge metalloverflater involverer direkte produksjon av målsalter gjennom kjemiske reaksjoner. Belagte varmevekslere laget ved reaksjon av syrer på metalloverflatene til finner og rør har en rekke fordeler, som rapportert i vår tidligere studie. Anvendelsen av denne metoden på fibre førte til svært dårlige resultater på grunn av dannelsen av gasser under reaksjonen. Trykket i hydrogengassboblene bygger seg opp inne i sonden og forskyves når produktet kastes ut (fig. 14a).
Belegget har blitt modifisert gjennom en kjemisk reaksjon for bedre å kontrollere tykkelsen og fordelingen av belegget. Denne metoden innebærer å føre en syretåkestrøm gjennom prøven (figur 14b). Dette forventes å resultere i et jevnt belegg ved reaksjon med substratmetallet. Resultatene var tilfredsstillende, men prosessen var for treg til å kunne betraktes som en effektiv metode (figur 14c). Kortere reaksjonstider kan oppnås ved lokal oppvarming.
For å overvinne ulempene med metodene ovenfor, har en belegningsmetode basert på bruk av lim blitt studert. HEC ble valgt basert på resultatene presentert i forrige avsnitt. Alle prøver ble fremstilt med 3 vekt% svovelsyre. Bindemidlet blandes med salt. Fibrene ble forbehandlet i henhold til samme prosedyre som for ribbene, dvs. bløtlagt i 50% vol. i løpet av 15 minutter. deretter bløtlagt i natriumhydroksid i 20 sekunder, vasket i destillert vann og til slutt bløtlagt i destillert vann i 30 minutter. I dette tilfellet ble et ekstra trinn lagt til før impregnering. Senk prøven kort ned i en fortynnet målsaltløsning og tørk ved omtrent 60 °C. Prosessen er utformet for å modifisere metalloverflaten, og skape kimdannelsessteder som forbedrer fordelingen av belegget i sluttfasen. Den fiberholdige strukturen har én side der filamentene er tynnere og tettpakket, og den motsatte siden der filamentene er tykkere og mindre fordelt. Dette er resultatet av 52 produksjonsprosesser.
Resultatene for kalsiumklorid (CaCl2) er oppsummert og illustrert med bilder i tabell 1. God dekning etter inokulering. Selv de trådene uten synlige krystaller på overflaten hadde reduserte metalliske refleksjoner, noe som indikerer en endring i finishen. Etter at prøvene ble impregnert med en vandig blanding av CaCl2 og HEC og tørket ved en temperatur på omtrent 60 °C, ble imidlertid belegget konsentrert i skjæringspunktene mellom strukturene. Dette er en effekt forårsaket av overflatespenningen til løsningen. Etter bløtlegging forblir væsken inne i prøven på grunn av overflatespenningen. I utgangspunktet forekommer dette i skjæringspunktet mellom strukturene. Den beste siden av prøven har flere hull fylt med salt. Vekten økte med 0,06 g/cm3 etter belegg.
Belegg med magnesiumsulfat (MgSO4) produserte mer salt per volumenhet (tabell 2). I dette tilfellet er den målte økningen 0,09 g/cm3. Såprosessen resulterte i omfattende prøvedekning. Etter beleggprosessen blokkerer saltet store områder av den tynne siden av prøven. I tillegg er noen områder av matten blokkert, men noe porøsitet beholdes. I dette tilfellet observeres saltdannelse lett i skjæringspunktet mellom strukturene, noe som bekrefter at beleggprosessen hovedsakelig skyldes væskens overflatespenning, og ikke samspillet mellom saltet og metallsubstratet.
Resultatene for kombinasjonen av strontiumklorid (SrCl2) og HEC viste lignende egenskaper som i de foregående eksemplene (tabell 3). I dette tilfellet er den tynnere siden av prøven nesten fullstendig dekket. Bare individuelle porer er synlige, dannet under tørking som et resultat av frigjøring av damp fra prøven. Mønsteret som observeres på den matte siden er veldig likt det foregående tilfellet, området er blokkert med salt og fibrene er ikke fullstendig dekket.
For å evaluere den positive effekten av fiberstrukturen på varmevekslerens termiske ytelse, ble den effektive termiske konduktiviteten til den belagte fiberstrukturen bestemt og sammenlignet med det rene beleggmaterialet. Termisk konduktivitet ble målt i henhold til ASTM D 5470-2017 ved bruk av flatpanelenheten vist i figur 15a med et referansemateriale med kjent termisk konduktivitet. Sammenlignet med andre transiente målemetoder er dette prinsippet fordelaktig for porøse materialer som brukes i den aktuelle studien, siden målingene utføres i en stabil tilstand og med en tilstrekkelig prøvestørrelse (basisareal 30 × 30 mm2, høyde omtrent 15 mm). Prøver av det rene beleggmaterialet (referanse) og den belagte fiberstrukturen ble forberedt for målinger i fiberens retning og vinkelrett på fiberens retning for å evaluere effekten av anisotropisk termisk konduktivitet. Prøvene ble slipt på overflaten (P320-korn) for å minimere effekten av overflateruhet på grunn av prøvepreparering, som ikke gjenspeiler strukturen i prøven.