Faleminderit që vizituat Nature.com. Versioni i shfletuesit që po përdorni ka mbështetje të kufizuar CSS. Për përvojën më të mirë, ne ju rekomandojmë të përdorni një shfletues të përditësuar (ose të çaktivizoni Modalitetin e Përputhshmërisë në Internet Explorer). Ndërkohë, për të siguruar mbështetje të vazhdueshme, ne do ta paraqesim faqen pa stile dhe JavaScript.
Pjesa e tregut të sistemeve të ftohjes me adsorbim dhe pompave të nxehtësisë është ende relativisht e vogël në krahasim me sistemet tradicionale të kompresorëve. Pavarësisht avantazhit të madh të përdorimit të nxehtësisë së lirë (në vend të punës elektrike të shtrenjtë), zbatimi i sistemeve të bazuara në parimet e adsorbimit është ende i kufizuar në disa aplikime specifike. Disavantazhi kryesor që duhet të eliminohet është ulja e fuqisë specifike për shkak të përçueshmërisë së ulët termike dhe stabilitetit të ulët të adsorbentit. Sistemet e ftohjes komerciale me adsorbim të gjendjes aktuale bazohen në adsorbues të bazuar në shkëmbyes të nxehtësisë me pllaka të veshura për të optimizuar kapacitetin e ftohjes. Rezultatet janë të njohura mirë se ulja e trashësisë së veshjes çon në një ulje të impedancës së transferimit të masës, dhe rritja e raportit të sipërfaqes ndaj vëllimit të strukturave përçuese rrit fuqinë pa kompromentuar efikasitetin. Fibrat metalike të përdorura në këtë punim mund të ofrojnë një sipërfaqe specifike në rangun prej 2500–50,000 m2/m3. Tre metoda për të marrë veshje shumë të holla por të qëndrueshme të hidrateve të kripës në sipërfaqet metalike, duke përfshirë fibrat metalike, për prodhimin e veshjeve demonstrojnë për herë të parë një shkëmbyes nxehtësie me dendësi të lartë të fuqisë. Trajtimi sipërfaqësor i bazuar në anodizimin e aluminit është zgjedhur për të krijuar një lidhje më të fortë midis veshjes dhe substratit. Mikrostruktura e sipërfaqes që rezulton është analizuar duke përdorur mikroskopinë elektronike skanuese. Spektroskopia infra e kuqe me transformim Furier me reflektim total të reduktuar dhe spektroskopia me rreze X me shpërndarje të energjisë u përdorën për të kontrolluar praninë e specieve të dëshiruara në analizë. Aftësia e tyre për të formuar hidrate u konfirmua nga analiza termogravimetrike e kombinuar (TGA)/analiza termogravimetrike diferenciale (DTG). Cilësi e dobët mbi 0.07 g (ujë)/g (kompozit) u gjet në veshjen MgSO4, duke treguar shenja dehidratimi në rreth 60 °C dhe të riprodhueshme pas rehidratimit. Rezultate pozitive u morën gjithashtu me SrCl2 dhe ZnSO4 me një ndryshim mase prej rreth 0.02 g/g nën 100 °C. Hidroksietilceluloza u zgjodh si një shtesë për të rritur stabilitetin dhe ngjitjen e veshjes. Vetitë adsorbuese të produkteve u vlerësuan me anë të TGA-DTG të njëkohshme dhe ngjitja e tyre u karakterizua nga një metodë e bazuar në testet e përshkruara në ISO2409. Konsistenca dhe ngjitja e veshjes CaCl2 përmirësohet ndjeshëm duke ruajtur kapacitetin e saj të adsorbimit me një ndryshim peshe prej rreth 0.1 g/g në temperatura nën 100 °C. Përveç kësaj, MgSO4 ruan aftësinë për të formuar hidrate, duke treguar një ndryshim mase prej më shumë se 0.04 g/g në temperatura nën 100 °C. Së fundmi, shqyrtohen fibrat metalike të veshura. Rezultatet tregojnë se përçueshmëria termike efektive e strukturës së fibrave të veshura me Al2(SO4)3 mund të jetë 4.7 herë më e lartë krahasuar me vëllimin e Al2(SO4)3 të pastër. Veshje e veshjeve të studiuara u ekzaminua vizualisht dhe struktura e brendshme u vlerësua duke përdorur një imazh mikroskopik të prerjeve tërthore. U mor një veshje Al2(SO4)3 me një trashësi prej rreth 50 µm, por procesi i përgjithshëm duhet të optimizohet për të arritur një shpërndarje më uniforme.
Sistemet e adsorbimit kanë fituar shumë vëmendje gjatë dekadave të fundit, pasi ato ofrojnë një alternativë miqësore me mjedisin ndaj pompave tradicionale të nxehtësisë me kompresim ose sistemeve të ftohjes. Me rritjen e standardeve të rehatisë dhe temperaturave mesatare globale, sistemet e adsorbimit mund të zvogëlojnë varësinë nga lëndët djegëse fosile në të ardhmen e afërt. Përveç kësaj, çdo përmirësim në ftohjen me adsorbim ose pompat e nxehtësisë mund të transferohet në ruajtjen e energjisë termike, gjë që përfaqëson një rritje shtesë në potencialin për përdorim efikas të energjisë primare. Avantazhi kryesor i pompave të nxehtësisë me adsorbim dhe sistemeve të ftohjes është se ato mund të funksionojnë me masë të ulët nxehtësie. Kjo i bën ato të përshtatshme për burime me temperaturë të ulët, siç janë energjia diellore ose nxehtësia e mbeturinave. Sa i përket aplikimeve të ruajtjes së energjisë, adsorbimi ka avantazhin e dendësisë më të lartë të energjisë dhe shpërndarjes më të vogël të energjisë krahasuar me ruajtjen e nxehtësisë së ndjeshme ose latente.
Pompat e nxehtësisë me adsorbim dhe sistemet e ftohjes ndjekin të njëjtin cikël termodinamik si homologët e tyre të kompresimit të avullit. Dallimi kryesor është zëvendësimi i komponentëve të kompresorit me adsorbues. Elementi është në gjendje të adsorbojë avujt e ftohësit me presion të ulët në temperatura të moderuara, duke avulluar më shumë ftohës edhe kur lëngu është i ftohtë. Është e nevojshme të sigurohet ftohje e vazhdueshme e adsorbuesit në mënyrë që të përjashtohet entalpia e adsorbimit (ekzotermi). Adsorbuesi rigjenerohet në temperaturë të lartë, duke shkaktuar desorbimin e avullit të ftohësit. Ngrohja duhet të vazhdojë të sigurojë entalpinë e desorbimit (endotermik). Meqenëse proceset e adsorbimit karakterizohen nga ndryshimet e temperaturës, dendësia e lartë e fuqisë kërkon përçueshmëri të lartë termike. Megjithatë, përçueshmëria e ulët termike është padyshim disavantazhi kryesor në shumicën e aplikimeve.
Problemi kryesor i përçueshmërisë është rritja e vlerës së saj mesatare duke ruajtur rrugën e transportit që siguron rrjedhën e avujve të adsorbimit/desorbimit. Dy qasje përdoren zakonisht për ta arritur këtë: shkëmbyesit e nxehtësisë kompozite dhe shkëmbyesit e nxehtësisë të veshur. Materialet kompozite më të njohura dhe të suksesshme janë ato që përdorin aditivë me bazë karboni, përkatësisht grafit të zgjeruar, karbon të aktivizuar ose fibra karboni. Oliveira et al. 2 e impregnuan pluhurin e grafitit të zgjeruar me klorur kalciumi për të prodhuar një adsorbues me një kapacitet specifik ftohjeje (SCP) deri në 306 W/kg dhe një koeficient performance (COP) deri në 0.46. Zajaczkowski et al. 3 propozuan një kombinim të grafitit të zgjeruar, fibrës së karbonit dhe klorurit të kalciumit me një përçueshmëri totale prej 15 W/mK. Jian et al. 4 testuan kompozitët me grafit natyral të zgjeruar të trajtuar me acid sulfurik (ENG-TSA) si substrat në një cikël ftohjeje adsorbimi me dy faza. Modeli parashikoi COP nga 0.215 në 0.285 dhe SCP nga 161.4 në 260.74 W/kg.
Deri tani, zgjidhja më e zbatueshme është shkëmbyesi i nxehtësisë i veshur. Mekanizmat e veshjes së këtyre shkëmbyesve të nxehtësisë mund të ndahen në dy kategori: sintezë direkte dhe ngjitës. Metoda më e suksesshme është sinteza direkte, e cila përfshin formimin e materialeve adsorbuese direkt në sipërfaqen e shkëmbyesve të nxehtësisë nga reagentët e duhur. Sotech5 ka patentuar një metodë për sintetizimin e zeolitit të veshur për përdorim në një seri ftohësish të prodhuar nga Fahrenheit GmbH. Schnabel et al.6 testuan performancën e dy zeoliteve të veshura me çelik inox. Megjithatë, kjo metodë funksionon vetëm me adsorbentë specifikë, gjë që e bën veshjen me ngjitës një alternativë interesante. Lidhësit janë substanca pasive të zgjedhura për të mbështetur ngjitjen e sorbentit dhe/ose transferimin e masës, por nuk luajnë asnjë rol në rritjen e adsorbimit ose përçueshmërisë. Freni et al. 7 shkëmbyes nxehtësie alumini të veshur me zeolit ​​AQSOA-Z02 të stabilizuar me një lidhës me bazë argjile. Calabrese et al. 8 studiuan përgatitjen e veshjeve zeolitike me lidhës polimerikë. Ammann et al. 9 propozuan një metodë për përgatitjen e veshjeve poroze zeolitike nga përzierjet magnetike të alkoolit polivinil. Alumina (alumina) përdoret gjithashtu si lidhës 10 në adsorbues. Sipas njohurive tona, celuloza dhe hidroksietilceluloza përdoren vetëm në kombinim me adsorbentë fizikë11,12. Ndonjëherë ngjitësi nuk përdoret për bojën, por përdoret për të ndërtuar strukturën 13 më vete. Kombinimi i matricave polimerike të alginatit me hidrate të shumëfishta kripe formon struktura fleksibile të rruazave kompozite që parandalojnë rrjedhjen gjatë tharjes dhe sigurojnë transferim të mjaftueshëm të masës. Argjila të tilla si bentoniti dhe atapulgiti janë përdorur si lidhës për përgatitjen e kompozitëve15,16,17. Etilceluloza është përdorur për të mikroenkapsuluar klorurin e kalciumit18 ose sulfurin e natriumit19.
Kompozitet me një strukturë metalike poroze mund të ndahen në shkëmbyes të nxehtësisë aditiv dhe shkëmbyes të nxehtësisë të veshur. Avantazhi i këtyre strukturave është sipërfaqja e lartë specifike. Kjo rezulton në një sipërfaqe kontakti më të madhe midis adsorbentit dhe metalit pa shtimin e një mase inerte, e cila zvogëlon efikasitetin e përgjithshëm të ciklit të ftohjes. Lang et al. 20 kanë përmirësuar përçueshmërinë e përgjithshme të një adsorbuesi zeoliti me një strukturë hoje mjalti alumini. Gillerminot et al. 21 përmirësuan përçueshmërinë termike të shtresave të zeolitit NaX me shkumë bakri dhe nikeli. Megjithëse kompozitet përdoren si materiale të ndryshimit të fazës (PCM), gjetjet e Li et al. 22 dhe Zhao et al. 23 janë gjithashtu me interes për kimisorbimin. Ata krahasuan performancën e grafitit të zgjeruar dhe shkumës metalike dhe arritën në përfundimin se kjo e fundit ishte e preferueshme vetëm nëse korrozioni nuk ishte problem. Palomba et al. kanë krahasuar kohët e fundit struktura të tjera poroze metalike 24. Van der Pal et al. kanë studiuar kripërat metalike të ngulitura në shkuma 25. Të gjithë shembujt e mëparshëm korrespondojnë me shtresa të dendura të adsorbentëve grimcorë. Strukturat poroze metalike praktikisht nuk përdoren për të veshur adsorbuesit, gjë që është një zgjidhje më optimale. Një shembull i lidhjes me zeolitet mund të gjendet te Wittstadt et al. 26, por nuk është bërë asnjë përpjekje për të lidhur hidratet e kripës pavarësisht dendësisë së tyre më të lartë të energjisë 27.
Kështu, në këtë artikull do të shqyrtohen tre metoda për përgatitjen e veshjeve adsorbuese: (1) veshja me lidhës, (2) reaksioni i drejtpërdrejtë dhe (3) trajtimi sipërfaqësor. Hidroksietilceluloza ishte lidhësi i zgjedhur në këtë punim për shkak të stabilitetit të raportuar më parë dhe ngjitjes së mirë të veshjes në kombinim me adsorbentët fizikë. Kjo metodë u hetua fillimisht për veshje të sheshta dhe më vonë u aplikua në strukturat e fibrave metalike. Më parë, u raportua një analizë paraprake e mundësisë së reaksioneve kimike me formimin e veshjeve adsorbuese. Përvoja e mëparshme tani po transferohet në veshjen e strukturave të fibrave metalike. Trajtimi sipërfaqësor i zgjedhur për këtë punim është një metodë e bazuar në anodizimin e aluminit. Anodizimi i aluminit është kombinuar me sukses me kripëra metalike për qëllime estetike29. Në këto raste, mund të merren veshje shumë të qëndrueshme dhe rezistente ndaj korrozionit. Megjithatë, ato nuk mund të kryejnë asnjë proces adsorbimi ose desorbimi. Ky punim paraqet një variant të kësaj qasje që lejon që masa të lëvizë duke përdorur vetitë ngjitëse të procesit origjinal. Sipas njohurive tona më të mira, asnjë nga metodat e përshkruara këtu nuk është studiuar më parë. Ato përfaqësojnë një teknologji të re shumë interesante sepse lejojnë formimin e veshjeve adsorbentë të hidratuar, të cilat kanë një numër përparësish ndaj adsorbentëve fizikë që studiohen shpesh.
Pllakat e aluminit të stampuara të përdorura si substrate për këto eksperimente u siguruan nga ALINVEST Břidličná, Republika Çeke. Ato përmbajnë 98.11% alumin, 1.3622% hekur, 0.3618% mangan dhe gjurmë bakri, magnezi, silici, titani, zinku, kromi dhe nikeli.
Materialet e zgjedhura për prodhimin e kompozitëve përzgjidhen në përputhje me vetitë e tyre termodinamike, përkatësisht, në varësi të sasisë së ujit që ato mund të adsorbojnë/desorbojnë në temperatura nën 120°C.
Sulfati i magnezit (MgSO4) është një nga kripërat e hidratuara më interesante dhe të studiuara30,31,32,33,34,35,36,37,38,39,40,41. Vetitë termodinamike janë matur sistematikisht dhe janë gjetur të përshtatshme për aplikime në fushat e ftohjes me adsorbim, pompave të nxehtësisë dhe ruajtjes së energjisë. U përdor sulfati i magnezit të thatë CAS-Nr.7487-88-9 99% (Grüssing GmbH, Filsum, Niedersachsen, Gjermani).
Kloruri i kalciumit (CaCl2) (H319) është një tjetër kripë e studiuar mirë sepse hidrati i tij ka veti interesante termodinamike41,42,43,44. Heksahidrat i klorurit të kalciumit CAS-Nr. 7774-34-7 97% e përdorur (Grüssing, GmbH, Filsum, Niedersachsen, Gjermani).
Sulfati i zinkut (ZnSO4) (H3O2, H318, H410) dhe hidratet e tij kanë veti termodinamike të përshtatshme për proceset e adsorbimit në temperaturë të ulët45,46. U përdor heptahidrati i sulfatit të zinkut CAS-Nr.7733-02-0 99.5% (Grüssing GmbH, Filsum, Niedersachsen, Gjermani).
Kloruri i stronciumit (SrCl2) (H318) ka gjithashtu veti termodinamike interesante4,45,47 megjithëse shpesh kombinohet me amoniak në pompat e nxehtësisë me adsorbim ose në kërkimin e ruajtjes së energjisë. Për sintezën u përdor heksahidrat i klorurit të stronciumit CAS-Nr.10.476-85-4 99.0–102.0% (Sigma Aldrich, St. Louis, Missouri, SHBA).
Sulfati i bakrit (CuSO4) (H302, H315, H319, H410) nuk është ndër hidratet që gjenden shpesh në literaturën profesionale, megjithëse vetitë e tij termodinamike janë me interes për aplikimet në temperatura të ulëta48,49. Për sintezën u përdor sulfati i bakrit CAS-Nr.7758-99-8 99% (Sigma Aldrich, St. Louis, MO, SHBA).
Kloruri i magnezit (MgCl2) është një nga kripërat e hidratuara që kohët e fundit ka marrë më shumë vëmendje në fushën e ruajtjes së energjisë termike50,51. Për eksperimentet u përdor heksahidrat i klorurit të magnezit CAS-Nr.7791-18-6 i gradës farmaceutike të pastër (Applichem GmbH., Darmstadt, Gjermani).
Siç u përmend më sipër, hidroksietilceluloza u zgjodh për shkak të rezultateve pozitive në aplikime të ngjashme. Materiali i përdorur në sintezën tonë është hidroksietilceluloza CAS-Nr 9004-62-0 (Sigma Aldrich, St. Louis, MO, SHBA).
Fibrat metalike janë bërë nga tela të shkurtër të lidhur së bashku me anë të kompresimit dhe sinterimit, një proces i njohur si nxjerrja e shkrirjes në formë tërthore (CME)52. Kjo do të thotë që përçueshmëria e tyre termike varet jo vetëm nga përçueshmëria masive e metaleve të përdorura në prodhim dhe poroziteti i strukturës përfundimtare, por edhe nga cilësia e lidhjeve midis fijeve. Fibrat nuk janë izotropike dhe kanë tendencë të shpërndahen në një drejtim të caktuar gjatë prodhimit, gjë që e bën përçueshmërinë termike në drejtimin tërthor shumë më të ulët.
Vetitë e thithjes së ujit u hetuan duke përdorur analizën termogravimetrike (TGA)/analizën termogravimetrike diferenciale (DTG) të njëkohshme në një paketë vakumi (Netzsch TG 209 F1 Libra). Matjet u kryen në një atmosferë azoti rrjedhës me një shpejtësi rrjedhjeje prej 10 ml/min dhe një diapazon temperature nga 25 deri në 150°C në enë me oksid alumini. Shkalla e ngrohjes ishte 1 °C/min, pesha e mostrës varionte nga 10 deri në 20 mg, rezolucioni ishte 0.1 μg. Në këtë punim, duhet theksuar se ndryshimi në masë për njësi sipërfaqeje ka një pasiguri të madhe. Mostrat e përdorura në TGA-DTG janë shumë të vogla dhe të prera në mënyrë të çrregullt, gjë që e bën përcaktimin e sipërfaqes së tyre të pasaktë. Këto vlera mund të ekstrapolohen në një sipërfaqe më të madhe vetëm nëse merren parasysh devijimet e mëdha.
Spektrat e reflektimit total të dobësuar të infra të kuqe me transformim Fourier (ATR-FTIR) u morën në një spektrometër Bruker Vertex 80 v FTIR (Bruker Optik GmbH, Leipzig, Gjermani) duke përdorur një aksesor platini ATR (Bruker Optik GmbH, Gjermani). Spektrat e kristaleve të diamantit të thatë të pastër u matën direkt në vakum përpara se të përdoren mostrat si sfond për matjet eksperimentale. Mostrat u matën në vakum duke përdorur një rezolucion spektral prej 2 cm-1 dhe një numër mesatar skanimesh prej 32. Diapazoni i numrave të valës nga 8000 në 500 cm-1. Analiza spektrale u krye duke përdorur programin OPUS.
Analiza SEM u krye duke përdorur një DSM 982 Gemini nga Zeiss në tensione përshpejtuese prej 2 dhe 5 kV. Spektroskopia e rrezeve X me shpërndarje të energjisë (EDX) u krye duke përdorur një Thermo Fischer System 7 me një detektor të zhvendosjes së silikonit të ftohur me Peltier (SSD).
Përgatitja e pllakave metalike u krye sipas procedurës së ngjashme me atë të përshkruar në 53. Së pari, pllaka zhytet në acid sulfurik 50% për 15 minuta. Pastaj ato u futën në tretësirë ​​hidroksidi natriumi 1 M për rreth 10 sekonda. Pastaj mostrat u lanë me një sasi të madhe uji të distiluar dhe më pas u zhytën në ujë të distiluar për 30 minuta. Pas trajtimit paraprak sipërfaqësor, mostrat u zhytën në një tretësirë ​​të ngopur 3%. HEC dhe kripë të synuar. Së fundmi, nxirren dhe thahen në 60°C.
Metoda e anodizimit rrit dhe forcon shtresën natyrale të oksidit në metalin pasiv. Panelet e aluminit u anodizuan me acid sulfurik në gjendje të ngurtësuar dhe më pas u vulosën në ujë të nxehtë. Anodizimi pasoi një gdhendje fillestare me 1 mol/l NaOH (600 s) e ndjekur nga neutralizimi në 1 mol/l HNO3 (60 s). Tretësira e elektrolitit është një përzierje prej 2.3 M H2SO4, 0.01 M Al2(SO4)3 dhe 1 M MgSO4 + 7H2O. Anodizimi u krye në (40 ± 1)°C, 30 mA/cm2 për 1200 sekonda. Procesi i vulosjes u krye në tretësira të ndryshme të shëllirës siç përshkruhet në materiale (MgSO4, CaCl2, ZnSO4, SrCl2, CuSO4, MgCl2). Mostra zihet në të për 1800 sekonda.
Janë hetuar tre metoda të ndryshme për prodhimin e kompozitëve: veshja ngjitëse, reagimi i drejtpërdrejtë dhe trajtimi sipërfaqësor. Avantazhet dhe disavantazhet e secilës metodë trajnimi analizohen dhe diskutohen në mënyrë sistematike. Vëzhgimi i drejtpërdrejtë, nanoimazheria dhe analiza kimike/elementare u përdorën për të vlerësuar rezultatet.
Anodizimi u zgjodh si një metodë trajtimi sipërfaqësor konvertimi për të rritur ngjitjen e hidrateve të kripës. Ky trajtim sipërfaqësor krijon një strukturë poroze të aluminës (aluminës) direkt në sipërfaqen e aluminit. Tradicionalisht, kjo metodë përbëhet nga dy faza: faza e parë krijon një strukturë poroze të oksidit të aluminit, dhe faza e dytë krijon një shtresë hidroksidi alumini që mbyll poret. Më poshtë janë dy metoda për bllokimin e kripës pa bllokuar aksesin në fazën e gaztë. E para përbëhet nga një sistem hoje bletesh duke përdorur tuba të vegjël oksidi alumini (Al2O3) të marrë në hapin e parë për të mbajtur kristalet adsorbent dhe për të rritur ngjitjen e tij në sipërfaqet metalike. Hojet e bletëve që rezultojnë kanë një diametër prej rreth 50 nm dhe një gjatësi prej 200 nm (Fig. 1a). Siç u përmend më parë, këto zgavra zakonisht mbyllen në një hap të dytë me një shtresë të hollë të boemitit Al2O(OH)2 të mbështetur nga procesi i zierjes së tubit të aluminës. Në metodën e dytë, ky proces vulosjeje modifikohet në një mënyrë të tillë që kristalet e kripës të kapen në një shtresë mbuluese uniforme të boehmitit (Al2O(OH)2), e cila nuk përdoret për vulosje në këtë rast. Faza e dytë kryhet në një tretësirë ​​të ngopur të kripës përkatëse. Modelet e përshkruara kanë madhësi në rangun 50-100 nm dhe duken si pika të spërkatura (Fig. 1b). Sipërfaqja e përftuar si rezultat i procesit të vulosjes ka një strukturë hapësinore të theksuar me një sipërfaqe kontakti të rritur. Ky model sipërfaqësor, së bashku me shumë konfigurime lidhëse, është ideal për mbajtjen dhe mbajtjen e kristaleve të kripës. Të dy strukturat e përshkruara duket se janë vërtet poroze dhe kanë zgavra të vogla që duket se janë të përshtatshme për mbajtjen e hidrateve të kripës dhe adsorbimin e avujve në kripë gjatë funksionimit të adsorberit. Megjithatë, analiza elementare e këtyre sipërfaqeve duke përdorur EDX mund të zbulojë sasi gjurmë magnezi dhe squfuri në sipërfaqen e boehmitit, të cilat nuk zbulohen në rastin e një sipërfaqeje alumini.
ATR-FTIR e mostrës konfirmoi që elementi ishte sulfat magnezi (shih Figurën 2b). Spektri tregon maja karakteristike të jonit të sulfatit në 610–680 dhe 1080–1130 cm–1 dhe maja karakteristike të ujit në rrjetë në 1600–1700 cm–1 dhe 3200–3800 cm–1 (shih Fig. 2a, c). Prania e joneve të magnezit pothuajse nuk e ndryshon spektrin54.
(a) EDX i një pllake alumini MgSO4 të veshur me boehmit, (b) Spektrat ATR-FTIR të veshjeve të boehmitit dhe MgSO4, (c) Spektrat ATR-FTIR të MgSO4 të pastër.
Ruajtja e efikasitetit të adsorbimit u konfirmua nga TGA. Në fig. 3b tregohet një kulm desorbimi prej afërsisht 60°C. Ky kulm nuk korrespondon me temperaturën e dy kulmeve të vëzhguara në TGA të kripës së pastër (Fig. 3a). Përsëritshmëria e ciklit të adsorbimit-desorbimit u vlerësua dhe e njëjta kurbë u vu re pas vendosjes së mostrave në një atmosferë të lagësht (Fig. 3c). Dallimet e vëzhguara në fazën e dytë të desorbimit mund të jenë rezultat i dehidratimit në një atmosferë rrjedhëse, pasi kjo shpesh çon në dehidratim jo të plotë. Këto vlera korrespondojnë me afërsisht 17.9 g/m2 në tharjen e parë dhe 10.3 g/m2 në tharjen e dytë.
Krahasimi i analizës TGA të boehmitit dhe MgSO4: Analiza TGA e MgSO4 të pastër (a), përzierjes (b) dhe pas rehidratimit (c).
E njëjta metodë u krye me klorur kalciumi si adsorbent. Rezultatet paraqiten në Figurën 4. Inspektimi vizual i sipërfaqes zbuloi ndryshime të vogla në shkëlqimin metalik. Gëzofi është mezi i dukshëm. SEM konfirmoi praninë e kristaleve të vegjël të shpërndarë në mënyrë të barabartë në sipërfaqe. Megjithatë, TGA nuk tregoi dehidratim nën 150°C. Kjo mund të jetë për shkak të faktit se përqindja e kripës është shumë e vogël krahasuar me masën totale të substratit për zbulim nga TGA.
Rezultatet e trajtimit sipërfaqësor të veshjes së sulfatit të bakrit me anë të metodës së anodizimit tregohen në fig. 5. Në këtë rast, përfshirja e pritur e CuSO4 në strukturën e oksidit të Al nuk ndodhi. Në vend të kësaj, vërehen gjilpëra të lirshme pasi ato përdoren zakonisht për hidroksidin e bakrit Cu(OH)2 të përdorur me ngjyra tipike të bruzit.
Trajtimi sipërfaqësor i anodizuar u testua gjithashtu në kombinim me klorur stronciumi. Rezultatet treguan mbulim të pabarabartë (shih Figurën 6a). Për të përcaktuar nëse kripa mbulonte të gjithë sipërfaqen, u krye një analizë EDX. Kurba për një pikë në zonën gri (pika 1 në Fig. 6b) tregon pak stroncium dhe shumë alumin. Kjo tregon një përmbajtje të ulët të stronciumit në zonën e matur, e cila, nga ana tjetër, tregon një mbulim të ulët të klorurit të stronciumit. Anasjelltas, zonat e bardha kanë një përmbajtje të lartë të stronciumit dhe një përmbajtje të ulët të aluminit (pikat 2-6 në Fig. 6b). Analiza EDX e zonës së bardhë tregon pika më të errëta (pikat 2 dhe 4 në Fig. 6b), të ulëta në klor dhe të larta në squfur. Kjo mund të tregojë formimin e sulfatit të stronciumit. Pikat më të ndritshme pasqyrojnë përmbajtje të lartë të klorit dhe përmbajtje të ulët të squfurit (pikat 3, 5 dhe 6 në Fig. 6b). Kjo mund të shpjegohet me faktin se pjesa kryesore e veshjes së bardhë përbëhet nga kloruri i stronciumit i pritur. TGA e mostrës konfirmoi interpretimin e analizës me një kulm në temperaturën karakteristike të klorurit të stronciumit të pastër (Fig. 6c). Vlera e tyre e vogël mund të justifikohet nga një fraksion i vogël kripe në krahasim me masën e mbështetëses metalike. Masa e desorbimit e përcaktuar në eksperimente korrespondon me sasinë prej 7.3 g/m2 të dhënë për njësi të sipërfaqes së adsorbuesit në një temperaturë prej 150°C.
U testuan gjithashtu veshjet e sulfatit të zinkut të trajtuara me Eloxal. Makroskopikisht, veshja është një shtresë shumë e hollë dhe uniforme (Fig. 7a). Megjithatë, SEM zbuloi një sipërfaqe të mbuluar me kristale të vogla të ndara nga zona boshe (Fig. 7b). TGA e veshjes dhe substratit u krahasua me atë të kripës së pastër (Figura 7c). Kripa e pastër ka një kulm asimetrik në 59.1°C. Alumini i veshur tregoi dy kulme të vogla në 55.5°C dhe 61.3°C, duke treguar praninë e hidratit të sulfatit të zinkut. Diferenca në masë e zbuluar në eksperiment korrespondon me 10.9 g/m2 në një temperaturë dehidrimi prej 150°C.
Ashtu si në aplikimin e mëparshëm53, hidroksietilceluloza u përdor si lidhës për të përmirësuar ngjitjen dhe stabilitetin e veshjes sorbent. Përputhshmëria e materialit dhe efekti në performancën e adsorbimit u vlerësua nga TGA. Analiza kryhet në lidhje me masën totale, d.m.th. mostra përfshin një pllakë metalike të përdorur si substrat veshjeje. Ngjitja testohet me një provë të bazuar në testin e prerjes kryq të përcaktuar në specifikimin ISO2409 (nuk mund të përmbushë specifikimin e ndarjes së prerjes në varësi të trashësisë dhe gjerësisë së specifikimit).
Veshja e paneleve me klorur kalciumi (CaCl2) (shih Fig. 8a) rezultoi në shpërndarje të pabarabartë, e cila nuk u vu re në veshjen e aluminit të pastër të përdorur për testin e prerjes tërthore. Krahasuar me rezultatet për CaCl2 të pastër, TGA (Fig. 8b) tregon dy maja karakteristike të zhvendosura drejt temperaturave më të ulëta prej 40 dhe 20°C, përkatësisht. Testi i prerjes tërthore nuk lejon një krahasim objektiv sepse mostra e CaCl2 të pastër (mostra në të djathtë në Fig. 8c) është një precipitat pluhuror, i cili largon grimcat më të sipërme. Rezultatet e HEC treguan një veshje shumë të hollë dhe uniforme me ngjitje të kënaqshme. Diferenca në masë e treguar në fig. 8b korrespondon me 51.3 g/m2 për njësi të sipërfaqes së adsorberit në një temperaturë prej 150°C.
Rezultate pozitive në aspektin e ngjitjes dhe uniformitetit u morën gjithashtu me sulfatin e magnezit (MgSO4) (shih Fig. 9). Analiza e procesit të desorbimit të veshjes tregoi praninë e një piku prej afërsisht 60°C. Kjo temperaturë korrespondon me hapin kryesor të desorbimit të parë në dehidratimin e kripërave të pastra, duke përfaqësuar një hap tjetër në 44°C. Ajo korrespondon me kalimin nga heksahidrat në pentahidrat dhe nuk vërehet në rastin e veshjeve me lidhës. Testet e prerjes tërthore tregojnë shpërndarje dhe ngjitje të përmirësuar krahasuar me veshjet e bëra duke përdorur kripë të pastër. Diferenca në masë e vërejtur në TGA-DTC korrespondon me 18.4 g/m2 për njësi të sipërfaqes së adsorbuesit në një temperaturë prej 150°C.
Për shkak të parregullsive sipërfaqësore, kloruri i stronciumit (SrCl2) ka një shtresë të pabarabartë në fletë (Fig. 10a). Megjithatë, rezultatet e testit të prerjes tërthore treguan shpërndarje uniforme me ngjitje të përmirësuar ndjeshëm (Fig. 10c). Analiza TGA tregoi një ndryshim shumë të vogël në peshë, i cili duhet të jetë për shkak të përmbajtjes më të ulët të kripës krahasuar me substratin metalik. Megjithatë, hapat në kurbë tregojnë praninë e një procesi dehidrimi, megjithëse kulmi shoqërohet me temperaturën e marrë gjatë karakterizimit të kripës së pastër. Majat në 110°C dhe 70.2°C të vëzhguara në Fig. 10b u gjetën gjithashtu gjatë analizimit të kripës së pastër. Megjithatë, hapi kryesor i dehidrimit i vëzhguar në kripën e pastër në 50°C nuk u reflektua në kurbat duke përdorur lidhësin. Në të kundërt, përzierja e lidhësit tregoi dy maja në 20.2°C dhe 94.1°C, të cilat nuk u matën për kripën e pastër (Fig. 10b). Në një temperaturë prej 150 °C, ndryshimi i vëzhguar në masë korrespondon me 7.2 g/m2 për njësi të sipërfaqes së adsorberit.
Kombinimi i HEC dhe sulfatit të zinkut (ZnSO4) nuk dha rezultate të pranueshme (Figura 11). Analiza TGA e metalit të veshur nuk zbuloi ndonjë proces dehidrimi. Edhe pse shpërndarja dhe ngjitja e veshjes janë përmirësuar, vetitë e saj janë ende larg të qenit optimale.
Mënyra më e thjeshtë për të veshur fibrat metalike me një shtresë të hollë dhe uniforme është impregnimi i lagësht (Fig. 12a), i cili përfshin përgatitjen e kripës së synuar dhe impregnimin e fibrave metalike me një tretësirë ​​ujore.
Gjatë përgatitjes për impregnim të lagësht, hasen dy probleme kryesore. Nga njëra anë, tensioni sipërfaqësor i tretësirës së kripur parandalon përfshirjen e saktë të lëngut në strukturën poroze. Kristalizimi në sipërfaqen e jashtme (Fig. 12d) dhe flluskat e ajrit të bllokuara brenda strukturës (Fig. 12c) mund të reduktohen vetëm duke ulur tensionin sipërfaqësor dhe duke e lagur paraprakisht mostrën me ujë të distiluar. Tretja e detyruar në mostër duke evakuuar ajrin brenda ose duke krijuar një rrjedhë tretësire në strukturë janë mënyra të tjera efektive për të siguruar mbushjen e plotë të strukturës.
Problemi i dytë i hasur gjatë përgatitjes ishte heqja e filmit nga një pjesë e kripës (shih Fig. 12b). Ky fenomen karakterizohet nga formimi i një shtrese të thatë në sipërfaqen e tretjes, e cila ndalon tharjen e stimuluar konvektivisht dhe fillon procesin e stimuluar me difuzion. Mekanizmi i dytë është shumë më i ngadalshëm se i pari. Si rezultat, kërkohet një temperaturë e lartë për një kohë të arsyeshme tharjeje, gjë që rrit rrezikun e formimit të flluskave brenda mostrës. Ky problem zgjidhet duke futur një metodë alternative të kristalizimit të bazuar jo në ndryshimin e përqendrimit (avullim), por në ndryshimin e temperaturës (si në shembullin me MgSO4 në Fig. 13).
Paraqitje skematike e procesit të kristalizimit gjatë ftohjes dhe ndarjes së fazave të ngurta dhe të lëngshme duke përdorur MgSO4.
Tretësirat e ngopura të kripës mund të përgatiten në temperaturën e dhomës (HT) ose mbi të duke përdorur këtë metodë. Në rastin e parë, kristalizimi u detyrua duke ulur temperaturën nën temperaturën e dhomës. Në rastin e dytë, kristalizimi ndodhi kur mostra u ftoh në temperaturën e dhomës (RT). Rezultati është një përzierje kristalesh (B) dhe të tretur (A), pjesa e lëngshme e të cilave hiqet me ajër të kompresuar. Kjo qasje jo vetëm që shmang formimin e një filmi mbi këto hidrate, por gjithashtu zvogëlon kohën e nevojshme për përgatitjen e kompozitëve të tjerë. Megjithatë, heqja e lëngut me ajër të kompresuar çon në kristalizim shtesë të kripës, duke rezultuar në një shtresë më të trashë.
Një metodë tjetër që mund të përdoret për të veshur sipërfaqet metalike përfshin prodhimin direkt të kripërave të synuara përmes reaksioneve kimike. Shkëmbyesit e nxehtësisë të veshur të bërë nga reagimi i acideve në sipërfaqet metalike të fletëve dhe tubave kanë një numër përparësish, siç është raportuar në studimin tonë të mëparshëm. Zbatimi i kësaj metode në fibra çoi në rezultate shumë të dobëta për shkak të formimit të gazrave gjatë reaksionit. Presioni i flluskave të gazit të hidrogjenit grumbullohet brenda sondës dhe ndryshon ndërsa produkti nxirret (Fig. 14a).
Veshje është modifikuar nëpërmjet një reaksioni kimik për të kontrolluar më mirë trashësinë dhe shpërndarjen e veshjes. Kjo metodë përfshin kalimin e një rryme mjegulle acidi përmes mostrës (Figura 14b). Kjo pritet të rezultojë në një veshje uniforme nëpërmjet reagimit me metalin e substratit. Rezultatet ishin të kënaqshme, por procesi ishte shumë i ngadaltë për t'u konsideruar një metodë efektive (Fig. 14c). Kohë më të shkurtra reagimi mund të arrihen me anë të ngrohjes së lokalizuar.
Për të kapërcyer disavantazhet e metodave të mësipërme, është studiuar një metodë veshjeje e bazuar në përdorimin e ngjitësve. HEC u zgjodh bazuar në rezultatet e paraqitura në seksionin e mëparshëm. Të gjitha mostrat u përgatitën në 3% peshë. Lënda lidhëse përzihet me kripë. Fibrat u paratrajtuan sipas të njëjtës procedurë si për brinjët, d.m.th. u zhytën në acid sulfurik 50% vol. brenda 15 minutash, pastaj u zhytën në hidroksid natriumi për 20 sekonda, u lanë në ujë të distiluar dhe së fundmi u zhytën në ujë të distiluar për 30 minuta. Në këtë rast, u shtua një hap shtesë para impregnimit. Zhytni mostrën shkurtimisht në një tretësirë ​​të holluar kripe të synuar dhe thajeni në afërsisht 60°C. Procesi është projektuar për të modifikuar sipërfaqen e metalit, duke krijuar vende bërthamëzimi që përmirësojnë shpërndarjen e veshjes në fazën përfundimtare. Struktura fibroze ka njërën anë ku filamentet janë më të holla dhe të ngjeshura fort, dhe anën e kundërt ku filamentet janë më të trasha dhe më pak të shpërndara. Ky është rezultat i 52 proceseve të prodhimit.
Rezultatet për klorurin e kalciumit (CaCl2) janë përmbledhur dhe ilustruar me figura në Tabelën 1. Mbulim i mirë pas inokulimit. Edhe ato fije pa kristale të dukshme në sipërfaqe kishin reflektime metalike të reduktuara, duke treguar një ndryshim në përfundim. Megjithatë, pasi mostrat u impregnuan me një përzierje ujore të CaCl2 dhe HEC dhe u thanë në një temperaturë prej rreth 60°C, veshjet u përqendruan në kryqëzimet e strukturave. Ky është një efekt i shkaktuar nga tensioni sipërfaqësor i tretësirës. Pas zhytjes, lëngu mbetet brenda mostrës për shkak të tensionit të tij sipërfaqësor. Në thelb kjo ndodh në kryqëzimin e strukturave. Ana më e mirë e mostrës ka disa vrima të mbushura me kripë. Pesha u rrit me 0.06 g/cm3 pas veshjes.
Veshja me sulfat magnezi (MgSO4) prodhoi më shumë kripë për njësi vëllimi (Tabela 2). Në këtë rast, rritja e matur është 0.09 g/cm3. Procesi i mbjelljes rezultoi në mbulim të gjerë të mostrës. Pas procesit të veshjes, kripa bllokon zona të mëdha të anës së hollë të mostrës. Përveç kësaj, disa zona të materies bllokohen, por një pjesë e porozitetit ruhet. Në këtë rast, formimi i kripës vërehet lehtësisht në kryqëzimin e strukturave, duke konfirmuar se procesi i veshjes është kryesisht për shkak të tensionit sipërfaqësor të lëngut, dhe jo të bashkëveprimit midis kripës dhe substratit metalik.
Rezultatet për kombinimin e klorurit të stronciumit (SrCl2) dhe HEC treguan veti të ngjashme me shembujt e mëparshëm (Tabela 3). Në këtë rast, ana më e hollë e mostrës është pothuajse plotësisht e mbuluar. Vetëm poret individuale janë të dukshme, të formuara gjatë tharjes si rezultat i lëshimit të avullit nga mostra. Modeli i vërejtur në anën mat është shumë i ngjashëm me rastin e mëparshëm, zona është e bllokuar me kripë dhe fibrat nuk janë plotësisht të mbuluara.
Për të vlerësuar efektin pozitiv të strukturës fibroze në performancën termike të shkëmbyesit të nxehtësisë, përçueshmëria termike efektive e strukturës fibroze të veshur u përcaktua dhe u krahasua me materialin e pastër të veshjes. Përçueshmëria termike u mat sipas ASTM D 5470-2017 duke përdorur pajisjen me panel të sheshtë të treguar në Figurën 15a duke përdorur një material referimi me përçueshmëri termike të njohur. Krahasuar me metodat e tjera të matjes kalimtare, ky parim është i favorshëm për materialet poroze të përdorura në studimin aktual, pasi matjet kryhen në një gjendje të qëndrueshme dhe me një madhësi të mjaftueshme të mostrës (sipërfaqja bazë 30 × 30 mm2, lartësia afërsisht 15 mm). Mostrat e materialit të pastër të veshjes (referencë) dhe strukturës së fibrës së veshur u përgatitën për matje në drejtim të fibrës dhe pingul me drejtimin e fibrës për të vlerësuar efektin e përçueshmërisë termike anizotropike. Mostrat u bluan në sipërfaqe (grit P320) për të minimizuar efektin e vrazhdësisë sipërfaqësore për shkak të përgatitjes së mostrës, e cila nuk pasqyron strukturën brenda mostrës.