Cảm ơn bạn đã ghé thăm Nature.com. Phiên bản trình duyệt bạn đang sử dụng có hỗ trợ CSS hạn chế. Để có trải nghiệm tốt nhất, chúng tôi khuyên bạn nên sử dụng trình duyệt đã cập nhật (hoặc tắt Chế độ tương thích trong Internet Explorer). Trong thời gian chờ đợi, để đảm bảo hỗ trợ liên tục, chúng tôi sẽ hiển thị trang web mà không có kiểu dáng và JavaScript.
Thị phần của hệ thống làm lạnh hấp phụ và máy bơm nhiệt vẫn còn tương đối nhỏ so với các hệ thống máy nén truyền thống. Mặc dù có lợi thế lớn là sử dụng nhiệt giá rẻ (thay vì công việc điện đắt tiền), việc triển khai các hệ thống dựa trên nguyên lý hấp phụ vẫn chỉ giới hạn ở một số ứng dụng cụ thể. Nhược điểm chính cần loại bỏ là giảm công suất riêng do độ dẫn nhiệt thấp và độ ổn định thấp của chất hấp phụ. Các hệ thống làm lạnh hấp phụ thương mại hiện đại dựa trên các chất hấp phụ dựa trên bộ trao đổi nhiệt dạng tấm được phủ để tối ưu hóa khả năng làm mát. Kết quả đã được biết đến rộng rãi là việc giảm độ dày của lớp phủ dẫn đến giảm trở kháng truyền khối và tăng tỷ lệ diện tích bề mặt trên thể tích của các cấu trúc dẫn điện làm tăng công suất mà không ảnh hưởng đến hiệu suất. Các sợi kim loại được sử dụng trong công trình này có thể cung cấp diện tích bề mặt riêng trong khoảng 2500–50.000 m2/m3. Ba phương pháp để thu được lớp phủ muối hydrat rất mỏng nhưng ổn định trên bề mặt kim loại, bao gồm cả sợi kim loại, để sản xuất lớp phủ lần đầu tiên chứng minh được bộ trao đổi nhiệt có mật độ công suất cao. Xử lý bề mặt dựa trên anodizing nhôm được chọn để tạo ra liên kết mạnh hơn giữa lớp phủ và chất nền. Cấu trúc vi mô của bề mặt thu được được phân tích bằng kính hiển vi điện tử quét. Phổ hồng ngoại biến đổi Fourier phản xạ toàn phần giảm và phổ tia X phân tán năng lượng được sử dụng để kiểm tra sự hiện diện của các loài mong muốn trong phép thử. Khả năng tạo thành hydrat của chúng được xác nhận bằng phân tích nhiệt trọng lượng kết hợp (TGA)/phân tích nhiệt trọng lượng vi sai (DTG). Chất lượng kém trên 0,07 g (nước)/g (hỗn hợp) được tìm thấy trong lớp phủ MgSO4, cho thấy dấu hiệu mất nước ở khoảng 60 °C và có thể tái tạo sau khi ngậm nước trở lại. Kết quả dương tính cũng thu được với SrCl2 và ZnSO4 với chênh lệch khối lượng khoảng 0,02 g/g dưới 100 °C. Hydroxyethylcellulose được chọn làm chất phụ gia để tăng độ ổn định và độ bám dính của lớp phủ. Tính chất hấp phụ của sản phẩm được đánh giá bằng TGA-DTG đồng thời và độ bám dính của chúng được xác định bằng phương pháp dựa trên các thử nghiệm được mô tả trong ISO2409. Độ đồng nhất và độ bám dính của lớp phủ CaCl2 được cải thiện đáng kể trong khi vẫn duy trì khả năng hấp phụ với chênh lệch khối lượng khoảng 0,1 g/g ở nhiệt độ dưới 100 °C. Ngoài ra, MgSO4 vẫn giữ được khả năng tạo thành hydrat, cho thấy chênh lệch khối lượng hơn 0,04 g/g ở nhiệt độ dưới 100 °C. Cuối cùng, các sợi kim loại phủ được kiểm tra. Kết quả cho thấy độ dẫn nhiệt hiệu dụng của cấu trúc sợi phủ Al2(SO4)3 có thể cao hơn 4,7 lần so với thể tích Al2(SO4)3 nguyên chất. Lớp phủ của các lớp phủ được nghiên cứu đã được kiểm tra bằng mắt thường và cấu trúc bên trong được đánh giá bằng hình ảnh mặt cắt ngang dưới kính hiển vi. Đã thu được lớp phủ Al2(SO4)3 có độ dày khoảng 50 µm, nhưng toàn bộ quy trình phải được tối ưu hóa để đạt được sự phân bố đồng đều hơn.
Hệ thống hấp phụ đã thu hút được nhiều sự chú ý trong vài thập kỷ qua vì chúng cung cấp một giải pháp thay thế thân thiện với môi trường cho máy bơm nhiệt nén hoặc hệ thống làm lạnh truyền thống. Với các tiêu chuẩn về sự thoải mái ngày càng tăng và nhiệt độ trung bình toàn cầu, các hệ thống hấp phụ có thể giảm sự phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch trong tương lai gần. Ngoài ra, bất kỳ cải tiến nào trong máy bơm nhiệt hoặc máy làm lạnh hấp phụ đều có thể được chuyển sang lưu trữ năng lượng nhiệt, điều này thể hiện sự gia tăng thêm về tiềm năng sử dụng hiệu quả năng lượng sơ cấp. Ưu điểm chính của máy bơm nhiệt và hệ thống làm lạnh hấp phụ là chúng có thể hoạt động với khối lượng nhiệt thấp. Điều này làm cho chúng phù hợp với các nguồn nhiệt độ thấp như năng lượng mặt trời hoặc nhiệt thải. Về mặt ứng dụng lưu trữ năng lượng, hấp phụ có ưu điểm là mật độ năng lượng cao hơn và ít tiêu tán năng lượng hơn so với lưu trữ nhiệt hữu hình hoặc tiềm ẩn.
Máy bơm nhiệt hấp phụ và hệ thống làm lạnh tuân theo cùng một chu trình nhiệt động lực học như các đối tác nén hơi của chúng. Sự khác biệt chính là việc thay thế các thành phần máy nén bằng bộ hấp phụ. Bộ phận này có thể hấp phụ hơi chất làm lạnh áp suất thấp ở nhiệt độ vừa phải, làm bay hơi nhiều chất làm lạnh hơn ngay cả khi chất lỏng lạnh. Cần phải đảm bảo làm mát liên tục bộ hấp phụ để loại trừ nhiệt hấp phụ (tỏa nhiệt). Bộ hấp phụ được tái sinh ở nhiệt độ cao, khiến hơi chất làm lạnh giải hấp. Việc gia nhiệt phải tiếp tục cung cấp nhiệt giải hấp (thu nhiệt). Vì các quá trình hấp phụ được đặc trưng bởi những thay đổi nhiệt độ nên mật độ công suất cao đòi hỏi độ dẫn nhiệt cao. Tuy nhiên, độ dẫn nhiệt thấp là nhược điểm chính trong hầu hết các ứng dụng.
Vấn đề chính của độ dẫn điện là tăng giá trị trung bình của nó trong khi vẫn duy trì đường dẫn vận chuyển cung cấp luồng hơi hấp phụ/tách hấp phụ. Hai phương pháp thường được sử dụng để đạt được điều này: bộ trao đổi nhiệt composite và bộ trao đổi nhiệt tráng phủ. Các vật liệu composite phổ biến và thành công nhất là những vật liệu sử dụng phụ gia gốc carbon, cụ thể là than chì nở, than hoạt tính hoặc sợi carbon. Oliveira et al. 2 đã tẩm bột than chì nở bằng canxi clorua để tạo ra chất hấp phụ có công suất làm mát riêng (SCP) lên tới 306 W/kg và hệ số hiệu suất (COP) lên tới 0,46. Zajaczkowski et al. 3 đã đề xuất kết hợp than chì nở, sợi carbon và canxi clorua với tổng độ dẫn điện là 15 W/mK. Jian et al4 đã thử nghiệm vật liệu composite với than chì tự nhiên nở được xử lý bằng axit sunfuric (ENG-TSA) làm chất nền trong chu trình làm mát hấp phụ hai giai đoạn. Mô hình dự đoán COP từ 0,215 đến 0,285 và SCP từ 161,4 đến 260,74 W/kg.
Giải pháp khả thi nhất cho đến nay là bộ trao đổi nhiệt phủ. Cơ chế phủ của các bộ trao đổi nhiệt này có thể được chia thành hai loại: tổng hợp trực tiếp và chất kết dính. Phương pháp thành công nhất là tổng hợp trực tiếp, bao gồm việc hình thành các vật liệu hấp phụ trực tiếp trên bề mặt của bộ trao đổi nhiệt từ các thuốc thử thích hợp. Sotech5 đã cấp bằng sáng chế cho một phương pháp tổng hợp zeolit ​​phủ để sử dụng trong một loạt các bộ làm mát do Fahrenheit GmbH sản xuất. Schnabel và cộng sự6 đã thử nghiệm hiệu suất của hai zeolit ​​phủ trên thép không gỉ. Tuy nhiên, phương pháp này chỉ hoạt động với các chất hấp phụ cụ thể, khiến việc phủ bằng chất kết dính trở thành một giải pháp thay thế thú vị. Chất kết dính là các chất thụ động được chọn để hỗ trợ độ bám dính của chất hấp thụ và/hoặc truyền khối, nhưng không đóng vai trò gì trong việc hấp phụ hoặc tăng cường độ dẫn điện. Freni và cộng sự. 7 bộ trao đổi nhiệt nhôm phủ bằng zeolit ​​AQSOA-Z02 được ổn định bằng chất kết dính gốc đất sét. Calabrese và cộng sự8 đã nghiên cứu việc chế tạo lớp phủ zeolit ​​bằng chất kết dính polyme. Ammann và cộng sự.9 đã đề xuất một phương pháp để chế tạo lớp phủ zeolit ​​xốp từ hỗn hợp polyvinyl alcohol từ tính. Nhôm oxit (alumina) cũng được sử dụng làm chất kết dính 10 trong chất hấp phụ. Theo hiểu biết của chúng tôi, xenluloza và hydroxyethyl xenluloza chỉ được sử dụng kết hợp với chất hấp phụ vật lý11,12. Đôi khi keo không được sử dụng cho sơn mà được sử dụng để xây dựng cấu trúc 13 riêng lẻ. Sự kết hợp của các ma trận polyme alginate với nhiều muối hydrat tạo thành các cấu trúc hạt composite linh hoạt giúp ngăn ngừa rò rỉ trong quá trình sấy và cung cấp khả năng truyền khối lượng đầy đủ. Các loại đất sét như bentonit và attapulgite đã được sử dụng làm chất kết dính để chế tạo vật liệu composite15,16,17. Ethylcellulose đã được sử dụng để vi nang canxi clorua18 hoặc natri sunfua19.
Vật liệu composite có cấu trúc kim loại xốp có thể được chia thành bộ trao đổi nhiệt phụ gia và bộ trao đổi nhiệt tráng phủ. Ưu điểm của các cấu trúc này là diện tích bề mặt riêng cao. Điều này tạo ra bề mặt tiếp xúc lớn hơn giữa chất hấp phụ và kim loại mà không cần thêm khối lượng trơ, làm giảm hiệu suất chung của chu trình làm lạnh. Lang et al. 20 đã cải thiện độ dẫn điện tổng thể của chất hấp phụ zeolit ​​có cấu trúc tổ ong nhôm. Gillerminot et al. 21 đã cải thiện độ dẫn nhiệt của các lớp zeolit ​​NaX bằng bọt đồng và niken. Mặc dù vật liệu composite được sử dụng làm vật liệu thay đổi pha (PCM), nhưng những phát hiện của Li et al. 22 và Zhao et al. 23 cũng được quan tâm đối với quá trình hấp phụ hóa học. Họ đã so sánh hiệu suất của than chì nở và bọt kim loại và kết luận rằng bọt kim loại chỉ được ưa chuộng nếu không có vấn đề về ăn mòn. Palomba et al. gần đây đã so sánh các cấu trúc xốp kim loại khác24. Van der Pal et al. đã nghiên cứu các muối kim loại được nhúng trong bọt25. Tất cả các ví dụ trước đây đều tương ứng với các lớp chất hấp phụ dạng hạt dày đặc. Cấu trúc xốp kim loại thực tế không được sử dụng để phủ chất hấp phụ, đây là giải pháp tối ưu hơn. Một ví dụ về liên kết với zeolit ​​có thể được tìm thấy trong Wittstadt et al. 26 nhưng không có nỗ lực nào được thực hiện để liên kết hydrat muối mặc dù mật độ năng lượng của chúng cao hơn 27.
Do đó, ba phương pháp để chuẩn bị lớp phủ hấp phụ sẽ được khám phá trong bài viết này: (1) lớp phủ chất kết dính, (2) phản ứng trực tiếp và (3) xử lý bề mặt. Hydroxyethylcellulose là chất kết dính được lựa chọn trong công trình này do độ ổn định đã được báo cáo trước đó và độ bám dính lớp phủ tốt kết hợp với chất hấp phụ vật lý. Phương pháp này ban đầu được nghiên cứu cho lớp phủ phẳng và sau đó được áp dụng cho các cấu trúc sợi kim loại. Trước đây, một phân tích sơ bộ về khả năng xảy ra phản ứng hóa học với sự hình thành lớp phủ hấp phụ đã được báo cáo. Kinh nghiệm trước đây hiện đang được chuyển giao cho lớp phủ của các cấu trúc sợi kim loại. Xử lý bề mặt được chọn cho công trình này là phương pháp dựa trên quá trình anot hóa nhôm. Quá trình anot hóa nhôm đã được kết hợp thành công với muối kim loại cho mục đích thẩm mỹ29. Trong những trường hợp này, có thể thu được lớp phủ rất ổn định và chống ăn mòn. Tuy nhiên, chúng không thể thực hiện bất kỳ quá trình hấp phụ hoặc giải hấp nào. Bài báo này trình bày một biến thể của phương pháp này cho phép di chuyển khối lượng bằng cách sử dụng các đặc tính kết dính của quy trình ban đầu. Theo hiểu biết của chúng tôi, không có phương pháp nào được mô tả ở đây đã được nghiên cứu trước đây. Chúng đại diện cho một công nghệ mới rất thú vị vì chúng cho phép hình thành lớp phủ hấp phụ ngậm nước, có một số ưu điểm so với các chất hấp phụ vật lý thường được nghiên cứu.
Các tấm nhôm dập được sử dụng làm chất nền cho các thí nghiệm này được cung cấp bởi ALINVEST Břidličná, Cộng hòa Séc. Chúng chứa 98,11% nhôm, 1,3622% sắt, 0,3618% mangan và một lượng nhỏ đồng, magiê, silic, titan, kẽm, crom và niken.
Các vật liệu được chọn để sản xuất vật liệu composite được lựa chọn theo các tính chất nhiệt động lực học của chúng, cụ thể là tùy thuộc vào lượng nước mà chúng có thể hấp thụ/tách hấp thụ ở nhiệt độ dưới 120°C.
Magie sunfat (MgSO4) là một trong những muối ngậm nước thú vị và được nghiên cứu nhiều nhất30,31,32,33,34,35,36,37,38,39,40,41. Các tính chất nhiệt động đã được đo lường một cách có hệ thống và được thấy là phù hợp cho các ứng dụng trong lĩnh vực làm lạnh hấp phụ, bơm nhiệt và lưu trữ năng lượng. Magie sunfat khô CAS-Nr.7487-88-9 99% (Grüssing GmbH, Filsum, Niedersachsen, Đức) đã được sử dụng.
Canxi clorua (CaCl2) (H319) là một loại muối khác được nghiên cứu kỹ lưỡng vì hydrat của nó có các tính chất nhiệt động lực học thú vị41,42,43,44. Canxi clorua hexahydrat CAS-No. 7774-34-7 97% được sử dụng (Grüssing, GmbH, Filsum, Niedersachsen, Đức).
Kẽm sunfat (ZnSO4) (H3O2, H318, H410) và các hydrat của nó có các tính chất nhiệt động lực học phù hợp với các quá trình hấp phụ ở nhiệt độ thấp45,46. Kẽm sunfat heptahydrat CAS-Nr.7733-02-0 99,5% (Grüssing GmbH, Filsum, Niedersachsen, Đức) đã được sử dụng.
Stronti clorua (SrCl2) (H318) cũng có các tính chất nhiệt động học thú vị4,45,47 mặc dù nó thường được kết hợp với amoniac trong nghiên cứu bơm nhiệt hấp phụ hoặc lưu trữ năng lượng. Stronti clorua hexahydrat CAS-Nr.10.476-85-4 99,0–102,0% (Sigma Aldrich, St. Louis, Missouri, Hoa Kỳ) đã được sử dụng để tổng hợp.
Đồng sunfat (CuSO4) (H302, H315, H319, H410) không nằm trong số các hydrat thường thấy trong tài liệu chuyên môn, mặc dù các tính chất nhiệt động lực học của nó được quan tâm cho các ứng dụng nhiệt độ thấp48,49. Đồng sunfat CAS-Nr.7758-99-8 99% (Sigma Aldrich, St. Louis, MO, Hoa Kỳ) đã được sử dụng để tổng hợp.
Magie clorua (MgCl2) là một trong những muối ngậm nước gần đây nhận được nhiều sự chú ý hơn trong lĩnh vực lưu trữ năng lượng nhiệt50,51. Magie clorua hexahydrat CAS-Nr.7791-18-6 tinh khiết cấp dược phẩm (Applichem GmbH., Darmstadt, Đức) đã được sử dụng cho các thí nghiệm.
Như đã đề cập ở trên, hydroxyethyl cellulose được chọn vì kết quả tích cực trong các ứng dụng tương tự. Vật liệu được sử dụng trong quá trình tổng hợp của chúng tôi là hydroxyethyl cellulose CAS-Nr 9004-62-0 (Sigma Aldrich, St. Louis, MO, Hoa Kỳ).
Sợi kim loại được làm từ những sợi ngắn liên kết với nhau bằng cách nén và thiêu kết, một quá trình được gọi là chiết xuất nóng chảy trong nồi nấu chảy (CME)52. Điều này có nghĩa là độ dẫn nhiệt của chúng không chỉ phụ thuộc vào độ dẫn nhiệt của kim loại được sử dụng trong quá trình sản xuất và độ xốp của cấu trúc cuối cùng mà còn phụ thuộc vào chất lượng liên kết giữa các sợi. Các sợi không đẳng hướng và có xu hướng phân bố theo một hướng nhất định trong quá trình sản xuất, khiến độ dẫn nhiệt theo hướng ngang thấp hơn nhiều.
Các tính chất hấp thụ nước đã được nghiên cứu bằng cách sử dụng phân tích nhiệt trọng lượng đồng thời (TGA)/phân tích nhiệt trọng lượng vi sai (DTG) trong một gói chân không (Netzsch TG 209 F1 Libra). Các phép đo được thực hiện trong bầu khí quyển nitơ chảy với tốc độ dòng chảy là 10 ml/phút và phạm vi nhiệt độ từ 25 đến 150°C trong các nồi nấu nhôm oxit. Tốc độ gia nhiệt là 1°C/phút, trọng lượng mẫu thay đổi từ 10 đến 20 mg, độ phân giải là 0,1 μg. Trong công trình này, cần lưu ý rằng sự khác biệt về khối lượng trên một đơn vị bề mặt có độ không chắc chắn lớn. Các mẫu được sử dụng trong TGA-DTG rất nhỏ và cắt không đều, khiến việc xác định diện tích của chúng không chính xác. Các giá trị này chỉ có thể được ngoại suy sang diện tích lớn hơn nếu tính đến độ lệch lớn.
Phổ hồng ngoại biến đổi Fourier phản xạ toàn phần suy yếu (ATR-FTIR) được thu được trên máy quang phổ FTIR Bruker Vertex 80 v (Bruker Optik GmbH, Leipzig, Đức) bằng cách sử dụng phụ kiện bạch kim ATR (Bruker Optik GmbH, Đức). Phổ của tinh thể kim cương khô nguyên chất được đo trực tiếp trong chân không trước khi sử dụng các mẫu làm nền cho các phép đo thực nghiệm. Các mẫu được đo trong chân không bằng cách sử dụng độ phân giải phổ 2 cm-1 và số lần quét trung bình là 32. Phạm vi số sóng từ 8000 đến 500 cm-1. Phân tích phổ được thực hiện bằng chương trình OPUS.
Phân tích SEM được thực hiện bằng DSM 982 Gemini từ Zeiss ở điện áp tăng tốc 2 và 5 kV. Phổ tia X phân tán năng lượng (EDX) được thực hiện bằng Hệ thống Thermo Fischer 7 với máy dò trôi silicon làm mát bằng Peltier (SSD).
Việc chuẩn bị các tấm kim loại được thực hiện theo quy trình tương tự như quy trình được mô tả trong 53. Đầu tiên, nhúng tấm kim loại vào axit sunfuric 50%. 15 phút. Sau đó, chúng được đưa vào dung dịch natri hydroxit 1 M trong khoảng 10 giây. Sau đó, các mẫu được rửa bằng một lượng lớn nước cất, rồi ngâm trong nước cất trong 30 phút. Sau khi xử lý bề mặt sơ bộ, các mẫu được nhúng trong dung dịch bão hòa 3%. HEC và muối mục tiêu. Cuối cùng, lấy chúng ra và sấy khô ở 60°C.
Phương pháp anot hóa tăng cường và củng cố lớp oxit tự nhiên trên kim loại thụ động. Các tấm nhôm được anot hóa bằng axit sunfuric ở trạng thái cứng và sau đó được niêm phong trong nước nóng. Quá trình anot hóa tiếp theo là quá trình khắc ban đầu bằng NaOH 1 mol/l (600 giây), sau đó là quá trình trung hòa trong HNO3 1 mol/l (60 giây). Dung dịch điện phân là hỗn hợp gồm 2,3 M H2SO4, 0,01 M Al2(SO4)3 và 1 M MgSO4 + 7H2O. Quá trình anot hóa được thực hiện ở (40 ± 1)°C, 30 mA/cm2 trong 1200 giây. Quá trình niêm phong được thực hiện trong các dung dịch nước muối khác nhau như được mô tả trong các tài liệu (MgSO4, CaCl2, ZnSO4, SrCl2, CuSO4, MgCl2). Mẫu được đun sôi trong đó trong 1800 giây.
Ba phương pháp khác nhau để sản xuất vật liệu composite đã được nghiên cứu: phủ keo, phản ứng trực tiếp và xử lý bề mặt. Ưu điểm và nhược điểm của từng phương pháp đào tạo được phân tích và thảo luận một cách có hệ thống. Quan sát trực tiếp, hình ảnh nano và phân tích hóa học/nguyên tố đã được sử dụng để đánh giá kết quả.
Anodizing được chọn làm phương pháp xử lý bề mặt chuyển đổi để tăng độ bám dính của muối hydrat. Xử lý bề mặt này tạo ra cấu trúc xốp của alumina (alumina) trực tiếp trên bề mặt nhôm. Theo truyền thống, phương pháp này bao gồm hai giai đoạn: giai đoạn đầu tiên tạo ra cấu trúc xốp của nhôm oxit và giai đoạn thứ hai tạo ra lớp phủ nhôm hydroxit đóng các lỗ rỗng. Sau đây là hai phương pháp chặn muối mà không chặn đường tiếp cận pha khí. Phương pháp đầu tiên bao gồm hệ thống tổ ong sử dụng các ống nhôm oxit (Al2O3) nhỏ thu được ở bước đầu tiên để giữ các tinh thể hấp phụ và tăng độ bám dính của nó với bề mặt kim loại. Các tổ ong thu được có đường kính khoảng 50 nm và chiều dài 200 nm (Hình 1a). Như đã đề cập trước đó, các khoang này thường được đóng lại ở bước thứ hai bằng một lớp mỏng boehmite Al2O(OH)2 được hỗ trợ bởi quá trình đun sôi ống alumina. Trong phương pháp thứ hai, quá trình bịt kín này được sửa đổi theo cách mà các tinh thể muối được giữ lại trong một lớp phủ đồng đều của boehmite (Al2O(OH)), không được sử dụng để bịt kín trong trường hợp này. Giai đoạn thứ hai được thực hiện trong dung dịch bão hòa của muối tương ứng. Các mẫu được mô tả có kích thước trong khoảng 50–100 nm và trông giống như những giọt nước bắn tung tóe (Hình 1b). Bề mặt thu được là kết quả của quá trình bịt kín có cấu trúc không gian rõ rệt với diện tích tiếp xúc tăng lên. Mẫu bề mặt này, cùng với nhiều cấu hình liên kết của chúng, là lý tưởng để mang và giữ các tinh thể muối. Cả hai cấu trúc được mô tả dường như thực sự xốp và có các khoang nhỏ dường như rất phù hợp để giữ lại muối hydrat và hấp thụ hơi vào muối trong quá trình vận hành chất hấp thụ. Tuy nhiên, phân tích nguyên tố các bề mặt này bằng EDX có thể phát hiện ra một lượng nhỏ magiê và lưu huỳnh trên bề mặt của boehmite, những chất không được phát hiện trong trường hợp bề mặt alumina.
ATR-FTIR của mẫu xác nhận rằng nguyên tố này là magie sunfat (xem Hình 2b). Phổ cho thấy các đỉnh ion sunfat đặc trưng ở 610–680 và 1080–1130 cm–1 và các đỉnh nước mạng đặc trưng ở 1600–1700 cm–1 và 3200–3800 cm–1 (xem Hình 2a, c). ). Sự hiện diện của các ion magie hầu như không làm thay đổi phổ54.
(a) EDX của tấm nhôm MgSO4 phủ boehmite, (b) Phổ ATR-FTIR của lớp phủ boehmite và MgSO4, (c) Phổ ATR-FTIR của MgSO4 tinh khiết.
Hiệu quả hấp phụ được xác nhận bằng TGA. Trên hình 3b cho thấy đỉnh giải hấp xấp xỉ 60°C. Đỉnh này không tương ứng với nhiệt độ của hai đỉnh quan sát được trong TGA của muối tinh khiết (Hình 3a). Độ lặp lại của chu trình hấp phụ-giải hấp đã được đánh giá và đường cong tương tự đã được quan sát thấy sau khi đặt các mẫu trong môi trường ẩm (Hình 3c). Sự khác biệt quan sát được trong giai đoạn giải hấp thứ hai có thể là kết quả của quá trình mất nước trong môi trường chảy, vì điều này thường dẫn đến mất nước không hoàn toàn. Các giá trị này tương ứng với khoảng 17,9 g/m2 trong quá trình tách nước đầu tiên và 10,3 g/m2 trong quá trình tách nước thứ hai.
So sánh phân tích TGA của boehmite và MgSO4: Phân tích TGA của MgSO4 nguyên chất (a), hỗn hợp (b) và sau khi ngậm nước trở lại (c).
Phương pháp tương tự được thực hiện với canxi clorua làm chất hấp phụ. Kết quả được trình bày trong Hình 4. Kiểm tra trực quan bề mặt cho thấy những thay đổi nhỏ trong ánh kim loại. Lông hầu như không nhìn thấy được. SEM xác nhận sự hiện diện của các tinh thể nhỏ phân bố đều trên bề mặt. Tuy nhiên, TGA không cho thấy mất nước dưới 150°C. Điều này có thể là do tỷ lệ muối quá nhỏ so với tổng khối lượng của chất nền để phát hiện bằng TGA.
Kết quả xử lý bề mặt lớp phủ đồng sunfat bằng phương pháp anod hóa được thể hiện ở hình 5. Trong trường hợp này, sự kết hợp CuSO4 dự kiến ​​vào cấu trúc oxit Al đã không xảy ra. Thay vào đó, các kim lỏng lẻo được quan sát thấy vì chúng thường được sử dụng cho đồng hydroxit Cu(OH)2 được sử dụng với thuốc nhuộm màu ngọc lam thông thường.
Xử lý bề mặt anodized cũng được thử nghiệm kết hợp với stronti clorua. Kết quả cho thấy độ phủ không đồng đều (xem Hình 6a). Để xác định xem muối có phủ toàn bộ bề mặt hay không, một phân tích EDX đã được thực hiện. Đường cong cho một điểm trong vùng màu xám (điểm 1 trong Hình 6b) cho thấy ít stronti và nhiều nhôm. Điều này cho thấy hàm lượng stronti thấp trong vùng được đo, đến lượt nó, cho thấy độ phủ stronti clorua thấp. Ngược lại, các vùng màu trắng có hàm lượng stronti cao và hàm lượng nhôm thấp (các điểm 2–6 trong Hình 6b). Phân tích EDX của vùng màu trắng cho thấy các chấm tối hơn (điểm 2 và 4 trong Hình 6b), hàm lượng clo thấp và hàm lượng lưu huỳnh cao. Điều này có thể chỉ ra sự hình thành của stronti sulfat. Các chấm sáng hơn phản ánh hàm lượng clo cao và hàm lượng lưu huỳnh thấp (các điểm 3, 5 và 6 trong Hình 6b). Điều này có thể được giải thích bởi thực tế là phần chính của lớp phủ màu trắng bao gồm stronti clorua dự kiến. TGA của mẫu đã xác nhận việc giải thích kết quả phân tích với đỉnh ở nhiệt độ đặc trưng của stronti clorua tinh khiết (Hình 6c). Giá trị nhỏ của chúng có thể được chứng minh bằng một phần nhỏ muối so với khối lượng của giá đỡ kim loại. Khối lượng giải hấp được xác định trong các thí nghiệm tương ứng với lượng 7,3 g/m2 được giải phóng trên một đơn vị diện tích của chất hấp phụ ở nhiệt độ 150°C.
Lớp phủ kẽm sunfat xử lý bằng Eloxal cũng đã được thử nghiệm. Về mặt vĩ mô, lớp phủ là một lớp rất mỏng và đồng nhất (Hình 7a). Tuy nhiên, SEM cho thấy một diện tích bề mặt được phủ bằng các tinh thể nhỏ được ngăn cách bởi các vùng trống (Hình 7b). TGA của lớp phủ và chất nền được so sánh với TGA của muối tinh khiết (Hình 7c). Muối tinh khiết có một đỉnh không đối xứng ở 59,1°C. Nhôm phủ cho thấy hai đỉnh nhỏ ở 55,5°C và 61,3°C, cho thấy sự hiện diện của kẽm sunfat hydrat. Sự khác biệt về khối lượng được tiết lộ trong thí nghiệm tương ứng với 10,9 g/m2 ở nhiệt độ mất nước là 150°C.
Như trong ứng dụng trước đó53, hydroxyethyl cellulose được sử dụng làm chất kết dính để cải thiện độ bám dính và độ ổn định của lớp phủ hấp thụ. Tính tương thích của vật liệu và tác động đến hiệu suất hấp thụ đã được đánh giá bằng TGA. Phân tích được thực hiện liên quan đến tổng khối lượng, tức là mẫu bao gồm một tấm kim loại được sử dụng làm chất nền phủ. Độ bám dính được thử nghiệm bằng thử nghiệm dựa trên thử nghiệm khía chéo được xác định trong thông số kỹ thuật ISO2409 (không thể đáp ứng thông số kỹ thuật tách khía tùy thuộc vào độ dày và chiều rộng của thông số kỹ thuật).
Phủ các tấm bằng canxi clorua (CaCl2) (xem Hình 8a) dẫn đến sự phân bố không đều, điều này không được quan sát thấy ở lớp phủ nhôm nguyên chất được sử dụng cho thử nghiệm khía ngang. So với kết quả của CaCl2 nguyên chất, TGA (Hình 8b) cho thấy hai đỉnh đặc trưng dịch chuyển về phía nhiệt độ thấp hơn lần lượt là 40 và 20°C. Thử nghiệm cắt ngang không cho phép so sánh khách quan vì mẫu CaCl2 nguyên chất (mẫu bên phải trong Hình 8c) là kết tủa dạng bột, loại bỏ các hạt trên cùng. Kết quả HEC cho thấy lớp phủ rất mỏng và đồng đều với độ bám dính đạt yêu cầu. Sự khác biệt về khối lượng thể hiện trong hình 8b tương ứng với 51,3 g/m2 trên một đơn vị diện tích của chất hấp phụ ở nhiệt độ 150°C.
Kết quả tích cực về độ bám dính và tính đồng nhất cũng thu được với magie sunfat (MgSO4) (xem Hình 9). Phân tích quá trình giải hấp của lớp phủ cho thấy sự hiện diện của một đỉnh xấp xỉ 60°C. Nhiệt độ này tương ứng với bước giải hấp chính được thấy trong quá trình tách nước của muối tinh khiết, biểu thị một bước khác ở 44°C. Nó tương ứng với quá trình chuyển đổi từ hexahydrat sang pentahydrat và không được quan sát thấy trong trường hợp lớp phủ có chất kết dính. Các thử nghiệm cắt ngang cho thấy sự phân bố và độ bám dính được cải thiện so với lớp phủ được tạo ra bằng cách sử dụng muối tinh khiết. Sự khác biệt về khối lượng được quan sát thấy trong TGA-DTC tương ứng với 18,4 g/m2 trên một đơn vị diện tích của chất hấp phụ ở nhiệt độ 150°C.
Do bề mặt không đồng đều, stronti clorua (SrCl2) có lớp phủ không đồng đều trên các vây (Hình 10a). Tuy nhiên, kết quả thử nghiệm khía ngang cho thấy sự phân bố đồng đều với độ bám dính được cải thiện đáng kể (Hình 10c). Phân tích TGA cho thấy sự khác biệt rất nhỏ về trọng lượng, điều này hẳn là do hàm lượng muối thấp hơn so với chất nền kim loại. Tuy nhiên, các bước trên đường cong cho thấy sự hiện diện của quá trình mất nước, mặc dù đỉnh có liên quan đến nhiệt độ thu được khi mô tả muối nguyên chất. Các đỉnh ở 110°C và 70,2°C được quan sát thấy trong Hình 10b cũng được tìm thấy khi phân tích muối nguyên chất. Tuy nhiên, bước mất nước chính được quan sát thấy trong muối nguyên chất ở 50°C không được phản ánh trong các đường cong khi sử dụng chất kết dính. Ngược lại, hỗn hợp chất kết dính cho thấy hai đỉnh ở 20,2°C và 94,1°C, không được đo đối với muối nguyên chất (Hình 10b). Ở nhiệt độ 150 °C, chênh lệch khối lượng quan sát được tương ứng với 7,2 g/m2 trên một đơn vị diện tích của chất hấp phụ.
Sự kết hợp của HEC và kẽm sunfat (ZnSO4) không mang lại kết quả chấp nhận được (Hình 11). Phân tích TGA của kim loại phủ không cho thấy bất kỳ quá trình mất nước nào. Mặc dù sự phân bố và độ bám dính của lớp phủ đã được cải thiện, nhưng các đặc tính của nó vẫn còn xa mới đạt mức tối ưu.
Cách đơn giản nhất để phủ một lớp mỏng và đồng đều lên sợi kim loại là tẩm ướt (Hình 12a), bao gồm việc chuẩn bị muối mục tiêu và tẩm sợi kim loại bằng dung dịch nước.
Khi chuẩn bị cho quá trình tẩm ướt, có hai vấn đề chính gặp phải. Một mặt, sức căng bề mặt của dung dịch muối ngăn cản sự kết hợp chính xác của chất lỏng vào cấu trúc xốp. Sự kết tinh trên bề mặt ngoài (Hình 12d) và các bong bóng khí bị giữ lại bên trong cấu trúc (Hình 12c) chỉ có thể được giảm bớt bằng cách hạ thấp sức căng bề mặt và làm ướt mẫu trước bằng nước cất. Hòa tan cưỡng bức trong mẫu bằng cách loại bỏ không khí bên trong hoặc bằng cách tạo ra dòng dung dịch trong cấu trúc là những cách hiệu quả khác để đảm bảo cấu trúc được lấp đầy hoàn toàn.
Vấn đề thứ hai gặp phải trong quá trình chuẩn bị là việc loại bỏ lớp màng khỏi một phần muối (xem Hình 12b). Hiện tượng này được đặc trưng bởi sự hình thành lớp phủ khô trên bề mặt hòa tan, ngăn chặn quá trình sấy được kích thích đối lưu và bắt đầu quá trình kích thích khuếch tán. Cơ chế thứ hai chậm hơn nhiều so với cơ chế đầu tiên. Do đó, cần có nhiệt độ cao để có thời gian sấy hợp lý, làm tăng nguy cơ hình thành bọt khí bên trong mẫu. Vấn đề này được giải quyết bằng cách đưa ra một phương pháp kết tinh thay thế không dựa trên sự thay đổi nồng độ (bay hơi) mà dựa trên sự thay đổi nhiệt độ (như trong ví dụ với MgSO4 trong Hình 13).
Sơ đồ biểu diễn quá trình kết tinh trong quá trình làm lạnh và tách pha rắn và pha lỏng bằng MgSO4.
Dung dịch muối bão hòa có thể được chuẩn bị ở nhiệt độ phòng (HT) hoặc cao hơn bằng phương pháp này. Trong trường hợp đầu tiên, quá trình kết tinh được thực hiện bằng cách hạ nhiệt độ xuống dưới nhiệt độ phòng. Trong trường hợp thứ hai, quá trình kết tinh xảy ra khi mẫu được làm lạnh đến nhiệt độ phòng (RT). Kết quả là hỗn hợp tinh thể (B) và hòa tan (A), phần chất lỏng của hỗn hợp này được loại bỏ bằng khí nén. Phương pháp này không chỉ tránh được sự hình thành lớp màng trên các hydrat này mà còn giảm thời gian cần thiết để chuẩn bị các hợp chất khác. Tuy nhiên, việc loại bỏ chất lỏng bằng khí nén dẫn đến quá trình kết tinh thêm của muối, tạo ra lớp phủ dày hơn.
Một phương pháp khác có thể được sử dụng để phủ bề mặt kim loại liên quan đến việc sản xuất trực tiếp các muối mục tiêu thông qua phản ứng hóa học. Bộ trao đổi nhiệt phủ được tạo ra bởi phản ứng của axit trên bề mặt kim loại của các cánh tản nhiệt và ống có một số ưu điểm, như đã được báo cáo trong nghiên cứu trước đây của chúng tôi. Việc áp dụng phương pháp này cho sợi dẫn đến kết quả rất kém do sự hình thành khí trong quá trình phản ứng. Áp suất của các bong bóng khí hydro tích tụ bên trong đầu dò và dịch chuyển khi sản phẩm được đẩy ra (Hình 14a).
Lớp phủ đã được biến đổi thông qua phản ứng hóa học để kiểm soát tốt hơn độ dày và sự phân bố của lớp phủ. Phương pháp này bao gồm việc dẫn luồng sương axit qua mẫu (Hình 14b). Điều này dự kiến ​​sẽ tạo ra lớp phủ đồng nhất bằng phản ứng với kim loại nền. Kết quả đạt yêu cầu, nhưng quá trình này quá chậm để được coi là phương pháp hiệu quả (Hình 14c). Có thể đạt được thời gian phản ứng ngắn hơn bằng cách gia nhiệt cục bộ.
Để khắc phục nhược điểm của các phương pháp trên, một phương pháp phủ dựa trên việc sử dụng chất kết dính đã được nghiên cứu. HEC đã được lựa chọn dựa trên các kết quả được trình bày trong phần trước. Tất cả các mẫu được chuẩn bị ở mức 3% wt. Chất kết dính được trộn với muối. Các sợi được xử lý trước theo cùng một quy trình như đối với các xương sườn, tức là ngâm trong 50% thể tích trong vòng 15 phút. axit sunfuric, sau đó ngâm trong natri hydroxit trong 20 giây, rửa sạch trong nước cất và cuối cùng ngâm trong nước cất trong 30 phút. Trong trường hợp này, một bước bổ sung đã được thêm vào trước khi tẩm. Nhúng mẫu trong dung dịch muối mục tiêu loãng trong thời gian ngắn và sấy khô ở nhiệt độ khoảng 60°C. Quy trình này được thiết kế để sửa đổi bề mặt kim loại, tạo ra các vị trí hạt nhân cải thiện sự phân bố của lớp phủ trong giai đoạn cuối cùng. Cấu trúc dạng sợi có một mặt mà các sợi mỏng hơn và được đóng gói chặt chẽ, và mặt đối diện mà các sợi dày hơn và ít phân bố hơn. Đây là kết quả của 52 quy trình sản xuất.
Kết quả đối với canxi clorua (CaCl2) được tóm tắt và minh họa bằng hình ảnh trong Bảng 1. Độ phủ tốt sau khi tiêm chủng. Ngay cả những sợi không có tinh thể nhìn thấy trên bề mặt cũng có phản xạ kim loại giảm, cho thấy sự thay đổi về độ hoàn thiện. Tuy nhiên, sau khi các mẫu được tẩm hỗn hợp nước của CaCl2 và HEC và sấy khô ở nhiệt độ khoảng 60°C, lớp phủ được tập trung tại các giao điểm của các cấu trúc. Đây là hiệu ứng gây ra bởi sức căng bề mặt của dung dịch. Sau khi ngâm, chất lỏng vẫn nằm bên trong mẫu do sức căng bề mặt của nó. Về cơ bản, nó xảy ra tại giao điểm của các cấu trúc. Mặt tốt nhất của mẫu vật có một số lỗ chứa đầy muối. Trọng lượng tăng 0,06 g/cm3 sau khi phủ.
Lớp phủ bằng magie sunfat (MgSO4) tạo ra nhiều muối hơn trên một đơn vị thể tích (Bảng 2). Trong trường hợp này, gia số đo được là 0,09 g/cm3. Quá trình gieo hạt tạo ra lớp phủ mẫu rộng. Sau quá trình phủ, muối chặn các vùng lớn ở mặt mỏng của mẫu. Ngoài ra, một số vùng của lớp mờ bị chặn, nhưng một số độ xốp vẫn được giữ lại. Trong trường hợp này, sự hình thành muối dễ dàng được quan sát thấy tại giao điểm của các cấu trúc, xác nhận rằng quá trình phủ chủ yếu là do sức căng bề mặt của chất lỏng, chứ không phải do tương tác giữa muối và chất nền kim loại.
Kết quả cho sự kết hợp của stronti clorua (SrCl2) và HEC cho thấy các đặc tính tương tự như các ví dụ trước (Bảng 3). Trong trường hợp này, mặt mỏng hơn của mẫu gần như được phủ hoàn toàn. Chỉ có các lỗ riêng lẻ có thể nhìn thấy được, được hình thành trong quá trình sấy khô do hơi nước thoát ra từ mẫu. Hoa văn quan sát được ở mặt mờ rất giống với trường hợp trước, khu vực bị chặn bằng muối và các sợi không được phủ hoàn toàn.
Để đánh giá tác động tích cực của cấu trúc dạng sợi lên hiệu suất nhiệt của bộ trao đổi nhiệt, độ dẫn nhiệt hiệu dụng của cấu trúc dạng sợi phủ đã được xác định và so sánh với vật liệu phủ nguyên chất. Độ dẫn nhiệt được đo theo ASTM D 5470-2017 bằng thiết bị tấm phẳng được thể hiện trong Hình 15a bằng vật liệu tham chiếu có độ dẫn nhiệt đã biết. So với các phương pháp đo tạm thời khác, nguyên lý này có lợi cho các vật liệu xốp được sử dụng trong nghiên cứu hiện tại, vì các phép đo được thực hiện ở trạng thái ổn định và với kích thước mẫu đủ (diện tích đáy 30 × 30 mm2, chiều cao khoảng 15 mm). Các mẫu vật liệu phủ nguyên chất (tham chiếu) và cấu trúc sợi phủ đã được chuẩn bị để đo theo hướng của sợi và vuông góc với hướng của sợi để đánh giá tác động của độ dẫn nhiệt dị hướng. Các mẫu được mài trên bề mặt (hạt mài P320) để giảm thiểu tác động của độ nhám bề mặt do chuẩn bị mẫu, điều này không phản ánh cấu trúc bên trong mẫu.