مقاله کپسوله کردن مواد تغییر فاز دهنده برای ذخیره سازی انرژی گرمایی از طریق روش سل – ژل

بخشی از مقاله

خلاصه

امروزه میکروکپسوله کردن مواد کاربدهای متنوعی در صنایع داروسازی، غذایی و کشاورزی پیدا کرده است. همچنین می توان با محبوس کردن مواد تغییر فاز دهنده در این کپسولها و از طریق فرایند ذوب و ا نجماد، از آنها برای ذخیره سازی انرژی استفاده نمود.در این مقاله سنتز میکروکپسولهای با پوسته از جنس سیلیس از طریق روش سل - ژل انجام و به موجب آن -nهگزادکان بهعنوان ماده تغییر فاز دهنده در این کپسولها محبوس شده است. طیف FT-IR تأیید کرد که پوسته سیلیسی با موفقیت هسته -nهگزادکان را محصور کرده است. تصاویر میکروسکوپ الکترونی روبشی - SEM - نشان داد که میکروکپسولهای سیلیکا، ساختار کروی داشته، دیوارهی آنها فشرده و همراه با سطح صافی است.
کلمات کلیدی: ذخیرهسازی انرژی، فرایند سل - ژل، کپسوله کردن، مواد تغییر فاز دهنده

1. مقدمه

امروزه انرژی و صرفه جوئی آن یک مسئله مهم در صنایع مختلف است. با توجه به افزایش نیاز به انرژی ، کاهش سوختهای فسیلی و آلودگی ناشی از آنها، موضوع ذخیره انرژی گرمایی مسئله اصلی بسیاری از پژوهشها در 20 سال اخیر بوده است 1]و.[2بطور کلی، به دو روش فیزیکی و شیمیایی میتوان انرژی گرمایی را ذخیره کرد. در یک واکنش شیمیایی به دلیل اختلاف آنتالپی محصولات و مواد اولیه، انرژی جذب یا رها می شود. هر واکنش شیمیایی را که دارای گرمای واکنش بیشتری باشد میتوان برای ذخیرهسازی انرژی و برعکس آزادسازی مجدد گرمای ذخیره شده در نتیجه واکنش برگشت را برای استفاده از انرژی ذخیره شده مورد استفاده قرار داد .[1]

در روش فیزیکی انرژی گرمایی می-تواند با تغییر انرژی درونی ماده به شکلگرمای محسوس، گرمای نهان یا ترکیبی از آنها ذخیره شود. در ذخیره گرمای محسوس، انرژی گرمایی معمولاً با افزایش دمای جامد یا مایع ذخیره میشود که آب به واسطه ارزانبودن و داشتن گرمای ویژه زیاد، بهترین مایع برای این کار بهشمار میرود. ذخیره گرمای نهان بر مبنای جذب یا رهاسازی گرما هنگام تغییر فاز مواد است. از میان روشهای مزبور، ذخیره انرژی گرمای نهان به دلیل قابلیت ایجاد چگالی زیاد ذخیره انرژی و خاصیت ذخیره انرژی در دمای ثابت - دمای تغییر فاز ماده تغییر فاز دهنده - در واقع با نوسان دمایی کمتر، از توجه بیشتری برخوردار بوده است .[1]

بهطورکلی، موادی را که در نتیجه تغییر فاز، انرژی گرمایی در آنها ذخیره می شود، مواد ذخیرهساز گرمای نهان یا به طور ساده مواد تغییر فاز مینامند .[1] میزان ذخیره انرژی این مواد 5 الی 14 برابر انرژی است که موادی مانند آب یا سنگ میتوانند به صورت محسوس در خود ذخیره کنند .[3]مواد تغییر فاز رایج شامل مواد آلی - پارافینها، اسیدهای چرب و پلیاتیلن گلیکولها - ، مواد معدنی - نمکهای آبدار - و ترکیبات اوتکتیک هستند. از میان این مواد، پارافینها به دلیل پوششدادن محدوده گستردهای از دماها، فشار بخار کم و در نتیجه افزایش حجم کم، خنثیبودن شیمیایی، ایمنی زیاد و قیمت مناسب گزینه های خوبی برای کاربردهای عملی مواد تغییر فازند 1]و.[4 پارافین واکسها -n - آلکانها - به عنوان یک PCM مناسب، بطور گسترده در زمینه ذخیرهسازی انرژی حرارتی کاربرد دارند. این مواد با توجه به تعداد کربن موجود در زنجیر دارای دمای تغییر فاز، دمای ذوب و دمای تبلور متفاوتی هستند و دمای تغییر فاز بین 18 -36 C دارند .[5]

قبل از استفاده از PCM در ساختارها باید آنها را در کرههای بسیار ریزی کپسوله کرد. کپسوله کردن فرآیندی است که در آن مواد تغییر فاز دهنده - که قسمت هسته کپسولها را تشکیل میدهند - توسط یک پوسته مناسب احاطه میشوند. هدف اولیه از کپسوله کردن این است که از جاری شدن مواد تغییر فاز دهنده مایع جلوگیری کرده و نسبت به محیط اطراف خود ایزوله باشند. پوسته کپسولها با گسترهی متنوعی از مواد شامل پلیمرهای آلی یا معدنی مانند سیلیکا قابل ساخت است. این حقیقت واضح است که هدایت حرارتی مواد معدنی همیشه از مواد آلی بیشتر است. علاوه بر این پایداری حرارتی و شیمیایی و اشتعال ناپذیری این مواد از ترکیبات آلی بهتر است از این جهت در این تحقیق از سیلیکا به عنوان پوسته استفاده شده است .[6]

هسته ممکن است از نانوکامپوزیت تشکیل شده باشد که یک بخش شامل ماده تغییر فاز دهنده و کسر کوچکی از مواد با قابلیت هدایت حرارتی بسیار بالا و نانوذراتی با نقطه ذوب بالاتر نسبت به مواد تغییر فاز دهنده، باشند. پوسته نیز از لایه نازکی از نانوذرات خنثی با قابلیت هدایت بالا است. ماده تغییر فاز دهنده در هسته میتواند در حین تغییر حالت جامد - مایع، انرژی نهان حرارتی را جذب و یا آزاد سازد .[3]انتخاب مواد معدنی مناسب بعنوان پوسته کپسولها ایدهی امیدوار کنندهای برای بهبود خواص آنها است.اخیراً، علاقه روزافزون استفاده از نانو و میکرو کرههای معدنی توخالی به دلیل ویژگیهای قابل توجه از قبیل ساختار پایدار، سطح تماس بالا، خواص حرارتی مناسب، طبیعت غیر سمی و زیست سازگاری خوب پدیدار شده است. با این حال، اطلاعات کمی برای کپسول سازی PCM با پوستهی از جنس سیلیس وجود دارد .[7]

علاقمندی به روش سل -ژل، از اواسط دهه ی 1800، با تحقیق برروی سیلیکا ایروژلها1 به وجود آمد. بررسی های اولیه نشان داده که هیدرولیز تترا اتیل ارتوسیلیکات، - TEOS - با فرمول شیمیاییSi - OC2H5 - 4 تحت شرایط اسیدی، منجر به تولید ماده ی شیمیایی SiO2 می شود. با این حال، به منظور جلوگیری از ترک خوردگی ژل ها، زمان های بسیار طولانی جهت خشک شدن آنها ضروری بود، و این موضوع سبب گردید که این روش به لحاظ فنی کمتر مورد توجه قرار گیرد 5]و.[9 روش سل -ژل یک فرایند سنتز را شامل می شود که در نتیجه مونومرها به هم متصل شده ونهایتًا ساختار شبکه ای جامد سه بعدی که ژل نامیده می شود، بوجود میآید. از آنجا که ذرات اولیه ی معلق شده در محلول - سلها - ، اندازهی نانومتری دارند، پیوند عرضی این ذرات، ساختارهایی متخلخل با اندازهی حفرات نانومتری ایجاد می کند 10]و.[11 در این تحقیق از طریق روش سل - ژل کپسولهایی از جنس سیلیس سنتز شده است که -n هگزادکان به عنوان یک مادهی تغییر فاز دهندهی مناسب در داخل آنها محبوس گردیده است. در این مقاله روش سنتز توضیح داده شده و خصوصیات کپسولها مورد ارزیابی قرار گرفته است.

.2  مواد بکار رفته برای سنتز کپسولها

اسید کلریدریک - HCL - ، تترا اتیل ارتوسیلیکات - TEOS - ، سدیم دودسیل سولفات - SDS - ، -nهگزادکان و اتانول مورد استفاده در این پژوهش دارای خلوص بالا بوده و از شرکتMerck آلمان خریداری شدند. پارافین استفاده شده دارای دمای ذوب بین 18- 25 C بود که متناسب با دمای محیط انتخاب شده است. سدیم دودسیل سولفات بعنوان سورفکتانت، -nهگزادکان بعنوان ماده تغییر فازدهنده2، تترااتیل ارتوسیلیکات بعنوان پیشساز3، اتانول و آب بعنوان حلال و اسید کلریدریک بعنوان فعالکننده4 استفاده شدند. آب مورد نیاز در این واکنش به صورت یونیزه استفاده شد.

.3  روش آزمایش

برای سنتز کپسولها مراحل زیر انجام شد:

مرحله اول: در این مرحله 10 گرم پارافین و 100 میلی لیتر آب دیونیزه به همراه 0/2 گرم SDS به یک بشر اضافه و به مدت 2ساعت باسرعت rpm 1000 در دمای 50-53 درجه سانتیگراد بوسیله هیتر مگنتدار همزده شد.

مرحله دوم: 20گرم تترا اتیل ارتوسیلیکات و40 گرم آب دیونیزه و20 گرم اتانول به یک بشر دیگر اضافه و بوسیله HCL ،PH محلول بین 2-3 تنظیم گردید. درنهایت این محلول بمدت 30 دقیقه با سرعت 500 rpm در دمای 50-53 درجه سانتیگراد بوسیله هیتر مگنتدار همزده شد.

مرحله سوم: محلول دوم را طی مدت یک ساعت به وسیله بورت به محلول اول اضافه کرده و در همان زمان محلول با سرعت 700 rpm در دمای -53 50 درجه سانتیگراد بوسیله هیتر مگنتدار همزده شد.

مرحله چهارم: محلول نهایی با سرعت 500 rpm و دمای 50 درجه سانتیگراد بمدت 24 ساعت بوسیله هیتر مگنتدار همزده شد. مرحله پنجم: محلول حاصل بمدت 4 ساعت با دمای 85 درجه سانتیگراد بدون همزدن حرارت داده شد.

مرحله ششم: محلول حاصل را دو بار با آب دیونیزه شست وشو داده و بمنظور خشک شدن بمدت 24 ساعت در دمای 70 درجه سانتیگراد آون قرار گرفت.برای بررسی بیشتر و اطمینان از کپسوله شدن ، پودر بدست آمده را مورد آنالیز قرار گرفت.

.4  بررسی خصوصیات میکروکپسولهای سیلیکا

لازم است تا کپسولهای پارافین طیفی فوریه مادون قرمز FT-IRبا پوسته سیلیس که از طریق روش سل - ژل تولید شدهاند مورد ارزیابی و بررسی قرار گیرند. به این منظور از روش و آنالیز میکروسکوپی SEM استفاده شد.

.4.1 تجزیه و تحلیل طیف FT-IR

طیف FT-IR یکی از نمونهها در شکل.1 نشان داده شده است. دو پیک قوی در ناحیهی 1101 cm-1 و 721 cm-1 و 801 cm-1 به ترتیب مربوط به ارتعاشات کششی متقارن و نامتقارن Si-O-Si میباشد در حالی که یک پیک در ناحیهی 548 cm-1 مربوط به ارتعاش خمشی پیوند Si-O است .[14] حضور این پیکها دلالت بر وجود پلهای سیلوکسان در مادهی پوستهی سیلیکا دارد. یک پیک قوی در ناحیهی 966 cm-1 و پیک ضعیفی در ناحیهی 3676 cm-1 به ترتیب مربوط به ارتعاشات خمشی و کششی Si-OH است. وجود این پیکها در سیلیکا نشان میدهد که تراکم سیلیکا برای تشکیل پوستههای میکروکپسول در pHهای مختلف به خوبی انجام شده است. علاوه بر این ارتعاشات خمشی C-C مربوط به پلهای متیلن به ترتیب در طول موج های 1465 cm-1 و 1633 cm-1 قابل مشاهده است.

در حالی که پیکهایی موجود در ناحیهی 2958 cm-1 و 2925 cm-1 و 2854 cm-1 به ترتیب مربوط به گروههای متیل، متیلن و -n آلکیل میشود. همچنین پیک 721 cm-1 مربوط به ارتعاش گهوارهای خارج از صفحهی گروه متیلن می-باشد. پیک موجود در 3448 cm-1 مربوط به وجود ارتعاش کششی O-H است که نشان دهنده وجود آب در پودر بدست آمده است. آنچه قابل توجه میباشد این است که این پیکها با پیکهای متناظر -nهگزادکان خالص مطابقت دارد. تمام نتایج فوق موفقیت کپسوله کردن -nهگزادکان توسط پوستهی سیلیکایی را تأیید میکند. از آنجا که میکروکپسولهای سیلیکا از طریق واکنش تراکمی TEOS هیدرولیز شده و در دمای نه چندان بالا سنتز شده است این انتظار وجود دارد که تعداد زیادی از گروههای سیلانول بر روی پوستههای سیلیکا قابل شناسایی باشند.