CC BY
6
УДК 544.015.4, 620.3 Кулиева Л.Э., Королёва М.Ю.
КАПСУЛИРОВАНИЕ ПРЕДЕЛЬНЫХ УГЛЕВОДОРОДОВ В ВЫСОКОПОРИСТЫХ НАНОМАТЕРИАЛАХ
Кулиева Лэйла Эльнуровна - аспирант 2-го года обучения кафедры наноматериалов и нанотехнологии; kulieva.l.e@muctr.ru
Королёва Марина Юрьевна - доктор химических наук, профессор кафедры наноматериалов и нанотехнологии; Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Россия, Москва, 125480, ул. Героев Панфиловцев, д. 20
В работе рассмотрены актуальные подходы к капсулированию материалов с изменяемым фазовым состоянием. Такие материалы могут выступать как накопители тепловой энергии благодаря протекающим фазовым переходам в определённом интервале температур. Парафин, как материал с изменяемым фазовым состоянием, потенциально может быть применим для хранения тепловой энергии. Однако, его низкая теплопроводность может негативно сказаться на процессе аккумулирования энергии. Ключевые слова: скрытая тепловая энергия, парафин, капсулирование, фазовый переход
CAPSULATION OF SATURATED HYDROCARBONS IN HIGH-POROUS NANOMATERIALS
Kulieva L.E., Koroleva M.Yu.
Mendeleev University of Chemical Technology, Moscow, Russian Federation
The article discusses current approaches to encapsulating phase change materials. These materials can act as a heat energyaccumulator due to the phase transitions occurring within a certain temperature range. Paraffin, as a phase change material, has the potential to be used for thermal energy storage. However, its low thermal conductivity can negatively affect the energy storage process. Key words: latent heat, paraffin, encapsulation, phase transition
Введение
С увеличением численности мирового населения растёт и спрос на тепловую энергию, что может привести к глобальному энергетическому кризису. Актуальной задачей является поиск альтернативных источников энергии и наиболее эффективных механизмов её хранения. Одним из способов накопления энергии может быть использование материалов с изменяемыми фазовыми состояниями (PCM - Phase Change Materials). Фазовые превращения в таких материалах происходят в определённом температурном интервале, что даёт возможность аккумулировать тепловую энергию. PCM растекаются при плавлении, и возникает необходимость в их капсулировании. Кроме того, заключенные в капсулы, PCM устойчивы к механическим воздействиям, повышенным температурам и большинству химикатов. Капуслируемое вещество образует ядро микрокапсул, а капсулирующий материал формирует оболочку.
Наиболее часто в качестве PCM используются парафины, обладающие небольшим перепадом между точкой плавления и точкой затвердевания, доступностью и экологичностью. Парафины обладают таким недостатком как низкая теплопроводность, снижающим скорость аккумулирования и извлечения тепла во время процессов плавления и кристаллизации. При микрокапсулировании парафина увеличивается отношение площади поверхности к объему, что приводит к улучшению теплопроводности.
Методы капсулирования предельных углеводородов
Одним из перспективных направлений использования PCM является строительство. Для включения PCM в строительные материалы используется метод инкапсулирования. Матричными материалами, наиболее часто используемыми в экспериментах, являются пористые материалы. Благодаря пористой структуре, такие материалы позволяют инкапсулируемому веществу совершать фазовые переходы из твердого состояния в жидкое внутри пор без утечки.
В работе [1] был разработан композитный материал на основе парафина и углеродной пены, полученной из крахмала. Углеродную пену получали вспениванием и пропариванием при различных температурах карбонизации. Технологическая схема приготовления углеродной пены показана на рис. 1.
+
Вспенивание
0
Q
Формирование образца
Дегидратация
Карбонизация
£
ij
1
Дегидри рова н н ы й образец
*
Карбонизированный образец_
Водяной пар
000 ' 000 СО,
ООО L
71
Термическая обработка
2NaIIC Oj НМа2С 0,+С02+И,0
Карбонизация .
J >
Рис. 1 Схема получения углеродной пены [1]
Крахмал и предварительно растворённый в воде дрожжевой порошок помещали в аппарат для смешивания и перемешивали в течении 15 мин до получения однородной массы. В результате перемешивания в течение 60 мин при температуре 40 °С происходило вспенивание смеси и, как следствие, образование пористой структуры.
В работе [2] разработали композитный материал парафин/диатомит. Диатомит широко применяется в производстве цемента и имеет очень высокопористую микроструктуру. Композит был изготовлен с помощью метода прямой пропитки. Измельчённый парафин смешивали с диатомитом, затем смесь помещали в печь и термостатировали при температуре 80 ± 5 оС в течение 4-х ч. Систему перемешивали каждые 1,5 ч для получения однородной массы.
Добавление материалов с высокой теплопроводностью в матрицы для формирования PCM является актуальным и распространенным направлением исследований. Так в работе [3] были получены формоустойчивые материалы для аккумулирования энергии на основе парафина и полиэтилена высокой плотности. Композиты получены путем смешивания расплавленного парафина с расплавленным полиэтиленом и последующим охлаждением до комнатной температуры. Для улучшения теплопроводности материалов в расплавленные композитные образцы при перемешивании добавляли отшелушенный графит в соотношении 3 мас.% при температуре около 150 °C. Отшелушенный графит был подготовлен с помощью процесса термообработки, описанной в работе [4].
В исследовании [5] был предложен новый метод инкапсуляции PCM в микросферы, которые представляли собой полые частицы летучей золы (ценосферы), образующейся на угольных электростанциях, размером от нескольких микрометров до сотен микрометров. Оболочка ценосферы имела несколько небольших пор, которые были закрыты тонким слоем стеклокристаллической пленки. При удалении этой пленки путем химического травления эти поры могут быть открыты. Тонкий слой кремнезема наносился на готовые микрокапсулы для предотвращения возможной утечки жидких PCM.
Композиты парафин/углеродная пена были приготовлены методом вакуумной пропитки, как показано на рис. 2. Твердый парафин и углеродная пена были помещены в стеклянный стакан, а затем в вакуумную печь. Вакуумную печь нагревали до 80 С, чтобы расплавить твердый парафин. Через 1 ч поры углеродной пены были пропитаны парафином.
d. Образец
Полученные пористые микрокапсулы, содержащие PCM, называются CenoPCM. Такие микрокапсулы могут быть непосредственно добавлены в традиционные строительные материалы, такие как бетон, для получения термоактивного бетона. Также был изготовлен прототип термоактивного цементного раствора с капсулами CenoPCM и охарактеризованы его механические свойства. Прочность на сжатие раствора с добавлением и без CenoPCM измерена и показана на рис. 3.
3 7 28
Количество дней
Рис. 3 Прочность на сжатие строительного раствора с CenoPCMи без него: А - образцы СепоРСМ, покрытые слоем кремнезёма (герметичные); Б - образцы СепоРСМ, не содержащие покрытия (негерметичные) [5]
Из рисунка видно, что по сравнению с контрольным раствором добавление СепоРСМ привело к потере прочности во всех исследованных временных промежутках. Однако, в образцах раствора, содержащих СепоРСМ в оболочке из кремнезёма, наблюдается незначительная потеря прочности.
►
Углеродная пена
| Пора
Твердый парафин:
а. Вакуум
Вакуум
1 ч при 80 °С
Расплавленный парафин Ь. Нагрев с. Пропитка
Рис. 2 Схема вакуумной пропитки образцов углеродной пены [1]
Заключение
Рассмотрены исследования, направленные на создание систем, в которых парафин служит в качестве аккумулятора скрытого тепла, а пористые наноматериалы выступают в качестве матрицы, которая предотвращает утечку расплавленного парафина и обеспечивает структурную прочность. Однако, ни один из предложенных композитов не нашел практического применения, так как не сочетал в себе механическую прочность, долговечность и повышенную теплопроводность одновременно. Поэтому создание новых матриц для формирования термически стабильных и эффективных материалов с улучшенной теплопередачей представляет большой интерес.
Список литературы
1. Shi T., Zhang X., Qiao J., Wu X., Chen G., Leng G., Lin F., Min X., Huang Z. Preparation and characterization of composite phase change materials
based on paraffin and carbon foams derived from starch // Polymer. - 2020. - P. 13.
2. Xu B., Li Z. Paraffin/diatomite composite phase change materials incorporated camant-based composite for thermal energy storage // Applied Energy. - 2013. -No. 105. - P. 229-237.
3. Sari A. Form-stable paraffin/high density polyethylene composites as solid-liquid phase change material for thermal energy storage: preparation and thermal properties // Energy Conversion and Management. - 2004. No. 45. - P. 2033-2042.
4. XiaoM., Feng B., Gong K. Preparation and performance of shape stabilized phase change thermal storage materials with high thermal conductivity // Energy Convers Manage. - 2002. - No. 43. P. 8.
5. Liu F., Wang J., Qian X. Integrating phase change materials into concrete through microencapsulation using cenospheres // Cement and Concrete Composites. - 2017. - P. 28.
