IT201900019028A1 - MATERIAL FOR THE ADSORPTION AND DESORPTION OF WATER VAPOR, IN PARTICULAR IN A THERMAL MACHINE OR A SYSTEM WITH ADSORPTION AND HEAT EXCHANGER INCLUDING THIS MATERIAL - Google Patents
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Description
MATERIALE PER L’ADSORBIMENTO E IL DESORBIMENTO DI VAPORE ACQUEO, IN PARTICOLARE IN UNA MACCHINA TERMICA O UN SISTEMA AD ADSORBIMENTO E SCAMBIATORE DI CALORE COMPRENDENTE DETTO MATERIALE MATERIAL FOR THE ADSORPTION AND DESORPTION OF WATER VAPOR, IN PARTICULAR IN A THERMAL MACHINE OR A SYSTEM WITH ADSORPTION AND HEAT EXCHANGER INCLUDING THIS MATERIAL
Campo dell’invenzione Field of the invention
La presente invenzione afferisce al settore dei materiali per l’adsorbimento e il desorbimento di acqua, in particolare vapore acqueo. In particolare, l’invenzione riguarda un materiale particolarmente adatto ad essere utilizzato per la realizzazione o per il rivestimento di uno scambiatore di calore, ad esempio di una pompa di calore. The present invention relates to the sector of materials for the adsorption and desorption of water, in particular water vapor. In particular, the invention relates to a material particularly suitable to be used for the construction or coating of a heat exchanger, for example a heat pump.
Stato della tecnica State of the art
Le pompe di calore basate sull'adsorbimento/desorbimento dell'acqua su materiali micro e mesoporosi permettono un approccio innovativo ad un uso razionale dell'energia, per una politica energetica sostenibile e un'efficace salvaguardia del clima, attraverso la riduzione dell'impatto ambientale dei dispositivi di riscaldamento e raffreddamento convenzionali. Heat pumps based on the adsorption / desorption of water on micro and mesoporous materials allow an innovative approach to a rational use of energy, for a sustainable energy policy and effective climate protection, through the reduction of environmental impact. of conventional heating and cooling devices.
Ad oggi esistono diversi materiali adsorbenti, utilizzabili come rivestimento, in grado di adsorbire vapore acqueo per tali applicazioni. To date, there are several adsorbent materials, which can be used as a coating, capable of adsorbing water vapor for such applications.
Un’adeguata integrazione del materiale adsorbente nello scambiatore di calore (HEX) è un fattore chiave per l’aumento della qualità del trasferimento di calore nell'adsorbitore (AdHEX). L'utilizzo di grandi superfici HEX rivestite da uno strato sottile di adsorbente è considerato un modo interessante per progettare adsorbitori dinamicamente efficienti. Adequate integration of the adsorbent material in the heat exchanger (HEX) is a key factor in increasing the quality of heat transfer in the adsorber (AdHEX). The use of large HEX surfaces coated with a thin layer of adsorbent is considered an interesting way to design dynamically efficient adsorbers.
Tuttavia le soluzioni attualmente disponibili consentono bassi contenuti di materiale adsorbente, implicando quindi una minore efficienza della macchina adsorbente. Svantaggiosamente inoltre, i rivestimenti che finora si possono realizzare sono solitamente caratterizzati da scarsa resistenza meccanica e comportamento fragile che favorisce una facile perdita di particelle di materiale adsorbente dai supporti a seguito dei cicli idro-termici a cui è sottoposto o a causa della differenza dei coefficienti di dilatazione termica. Ciò implica che spesso si ha una perdita di efficienza della macchina. Sono perciò necessari frequenti interventi di manutenzione. Per ovviare a tale problematica spesso si realizzano rivestimenti a spessore ridotto i quali presentano un minore comportamento fragile. Tale soluzione comporta come limite una bassa quantità di materiale adsorbente nell'adsorbitore. E’ quindi sentita l’esigenza di un materiale in grado di migliorare le prestazioni di adsorbimento e desorbimento di uno scambiatore di calore di una pompa di calore. Sommario dell’invenzione However, the solutions currently available allow low contents of adsorbent material, thus implying a lower efficiency of the adsorbent machine. Furthermore, disadvantageously, the coatings that can be made up to now are usually characterized by poor mechanical strength and brittle behavior which favors an easy loss of particles of adsorbent material from the supports following the hydro-thermal cycles to which it is subjected or due to the difference in the coefficients of thermal expansion. This implies that there is often a loss of efficiency of the machine. Frequent maintenance is therefore required. To overcome this problem, thin coatings are often produced which exhibit less brittle behavior. This solution involves as a limit a low quantity of adsorbent material in the adsorber. The need is therefore felt for a material capable of improving the adsorption and desorption performance of a heat exchanger of a heat pump. Summary of the invention
Uno scopo della presente invenzione è di realizzare un materiale adsorbente che garantisca elevata resistenza meccanica e chimica e allo stesso tempo garantisca un’elevata efficienza in termini di cinetica di adsorbimento e di stabilità idrotermica, e che sia realizzabile anche agevolmente e a costi contenuti. An aim of the present invention is to create an adsorbent material that guarantees high mechanical and chemical resistance and at the same time guarantees high efficiency in terms of adsorption kinetics and hydrothermal stability, and which can also be easily and at low cost.
In particolare, uno scopo della presente invenzione è di realizzare uno scambiatore di calore adsorbente per pompe di calore che garantisca elevata resistenza meccanica e chimica e allo stesso tempo garantisca un’elevata efficienza in termini di cinetica di adsorbimento e di stabilità idrotermica, e che sia realizzabile anche agevolmente e a costi contenuti. In particular, an object of the present invention is to provide an adsorbent heat exchanger for heat pumps which guarantees high mechanical and chemical resistance and at the same time guarantees high efficiency in terms of adsorption kinetics and hydrothermal stability, and which is also achievable easily and at low cost.
La presente invenzione raggiunge almeno uno di tali scopi, ed altri scopi che saranno evidenti alla luce della presente descrizione, mediante un materiale, secondo la rivendicazione 1, atto ad adsorbire e desorbire vapore acqueo, in particolare in una macchina termica o in un sistema ad adsorbimento, il materiale comprendente: polietereterchetone solfonato (S-PEEK) dal 2 al 65% in peso del materiale; e particelle di un riempitivo adsorbente dal 30 al 95% in peso del materiale, atte ad adsorbire e desorbire acqua, in particolare vapore acqueo. The present invention achieves at least one of these objects, and other objects which will be evident in the light of the present description, by means of a material, according to claim 1, suitable for adsorbing and desorbing water vapor, in particular in a thermal machine or in a system with adsorption, the material comprising: sulfonated polyetheretherketone (S-PEEK) from 2 to 65% by weight of the material; and particles of an adsorbent filler from 30 to 95% by weight of the material, suitable for adsorbing and desorbing water, in particular water vapor.
L’invenzione riguarda anche una miscela, secondo la rivendicazione 9, comprendente polietereterchetone solfonato (S-PEEK) dal 2,5 al 12% in peso della miscela; dette particelle di riempitivo adsorbente dal 3 al 70% in peso della miscela; e un solvente organico in grado di dissolvere il polietereterchetone solfonato, dal 25 al 90% in peso della miscela. The invention also relates to a mixture, according to claim 9, comprising polyetheretherketone sulfonate (S-PEEK) from 2.5 to 12% by weight of the mixture; said particles of adsorbent filler from 3 to 70% by weight of the mixture; and an organic solvent capable of dissolving the sulfonated polyetheretherketone, from 25 to 90% by weight of the mixture.
L’invenzione riguarda anche un processo, secondo la rivendicazione 12, per ottenere il materiale, in cui sono previste le fasi di: The invention also relates to a process, according to claim 12, to obtain the material, in which the steps of:
a) prevedere polietereterchetone solfonato (S-PEEK), preferibilmente con un grado di solfonazione dal 10 al 50%; a) providing sulfonated polyetheretherketone (S-PEEK), preferably with a degree of sulfonation from 10 to 50%;
b) solubilizzare il polietereterchetone solfonato in un solvente organico per ottenere una prima miscela, la prima miscela comprendendo preferibilmente dal 5 al 40% in peso di polietereterchetone solfonato; b) solubilizing the sulfonated polyetheretherketone in an organic solvent to obtain a first mixture, the first mixture preferably comprising from 5 to 40% by weight of sulfonated polyetheretherketone;
c1) aggiungere particelle di detto riempitivo adsorbente alla prima miscela per ottenere una seconda miscela, la seconda miscela comprendendo preferibilmente polietereterchetone solfonato (S-PEEK) dal 2,5 al 12% in peso della seconda miscela; dette particelle di riempitivo adsorbente dal 3 al 70% in peso della seconda miscela; e solvente organico dal 25 al 90% in peso della seconda miscela; c1) adding particles of said adsorbent filler to the first mixture to obtain a second mixture, the second mixture preferably comprising polyetheretherketone sulfonate (S-PEEK) from 2.5 to 12% by weight of the second mixture; said particles of adsorbent filler from 3 to 70% by weight of the second mixture; and organic solvent from 25 to 90% by weight of the second mixture;
d) rimuovere il solvente organico dalla seconda miscela, in particolare per renderla solida. d) removing the organic solvent from the second mixture, in particular to make it solid.
L’invenzione riguarda anche un componente di una macchina termica secondo la rivendicazione 14, il componente essendo preferibilmente uno scambiatore di calore o parte di uno scambiatore di calore The invention also relates to a component of a heat engine according to claim 14, the component preferably being a heat exchanger or part of a heat exchanger
L’invenzione riguarda anche un processo, secondo la rivendicazione 15, per ottenere il componente, in cui sono previste le fasi di: The invention also relates to a process, according to claim 15, to obtain the component, in which the steps of:
a) prevedere polietereterchetone solfonato (S-PEEK), preferibilmente con un grado di solfonazione dal 10 al 50%; a) providing sulfonated polyetheretherketone (S-PEEK), preferably with a degree of sulfonation from 10 to 50%;
b) solubilizzare il polietereterchetone solfonato in un solvente organico per ottenere una prima miscela, la prima miscela comprendendo preferibilmente dal 5 al 40% in peso di polietereterchetone solfonato; b) solubilizing the sulfonated polyetheretherketone in an organic solvent to obtain a first mixture, the first mixture preferably comprising from 5 to 40% by weight of sulfonated polyetheretherketone;
c1) aggiungere particelle di detto riempitivo adsorbente alla prima miscela per ottenere una seconda miscela, la seconda miscela comprendendo preferibilmente polietereterchetone solfonato (S-PEEK) dal 2,5 al 12% in peso della seconda miscela; dette particelle di riempitivo adsorbente dal 3 al 70% in peso della seconda miscela; e solvente organico dal 25 al 90% in peso della seconda miscela; c1) adding particles of said adsorbent filler to the first mixture to obtain a second mixture, the second mixture preferably comprising polyetheretherketone sulfonate (S-PEEK) from 2.5 to 12% by weight of the second mixture; said particles of adsorbent filler from 3 to 70% by weight of the second mixture; and organic solvent from 25 to 90% by weight of the second mixture;
c2) disporre la seconda miscela in uno stampo, oppure depositare la seconda miscela su un supporto mediante una stampante 3D, oppure depositare la seconda miscela sul componente; c2) placing the second mixture in a mold, or depositing the second mixture on a support using a 3D printer, or depositing the second mixture on the component;
d) rimuovere il solvente organico dalla seconda miscela, in particolare per renderla solida. d) removing the organic solvent from the second mixture, in particular to make it solid.
L’invenzione riguarda anche una macchina termica, in particolare una pompa di calore, secondo la rivendicazione 17. The invention also relates to a thermal machine, in particular a heat pump, according to claim 17.
Il materiale, che è in particolare un materiale composito, comprende o è formato da una matrice strutturale termicamente conduttiva e permeabile al vapore, con al suo interno il riempitivo adsorbente. In tale soluzione progettuale la scelta di una matrice polimerica permeabile al vapore ha un ruolo fondamentale nel funzionamento dello scambiatore di calore stesso in quanto la matrice polimerica deve essere in grado di offrire un’azione barriera al flusso di acqua liquida nella sezione di circuito idraulico della pompa di calore ad adsorbimento ma altresì deve essere permeabile al vapore acqueo al fine di garantire la sua azione in adsorbimento e desorbimento nel ciclo di funzionamento della macchina stessa. The material, which is in particular a composite material, comprises or is formed by a thermally conductive and vapor-permeable structural matrix, with the adsorbent filler inside. In this design solution, the choice of a vapor permeable polymer matrix plays a fundamental role in the operation of the heat exchanger itself as the polymer matrix must be able to offer a barrier action to the flow of liquid water in the hydraulic circuit section of the adsorption heat pump but also must be permeable to water vapor in order to guarantee its action in adsorption and desorption in the operating cycle of the machine itself.
A tale scopo sono stati accuratamente selezionati i polieterchetoni solfonati (S-PEEK), che hanno costi relativamente bassi e sono solubili in numerosi solventi organici. For this purpose, the sulphonated polyetherketones (S-PEEK) have been carefully selected, which have relatively low costs and are soluble in numerous organic solvents.
Il polieterchetone (PEEK) è un polimero semicristallino con buone proprietà meccaniche, elevata stabilità termica e resistenza chimica. Polyetherketone (PEEK) is a semi-crystalline polymer with good mechanical properties, high thermal stability and chemical resistance.
Il PEEK è termostabile con una struttura a catena aromatica non fluorurata, che può essere funzionalizzato mediante reazione di solfonazione, ossia la reazione di inserzione di un gruppo solfonico SO3<- >su un anello del monomero. PEEK is thermostable with a non-fluorinated aromatic chain structure, which can be functionalized by means of a sulfonation reaction, i.e. the insertion reaction of a SO3 <-> sulphonic group on a monomer ring.
Una delle principali proprietà che ha portato alla scelta del S-PEEK quale materiale principale per la matrice del composito, è la sua buona permeabilità al vapor d’acqua e la non elevata idrofilia, tale da essere comparabile alle membrane a scambio ionico commerciali. One of the main properties that led to the choice of S-PEEK as the main material for the composite matrix is its good permeability to water vapor and its low hydrophilicity, such as to be comparable to commercial ion exchange membranes.
Vantaggiosamente, siccome la matrice polimerica è a base di S-PEEK permeabile al vapore acqueo, non sono richiesti canali fisici, ad esempio una porosità aperta o fessure, per garantire la capacità di adsorbimento del materiale composito a base di filler adsorbente. L'opportunità di avere un materiale adsorbente monolitico è rilevante al fine di semplificare il processo di fabbricazione, ma allo stesso tempo anche di avere una densità più elevata del materiale composito. In questo modo si può aggiungere una quantità maggiore di filler adsorbente nello scambiatore di calore senza ridurre la cinetica di adsorbimento. Inoltre, il materiale in sé può presentare prestazioni strutturali adeguate per poter essere utilizzato non solo come rivestimento ma anche come scambiatore di calore. Infatti, si offre la possibilità di realizzare direttamente uno scambiatore di calore in detto materiale composito, e in particolare si offre la possibilità di eliminare la presenza della struttura metallica, solitamente in alluminio, di cui sono costituiti gli attuali scambiatori di calore. In altri termini, la struttura portante dello scambiatore di calore può essere costituita da detto materiale composito. Ciò semplifica il funzionamento ed incrementa notevolmente le prestazioni dell'adsorbitore, ossia dello scambiatore di calore adsorbente. Advantageously, since the polymeric matrix is based on S-PEEK permeable to water vapor, no physical channels are required, for example an open porosity or cracks, to guarantee the adsorption capacity of the composite material based on adsorbent filler. The opportunity to have a monolithic adsorbent material is relevant in order to simplify the manufacturing process, but at the same time also to have a higher density of the composite material. In this way, more adsorbent filler can be added to the heat exchanger without reducing the adsorption kinetics. Furthermore, the material itself can exhibit adequate structural performance in order to be used not only as a cladding but also as a heat exchanger. In fact, the possibility is offered of directly making a heat exchanger in said composite material, and in particular the possibility is offered of eliminating the presence of the metal structure, usually in aluminum, of which the current heat exchangers are made. In other words, the supporting structure of the heat exchanger can be constituted by said composite material. This simplifies operation and considerably increases the performance of the adsorber, i.e. the adsorbent heat exchanger.
Vantaggiosamente, l’invenzione offre uno scambiatore di calore per pompe di calore, e un processo per realizzarlo, con vantaggi significativi in termini di economicità e flessibilità del processo di realizzazione, elevata resistenza meccanica e chimica, garantendo comunque un’elevata efficienza in termini di cinetica di adsorbimento e di stabilità idrotermica. Advantageously, the invention offers a heat exchanger for heat pumps, and a process for making it, with significant advantages in terms of cost-effectiveness and flexibility of the manufacturing process, high mechanical and chemical resistance, while still guaranteeing high efficiency in terms of kinetics of adsorption and hydrothermal stability.
L’elevata flessibilità di lavorazione, ossia di processabilità, del materiale sviluppato consente campi di applicazioni molto ampi che possono diversificare sia per aree che per tecniche di impiego. The high processing flexibility, i.e. processability, of the developed material allows very wide fields of applications that can diversify both by areas and by techniques of use.
Ad esempio, il materiale può essere utilizzato per la realizzazione di lamine adsorbenti, in particolare per HEX in stack; rivestimenti adsorbenti per scambiatori di calore; uno scambiatore di calore (HEX adsorbente) realizzato direttamente in monoblocco adsorbente, ad esempio mediante stampante 3D. For example, the material can be used for the production of adsorbent foils, in particular for stacked HEX; adsorbent coatings for heat exchangers; a heat exchanger (adsorbent HEX) made directly in the adsorbent monoblock, for example by means of a 3D printer.
In generale, alcuni dei vantaggi correlati al materiale e ad uno scambiatore realizzato in detto materiale o comprendente detto materiale sono sintetizzati di seguito: elevata cinetica di adsorbimento; permeabilità all’acqua in fase vapore; impermeabilità all’acqua in fase liquida; tecnica di produzione flessibile, ad esempio dip coating, liquid casting, 3D printing; ottime caratteristiche meccaniche; elevata adesione; elevata resistenza al graffio. In general, some of the advantages related to the material and to an exchanger made of said material or comprising said material are summarized below: high adsorption kinetics; permeability to water in the vapor phase; impermeability to water in the liquid phase; flexible production technique, for example dip coating, liquid casting, 3D printing; excellent mechanical characteristics; high adhesion; high scratch resistance.
Inoltre, il materiale può vantaggiosamente essere utilizzato per la realizzazione di componenti per thermal energy storage. Furthermore, the material can advantageously be used for the realization of components for thermal energy storage.
Ulteriori caratteristiche e vantaggi dell’invenzione risulteranno maggiormente evidenti alla luce della descrizione dettagliata di forme di realizzazione esemplificative, ma non esclusive. Further features and advantages of the invention will become more evident in the light of the detailed description of exemplary, but not exclusive, embodiments.
Le rivendicazioni dipendenti descrivono forme di realizzazione particolari dell’invenzione. The dependent claims describe particular embodiments of the invention.
Descrizione di forme di realizzazione esemplificative dell’invenzione Description of exemplary embodiments of the invention
Un materiale secondo l’invenzione è particolarmente adatto ad adsorbire e desorbire vapore acqueo, in particolare in una macchina termica, come ad esempio una pompa di calore. Infatti, il materiale può adsorbire acqua, in particolare allo stato di vapore, e successivamente desorbire l’acqua adsorbita. Il materiale è, in particolare, sotto forma solida. A material according to the invention is particularly suitable for adsorbing and desorbing water vapor, in particular in a heat engine, such as a heat pump. In fact, the material can adsorb water, in particular in the vapor state, and subsequently desorb the adsorbed water. The material is, in particular, in a solid form.
Il materiale è in particolare un materiale composito, e comprende polietereterchetone solfonato (S-PEEK) dal 2 al 65%, preferibilmente dal 5 al 65%, più preferibilmente dal 5 al 15%, ad esempio circa il 10%, in peso del materiale; e particelle di un additivo o riempitivo (filler) adsorbente dal 30 al 95%, preferibilmente dal 35 al 90%, più preferibilmente dal 65 al 85%, ad esempio circa l’80%, in peso del materiale. Le particelle di riempitivo adsorbente sono atte ad adsorbire e desorbire vapore acqueo. The material is in particular a composite material, and comprises polyetheretheretherketone sulfonate (S-PEEK) from 2 to 65%, preferably from 5 to 65%, more preferably from 5 to 15%, for example about 10%, by weight of the material ; and particles of an adsorbent additive or filler from 30 to 95%, preferably from 35 to 90%, more preferably from 65 to 85%, for example about 80%, by weight of the material. The adsorbent filler particles are suitable for adsorbing and desorbing water vapor.
Il polietereterchetone solfonato è sostanzialmente la matrice del materiale composito. The sulfonated polyetheretherketone is essentially the matrix of the composite material.
Il polietereterchetone solfonato è stato accuratamente selezionato, in particolare in quanto presenta una buona permeabilità al vapore acqueo, per cui non sono necessari canali fisici come ad esempio una porosità aperta o fessure per garantire la capacità di adsorbimento del materiale composito comprendente il riempitivo adsorbente. The sulfonated polyetheretherketone has been carefully selected, in particular as it has a good permeability to water vapor, so that no physical channels such as an open porosity or slits are required to ensure the adsorption capacity of the composite material comprising the adsorbing filler.
Preferibilmente, il polietereterchetone solfonato ha un grado di solfonazione dal 10 al 50%. Con “grado di solfonazione” si intende, in particolare, la percentuale delle unità monomeriche che sono state solfonate. Per alcune applicazioni, è preferibile non superare il 50% di solfonazione in quanto un valore molto elevato di solfonazione aumenta la cinetica di scambio di vapore acqueo ma riduce la stabilità termica ed aumenta l'idrosolubilità. Preferably, the sulfonated polyetheretherketone has a degree of sulfonation from 10 to 50%. With "degree of sulfonation" we mean, in particular, the percentage of monomer units that have been sulphonated. For some applications, it is preferable not to exceed 50% sulfonation as a very high sulfonation value increases the kinetics of water vapor exchange but reduces thermal stability and increases water solubility.
Il riempitivo adsorbente è preferibilmente una zeolite oppure gel di silice oppure carbone attivo oppure un sale idrato oppure una struttura metallo-organica (metal organic frameworks, MOF). The adsorbent filler is preferably a zeolite or silica gel or activated carbon or a hydrated salt or a metal organic framework (MOF).
Ciascuna particella di riempitivo adsorbente ha preferibilmente una dimensione (anche denominata dimensione di particella o particle size) da 0,5 a 500 µm. Each adsorbent filler particle preferably has a size (also called particle size) from 0.5 to 500 µm.
Le particelle di zeolite preferibilmente hanno ciascuna una dimensione (anche denominata dimensione di particella o particle size) da 0,5 a 10 µm. The zeolite particles preferably each have a size (also called particle size) from 0.5 to 10 µm.
La zeolite può essere ad esempio SAPO 34 zeolite, preferibilmente con dimensione di particella da 0,5 a 5 µm, ad esempio circa 3 µm. The zeolite can be for example SAPO 34 zeolite, preferably with particle size from 0.5 to 5 µm, for example about 3 µm.
Le particelle di gel di silice preferibilmente hanno ciascuna una dimensione (anche denominata dimensione di particella o particle size) da 1 a 50 µm. The silica gel particles preferably each have a size (also called particle size) from 1 to 50 µm.
Preferibilmente, il materiale comprende anche particelle di un riempitivo (filler) o additivo termicamente conduttivo. In particolare, il materiale può comprendere particelle di riempitivo termicamente conduttivo da 0 a 25% in peso del materiale, preferibilmente da 0 a 10%, più preferibilmente dal 8 al 12%, ad esempio il 10%, in peso del materiale. Preferably, the material also comprises particles of a thermally conductive filler or additive. In particular, the material can comprise particles of thermally conductive filler from 0 to 25% by weight of the material, preferably from 0 to 10%, more preferably from 8 to 12%, for example 10%, by weight of the material.
Il riempitivo termicamente conduttivo è preferibilmente grafite oppure grafene oppure nanotubi di carbonio (carbon nanotube, CNT) oppure un metallo, ad esempio ma non limitatamente polvere di alluminio, polvere di rame o polvere di argento. The thermally conductive filler is preferably graphite or graphene or carbon nanotubes (CNT) or a metal, for example but not limited to aluminum powder, copper powder or silver powder.
Il riempitivo termicamente conduttivo può essere ad esempio sotto forma di polvere o di grani. The thermally conductive filler can be in the form of powder or grains, for example.
Il riempitivo termicamente conduttivo migliora la conducibilità termica del materiale. Preferibilmente, il materiale ha una densità da 0,1 g/cm<3 >a 4,0 g/cm<3>. Il materiale è particolarmente omogeneo, ossia compatto. Pertanto, il processo di produzione del materiale è particolarmente agevole, e inoltre il materiale può comprendere una grande quantità di riempitivo adsorbente senza ridurre la cinetica di adsorbimento. Inoltre, in particolare ma non solo in tale intervallo di densità, il materiale presenta ottime prestazioni strutturali per cui può essere utilizzato sia come rivestimento sia per la realizzazione di un componente, in particolare un componente monolitico, come uno scambiatore di calore, ad esempio eliminando la presenza della struttura solitamente in alluminio di cui è costituito uno scambiatore di calore convenzionale. Perciò, si semplifica il funzionamento e si incrementano notevolmente le prestazioni dello scambiatore di calore. The thermally conductive filler improves the thermal conductivity of the material. Preferably, the material has a density from 0.1 g / cm <3> to 4.0 g / cm <3>. The material is particularly homogeneous, i.e. compact. Therefore, the material manufacturing process is particularly smooth, and furthermore the material can comprise a large amount of adsorbent filler without reducing the adsorption kinetics. Moreover, in particular but not only in this density range, the material has excellent structural performance so it can be used both as a coating and for the realization of a component, in particular a monolithic component, such as a heat exchanger, for example by eliminating the presence of the usually aluminum structure of which a conventional heat exchanger is made. Therefore, the operation is simplified and the performance of the heat exchanger is considerably increased.
Si riportano di seguito alcuni esempi non limitativi di materiale secondo l’invenzione. Ci si riferisce, in particolare, al materiale sostanzialmente solido, ottenuto una volta che dopo ha solidificato ed è evaporato sostanzialmente tutto il solvente. Below are some non-limiting examples of material according to the invention. In particular, reference is made to substantially solid material, obtained once it has subsequently solidified and substantially all the solvent has evaporated.
L’invenzione riguarda anche un processo per ottenere il suddetto materiale in cui sono previste le fasi di: The invention also relates to a process for obtaining the aforementioned material in which the phases of:
a) prevedere polietereterchetone solfonato (S-PEEK), preferibilmente eseguendo la solfonazione di polietereterchetone (PEEK) per ottenere polietereterchetone solfonato (S-PEEK); a) providing polyetheretherketone sulfonate (S-PEEK), preferably by carrying out the sulfonation of polyetheretherketone (PEEK) to obtain polyetheretherketone sulfonate (S-PEEK);
b) solubilizzare il polietereterchetone solfonato in un solvente organico per ottenere una prima miscela, la prima miscela comprendendo preferibilmente dal 5 al 40% in peso, ad esempio circa il 10% in peso, di polietereterchetone solfonato; b) solubilizing the sulfonated polyetheretherketone in an organic solvent to obtain a first mixture, the first mixture preferably comprising from 5 to 40% by weight, for example about 10% by weight, of sulfonated polyetheretherketone;
c1) aggiungere particelle di detto riempitivo adsorbente alla prima miscela per ottenere una seconda miscela, la seconda miscela comprendendo preferibilmente polietereterchetone solfonato (S-PEEK) dal 2,5 al 12% in peso della seconda miscela; dette particelle di riempitivo adsorbente dal 3 al 70% in peso della seconda miscela; e solvente organico dal 25 al 90% in peso della seconda miscela; c1) adding particles of said adsorbent filler to the first mixture to obtain a second mixture, the second mixture preferably comprising polyetheretherketone sulfonate (S-PEEK) from 2.5 to 12% by weight of the second mixture; said particles of adsorbent filler from 3 to 70% by weight of the second mixture; and organic solvent from 25 to 90% by weight of the second mixture;
d) rimuovere il solvente organico dalla seconda miscela per consolidarla, ossia renderla solida. d) removing the organic solvent from the second mixture to consolidate it, i.e. make it solid.
Preferibilmente, il polietereterchetone solfonato ha un grado di solfonazione dal 10 al 50%. Preferably, the sulfonated polyetheretherketone has a degree of sulfonation from 10 to 50%.
Come sarà descritto anche in seguito, la solfonazione del polietereterchetone si esegue in particolare mediante acido solforico, più in particolare acido solforico concentrato al 95-97%. Il PEEK viene mescolato con l’acido solforico, preferibilmente con un rapporto massa/volume da 1/5 a 1/40, ad esempio pari a circa 1/20. In particolare, il PEEK viene mescolato con l’acido solforico a temperatura inferiore a 60°C, ad esempio a temperatura ambiente, per un periodo di tempo da 1 a 5 giorni, in funzione del grado di solfonazione desiderato. La soluzione così ottenuta viene poi raffreddata e si recupera il precipitato, il quale viene lavato e posto in stufa. As will also be described hereinafter, the sulfonation of the polyetheretherketone is carried out in particular by means of sulfuric acid, more particularly concentrated sulfuric acid at 95-97%. PEEK is mixed with sulfuric acid, preferably with a mass / volume ratio from 1/5 to 1/40, for example equal to about 1/20. In particular, PEEK is mixed with sulfuric acid at a temperature below 60 ° C, for example at room temperature, for a period of time from 1 to 5 days, depending on the desired degree of sulfonation. The solution thus obtained is then cooled and the precipitate is recovered, which is washed and placed in an oven.
Il solvente organico è preferibilmente Dimetilformammide (DMF), in particolare CAS: 68-12-2, sebbene si possano utilizzare anche altri solventi organici, ad esempio, ma non limitatamente, dimetilsulfossido (DMSO), Dimetilacetammide (DMA) ed etanolo. The organic solvent is preferably Dimethylformamide (DMF), in particular CAS: 68-12-2, although other organic solvents can also be used, for example, but not limited to, dimethylsulfoxide (DMSO), Dimethylacetamide (DMA) and ethanol.
Facoltativamente, tra la fase b) e la fase d), preferibilmente durante la fase c1), vengono aggiunte anche particelle di detto riempitivo termicamente conduttivo alla prima miscela, per cui detta seconda miscela comprende anche dette particelle di riempitivo termicamente conduttivo, preferibilmente fino all’8% in peso della seconda miscela. Optionally, between step b) and step d), preferably during step c1), particles of said thermally conductive filler are also added to the first mixture, whereby said second mixture also comprises said thermally conductive filler particles, preferably up to 8% by weight of the second mixture.
Si riporta di seguito un esempio non limitativo di processo secondo l’invenzione. Sono stati utilizzati, in particolare, polietereterchetone (PEEK) commercialmente disponibile CAS Number: 29658-26-2, e acido solforico (95-97%) CAS Number: 7664-93-9. Below is a non-limiting example of the process according to the invention. In particular, commercially available polyetheretherketone (PEEK) CAS Number: 29658-26-2, and sulfuric acid (95-97%) CAS Number: 7664-93-9 were used.
Solfonazione del polietereterchetone: i campioni di S-PEEK vengono ottenuti mediante solfonazione del PEEK a temperatura ambiente. La solfonazione può essere condotta anche a temperature maggiori, al fine di ridurre i tempi di attivazione del polimero, ma comunque inferiore a 60°C. Sulfonation of polyetheretherketone: S-PEEK samples are obtained by sulfonation of PEEK at room temperature. The sulfonation can also be carried out at higher temperatures, in order to reduce the activation times of the polymer, but in any case lower than 60 ° C.
Inizialmente si mescola il PEEK con l’acido solforico concentrato con rapporto massa/volume pari a w/V 1/20. Ad esempio 3 g di PEEK vengono dissolti in 60 ml di H2SO4 concentrato, in costante agitazione, per il tempo necessario, in particolare da 1 a 5 giorni, in funzione del grado di solfonazione desiderato. PEEK is initially mixed with concentrated sulfuric acid with a mass / volume ratio equal to w / V 1/20. For example, 3 g of PEEK are dissolved in 60 ml of concentrated H2SO4, under constant stirring, for the necessary time, in particular from 1 to 5 days, depending on the desired degree of sulfonation.
La soluzione così ottenuta viene versata goccia a goccia in acqua deionizzata, in continua agitazione, ad una temperatura di circa 0 °C mantenuta in un bagno con acqua e ghiaccio. The solution thus obtained is poured drop by drop into deionized water, under continuous stirring, at a temperature of about 0 ° C maintained in a bath with water and ice.
Il polimero solfonato (ossia il S-PEEK) precipitato viene recuperato mediante filtrazione e quindi lavato con acqua deionizzata allo scopo di rimuovere l’acido solforico residuo, fino ad avere un pH pari o circa pari a 7. The precipitated sulfonated polymer (ie the S-PEEK) is recovered by filtration and then washed with deionized water in order to remove the residual sulfuric acid, until it has a pH equal to or approximately equal to 7.
Successivamente, il polimero solfonato lavato viene posto in stufa a 60°C per 12-24 ore. Subsequently, the washed sulfonated polymer is placed in an oven at 60 ° C for 12-24 hours.
Preparazione della miscela (anche denominata seconda miscela per fini descrittivi o miscela adsorbente): il polimero solfonato così ottenuto viene sciolto in Dimetilformammide (DMF) a formare una soluzione al 5-40% in peso, preferibilmente circa al 10% in peso, e rimane in agitazione fino all'ottenimento della completa dissoluzione del S-PEEK, ottenendo una prima miscela. Un periodo di circa 15 minuti in agitazione magnetica è risultato sufficiente. Preparation of the mixture (also called second mixture for descriptive purposes or adsorbent mixture): the sulfonated polymer thus obtained is dissolved in Dimethylformamide (DMF) to form a solution at 5-40% by weight, preferably at approximately 10% by weight, and remains under stirring until the complete dissolution of the S-PEEK is obtained, obtaining a first mixture. A period of about 15 minutes under magnetic stirring was sufficient.
Successivamente viene aggiunto il riempitivo adsorbente (in particolare zeolite, gel di silice o carboni attivi) sempre in costante e vigorosa agitazione per 15 minuti, fino ad ottenere una miscela fluida ed omogenea. Facoltativamente, al fine di migliorare la conducibilità termica del materiale composito è possibile aggiungere, in contemporanea al riempitivo adsorbente, il riempitivo conduttivo (in particolare grafite, CNT o grafene, in polvere o grani) preferibilmente in percentuale massima dell’8% o in quantità adeguata ad ottenere fino al 25%, preferibilmente fino al 10% di riempitivo conduttivo nel materiale dopo l’evaporazione del solvente. The adsorbent filler is then added (in particular zeolite, silica gel or activated carbon) always in constant and vigorous stirring for 15 minutes, until a fluid and homogeneous mixture is obtained. Optionally, in order to improve the thermal conductivity of the composite material, it is possible to add, at the same time as the adsorbent filler, the conductive filler (in particular graphite, CNT or graphene, in powder or grains) preferably in a maximum percentage of 8% or in quantity suitable for obtaining up to 25%, preferably up to 10% of conductive filler in the material after evaporation of the solvent.
La miscela così ottenuta può essere messa in stufa in un intervallo di temperatura da 45 a 100°C, preferibilmente circa 60°C, per circa 24 ore, fino alla completa rimozione del solvente organico. The mixture thus obtained can be put in an oven in a temperature range from 45 to 100 ° C, preferably about 60 ° C, for about 24 hours, until the complete removal of the organic solvent.
Prima della fase di rimozione del solvente organico, la miscela, o seconda miscela, può essere disposta in stampi di molteplici forme, ad esempio mediante colata o stampaggio ad iniezione. Si ottiene vantaggiosamente un prodotto compatto e coeso. Il prodotto può essere ad esempio sotto forma di monolite. Before the step of removing the organic solvent, the mixture, or second mixture, can be placed in molds of multiple shapes, for example by casting or injection molding. A compact and cohesive product is advantageously obtained. The product can be, for example, in the form of a monolith.
In alternativa, la deposizione può essere condotta per dip coatig, docciatura o spruzzatura, ottenendo un rivestimento adsorbente. Il rivestimento risulta adeso al substrato su cui è disposto, ad esempio di metallo, plastica o una pittura. Il rivestimento può avere anche elevati spessori oppure può essere sotto forma di film. Inoltre, la deposizione può in alternativa essere condotta mediante stampante 3D. In tal caso il manufatto che si ottiene può avere geometrie di forma particolarmente complessa. Alternatively, the deposition can be carried out by dip coating, showering or spraying, obtaining an adsorbent coating. The coating adheres to the substrate on which it is placed, for example of metal, plastic or a paint. The coating can also have high thicknesses or can be in the form of a film. Furthermore, the deposition can alternatively be carried out using a 3D printer. In this case, the resulting product can have particularly complex geometries.
La miscela da depositare, ossia la suddetta seconda miscela, comprende polietereterchetone solfonato (S-PEEK) dal 2,5 al 12%, preferibilmente dal 4,0 al 7,0%, in peso della miscela; dette particelle di riempitivo adsorbente dal 3 al 70%, preferibilmente dal 30 al 50%, in peso della seconda miscela; e solvente organico dal 25 al 90%, preferibilmente dal 40 al 60%, in peso della seconda miscela. The mixture to be deposited, ie the aforesaid second mixture, comprises polyetheretherketone sulfonate (S-PEEK) from 2.5 to 12%, preferably from 4.0 to 7.0%, by weight of the mixture; said particles of adsorbent filler from 3 to 70%, preferably from 30 to 50%, by weight of the second mixture; and organic solvent from 25 to 90%, preferably from 40 to 60%, by weight of the second mixture.
Facoltativamente, la miscela comprende anche particelle di detto riempitivo termicamente conduttivo da 0 a 8% in peso della miscela, preferibilmente dal 2 al 4% in peso della miscela. Optionally, the mixture also comprises particles of said thermally conductive filler from 0 to 8% by weight of the mixture, preferably from 2 to 4% by weight of the mixture.
Si riportano di seguito alcuni esempi non limitativi di miscele secondo l’invenzione. Una volta rimosso il solvente, la miscela si consolida per cui si ottiene il materiale secondo l’invenzione. Below are some non-limiting examples of mixtures according to the invention. Once the solvent is removed, the mixture is consolidated so that the material according to the invention is obtained.
Sia chiaro che in particolare la massa dei componenti nelle tabelle è riportata a solo titolo esemplificativo, essendo possibile ottenere le percentuali in peso anche diversamente. It should be clear that in particular the mass of the components in the tables is given by way of example only, it being possible to obtain the percentages by weight also differently.
Vantaggiosamente, il materiale composito può essere utilizzato per realizzare almeno una parte, ad esempio tutto e solo una parte, di un componente per una macchina termica, come ad esempio una pompa di calore. In particolare, il materiale composito può essere utilizzato per realizzare almeno una parte, ad esempio tutto e solo una parte, di uno scambiatore di calore. Advantageously, the composite material can be used to make at least one part, for example all and only a part, of a component for a thermal machine, such as for example a heat pump. In particular, the composite material can be used to make at least one part, for example all and only a part, of a heat exchanger.
Ad esempio, uno scambiatore di calore sostanzialmente metallico può essere rivestito con almeno uno strato di materiale composito secondo l’invenzione. For example, a substantially metallic heat exchanger can be coated with at least one layer of composite material according to the invention.
Vantaggiosamente, le caratteristiche del materiale composito consentono di realizzare un rivestimento avente uno spessore da 0,01 a 4,0 mm. Advantageously, the characteristics of the composite material allow to realize a coating having a thickness from 0.01 to 4.0 mm.
Inoltre, con il materiale composito si possono realizzare parti di uno scambiatore di calore. Ad esempio, una o più lamine adsorbenti possono comprendere o essere realizzate in detto materiale composito, e le lamine possono ad esempio essere utilizzate per realizzare uno scambiatore di calore adsorbente, o HEX adsorbente (ad-HEX), in particolare comprendente elementi modulari assemblabili, ossia le lamine. Furthermore, parts of a heat exchanger can be made with the composite material. For example, one or more adsorbent sheets can comprise or be made of said composite material, and the sheets can for example be used to make an adsorbent heat exchanger, or adsorbent HEX (ad-HEX), in particular comprising modular elements that can be assembled, namely the laminae.
Inoltre, vantaggiosamente, uno scambiatore di calore adsorbente, o HEX adsorbente (ad-HEX), può essere realizzato sostanzialmente completamente in detto materiale, ossia sotto forma di elemento monolitico, in particolare monoblocco, ad esempio mediante stampa 3D. Furthermore, advantageously, an adsorbent heat exchanger, or adsorbent HEX (ad-HEX), can be made substantially completely of said material, ie in the form of a monolithic element, in particular monobloc, for example by 3D printing.
L’invenzione riguarda anche una macchina termica, in particolare una pompa di calore, comprendente almeno uno scambiatore di calore comprendente o costituito dal suddetto materiale composito. The invention also relates to a heat engine, in particular a heat pump, comprising at least one heat exchanger comprising or consisting of the aforementioned composite material.
Claims (17)
Priority Applications (1)
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IT102019000019028A IT201900019028A1 (en) | 2019-10-16 | 2019-10-16 | MATERIAL FOR THE ADSORPTION AND DESORPTION OF WATER VAPOR, IN PARTICULAR IN A THERMAL MACHINE OR A SYSTEM WITH ADSORPTION AND HEAT EXCHANGER INCLUDING THIS MATERIAL |
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Family
ID=69701368
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Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US20060105158A1 (en) * | 2001-12-31 | 2006-05-18 | Fritz Hans G | Adsorbing material comprised of porous functional solid incorporated in a polymer matrix |
US20090186252A1 (en) * | 2006-07-25 | 2009-07-23 | Jin-Soo Park | Organic-inorganic composite polymer electrolyte membrane for fuel cells and its preparation method |
CN104084063B (en) * | 2014-06-18 | 2016-08-17 | 天津大学 | Sulfonated polyether-ether-ketone-amino loads chromium organic backbone hybridized film and preparation and application |
-
2019
- 2019-10-16 IT IT102019000019028A patent/IT201900019028A1/en unknown
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