I NFLUENZA DEL CONTENUTO DI ZEOLITE

Buoni valori normalizzati di adsorbimento sono stati ottenuti per bassi contenuti di zeolite, caratterizzati da un alto rapporto di schiumaggio. Per bassi contenuti di zeolite, la microstruttura, come esposto nei capitoli precedenti, presenta macro-bolle interconnesse tra di loro in modo da favorire il flusso di vapore. Il campione ZF-40% evidenzia un uptake a 25 °C, relativo alla zeolite, del 27,5% ovvero solo il 5% in meno rispetto a quello della zeolite pura.

Allo stesso tempo, alti valori di zeolite caratterizzati da celle a struttura chiusa, mostrano ottime proprietà adsorbenti; in particolare, il campione ZF-70% ha un uptake effettivo del 30,2%, valore prossimo a quello della zeolite in polvere. A causa dell’eccessiva quantità di zeolite inserita, il rapporto di schiumaggio di queste schiume è basso e le bolle non sono macroscopicamente interconnesse tra di loro. In questa configurazione, il flusso di vapore che fluisce nella schiuma è dovuto a un’azione attiva della matrice che funge da supporto di flusso. Il PDMS ha un’efficace permeabilità al vapore e, di conseguenza, questo silicone si pensa possa creare dei canali preferenziali per il flusso del vapore.

Quindi, la matrice siliconica garantisce la diffusione del vapore nella schiuma a celle chiuse, permettendo ai granuli di zeolite, incorporati nella matrice, di adsorbire il vapore. Questo fenomeno di permeabilità potrebbe portare a una cinetica di adsorbimento più lenta rispetto alle schiume a basso contenuto di zeolite, a causa del passaggio del vapore all’interno della matrice permeabile di silicone.

Grandi quantità di riempitivo a base di zeolite implicano un massimo adsorbimento di acqua superiore al 15% del peso totale della schiuma. Questo valore, anche se nettamente inferiore a quello che è stato trovato sulla zeolite pura, è ancora valido per l’applicazione nel settore delle macchine ad adsorbimento. L’uso di un sistema monolitico (sistema consolidato), infatti, permette di semplificare la progettazione dell’adsorbitore e di migliorare il controllo della zeolite all’interno del letto adsorbente. In particolare, la configurazione consolidata permette di rimuovere le reti metalliche che, invece, sono necessarie nei sistemi non consolidati per evitare la perdita del materiale adsorbente e, di conseguenza, un abbassamento delle performance. Inoltre, il processo di stesura della rete metallica è un processo molto meticoloso perché la rete deve essere stirata per evitare che si creino accumuli di zeolite inattiva al di fuori della parte metallica dello scambiatore. L’analisi delle proprietà di adsorbimento ha permesso di notare che la configurazione a base di schiuma siliconica non pregiudica le performance dell’adsorbitore né a bassi né ad alti contenuti di zeolite. Di conseguenza, le schiume composite a base di zeolite con una matrice di silicone espanso hanno buone prospettive per ottimizzare le prestazioni dei letti adsorbenti senza alterare significativamente i costi di produzione. Inoltre, il contatto uniforme tra schiuma e superficie metallica dello scambiatore di calore permette di migliorare lo scambio termico, riducendo il tempo di trasferimento del calore.

7.5 MECCANISMI DI ADSORBIMENTO

Uno dei concetti più importanti acquisiti durante i test di adsorbimento e di analisi morfologica è stato quello di ipotizzare un possibile flusso di vapore attraverso le schiume. La Figura 80 mostra una schematizzazione grafica delle zone di adsorbimento per provini a basso e ad alto contenuto di zeolite.

Figura 80: Schema morfologico delle zone di adsorbimento.

A bassi contenuti l’interazione tra vapore e schiuma avviene grazie alla struttura macro-porosa della schiuma. Il vapore acqueo passa attraverso l’interconnessione delle celle (AREA A).

Lo spessore delle celle è sottile e, di conseguenza, la zeolite, immersa all’interno della matrice siliconica, può interagire con il vapore (AREA B). Tuttavia, non tutta la zeolite partecipa alla fase di adsorbimento; infatti, se i grani di zeolite non sono a contatto diretto con le bolle, il vapore apparentemente non riesce ad essere adsorbito (AREA C).

Alti contenuti di zeolite hanno una struttura cellulare differente. Le piccole bolle sono meno interconnesse tra di loro e la distanza tra di esse diventa significativa. Solo occasionalmente si può verificare che due bolle siano vicine tra di loro (AREA A’). In caso di schiume con alti contenuti di zeolite, il flusso di vapore acqueo fluisce grazie alla presenza della porosità e attraverso un complesso sistema di percorsi microscopici presenti all’interno della matrice (AREA B’).

La grande quantità di zeolite, inserita all’interno della matrice, favorisce la formazione di percorsi preferenziali. Poiché la distribuzione della zeolite è casuale, all’interno della matrice di silicone si formano dei micro-canali. Questo implica che gran parte della zeolite introdotta nella schiuma contribuisce a migliorare le proprietà di adsorbimento della schiuma stessa, creando dei canali di flusso principali o secondari.

In questa configurazione, la permeabilità del PDMS gioca un ruolo importante per l’efficienza di adsorbimento delle schiume. L’attivazione di canali preferenziali per l’adsorbimento di vapore, infatti, è favorita dall’alta permeabilità al vapore del PDMS che, quindi, non funge da schermo per il flusso di vapore.

Solo alcuni grani di zeolite isolati, non riescono ad adsorbire vapore (AREA C’). Di conseguenza, la presenza dei grani isolati spiega come mai l’efficienza del campione ZF-70% (30,2%) sia solo leggermente più bassa rispetto a quella della zeolite pura (31.7%).

La Figura 81 mostra uno schema di un possibile percorso del vapore sia per bassi che per alti contenuti di zeolite, riassumendo tutte le considerazioni fatte in precedenza.

Figura 81: Meccanismo di adsorbimento delle schiume composite.

A bassi contenuti il vapore fluisce principalmente attraverso i macropori, mentre ad alti contenuti il flusso di vapore si muove sia attraverso i micropori sia attraverso la matrice siliconica grazie alla permeabilità del PDMS. Opportune valutazioni cinetiche andranno eseguite in seguito per verificare eventualmente quale meccanismo risulti cineticamente più efficace. Dal punto di vista dell’adsorbimento conviene sempre utilizzare sistemi ad alti contenuti di zeolite perché si riesce ad avere sempre un’efficienza maggiore.

In Figura 82, è mostrata una micrografia al SEM di una parete cellulare di schiuma al 66% di zeolite (ZF-66%). Dall’immagine è possibile notare sia l’elevata concentrazione di particelle di zeolite sulla superficie della bolla, che la porosità principale dell’ibrido. La matrice siliconica, tuttavia, presenta una porosità micrometrica e submicrometrica, come evidenziato nello schema della Figura 82, a causa dell’alta concentrazione di particelle di zeolite mescolate casualmente con il componente polimerico. In questo caso, infatti, la probabilità di trovare grani di zeolite isolati nella matrice siliconica è notevolmente inferiore. L’eterogeneità della matrice siliconica determina la permeabilità necessaria per favorire il flusso di vapore.

Figura 82: Immagine SEM del campione ZF-66%.