Encapsulation of inorganic phase change materials. Influence on thermal properties / Encapsulamiento de materiales de cambio de fase inorgánicos. Influencia en sus propiedades termofísicas

Abstract

Los materiales de cambio de fase (PCM, por sus siglas en inglés), permiten el almacenamiento de gran cantidad de energía térmica durante el cambio de una fase a otra (generalmente sólido-líquido) a una temperatura específica, presentando alto calor de fusión. Una vez acumulada una cierta cantidad de energía térmica, la liberan posteriormente de forma simple y predecible, mientras cambian de fase. Los PCM pueden clasificarse como orgánicos, inorgánicos y eutécticos. Entre ellos, los PCM inorgánicos se destacan por presentar alto calor latente, conductividad térmica relativamente alta, ser poco tóxicos, no inflamables y de relativo bajo costo en comparación con los PCM orgánicos. Además, las sales inorgánicas que se generan como desechos de la industria minera no-metálica pueden considerarse como una fuente muy económica de PCM inorgánicos. Al mismo tiempo, la búsqueda de las aplicaciones a estos desechos adicionaría valor agregado a los procesos mineros. Sin embargo, estos materiales (en su mayoría sales inorgánicas) presentan algunos problemas cuando son aplicados en sistemas de almacenamiento térmico, tales como el subenfriamiento y la segregación de fase. Uno de los métodos empleados con más éxito para enfrentar estas desventajas es el encapsulamiento de los PCM, proporcionando mayor área de transferencia de calor, disminuyendo el sub-enfriamiento y controlando los cambios en el volumen de los materiales de almacenamiento cuando se produce la transición de fase. Los métodos de encapsulamiento, dependiendo del diseño de material, se pueden clasificar como encapsulación de núcleo-cascarón (EPCM) y de forma estabilizada (SS-PCM). Estos últimos son compuestos de PCM con un material soporte (MS) que estabiliza al PCM durante la transición de fase, por fuerzas superficiales y capilaridad; reteniendo la forma de la estructura sólida y evitando la segregación del líquido. Además, pueden incrementar la conductividad térmica global y conferir al material buena compatibilidad con otros materiales en sistemas de almacenamiento térmico. Es esencial mantener o mejorar las propiedades principales de los PCM una vez encapsulados. Las principales propiedades analizadas son las temperaturas de fusión y solidificación (Tf y Ts (0C)), conductividad (k (Wm-1K-1)), calor latente (ΔHf y ΔHs (Jg-1)) y la estabilidad cíclica (número de ciclos de calentamiento/enfriamiento) y térmica. Además, es necesario reducir o eliminar el subenfriamiento y la segregación de fases. Entre los métodos más comunes empleados para desarrollar SS-PCM inorgánicos se encuentran la infiltración por fusión, la compresión en frío y la impregnación al vacío, pero el método de sol-gel aplicado directamente con este propósito no ha sido empleado según la revisión realizada en este trabajo. El control minucioso de la microestructura y el nivel molecular con la capacidad de dar forma al material en forma de polvo, granel y monolito presentado por el proceso sol-gel lo convierten en un enfoque muy atractivo para obtener SS-PCM inorgánico. La optimización de los parámetros de síntesis (monómeros, disolventes, temperatura y relación monómero / reticulador, entre otros) son necesarios para mejorar el rendimiento de los materiales obtenidos mediante estas técnicas. Por lo tanto, el objetivo principal de este trabajo es desarrollar un método de obtención de materiales de cambio de fase estabilizados de tipo SS-PCMs mediante las técnicas de sol-gel en base a polimerización de SiO2, empleando sales inorgánicas y desechos disponibles en procesos de la industria minera no metálica. Además, se estudió la influencia del contenido de PCM y del pH, así como de los monómeros y el disolvente en las propiedades térmicas de los SS-PCMs. Se emplearon tetraetil ortosilicato (TEOS), trimetoxi[3-(metilamino)propil] silano (PTMOS), (3-glicidiloxipropil) trimetoxisilano (GPTMOS) y trimetoxi(2-feniletil) silano (PhTMOS) como monómeros de silano para la síntesis; mientras que se usaron etanol, acetonitrilo y ciclohexano como solventes para el proceso sol-gel. Las muestras también se caracterizaron por espectroscopia infrarroja (IR), microscopía electrónica de barrido (SEM), difracción de rayos X (DRX), termogravimetría y calorimetría de barrido diferencial (TGDSC). La obtención de los polímeros de SiO2 y los diferentes SS-PCMs se confirmaron mediante IR y DRX. Se emplearon varias sales inorgánicas como PCM: Na2SO4.10H2O, MgCl2.6H2O, MnCl2, LiCl, LiNO3, Li2CO3, CH3COOLi.2H2O. Además, el método desarrollado se empleó para el encapsulamiento de bischofita y carnalita, desechos de la industria minera no metálica del Norte de Chile. Usando SEM, se observó la tendencia a la formación de un compuesto mixto del PCM y partículas de SiO2. Estos compuestos presentaron en general una morfología que depende no solo de los monómeros empleados, sino también del contenido de PCM. Los monómeros PTMOS y GPTMOS no se recomendaron para la síntesis de SS-PCM, ya que los materiales obtenidos con estos monómeros presentaron un rendimiento de almacenamiento térmico muy bajo. Los valores más altos de calor latente (230.4 Jg-1) se lograron cuando se obtuvo SS-PCM de LiNO3 (80%), sintetizado con etanol y empleando únicamente TEOS como monómero. Este nuevo compuesto presentó un punto de fusión en 255.0 0C y un valor de rango de almacenamiento latente RL de sólo 2.8 0C. Las propiedades térmicas de los SS-PCMs de LiNO3 y de LiCl destacaron por lograr reducciones en el sub-enfriamiento y el rango de almacenamiento latente RL, respecto a las sales puras. Así, se demostró el potencial de estos materiales en aplicaciones de almacenamiento de energía térmica a media y alta temperatura.