AKADEMIN FÖR TEKNIK OCH MILJÖ
Fuktegenskaper hos Quartzene impregnerat med salter
Elias Buske Maj 2012
Examensarbetet 15 hp
Byggnadsteknik
Sammanfattning
Svenska Aerogel AB har tagit fram materialet Quartzene® vilket är av typen utfälld silika och innehåller kalcium – magnesiumsilikat ((Ca,Mg) SiO3). Materialet används för molekylärfiltrering av förorenad luft. Qartzene®, som förekommer i både pelletform och pulver, är poröst och har en hög inre yta vilket är en förutsättning för molekylärfiltrering.
Genom olika impregneringar kan filtreringen påverkas till önskad effekt, till exempel kan impregnering med Kaliumhydroxid rena luften från bland annat Svaveldioxid, SO2
(Svenska Aerogel AB, u.å).
Svenska Aerogel AB har vidareutvecklat Quartzene® och andra tillämpningsområden har uppkommit, ett av dessa områden är hur materialet fungera inom avfuktning. Syftet med den här studien är att undersöka och analysera hur olika impregneringssalter får Quartzene® att fungerar i avseende på fuktupptagning respektive fuktavgivning.
Quartzene® är ett hygroskopiskt material, vilket är ett material, som lätt tar upp och avger fukt från luften. Ett material med hög porositet tar upp fukt genom adsorption och kapillärkondensation. Hygroskopiska material strävar efter jämvikt med omgivande miljö och det kan illustreras i en sorptionskurva där fuktupptagningen ställs i förhållande till relativ fuktighet. För att redovisa sorptionskurvor studeras i den här studien fuktupptagningen med hjälp av burkmetoden, en metod där mättade saltlösningar används för att uppnå miljöer med bestämd relativ fuktighet. Quartzene® - pelletar placeras i burkar och vägs med jämna mellanrum för bestämning av fuktupptagning.
Resultatet av studien visar att impregneringar påverkar Quartzene® ´s fuktupptagning och fuktavgivning. Vissa av impregneringarna påverkar materialet att ta upp mer fukt än oimpregnerad Quartzene®, medan vissa påverkar materialet att ta upp mindre fukt.
Resultatet visar även att natriumbaserade impregneringar ger liknande resultat som oimpregnerade Quartzene®.
Nyckelord: Quartzene®, sorptionskurvor, absorption, desorption, impregneringssalter, relativ fuktighet, isoterm.
II
Abstract
Svenska Aerogel AB has developed the material Quartzene® which is of the type precipitated silica and contains calcium - magnesium silicate ((Ca, Mg) SiO3). The material is used for molecular filtration of contaminated air. Qartzene™, which is in pellet form, is porous and has a high internal surface which is a requirement for the molecular filtration. With the use of various impregnations, filtration can affect the desired outcome. As an example Quartzene® can be impregnated with Potassium hydroxide and clear the air of Sulfur dioxide, SO2 (Svenska Aerogel AB, n.d).
Svenska Aerogel AB has developed Quartzene® further and new areas of application has arosee, one of these areas is how the material function within dehumidification. The purpose of this study is to research and analyze how different impregnation salts effect how Quartzene® function in terms of moisture absorption and moisture desorption.
Quartzene® is a hygroscopic material, which is a material that easily absorbs and exudates moisture from the air. Materials with high porosity absorb moisture by adsorption and capillary condensation. A hygroscopic material strives for equilibrium with ambient environment which is illustrated in a sorption curve where moisture absorption is set in relation to relative humidity. In this study the jar method is used to measure moisture absorption, this is shown with the use of sorption curves. The jar method uses saturate salt solutions to create environments whit a set relative humidity. Quartzene® – pellets are placed in jars and weighed at regular intervals to determine the moisture absorption.
The results of this study indicate that impregnations affect the way that Quartzene® function in terms of moisture absorption and moisture desorption. Some of the impregnations affect the material to absorb more moisture than Quartzene® that has not been impregnated, while others affect the material to absorb less moisture. The results also show that sodium – based impregnation gives similar results as Quartzene® that has not been impregnated.
Keywords: Quartzene®, sorption curve, absorption, desorption, impregnation salts, relative humidity, isotherm.
Förord
Detta examensarbete motsvarar 15 hp och ingår i Byggingenjörsprogrammet vid Högskolan i Gävle. Arbetet har genomförts i högskolans laborationssalar i samarbete med Svenska Aerogel AB.
Jag vill tacka min handledare Peter Norberg på Svenska Aerogel AB, som bidragit med de kunskaper och tillhandahålligt material för att studien skulle kunna genomföras. Jag vill även tacka Tomas Carlsson för hjälp med laborationsutrustning och verktyg.
Vid eventuella funderingar kontaktar ni mig via mail.
Nfk09ebe@student.hig.se
Gävle 2012
Elias Buske
IV
Ordlista
Kemiska beteckningar
LiCl - Litiumklorid
MgCl2 - Magnesiumklorid
Mg(NO3) - Magnesiumnitrat
NaCl - Natriumklorid
KNO3 - Kaliumnitrat
K2CO4 - Kaliumkarbonat
NaNO2 - Natriumnitrit
NaNO3 - Natriumnitrat
NH4NO3 - Ammoniumnitrat
Förkortningar & begrepp
RF - Relativ fuktighet
Adsorption - Vattenmolekyler som fäster på materialytor
Kapillärkondensation - Kapillärtvatten som finns i materialporerna, bundet via kapillärkondensation och kapillärsugning
Absorption - Benämning för fuktupptagningen som sker
via adsorption eller kapillärkondensation
Desorption - Fukt som avges från material
Mättad saltlösning - Salt som inte längre löses upp i vatten. Det ger önskat RF när jämvikt råder mellan vätskan och omgivande luft
Gravimetrisk analys - Analys genom vägning under jämna mellanrum
Innehåll
Sammanfattning ... I
Abstract ... II
Förord ... III
Ordlista ... IV
Innehåll ... V
1 Inledning ... 1
1.1 Bakgrund ... 1
1.2 Syfte ... 2
1.3 Mål ... 2
1.4 Problemformulering ... 2
1.5 Målgrupp ... 2
2 Metod ... 3
2.1 Litteraturstudie ... 3
2.2 Experiment ... 3
2.2.1 Burkmetoden ... 3
3 Teori ... 5
3.1 Fuktinnehåll ... 5
3.2 Relativ fuktighet ... 6
3.3 Sorptionskurvor ... 6
3.3.1 Varianter av sorptionskurvor ... 7
3.4 Saltlösningar ... 8
4 Experiment ... 9
4.1 Saltlösningar ... 9
4.2 Tillverkning av Quartzene® pellets ... 9
4.3 Burkmetoden ... 12
5 Resultat ... 14
VI
5.2 Resultat av experiment 2 ... 19
6 Diskussion ... 23
6.1 Diskussion av experiment 1 ... 23
6.2 Diskussion av experiment 2 ... 24
6.3 Sammanfattning av experimenten ... 24
6.4 Diskussion av metod ... 25
7 Slutsats ... 26
7.1 Slutsatser av problemformuleringen ... 26
7.2 Slutsatser iakttagna under experiment ... 27
7.3 Framtida studier ... 27
8 Referenser ... 28
Bilaga 1 – Data, experiment 1, absorption Bilaga 2 – Data, experiment 1, desorption Bilaga 3 – Data, experiment 2, absorption Bilaga 4 – Data, experiment 2, desorption
1 Inledning
1.1 Bakgrund
Svenska Aerogel AB har tagit fram materialet Quartzene® vilket är av typen utfälld silika och innehåller kalcium – magnesiumsilikat ((Ca,Mg) SiO3). 2004 skickades ansökan om patent in till patentverket. Quartzene® används inom flera områden, ett av dessa områden är att materialet ska filtrera olika gaser från luft. Patentet godkändes 2007 och är således ett relativt nytt material. I skrivande stund pågår det utveckling av materialet i sig men även för dess tillämpningsområden.
Quartzene® kan tillverkas som pellets eller som pulver och är poröst med en hög inre yta, vilket är en förutsättning för molekylärfiltrering (Svenska Aerogel AB, u.å). Genom olika impregneringar kan man påverka filtreringen efter önskad effekt, t.ex. kan Kaliumhydroxid rena luften från bland annat Svaveldioxid, SO2 (Svenska Aerogel AB, u.å).
Materialet är intressant för framtiden inom både industri - och byggsektorn. Inom industrin kan det användas som filtreringsmaterial och inom bygg pågår utveckling av Quartzene® som isoleringsmaterial. Framställningen är billig och miljövänlig liksom materialet i sig (Svenska Aerogel AB, u.å). Företaget har fått utmärkelsen Climate Solver (Svenska Aerogel AB, u.å), en utmärkelse som Världsnaturfonden ger till företag med produkter som har potential till förbättring av jordens miljö (WWF Sweden, 2009).
Utvecklingen av tillämpningsområden har lett till att materialet även skulle kunna fungera inom avfuktning. Det har tidigare inte utförts någon studie på hur Quartzene skulle fungera inom detta område. Därför är det av intresse att en utvecklingsstudie genomförs för materialets framtida tillämpningsområden. I den här studien impregneras Quartzene® med tillsatser som påverkar materialets fuktupptagning vid varierande relativa fuktighet.
Det studeras genom att kontrollera sorptionskurvor med hjälp av burkmetoden. Enligt Wadsö, Svennberg, & Dueck, (2004) är det en enkel och precis metod vid studier av materials sorptiponskurvor, både vid kontroll av byggmaterial såväl inom matindustrin. I burkmetoden används mättade saltlösningar för att uppnå rätt relativ fuktighet (Carr &
Harris, 1949). En annan metod som kan användas vid liknande studier är Dynamic Vapor Sorption (DVS), vilket är en metod där material placeras i en styrd atmosfärvåg (Hebrard et al., 2003).
2
1.2 Syfte
Syftet med den här studien är att undersöka och analysera hur olika impregneringssalter får Quartzene® att fungerar i avseende på fuktupptagning respektive fuktavgivning. Det sker genom att studera sorptionskurvor för impregnerad Quartzene®.
1.3 Mål
Målet med studien är att ta fram sorptionskurvor för Quartzene® impregnerat med salter och visa vilket salt som lämpar sig bäst för den egenskap Quartzene® ska erhålla. En egenskap som studien främst vill uppnå är att materialet ska ha en låg adsorption vid lågt relativ fuktighet samtidigt som den ska ha en hög adsorption vid hög relativ fuktighet.
Det är även av relevans att desorptionen är i relation till absorptionen.
1.4 Problemformulering
För att uppnå syfte och mål med denna studie har tre problemformuleringar utformats.
Dessa är utformade för att kunna ta reda på hur Quartzene® ska fungerar inom ett framtida område kring avfuktning. Genom teori och empiri i form av experiment angrips samtliga tre problemformuleringar.
i. Vilket impregneringssalt lämpar sig bäst för att åstadkomma låg absorption vid lågt RF samtidigt som det har hög absorption vid högt RF?
ii. Hur varierar sorptionskurvornas branthet för Quartzene® med olika impregneringssalter?
iii. Hur påverkas fuktupptagningen i Quartzene® vid impregnering av salter med varierande RF - nivåer?
1.5 Målgrupp
Studien riktar sig främst till företag och personer som har intresse för utveckling av produkter inom avfuktningsindustrin. Även de med intresse för miljövänliga material inom bygg och industri kan finna studien intressant.
2 Metod
För genomförandet av studien har två metoder använts, litteraturstudie och experiment i form av burkmetoden.
2.1 Litteraturstudie
En litteraturstudie har genomförts och bidrog till ett teorikapitel för ökad förståelse i ämnet. Det bidrog även med kunskap om hur experimentet skulle genomföras samt för att kunna besvara problemformuleringen. I litteraturstudien användes vetenskapliga artiklar och böcker i huvudsak. Databaser som användes för att finna vetenskapliga artiklar var bland annat ScienceDirect, Taylor & Francis Online samt för kontroll av artiklar användes Ulrichsweb. Även Google Scholar har nyttjats.
Sökord:
Saltsolution – Saltlösning
Relative Humidity – Relativ fuktighet
Sorption isotherm – Sorption isoterm
Jar method – Burkmetoden 2.2 Experiment
I experimentet har en förenklad variant av burkmetoden använts för att kontrollera materialets fuktupptagning. Det är en beprövad metod som är enkel att utföra och som ger ett tydligt resultat (Wadsö et al., 2004). Det som skiljer sig mellan den förenklade burkmetoden och Wadsö et al.´s metod är att vägningen av materialen sker på olika sätt. I den förenklade metoden lyfts materialen ur burkarna och vägs för sig, i Wadsö et al.´s metod vägs hela glasburken med des innehåll. Resultaten för de två metoderna anses vara jämförbara.
2.2.1 Burkmetoden
I burkmetoden användes en mättad saltlösning som gav önskat klimat i avseende på relativ fuktighet. Innan de olika Quartzene® – pelletarna placerades i det slutna klimatet torkades det i ugn vid temperaturen 105OC i cirka 2 – 4 timmar. Quartzene® – pelletar placerades på ett ställ i glasskålen och fuktinnehåll bestämdes genom gravimetrisk analys, det vill säga att de vägdes ungefär en gång per dygn i en vecka (jmf. Wadsö, et al., 2004).
4
Fuktinnehållet användes sedan för att redovisa mängden upptagen fukt, det vill säga viktökning, jämt emot andelen relativ fuktighet i ett linjediagram med sorptionskurvor.
3 Teori
Följande teorikapitel syftar till att ge förkunskaper inom området. Kapitlet beskriver hur material tar upp och avger fukt men även hur ett material presenteras i en sorptionskurva.
3.1 Fuktinnehåll
Enligt Burström (2006) innehåller material alltid vatten, men i olika former. Det finns fyra klassificeringar på hur vatten förekommer i material. Kemiskt bundet, adsorberat vatten, kapillärt vatten och fritt vatten. Kemiskt bundet vatten är hårt bundet i materialets struktur och räknas inte som fukt som påverkar materialet. Adsorberat vatten är vattenmolekyler som fäster på materialytan. Vattenmolekylerna bildar redan vid låg relativ fuktighet ett molekylskikt som kallas monomolekylär adsorption, det sker genom svaga van der Waals bindningar. När adsorptionen ökar och skiktet blir tjockare kallas det för polymolekylär adsorption. Orsaken till adsorptionen beror på att materialets fria yta har ett energiöverskott som minskar när vatten binds till ytan. De fria ytorna finns överallt i materialet, till exempel i porerna. Burström (2006) förklarar att kapillärtvatten är det vattnet som finns i materialets porer utöver det adsorberade vattnet. Vattnet är bundet genom antingen kapillärsugning eller kapillärkondensation. Fritt vatten förekommer i grova porer eller utanför materialet. Var gränserna går mellan de olika typerna av vatten är inte helt klargjorda, utan det ger ett ungefärligt begrepp om hur starkt vattnet är bundet (Burström 2006). Det vatten som inte förekommer som kemiskt bundet i ett material utan till kommit via adsorption eller kapillärkondensation går in under begreppet absorption (Burström 2006).
Burström (2006) förklarar att de fyra sätt vatten kan förekomma på även delas in i förångningsbart vatten och icke förångningsbart vatten. Där vatten som är förångningsbart tillkommer under absorption medan vatten som icke är förångningsbart är kemiskt bundet. Genom att torka ett material i 105OC samt att väga det före och efter torkning kan vikten för förångningsbart vatten bestämmas. Viktskillnaden före och efter torkning kallas fukthalt (Burström, 2006).
För beräkning av fuktinnehåll används Formel 1 (jmf. Burström 2006) och det ger svar i procent.
Formel 1
6
3.2 Relativ fuktighet
Vattenånga finns alltid i luft och mängden anges i ånghalt, v (kg/m3). Ånghalten i förhållande till den temperaturberoende mättnadsånghalten, vs (kg/m3) kallas relativ fuktighet och kan beräknas enligt Formel 2 (Burström 2006).
Formel 2
V uppmätt ånghalt
vs= mättnadsånghalt
3.3 Sorptionskurvor
Sorptionskurvor, även kallade jämviktsfuktkurvor, är ett sätt att visa hur ett material ställer in sitt fuktinnehåll i jämvikt mot luftens ånghalt (Burström 2006). Fuktinnehållet kallas jämviktsfukthalten, we anges i kg/m3 och jämviktsfuktkvoten, ue anges i % (index e är det engelska ordet equilibrium, jämvikt). En sorptionskurva presenteras i ett diagram, (se exempel i Figur 1), med fuktinnehållet på den vertikala axeln och luftens relativa fuktighet på den horisontella axeln. Relativa fuktigheten, Ø anges i %. Enligt Burström (2006) är det viktigt att sambandet mellan materialets jämviktfukthalt och luftens relativa fuktighet är i isoterma förhållande. Isoterma förhållande är när sorptionskurvorna är framtagna vid konstant temperatur (Burström 2006).
Sorptionskurvor består av en absorptions – och desorptionsskurva. De är olika beroende på om materialet tar upp fukt eller avger fukt i olika miljöer. Att det är olika jämviktskurvor för absorption och desorption kallas hysteres (Burström, 2006).
Figur 1 visar ungefärligt hur och var i sorptionskurvan de olika typerna av fuktupptagningen som nämns i kapitel 3.1 förekommer.
Figur 1. Typ av fuktupptagning i förhållande till RF (Burström, 2006). Vid område 1 binds vattenmolekyler vid materialets yta via adsorption. I område 2 sker vattenmolekylbindningar efter ökad adsorption och vid område 3 är vattnet bundet genom kapillärsugning.
3.3.1 Varianter av sorptionskurvor
Isoterma sorptionskurvor kan delas in i ett antal olika typer efter materialets absorptionsförmågor. Det finns sex typer av dessa och de redovisar imaginära kurvor som representerar olika materials porositet.
I. Typ I används för att beskriva adsorption på mikroporösa material.
II. Typ II beskriver makroporösa materials adsorption
III. Typ III beskriver makroporösa materials adsorption. Typ II och III varierar på grund av hur stark och svag adsorption samspelar.
IV. Typ IV beskriver hur mono- och flerskikt adsorption fungerar, men även kapillärkondensation.
V. Lika som typ IV.
VI. Typ VI visar att en sorptionskurva kan ha ett eller flera steg.
Typ I – V är klassificerade av Brunauer, Deming, L.S., Deming, W.E. & Teller (1940), medan VI har tillkommit under senare år och ingår tillsammans med typerna I – V i IUPAC klassificering av isoterm sorptionskurvor (Donohue & Aranovich, 1998). Se Figur 2 för utseende för respektive typ.
8
Figur 2. Varianter av olika sorptionskurvor ( Donohue & Aranovich, 1998).
3.4 Saltlösningar
För att uppnå rätt relativ fuktighet i slutna klimat används olika salter utblandade med vatten, när saltet inte längre löses upp i vattnen ger det mättade saltlösningar (Carr &
Harris 1949). Beroende på vilken typ av salt och temperatur som används kan önskad relativ fuktighet uppnås. Saltlösningarna når rätt RF när jämvikt råder mellan vätskan och omgivande luft. Relativ fuktighet hos olika salter kan variera med ±2% enligt Wexler (1995). Vid temperaturer mellan 20 – 25 OC är variationen 1 % RF på några av de salter som anges i Tabell 1 enligt Gal (1967).
Tabell 1. Utdrag av Wexlers (1995) sammanställning om olika salters RF vid konstant temperatur 25
0C.
Salt Temperaturintervaller (°C) RF (25°C)
NaOH · H2O 15—60 6
LiBr · 2H2O 10—30 6
ZnBr2 · 2H2O 5—30 8
KOH · 2H2O 5 – 30 9
LiCl · H2O 20 – 65 11
CaCl2· 6H2O 15 – 25 29
MgCl2· 6H2O 5 – 45 33
NaI · 2H2O 5 – 45 38
Mg(NO3) 2 · 6H2O 5 – 35 53
NH4NO3 10 – 40 62
KI 5 – 30 69
NaNO3 10 – 40 74
NaCl 10 – 40 75
NH4Cl 10 – 40 79
(NH4)2SO4 10 – 40 81
KCl 5 – 25 84
Sr(NO3)2 · 4H2O 5 – 25 85
BaCl2 · 2H2O 5 – 25 90
KNO3 0 – 50 92
K2SO4 10 – 50 97
4 Experiment
I experimentet användes en förenklad variant av burkmetoden som Wadsö, et al. (2004) presenterar. Experimentet genomfördes i två omgångar eftersom . I den första omgången utfördes experimentet på Quartzene® – pelletar som impregnerats med de salter som även använts som mättade saltlösningar i burkmetoden. Detta för att se hur dessa salters RF - värden fungerade i dess egen miljö.
I det andra experimentet användes Quartzene® – pelletar som impregnerats med salter som valdes i samråd med Peter Norberg på Svenska Aerogel AB samt efter litteraturstudie (se Tabell 1) angående vilka salter som har varierande RF inom spannet 40 – 74 %. Dessa valdes eftersom de troligen skulle ge bästa resultat utefter problemformuleringen.
4.1 Saltlösningar
Som mättade saltlösningar har de salter som presenteras i Tabell 2 använts. Tabellen visar relativ fuktighet för respektive salt vid en temperatur vid 20 – 25OC. För att uppnå en mättad saltlösning blandades saltet med vatten, dock är inte saltlösningen mättad fören saltet inte längre löses upp i vattnet, det vill säga att saltkristaller förekommer i vätskan.
Tabell 2 Salter som använts i studien.
Salt Kemiskbetäckning Temperatur
0C
RF %
Litiumklorid LiCl2*H2O 25 11
Magnesiumklorid MgCl2*6H2O 25 33
Magnesiumnitrat Mg(NO3)2*6H2O 25 53
Natriumklorid NaCl 25 75
Kaliumnitrat KNO3 25 92
4.2 Tillverkning av Quartzene® pellets
Svenska Aerogel AB tillhandahöll materialet Quartzene® i klumpformig röra, se Figur 3.
För att tillverka pellets behövde röran bearbetats. I detta fall användes en matberedare som medförde att röran blev till en lös pasta i konsistensen. Vid avslagning av matberedaren blev pastan mer trögflyttande i konsistensen. Pastan applicerades på
10
plan yta och sedan pressades formen ner i pastan, se Figur 3. När hålen var helt fyllda placerades hela formen i en ugn med 105OC i cirka två till fyra timmar för torkning. Efter torkning lossnade pelletarna lätt ur formarna. Pellettarna hade krympt jämfört med hålens storlek och var 3 – 4*6 – 7 mm. För att finfördela pelletarna siktades de i en siktningsmaskin.
För tillverkning av impregnerade pelletar användes samma metod.
Impregneringsprodukten tillsattes när pastan rördes om i matberedaren. Mängden impregneringsprodukt bestämdes utefter Quartzene®´s torrvikt. Torrvikten bestämdes genom torkning av en viss mängd våt pasta i 105OC, efter ett dygn finns inget förångningsbart vatten kvar i pastan, det är bara materialets torrvikt samt icke förångningsbart vatten.
I tillverkning av impregnerade pelletar har 10 % impregnering använts enligt Formel 3, förutom vid tillverkning av MgCl2 och Mg(NO3)2 där saltmängden blev 5 % respektive 16 %. Variationen berodde på att salterna innehöll kristallvatten vilket inte räknades bort innan irörning i pastan. Detta gjordes i efterhand för att se vilken saltmängd det var i förhållande till torrvikten. Det beräknades genom salternas g/mol ställs jämt emot den sammanlagda vikten för salternas och vattnets g/mol. Skillnaden läggs på eller dras av den saltmängden som fås genom Formel 3 beroende på vilken del av vattnet eller saltet som är störst (Peter Norberg, personlig kommunikation, 9 maj 2012).
Formel 3
saltvikt
torrvikt plus saltvikt
önskad impregneringsvikt i procent
Figur 3. Röran i klumpform. Figur 4. Pastan under omrörning.
För tillverkning av Quartzene® användes:
Quartzene®
i klumpformig röra
Matberedare, Elektrolux assistent mod. N23
Pelletsformar
Spackelspade
Ugn, typ Termaks Ts4057
Våg, typ Sartorius BP1200
Siktmaskin, typ Prüfgeräte – Gesellschaft
Impregneringsmedel, salter
I studien har det tillverkats tio olika sorters pelletar. I Tabell 3 och 4 visas vilka typer av de impregnerade pelletar som tillverkats till respektive experiment.
Tabell 3 Salter som användes som impregneringstillsats till experiment 1.
Experiment 1
Benämning Typ av impregnering
Kemisk beteckning
Mängd impregnering RF
a Litiumklorid LiCl 10 % 11 %
b Magnesiumklorid MgCl2 5 % 33 %
c Magnesiumnitrat Mg(NO3)3 16 % 53 %
d Natriumklorid NaCl 10 % 75 %
e Kaliumnitrat KNO3 10 % 92 %
Figur 6. Formar med pasta under torkning.
Figur 5. Pastan appliceras i form.
12
Tabell 4 Salter som användes som impregneringstillsats till experiment 2.
Experiment 2
Benämning Typ av impregnering Kemisk beteckning
Mängd impregnering
RF
a Kaliumkarbonat K2CO3 10 % 40 %
b Ren Quartzene® (Ca,Mg) Si03 - -
c Natriumnitrit NaNO2 10 % 63 %
d Natriumnitrat NaNO3 10 % 74 %
e Ammoniumnitrat NH4NO3 10 % 62 %
4.3 Burkmetoden
De sex glasburkar som använts är av enklare modell med lock och är inköpta i vanlig handel. Burkarna benämns med respektive saltlösning och RF, i burkarna placerades ett ställ som låg cirka en centimeter över vätskenivån. I Tabell 5 redovisas respektive benämning och innehåll av burkarna.
I varje burk placerades sedan fem olika petriskålar vars botten var fyllda med ett lager av torra Quartzene® – pelletar, se Figur 8. Efter att pelletarna blivit exponerade i burkarna utfördes ett antal vägningar för att studera hur fuktinnehållet förändrats, förändringen beräknades genom användning av Formel 1. Vid jämvikt, eller när materialet inte ökade i vikt avslutades experimentet och vikten bokfördes i excelblad där all beräkning har genomförts, se Bilaga 1, 2, 3 och 4. Viktökningen redovisas i ett diagram i resultatkapitlet i form av absorptionskurva. För desorptionskurva gjordes experimentet i omvänd ordning. Det vill säga att pelletarna var fuktiga innan de placerades i burkarna. Istället för viktökning mättes viktminskning av fukt som försvinner från pelletarna.
Desorptionskurvorna redovisas i samma diagram som absorptionen och bildar en sorptionskurva, se resultatkapitel.
För att kontrollera RF - nivån i burkarna användes en RF - mätare och termoelement som mätte temperaturen i olika nivåer i burkarna. Temperaturen låg på cirka 20,50C och RF – mätaren visade att nivån låg på ± 1 % RF.
Material för burkmetoden:
Tabell 5 redovisar de sex olika burkarnas saltlösning och RF nivå.
Petriskålar, 90mm
Burkar med lock
Salter till mättad saltlösning
Våg, typ Sartorius BP1200
Ugn, typ Termaks Ts4057
RF mätare, typ Protimeter
Logger, typ Agilent 34970A
Termoelement
Vatten
Quartzene®
– pelletar
Burk Saltlösning RF
1 LiCl 11%
2 MgCl2 33%
3 Mg(NO3)2 53%
4 NaCl 75%
5 KNO3 92%
6 H20 100%
Figur 8. Petriskålar placerade i burk.
Figur 7. Burkar under pågående experiment.
14
5 Resultat
Resultatet redovisas i form av diagram där varje variant av impregnerad Quartzene® representeras.
5.1 Resultat av experiment 1
Här redovisas två typer av diagram från experiment 1 där Quartzene® är impregnerad med salter som även används som mättad saltlösning i burkarna. De som är benämnda med Figur 9 – 13 redovisar sorptionskurvor. Figur 14 och 15 visar fuktupptagningen efter ett dygn respektive åtta dygn.
Figur 9. Sorptionskurva för LiCl.
Figur 10. Sorptionskurva för MgCl2.
Figur 11. Sorptionskurva för Mg(NO3)2.
16
Figur 12. Sorptionskurva för NaCl.
Figur 13. Sorptionskurva för KNO3.
Figur 14. Fuktupptagning efter ett dygn.
0 11% 33% 55% 76% 93% 100%
LiCl 0 5,90% 9,03% 22,26% 33,69% 46,57% 47,89%
MgCl2 0 5,05% 7,10% 19,01% 28,52% 35,86% 37,79%
Mg(NO3)2 0 4,45% 6,14% 18,41% 28,04% 36,94% 40,91%
NaCl 0 3,85% 5,42% 17,21% 26,96% 35,74% 36,58%
KNO3 0 3,61% 5,42% 15,76% 23,47% 29,36% 30,45%
0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
70%
80%
90%
100%
Fuktupptagning (%)
Fuktupptagning för impregnerad Quartzene® efter ett dygn
RF
18
Figur 15. Fuktupptagning efter åtta dygn.
0 11% 33% 55% 76% 93% 100%
LiCl 0 8,42% 16,85% 27,92% 47,89% 72,32% 90,01%
MgCl2 0 6,14% 13,36% 23,23% 33,33% 52,95% 56,56%
Mg(NO3)2 0 5,66% 12,64% 23,47% 36,70% 57,88% 65,82%
NaCl 0 4,93% 11,19% 21,90% 35,38% 48,62% 65,82%
KNO3 0 4,93% 11,19% 20,10% 29,60% 43,08% 51,02%
0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
70%
80%
90%
100%
Fuktupptagning (%)
Fuktupptagning för impregnerad Quartzene® efter åtta dygn
RF
5.2 Resultat av experiment 2
Här redovisas resultatet av absorption och desorption för oimpregnerade pelletar och med impregnering av salter som har RF mellan 40 – 64 %. I Figur 16 – 20 redovisas resultatet i sorptionskurvor. I Figur 21 och 22 redovisas fuktupptagningen efter ett dygn respektive sex dygn.
Figur 16. Sorptionskurva K2CO3.
6,1%
14,4%
24,1%
34,5%
50,7%
61,3%
-0,55% 9,29%
18,73%
29,53%
43,47%
60,58% 61,32%
-10%
0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
70%
80%
90%
100%
0% 11% 33% 53% 75% 92% 100%
Vikt (%)
Relativ Fuktighet (%)
Quartzene®
Absorption Desorption20
Figur 18. Sorptionskurva för NaNO2.
Figur 19. Sorptionskurva för NaNO3.
Figur 20. Sorptionskurva för NH4NO3.
Figur 21. Fuktupptagning efter ett dygn.
0 11% 33% 55% 76% 93% 100%
K2CO3 0 3,13% 7,70% 13,96% 20,22% 24,91% 28,64%
QuartzeneTM 0 3,49% 9,27% 15,16% 23,83% 29,24% 36,07%
NaNO2 0 3,25% 8,90% 16,13% 23,59% 31,53% 37,06%
NaNO3 0 3,37% 8,18% 15,16% 22,50% 29,72% 33,81%
NH4NO3 0 2,89% 7,82% 13,24% 20,34% 25,87% 30,57%
0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
70%
80%
90%
100%
Fuktupptagning (%)
Fuktupptagning för impregnerad Quartzene® efter ett dygn
RF
22
Figur 22. Fuktupptagning efter sex dygn.
0 11% 33% 55% 76% 93% 100%
K2CO3 0 5,42% 11,91% 19,49% 27,92% 37,30% 43,08%
QuartzeneTM 0 6,14% 14,44% 24,07% 34,54% 50,66% 61,32%
NaNO2 0 6,14% 14,44% 26,35% 37,06% 52,95% 64,26%
NaNO3 0 5,66% 13,48% 23,47% 33,45% 50,06% 60,53%
NH4NO3 0 5,90% 13,36% 22,62% 33,33% 48,13% 59,81%
0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
70%
80%
90%
100%
Fuktupptagning (%)
Fuktupptagning för impregnerad Quartzene® efter sex dygn
RF
6 Diskussion
Diskussionen är uppdelad efter experimenten, det vill säga att först diskuteras experiment 1 och sedan experiment 2. Det följs av en sammanfattning av experimenten. Slutligen diskuteras burkmetoden och felkällor.
6.1 Diskussion av experiment 1
De fem olika sorterna med impregnerad pelletar har liknande kurvor, dock med olika procents viktökning. Det beror på de olika salternas egna RF nivåer. Quartzene® med LiCl har hög viktökning eftersom det inte har något motstånd vid RF över 11 %. Pelletar med KNO3 har betydigt lägre viktökningen eftersom KNO3 har RF 92 %. Det vill säga att materialet har ett motstånd för fuktupptagning vid RF lägre än 92 %. Resultaten för de andra pelletarna följer samma mönster, de har motstånd på RF under sitt eget RF men är mottaglig för högre fuktupptagning vid högre RF. Pelletarna impregnerade med salter RF lägre än 55 % (LiCl, Mg(NO3)2) blev kladdiga eftersom saltet lämnade pelletarna i RF 100 %. LiCl – impregnerade pelletar blev även kladdiga i burken med RF 93 %. Det kan förklaras med att saltet suger fukt i sig och att det inte bara är fuktupptagning via kapillärkondensation vid höga RF. Detta förekommer inte i lägre RF då den dominerande fuktabsorptionen sker enligt kapitel 3.1 trots impregnering av salter med RF som borde vilja ta upp fukt. Det beror troligen på att salterna inte blir påverkar av miljön på samma sätt som i höga RF. MgCl2 har en lägre kurva än t.ex. Mg(NO3)2 trots att saltets RF är 33
%. Det beror troligen på att saltmängden var 5 % och därmed inte hade samma inverkan som de övriga.
Fuktupptagningen är störst under det första dynget eftersom materialet strävar efter jämvikt med omgivande miljö. I Figur 11 och 12 visas till exempel att Mg(NO3)2 ökar ca 6 % i vikt vid 33 % RF efter ett dygn, och det kan jämföras med ca 12 % efter åtta dygn.
Det sker nästan lika mycket viktökning det första dygnet som det gör under de resterande sju dygnen. Det beror på att fukthalten i materialet ökar snabbt när vattenmolekylerna binder sig på porernas yta.
Resultatet för desorptionen visar att en fortsatt fuktupptagning sker efter första steget, från 100 % till 93 %. Det kan förklaras med salternas inverkan på materialet i de högre RF – miljöerna, som tidigare nämnt. Vid de lägre RF – miljörena fungerar dock desorptionen likt beskrivningen i kapitel 3.1. Det vill säga att uttorkning sker vid
24
till sin startvikt vid uttorkning i ugn. Det skiljer mellan 0,4 – 0,8 %, vilket kan anses försumbart, varvid desorptionen visar under noll vid 0 % RF.
6.2 Diskussion av experiment 2
I experiment två är kurvorna ungefär lika fram till RF 75 % förutom för Quartzene® impregnerade med K2CO3 som ligger cirka tio procent lägre i viktökning än de övriga och vid 100 % RF är viktökningen cirka 43 %. I experiment två finns även oimpregnerad Quartzene® representerat och de har en liknande kurva som NaNO3 vars RF är 74 %. De bådas viktökningen är cirka 61 % vid RF 100 %. De två resterande, NaNO2 och NH4OH3, har liknande kurvor även de. Det visar att i experiment två har saltet en mindre påverkan på absorptionen än vad materialets porer har enligt fuktupptagning i kapitel 3.1.
Diagrammet för fuktupptagning efter ett dygn visar att viktökningen är ungefär detsamma för impregnerade Quartzene® som för oimpregnerad vilket stärker teorin om att det är porerna som fungerar som fuktabsorbent och att inte saltet suger fukt i sig. Dock är det skillnad på viktökning efter sex dygn. Där följer ungefär alla samma kurva förutom K2CO3 vilket visar en lägre fuktupptagning.
Resultatet för desorptionen för pelletarna i experiment två visar att det sker uttorkning redan efter ett steg ner i RF – miljö förutom för NaNO2 och NaNO3. Hos dem fortsätter fuktupptagning även vid RF 92 % vilket kan förklaras vid samma princip som under experiment ett där saltet har en sugande förmåga. Vi högre RF är det i majoritet natriumbaserade salter som visar denna tendens. Ren Quartzene® visar på att uttorkning följer teorin enligt kapitel 3. 1. Även i detta experiment återgår inte materialet till startvikten utan ligger lite under, mellan 0,41 – 1,12 %.
6.3 Sammanfattning av experimenten
De båda experimenten visar att salter som har RF mellan cirka 30 - 80 % har liknande absorptionskurvor som ren Quartzene®. Dock har Quartzene® impregnerade med LiCl, KN03 och K2CO3 andra kurvor. LiCl påverkar till att fuktupptagningen är högre i de olika RF miljöerna, medan KNO3 och K2CO3 ger en lägre fuktupptagning än de övriga pelletarna. Vid desorption har pelletar som är impregnerade med natriumbaserade salter, LiCl och Mg(NO3)2 uppsugningsförmåga vid uttorkning mellan RF 100 % och 93 %.
6.4 Diskussion av metod
Att utföra studien med burkmetoden var ett praktiskt och enkelt sätt att kontrollera fuktupptagningen. Det ska dock nämnas att miljön i burkarna kan påverkas vid gravimetriskanalys då locket tas av för åtkomst av petriskålarna, vilket utgör en felkälla.
Vid kontroll av saltlösningar med hjälp av RF – mätare låg RF på ± 1 %, vilket ligger inom godkänd differens enligt både Wexler (1995) och Gal (1967). Det blev dock högre differens, som tidigare nämnts, när locken togs av. Efter cirka en halvtimme återgick RF – nivån till den nivån salterna hade.
För att undgå att miljön förändras i burkarna skulle det vara lämpligt att använda DVS – metoden där vägning och omställning av RF – miljön sker i samma atmosfär (jmf.
Hebrard et al., 2003). Denna metod har dock inte kunnat användas eftersom den typen av utrustning inte har funnits tillgänglig under studien.
26
7 Slutsats
Slutsatserna grundar sig på observationer under genomförd studie och presenteras nedan i två underrubriker. Först presenteras slutsatser utifrån problemformuleringen sedan följer slutsatser som iakttagits under experimentet. Slutligen ges förslag på framtida studier inom ämnet.
7.1 Slutsatser av problemformuleringen
Som grund för slutsatsen ligger problemformuleringen.
i. Vilket impregneringssalt lämpar sig bäst för att åstadkomma låg absorption vid lågt RF samtidigt som det har hög absorption vid högt RF?
ii. Hur varierar sorptionskurvornas branthet för Quartzene® med olika impregneringssalter?
iii.
Hur påverkas fuktupptagningen i Quartzene® vid impregnering av salter med varierande RF – nivåer?Slutsatser utifrån problemformuleringen;
Det impregneringssalt som lämpar sig bäste för att åstadkomma låg absorption vid lågt RF och hög absorption vid högt RF är LiCl. Dock har LiCl för hög absorption vid låga RF. En kombination av den höga absorption som LiCl genererar vid högt RF och den låga absorption som KNO3 eller K2CO3 genererar vid lågt RF skulle vara önskvärt.
Variationen i sorptionskurvors brantheten för Quartzene® impregnerad med salter som har RF 40 – 80 % och oimpregnerad Quartzene® är inte nämnvärt stor.
Variationen i sorptionskurvors branthet för Quartzene® impregnerad med salter som har lägre respektive högre RF är dock större.
Fuktupptagningen i Quartzene® påverkas till viss del av impregneringsalter, däremot sker den dominerande fuktupptagningen via absorption i porsystemet.
Påverkan av impregnering är att salterna ger högre eller lägre fuktupptagning beroende av salternas RF – nivåer.
7.2 Slutsatser iakttagna under experiment
Sorptionskurvorna för de tre Quartzene® impregnerade med natriumbaserade salter visar liknande egenskaper som sorptionskurvan för oimpregnerad Quartzene®, dock har de sämre uttorkningsförmåga vid höga RF - miljöer. Dessa natriumbaserade salter bör därmed inte vara aktuella som impregneringsmedel eftersom de har samma egenskaper som vanlig Quartzene®.
Efter genomförd studie anses burkmetoden vara en enkel och precis metod eftersom den var lätt att utföra och inga avancerade tillbehör behövde användas.
Metoden gav även tillförlitliga resultat eftersom viktförändringen lätt kunde ses för Quartzene®. Detta trots att det finns andra metoder som är mer avancerade.
7.3 Framtida studier
Eftersom genomförd studie är utförd under tio veckor fanns inte möjlighet att studera ytterligare impregneringsmedel, till exempel hydrofoba tillsatser för att se hur de påverkar Quartzene®´s fuktupptagning. Det skulle vara intressant att jämföra resultaten från denna studie mot en studie med hydrofoba tillsatser eftersom det är olika typer av tillsatser. Utöver hydrofoba tillsatser kan andra salter med RF som skiljer sig mot denna studie studeras, till exempel Kaliumbromid (KBr) som har RF på 81 %.
Eftersom LiCl visade hög absorption vid högt RF och K2CO3 visade låg absorption vid lågt RF skulle det vara intressant se hur de fungerar tillsammans i Quartzene®. En sådan studie skulle till exempel kunna genomföras med lika delar av salterna iblandade i Quartzene®.
Genomförd studie är utförd med hjälp av burkmetoden (jmf. Wadsö, 2004). Det vore intressant att utföra samma studie med en annan metod som kontrollerar sorptionskurvor, till exempel Dynamic Vapor Sorption (DVS) (jmf. Hebrard et al., 2003). Resultaten kan jämföras för att erhålla en utförligare bild av hur olika impregneringssalter påverkar Quartzene®´s sorptionskurvor.
28
8 Referenser
Brunauer, S., Deming, L.S., Deming, W. E., Teller, E.
(1940). On a theory of the van der Waals adsorption of gases. J. Am. Chem. Soc., 62(7), 1723-1732. doi:1
0.1021/ja01864a025Burstöm, P - G. (2006). Byggnadsmaterial - Uppbyggnad, tillverkning och egenskaper. S.
76 - 80. ISBN 978 - 91 - 44 - 02738 - 8.
Carr D.S. & Harris B.L. (1949) Solutions for maintaining constant relative humidity. Ind.
Eng. Chem., 41 (9), 2014–2015. doi: 10.1021/ie50477a042
Donohue, M.D. & Aranovich, G.L. (1998). Classification of Gibbs adsorption isotherms.
Advances in Colloid and Interface Science, 76 - 77, 137 - 152. doi:10.1016/S0001 - 8686(98)00044 - X
Gál, S. (1967). Die methodik der wasserdampf - sorptionsmessungen, Berlin: Springer - Verlag.
Hebrard, A., Oulahna, D., Galet, L., Cuq, B., Abecassis, J. & Fages, J. (2003). Hydration properties of durum wheat semolina: Influence of particle size and temperature.
Powder Tecnology, 130 (2003), 211–218.doi:10.1016/S0032 - 5910(02)00268 - 1
Svenska Aerogel AB (u.å). Environmentally friendly: Material of tomorrow. Hämtad 2 maj, 2012, från Svenska Aerogel AB, http://www.aerogel.se/technology/environmentally - friendly/
Wadsö, L., Svennberg, K. & Dueck, A. (2004). An experimentally simple method for measuring sorption isotherms. Drying Technology: An International Journal, 22(10), 2427 - 2440. doi: 10.1081/DRT - 200032898
Wexler, A. (1995) Constant humidity solutions. In: Lide DR (ed) Handbook of chemistry and physics, 15 - 33. CRC Press, Boca Raton.
WWF Sweden (2009). Times are changing. Hämtad 24 april, 2012, från WWF Sweden, http://www.climatesolver.org/show.php?id=1176827
Bilaga 1 - Data, experiment 1, absorption
Tid & datum 24-apr 25-apr 02-maj
Vikt behållare Vikt, pellets Vikt,pellets Fuktupptagning
Viktökning %
Vikt, tot Vikt,pellets FuktupptagningViktökning %
Burk
11%
LiCl a 9,01 8,31 0 8,8 0,49 5,90% 18,02 9,01 0,7 8,42%
MgCl2 a 8,52 8,31 8,73 0,42 5,05% 17,34 8,82 0,51 6,14%
Mg(NO3)2 a 8,93 8,31 8,68 0,37 4,45% 17,71 8,78 0,47 5,66%
Nacl a 8,94 8,31 8,63 0,32 3,85% 17,66 8,72 0,41 4,93%
KNO3 a 8,92 8,31 8,61 0,3 3,61% 17,64 8,72 0,41 4,93%
3,61%
33%
LiCl b 8,55 8,31 17,61 0,75 9,03% 18,26 9,71 1,4 16,85%
MgCl2 b 9 8,31 17,9 0,59 7,10% 18,42 9,42 1,11 13,36%
Mg(NO3)2 b 8,99 8,31 17,81 0,51 6,14% 18,35 9,36 1,05 12,64%
Nacl b 8,54 8,31 17,3 0,45 5,42% 17,78 9,24 0,93 11,19%
KNO3 b 8,94 8,31 17,7 0,45 5,42% 18,18 9,24 0,93 11,19%
H20 53%
LiCl c 8,55 8,31 18,71 1,85 22,26% 19,18 10,63 2,32 27,92%
MgCl2 c 9,01 8,31 18,9 1,58 19,01% 19,25 10,24 1,93 23,23%
Mg(NO3)2 c 9,01 8,31 18,85 1,53 18,41% 19,27 10,26 1,95 23,47%
Nacl c 8,52 8,31 18,26 1,43 17,21% 18,65 10,13 1,82 21,90%
KNO3 c 9,01 8,31 18,63 1,31 15,76% 18,99 9,98 1,67 20,10%
75%
LiCl d 9 8,31 20,11 2,8 33,69% 21,29 12,29 3,98 47,89%
MgCl2 d 8,94 8,31 19,62 2,37 28,52% 20,02 11,08 2,77 33,33%
Mg(NO3)2 d 8,53 8,31 19,17 2,33 28,04% 19,89 11,36 3,05 36,70%
Nacl d 8,99 8,31 19,54 2,24 26,96% 20,24 11,25 2,94 35,38%
KNO3 d 8,95 8,31 19,21 1,95 23,47% 19,72 10,77 2,46 29,60%
92%
LiCl e 8,54 8,31 20,72 3,87 46,57% 22,86 14,32 6,01 72,32%
MgCl2 e 8,94 8,31 20,23 2,98 35,86% 21,65 12,71 4,4 52,95%
Mg(NO3)2 e 8,94 8,31 20,32 3,07 36,94% 22,06 13,12 4,81 57,88%
Nacl e 9,02 8,31 20,3 2,97 35,74% 21,37 12,35 4,04 48,62%
KNO3 e 8,55 8,31 19,3 2,44 29,36% 20,44 11,89 3,58 43,08%
100%
LiCl f 8,93 8,31 21,22 3,98 47,89% 24,72 15,79 7,48 90,01%
MgCl2 f 8,55 8,31 20 3,14 37,79% 21,56 13,01 4,7 56,56%
Mg(NO3)2 f 8,54 8,31 20,25 3,4 40,91% 22,32 13,78 5,47 65,82%
Nacl f 8,54 8,31 19,89 3,04 36,58% 22,32 13,78 5,47 65,82%
KNO3 f 9 8,31 19,84 2,53 30,45% 21,55 12,55 4,24 51,02%
Absorption 1 dag
Behållare LiCl RF MgCl2 RF Mg(NO3)2 RF NaCl RF KNO3
0% 0 0% 0 0% 0 0% 0 0%
a 5,90% 11 5,05% 11 4,45% 11 3,85% 11 3,61%
b 9,03% 33 7,10% 33 6,14% 33 5,42% 33 5,42%
c 22,26% 53 19,01% 53 18,41% 53 17,21% 53 15,76%
d 33,69% 75 28,52% 75 28,04% 75 26,96% 75 23,47%
e 46,57% 92 35,86% 92 36,94% 92 35,74% 92 29,36%
f 47,89% 100 37,79% 100 40,91% 100 36,58% 100 30,45%
Absorption 8 dagar.
Behållare LiCl RF MgCl2 RF Mg(NO3)2 RF NaCl RF KNO3
0% 0% 0% 0 0% 0 0% 0 0%
a 8,42% 11% 6,14% 11 5,66% 11 4,93% 11 4,93%
b 16,85% 33% 13,36% 33 12,64% 33 11,19% 33 11,19%
c 27,92% 53% 23,23% 53 23,47% 53 21,90% 53 20,10%
d 47,89% 75% 33,33% 75 36,70% 75 35,38% 75 29,60%
e 72,32% 92% 52,95% 92 57,88% 92 48,62% 92 43,08%
f 90,01% 100% 56,56% 100 65,82% 100 65,82% 100 51,02%
