食品廃棄物から部分的に作られた新しい膜材料は、建物が熱を蓄え、熱エネルギーをより効率的に伝達し、同時に湿気を管理するのに役立つ可能性があります。研究者たちは、食品廃棄物から得られたバイオチャー、グラフェン、相変化材料を組み合わせて、熱管理とエネルギー回収の換気設計に特化した紙製膜を作成しました。この材料は、相変化材料の一般的な問題を解決します。これらの材料は、融解時に熱を吸収し、固化時に熱を放出します。このような材料は熱エネルギーを蓄えるのに非常に有用ですが、多くの材料は熱伝導率が低く、液体になると漏れやすい可能性があります。
研究者たちは、華氏752度で混合食品廃棄物を炭化してバイオチャーを製造し、その後、華氏1,112度から1,472度の間で水酸化カリウムを用いて活性化しました。彼らはグラフェンを追加し、生成された多孔質構造を十六烷に浸しました。これは熱を蓄えたり放出したりするための相変化材料です。特に華氏1,292度で活性化されたバージョンは、1グラムあたり323.1平方メートルの表面積を持ち、メソポアがその孔構造の82.8%を占めるという優れた性能を示しました。これらの孔は相変化材料にスペースを提供し、同時に適切な位置に固定するのに役立ちます。
新型膜材料の熱管理とエネルギー回収における応用可能性
グラフェンは複合材料の熱性能をさらに改善しました。原料のバイオチャーを使用して作られた複合材料と比較して、グラフェンを用いたシステムは潜熱の蓄積量を最大72%向上させました。最適化されたFK7G/C22複合材料は、華氏116.1度で93.1 J/gの相変化エンタルピーに達しました。1,000回の加熱と冷却サイクルを経ても、最大90.2%のエンタルピーを保持し、この材料が複数回の熱蓄積と放出に耐えられることを示しています。
その後、研究者たちはこの複合材料を商業用紙製膜に統合し、生成された材料は換気システム用に設計されており、熱を交換しながら水蒸気を通過させることができます。延世大学の対応著者である金秀敏教授は、「廃棄物由来のバイオチャーを工学的に処理し、グラフェンと相変化材料と統合することで、単一の膜システム内で熱エネルギーの蓄積、熱伝達、構造の安定性、湿気管理を結合することができました。」と述べています。この膜の熱蓄積率は、参照用の原料紙膜よりも96.1%高く、同時に80.2%の大規模複合材料の潜熱を保持しています。
これは、紙ベースのシステムがこの材料の顕著な熱蓄積能力を保持しつつ、熱伝達効率を向上させることができることを意味します。湿気処理は設計のもう一つの重要な部分です。この膜が記録した等価空気層の厚さは0.71で、1.0の重要な閾値を下回り、高い水蒸気透過性を示しています。研究者たちは、これが関連するISO 12572およびASTM性能基準を満たしているとも述べています。この組み合わせは、エネルギー回収換気において機能し、出入りする空気が熱と湿気を交換できるようにします。相変化層は、一時的に熱エネルギーを蓄え、条件が変化したときに放出することができます。
この方法は、食品廃棄物に別の潜在的な用途を提供します。研究者たちは、その炭素含量を多孔質材料に変換し、熱エネルギー蓄積の構造フレームワークとして利用し、単に処理が必要な廃棄物と見なすのではなくなりました。チームは、この材料が最終的にエネルギー回収換気、建物の外装、熱快適システム、その他の建築用途に使用される可能性があると述べています。しかし、大規模な展開には、エネルギー需要、製造コスト、技術的経済性能に関するさらなる研究が必要です。関連する研究結果は『Biochar』ジャーナルに発表されています。