tổng hợp và đánh giá khả năng chuyển đổi quang nhiệt của vật liệu chuyển pha polyethylene glycol trên nền carbon cotton

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT PCM Phase change material Vật liệu chuyển pha SSPCM Shape-stabilized phase change material Vật liệu chuyển pha ổn định hình dạng TES Thermal energy storage Lưu trữ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT HÓA HỌC

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH

- -

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

SVTH: LÊ THỊ KIM PHỤNG MSSV: 19128062

GVHD: TS NGUYỄN TIẾN GIANG

TRÊN NỀN CARBON COTTON TỔNG HỢP VÀ ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG CHUYỂN ĐỔI QUANG - NHIỆT CỦA VẬT

LIỆU CHUYỂN PHA POLYETHYLENE

GLYCOL

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên em xin chân thành gửi lời cảm ơn đến Ban giám hiệu trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP Hồ Chí Minh đã tạo điều kiện thuận lợi về các cơ sở vật chất, các trang thiết bị ở phòng thí nghiệm để chúng em có thể học tập và nghiên cứu trong suốt 4 năm đại học Cảm ơn quý thầy cô khoa Công nghệ Hóa học và Thực phẩm đã hướng dẫn chỉ dạy nhiệt tình để truyền tải những kiến thức bổ ích về lĩnh vực Hóa học cả lý thuyết lẫn thực tế, giúp chúng em nắm được kiến thức chuyên môn về ngành hóa cũng như biết được những kiến thức thực tế khi còn ở giảng đường đại học

Đặc biệt em xin bày tỏ lòng biết sâu sắc đến thầy TS Nguyễn Tiến Giang khoa Công nghệ Hóa học và Thực phẩm, người đã tận tình chỉ dạy cũng như hướng dẫn và giúp đỡ em hết mình trong 8 tháng làm luận văn vừa qua, thầy đã giúp em học hỏi tiếp thu được nhiều kiến thức bổ ích và khắc phục được những sai sót, nhược điểm để có thể hoàn thiện tốt nhất bài luận văn này

Cuối cùng em cũng xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, người thân và bạn bè luôn chia sẻ, động viên và giúp đỡ em trong học tập cũng như trong suốt quá trình thực hiện luận văn để em có thể hoàn thành tốt khóa luận

Trong quá trình làm luận văn này, mặc dù đã có nhiều cố gắng để hoàn thành bài một cách tốt nhất nhưng do vốn kiến thức còn hạn chế nên không thể tránh khỏi những thiếu sót Mong quý thầy cô xem xét và góp ý để bài khóa luận này được hoàn thiện hơn

LỜI CAM ĐOAN

Khóa luận tốt nghiệp này là công trình nghiên cứu của cá nhân tôi dưới sự hướng dẫn trực tiếp của TS Nguyễn Tiến Giang, giảng viên khoa Công nghệ Hóa học và Thực phẩm, trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh Tất cả các tài liệu tham khảo được công bố đầy đủ, minh bạch Tôi xin cam đoan các số liệu được sử dụng trong khóa luận văn này là hoàn toàn trung thực do chính chúng tôi thực hiện và xin hoàn toàn chịu trách nhiệm

TP Hồ Chí Minh, ngày 31, tháng 07, năm 2023

Lê Thị Kim Phụng

MỤC LỤC

TÓM TẮT KHÓA LUẬN i

MỞ ĐẦU ii

1 Lý do chọn đề tài ii

2 Mục tiêu nghiên cứu iii

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu iii

4 Phương pháp nghiên cứu iii

5 Ý nghĩa khoa học iv

6 Ý nghĩa thực tiễn iv

CHƯƠNG 1: KIẾN THỨC TỔNG QUAN 1

1.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu 1

1.1.1 Tình hình nghiên cứu trong nước 1

1.1.2 Tình hình nghiên cứu ngoài nước 1

1.2 Lưu trữ nhiệt năng (TES) 3

1.5 Vật liệu chuyển pha ổn định hình dạng (SSPCM) 14

CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 17

2.1 Hóa chất và thiết bị 17

2.1.1 Hóa chất 17

2.1.2 Thiết bị 17

2.2 Quy trình thực hiện 17

2.2.1 Quy trình tổng hợp vật liệu PEG/CCB SSPCM 17

2.2.2 Quy trình kiểm tra độ bền vòng lặp của mẫu 75 wt% PEG/CCB SSPCM 18

2.2.3 Quy trình kiểm tra độ rò rỉ của PEG/CCB SSPCM 19

2.2.4 Đặc tính chuyển đổi quang thành nhiệt của SSPCM 20

2.3 Các phương pháp phân tích đánh giá 20

2.3.1 Kính hiển vi điện tử quét (SEM) 20

2.3.2 Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) 21

2.3.3 Phương pháp phân tích nhiệt trọng lượng (TGA) 21

2.3.4 Phương pháp quang phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FT-IR) 21

2.3.5 Phương pháp phân tích nhiệt lượng quét vi sai (DSC) 22

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 23

3.1 Phân tích vi cấu trúc và tính chất xốp 23

3.2 Đặc tính tinh thể của vật liệu PEG/CCB SSPCM 25

3.3 Khả năng tương thích hóa học của vật liệu PEG/CCB SSPCM 25

3.4 Đặc tính nhiệt của vật liệu PEG/CCB SSPCM 26

3.5 Độ bền nhiệt của vật liệu PEG/CCB SSPCM 28

3.6 Khả năng chống rò rỉ của vật liệu PEG/CCB SSPCM 30

3.7 Đặc tính chuyển đổi quang – nhiệt của vật liệu PEG/CCB SSPCM 31

3.8 Độ bền vòng lặp của vật liệu PEG/CCB SSPCM 32

KẾT LUẬN 34

TÀI LIỆU THAM KHẢO 35

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1 1 Ưu nhược điểm của các loại TES 6

Bảng 1 2 Ưu nhược điểm của các PCM 9

Bảng 1 3 Các tính chất của PCM 10

Bảng 2 1 Thống kê các loại hóa chất 17

Bảng 3 1 Tính chất nhiệt của các SSPCM so với PEG tinh khiết 28

Bảng 3 2 Tính chất nhiệt của SSPCM 75 wt% trước và sau 500 chu kỳ 33

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1 1 Sơ đồ biểu diễn quá trình chuyển pha 7

Hình 1 2 Phân loại vật liệu chuyển pha 8

Hình 1 3 Hình ảnh minh họa phân loại lỗ xốp của vật liệu xốp theo IUPAC 11

Hình 1 4 Sự phát sinh chất thải ngành dệt may ở Mỹ qua các giai đoạn 13

Hình 1 5 Cấu trúc phân tử cellulose (C6H10O5)n (a) và (b) CB 14

Hình 1 6 Minh họa quá trình tổng hợp SSPCM từ vật liệu xốp và PCM 14

Hình 1 7 Cấu trúc phân tử và hình ảnh của Polyethylene Glycol (PEG) 15

Hình 2 1 Quy trình điều chế PEG/CCB SSPCM 18

Hình 2 2 Quy trình kiểm tra độ bền vòng lặp đối với mẫu 75 wt% PEG/CCB SSPCM 19

Hình 2 3 Quy trình kiểm tra độ rò rỉ của các SSPCM và PEG tinh khiết 19

Hình 2 4 Quy trình thực nghiệm khả năng chuyển đổi quang thành nhiệt của SSPCM 20

Hình 3 1 Hình ảnh SEM của (a, b) CB ; (c, d) CCB ; (e) 55 wt% PEG/CCB; (f) 65 wt% PEG/CCB; (g) 75 wt% PEG/CCB; (h) 85 wt% PEG/CCB 24

Hình 3 2 Phổ XRD của các vật liệu PEG/CCB SSPCM và PEG tinh khiết 25

Hình 3 3 Phổ FTIR của các vật liệu (a) PEG/CCB SSPCM và PEG tinh khiết và (b) CCB ở độ phóng đại cao hơn 26

Hình 3 4 Đường cong DSC của PEG 1000 và các mẫu PEG/CCB SSPCM trong quá trình (a) nóng chảy và (b) kết tinh 27

Hình 3 5 Đường cong TGA của các mẫu PEG/CCB SSPCM và PEG tinh khiết 29

Hình 3 6 Hình ảnh các SSPCM và PEG tinh khiết trong thử nghiệm kiểm tra độ rò rỉ của vật liệu 30

Hình 3 7 (a) Ảnh nhiệt hồng ngoại và (b) Đường cong chuyển đổi năng lượng ánh sáng thành nhiệt của vật liệu 75 wt% PEG/CCB SSPCM và PEG tinh khiết 32

Hình 3 8 Đường cong DSC (a) và FTIR (b) của SSPCM 75 wt% trước và sau 500 chu kỳ 33

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

PCM Phase change material Vật liệu chuyển pha

SSPCM Shape-stabilized phase

change material

Vật liệu chuyển pha ổn định hình dạng TES Thermal energy storage Lưu trữ năng lượng nhiệt SHS Thermal energy storage Lưu trữ nhiệt hiện LHS Latent heat storage Lưu trữ nhiệt tiềm ẩn TCES Thermochemical energy

DSC

Differential scanning calorimetry

Phân tích nhiệt lượng quét

XRD X-ray diffraction Nhiễu xạ tia X

GHG Greenhouse Gas Khí gây hiệu ứng nhà kính

CNT Carbon nanotube

PEG Polyethylene glycol

CB Cotton fiber Vải cotton CCB Carbonized cotton fiber Vải carbon

FS Fumed silica

PW Paraffin

PET Polyethylene terephthalate EG Expanded graphite

TÓM TẮT KHÓA LUẬN

Trong khóa luận này, vật liệu chuyển pha ổn định hình dạng (Shape-stabilized phase change material (SSPCM)) được tổng hợp từ phương pháp ngâm tẩm dựa trên polyethylene glycol (PEG) kết hợp với vật liệu xốp từ vải cotton (Cotton fiber (CB)) Quá trình được tiến hành bằng cách nhiệt phân CB để tạo thành vải carbon (Carbonized cotton fiber (CCB)), sau đó ngâm tẩm với PEG nóng chảy thu được PEG/CCB SSPCM với hàm lượng PEG thay đổi từ 55 – 85 wt% Trong đó PEG đóng vai trò lưu trữ năng lượng, CCB giúp ngăn chặn sự rò rỉ của PEG trong quá trình chuyển pha và tăng cường độ dẫn nhiệt cho vật liệu Cấu trúc và các đặc tính của vật liệu PEG/CCB SSPCM tổng hợp được đánh bằng các phương pháp như kính hiển vi điện tử quét (SEM), phân tích nhiệt trọng lượng (TGA), phân tích nhiệt lượng quét vi sai (DSC), nhiễu xạ tia X (XRD), phương pháp quang phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FT-IR), camera hồng ngoại ghi lại tốc độ hấp thu ánh sáng và chuyển thành nhiệt của vật liệu Kết quả cho thấy SSPCM tổng hợp được với hàm lượng tối ưu là 75 wt% PEG có khả năng chống rò rỉ tốt, phân tích DSC cho thấy độ kết tinh cao 92,6 %, có nhiệt độ nóng chảy và kết tinh lần lượt 43,8 và 35,2 oC, khả năng lưu trữ nhiệt tiềm ẩn là 130,2 J/g Vật liệu SSPCM có khả năng chuyển đổi và lưu trữ quang-nhiệt tốt hơn đáng để so với PEG tinh khiết, có tiềm năng lớn trong việc khai thác năng lượng mặt trời Bên cạnh đó PEG/CCB SSPCM còn thể hiện độ tin cậy nhiệt cao sau 500 chu kỳ nóng chảy/kết tinh Từ những đặc tính nói trên cho thấy PEG/CCB SSPCM được chế tạo đơn giản, chi phí thấp có khả năng lưu trữ nhiệt tiềm ẩn lớn với độ tin cậy nhiệt cao hứa hẹn mang lại những ứng dụng tuyệt vời cho trong lĩnh vực lưu trữ năng lượng nhiệt

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Ngày nay, dân số ngày càng tăng nhanh dẫn đến nhu cầu sử dụng nhiệt và tỉ lệ tiêu thụ năng lượng ngày càng tăng, cùng với đó là nóng lên toàn cầu do phát thải khí nhà kính và việc sử dụng quá mức nhiên liệu hóa thạch [1] Con người hiện đang quan tâm tới việc sử dụng các nguồn năng lượng xanh và năng lượng tái tạo như năng lượng sinh học, năng lượng gió, năng lượng mặt trời và sử dụng hiệu quả nhiệt thải từ các ngành công nghiệp Tuy nhiên việc ứng dụng các năng lượng này dễ bị ảnh hưởng của thời tiết, địa điểm và thời gian, đặc biệt có nhược điểm riêng là gián đoạn, ngẫu nhiên và không ổn định tạo ra sự không phù hợp giữa cung và cầu [2] Việc tăng dân số nhanh cũng dẫn đến việc rác thải từ ngành dệt may ngày càng gia tăng nhanh chóng Theo thống kê, các loại rác thải này đã tăng gần 10 lần trong giai đoạn từ những năm 1960 đến năm 2018 tại Hoa Kỳ gây tác động xấu đến môi trường [3] Do đó việc tận dụng, tái chế đúng cách không những làm giảm ảnh hưởng tới môi trường mà còn giúp nâng cao giá trị cho loại rác thải này

Phương pháp lưu trữ nhiệt năng sử dụng vật liệu chuyển pha (PCM) đang được ứng dụng nhiều trong lưu trữ năng lượng nhiệt do có mật độ lưu trữ năng lượng cao và độ bền cao Trong các PCM thì polyethylene glycol đã được nghiên cứu rộng rãi vì khả năng lưu trữ nhiệt tiềm ẩn cao, độ ổn định nhiệt tốt, không độc và không ăn mòn, có thể điều chỉnh thông qua việc thay đổi trọng lượng phân tử [4] Tuy nhiên PEG có một nhược điểm là bị rò rỉ ở thể lỏng trong quá trình chuyển pha, dẫn đến sự hao hụt và gây ô nhiễm đến môi trường Để khắc phục nhược điểm đó, PEG thường được cố định trong các vật liệu xốp hoặc vật liệu composite được gọi là vật liệu chuyển pha ổn định hình dạng để ngăn chặn PEG rò rỉ trong quá trình chuyển pha Trong đề tài này, để góp phần tận dụng sản phẩm dệt may đã qua sử dụng, vải với thành phần 100% cotton được than hóa và ứng dụng làm vật liệu xốp cho PEG, tạo ra vật liệu SSPCM với giá thành rẻ và có khả năng cao trong việc chuyển đổi và lưu trữ năng lượng quang-nhiệt Xuất phát từ vấn đề đó tôi quyết định chọn đề tài “Tổng hợp và đánh giá khả năng chuyển đổi quang-nhiệt của vật liệu chuyển pha polyethylene glycol trên nền carbon cotton”

2 Mục tiêu nghiên cứu

Trong khóa luận này, chúng tôi nghiên cứu tạo ra SSPCM dựa trên PEG và CB, mục đích ứng dụng vào việc lưu trữ năng lượng nhiệt cũng như cải thiện được nhược điểm của PEG đó là ngăn chặn sự rò rỉ của PEG tinh khiết trong quá trình chuyển pha PEG là một PCM hữu cơ rắn-lỏng được dùng làm vật liệu chuyển pha nhằm lưu trữ năng lượng nhiệt vì nó có khả năng lưu trữ nhiệt cao, phạm vi nhiệt độ chuyển pha thích hợp, hành vi chuyển pha đẳng nhiệt, giá thành rẻ, không ăn mòn, không độc hại và không phân hủy trong quá trình nóng chảy/kết tinh CB được chọn làm vật liệu xốp vì khi carbon hóa nó có các đặc điểm của cấu trúc xốp, khả năng uốn dẻo tốt, khả năng tạo hình đa dạng, giá thành sản xuất thấp, nhiều sợi carbon rỗng trong CCB được sắp xếp hợp lý dự trữ tính linh hoạt và độ xốp từ CCB đóng vai trò là khung đỡ tốt, linh hoạt để khi kết hợp sẽ tạo ra một loại SSPCM mới có thể có ứng dụng rộng rãi để lưu trữ và quản lý năng lượng nhiệt [5] Cụ thể hơn trong bài luận này, tôi đã đặt ra những mục tiêu nghiên cứu sau:

Tổng hợp vật liệu xốp CCB bằng cách nhiệt phân CB Tổng hợp vật liệu chuyển pha ổn định hình dạng PEG/CCB SSPCM bằng phương pháp ngâm tẩm

Khảo sát và đánh giá các ảnh hưởng của vật liệu xốp CCB đến các thuộc tính khác nhau của vật liệu PEG/CCB SSPCM như hình thái học, cấu trúc, độ ổn định nhiệt, khả năng tương thích hóa học và sự thay đổi pha của vật liệu

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu: Khóa luận tập trung nghiên cứu về PEG 1000, CCB và vật liệu PEG/CCB SSPCM

Phạm vi nghiên cứu: vật liệu chuyển pha ổn định hình dạng dựa trên PEG và CCB

4 Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu tổng hợp vật liệu xốp là CCB và vật liệu chuyển pha ổn định hình dạng PEG/CCB SSPCM bằng phương pháp ngâm tẩm

Phân tích và đánh giá vật liệu SSPCM bằng các phương pháp phân tích như: kính hiển vi điện tử quét (SEM), nhiễu xạ tia X (XRD), phương pháp quang phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FT-IR), phân tích nhiệt lượng quét vi sai (DSC), phân tích nhiệt trọng lượng (TGA)

5 Ý nghĩa khoa học

Kết quả của khóa luận là cơ sở khoa học góp phần nghiên cứu chế tạo ra một vật liệu chuyển pha ổn định hình dạng PEG/CCB SSPCM có mật độ lưu trữ cao, độ ổn định nhiệt tốt, phương pháp chế tạo đơn giản, chi phí thấp, được ứng dụng cho các ứng dụng lưu trữ nhiệt năng

6 Ý nghĩa thực tiễn

Tổng hợp vật liệu chuyển pha dạng bền từ các nguồn nguyên liệu chi phí thấp, dễ kiếm, không độc hại cũng như giải quyết được vấn đề ô nhiễm môi trường

CHƯƠNG 1: KIẾN THỨC TỔNG QUAN

1.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu

1.1.1 Tình hình nghiên cứu trong nước

Năm 2022, Ts Nguyễn Tiến Giang [6] tại trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh đã nghiên cứu và tổng hợp thành công vật liệu chuyển pha ổn định hình dạng sử dụng polyethylene glycol (PEG) làm vật liệu chuyển pha PCM được chứa trong silica FS làm chất hỗ trợ xốp Kết quả cho thấy vật liệu SSPCM với 80 wt% PEG/FS thể hiện độ kết tinh cao 93,1%, khả năng lưu trữ năng lượng nhiệt tuyệt vời 130,6 J/g Cùng với đó là độ bền, độ tin cậy nhiệt tuyệt vời sau khi trải qua 500 chu kỳ nóng chảy/kết tinh Các PEG/FS SSPCM có thể kết hợp với thạch cao giúp làm chậm quá trình truyền nhiệt hiệu quả so với thạch cao nguyên chất thích hợp cho ứng dụng quản lí nhiệt tòa nhà

Năm 2021, Ts Nguyễn Tiến Giang cùng các cộng sự [7] dựa trên azelaic acid (AA) và expanded graphite (EG) tổng hợp nên vật liệu chuyển pha ổn định hình dạng AA/EG SSPCM bằng phương pháp ngâm tẩm Vật liệu thu được chứa lượng lớn PCM với 85 % wt AA, sở hữu khả năng lưu trữ nhiệt ẩn cao với 162,5 J/g và 162,2 J/g đối với quá trình nóng chảy/kết tinh và đặc tính ổn định nhiệt cao sau 200 chu kỳ nóng chảy/kết tinh Hơn nữa AA/EG SSPCM có độ dẫn nhiệt cao 3,25 W/m.k tăng 15,7 lần so với AA tinh khiết, với 85 wt% AA vật liệu có độ bền nhiệt và ổn định hình dạng tuyệt vời Hiệu suất lưu trữ và giải phóng nhiệt cao, cao hơn 5 – 7,4 lần so với AA tinh khiết

1.1.2 Tình hình nghiên cứu ngoài nước

Năm 2013 Li và các cộng sự [8] sử dụng phương pháp sol-gel để áp dụng vào việc điều chế vật liệu chuyển pha ổn định hình dạng polyethylene glycol/silicon dioxide (PEG/SiO2

SSPCM) Vật liệu sau khi tổng hợp có đặc tính lưu trữ nhiệt tuyệt vời với enthalpy từ 63,4 J/g – 128,4 J/g tương ứng với khối lượng PEG từ 50 wt% - 80 wt% Độ dẫn nhiệt của

cho thấy độ dẫn nhiệt tăng gấp đôi 0,558 w/m.k Bên cạnh đó, vật liệu tạo ra có độ tương thích hóa học tốt, khả năng chống rò rỉ lên đến 80 wt% PEG

Năm 2018, Keyan Sun cùng với các cộng sự [9] đã tổng hợp vật liệu chuyển pha ổn định hình dạng polyethylene glycol/silica-hydroxyl (PEG/SHC SSPCM) bằng phương pháp sol-gel Kết quả cho thấy thành phần của PEG chiếm đến 80 wt% mà không có sự rò rỉ đáng kể nào xảy ra Đặc tính quan trọng khác của PEG/SHC SSPCM là khả năng dẫn nhiệt cao 0,4 W/m.k lớn hơn 30% so với PEG tinh khiết 0,31 W/m.k Vật liệu tạo ra có dung lượng lưu trữ nhiệt cao 132,4 J/g và 133,4 J/g đối với cả quá trình nóng chảy và kết tinh, các SSPCM có đặc tính nhiệt ổn định và khả năng tương tương thích hóa học tốt sau 30 chu kỳ nóng chảy/kết tinh

Năm 2019 Zhang và cộng sự [10] dựa trên polyethylene glycol và Ag-GNS để tổng hợp vật liệu chuyển pha ổn định hình dạng Ag-GNS/PEG SSPCM Vật liệu thu được có dung lượng lưu trữ và giải phóng năng lượng nhiệt cao trên 166,1 J/g cụ thể là 177,2 J/g ở quá trình nóng chảy và 179,2 đối với quá trình kết tinh Độ dẫn nhiệt tăng 49,5 – 95,3% so với PEG tinh khiết, đặc biệt vật liệu có đặc tính hấp thụ năng lượng mặt trời và chuyển đổi quang – nhiệt tuyệt vời với hiệu suất đạt 88,7% - 92% và khả năng ổn định hình dạng được tăng cường

Năm 2020 Sheng và cộng sự [11] đã chế tạo thành công vật liệu chuyển pha ổn định hình dạng với paraffin PW và CB bằng phương pháp ngâm tẩm Kết quả thu được vật liệu với tỉ lệ 83,5 wt% PW có hệ số dẫn nhiệt tăng và tăng lên từ 0,99 W/m.k theo hướng dọc của tấm carbon và 0,68 W/m.k từ hướng ngang, cao hơn rất nhiều so với PW 0,25 W/m.k Khả năng hấp thụ và tản nhiệt của vật liệu được xác định theo hướng các sợi xếp theo chiều dọc và chiều ngang thông qua ảnh nhiệt hồng ngoại Kết quả cho thấy hướng dọc có tốc độ hấp thụ nhiệt độ cao hơn và hạ nhiệt cũng nhanh hơn so với hướng ngang ở cùng thời gian Vật liệu SSPCM có hiệu suất lưu trữ nhiệt cao 182,8 J/g đối với quá trình nóng chảy và 179,6 J/g ở quá trình kết tinh Đặc biệt sau 100 chu kỳ nóng chảy/kết tinh thì vật liệu không có sự thay đổi đáng kể nào xảy ra

Năm 2022 Wang cùng các cộng sự [12] đã tổng hợp vật liệu chuyển pha ổn định hình dạng polyethylene glycol/Mxene-cellulose (PMC SSPCM) Vật liệu tạo ra với 90 wt% PEG có đặc tính lưu trữ cao và cao tới khoảng 183 J/g ở cả quá trình nóng chảy và kết tinh, bên cạnh đó PEG/MC SSPCM có độ dẫn nhiệt cao 0,35 – 0,4 W/m.k cao hơn so với PEG tinh khiết (0,29 W/m.k) do sự hình thành đường dẫn nhiệt kết hợp với giảm điện trở nhiệt tiếp xúc trong cấu trúc của PEG/MC SSPCM Vật liệu còn có độ tương thích hóa học và độ ổn định nhiệt tuyệt vời Ngoài ra, với sự kết hợp của Mxene giúp vật liệu sở hữu đặc tính chuyển đổi quang thành nhiệt và lưu trữ dưới dạng nhiệt ẩn với hiệu suất chuyển đổi cao 81,9 - 91,6% trong quá trình nóng chảy và 80,8 – 90,2% ở quá trình kết tinh

Trong nghiên cứu năm 2023 của Chengzhi Zhao cùng các cộng sự [13] đã nghiên cứu tổng hợp ra SSPCM dựa trên graphene, paraffin và CB bằng phương pháp ngâm tẩm Điểm mới của quy trình này là đưa graphene vào bọc quanh các sợi cotton giúp cải thiện được độ xốp và tăng hiệu suất dẫn nhiệt của SSPCM Kết quả cho thấy SSPCM được tạo ra có khả năng lưu trữ nhiệt cao 187 J/g với 86,28 wt% PW trong hỗn hợp Hơn nữa SSPCM có độ dẫn nhiệt cao 2,13 W/m.k đối với hướng dọc của tấm vật liệu, gấp đôi so với phương bên và hơn 8,5 lần so với PW tinh khiết Khả năng chuyển đổi quang nhiệt của PW thấp hơn SSPCM, nhiệt độ có thể hấp thụ cao nhất ở 50 oC, tuy nhiên SSPCM có nhiệt độ duy trì trong khoảng 68 oC và 78 oC cao hơn PW trong cùng một khoảng thời gian Vật liệu tổng hợp được còn có khả năng ổn định nhiệt tốt, hiệu suất chống rò rỉ cao, có độ bền cao thay đổi không đáng kể sau 200 chu kỳ nóng chảy/kết tinh

1.2 Lưu trữ nhiệt năng (TES)

Lưu trữ năng lượng nhiệt Thermal energy storage (TES) là một công nghệ dự trữ năng lượng nhiệt bằng cách làm nóng hoặc làm mát có thể được ứng dụng sau này cho các ứng dụng sưởi ấm, làm mát và làm mát Hệ thống lưu trữ năng lượng nhiệt có thể lưu trữ nhiệt hoặc lạnh để sử dụng trong các điều kiện khác nhau như nhiệt độ, địa điểm hoặc nguồn điện Công dụng chính của TES là giúp khắc phục sự không phù hợp giữa sản xuất và sử dụng năng lượng Ưu điểm của việc sử dụng TES trong hệ thống năng lượng bao gồm tăng

1.2.1 Phân loại

Có ba loại hệ thống lưu trữ nhiệt năng: lưu trữ nhiệt hiện (Sensible Heat Storage, SHS), lưu trữ nhiệt tiềm ẩn (Latent Heat Storage, LHS) và lưu trữ nhiệt hóa (Thermochemical Energy Storage, TCES) [15]

1.2.1.1 Lữu trữ nhiệt hiện (SHS)

Trong lưu trữ nhiệt hiện (SHS), năng lượng nhiệt được lưu trữ bằng cách tăng nhiệt độ của chất rắn hoặc chất lỏng, hệ thống này tận dụng nhiệt dung và sự thay đổi nhiệt độ của vật liệu trong quá trình nạp và xả [16] Vật liệu lưu trữ có thể là nước, không khí, dầu, gạch, bê tông,… Môi trường lưu trữ có thể ở các pha khác nhau như dạng lỏng (nước, muối nóng chảy hoặc dầu), rắn (đá, bê tông) hoặc lỏng với vật liệu độn rắn (muối nóng chảy/đá) [17] Chất lỏng SHS được sử dụng tốt nhất dường như là nước vì nước có nhiệt dung riêng cao, chi phí thấp, tuy nhiên trong trường hợp trên 100oC thì dầu, muối nóng chảy được sử dụng [15]

Lượng năng lượng lưu trữ được tính như sau: Q = ∫ 𝑚 𝐶𝑇𝑇𝑓 𝑝

𝑖 𝑑𝑇 = m.𝐶𝑝(𝑇𝑓 − 𝑇𝑖) [18] Trong đó:

Q là lượng nhiệt được lưu trữ trong vật liệu (J) m: khối lượng vật liệu lưu trữ (kg)

𝐶𝑝: nhiệt dung riêng của vật liệu lưu trữ (J/kg.K) 𝑑𝑇: sự thay đổi nhiệt độ (K)

1.2.1.2 Lưu trữ nhiệt tiềm ẩn (LHS)

Hệ thống lưu trữ nhiệt tiềm ẩn (LHS) dựa trên nhiệt hấp thụ hoặc giải phóng khi vật liệu lưu trữ trải qua sự thay đổi pha từ rắn sang lỏng hoặc từ lỏng sang khí và ngược lại Đa phần sự thay đổi pha rắn sang lỏng được thực hiện, cụ thể là làm nóng chảy và hóa rắn vật

liệu Trong LHS năng lượng nhiệt được lưu trữ dưới dạng nhiệt ẩn điển hình là nhiệt của phản ứng trong tổng hợp trong quá trình chuyển đổi chất lỏng-rắn [19] Ban đầu nhiệt được nóng chảy sẽ truyền đến vật liệu và sẽ lưu trữ lượng nhiệt đó ở nhiệt độ không đổi, tiếp tục khi vật liệu rắn lại nhiệt sẽ được giải phóng PCM được biết đến và sử dụng nhiều nhất là nước, vật liệu được sử dụng lưu trữ nhiệt ẩn gọi là vật liệu chuyển pha (PCM) [15] Thông thường mật độ lưu trữ của môi trường LHS cao hơn và có sự thay đổi nhiệt độ nhỏ hơn khi lưu trữ và giải phóng nhiệt so với SHS do sự thay đổi enthalpy cao trong quá trình chuyển pha [20]

Dung lượng lưu trữ của hệ thống LHS được tính như sau: Q = ∫𝑇𝑇𝑝𝑐𝐶𝑠

1 𝑑𝑇 + ∆𝐻𝑠 + ∫𝑇𝑇2 𝐶𝑙

𝑝𝑐 𝑑𝑇 [18]

Trong đó: Q là lượng nhiệt được lưu trữ trong vật liệu (J) T1, T2 lần lượt là nhiệt độ ban đầu và lúc sau của vật liệu (oC)

𝑇𝑝𝑐 là nhiệt chuyển pha (oC) ∆𝐻𝑠 là nhiệt nóng chảy (J/g) 𝐶𝑠, 𝐶𝑙 là nhiệt dung riêng của vật liệu chuyển pha ở thể rắn và lỏng (J/kg.K)

1.2.1.3 Lưu trữ năng lượng nhiệt hóa (TCES)

Lưu trữ năng lượng nhiệt hóa được tạo ra khi một phản ứng hóa học có năng lượng cao tham gia vào phản ứng được sử dụng để lưu trữ năng lượng, quá trình lưu trữ này chỉ được sử dụng cho các phản ứng thuận nghịch Các phản ứng chính được sử dụng trong phản ứng hydrat hóa môi trường lưu trữ là phản ứng phân hủy amoniac, phản ứng oxy hóa kim loại và phản ứng cacbonate hóa Thông thường TCES có hiệu suất lưu trữ năng lượng cao hơn so với các phương pháp vật lý như: lưu trữ nhiệt hiện (SHS) và nhiệt tiềm ẩn (LHS) [15] Lưu trữ năng lượng nhiệt hóa TCES thích hợp cho các ứng dụng lưu trữ dài hạn điển hình

là lưu trữ năng lượng mặt trời theo mùa bởi quá trình này trong thời gian lưu trữ hầu như không làm thất thoát năng lượng [21]

1.2.1.4 So sánh ưu nhược điểm của các loại TES

Ưu và nhược điểm của các loại TES được thể hiện trong bảng dưới đây [21]:

Bảng 1 1 Ưu nhược điểm của các loại TES

Các loại lưu trữ năng lượng TES Lưu trữ nhiệt hiện

Giá thấp Đáng tin cậy Ứng dụng đơn giản với các vật liệu có sẵn

Mật độ lưu trữ trung bình

Khối lượng nhỏ Khả năng vận chuyển khoảng cách ngắn

Mật độ lưu trữ cao Thời gian lưu trữ dài Khả năng vận chuyển đường dài

Lưu trữ năng lượng rất nhỏ gọn

Tổn thất nhiệt thấp

Nhược điểm

Nhiệt dung thấp Thất thoát nhiệt

Độ dẫn nhiệt thấp Tổn thất nhiệt đáng kể Có tính ăn mòn

Chi phí cao Kỹ thuật phức tạp

1.2.2 Ứng dụng

Lưu trữ năng lượng nhiệt TES là công nghệ tiên tiến để lưu trữ năng lượng nhiệt giúp giảm thiểu tác động của môi trường, tạo điều kiện cho hệ thống năng lượng sạch và hiệu quả hơn Sử dụng trong sưởi ấm/làm mát tòa nhà bằng năng lượng mặt trời, đun nước bằng năng lượng mặt trời, hệ thống bơm nhiệt và nhà máy điện mặt trời [14] Trong các nghành công nghiệp chế biến để thu hồi và sử dụng nhiệt lượng, bên cạnh đó PCM có nhiệt độ chuyển pha ở 45 oC được đề xuất áp dụng vào hệ thống bộ pin thực [22] Ngoài ra việc ứng dụng hệ thống lưu trữ nhiệt năng TES bằng vật liệu chuyển pha (PCM) là một giải pháp hiệu quả để tiết kiệm năng lượng, giảm phát thải khí nhà kính (GHG) và giảm mức tiêu thụ nhiên

liệu hóa thạch nguyên nhân gây ra lượng khí thải CO2 giúp giảm thiểu sự nóng lên toàn cầu [23]

1.3 Vật liệu chuyển pha (PCM)

1.3.1 Giới thiệu

Vật liệu chuyển pha (PCM) là vật liệu có khả năng lưu trữ hoặc giải phóng nhiệt tiềm ẩn Sự truyền năng lượng nhiệt xảy ra khi một vật liệu chuyển từ thể rắn sang lỏng, lỏng sang rắn hoặc từ lỏng sang khí, việc này gọi là sự thay đổi trạng thái hoặc sự “chuyển pha” Nhiệt độ mà tại đó PCM chuyển pha từ rắn sang lỏng gọi là điểm nóng chảy (melting point), ngược lại từ lỏng sang rắn được gọi là điểm kết tinh (freezing point) Không giống như các vật liệu lưu trữ nhiệt thông thường, PCM hấp thụ và giải phóng nhiệt ở nhiệt độ gần như không đổi và lưu trữ nhiệt nhiều hơn 5-14 lần trên một đơn vị thể tích so với các vật liệu khác như nước, gạch xây hoặc đá [16] Hơn nữa PCM có tính ổn định hóa học lâu dài, không cháy nổ, không độc hại và không ăn mòn cũng như không bị phân hủy sau các chu kỳ nhiệt dài hạn, tính chất hóa học tốt có khả năng tương thích với các vật liệu khác Vật liệu chuyển pha sở hữu khả năng thay đổi trạng thái của chúng với một phạm vi nhiệt độ nhất định Khi nhiệt độ tăng lên, các vi nang PCM sẽ hấp thụ nhiệt và lưu trữ năng lượng này trong các vật liệu chuyển pha hóa lỏng Ngược lại, khi nhiệt độ giảm xuống các viên nang siêu nhỏ PCM giải phóng năng lượng nhiệt được lưu trữ, sau đó PCM sẽ hóa rắn [24] Quá trình chuyển pha của PCM từ thể rắn sang lỏng và ngược lại được thể hiện dưới dạng:

Những PCM thường được ứng dụng để lưu trữ nhiệt bao gồm các hợp chất hữu cơ, muối vô cơ và eutectic của chúng [25]:

Hình 1 2 Phân loại vật liệu chuyển pha

1.3.1.1 PCM hữu cơ

PCM hữu cơ không bị hiện tượng siêu lạnh trong quá trình chuyển pha và có khả năng chống ăn mòn tốt Trong PCM hữu cơ, các hợp chất paraffin là các hydrocacbon có nhiệt độ chuyển pha phụ thuộc chủ yếu vào độ dài của mạch hydrocacbon Các loại paraffin thương mại được sử dụng rộng rãi vì giá thành thấp, không bị ăn mòn và đáng tin cậy [26]

1.3.1.2 PCM vô cơ

PCM vô cơ được phân loại thành muối hydrate và PCM kim loại Muối hydrate thường là tinh thể của muối vô cơ và nước, PCM kim loại là kim loại và hợp kim Các PCM vô cơ có độ dẫn nhiệt và dung lượng lưu trữ năng lượng cao hơn so với PCM hữu cơ

1.3.1.3 Eutectic

Là các PCM bao gồm hai hoặc nhiều thành phần có nhiệt độ nóng chảy thấp, mỗi thành phần nóng chảy và kết tinh đồng dạng để tạo thành hỗn hợp các tinh thể trong quá trình kết tinh PCM eutectic có thể được điều chỉnh bằng cách trộn vô cơ-vô cơ, hữu cơ-hữu cơ hoặc hỗn hợp của hai PCM theo tỷ lệ mong muốn Các PCM này thể hiện mật độ và độ dẫn nhiệt

cao hơn, tuy nhiệt dung riêng và nhiệt ẩn của hỗn hợp lại thấp hơn so với paraffin và muối hydrate [25] Ngoài ra các PCM còn được phân loại dựa theo nhiệt độ chuyển pha [27]:

- PCM nhiệt độ thấp (PCM có điểm nóng chảy < 220 oC) - PCM nhiệt độ trung bình (PCM có điểm nóng chảy từ 220 oC - 420 oC) - PCM nhiệt độ cao (PCM có điểm nóng chảy > 420 oC)

Ưu và nhược điểm của các PCM được thể hiện trong bảng dưới đây:

Bảng 1 2 Ưu nhược điểm của các PCM

PCM hữu cơ PCM vô cơ PCM Eutectic

Ưu điểm

Độ bền hóa học và nhiệt cao

Không bị ăn mòn

Độ dẫn nhiệt cao Chi phí thấp Nhiệt chuyển pha cao

Độ dẫn nhiệt cao Mật độ cao, không bị phân tách

Nhược điểm

Độ dẫn nhiệt thấp Dễ cháy

Công suất ẩn nhiệt tương đối nhỏ Gây hại cho môi trường và sức khỏe con người

Nhiệt dung riêng và nhiệt ẩn thấp

1.3.1.4 Tiêu chí lựa chọn PCM

PCM lý tưởng phải đáp ứng một số tiêu chí liên quan đến các tính chất vật lý nhiệt, động học và hóa học [28] như:

1.3.2 Ứng dụng

PCM ngày nay được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực khác nhau như thu hồi nhiệt thải, lưu trữ nhiệt trong các tòa nhà [29] vì khi PCM ở trong các hệ thống thụ động PCM sẽ hấp thụ nhiệt và chuyển pha từ trạng thái rắn sang trạng thái lỏng để dòng nhiệt có thể được giảm từ trong nhà ra ngoài trời khi nhiệt độ trong nhà vượt quá điểm nóng chảy của PCM Ngược lại khi nhiệt độ trong nhà thấp hơn điểm nóng chảy, PCM sẽ giải phóng nhiệt đã được lưu trữ để giữ nhiệt độ liên tục [30] PCM còn được ứng dụng trong công nghệ lưu trữ năng lượng mặt trời, dệt may thông minh, vật liệu sinh học y sinh và ứng dụng Bên cạnh đó PCM còn được đưa vào hệ thống quản lí nhiệt pin giúp giảm chênh lệch nhiệt độ và nhiệt độ tối đa trong bộ pin [31] Ngoài ra còn có các lĩnh vực khác như công nghệ ô tô, ứng dụng vũ trụ, công nghiệp thực phẩm,…[28]