Nghiên cứu tổng hợp nanofluids trên cở sở graphene oxide-ethylene glycol và tính chất chống ăn mòn kim loại

Tiền chất CuOH2 được biếnđổi hoàn toàn để hạt nano CuO phân tán đều trong dung dịch dưới chiếu xạ vi sóng.Các citrate amoni ngăn chặn sự kết tụ của các hạt nano nên nanofluids CuO ổn địn

TEM Transmission Electron Microscope

SEM Scanning Electron Microscope

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU TRONG ĐỒ ÁN

2 1.2 Độ dẫn điện tăng của nanofluids cacbon khác nhau 26

3 2.1 Bảng thống kê các dụng cụ, thiết bị phục vụ cho

quá trình làm đề tài

30

5 3.1 Thành phần khối lượng và thành phần nguyên tử

của mẫu GO M60-3

47

6 3.2 Kết quả đánh giá hiệu quả chống ăn mòn điện hóa

của các nanofluids ở các nồng độ khác nhau

50

7 3.3 Kết quả đánh giá ăn mòn tấm đồng ở 100oC trong

3h

54

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ TRONG ĐỒ ÁN

TRANG

1 Hình 1.1 Số bài báo nghiên cứu về nanofluids mỗi năm 2

Tỷ lệ xuất hiện từ “nanofluid” trong tiêu đề bàiviết, nghiên cứu cho các tạp chí truyền nhiệt hàng đầu (ATE - Applied Thermal

Engineering, ICHMT - International Communications in Heat and Mass Transfer, IJHMT - International Journal of Heat and Mass Transfer, JH - Journal of Heat Transfer, IJERT - International Journal of Thermal Sciences)

3

3 Hình 1.3 Phương pháp phân tán nanofluids 2 giai đoạn 4

4 Hình 1.4 Phương pháp phân tán nanofluids 1 bước 4

5 Hình 1.5 Sơ đồ minh họa quá trình chuyển pha 6

6 Hình 1.6 Biểu đồ lượng nhiệt trên con Chíp điện tử 9

Hiệu quả trao đổi nhiệt của hệ thống thu hồi nhiệt của nanofluids với các nồng độ Al2O3 khác nhau

20

11 Hình 1.12

Sự giảm áp lực của nanofluids so với chất lỏng

cơ bản trong thiết bị trao đổi nhiệt dạng tấm (PHE)

21

12 Hình 1.13 Tạo graphene oxit bằng phương pháp hóa học 24

14 Hình 1.15 Công thức cấu tạo của Triethyl borat 28

15 Hình 1.16 Công thức cấu tạo của Benzo triazol 29

16 Hình 1.17 Mô hình mô phỏng quá trình chống ăn mòn

17 Hình 2.1 Phân bố kích thước hạt (trên) và ảnh SEM

18 Hình 2.2 Sơ đồ thí nghiệm phản ứng tạo graphite oxit 32

21 Hình 2.5 Máy quang phổ hồng ngoại FTIR IMPACT

22 Hình 2.6 Hệ thiết bị đo ăn mòn CCM-HH1 ở viện

23 Hình 2.7 Tấm inox làm điện cực đối, điện cực đồng và

thép ở phòng thí nghiệm nhiên liệu, dầu mỡ 39

24 Hình 2.8 Kết quả của phép đo điện hóa hiển thị trên màn

25 Hình 2.9 Thiết bị đo ăn mòn tấm đồng ở viện KH&CN

26 Hình 2.10 Bảng màu chỉ thị độ ăn mòn của tấm đồng 40

27 Hình 3.1 Ảnh hưởng của nhiệt độ oxy hoá tới hiệu suất

(A) và độ hoà tan (B) của GO sản phẩm 42

28 Hình 3.2 Ảnh hưởng của thời gian oxy hoá tới hiệu suất

(A) và độ hoà tan (B) của GO sản phẩm 43

29 Hình 3.3 Phân bố kích thước hạt của mẫu GO M70-3

30 Hình 3.4 Kết quả phân tích SEM các mẫu GO M60-3

31 Hình 3.5 Kết quả phân tích XPS mẫu GO M60-3 48

32 Hình 3.6 Kết quả phân tích FT-IR của graphite nguyên

MỞ ĐẦU

Ngày nay, nhiều ngành công nghiệp phải đối mặt với những thách thức về vấn

đề trao đổi nhiệt, với nhu cầu cấp bách về hệ thống làm mát hiệu suất cao Tuynhiên, chất lỏng làm mát thông thường có tính truyền nhiệt kém, không đáp ứngđược nhu cầu sử dụng thực tế ngày càng cao Do đó, cần có chất lỏng làm mát hiệusuất cao trong các hệ thống trao đổi nhiệt Mặc dù việc sử dụng các hạt vật liệu kimloại dẫn nhiệt mang lại hiệu quả tốt trong ngành công nghiệp, nhưng chúng khôngphù hợp cho các ứng dụng truyền nhiệt, do sự kết tụ của các hạt vật liệu Sự kết tụcủa các hạt vật liệu này gây ra sự tăng áp cục bộ trong đường ống, gây mài mòn vàtắc nghẽn, đặc biệt là trong các hệ thống trao đổi nhiệt nhỏ [1,2]

Nanofluids – chất lỏng nano là một dạng mới của chất lỏng truyền nhiệt bởi sựđồng nhất và sự ổn định của các hạt có kích thước nano khi phân tán trong chất lỏnglàm mát Hầu hết nanofluids có nồng độ rất thấp, hạt nano tạo huyền phù ổn địnhtrong chất lỏng vì chỉ chứa một lượng rất nhỏ, dưới 1% khối lượng Kích thướctrung bình của các hạt nano được sử dụng trong nanofluids có thể thay đổi từ 1 đến

100 nm (tốt nhất là <10 nm) Vì kích thước của các hạt nano là rất nhỏ, nên huyềnphù có độ ổn định cao, do đó làm giảm đáng kể sự mài mòn và tắc nghẽn so với hệhuyền phù của các hạt lớn hơn Ngoài ra, diện tích bề mặt lớn hơn của các hạt nanotrong nanofluids có thể cải thiện sự truyền nhiệt [1,2]

Chất lỏng nano thay đổi đáng kể các tính chất nhiệt của chất lỏng cơ sở.Nanofluids ổn định có tính chất đặc biệt như độ dẫn nhiệt cao, hệ số truyền nhiệtđối lưu cao, tính chất dẫn điện Những tính chất đặc biệt này của nanofluids đã đượccác nhà khoa học nghiên cứu ứng dụng vào nhiều lĩnh vực như: truyền nhiệt, làmmát, sưởi ấm, năng lượng mặt trời, hàng không vũ trụ, quân sự quốc phòng …Trong đó, nanofluids dựa trên cơ sở của các hạt nano graphite oxit phân tán trongchất lỏng cơ sở ethylene glycol và nước đã và đang được nghiên cứu, ứng dụngnhiều nhất Do graphene có nhiều tính chất ưu việt như tính chất siêu dẫn nhiệt, dẫnđiện [3]

Tuy nhiên, nanofluids nói chung và nanofluids dựa trên cơ sở của grapheneoxit, chất lỏng cơ sở ethylene glycol và nước vẫn gặp nhưng thách thức nhất định:tính ổn định, độ nhớt cao và đặc biệt là tính ăn mòn kim loại Đã có nhiều nghiêncứu đánh giá cũng như tìm giải pháp khắc phục, loại bỏ các thách thức để ứng dụng

nanofluids này được đưa vào thực tiễn Đề tài nghiên cứu: “Nghiên cứu tổng hợp nanofluids trên cở sở graphene oxide/ethylene glycol và tính chất chống ăn

mòn kim loại” được đặt ra, với cố gắng góp một phần nhỏ công sức để nghiên cứu

vào ứng dụng nanofluids GO/EG vào thực tế

Với đề tài như trên, bài đồ án trình bày gồm 3 chương:

- Chương 1: Tổng quan ly thuyết về nanofuids, nanofuilds dựa trên cơ sởgraphit oxit và ethylene glycol

- Chương 2: Trình bày về các hóa chất, dụng cụ và thiết bị thí nghiệm; cáchtiến hành tổng hợp graphit oxit và phân tán nanofluids GO/EG

- Chương 3: Kết quả và thảo luận về quá trình tổng hợp graphit oxit và phântán nanofluids GO/EG

Chương 1 - TỔNG QUAN1.1 Khái niệm về Nanofluids, ứng dụng và thách thức

1.1.1 Khái niệm về Nanofluids

Nanofluids là một loại chất lỏng mới được tổng hợp bằng cách phân tán cácvật liệu có kích thước nano (hạt nano, các sợi nano, ống nano, dây nano, thanhnano, tấm nano, hay giọt) trong chất lỏng cơ sở Nói cách khác, nanofluids là huyềnphù nano có chứa vật liệu nano phân tán Nanofluids là hỗn hợp hai pha với mộtpha rắn phân tán trong pha lỏng Nanofluids đã cho thấy tăng cường tính chất nhiệtvật lý như: độ dẫn nhiệt, hệ số khuếch tán nhiệt, độ nhớt, và hệ số truyền nhiệt đốilưu so với các chất lỏng cơ sở như dầu hoặc nước Nó đã cho thấy tiềm năng ứngdụng trong nhiều lĩnh vực: truyền nhiệt, giao thông vận tải, vi điện tử, làm lạnhcông nghiệp, công nghiệp vũ trụ và quốc phòng, … [1]

Nanofluids đã được nghiên cứu và phát triển một cách nhanh chóng kể từ khiđược đề xuất nghiên cứu năm 1995 Chỉ trong năm 2001, đã có 10 bài báo nghiêncứu và năm 2006 là 175 bài báo nghiên cứu về nanofluids Đến năm 2011, đã cógần 700 bài báo nghiên cứu về nanofluids [2]

Hình 1.1 Số bài báo nghiên cứu về nanofluids mỗi năm [2]

Hình 1.2 Tỷ lệ xuất hiện từ“nanofluid”trong tiêu đề bài viết, nghiên cứu cho các tạp chí truyền nhiệt hàng đầu (ATE - Applied Thermal Engineering, ICHMT - International Communications in Heat and Mass Transfer, IJHMT - International Journal of Heat and Mass Transfer, JH - Journal of Heat Transfer, IJERT -

International Journal of Thermal Sciences) [2]

1.1.2 Các phương pháp tổng hợp Nanofluids

1.1.2.1 Phương pháp hai bước (hai giai đoạn)

Phương pháp hai bước là phương pháp được sử dụng rộng rãi nhất để tổnghợp nanofluids Các hạt nano, các sợi nano, ống nano hoặc vật liệu nano khác trongphương pháp này được sản xuất trước ở dạng bột khô bằng phương pháp hóa họchay vật lý Sau đó, bột nano sẽ được phân tán đều trong chất lỏng cơ sở (dầu, nướchay ethylene glycol) Trong bước thứ hai, có khuấy trộn bằng máy khuấy từ, sóngsiêu âm, trộn công nghệ cao, đồng nhất hóa … Phương pháp hai bước là phươngpháp có tính kinh tế nhất để sản xuất nanofluids ở quy mô lớn, bởi vì kỹ thuật tổnghợp bột nano đã được mở rộng đến mức sản xuất công nghiệp và hạt nano có diệntích bề mặt hoạt động cao Các kỹ thuật quan trọng để tăng cường sự ổn định củacác hạt nano trong chất lỏng cơ sở là sử dụng thêm các chất hoạt động bề mặt Tuynhiên, tính chất của các chất hoạt động bề mặt ở nhiệt độ cao cũng là một mối quan

tâm lớn, đặc biệt khi ứng dụng nanofluids là chất tải nhiệt, truyền nhiệt ở nhiệt độcao [2].

Hình 1.3 Phương pháp phân tán nanofluids 2 giai đoạn [16]

Do tính chất khó ổn định khi tổng hợp nanofluids bằng phương pháp hai bước,nên một số kỹ thuật tiên tiến được phát triển để tạo ra nanofluids có tính ổn địnhcao hơn như phương pháp một bước

1.1.2.2 Phương pháp một bước (một giai đoạn)

Hình 1.4 Phương pháp phân tán nanofluids 1 bước [16]

Để làm giảm sự tích tụ của các hạt nano, Eastman và các cộng sự đã xây dựngnên phương pháp ngưng tụ hơi vật lý để tổng hợp nanofluids Cu/EG[7] Quy trìnhcủa phương pháp một bước là cùng lúc tạo và phân tán các hạt nano trong chất lỏng

cơ sở Trong phương pháp này, các quá trình sấy, bảo quản, vận chuyển và phân táncác hạt nano có thể bỏ qua được, do đó sự kết tụ của các hạt nano được giảm thiểutối đa, nên sự ổn định của nanofluids tăng lên [5] Quy trình một giai đoạn làm cho

các hạt nano phân tán đồng đều, ổn định trong chất lỏng cơ sở Dùng máy hút chânkhông SANSS (Submerged Arc Nanoparticle Synthesis System) là một cách hiệuquả để tổng hợp nanofluids sử dụng các chất lỏng điện môi khác nhau [8, 9] Hìnhdạng khác nhau của các hạt nano ảnh hưởng và quyết định đến tính dẫn nhiệt khácnhau của nanofluids Các hạt nano sau khi tổng hợp thành nanofluids thường cóhình dạng cấu trúc là hình kim, đa giác, hình vuông, và hình tròn Phương pháp nàytránh được sự kết tụ của hạt nano không mong muốn.

Tuy nhiên, phương pháp một giai đoạn bằng các phương pháp vật lý lại khôngthể tổng hợp nanofluids ở quy mô lớn vì chi phí cao Do đó, các phương pháp mộtgiai đoạn bằng phương pháp hóa học đã được nghiên cứu và phát triển nhanhchóng Zhu và cộng sự đã có một nghiên cứu mới về phương pháp này, bằng cáchtổng hợp nanofluids đồng theo phương pháp giảm bớt CuSO4.5H2O bằngNaH2PO2.H2O trong ethylene glycol dưới chiếu xạ vi sóng [10] Kết quả là đã thuđược nanofluids bằng huyền phù đồng ổn định Nanofluids dầu khoáng có chứa cáchạt nano bạc phân tán trong một kích thước nhỏ cũng được tổng hợp bằng phươngpháp này [11] Các hạt nano có thể được ổn định bằng Korantin kết hợp với các bềmặt hạt nano bạc qua hai nguyên tử oxy tạo thành một lớp dày đặc các hạt nano.Những hạt nano bạc đã huyền phù ổn định trong khoảng một tháng Nanofluidsethanol ổn định có chứa các hạt nano bạc có thể được tổng hợp bằng bằng phươngpháp một giai đoạn dưới chiếu xạ của vi sóng [12] Trong phương pháp này,polyvinyl pyrrolidone (PVP) được sử dụng là chất ổn định của nanofluids bạc, do

đó giảm được lượng bạc trong dung dịch phân tán Những chất hoạt động bề mặtnhư cation octadecylamine (ODA) cũng là chất để nanofluids bạc mang lại hiệu quả[13] Việc chuyển pha của các hạt nano bạc hình thành do liên kết của các hạt nanobạc với các phân tử ODA trong pha hữu cơ thông qua một trong hai liên kết cộnghóa trị hoặc tương tác yếu Phương pháp chuyển pha đã được phát triển để tổng hợpdung dịch keo graphene oxide đồng nhất và ổn định Các dung dịch nano grapheneoxide (GONs) đã được tạo thành công từ nước sang n-octan khi thêm chất hoạtđộng bề mặt oleylamine Hình ảnh minh họa sơ đồ của quá trình chuyển pha đượcthể hiện trong hình 1.3 [2]

Hình 1.5 Sơ đồ minh họa quá trình chuyển pha [2]

Tuy nhiên, phương pháp một giai đoạn cũng có một số nhược điểm, như cácchất phản ứng còn dư lại trong nanofluids do phản ứng chưa hoàn toàn hoặc do sự

ổn định Rất khó để làm rõ tác dụng hạt nano khi mà không thể loại bỏ tạp chất nàyhiệu quả

1.1.2.3 Phương pháp mới khác

Tác giả Wei và cộng sự đã phát triển một thiết bị phản ứng dòng liên tục nhỏcho vi chất lỏng để tổng hợp nanofluids đồng Bằng phương pháp này, nanofluidsđồng được tổng hợp liên tục, với vi cấu trúc và tính chất của chúng có thể được thayđổi bằng cách điều chỉnh các thông số như nồng độ chất phản ứng, tốc độ và lượngphụ gia Nanofluids CuO có thể tích phần rắn cao (lên đến 10% thể tích) được tổnghợp thông qua một phương pháp nghiên cứu mới là chuyển đổi từ tiền chất cókhuấy trộn bằng sóng siêu âm, chiếu xạ vi sóng [15] Tiền chất Cu(OH)2 được biếnđổi hoàn toàn để hạt nano CuO phân tán đều trong dung dịch dưới chiếu xạ vi sóng.Các citrate amoni ngăn chặn sự kết tụ của các hạt nano nên nanofluids CuO ổn địnhtrong dung dịch nước với độ dẫn nhiệt cao hơn so với những nanofluids tổng hợpbằng phương pháp phân tán khác

Phương pháp chuyển pha cũng là một cách đơn giản để có thể phân tán tạohuyền phù của các kim loại quý [16] Trong một hệ hai pha nước-cyclohexane hoặcformaldehyde lỏng, cyclohexane được chuyển pha qua phản ứng với amindodecyl

để tạo thành chất trung gian khử trong cyclohexane Các hợp chất trung gian có khảnăng làm giảm các ion bạc hoặc ion vàng trong dung dịch nước để tạo thànhdodecyl bạc và nano vàng amin được bảo vệ trong dung dịch cyclohexane ở nhiệt

độ thường Tác giả Feng và cộng sự dùng phương pháp chuyển pha để tổng hợp các

dung dịch hữu cơ hạt nano vàng, bạc, bạch kim trên cơ sở sự suy giảm khả năng hòatan của PVP trong nước khi gia tăng nhiệt độ [17] Phương pháp chuyển pha cũngđược áp dụng để tổng hợp nanofluids Fe3O4 dựa trên chất lỏng cơ sở kerosen.

Các hạt nano Fe3O4 được phân tán thành công trong axit oleic bằng phương phápdung dịch hóa học, làm cho các hạt nano Fe3O4 có khả năng tương thích tốt vớikerosen [18] Quá trình tổng hợp nanofluids kiểm soát được bởi vi cấu trúc là mộttrong những vấn đề then chốt nhất Nó cho thấy tính chất của nanofluids phụ thuộcnhiều vào cấu trúc và hình dạng của vật liệu nano Những nghiên cứu gần đây chothấy rằng nanofluids tổng hợp bằng phương pháp dung dịch hóa học giúp tăngcường độ dẫn nhiệt cao và sự ổn định tốt hơn so với những phương pháp sản xuấtkhác [19] Phương pháp này thể hiện sự khác biệt ở khả năng điều khiển vi cấu trúccủa nanofluids Có thể đa dạng vi cấu trúc nanofluids bằng cách điều chỉnh cácthông số tổng hợp như nhiệt độ, tính axit, siêu âm hay chiếu xạ vi sóng, nồng độ cácchất phản ứng và các chất độn hoặc thứ tự mà các chất độn được thêm vào dungdịch phân tán

1.1.3 Ứng dụng của Nanofluids

1.1.3.1 Tăng cường truyền nhiệt

Kể từ khi có định nghĩa nanofluids khoảng một thập kỷ trước, nanofluids đãcho thấy tiềm năng ứng dụng trong truyền nhiệt, nó đã thu hút được nhiều sự quantâm chú ý của giới khoa học Đến nay, đã có rất nhiều bài báo tổng hợp khái quátcủa các khía cạnh hiện tại của nanofluids khác nhau [1, 3-6, 41-46], bao gồm tổnghợp, đặc tính, tính chất truyền nhiệt vật lý và truyền nhiệt đối lưu Dưới đây là bảngnghiên cứu độ dẫn nhiệt của nanofluids trong chất lỏng cơ sở ethylene glycol vớihạt nano oxit là các oxit kim loại như: MgO, TiO2, ZnO, Al2O3, SiO2 (Bảng 1)

Bảng 1.1 Đặc tính dẫn nhiệt của các oxit kim loại và Nanofluids của chúng [2]

Độ dẫn nhiệt

(W/m.K)

Tỷ trọng (g/cm 3 )

Cấu trúc tinh thể

Độ nhớ (Cp) với 5,0 %V

30 o C

Nâng cao tính nhiệt của Nanofluids(%) với 5.0 %V

Al 2 O 3 36,0 3,6 γ 28,2 28,2

SiO 2 10.4 2,6 Không xác

Bảng 1 đã cho thấy nanofluids của MgO/EG nanofluids có tính năng vượt trội với

độ dẫn nhiệt cao nhất và độ nhớt thấp nhất Dưới đây là các ứng dụng truyền nhiệtcủa nanofluids trong các lĩnh vực công nghiệp và đời sống

 Ứng dụng trong lĩnh vực vi điện tử

Ngày này, mật độ các chíp điện tử cao hơn, các linh kiện điện tử có cấu trúcngày càng nhỏ gọn hơn làm cho quá trình tản nhiệt, làm mát khó khăn hơn Cácthiết bị điện tử tiên tiến ngày nay phải đối mặt với thách thức lớn là việc trao đổinhiệt hiệu quả và giảm bề mặt tiếp xúc để giảm kích thước tương ứng với các mạch

vi điện tử Hệ thống trao đổi nhiệt hiệu quả cao rất quan trọng khi vận hành các thiết

bị điện tử Có hai phương pháp để cải thiện việc này, một là tìm ra hình dạng tối ưucho thiết bị làm mát và hai là tăng cường khả năng truyền nhiệt Nanofluids có độdẫn nhiệt cao và hệ số truyền nhiệt đối lưu cao hơn nhiều so với chất lỏng cơ sở Do

đó, nó có hiệu suất truyền nhiệt cao hơn nhiều so với chất lỏng cơ sở Đã có nhiềunghiên cứu, thiết kế các hệ truyền nhiệt mới sử dụng nanofluids là chất làm mát.Các nghiên cứu cho thấy, với khoảng 5% thể tích các hạt nano tải nhiệt thì khả năngtruyền nhiệt so với chất lỏng cơ sở tăng lên từ 20% đến hơn 40%

Hình 1.6 Biểu đồ lượng nhiệt trên con Chíp điện tử [2]

Các yêu cầu về truyền nhiệt cho máy tính cá nhân ngày càng trở nên khắt khehơn với sự gia tăng tản nhiệt cho CPU Một trong những giải pháp tốt nhất là sử

dụng các ống tản nhiệt Nanofluids được sử dụng là phương tiện làm mát hiệu quảcao cho các ống tản nhiệt này Nó giảm được diện tích bề mặt tiếp xúc cũng nhưdiện tích làm việc, từ đó các nhà sản xuất có thể giảm được kích thước các linh kiệnđiện tử cũng như máy móc Ví dụ, ống tản nhiệt với các hạt nano titan ở nồng độ0,1% thì hiệu suất truyền nhiệt so với chất lỏng thông thường là trên 10,6% Vì vậyngày càng có nhiều nghiên cứu, phát triển để ứng dụng nanofluids trong lĩnh vực viđiện tử này.

 Giao thông vận tải

Nanofluids có thể cải tiến động cơ ôtô và xe tải hạng nặng bằng cách tăng tốc

độ làm mát hiệu quả, giảm khối lượng và giảm sự phức tạp của hệ thống trao đổinhiệt Tốc độ làm mát tăng làm cho động cơ ôtô và xe tải có công suất cao hơn sovới động cơ có cùng kích thước của hệ thống làm mát nhưng dùng chất làm mátthông thường Ngoài ra, nó còn thuận lợi để thiết kế hệ thống làm mát nhỏ gọn hơnvới bộ tản nhiệt nhỏ hơn và nhẹ hơn Nó mang lại nhiều lợi ích như hiệu suất hoạtđộng cao và tiết kiệm nhiên liệu hơn cho xe hơi và xe tải

Nanofluids dựa trên chất lỏng cơ sở ethylene glycol đã thu hút nhiều sự chú ýtrong việc ứng dụng làm mát động cơ [1] do áp suất hơi thấp hơn khi hoạt động sovới một hỗn hợp 50/50 của EG/nước (dung dịch làm mát ô tô sử dụng phổ biến).Các nanofluids có nhiệt độ sôi cao nên khi động cơ làm việc ở nhiệt độ cao, quátrình làm mát vẫn diễn ra bình thường, do nó loại bỏ được nhiều nhiệt hơn khi vẫndùng hệ thống nước làm mát hiện tại [1] Ví dụ, tác giả Kole và cộng sự [1] đã sosánh hiệu quả làm mát của chất lỏng nano (nanofluids Al2O3) với chất lỏng làm mátthông thường, nghiên cứu về tính dẫn nhiệt và độ nhớt của các chất làm mát Kếtquả nghiên cứu cho thấy nanofluids có chứa 3,5% khối lượng hạt nano Al2O3 làmtăng hiệu quả truyền nhiệt lên 10,41% (quan sát tại nhiệt độ thường) Tzeng và cộng

sự [1] đã sử dụng chất lỏng nanofluids CuO và Al2O3 phân tán trong dầu nhờn thôngthường Kết quả cho thấy chất lỏng nano này sản sinh nhiệt thấp hơn khi động cơlàm việc ở cả tốc độ quay cao và thấp Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng chất lỏng nano

có hiệu suất truyền nhiệt tốt hơn so với chất làm mát thông thường, đây là một lợithế để các nhà nghiên cứu có thể cải tiến động cơ của mình

Theo nghiên cứu của Phòng thí nghiệm Quốc gia Argonne [1] đã đánh giá việc

sử dụng nanofluids trong lĩnh vực giao thông vận tải Việc sử dụng các chất lỏngnano có tính truyền nhiệt cao cho các bộ tản nhiệt làm giảm diện tích bề mặt bộ tảnnhiệt 10%, tiết kiệm nhiên liệu 5% Nó cho phép thiết kế bộ khí động học cho động

cơ với các cải tiến để làm giảm lực cản không khí Ngoài ra, chất lỏng nano còn làmgiảm ma sát, giảm mài mòn các chi tiết động cơ, giảm bức xạ nhiệt dẫn đến tiếtkiệm nhiên liệu hơn 6% Theo một mô phỏng trên máy tính của một văn phòngnghiên cứu tại Mỹ, động cơ sử dụng chất làm mát nanofluids làm giảm 5% kíchthước bộ tản nhiệt, tiết kiệm nhiên liệu hơn 2,5% trên đường cao tốc Tại Mỹ, cácnhà sản xuất xe hơi GM và Ford đang thực hiện chương trình nghiên cứu trên cácứng dụng của nanofluids Một dự án khác, có tên NanoHex (NanofluidHeatExchange) đã bắt đầu chạy, nó được nghiên cứu bởi 12 tổ chức, các trường đạihọc ở châu Âu, Israel và các công ty lớn NanoHex đã thu được những kết quả khảquan, đáng tin cậy [1].

 Các ứng dụng làm lạnh công nghiệp

Ứng dụng chất lỏng nano trong lĩnh vực làm mát công nghiệp sẽ tiết kiệmnăng lượng lớn và làm giảm lượng khí thải Đối với các ngành công nghiệp tại Mỹ,việc thay thế làm mát và nấu nước bằng nanofluids sẽ tiết kiệm 1 nghìn tỷ Btu mỗinăm [41] Đối với các ngành điện, sử dụng nanofluids trong chu kỳ làm mát khépkín có thể tiết kiệm khoảng 10-30 nghìn tỷ Btu mỗi năm (tương đương với mức tiêuthụ năng lượng hàng năm của khoảng 50.000-150.000 hộ gia đình) Hàng năm sẽcắt giảm khoảng 5,6 triệu tấn CO2, 8.600 tấn NOx, và 21.000 tấn SO2 lượng khí thảiđộc hại [2]

Trong một thí nghiệm sử dụng chất lỏng nano polyalphaolefin chứa các sợinano graphene là chất làm mát, họ quan sát thấy nhiệt dung riêng của nanofluidscao hơn 50% so với polyanphaolefin thông thường và nó cũng tăng theo nhiệt độ,

độ dẫn nhiệt cao hơn 4 lần, sự truyền nhiệt đối lưu cao hơn 10% so vớipolyanphaolefin thông thường Các chất lỏng nano có nhiệt độ nóng chảy thấp theo

dự kiến sẽ là chất lỏng lý tưởng siêu dẫn nhiệt trong lĩnh vực tăng cường truyềnnhiệt

 Hệ thống sưởi ấm tòa nhà và giảm ô nhiễm

Nanofluids có thể được áp dụng cho hệ thống sưởi ấm trong xây dựng Ở vùnglạnh, họ thường sử dụng ethylene hoặc propylene glycol trộn với nước theo tỷ lệkhác nhau để làm chất lỏng truyền nhiệt Khi sử dụng chất lỏng nano với tỷ lệ 60/40của ethylene glycol/nước (theo khối lượng) là chất lỏng cơ sở, kết quả cho thấy rằngviệc sử dụng nanofluids trong bộ trao đổi nhiệt có thể làm giảm tỷ lệ thể tích vàkhối lượng, do đó nó tiết kiệm năng lượng cho bơm Nanofluids giúp cho hệ thốngsưởi ấm nhỏ hơn so với dùng chất sưởi ấm thông thường, nên nó tiết kiệm chi phí

cho thiết bị ban đầu không bao gồm chi phí nanofluids Điều này cũng sẽ làm giảm

ô nhiễm môi trường, vì các thiết bị sưởi ấm nhỏ sử dụng ít năng lượng hơn, khi hếthạn sử dụng lượng thải bỏ cũng ít hơn

Hình 1.7 Hiệu quả trao đổi nhiệt của hệ thống thu hồi nhiệt của nanofluids với các

nồng độ Al 2 O 3 khác nhau [2]

 Làm mát nhà máy hạt nhân

Tại viện Massachusetts Institute of Technology đã thành lập một trung tâm đangành về công nghệ nanofluids ứng dụng cho ngành công nghiệp năng lượng hạtnhân Các nhà nghiên cứu đang nghiên cứu, khám phá các ứng dụng của nanofluidscho nghành công nghiệp hạt nhân Cụ thể như sau [18]:

1 Làm mát cho lò phản ứng chính và các lò phản ứng nước cao áp(PWR) Việc làm trao đổi nhiệt có hiệu suất cao làm tăng công suất lòPWR lên đáng kể ở hiện tại và tương lai, dẫn đến nâng cao hiệu quảkinh tế Cụ thể, việc sử dụng nanofluids có lưu lượng nhiệt (CHF) caohơn ít nhất 32%, có thể cho phép tăng công suất 20% trong cùng mộtchế độ làm việc trong các nhà máy hiện tại mà không làm thay đổi thiết

kế các bộ phận và nhiên liệu

2 Làm mát cho hệ thống làm mát trung tâm khẩn cấp (ECCSs) của cả hai

lò PWR và lò phản ứng nước sôi Sử dụng nanofluids cho thanh tĩnh dựtrữ năng lượng ECCSs và bơm an toàn có thể làm tăng hiệu suất antoàn nhiệt độ, tăng tốc độ truyền nhiệt cao hơn

3 Làm mát cho bể chứa trung tâm nóng chảy khi xảy ra các tai nạnnghiêm trọng ở mật độ công suất cao trong các lò phản ứng Nó có thể

làm tăng phạm vi bảo vệ bể chứa hơn 40% trong các vụ tai nạn nghiêmtrọng trong các hệ như APR1000 Westinghouse và APR1400 HànQuốc

Tuy nhiên, vẫn còn một trở ngại khá lớn để ứng dụng nanofluids cho các hệthống hạt nhân, bao gồm hiệu suất nhiệt thủy lực của nanofluids ở điều kiện lò phảnứng điển hình và sự tương thích của các chất hóa học trong nanofluids với các vậtliệu lò phản ứng Để có thể ứng dụng nanofluids cho nhà máy điện hạt nhân cần cónhiều nghiên cứu bài bản hơn [1]

 Công nghiệp vũ trụ và quốc phòng

Do những hạn chế về không gian, năng lượng, và khối lượng trên các trạmkhông gian vũ trụ và máy bay, nên cần một hệ thống làm mát hiệu quả cao với kíchthước nhỏ hơn Các tác giả You và Vassallo cùng các cộng sự của mình [2], đã cónhững nghiên về gia tăng cường độ dòng nhiệt trong bể đun sôi khi dùng nanofluids

và các chất lỏng cơ sở độc lập Các nghiên cứu sâu hơn về nanofluids để phát triểnthế hệ tiếp theo các thiết bị có kết hợp nanofluids cho hệ thống điện tử phát sinhdòng nhiệt cao, giới thiệu khả năng tăng sức mạnh của các chip điện tử trong cácthành phần linh kiện điện tử hoặc đơn giản hóa quá trình làm mát để ứng dụng trongcông nghiệp không gian vũ trụ Một số thiết bị và hệ thống thiết bị quân sự yêu cầulàm mát dòng nhiệt cao đến mức hàng chục MW/m2 Ở cấp độ này, hệ thống làmmát cho các thiết bị quân sự quan trọng vận hành bền vững Nanofluids có hệ sốtruyền nhiệt cao là yếu tố quan trọng để ứng dụng làm mát cho các hệ thống quân

sự, xe quân sự, tàu ngầm, và laser diode công suất cao Vì vậy, nanofluids có thểứng dụng rộng rãi trong công nghiệp không gian vũ trụ và quốc phòng, nơi mật độnăng lượng rất cao và các thiết bị làm mát cần phải nhỏ hơn và trọng lượng nhỏ hơn[2]

1.1.3.2 Nâng cao truyền khối

Các nhà khoa học đã bắt tay vào nghiên cứu khả năng tăng cường truyền khốicủa nanofluids Tác giả Kim cùng cộng sự bước đầu kiểm tra ảnh hưởng của các hạtnano vào loại bong bóng hấp thụ cho hệ hấp thụ NH3/H2O [1] Việc bổ sung các hạtnano giúp tăng cường hiệu suất hấp thụ lên đến 3,21 lần Sau đó, họ nhận thấy sựhình thành bong bóng hấp thụ trong suốt quá trình hấp thụ NH3/H2O và nghiên cứuảnh hưởng của các hạt nano lên bề mặt hấp thụ [2] Kết quả cho thấy việc bổ sungcác bề mặt và các hạt nano đã cải thiện hiệu suất hấp thụ lên đến 5,32 lần Sự bổsung của cả hai bề mặt và các các hạt nano tăng cường đáng kể hiệu suất hấp thụ

trong quá trình hấp thụ ammonia bong bóng Các nghiên cứu lý thuyết khuếch tánnhiệt đối lưu trong nanofluids được tiến hành cho các ứng dụng hấp thụ Lượngnhiệt khuếch tán được gây ra bởi gradient nhiệt Tác giả Ma và cộng sự đã nghiêncứu quá trình truyền khối hấp thụ sử dụng nanofluids chứa CNT-amoniac là môitrường làm việc [1] Các tỷ lệ hấp thụ của nanofluids CNT-ammonia cao hơn so vớidung dịch amoniac không chứa CNT Tỷ lệ hấp thụ hiệu quả của nanofluids CNT-ammonia tăng cao hơn so với nồng độ ban đầu của amoniac và các phần khối lượngcủa CNT.

Tác giả Komati cùng cộng sự nghiên cứu sự hấp thụ CO2 vào các mạch amin

và việc bổ sung dung dịch sắt để làm tăng hệ số truyền khối trong khí/lỏng [26],mức độ nâng cao phụ thuộc vào lượng chất lỏng sắt được bổ sung Các nghiên cứu

về ảnh hưởng của nanofluids Al2O3 trên sự hấp thụ dung dịch ammonia cho thấy cácloại hạt nano và bề mặt trong nanofluids và nồng độ amoniac trong chất lỏng cơ sở

là những thông số quan trọng ảnh hưởng đến hiệu ứng hấp thụ amoniac [17]

Cho đến nay, các cơ chế dẫn đến nâng cao truyền khối vẫn chưa rõ ràng Cáccông trình nghiên cứu hiện có về truyền khối trong nanofluids là chưa đủ Thựcnghiệm và mô phỏng nên được tiến hành nhiều để làm rõ một số yếu tố ảnh hưởngquan trọng

1.1.3.3 Ứng dụng trong năng lượng

Đối với các ứng dụng năng lượng của nanofluids, hai đặc tính đáng chú ý củananofluids được sử dụng là độ dẫn nhiệt cao và tính chất hấp thụ của nanofluids

 Dự trữ năng lượng.

Sự khác biệt giữa thời gian và nhu cầu năng lượng dẫn đến sự cần thiết phảiphát triển các hệ thống lưu trữ năng lượng Việc lưu giữ nhiệt năng trong dưới dạngnhiệt hợp lý đã trở thành một khía cạnh quan trọng của quản lý năng lượng với việc

sử dụng hiệu quả, bảo vệ nhiệt thải, năng lượng mặt trời trong công nghiệp và cáctòa nhà [28] Lưu trữ nhiệt lượng là một trong những cách hiệu quả nhất của lưu trữnăng lượng nhiệt Tác giả Wu và cộng sự [2] đã đánh giá tiềm năng của nanofluidsAl2O3-H2O như một vật liệu mới cho việc lưu trữ năng lượng nhiệt của hệ thống làmmát Các thử nghiệm phản ứng nhiệt cho thấy việc bổ sung các hạt nano Al2O3 làmgiảm đáng kể mức độ làm mát của siêu chất lỏng khi tăng và giảm thời gian làmmát Chỉ thêm 0,2 w.% hạt nano Al2O3, tổng thời gian đóng băng của nanofluidsAl2O3-H2O có thể giảm được 20,5% Tác giả Liu và cộng sự tổng hợp một loại vậtliệu nanofluids mới bằng cách ngưng tụ lượng nhỏ các hạt nano TiO2 trong dung

dịch BaCl2 bão hòa [29] Các nanofluids có độ dẫn nhiệt cao hơn đáng kể so với cácvật liệu cơ bản Tỷ số lưu trữ/tốc độ cấp mát và dung lượng lưu trữ/cung cấp máttăng lên rất nhiều so với các dung dịch BaCl2 mà không có hạt nano thêm vào Quacác quá trình kiểm nghiệm nhiệt, nanofluids cho thấy có tiềm năng thay thế chấtlỏng truyền nhiệt thông thường cho các ứng dụng kho lạnh Hạt nano đồng là chấtphụ gia tốt để cải thiện tỷ lệ sưởi ấm/làm mát [30] Đối với vật liệu tổng hợp vớikhối lượng 1% hạt nano đồng, tỷ lệ sưởi ấm/làm mát có thể giảm được 30,3 và28,2%, tương ứng

 Hấp thu năng lượng mặt trời

Năng lượng mặt trời là một trong những nguồn tốt nhất của năng lượng tái tạovới các tác động môi trường tối thiểu Việc thu năng lượng mặt trời hấp thụ trực tiếp

là một công nghệ được ứng dụng và cho thấy có tính khả thi cao, nó định hướngmột loạt các ứng dụng khác Tuy nhiên, hiệu quả của các nghiên cứu bị giới hạn bởicác tính chất hấp thụ nhiệt của chất lỏng làm việc Gần đây, công nghệ này đã đượckết hợp với các công nghệ mới nổi của nanofluids và huyền phù nano lỏng để tạo ramột thế hệ mới của nanofluids, có thể ứng dụng vào công nghệ thu năng lượng mặttrời Tác giả Otanicar và cộng sự đã có báo cáo kết quả thực nghiệm về việc thunăng lượng mặt trời dựa trên nanofluids làm từ nhiều loại hạt nano (CNTs, than chì

và bạc) [1,2] Sự cải thiện hiệu suất lên tới 5% trong thu nhiệt năng từ mặt trời bằngcách sử dụng nanofluids Ngoài ra, họ so sánh các dữ liệu thực nghiệm với một môhình trên máy tính của một nhà nghiên cứu năng lượng mặt trời với hấp thụ trựctiếp bằng nanofluids Nghiên cứu lý thuyết về tính khả thi của việc sử dụng tậptrung thu năng lượng mặt trời không hấp thụ trực tiếp cho thấy sự hiện diện của cáchạt nano làm tăng sự hấp thụ bức xạ tới hơn chín lần so với nước tinh khiết [2].Dưới điều kiện hoạt động tương tự, hiệu quả hấp thụ năng lượng mặt trời khi sửdụng nanofluids đã cho thấy hiệu quả cao hơn lên đến 10% Kết quả cho thấy rằngđối với các chi phí hiện hành của các hạt nano, bộ thu năng lượng mặt trời dựa vàonanofluids có khoảng thời gian hoàn vốn lâu hơn nhưng thời gian làm việc của nólâu hơn, nên có thể tiết kiệm chi phí hơn so với một bộ thu năng lượng mặt trờithông thường Tác giả Sani cùng cộng sự kiểm tra các đặc tính quang học và nhiệtcủa nanofluids ở dạng huyền phù dung dịch nước của carbon nanohorns [2] Các hạtnano gây ra khác biệt khi cho thấy các tính chất quang học đầy hứa hẹn, dẫn đếnhiệu quả hấp thụ ánh sáng mặt trời cao hơn đáng kể, cho thấy các loại nanofluids

mới có thể tăng hiệu quả của thiết bị khai thác ánh sáng mặt trời theo công nghệ hấpthụ nhiệt.

 Ứng dụng làm pin nhiên liệu

Pin nhiên liệu là những phát triển mới trong lĩnh vực điện năng với sự thamgia đáng kể của công nghệ trao đổi nhiệt Bất cứ khi nào hiện tượng trao đổi nhiệtxảy ra trong một tế bào nhiên liệu hoặc trong các hệ thống thu hồi nhiệt phụ trợ của

nó, nanofluids có thể được sử dụng để tăng cường truyền nhiệt và nâng cao hiệu quảcác tế bào nhiên liệu

1.1.3.4 Ứng dụng làm dầu bôi trơn

Công nghệ nanofluids có thể giúp phát triển các loại dầu bôi trơn và chất bôitrơn tốt hơn Các nghiên cứu gần đây về nanofluids liên quan đến việc sử dụng cáchạt nano trong chất bôi trơn để tăng cường tính giảm ma sát cho các chất bôi trơn,chẳng hạn như khả năng chịu tải trọng, chống mài mòn và tính chất ma sát giảmgiữa các chi tiết cơ khí chuyển động Các nghiên cứu chỉ ra rằng bề mặt các hạtnano biến đổi ổn định phân tán trong dầu khoáng cho hiệu quả cao trong việc giảmmài mòn và nâng cao khả năng chịu tải trọng [1]

1.1.3.5 Ứng dụng trong Y dược – Sinh học

Nanofluids ban đầu được phát triển chủ yếu ứng dụng quản lý nhiệt cho động

cơ, thiết bị vi điện tử và lượng tử ánh sáng Tuy nhiên, nanofluids có thể được xâydựng cho một loạt các ứng dụng khác để làm mát nhanh hơn Nanofluids hiện đangđược phát triển cho ứng dụng y tế, bao gồm cả điều trị ung thư Phương pháp điềutrị ung thư truyền thống có những tác dụng phụ đáng kể Hạt nano sắt trong chấtlỏng có thể được sử dụng như là phương tiện vận chuyển cho các loại thuốc, xạ trịkhông gây tổn hại mô, tế bào khỏe mạnh bên cạnh bằng cách dẫn hướng các hạt lêndòng máu tới các khối u bằng lực hút từ tính Nanofluids cũng có thể được sử dụngtrong phẫu thuật an toàn hơn bằng cách làm mát xung quanh khu vực phẫu thuật, do

đó nâng cao cơ hội của bệnh nhân sống sót và giảm nguy cơ tổn thương nội tạng.Trái ngược với làm mát, nanofluids có thể được sử dụng để tạo nhiệt độ cao hơnxung quanh khối u, để tiêu diệt các tế bào ung thư mà không gây ảnh hưởng đến các

tế bào lân cận khỏe mạnh [1,2]

1.1.3.6 Ứng dụng để cải tiến cảm biến thăm dò mới

Trong điều kiện nhiệt độ và áp suất, các loại cảm biến điện cũ và các thiết bị

đo khác thường không đáng tin cậy Các nhà nghiên cứu đang phát triển một bộcảm biến đáng tin cậy và kinh tế hơn từ các sợi quang học để đo nhiệt độ, áp suất,

tốc độ dòng chảy của dầu và sóng âm trong các giếng dầu Những cảm biến mới cókích thước nhỏ, làm việc một cách an toàn trong sự hiện diện của điện từ trường, cóthể làm việc ở nhiệt độ và áp suất cao và có thể sẽ giảm chi phí mà không cần canthiệp vào các công đoạn thăm dò dầu khác.

Việc thay đổi và thay thế cảm biến cũ trong các giếng dầu là rất tốn kém.Nhưng công nghệ này, với các phép đo chính xác và đáng tin cậy hơn, là một cảitiến lớn trong thăm dò dầu khí Trong tương lai, ngành công nghiệp có thể sử dụngcảm biến nano cho thăm dò tính sâu trong các bể chứa dầu, cho phép làm rõ sựphức tạp của tương tác đá/chất lỏng và tác động của chúng lên dòng chảy nhiều pha

và cung cấp khả năng để thiết kế một kế hoạch khai thác phù hợp có tính kinh tếcao

Một lĩnh vực khác cũng có thách thức đáng kể là việc nâng cấp nhựa đường vàdầu thô nặng Bởi vì mật độ và độ nhớt cao, rất khó để xử lý và vận chuyển chúngđến các địa điểm nơi chúng có thể được chuyển đổi thành các sản phẩm có giá trị.Nguồn lực và các hoạt động nghiên cứu để phát triển các quy trình và chất xúc tácmới được thiết kế đặc biệt cho việc nâng cấp ngay tại chỗ kết hợp với sản xuấthydro/methane Hoạt động trung tâm này sẽ được bổ sung bằng một nỗ lực để tíchhợp các nghiên cứu cho các công thức tính xúc tác phân tán cực tại chỗ nâng cấpnhựa đường cũng như cho hệ hydro từ than/than cốc hoặc xăng dầu Trước đâynghiên cứu về các chất hấp phụ được thiết kế đặc biệt và chất xúc tác sẽ được phântán trên các vật liệu chứa dạng lỗ xốp ở dạng kích thước nano

Tuy nhiên cần thiết phải nghiên cứu sâu rộng về cả hai giai đoạn hoạt độngxúc tác và thiết lập quy trình cũng như áp dụng các hình thức xúc tác khác nhau đểliên kết hiệu quả với các vật liệu khí hóa Nghiên cứu này có tiềm năng để tạo ra cáccông nghệ quan trọng để chuyển đổi nhựa đường và dự trữ dầu nặng thành các sảnphẩm có hiệu quả cao[2]

1.1.3.7 Ứng dụng trong các lĩnh vực khác

Trước đó chúng tôi đã xem xét một loạt các ứng dụng nanofluids, trong đó cóthiết bị điện tử và làm mát động cơ là hai lĩnh vực nổi bật Nanofluids sẽ có tácdụng đặc biệt cao ở hai lĩnh vực này Do đó, nhiều nghiên cứu hơn dự kiến trong hệthống làm mát xe, bao gồm tản nhiệt, hộp số tự động, và bộ trao đổi nhiệt tuần hoànkhí, xả khí Cũng sẽ có các ứng dụng nanofluids trong làm mát các tế bào nhiên liệu

và năng lượng điện tử cho xe hybrid Kể từ khi có những báo cáo rằng nanofluidsgiảm ma sát và mài mòn, có cũng sẽ được ứng dụng cho khoan dầu và khí đốt [1,2]

Các khu vực khác có thể có các ứng dụng công nghệ làm mát nanofluids baogồm một lớp mới của máy tính siêu mạnh mẽ và các thiết bị điện tử khác để sửdụng trong các hệ thống quân sự, máy bay, tàu vũ trụ hoặc cũng như làm mát quy

mô lớn Trong tương lai, nanofluids có thể được sử dụng để duy trì một gradientnhiệt độ cao trong nhiệt điện mà có thể chuyển đổi nhiệt thải thành năng lượng điện

có ích Trong các tòa nhà, nanofluids có thể làm tăng hiệu quả năng lượng màkhông cần phải sử dụng một máy bơm mạnh hơn, do đó tiết kiệm năng lượng trongmột hệ thống HVAC và cung cấp các lợi ích về môi trường lớn Trong ngành côngnghiệp năng lượng tái tạo, nanofluids có thể được sử dụng để tăng cường truyềnnhiệt từ mặt trời để thu gom các thùng chứa và để tăng mật độ năng lượng Để đạtđược điều này cần phải bổ sung làm mát cho quá trình công nghiệp lớn, bao gồm cảvật liệu, hóa chất, thực phẩm và đồ uống, dầu khí, giấy và in ấn, và dệt may [1]

Dự kiến nghiên cứu các ứng dụng của nanofluids bao gồm các cảm biến vàchẩn đoán đó ngay lập tức phát hiện tác nhân chiến tranh hóa học hoặc nhiễm độcthức ăn; các ứng dụng y sinh học như làm mát các thiết bị y tế, việc phát hiện cácchất không lành mạnh trong máu, điều trị ung thư, hoặc phân phối thuốc; và pháttriển các công nghệ tiên tiến như hệ thống nén lạnh hơi tiên tiến Đây chỉ là một vàitrong số nhiều ứng dụng vô tận của nanofluids Vì vậy, nanofluids sẽ ngày càngquan trọng cho các ứng dụng thích hợp giá trị gia tăng cũng như cho các ứng dụng

âm lượng cao

1.1.4 Những thách thức mà nanofluids phải đối mặt

1.1.4.1 Tính ổn định của nanofluids

Chất lỏng nanofluids ổn định vẫn là một thách thức kỹ thuật tổng hợp do cáchạt nano luôn tạo kết tụ vì lực Van Der Waals tương tác rất mạnh Để có đượcnanofluids ổn định ngoài phương pháp vật lý có thể bổ sung chất hoạt động bề mặt,làm thay đổi diện tích bề mặt các hạt nano dù dưới tác động áp suất lớn các hạtnano vẫn lơ lửng ổn định Tác nhân phân tán, chất hoạt động bề mặt đã được sửdụng phân tán hạt li ti của vật liệu kỵ nước trong dung dịch nước [41]

Mặt khác, nếu các thiết bị trao đổi nhiệ thoạt động theo điều kiện chảy thànhdòng, thì việc sử dụng các nanofluids có vẻ thuận lợi, những nhược điểm duy nhấtcho đến nay là giá thành cao và những bất ổn tiềm ẩn của của sự lắng đọng [27].Nói chung, sự ổn định lâu dài của các hạt nano phân tán là một trong nhữngyêu cầu cơ bản của các ứng dụng nanofluids Tính ổn định của nanofluids có mốiquan hệ tương ứng với việc tăng cường khả năng dẫn nhiệt, khi phân tán tốt thì độ

dẫn nhiệt của nanofluids cao hơn Tuy nhiên, khả năng phân tán các hạt nano có thể

bị ảnh hưởng bởi thời gian, được nhìn thấy trong hình 1.8 và 1.9 Do đó, tính dẫnnhiệt của nanofluids cũng bị ảnh hưởng Eastman và cộng sự tiết lộ rằng, độ dẫnnhiệt của nanofluids dựa trên ethylene glycol chứa0,3% hạt nano đồng giảm theothời gian Trong nghiên cứu, độ dẫn nhiệt của nanofluids được đo hai lần: lần đầutiên là trong vòng 2 ngày và lần hai là hai tháng sau khi tổng hợp Nó cho thấy rằngnanofluids mới có độ dẫn nhiệt cao hơn so với nanofluids được lưu giữ hai tháng.Điều này có thể do sự ổn định giảm theo thời của các hạt nano Các hạt nano có thể

có xu hướng tích tụ khi giữ trong thời gian dài của thời gian.Nên hiệu suất truyềnnhiệt của nanofluids bị giảm do sự xa lắng các hạt nano Sự tích tụ của các hạt nano

có thể làm tắc nghẽn hệ thống làm mát

Choi và cộng sự [45] đã có báo cáo về sự làm dụng chất hoạt động bề mặt cótác hại như tăng độ nhớt, giảm tính dẫn nhiệt nhiệt và mất ổn định hóa học Do đó,cần phải kiểm soát lượng chất hoạt động bề mặt bổ sung vào nanofluids

Hình 1.8 Độ ổn định của nanofluids theo thời gian [2]

Hình 1.9 Các lắng đọng của các hạt nano kim cương theo thời gian:(a) 0phút, (b)

1phút,(c) 2phút, (d) 3phút,(e) 4phút,(f) 5phút, và (g) 6phút [2]

1.1.4.2 Giảm áp suất bơm

Áp lực dòng chảy của dung dịch làm mát là một trong những thông số quantrọng quyết định hiệu quả các ứng dụng của nanofluids Việc giảm áp lực bơm dungdịch làm mát khi dùng nanofluids là một đặc tính cần được nghiên cứu Có rất ít yếu

tố có thể ảnh hưởng đến sự giảm áp suất dung dịch làm mát: mật độ và độ nhớt Dựkiến chất làm mát với mật độ cao hơn và độ nhớt cao hơn nên áp suất giảm Đây làmột trong những nhược điểm nanofluids khi ứng dụng là chất lỏng làm mát Lee,

Yu và cộng sự [38] đã kiểm tra độ nhớt chất lỏng nano và ZnO trong chất lỏng cơ

sở ethylene glycol Kết quả cho thấy, độ nhớt của nanofluids cao hơn so với chấtlỏng cơ sở

Peng và cộng sự [2] đã nghiên cứu sự sụt giảm áp lực ma sát khi dùngnanofluids là chất làm mát với chế độ dòng chảy rối trong các ống ngang, trơn mịnlớn hơn so với các chất làm mát thông thường và tăng tỷ lệ thuận với việc tăng khốilượng các hạt nano Sự giảm áp lực bơm có thể đạt 20,8% theo điều kiện thínghiệm

nh 1.10 Sự giảm áp lực của nanofluids so với chất lỏng cơ bản trong thiết bị trao

đổi nhiệt dạng tấm (PHE) [2]

Một minh chứng cho sự giảm áp lực bơm là khi áp dụng nanofluids trong thiết

bị trao đổi nhiệt dạng tấm (PHE) Trong hình 1.10 Tổng sụt áp P của chất lỏngnano tăng gấp đôi so với nước Việc tính toán rằng sức mạnh bơm tăng khoảng 40%

so với nước cho một lưu lượng dòng chảy Tác giả quan sát thấy hiệu suất nhiệt đođược ở cùng lưu lượng thể tích cần thiết cho nước và nanofluids là bằng nhau, trongkhi công suất bơm cần thiết trong trường hợp của nanofluids lên cao hơn so với giátrị tương ứng cho nước gần hai lần do độ nhớt động học cao hơn của chất lỏng

1.1.4.3 Hiệu suất nhiệt nanofluids trong dòng chảy rối

Ngoài tính dẫn nhiệt, hiệu suất truyền nhiệt đối lưu của nanofluids cũng thuhút sự chú ý từ rất nhiều các nhà nghiên cứu Hầu hết các tài liệu báo cáo rằng thuộctính này tăng khả năng ứng dụng của nanofluids Tuy nhiên, có một vấn đề phảiđược giải quyết một cách thận trọng là về hiệu suất nhiệt của nanofluids trong dòngchảy rối Gần đây, đã có sự trái ngược về các kết quả báo cáo của các nhà nghiêncứu Sự cải thiện truyền nhiệt đối lưu được chú ý nanofluids carbonic vô định hìnhtrong dòng chảy rối mặc dù cải thiện 8% trong dòng chảy dòng Tuy nhiên,Duangth-ongsuk và Wongwises nghiên cứu thấy hệ số truyền nhiệt của nanofluidsTiO2-nước cao hơn chất lỏng cơ sở Lượng này tăng lên cùng với sự gia tăng củachuẩn số Reynold và nồng độ hạt dao động từ 0,2% đến 2% Mặc dù nghiên cứucho thấy rằng, nó nâng cao 26% cho nanofluids với 1% của các hạt nano TiO2, nó

đã cho thấy kết quả trái ngược nhau ở 2,0% khối lượng Nghiên cứu chỉ ra rằng hệ

số truyền nhiệt của nanofluids tại tình trạng này là thấp hơn so với chất lỏng cơ sở14% Pantzali và cộng sự [48] nghiên cứu thêm thay thế chất làm lạnh thông thườngbằng nanofluids dường như có lợi cho dòng chảy dòng so với dòng chảy rối

1.1.4.4 Độ nhớt cao

Độ nhớt của hệ nano nước tăng theo tăng nồng độ hạt trong hệ thống lơ lửng

Vì vậy, thành phần khối lượng hạt cần tăng phải hạn chế Lee [47] đã báo cáo rằng

độ nhớt tăng nhanh tỷ lệ phần trăm hạt nano, do đo khối lượng của CNTs được giớihạn ít hơn 0,2% trong hệ thống thực tế

1.1.4.5 Nhiệt dung riêng thấp

Từ các nghiên cứu, cho thấy rằng nhiệt dung riêng của nanofluids là thấp hơn

so với chất lỏng cơ sở Namburu và cộng sự [49] đã báo cáo rằng nanofluidsCuO/ethyleneglycol, SiO2/ethyleneglycol và nanofluids nanofluids Al2O3/ethyleneglycol cho thấy nhiệt dung riêng thấp hơn so với dung dịch cụ thể cơ sở Và chấtlàm mát lý tưởng nên có giá trị cao hơn nhiệt dung riêng cụ thể mà người ta chophép cho dung dịch làm mát để trao đổi nhiệt tốt hơn

1.1.4.6 Chi phí cao của nanofluids

Chi phí sản xuất nanofluids cao là một trong những lý do có thể gây trở ngạicho việc áp dụng các nanofluids trong các ngành công nghiệp Nanofluids có thểđược sản xuất bởi phương pháp một giai đoạn hoặc phương pháp hai giai đoạn Tuynhiên cả hai phương pháp đòi hỏi thiết bị tiên tiến và phức tạp Lee và Mudawar[47] và Pantzali [48] và cộng sự nhấn mạnh rằng chi phí nanofluids cao là một trongnhững nhược điểm khi ứng dụng nanofluids vào thực tiễn

1.1.4.7 Những khó khăn trong quá trình sản xuất

Trước những nỗ lực để sản xuất nanofluids thường được sử dụng phương phápmột bước duy nhất nhằm làm cho nó và phân tán các hạt nano vào chất lỏng cơ sở,hoặc một cách tiếp cận hai bước liên quan đến việc tạo ra các hạt nano và sau đóphân tán ra một chất lỏng cơ sở Sử dụng một trong hai phương pháp này, các hạtnano được sản xuất có quá trình liên quan đến phản ứng giảm hoặc trao đổi ion.Hơn nữa, các dung dịch chứa các ion và sản phẩm phản ứng rất khó hoặc không thểtách rời khỏi các chất lỏng nano

Một khó khăn gặp phải trong sản xuất nanofluids là xu hướng các hạt nano cóthể tích tụ thành các hạt lớn hơn, làm hạn chế lợi ích của các hạt nano diện tích bềmặt bé Để chống lại xu hướng này, các chất phụ gia phân tán hạt thường đượcthêm vào các chất lỏng cơ sở với các hạt nano Tuy nhiên, việc này có thể thay đổi

các tính chất bề mặt của các hạt và nanofluids tổng hợp theo cách này có thể chứahàm lượng tạp chất lớn Hầu hết các nghiên cứu cho đến nay đã được giới hạn đểlấy mẫu kích thước nhỏ hơn một vài trăm mililit nanofluids Vấn đề vì các mẫu lớnhơn là cần thiết để kiểm tra nehiều tác dụng của nanofluids, đặc biệt, để đánh giátiềm năng của nanofluids để sử dụng trong các ứng dụng mới [32].

Tuy nhiên, thực tế là nanofluids có nhiều ưu điểm nổi bật như sử dụng nhưchất lỏng làm mát, đã nổi lên như một điểm không thể chối cãi Điều này đòi hỏimột nỗ lực tăng cường hơn nữa trong các nghiên cứu về nanofluids Ngược lại vớicác phương pháp tiếp cận đơn phương truyền thống, nghiên cứu này cần phải kiểmtra chặt chẽ một loạt các vấn đề, chẳng hạn như tổng hợp, mô tả đặc điểm, tính chấtnhiệt vật lý, phương tiện truyền nhiệt, chế độ và thiết bị cũng như các ứng dụng hệthống cấp Do đó, một cách tiếp cận đa ngành bao gồm các nhà nghiên cứu như kỹ

sư nhiệt, kỹ sư công nghệ hóa học, khoa học vật liệu, hóa học, vật lý và cần phảiđược thực hiện.Chỉ có một cách tiếp cận như vậy có thể đảm bảo một “tương lai tốtđẹp hơn" với nanofluids

1.2 Nanofluids trên cơ sở GO/EG

Chất lỏng nano các hạt nano graphite oxit (GO) phân tán trong chất lỏng cơ sởethylene glycol (EG), là một trong nhưng chất lỏng nano được nghiên cứu để ứngdụng trong thực tế nhiều nhất Bởi vì, nanofluids của GO/EG là chất lỏng có khảnăng dẫn nhiệt rất tốt, nó có tiềm năng lớn trong việc ứng dụng nanofluids tronglĩnh vực truyền nhiệt Nanofluids trên cơ sở của GO/EG được rất nhiều các nhàkhoa học trên thế giới nghiên cứu bởi những tính năng truyền nhiệt ưu việt của nó

Nó có thể thay thế cho các chất lỏng thông thường để làm mát một cách hiệu quảhơn cho các thiết bị, hệ thống có khích thước nhỏ

1.2.1 Phương pháp tổng hợp nanofluids GO/EG

1.2.1.1 Chuẩn bị Graphite oxit

Graphite oxide được tổng hợp ra dựa trên phương pháp Hummer (hình 1.13).Thông thường, các mảnh graphite được oxy hóa bằng cách trộn H2SO4 và H3PO4 với

tỷ lệ 4:1 (theo thể tích) ở nhiệt độ phòng Cho từ từ graphite vào hỗn hợp axit cócon từ khuấy, hỗn hợp axit và graphite được làm lạnh ở nhiệt độ dưới 10 oC rồi mớicho KmnO4 vào ngâm trong nước đá 15p rồi gia nhiệt từ từ Đun hỗn hợp trong 3h

ở nhiệt độ 60 oC, 70 oC, 80 oC Đợi hỗn hợp nguội rồi đổ ra cốc nước đã có sẵn Hỗnhợp được ngâm và rửa sạch với HCl và nước vài lần cho đến khi pH trở thành trungtính Trong quá trình rửa và sonication, graphite oxide được tách đến GONs Sản

phẩm đã được sấy khô trong lò chân không qua đêm ở 60oC Thu được bột màu nâurời có tính chất ưa nước là GO [3].

Hình 1.13 Tạo graphene oxit bằng phương pháp hóa học [3]

1.2.1.2 Tổng hợp nanofluids GO/EG

Nanofluids được tổng hợp theo phương pháp hai bước (hai giai đoạn) Đầutiên, chuẩn bị chất lỏng cơ sở bằng cách trộn ethylene glycerol(EG) với nước với tỷ

lệ 4:1 (theo khối lượng) và khuấy trong 1h tới đảm bảo sự đồng nhất của chất lỏng

cơ sở Sau đó,Graphite oxit (GO) sau khi sấy khô được thêm vào dung dịchEG/nước với với lượng 0,02 % -0,1% khối lượng Hỗn hợp được khuấy siêu âmtrong 1h sử dụng sonication(40 kHz, 280 W) Hình 1.14 sơ đồ mô phỏng quá trìnhtổng hợp nanofluids GO/EG [3]

Hình 1.14 Sơ đồpha chế nanofluids GO/EG [3]

1.2.2 Tính chất của nanofluids GO/EG

1.2.2.1 Tính chất dẫn nhiệt

Trong số tất cả các tính chất vật lý của nanofluids, độ dẫn nhiệt (TC) là thuộctính quan trọng nhất đối với nhiều ứng dụng Bằng cách phân tán một số vật liệunano trong chất lỏng sưởi ấm hoặc làm mát, hiệu suất truyền nhiệt của các chất lỏngtruyền nhiệt có thể được cải thiện đáng kể Một số lượng lớn các nghiên cứu đãđược báo cáo về tính dẫn nhiệt nanofluids của kim loại vào oxit kim loại nanofluids

cả thực nghiệm và lý thuyết (A-bareshi 2010; Moosavi 2010 ; Patel 2010 và cáccộng sự của họ) [3] Các nanofluids chứa các loại vật liệu chứa cacbon như các ốngnanocarbon (CNTs) (Chen và Xie 2009), các hạt nano kim cương (Yeganeh cùngđồng nghiệp 2010), graphene (Baby và Ramaprabhu 2010), và GO (Yu 2010a ) [3]

đã thu hút sự quan tâm lớn bởi vì mật độ dẫn nhiệt và tỷ trọng thấp hơn so với kimloại hoặc oxit kim cùng loại (Yu cùng cộng sự 2010a) Yu và cộng sự (2010a) [35]

đã báo cáo tính chất dẫn nhiệt của nanofluids GO/EG Họ quan sát thấy sự tăngcường của 61% độ dẫn nhiệt với lượng hạt nano GO 5% thể tích ở nhiệt độ phòng.Sau đó, đã nghiên cứu tính dẫn nhiệt của GO khi phân tán trong nước cất, propylglycol và parafin lỏng Báo cáo của họ cho thấy tỷ lệ tăng cường tính dẫn nhiệt là30,2, 62,3 và 76,8% cho nanofluids (5% thể tích hạt nano GO) trong nước cất,propyl glycol và parafin lỏng so với chất lỏng cơ bản tương ứng

1.2.2.3 Tính chất dẫn điện

Độ dẫn điện(EC) của một nanofluids do khả năng dẫn điện của các hạt nanographite oxit Graphite là vật liệu có khả năng siêu dẫn điện, do tính chất siêu dẫnđiện nên graphite đã được nghiên cứu thay thế cho silic Tuy nhiên, do tính chấtsiêu dẫn của nó gây ra nhiều khó khăn trong công nghiệp bán dẫn Đã có nhiều nhànghiên cứu để ứng dụng tính chất dẫn điện của graphite, mà trong đó nanofluids làmột hướng đi mới Độ dẫn điện của nanofluids chứa kim loại, oxit kim loại, và CNT

đã được nghiên cứu trong các báo cáo (Azizi-Toupkanloo etal2014; Goharshadi vàAzizi-Toupkanloo 2013b; Sarojinietal2013.) [3] Baby và Ramaprabhu (2010) đã đo

độ dẫn điện của nanofluidgraphene/nước với phần khối lượng khác nhau và ở nhiệt

độ khác nhau Họ quan sát thấy rằng độ dẫn điện tăng cường của khoảng 1400%cho một phần nhỏ khối lượng 0,03% tại 25°C

Bảng 1.2 Độ dẫn điện tăng của nanofluids cacbon khác nhau [3]

Vật liệu nano Chất lỏng cơ sở Độ dẫn điện

tăng

Lượng hạt nano

Functionalizedg

raphene

EG/Nướccất(70/30) 8,62%

0.395% thể

Koleand Dey(2013)

K Goharshadi

và cộng sự(2014)

1.2.2.4 Tính chất lưu biến

Tính lưu biến cho biết cấu trúc vi mô trong điều kiện tĩnh và động củananofluids (Goharshadi và Azizi-Toupkanloo 2013b) Một trong những phép đo lưubiến quan trọng nhất là xác định độ nhớt động lực, đó là một thuộc tính quan trọngcho các ứng dụng của nanofluids trong các thiết bị nhiệt như trao đổi nhiệt hoặc các

hệ thống làm mát Các nhà nghiên cứu thực hiện một số công trình nghiên cứu về

độ nhớt của nanofluids khác nhau tập trung vào các thông số hiệu quả như nhiệt độ,tốc độ dịch chuyển, kích thước hạt, hình dạng và nồng độ (Azizi-Toupkanlooetal2014; Goharshadi và Hadadian 2012; Moghaddametal 2013 ; Ruan và Jacobi 2012)[3] Tesfaivà cộng sự(2013) đã nghiên cứu các tính chất lưu biến của nanofluidsGO/EG Họ quan sát thấy sự gia tăng 470% về độ nhớt của nanofluids 0,5 m/ml GO

ở tốc độ dịch chuyển là 2,5s-1 [3,16]

1.2.3 Những thách thức mà nanofluids GO/EG gặp phải

1.2.3.1 Tính ăn mòn kim loại

Nanofluids GO/EG thành phần có chứa GO, EG, nước cũng như một lượngnhỏ axit dư do quá trình tổng hợp GO loại bỏ không hoàn toàn Do đó, nó có thểgây ăn mòn kim loại khi sử dụng nanofluids cho một số ứng dụng Sự ăn mòn kimloại của nanofluids GO/EG đã được một số nhà khoa học nghiên cứu

1.2.3.2 Tính ổn định

Sự ổn định của chất lỏng nano là một trong những vấn đề quan trong vànanofluids GO/EG cũng không phải ngoại lệ Do lực tương tác tĩnh điện Van DerWaals rất mạnh giữa các phân tử GO khá mạnh, nên nó làm cho các phân tử GO kết

tụ với nhau từ đó làm giảm đi sự ổn định của dung dịch chất lỏng nano

Để khắc phục điều này, các nhà khoa học đã không ngừng nghiên cứu cải tiếnphương pháp tổng hợp (phân tán) các hạt nano, cũng như thêm các hoạt chất hoạtđộng bề mặt để tăng khả năng phân tán và ổn định của dung dịch nano Bằng cácphương pháp này thì chất lỏng nano đã có tính ổn định hơn nhiều và đảm bảo choquá trình ứng dụng vào các lĩnh vực công nghiệp.

1.3 Phụ gia chống ăn mòn kim loại cho Nanofluids

Khi ứng dụng sử dụng nanofluids trong các nghành công nghiệp, đặc biệt nhưtrong lĩnh vực truyền nhiệt thì nanofluids GO/EG có nhược điểm là gây ăn mòn kimloại Thường kim loại bị ăn mòn hóa học hoặc bị ăn mòn điện hóa Tùy theo bảnchất của sự ăn mòn kim loại, vật liệu kim loại mà người ta sử dụng các loại chấtchống ăn mòn (chất ức chế) kim loại cho thích hợp Tuy nhiên, người ta thườngdùng chất chống ăn mòn kim loại như:

- Triethyl borat (TEB)

1.3.1 Chất chống ăn mòn kim loại Triethyl borat (TEB)

Triethyl borat là chất dùng để ức chế sự ăn mòn kim loại đen Có công thức cấu tạo như hình 1.15

Hình 1.15 Công thức cấu tạo của Triethyl borat [5]

1.3.2 Chất chống ăn mòn kim loại Benzo triazol

Benzo triazol là chất được sử dụng để ức chế sự ăn mòn kim loại màu như Al,

Cu, Ag … Có công thức cấu tạo như hình dưới:

N N N H

Hình 1.16 Công thức cấu tạo của Benzo triazol [4]

1.3.3 Cơ chế chống ăn mòn kim loại của chất ức chế ăn mòn kim loại

Các chất chống ức chế ăn mòn kim loại sẽ liên kết lại và tạo thành một màng mòng phân bố đều trên bè mặt kim loại, ngăn chặn sự tiếp xúc của chất ăn mòn với

về bệ mặt kim loại Ngăn chặn quá trình ăn mòn hóa học cung như điện hóa xảy ra với vật liệu kim loại Các hình dưới đây mô tả quá trình bảo vệ sự ăn mòn kim loại của các chất ức chế.

Hình 1.17 Mô hình mô phỏng quá trình chống ăn mòn kim loại Cu của Benzo

triazol [4]

Chương 2 - THỰC NGHIỆM2.1 Dụng cụ, thiết bị và hóa chất

2.1.1 Dụng cụ và thiết bị

Bảng 2.1 Bảng thống kê các dụng cụ, thiết bị phục vụ cho quá trình làm đề tài

Tên dụng cụ, thiết bị Số lượng Tên dụng cụ, thiết bị Số lượng

2.1.2 Hóa chất

- Graphite (Trung Quốc)

- KMnO4 (Trung Quốc)

- H2SO4 98% Trung Quốc

- H3PO4 98% Trung Quốc

- HCl 36% Trung Quốc

- Axeton (Trung Quốc)

- NaOH (Trung Quốc)

- Glixerin (Trung Quốc)

- Etylen Glycol (Trung Quốc)

- TEB (triethyl borat) (Trung Quốc)

- Benzo triazol (Trung Quốc)

2.2 Tiến hành thực nghiệm

2.2.1 Tổng hợp graphite oxit (GO)

2.2.1.1 Chuẩn bị vật liệu và hóa chất

Graphite được mua trên thị trường, là loại sản xuất trong nước, dạng bột vớikích thước hạt trong khoảng 5-10 micro (theo phân bố kích thước hạt và SEM, hình2)

Hình 2.1 Phân bố kích thước hạt (trên) và ảnh SEM (dưới) của nguyên liệu

graphite (Việt Nam)

Trước khi oxy hoá, graphite được làm sạch theo phương pháp tuyển nổi đểloại bỏ các tạp chất rắn, như sau: bột graphite được phân tán trong nước với tỷ lệ100g/lít, khuấy mạnh trong 30 phút ở 50oC, để lắng trong 30 phút, tách phần cặn rắnphía dưới Graphite được lọc, rửa sạch bằng nước cất, sấy khô ở nhiệt độ 110oC