Nghiên cứu chế tạo vật liệu nanocomposite để tăng hiệu suất hấp thu năng lượng mặt trời ứng dụng nâng cao hiệu quả sản xuất nước ngọt từ nước mặn

Bài viết trình bày về hệ vật liệu nanocomposite có từ tính trên cơ sở graphene oxit (Al2O3/GO, Fe3O4/GO, Fe3O4 – Al2O3/GO) đã được tổng hợp và đặc trưng bằng các phương pháp X-ray, phổ hồng ngoại, SEM và EDX. Graphene oxide (GO) được tổng hợp từ graphite bằng phương pháp Hummers cải tiến và các vật liệu composite được tổng hợp bằng phương pháp trộn huyền phù. Mời các bạn cùng tham khảo!

Giải thưởng Sinh viên nghiên cứu khoa học Euréka lần thứ 21 năm 2019 Kỷ yếu khoa học NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU NANOCOMPOSITE ĐỂ TĂNG HIỆU SUẤT HẤP THU NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI ỨNG DỤNG NÂNG CAO HIỆU QUẢ SẢN XUẤT NƯỚC NGỌT TỪ NƯỚC MẶN Lê Thị Nguyện*, Lê Quốc Anh Trường Đại học Mỏ - Địa chất Hà Nội *Tác giả liên hệ: nguyenlviv@gmail.com TÓM TẮT Trong cơng trình này, hệ vật liệu nanocomposite có từ tính sở graphene oxit (Al2O3/GO, Fe3O4/GO, Fe3O4 – Al2O3/GO) tổng hợp đặc trưng phương pháp X-ray, phổ hồng ngoại, SEM EDX Graphene oxide (GO) tổng hợp từ graphite phương pháp Hummers cải tiến vật liệu composite tổng hợp phương pháp trộn huyền phù Sau tổng hợp đặc trưng, dãy vật liệu sở GO phân tán vào nước mặn đo khả hấp thu nhiệt Kết cho thấy dùng phối hợp vật liệu hiệu hấp thu nhiệt dùng đơn lẻ Fe3O4-Al2O3/GO cho hiệu hấp thu cao (chênh lệch nhiệt độ mẫu trắng mẫu có phân tán vật liệu nồng độ 5mg/mL 6oC) Ảnh hưởng hàm lượng vật liệu đến khả hấp thu nhiệt khảo sát lựa chọn nồng độ phù hợp 5mg/mL, tăng nồng độ cao 1.5 mg/mL thời gian dài khả hấp thu giảm Ảnh hưởng cường độ ánh sáng đến khả hấp thu nhiệt vật liệu khảo sát, dùng bóng đèn chênh lệch nhiệt độ mẫu trắng mẫu có phân tán vật liệu tăng lên nhiều so với dùng bóng Từ khóa: Vật liệu nanocomposite, cường độ ánh sáng, nước mặn STUDY ON CREATING NANOCOMPOSITE MATERIALS TO INCREASE THE SOLUTION OF SOLAR ENERGY APPLICATION TO IMPROVE THE EFFICIENCY OF WATER PRODUCTION FROM SALT WATER Le Thi Nguyen*, Le Quoc Anh Hanoi University of Mining and Geology *Corresponding Author: nguyenlviv@gmail.com ABSTRACT Research, nanocomposite materials are magnetically based on graphene oxide (Al2O3/GO, Fe3O4/GO, Fe3O4 – Al2O3/GO) synthesized and characterized by X-ray methods, infrared spectroscopy, SEM and EDX Graphene oxide (GO) is synthesized from graphite by means of an improved Hummers method and composite materials are synthesized by suspension blending After synthesis and characterization, the range of GO base materials is dispersed into saline water and measured for heat absorption Results show that when used in combination with materials, the effect of heat absorption is greater than when used alone Fe3O4-Al2O3/GO gives the highest absorption efficiency (the temperature difference between the blank sample and the material dispersion material with a concentration of mg/mL is 6°C) The effect of the material content on the heat absorption capacity was investigated and selected the appropriate concentration is mg/mL, the increase in concentration is higher than 1.5 mg/mL and the longer time the absorption capacity decreases The effect of light intensity on the material's ability to absorb heat was also investigated; when using two bulbs, the temperature difference between the blank sample and the material dispersed sample increased significantly compared to using a light bulb Keywords: Nanocomposite material, light intensity, salt water lượng mặt trời cho mục đích khác Một phương pháp hiệu phân tán vật liệu nano có khả nâng cao hiệu suất hấp thu nhiệt vào môi trường chất lỏng: GIỚI THIỆU Các nhà khoa học quan tâm nghiên cứu công nghệ để nâng cao hiệu suất hấp thu nhiệt bay nước hệ thống hấp thu 13 Giải thưởng Sinh viên nghiên cứu khoa học Euréka lần thứ 21 năm 2019 Kỷ yếu khoa học thu dung dịch màu vàng sáng Sau 30 phút, nhỏ từ từ dung dịch NH3 đến pH=10 Khuấy tiếp 30 phút Sau phản ứng xảy hoàn toàn, hạt kết tủa màu đen thu lấy nam châm, sau rửa nhiều lần với nước ethanol đến pH=7 Các hạt nano Fe3O4 sấy 60oC Hòa tan 0,3 g GO 300 ml nước cất, sau đem siêu âm 30 phút, thu huyền phù GO Thêm 0,15 g nano Fe3O4 vào dung dịch siêu âm 30 phút Sau siêu âm thu huyền phù đồng nhất, Fe3O4/GO thu lại nam châm sấy 60oC Tổng hợp Fe3O4 -Al2O3/GO Phân tán 0,3 g Al2O3/GO 300 ml nước cất, sau đem siêu âm 30 phút, thu huyền phù Al2O3/GO thêm 0,3 g hạt nano Fe3O4 vào huyền phù Al2O3/GO siêu âm 30 phút Sau siêu âm thu huyền phù đồng nhất, Fe3O4Al2O3/GO thu lại nam châm để khô tự nhiên Đánh giá khả hấp thu nhiệt vật liệu Pha dung dịch nước muối 3,5% 0,5 mg/mL vật liệu, siêu âm mẫu vật liệu phân tán tốt nước muối Các mẫu ký hiệu M1, M2 Các mẫu thí nghiệm xếp thành vịng trịn, sau đặt bóng đèn vòng tròn Đo nhiệt độ ban đầu cốc đựng mẫu Bật bóng đèn, sau 10 phút ghi lại nhiệt độ mẫu thí nghiệm Thực nghiệm đánh giá khả thu hồi tái sinh vật liệu Đánh giá khả thu hồi vật liệu Lấy mẫu vật liệu có khả hấp thu nhiệt cao đem đánh giá khả thu hồi vật liệu Ghi lại thời gian mẫu thu hồi hồn tồn nam châm tính hiệu suất thu hồi mẫu vật liệu Mẫu vật liệu sau thu hồi thử nghiệm khả hấp thu nhiệt Phương pháp nghiên cứu đặc trưng vật liệu Cấu trúc đặc trưng phương pháp Xray (D8 ADVANCE BRUKER); SEM (Jeol 6490 JED 2300 (Nhật Bản); EDX (JED-2300 - JEOL (Nhật Bản);và FTIR (4600 JASCO) nước, glycol, dầu… gọi nanofluid Nanofluid chứa hạt nano khác nhau: dạng kim loại (Cu, Ag, Au, Ni), oxit kim loại (Al2O3, Cu2O, TiO2…), cacbua kim loại (AlN, SiN), dạng C (carbon nanotubes, graphite…) nghiên cứu Một số nanocomposite (hybrid nanopaticles) đưa vào chất lỏng cho hiệu cao dạng hạt nano thành phần Các nanofluid thường sử dụng chưng cất nước mặn dạng: đưa vào thiết bị trao đổi nhiệt để gia nhiệt cho nước mặn đưa vào bình chưng cất chứa nước mặn (phương pháp hấp thu nhiệt trực tiếp) Trong cơng trình này, với mong muốn kết hợp nhiều thành phần để tăng hiệu hấp thu nhiệt, hệ vật liệu nanocomposite có từ tính sở graphene oxit (Al2O3/GO, Fe3O4/GO, Fe3O4–Al2O3/GO) tổng hợp đặc trưng phương pháp X-ray, phổ hồng ngoại, SEM EDX Khả hấp thu nhiệt vật liệu khả thu hồi tái sử dụng vật liệu nghiên cứu cách hệ thống VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP Graphite loại tinh khiết (99%) mua Công ty Sigma- Aldrich, H2SO4 (98%), KMnO4 (loại tinh thể, 99%), H2O2 (30%), FeCl3.6H2O (99%), HCl (36-38%), NaNO3 (99%), FeSO4.7H2O (99%), AlCl3.6H2O Ethanol (99,7%) NH3 (25%) mua Cơng ty cung cấp nhà máy hóa chất Guangdong Guanghua, Trung Quốc Tổng hợp Al2O3/GO Pha dung dịch AlCl3 M ethanol cho vào bình định mức 100 ml, sau khuấy dung dịch khoảng 30 phút Nhỏ từ từ dung dịch NH3 vào dung dịch đến pH=9 (lúc xuất kết tủa màu trắng) Cho hỗn hợp kết tủa vào autoclave, sấy 200oC Rửa kết tủa đến pH=7 sấy 80oC Cuối cùng, nung kết tủa 500oC 5h thu Al2O3 Để tổng hợp vật liệu hỗn hợp GO Al2O3, hòa tan 0,1g GO 200 ml, sau đem siêu âm 1h Thêm Al2O3 vào huyền phù GO khuấy vòng 6h Cuối cùng, sản phẩm sấy 70 oC vòng 12h Tổng hợp Fe3O4/GO Hòa tan FeCl3.6H2O FeSO4.7H2O vào 150 ml nước cất Khuấy bếp từ 30 phút, KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Kết đặc trưng vật liệu Phổ hồng ngoại vật liệu Phổ hồng ngoại GO (Hình 1a) có khoảng phổ chân 14 Giải thưởng Sinh viên nghiên cứu khoa học Euréka lần thứ 21 năm 2019 rộng với đỉnh 3480 cm-1 dao động nhóm –OH Các đỉnh 1692 cm-1, 1572 cm -1 , 1258 cm -1, 1062 cm -1 hấp thụ đặc trưng nhóm C=O, C=C, C-OH C-O Các dao động minh chứng cho diện nhóm chức chứa oxy GO Phổ hồng ngoại Al2O3 (Hình 1), thể đầy đủ đỉnh đặc trưng Al2O3 Đỉnh có chân rộng 3487 cm-1 nhóm OH, 1636 cm-1 nhóm OH H-O-H, đỉnh đặc trưng nhóm Al-O khoảng khoảng 600 – 800 cm-1 Theo Hình đỉnh phổ 571 cm-1 dao động hóa trị nhóm chức Fe-O Số sóng khoảng 1625 cm-1 đến 1400 cm-1 có mặt dao động biến dạng nhóm H-O-H, nhóm O-H có dao động hoá trị khoảng 3380 cm-1 So sánh phổ GO, Kỷ yếu khoa học Al2O3 GO hỗn hợp với Al2O3 (hình 2b) cho thấy phổ hồng ngoại Al2O3/GO có đầy đủ đỉnh đặc trưng GO Al2O3 (hình 3.4), nhiên, cường độ đỉnh phổ đặc trưng cho GO (1692 cm-1, 1572 cm-1, 1258 cm-1 1062 cm-1 nhóm C=O, C=C, C-OH C-O) bị giảm nồng độ GO mẫu giảm Tương tự, phổ của Fe3O4/GO (hình 2b) có đầy đủ đỉnh đặc trưng GO Fe3O4 (Hình 1a 2a), với cường độ giảm nồng độ GO mẫu giảm đi.Từ phổ GO, Al2O3/GO, Fe3O4/GO, Fe3O4-Al2O3/GO ta thấy phổ vật liệu hỗn hợp có đầy đủ đỉnh đặc trưng vật liệu riêng rẽ với cường độ giảm Fe3 O4 -Al O3 /GO Fe3 O4 -Al O3 /GO tái sinh 4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 (a) (b) Hình Phổ hồng ngoại (a) vật liệu TH; (b) vật liệu tái sinh Nhiễu xạ tia X vật liệu tương tự thu đo phổ X-ray Từ giản đồ XRD ta thấy góc 2θ=11,2o góc mẫu Fe3O4-Al2O3/GO đặc trưng cho vật liệu GO, graphite, đỉnh Kết đo SEM EDX vật liệu hấp thu đặc trưng 2θ=26,5o Đồng thời, Kết đo SEM vật liệu Fe3O4-Al2O3/GO khoảng cách lớp nâng lên (Hình 6) cho thấy bề mặt vật liệu có đáng kể Ở graphite, đỉnh hấp thu đặc trưng phân tán Al2O3, Fe3O4 GO Kết 2θ=26,5o, khoảng cách lớp 3,35 ảnh SEM cho thấy vật liệu có kích thước Å , mẫu GO khoảng cách khoảng 20 nm Kết EDX Fe3O4lớp tăng lên đến 8,327Å Kết Al2O3/GO cho thấy vật liệu chứa ngun tố q trình oxy hóa giúp cho nhóm chức C, O, Al Fe (Bảng 1) có oxygen –OH, –O–, –C=O –COOH Đánh giá khả hấp thu nhiệt chèn vào lớp dẫn đến làm nâng rộng vật liệu tổng hợp Kết đo khả hấp thu nhiệt khoảng cách lớp graphite Kết nhiễu xạ tia X Al2O3/GO cho thấy vật liệu khác việc đưa Al2O3 làm cho đỉnh đặc trưng Để đánh giá tăng khả hấp thu nhiệt GO góc 2θ=10,58o khơng cịn, thay vào vật liệu tổng hợp được, vật liệu xuất đỉnh giá trị 2θ tương phân tán vào nước biển với nồng độ 0,5 ứng 37,1o; 45,6o 67,1o phù hợp với mg/ml Đem chiếu sáng hỗn hợp đo liệu nhiễu xạ tia X γ-Al2O3, thể cho nhiệt độ định kỳ thời điểm khác xen phủ γ -Al2O3 lên bề mặt GO Kết để so sánh 15 Giải thưởng Sinh viên nghiên cứu khoa học Euréka lần thứ 21 năm 2019 Kỷ yếu khoa học Bảng Kết đo EDX vật liệu Fe3O4-Al2O3/GO Nguyên tố CK OK Al K Fe K Tổng số Thành phần khối lượng (%) 14.40 45.79 28.41 11.40 100.00 Từ kết đo cho thấy, tất vật liệu nghiên cứu làm tăng khả hấp thu nhiệt nước muối 3,5% So sánh mẫu M2, M3 M4 ta thấy hỗn hợp Al2O3 GO nhiệt hấp thu dung dịch chứa vật liệu tăng lên cao so với mẫu dung dịch có GO Al2O3 Tương tự, so sánh mẫu M2, M5, M6 cho thấy hỗn hợp Fe3O4 với GO làm tăng khả hấp thu nhiệt nước muối so với mẫu có GO Fe3O4 Đặc biệt, mẫu có kết hợp Fe3O4, Al2O3 GO khả hấp thu nhiệt cao nhất, cao 6oC so với mẫu trắng Sự khác biệt tăng khí nhiệt độ mơi trường cao (trời nằng to) Điều chứng tỏ vật liệu GO hỗn hợp với Fe3O4 Al2O3 mẫu vật liệu có khả hấp thu nhiệt dẫn nhiệt tốt mẫu vật liệu tổng hợp Kết khảo sát ảnh hưởng hàm lượng đến khả hấp thu nhiệt vật liệu Khi tăng hàm lượng vật liệu phân tán nước từ 0,5mg/ml đến 1,5mg/ml nhiệt hấp thu tăng lên 1-2 độ Tuy nhiên tăng nồng độ chất hấp thu lên 2mg/ml nhiệt độ cao 80oC khả hấp thu nhiệt lại giảm Điều giải thích nhiệt độ cao hàm lượng chất hấp thu lớn dẫn đến hạt có xu hướng hút kết tụ với tạo thành hạt lớn lắng xuống dưới, làm giảm khả hấp thu nhiệt dẫn nhiệt Kết cho thấy, hàm lượng 1,5 mg/ml Fe3O4-Al2O3/GO mẫu thí nghiệm có kết hấp thu nhiệt cao Tuy nhiên, để tiết kiệm chi phí giảm kết tụ dùng thời gian dài dùng nồng độ chất hấp thu nước 0,5mg/ml Kết khảo sát ảnh hưởng cường độ ánh sáng đến khả hấp thu nhiệt Kết cho thấy, vật liệu Fe3O4Al2O3/GO với hàm lượng 1,5 mg/ml có khả Thành phần nguyên tố (%) 22.55 53.82 19.80 3.84 hấp thu nhiệt cao Vì nồng độ 1,5 mg/ml để thử nghiệm ảnh hưởng cường độ ánh sáng đến khả hấp thu nhiệt vật liệu Khi tăng cường độ chiếu sáng từ bóng đèn lên bóng đèn nhiệt độ hấp thu vật liệu tăng lên Chênh lệch nhiệt độ cao sử dụng bóng đèn với bóng đèn 9oC Kết thử nghiệm đánh giá khả thu hồi tái sinh vật liệu Khi khơng có nam châm thu hồi vật liệu chậm khơng hồn tồn Tuy nhiên, sử dụng nam châm để thu hồi sau 10 phút, vật liệu bị nam châm hút hết phía đáy cốc Kết sau gạn bỏ nước sấy, hiệu suất thu hồi đạt 98% Điều chứng tỏ vật liệu chế tạo có khả thu hồi tốt Sau thu hồi, vật liệu rửa nước sạch, sấy khô, đo phổ hồng ngoại đánh giá khả hấp thu nhiệt Phổ hồng ngoại vật liệu ban đầu vật liệu sau tái sinh cho thấy, vật liệu sau tái sinh có đỉnh đặc trưng giống với đỉnh vật liệu ban đầu KẾT LUẬN Đã tổng hợp thành công vật liệu hấp thu sở GO là: Al2O3/GO, Fe3O4/GO Fe3O4-Al2O3/GO Kết phân tích phổ FT-IR, X-ray, SEM, EDX chứng tỏ tạo thành vật liệu Kết đo khả hấp thu cho thấy vật liệu dùng phối hợp cho hiệu hấp thu nhiệt dùng đơn lẻ Fe3O4-Al2O3/GO cho hiệu hấp thu cao (chênh lêch nhiệt độ mẫu trắng mẫu có phân tán vật liệu nồng độ 0,5 mg/mL 6oC 8oC tương ứng Kết khảo sát ảnh hưởng hàm lượng đến khả hấp thu nhiệt vật liệu khảo sát ảnh hưởng cường độ ánh sáng đến khả hấp thu nhiệt vật liệu cho thấy tăng nồng độ 1.5mg/mL hiệu suất hấp thu giảm chiếu sáng lâu 80 phút 16 Giải thưởng Sinh viên nghiên cứu khoa học Euréka lần thứ 21 năm 2019 dùng bóng đèn chênh lệch nhiệt độ mẫu trắng mẫu có phân tán vật liệu tăng lên nhiều Vật liệu có từ tính nên hiệu thu hồi Kỷ yếu khoa học cao tới 98%, vật liệu sau thu hồi có đặc trưng nhóm chức khơng thay đổi hiệu hấp thu nhiệt xấp xỉ vật liệu TÀI LIỆU THAM KHẢO RAJ P, SUBUDHI S., A review of studies using nanofluids in flat-plate and direct absorption solar Collectors, Renewable and Sustainable Energy Reviews, 84 (2018) pp 54–74 SARSAM W.S., KAZI S.N., A BADARUDIN, A review of studies using nanofluids in flatplate and direct absorption solar Collectors, Solar Energy, 122 (2015) pp 1245–1265 17 ... mẫu vật liệu tổng hợp Kết khảo sát ảnh hưởng hàm lượng đến khả hấp thu nhiệt vật liệu Khi tăng hàm lượng vật liệu phân tán nước từ 0,5mg/ml đến 1,5mg/ml nhiệt hấp thu tăng lên 1-2 độ Tuy nhiên tăng. .. khả thu hồi tái sinh vật liệu Đánh giá khả thu hồi vật liệu Lấy mẫu vật liệu có khả hấp thu nhiệt cao đem đánh giá khả thu hồi vật liệu Ghi lại thời gian mẫu thu hồi hoàn toàn nam châm tính hiệu. .. sử dụng nam châm để thu hồi sau 10 phút, vật liệu bị nam châm hút hết phía đáy cốc Kết sau gạn bỏ nước sấy, hiệu suất thu hồi đạt 98% Điều chứng tỏ vật liệu chế tạo có khả thu hồi tốt Sau thu