1.2.1. Khái niệm chất lỏng nanô
Chất lỏng nanô là một chất lỏng chứa các hạt có kích thước nanomet, được gọi là hạt nanô. Các hạt nanô được sử dụng trong chất lỏng nanô thường được làm bằng kim loại, oxit, cacbua hoặc CNTs. Chất lỏng nền phổ biến bao gồm nước, ethylene glycol và dầu.
Chất lỏng nanô có các đặc tính mới khiến chúng có khả năng hữu ích trong nhiều ứng dụng trong truyền nhiệt, bao gồm vi điện tử, pin nhiên liệu, quy trình
dược phẩm và động cơ hybrid, làm mát động cơ/quản lý nhiệt xe, tủ lạnh gia đình,
máy làm lạnh, bộ trao đổi nhiệt, trong mài, gia công và trong việc giảm nhiệt độ khí thải lò hơi [29]. Chúng thể hiện khảnăng dẫn nhiệt và hệ số truyền nhiệt đối lưu tốt hơn đáng kể so với chất lỏng cơ bản. Các nghiên cứu sâu hơn về tính chất của chất lỏng nanô được coi là rất quan trọng trong việc quyết định sự phù hợp của chúng
học đặc biệt và trong trường siêu âm, nó còn cho thấy thêm sự chuyển đổi sóng biến dạng của sóng nén tới, và hiệu ứng trở nên rõ rệt hơn khi nồng độ hạt nanô tăng lên.
1.2.2. Các phương pháp chế tạo
Để chế tạo chất lỏng nanô, hiện nay người ta sử dụng 2 phương pháp chính, bao gồm: phương pháp 2 bước (Two-Step Method) và phương pháp 1 bước (One- Step Method).
a) Phương pháp 2 bước
Phương pháp hai bước là phương pháp được sử dụng rộng rãi nhất đểđiều chế
chất lỏng nanô. Ở bước đầu tiên, các hạt nanô, sợi nanô, ống nanô hoặc các vật liệu nanô khác được sản xuất dưới dạng bột khô bằng phương pháp hóa học hoặc vật lý.
Ở bước thứ hai, bột nanô sẽđược phân tán vào chất lỏng với sự hỗ trợ của khuấy từ, rung siêu âm, trộn cắt cao phân tán, nghiền bi. Phương pháp hai bước là phương
pháp kinh tế nhất để sản xuất chất lỏng nanô ở quy mô lớn, do các kỹ thuật của phương pháp này đã được mở rộng đến mức sản xuất công nghiệp. Một vấn đề của phương pháp này là do diện tích bề mặt và hoạt động bề mặt cao, các hạt nanô có xu
hướng kết tụ. Một giải pháp để tăng cường sự ổn định của các hạt nanô trong chất lỏng là sử dụng chất hoạt động bề mặt. Tuy nhiên, tác dụng phụ của chất hoạt động bề mặt ở nhiệt độ cao cũng là một mối quan tâm lớn, đặc biệt là đối với các ứng dụng nhiệt độ cao.
Do khó khăn trong việc điều chế chất lỏng nanô ổn định bằng phương pháp
hai bước, một số kỹ thuật tiên tiến được phát triển để sản xuất chất lỏng nanô, bao gồm cảphương pháp một bước.
b) Phương pháp 1 bước
Để giảm sự kết tụ của các hạt nanô, Eastman và cộng sự [30] đã phát triển phương pháp ngưng tụ hơi vật lý một bước để điều chế chất lỏng nanô Cu/ethylene glycol. Phương pháp một bước bao gồm đồng thời tạo ra và phân tán các hạt trong chất lỏng. Trong phương pháp này, người ta có thể tránh được các quá trình làm khô, bảo quản, vận chuyển và phân tán các hạt nanô, do đó giảm thiểu sự kết tụ và
tăng tính ổn định của chất lỏng [31]. Phương pháp một bước có thể tạo ra các hạt nanô phân tán đồng đều và ổn định trong chất lỏng nền. Chân không-SANSS (hệ
chế chất lỏng nanô bằng cách sử dụng các chất lỏng điện môi khác nhau [32,33]. Các hình dạng khác nhau của thành phẩm chủ yếu bị ảnh hưởng và xác định bởi các tính chất dẫn nhiệt khác nhau của chất lỏng điện môi. Các hạt nanô được điều chế
có hình dạng giống như hình cái kim, hình đa giác, hình vuông và hình tròn.
Phương pháp này rất hiệu quả trong việc ngăn ngừa sự tụ đám của các hạt nanô sau khi phân tán.
Hình 1.11. Hệ thống tổng hợp hạt nano hồ quang chìm
Phương pháp vật lý một bước không thể tổng hợp các chất lỏng nanô ở quy mô lớn, và chi phí cũng cao, vì vậy phương pháp hóa học một bước đang được phát triển như một cách thay thế. Zhu và cộng sự [34] đã trình bày một phương pháp hóa học một bước mới đểđiều chế chất lỏng nanô đồng bằng cách khử CuSO4⋅5H2O với NaH2PO2⋅H2O trong ethylene glycol dưới chiếu xạ vi sóng. Các chất lỏng nanô
đồng thu được phân tán tốt và ổn định. Các chất lỏng nanô gốc dầu khoáng có chứa các hạt nanô bạc có phân bố kích thước hẹp cũng được điều chế bằng phương pháp này. Sự phân tán có thểđược ổn định bởi Korantin, do chất này kết hợp với bề mặt hạt bạc thông qua hai nguyên tử oxy tạo thành một lớp dày đặc xung quanh các hạt. Huyền phù hạt nanô bạc ổn định trong khoảng 1 tháng. Các chất lỏng nanô nền ethanol có chứa các hạt nanô bạc có thểđược điều chế bằng phương pháp một bước có hỗ trợ của vi sóng. Trong phương pháp này, polyvinylpyrolidone (PVP) được sử
dụng làm chất ổn định của keo bạc và chất khử đối với bạc trong dung dịch. Chất hoạt động bề mặt cation octadecylamine (ODA) cũng là một chất chuyển pha hiệu
quả để tổng hợp keo bạc. Sự chuyển pha của các hạt nanô bạc xảy ra do sự kết hợp của các hạt nanô bạc với các phân tử ODA có trong pha hữu cơ thông qua sự hình thành liên kết phối trí hoặc tương tác cộng hóa trị yếu. Phương pháp chuyển pha đã được phát triển đểđiều chế chất keo graphene oxit đồng nhất và ổn định.
Tuy nhiên, có một sốnhược điểm đối với phương pháp một bước. Vấn đề lớn nhất là các chất phản ứng còn dư lại trong chất lỏng nanô do phản ứng không hoàn toàn hoặc quá trình không ổn định. Trên thực tế, các nhà khoa học gặp nhiều khó khăn để làm rõ tính chất của hạt nanô mà không loại bỏ các tạp chất dư thừa này.
1.2.3. Chất lỏng chứa CNTs
a) Chế tạo chất lỏng nanô
Như đã nêu ở trên, hai phương pháp thường được dùng hiện nay để chế tạo chất lỏng nanô là phương pháp một bước và hai bước. Tuy nhiên, đa số các thí nghiệm liên quan đến chất lỏng nanô đều dựa vào phương pháp hai bước do không yêu cầu cao về mặt thiết bị, cùng với sự sẵn có của các vật liệu nanô với số lượng lớn. Do vậy, đối với chất lỏng chứa thành phần ống nanô cácbon, phương pháp hai
bước vẫn được sử dụng rộng rãi và phương pháp một bước không được áp dụng [35].
Khi chế tạo chất lỏng nanô, hai yêu cầu bắt buộc là tránh sự tụđám cũng như
tạo ra sự phân tán ổn định trong chất lỏng. Có một số lý do khiến cho CNTs chưa
biến tính dễ bị tụđám và chìm xuống đáy: tác động của lực Van-der-Waals, hay tỷ
số diện tích bề mặt lớn. Hơn nữa, nếu chỉ phương pháp rung siêu âm được sử dụng trong thời gian dài cũng không đem lại hiệu quả. Theo như kết quả nghiên cứu được công bố bởi Xie và cộng sự [36], chỉ sau 5 phút, hầu hết CNTs trong nước với nồng
độ 0,175% đều sẽ lắng đọng. Do đó, việc biến tính gắn nhóm chức, sử dụng chất hoạt động bề mặt, kết hợp rung siêu âm là cần thiết để phân tán đều CNTs trong chất lỏng.
Nhóm nghiên cứu Jiang và cộng sự [37] đã chế tạo chất lỏng nanô trên nền
nước cất bằng cách sử dụng chất hoạt động bề mặt Sodium Dodecyl Sulfate (SDS). SDS là một chất hoạt động bề mặt cation có chứa một đầu ưa Sulfate và một đoạn hydrocacbon kỵ nước. Các phép phân tích FTIR và AES cho thấy tồn tại một lực hút mạnh giữa bề mặt CNTs với SDS. Kết quả thí nghiệm cho thấy CNTs kết hợp với SDS cho sự phân tán tốt hơn nhiều so với CNTs đơn thuần, điều này được giải
thích là do có sự xuất hiện của lực đẩy tĩnh điện giữa các bề mặt tích điện âm tồn tại trên SDS khi gắn kết với CNTs.
b) Tính chất nhiệt của chất lỏng nanô
Nhóm nghiên cứu do Choi đứng đầu đã tiến hành đo đạc độ dẫn nhiệt của dầu poly(α-olefin) có chứa SWCNTs nhằm khẳng định tính ưu việt của chất lỏng nền chứa CNTs. Từ các đo đạc thực nghiệm ta thấy khi nồng độ SWCNTs tăng thì độ
dẫn nhiệt của chất lỏng cũng tăng theo. Khi tỷ lệ thể tích của SWCNTs trong chất lỏng là 1,75%, độ dẫn nhiệt tăng lên đến 160%.
Một số nhóm nghiên cứu khác đã khảo sát độ dẫn nhiệt của chất lỏng khi MWCNTs được pha vào. Ví dụ, hình 1.12 là đồ thị thu được từ thí nghiệm của nhóm của Lifei Chen và cộng sự [38] khi đo độ dẫn nhiệt của nước cất (DW) và Ethylen Glycol (EG) theo nồng độ % về thể tích CNTs phân tán trong chất lỏng. Kết quả cho thấy độ dẫn nhiệt của chất lỏng EG có thể tăng từ 10 đến 15% với việc CNTs được đưa vào. Tại Viện khoa học Công nghệ Guwahati (Ấn Độ), nhóm nhà khoa học của Narendra Singh và cộng sựđã pha CNTs vào chất lỏng nền Ethylene Glycol với hàm lượng từ 0,12% đến 0,4% nhằm mục đích quản lý nhiệt cho ô tô [39,40].
Hình 1.12.Đồ thị sự phụ thuộc của độ dẫn nhiệt của nước cất (DW) và Ethylen Glycol (EG) vào nồng độ % thể tích của CNTs trong chất lỏng [38]
1.2.4. Ứng dụng chất lỏng nanô
Hình 1.13. Ứng dụng của chất lỏng nanô cho các lĩnh vực khác nhau Cho đến nay, nhiều nhóm nghiên cứu trên thế giới đã và đang nghiên cứu
ứng dụng của chất lỏng nanô để nâng cao hiệu quả truyền nhiệt trong các lĩnh vực khác nhau. Vì vậy mà hiện nay đã có nhiều công bố khác nhau về chất lỏng nanô, từ
phương pháp chế tạo cho đến nghiên cứu tính chất nhiệt, cũng như mô hình và lý thuyết tính toán, hay truyền nhiệt đối lưu. Xi và cộng sự [41] đã đo đạc độ dẫn nhiệt của Ethylene Glycol (EG) được pha với các hạt oxit nanô của MgO, TiO2, ZnO, Al2O3, SiO2. Sự cải thiện độ dẫn nhiệt được cho thấy như trong bảng 1.1. Trong bảng này, độ dẫn nhiệt của TiO2/EG là thấp nhất và của chất lỏng nanô MgO/EG là cao nhất.
a) Chất lỏng nanô trong nhiên liệu
Các hạt nanô nhôm, được sản xuất bằng hệ thống hồ quang plasma, được bao phủ bởi các lớp nhôm oxit mỏng. Các hạt nanô này có tính oxi hóa cao, do đó có thể
tạo ra diện tích bề mặt tiếp xúc lớn hơn với nước và cho phép tăng sự phân hủy hydro từnước trong quá trình đốt. Trong quá trình đốt cháy này, các hạt nanô nhôm hoạt động như một chất xúc tác và chúng sau đó sẽ phân hủy nước để tạo ra nhiều hydro hơn. Các nghiên cứu khác nhau đã chỉ ra rằng quá trình đốt cháy nhiên liệu diesel trộn với dung dịch nanô nhôm làm tăng tổng nhiệt lượng đốt cháy trong khi làm giảm nồng độ khói và oxit nitơ trong khí thải từđộng cơ diesel [42].
b) Khai thác điện địa nhiệt và các nguồn năng lượng khác
Tổng tài nguyên năng lượng địa nhiệt trên thế giới được tính toán là hơn
13.000 ZJ, theo như một báo cáo của MIT (2007). Với các công nghệ hiện tại, loài người mới chỉ có thể chiết xuất 200 ZJ, tuy nhiên, với những cải tiến công nghệ, hơn 2.000 ZJ nữa có thểđược chiết xuất và phục vụ cho nhu cầu năng lượng của thế
giới trong vài thiên niên kỷ tới. Khi khai thác năng lượng từ vỏ trái đất có độ sâu
thay đổi từ 5 km đến 10 km và nhiệt độ từ 500oC đến 1.000oC, chất lỏng nanô có thểđược sử dụng để làm mát các đường ống tiếp xúc với nhiệt độcao như vậy. Khi khoan, chất lỏng nanô có thể làm mát máy móc cũng như thiết bị làm việc trong
môi trường ma sát cao và nhiệt độ cao. Là một “chất lỏng siêu dẫn”, chất lỏng nanô có thểđược sử dụng để chiết xuất năng lượng từ lõi trái đất cũng như trong hệ thống lò phản ứng nước áp lực (PWR) để tạo ra một lượng lớn năng lượng.
Trong lĩnh vực phụ trợ của công nghệ khoan (rất quan trọng đối với khai thác
nănglượng địa nhiệt), các cảm biến và thiết bịđiện tửđược làm mát bằng chất lỏng nanô và do vậy có khả năng hoạt động ở nhiệt độ cao hơn trong các giếng khoan. Thêm vào đó, những cải tiến mang tính cách mạng trong việc sử dụng các phương pháp xuyên đá được làm mát và bôi trơn bằng chất lỏng nanô sẽ giảm đáng kể chi phí sản xuất. Những cải tiến như vậy sẽ cho phép tiếp cận các vùng sâu hơn, nóng hơn ở các hệ tầng sâu hơn hoặc tiết kiệm hơn về mặt kinh tế ở các hệ tầng nông
hơn.
Trong lĩnh vực phụ trợ của công nghệ chuyển đổi năng lượng, việc cải thiện hiệu suất truyền nhiệt của các chất lỏng nanô ở nhiệt độ thấp hơn và phát triển các thiết kế nhà máy với nhiệt độ cao hơn cho vùng nước siêu tới hạn sẽ dẫn đến sự
tăng đáng kể trong cả hiệu suất của hồ chứa và hiệu suất chuyển đổi nhiệt thành
điện năng.
G. Cheraghian [43] đã đưa ra 1 nghiên cứu tổng quát vềứng dụng tiềm năng
của hạt nanô trong công nghiệp khoan. Mặc dù trước đây đã có một số nghiên cứu tổng quát về lĩnh vực này, nghiên cứu của Cheraghian mang tính toàn diện nhất do
đánh giá sựảnh hưởng của các hạt nanô khác nhau như: gốm, kim loại, Cácbon hay gốc polyme. Tuy nhiên, tất cả các nghiên cứu tổng quan cùng chỉ ra 1 ưu điểm rằng: hạt nanô giúp cải thiện khả năng truyền dẫn nhiệt và cơ lý của dung dịch dùng trong khoan.
Bảng 1.2. Một số hạt nanô được dùng trong các dung dịch khoan [43] Loại hạt Kich thước hạt (nm) Nồng độ tối ưu Tác dụng Fe2O3 3 đến 30 0.5% Kiểm soát độ nhớt, tăng cường tính lưu biến Fe3O4 10 đến 20 0.05% đến 0.5% Tăng cường tính chất nhiệt, lưu biến SiO2 50 0.5% Độổn định lưu biến cao hơn
c) Quản lý nhiệt trong công nghiệp
Ở một dự án được thực hiện vào năm 2008, Routbort và cộng sự [44] đã sử
dụng chất lỏng nanô để làm mát công nghiệp, từđó có thể tiết kiệm một lượng năng
lượng lớn và giảm phát thải. Đối với ngành công nghiệp năng lượng của Hoa Kỳ, việc thay thếnước làm mát và làm nóng bằng chất lỏng nanô có khảnăng tiết kiệm 1 nghìn tỷBTU năng lượng. Tương tự, với ngành công nghiệp điện của Hoa Kỳ, sử
dụng chất lỏng nanô trong chu trình làm mát vòng kín có thể tiết kiệm khoảng 10–
30 nghìn tỷ BTU mỗi năm (tươngđương với mức tiêu thụnăng lượng hàng năm của khoảng 50.000–150.000 hộ gia đình). Mức giảm phát thải liên quan sẽ là khoảng 5,6 triệu tấn carbon dioxide; 8.600 tấn nitơ oxit; và 21.000 tấn lưu huỳnh đioxit.
Đối với các nhà máy sản xuất lốp xe của Michelin Bắc Mỹ, năng suất của nhiều quy trình công nghiệp bị hạn chế do thiếu phương pháp làm mát cao su một cách hiệu quả trong quá trình xử lý. Phương pháp làm mát hiện tại đòi hỏi phải sử
dụng hơn 2 triệu gallon chất lỏng truyền nhiệt ở các nhà máy ở Bắc Mỹ của Michelin. Mục tiêu của Michelin là tăng năng suất 10% trong các nhà máy chế biến cao su của mình nếu các chất lỏng nanô phù hợp có thể được phát triển và sản xuất thương mại theo cách tiết kiệm chi phí.
Han và cộng sự [45] đã sử dụng vật liệu thay đổi pha là các hạt nanô trong chất lỏng nanô để tăng cường đồng thời tính dẫn nhiệt hiệu quả và nhiệt dung riêng của chất lỏng. Ví dụ, một huyền phù của các hạt nanô indium (nhiệt độ nóng chảy: 157°C) trong polyalphaolefin đãđược tổng hợp bằng cách sử dụng phương pháp tạo nhũ nanô một bước. Các tính chất nhiệt vật lý của chất lỏng như là độ dẫn nhiệt, độ
nhớt, nhiệt dung riêng, và sự phụ thuộc vào nhiệt độ của chúng được đo bằng thực nghiệm. Sự chuyển đổi giai đoạn “nóng chảy-đóng băng” của các hạt nanô indium