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

Download

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: [email protected]

TÓM TẮT

Trong công trình này, 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. Sau khi tổng hợp và đặc trưng, dãy vật liệu cơ sở GO và được phân tán vào nước mặn và

đo khả năng hấp thu nhiệt. Kết quả cho thấy khi dùng phối hợp các vật liệu thì hiệu quả hấp

thu nhiệt hơn khi dùng đơn lẻ. Fe₃O₄-Al₂O₃/GO cho hiệu quả hấp thu cao nhất (chênh lệch

nhiệt độ giữa mẫu trắng và mẫu có phân tán vật liệu nồng độ 5mg/mL là 6^oC). Ảnh hưởng của

hàm lượng vật liệu đến khả năng hấp thu nhiệt đã được khảo sát và lựa chọn được nồng độ phù

hợp là 5mg/mL, khi tăng nồng độ cao hơn 1.5 mg/mL và thời gian dài thì khả năng hấp thu

giảm. Ảnh hưởng của cường độ ánh sáng đến khả năng hấp thu nhiệt của vật liệu cũng được

khảo sát, khi dùng 2 bóng đèn thì chênh lệch nhiệt độ giữa mẫu trắng và mẫu có phân tán vật

liệu tăng lên nhiều so với dùng một 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: [email protected]om

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 5 mg/mL is 6°C). The effect of the

material content on the heat absorption capacity was investigated and selected the appropriate

concentration is 5 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 significantlycompared

to using a light bulb.

Keywords: Nanocomposite material, light intensity, salt water.

lượng mặt trời cho các mục đích khác nhau.

Một phương pháp hiệu quả là phân tán các vật

liệu nano có khả năng nâng cao hiệu suất hấp

thu nhiệt vào trong môi trường chất lỏng:

GIỚI THIỆU

Các nhà khoa học đang quan tâm nghiên cứu

công nghệ để nâng cao hiệu suất hấp thu nhiệt

và bay hơi nước của các hệ thống hấp thu năng

Giải thưởng Sinh viên nghiên cứu khoa học Euréka lần thứ 21 năm 2019

Kỷ yếu khoa học

nước, glycol, dầu… gọi là nanofluid. thu được dung dịch màu vàng sáng. Sau 30

Nanofluid chứa các hạt nano khác nhau: dạng phút, nhỏ từ từ dung dịch NH₃đến khi pH=10.

Khuấy tiếp trong 30 phút. Sau khi phản ứng

xảy ra hoàn toàn, các hạt kết tủa màu đen được

thu lấy bằng nam châm, sau đó rửa nhiều lần

với nước và ethanol đến pH=7. Các hạt nano

Fe₃O₄được sấy ở 60^oC. Hòa tan 0,3 g GO

trong 300 ml nước cất, sau đó đem đi siêu âm

trong 30 phút, thu được huyền phù GO. Thêm

0,15 g nano Fe₃O₄vào dung dịch và siêu âm

30 phút. Sau khi siêu âm thu được một huyền

phù đồng nhất, Fe₃O₄/GO được thu lại bằng

nam châm và sấy ở 60^oC.

kim loại (Cu, Ag, Au, Ni), oxit kim loại

(Al₂O₃, Cu₂O, TiO₂…), cacbua kim loại (AlN,

SiN), dạng C (carbon nanotubes, graphite…)

đã được nghiên cứu. Một số nanocomposite

(hybrid nanopaticles) đã được đưa vào chất

lỏng và cho hiệu quả cao hơn dạng hạt nano

một thành phần. Các nanofluid thường được

sử dụng trong chưng cất nước mặn ở dạng:

đưa vào thiết bị trao đổi nhiệt để gia nhiệtcho

nước mặn và đưa vào trong bình chưng cất

chứa nước mặn (phương pháp hấp thu nhiệt

trực tiếp).

Tổng hợp Fe₃O₄-Al₂O₃/GO

Phân tán 0,3 g Al₂O₃/GO trong 300 ml nước

cất, sau đó đem đi siêu âm trong 30 phút, thu

được huyền phù Al₂O₃/GO tiếp theo thêm 0,3

g các hạt nano Fe₃O₄vào huyền phù

Al₂O₃/GO và siêu âm 30 phút. Sau khi siêu

âm thu được một huyền phù đồng nhất, Fe₃O₄-

Al₂O₃/GO được thu lại bằng nam châm và để

khô tự nhiên.

Trong công trình này, với mong muốn kết hợp

nhiều thành phần để tăng hiệu quả hấp thu

nhiệt, hệ vật liệu nanocomposite có từ tính

trên cơ sở graphene oxit (Al₂O₃/GO,

Fe₃O₄/GO, Fe₃O₄–Al₂O₃/GO) được tổng hợp

và đặc trưng bằng các phương pháp X-ray,

phổ hồng ngoại, SEM và EDX. Khả năng hấp

thu nhiệt của các vật liệu và khả năng thu hồi

tái sử dụng vật liệu được nghiên cứu một cách

hệ thống.

Đánh giá khả năng hấp thu nhiệt của vật

liệu

Pha dung dịch nước muối 3,5% và 0,5 mg/mL

vật liệu, siêu âm các mẫu vật liệu phân tán tốt

trong nước muối. Các mẫu được ký hiệu là

M1, M2... Các mẫu thí nghiệm được xếp thành

1 vòng tròn, sau đó đặt bóng đèn ở giữa vòng

tròn. Đo nhiệt độ ban đầu trong mỗi cốc đựng

mẫu. Bật bóng đèn, sau mỗi 10 phút ghi lại

nhiệt độ trong mỗi mẫu thí nghiệm.

VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP

Graphite loại tinh khiết (99%) mua của 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%) và NH₃(25%) mua của Công tyđược

cung cấp bởi nhà máy hóa chất Guangdong

Guanghua, Trung Quốc.

Thực nghiệm đánh giá khả năng thu hồi

và tái sinh vật liệu

Đánh giá khả năng thu hồi vật liệu

Tổng hợp Al₂O₃/GO

Lấy mẫu vật liệu có khả năng hấp thu nhiệt

cao nhất đem đi đánh giá khả năng thu hồivật

liệu. Ghi lại thời gian mẫu được thu hồi hoàn

toàn bằng nam châm và tính hiệu suất thu hồi

mẫu vật liệu. Mẫu vật liệu sau khi thu hồi và

thử nghiệm khả năng hấp thu nhiệt

Phương pháp nghiên cứu đặc trưng của vật

liệu

Cấu trúc đặc trưng bằng các phương pháp X-

ray (D8 ADVANCE BRUKER); SEM (Jeol

6490 JED 2300 (Nhật Bản); EDX (JED-2300

Pha dung dịch AlCl₃1 M trong ethanol cho

vào bình định mức 100 ml, sau đó khuấy dung

dịch trong khoảng 30 phút. Nhỏ từ từ dung

dịch NH₃vào dung dịch đến khi pH=9 (lúc

này xuất hiện kết tủa màu trắng). Cho hỗn hợp

kết tủa vào autoclave, sấy ở 200^oC trong 3 giờ.

Rửa kết tủa đến pH=7 và sấy ở 80^oC. Cuối

cùng, nung kết tủa ở 500^oC trong 5h thu được

Al₂O₃. Để tổng hợp vật liệu hỗn hợp GO và

Al₂O₃, hòa tan 0,1g GO trong 200 ml, sau đó

đem đi siêu âm trong 1h. Thêm Al₂O₃vào

huyền phù GO và khuấy đều trong vòng 6h.

JEOL (Nhật Bản);và FTIR (4600 JASCO).

Cuối cùng, sản phẩm được sấy ở 70 C trong

vòng 12h.

KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

Tổng hợp Fe₃O₄/GO

Kết quả đặc trưng vật liệu

Phổ hồng ngoại của các vật liệu Phổ hồng

ngoại của GO (Hình 1a) có khoảng phổ chân

Hòa tan FeCl₃.6H₂O và FeSO₄.7H₂O vào 150

ml nước cất. Khuấy trên bếp từ trong 30 phút,

Giải thưởng Sinh viên nghiên cứu khoa học Euréka lần thứ 21 năm 2019

Kỷ yếu khoa học

rộng với đỉnh ở 3480 cm^-1là dao động của Al₂O₃và GO hỗn hợp với Al₂O₃(hình 2b) cho

nhóm –OH. Các đỉnh tại 1692 cm^-1, 1572 cm thấy phổ hồng ngoại của Al₂O₃/GO có đầy đủ

^-1, 1258 cm ^-1, 1062 cm ^-1là hấp thụ đặc trưng

đỉnh đặc trưng của GO và Al₂O₃(hình 3.4),

tuy nhiên, cường độ của các đỉnh phổ đặc

của nhóm C=O, C=C, C-OH và C-O. Cácdao

động này đã minh chứng cho sự hiện diện các trưng cho GO (1692 cm^-1, 1572 cm^-1, 1258

cm^-1và 1062 cm^-1của các nhóm C=O, C=C,

nhóm chức chứa oxy trong GO. Phổ hồng

ngoại của Al₂O₃(Hình 1), thể hiện đầy đủ các

đỉnh đặc trưng của Al₂O₃. Đỉnh có chân rộng

ở 3487 cm^-1là của nhóm OH, 1636 cm^-1là của

nhóm OH là H-O-H, đỉnh đặc trưng của nhóm

Al-O ở khoảng khoảng 600 – 800 cm^-1. Theo

C-OH và C-O) bị giảm do nồng độ GO trong

mẫu giảm đi. Tương tự, phổ của của

Fe₃O₄/GO (hình 2b) cũng có đầy đủ các đỉnh

đặc trưng của GO và Fe₃O₄(Hình 1a và 2a),

nhưng với cường độ giảm do nồng độ GO

Hình 1 đỉnh phổ ở 571 cm^-1là dao động hóa trong mẫu giảm đi.Từ phổ của GO, Al₂O₃/GO,

trị của nhóm chức Fe-O. Số sóng trong khoảng

Fe₃O₄/GO, Fe₃O₄-Al₂O₃/GO ta thấy phổ của

1625 cm^-1đến 1400 cm^-1chỉ ra sự có mặt của các vật liệu hỗn hợp có đầy đủ các đỉnh đặc

dao động biến dạng của nhóm H-O-H, trong

khi đó nhóm O-H có dao động hoá trị ở

khoảng 3380 cm^-1. So sánh phổ của GO,

trưng của các vật liệu riêng rẽ nhưng với

cường độ giảm đi.

-Al

/GO

/GO tái sinh

4000

3500

3000

2500

2000

1500

1000

500

(a)

(b)

Hình 1. Phổ hồng ngoại của (a) các vật liệu TH; (b) vật liệu tái sinh

Nhiễu xạ tia X của các vật liệu

tương tự cũng thu được khi đo phổ X-ray của

mẫu Fe₃O₄-Al₂O₃/GO.

Từ giản đồ XRD ta thấy góc 2θ=11,2^olà góc

đặc trưng cho vật liệu GO, ở graphite, đỉnh Kết quả đo SEM và EDX của vật liệu

hấp thu đặc trưng ở 2θ=26,5^o. Đồng thời,

Kết quả đo SEM của vật liệu Fe₃O₄-Al₂O₃/GO

(Hình 6) cho thấy bề mặt của vật liệu có sự

phân tán đều của Al₂O₃, Fe₃O₄và GO. Kết quả

ảnh SEM cho thấy vật liệu có kích thước

khoảng 20 nm. Kết quả EDX của Fe₃O₄-

Al₂O₃/GO cho thấy vật liệu chứa 4 nguyên tố

C, O, Al và Fe (Bảng 1).

khoảng cách giữa các lớp đã được nâng lên

đáng kể. Ở graphite, đỉnh hấp thu đặc trưng ở

2θ=26,5^o, khoảng cách giữa các lớp chỉ là 3,35

Å , nhưng ở mẫu GO thì khoảng cách giữa các

lớp tăng lên đến 8,327Å. Kết quả này là do

quá trình oxy hóa đã giúp cho các nhóm chức

có oxygen như –OH, –O–, –C=O và –COOH

Đánh giá khả năng hấp thu nhiệt của các

chèn vào giữa các lớp dẫn đến làm nâng rộng vật liệu tổng hợp được

Kết quả đo khả năng hấp thu nhiệt của các

khoảng cách giữa các lớp graphite.

Kết quả nhiễu xạ tia X của Al₂O₃/GO cho thấy vật liệu khác nhau

việc đưa Al₂O₃đã làm cho đỉnh đặc trưng của Để đánh giá sự tăng khả năng hấp thu nhiệt

GO ở góc 2θ=10,58^okhông còn, thay vào đó

của các vật liệu tổng hợp được, các vật liệu

là sự xuất hiện các đỉnh mới ở giá trị 2θ tương được phân tán vào nước biển với nồng độ 0,5

ứng là 37,1^o; 45,6^ovà 67,1^ophù hợp với dữ

mg/ml. Đem chiếu sáng các hỗn hợp và đo

nhiệt độ định kỳ tại các thời điểm khác nhau

để so sánh.

liệu nhiễu xạ tia X của γ-Al₂O₃, thể hiện cho

sự xen phủ γ -Al₂O₃lên bề mặt GO. Kết quả

Giải thưởng Sinh viên nghiên cứu khoa học Euréka lần thứ 21 năm 2019

Kỷ yếu khoa học

Bảng 1. Kết quả đo EDX của vật liệu Fe₃O₄-Al₂O₃/GO

Nguyên tố

Thành phần khối

lượng (%)

14.40

Thành phần nguyên tố (%)

C K

O K

Al K

22.55

53.82

19.80

3.84

45.79

28.41

11.40

Fe K

Tổng số

100.00

Từ kết quả đo cho thấy, tất cả các vật liệu năng hấp thu nhiệt cao nhất. Vì vậy nồng độ

nghiên cứu đều làm tăng khả năng hấp thu 1,5 mg/ml để thử nghiệm sự ảnh hưởng của

nhiệt của nước muối 3,5%. So sánh các mẫu cường độ ánh sáng đến khả năng hấp thu nhiệt

M2, M3 và M4 ta thấy khi hỗn hợp Al₂O₃và của vật liệu. Khi tăng cường độ chiếu sáng từ

1 bóng đèn lên 2 bóng đèn thì nhiệt độ hấp thu

GO thì nhiệt hấp thu bởi dung dịch chứa vật

liệu tăng lên cao hơn so với mẫu dung dịch chỉ của vật liệu càng tăng lên. Chênh lệch nhiệt độ

cao giữa khi sử dụng 1 bóng đèn với 2 bóng

đèn là 9^oC.

Kết quả thử nghiệm đánh giá khả năng thu

hồi và tái sinh vật liệu

Khi không có nam châm sự thu hồi vật liệu

chậm và không hoàn toàn. Tuy nhiên, khi sử

dụng nam châm để thu hồi thì sau 10 phút, vật

liệu đã bị nam châm hút hết về phía đáy cốc.

Kết quả sau khi gạn bỏ nước và sấy, hiệu suất

thu hồi đạt 98%. Điều này chứng tỏ vật liệu

chế tạo được có khả năng thu hồi tốt.

có GO hoặc Al₂O₃. Tương tự, sự so sánh các

mẫu M2, M5, M6 cho thấy hỗn hợp của Fe₃O₄

với GO cũng làm tăng khả năng hấp thu nhiệt

của nước muối so với mẫu chỉ có GO hoặc

Fe₃O₄. Đặc biệt, ở mẫu có sự kết hợp của

Fe₃O₄, Al₂O₃và GO thì khả năng hấp thu nhiệt

cao nhất, cao hơn 6^oC so với mẫu trắng. Sự

khác biệt này sẽ càng tăng khí nhiệt độ môi

trường càng cao (trời nằng to). Điều này

chứng tỏ vật liệu GO hỗn hợp với cảFe₃O₄và

Al₂O₃là mẫu vật liệu có khả năng hấp thu

nhiệt và dẫn nhiệt tốt nhất trong các mẫu vật

liệu tổng hợp được.

Sau khi thu hồi, vật liệu được rửa bằng nước

sạch, sấy khô, đo phổ hồng ngoại và đánh giá

Kết quả khảo sát sự ảnh hưởng của hàm khả năng hấp thu nhiệt. Phổ hồng ngoại của

lượng đến khả năng hấp thu nhiệt của vật vật liệu ban đầu và vật liệu sau khi tái sinh cho

liệu

thấy, vật liệu sau khi tái sinh có các đỉnh đặc

trưng giống với các đỉnh của vật liệu ban đầu.

Khi tăng hàm lượng vật liệu phân tán trong

nước từ 0,5mg/ml đến 1,5mg/ml thì nhiệt hấp

thu tăng lên 1-2 độ. Tuy nhiên khi tăng nồng

KẾT LUẬN

độ của chất hấp thu lên 2mg/ml và ở nhiệt độ Đã tổng hợp thành công các vật liệu hấp thu

cao trên 80^oC thì khả năng hấp thu nhiệt lại

trên cơ sở GO là: Al₂O₃/GO, Fe₃O₄/GO và

Fe₃O₄-Al₂O₃/GO. Kết quả phân tích bằng phổ

FT-IR, X-ray, SEM, EDX đã chứng tỏ sự tạo

thành của các vật liệu. Kết quả đo khả năng

hấp thu cho thấy các vật liệu khi dùng phối

hợp cho hiệu quả hấp thu nhiệt hơn khi dùng

đơn lẻ. Fe₃O₄-Al₂O₃/GO cho hiệu quả hấpthu

cao nhất (chênh lêch nhiệt độ giữa mẫu trắng

và mẫu có phân tán vật liệu nồng độ 0,5

mg/mL là 6^oC và 8^oC tương ứng. Kết quả khảo

sát sự ảnh hưởng của hàm lượng đến khả năng

hấp thu nhiệt của vật liệu và khảo sát sự ảnh

hưởng của cường độ ánh sáng đến khả năng

hấp thu nhiệt của vật liệu cho thấy khi tăng

nồng độ hơn 1.5mg/mL thì hiệu suất hấp thu

giảm khi chiếu sáng lâu hơn 80 phút và khi

giảm. Điều này có thể giải thích là nhiệt độ

cao và hàm lượng chất hấp thu lớn dẫn đến các

hạt này có xu hướng hút kết tụ với nhau tạo

thành các hạt lớn hơn và lắng xuống dưới, vì

vậy làm giảm khả năng hấp thu nhiệt và dẫn

nhiệt. Kết quả cho thấy, ở hàm lượng 1,5

mg/ml của Fe₃O₄-Al₂O₃/GO thì mẫu thí

nghiệm có kết quả hấp thu nhiệt cao nhất. Tuy

nhiên, để tiết kiệm chi phí và giảm sự kết tụ

khi dùng thời gian dài có thể dùng nồng độ

chất hấp thu trong nước là 0,5mg/ml.

Kết quả khảo sát sự ảnh hưởng của cường

độ ánh sáng đến khả năng hấp thu nhiệt

Kết quả trên cho thấy, vật liệu Fe₃O₄-

Al₂O₃/GO với hàm lượng 1,5 mg/ml có khả

Giải thưởng Sinh viên nghiên cứu khoa học Euréka lần thứ 21 năm 2019

Kỷ yếu khoa học

dùng 2 bóng đèn thì chênh lệch nhiệt độ giữa cao tới 98%, vật liệu sau thu hồi có đặc trưng

mẫu trắng và mẫu có phân tán vật liệu tăng lên nhóm chức không thay đổi và hiệu quả hấp thu

nhiều. Vật liệu có từ tính nên hiệu quả thuhồi nhiệt xấp xỉ vật liệu mới.

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 flat-

plate and direct absorption solar Collectors, Solar Energy, 122 (2015) pp 1245–1265.

5 trang yennguyen 7420 Free

Download

Bạn đang xem tài liệu "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", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên

File đính kèm:

nghien_cuu_che_tao_vat_lieu_nanocomposite_de_tang_hieu_suat.pdf