Sử dụng vật liệu tổ hợp trên cơ sở graphene oxide để hấp thu nhiệt
JST: Engineering and Technology for Sustainable Development
Vol. 1, Issue 1, March 2021, 021-027
Sử dụng vật liệu tổ hợp trên cơ sở graphene oxide để hấp thu nhiệt
Using Graphene Oxide Based Materials for Thermal Sorption
Bùi Thị Lệ Thuỷ*, Đào Đình Thuần, Phạm Đình Thảo
Trường Đại học Mỏ Địa chất, Hà Nội, Việt Nam
*Email: thuykhai2001@gmail.com
Tóm tắt
Trong bài báo này, một số vật liệu tổ hợp trên cơ sở graphene oxide (GO) (Al2O3/GO, Fe3O4/GO,
Fe3O4–Al2O3/GO) được chế tạo và đặc trưng bởi phổ nhiễu xạ tia X và phổ hồng ngoại, SEM và EDX. Các
vật liệu được phân tán vào nước muối và đo khả năng hấp thu nhiệt của hỗn hợp. Kết quả chỉ ra rằng sự
hấp thu nhiệt của các vật liệu tổ hợp cao hơn các vật liệu riêng lẻ, trong đó Fe3O4-Al2O3/GO có khả năng
hấp thu nhiệt cao nhất (sự chênh lệch về nhiệt độ giữa mẫu trắng và mẫu có vật liệu với hàm lượng
0,5 mg/mL là 6 °C). Ảnh hưởng của hàm lượng vật liệu trong nước muối đến hiệu suất hấp thu nhiệt đã
được nghiên cứu và hàm lượng 0,5 mg/mL được đề nghị sử dụng. Do có từ tính nên 98% vật liệu
Fe3O4-Al2O3/GO được thu hồi và tái sử dụng, hiệu suất hấp thu nhiệt giảm không đáng kể sau 5 lần tái sinh
và tái sử dụng. Kết quả nghiên cứu chỉ ra tiềm năng sử dụng các vật liệu này để tăng hiệu quả hấp thu năng
lượng mặt trời trong quá trình chưng cất nước mặn thành nước ngọt.
Từ khóa: Graphene oxide, hấp thu nhiệt, chưng cất nước mặn.
Abstract
In this work, some nanocomposite materials based on graphene oxide (GO) (Al2O3/GO, Fe3O4/GO,
Fe3O4–Al2O3/GO) were prepared and characterized by X-ray and infrared spectra, SEM and EDX analysis.
GO based materials were dispersed into salty water and the thermal absorption ability of mixtures was
measured. Results showed that thermal sorption of composite materials was greater than that of single
materials. Fe3O4-Al2O3/GO gives the highest thermal absorption efficiency (the temperature difference
between the blank sample and the sample containing Fe3O4-Al2O3/GO with content of 0.5 mg/mL is 6 °C).
The influence of the material content in salty water on the thermal sorption efficiency was investigated and a
suitable concentration of 0.5 mg/mL was found. 98% of Fe3O4-Al2O3/GO was recovered with the magnet
because of its magnetic property and thermal absorption of recovered material are similar to that of the fresh
material. The research results show the potential of using these nanocomposite materials to increase the
efficiency of thermal sorption in the process of distilling salty water into fresh water.
Keywords: graphene oxide, solar thermal sorption, distilling salty water.
1. Giới thiệu
nghệ được sử dụng phổ biến để sản xuất nước ngọt từ
nước mặn là công nghệ nhiệt và công nghệ màng [1].
mang tính toàn cầu mà hầu hết các quốc gia trên thế
giới đã và đang phải đối mặt. Thật vậy, theo thống kê
hiện nay trên thế giới có tới 1,5 tỷ người bị khát
nước, 1 tỷ người đang phải sử dụng nước bị ô nhiễm
và 120 quốc gia đang bị thiếu nước ngọt. Mỗi năm
có hàng triệu người chết vì những căn bệnh liên quan
đến việc dùng nước bị ô nhiễm. Dự báo đến năm
2030, lượng nước trên toàn cầu giảm đến 40%.
Lượng nước sụt giảm tác động lớn đến sinh hoạt, sản
xuất lương thực, vệ sinh và sức khỏe cộng đồng, cũng
như 98% hoạt động sản xuất điện năng trên toàn cầu.
Việt Nam đang được xếp vào nhóm quốc gia bị thiếu
nước, có tới 20% dân số Việt Nam hiện chưa từng
được tiếp cận với nguồn nước sạch. Trong khi đó
nguồn nước mặn dồi dào chiếm 70% diện tích bề mặt
trái đất vẫn chưa được tận dụng triệt để. Hai công
Với mục đích tận dụng nguồn năng lượng tự
nhiên sẵn có để giảm chi phí, công nghệ chưng cất
nước mặn bằng năng lượng mặt trời đã được nghiên
cứu và sử dụng từ lâu. Nhược điểm chính của công
nghệ này là rất nhiều năng lượng mặt trời bị lãng phí
trong quá trình chưng cất, nước chỉ hấp thu được 13%
năng lượng bức xạ. Thậm chí những dụng cụ chưng
cất tốt nhất cũng cần rộng đến 6m2 để tạo ra đủ nước
cho một người dùng trong một ngày
(2,5-5 l/m2/ngày). Các nhà khoa học đang quan tâm
nghiên cứu công nghệ để nâng cao hiệu suất hấp thu
nhiệt và hiệu quả bay hơi nước của các hệ thống hấp
thu năng lượng mặt trời để sử dụng cho các mục đích
khác nhau [2-4]. 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 như:
nước, glycol, dầu… gọi là nanofluid [4,5]. Nanofluid
chứa các hạt nano khác nhau: kim loại (Cu, Ag, Au,
Ni), oxit kim loại (Al2O3, Cu2O, TiO2…), cacbua kim
loại (AlN, SiN), dạng
graphite…) đã được nghiên cứu [6]. Một số vật liệu
C (carbon nanotubes,
ISSN: 2734-9381
Received: March 12, 2020; accepted: September 25, 2020
21
JST: Engineering and Technology for Sustainable Development
Vol. 1, Issue 1, March 2021, 021-027
nanocomposite (hybrid nanopaticles) đã được đưa
nước cất được thêm từ từ vào hỗn hợp để tránh hiện
tượng quá nhiệt cục bộ, nhiệt độ của hệ được giữ ở
90 C, hỗn hợp được tiếp tục khuấy trong 30 phút.
vào chất lỏng và cho hiệu quả hấp thu nhiệt cao hơn
vật liệu nano một thành phần [6]. Các nanofluid
thường được sử dụng trong chưng cất nước mặn ở
dạng: đưa vào thiết bị trao đổi nhiệt để gia nhiệt cho
nước mặn hoặc đưa vào trong bình chưng cất chứa
nước mặn (phương pháp hấp thu nhiệt trực tiếp).
o
Sau đó, 80 mL H2O được cho vào để dừng phản ứng,
khi đó nhiệt độ đạt xấp xỉ 50oC, khuấy tiếp 20 phút.
10,5 mL dung dịch H2O2 30% được thêm vào hỗn
hợp và hỗn hợp được khuấy khoảng 20 phút. Sản
phẩm được lọc rửa với dung dịch HCl 0,1 M sau đó
rửa nhiều lần với nước cất và ly tâm đến pH = 7, sấy
Theo lý thuyết vật đen tuyệt đối thì các vật liệu
chứa GO có màu đen có khả năng hấp thu nhiệt cao.
Khi tạo ra vật liệu hỗn hợp thì bề mặt của vật liệu sẽ
không đồng đều và phẳng như vật liệu GO (có cấu
trúc lớp), càng nhiều cấu tử phối hợp thì bề mặt của
vật liệu càng không đồng đều và khả năng phản xạ
ánh sáng càng kém. Hơn nữa, khả năng hấp thu nhiệt
của vật liệu còn phụ thuộc vào độ dẫn nhiệt của vật
liệu. Theo một số nghiên cứu thì độ dẫn nhiệt của
chất lỏng phân tán vật liệu nanocomposite (hybrid
nanofluid) cao hơn chất lỏng phân tán các vật liệu
đơn [7]. Các vật liệu Fe3O4, GO sử dụng trong nghiên
cứu này đều có độ dẫn cao, Al2O3 cũng đã được kết
hợp với Cu để tạo ra Al2O3-Cu có độ dẫn nhiệt cao
hơn Cu [8]. Fe3O4 vừa có độ dẫn nhiệt cao vừa tạo ra
từ tính cho vật liệu để có thể thu hồi bằng từ trường
sau thời gian sử dụng.
o
khô ở 60 C trong chân không thu được graphene
oxide. Hỗn hợp sấy khô được nghiền mịn bằng cối đá
mã não và bảo quản trong bình hút ẩm.
2.2.2. Tổng hợp Al2O3/GO [10,11]
Pha 100 mL dung dịch AlCl3 1 M trong ethanol
và khuấy dung dịch trong khoảng 30 phút. Dung dịch
NH3 được nhỏ từ từ vào dung dịch AlCl3 1 M đến
pH = 9 (lúc này xuất hiện kết tủa màu trắng). Hỗn
o
hợp kết tủa được cho vào autoclave và sấy ở 200 C
trong 3 giờ. Kết tủa được rửa bằng nước cất đến
o
pH = 7 và sấy ở 80 C. Cuối cùng, nung kết tủa ở
o
500 C trong 5 giờ thu được Al2O3. Để tổng hợp vật
liệu hỗn hợp GO và Al2O3, 0,15g GO được phân tán
trong 200 mL và siêu âm trong 1 giờ. 0,15g Al2O3
được thêm vào huyền phù GO và hỗn hợp được
khuấy đều trong vòng 6 giờ. Cuối cùng, sản phẩm
được sấy ở 70 oC trong 12 giờ.
Trong nghiên cứu này, với mong muốn kết hợp
nhiều thành phần để tăng hiệu quả hấp thu nhiệt, hệ
vật liệu nanocomposite trên cơ sở graphene oxide
(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.
2.2.3. Tổng hợp Fe3O4/GO
Quá trình tổng hợp được tham khảo các tài liệu
[12,13]. FeCl3.6H2O và FeSO4.7H2O được hòa tan
vào 150 mL nước cất. Hỗn hợp được khuấy trên bếp
từ trong 30 phút để thu được dung dịch màu vàng
sáng. Sau 30 phút, dung dịch NH3 được nhỏ từ từ đến
2. Thực nghiệm
2.1. Nguyên liệu
o
pH = 10, hỗn hợp được tiếp tục khuấy ở 65 C trong
30 phút. Sau khi phản ứng xảy ra hoàn toàn, các hạt
kết tủa màu đen được thu bằng nam châm, rửa nhiều
lần với nước và ethanol đến pH = 7. Các hạt nano
Fe3O4 được sấy ở 60 oC.
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%) được
cung cấp bởi nhà máy hóa chất Guangdong
Guanghua, Trung Quốc.
Tổng hợp Fe3O4/GO: 0,3g GO được thêm vào
300 mL nước và siêu âm trong 30 phút, thu được
huyền phù GO. Sau đó, 0,15g nano Fe3O4 được thêm
vào huyền phù và siêu âm 30 phút để thu được một
huyền phù đồng nhất. Hỗn hợp Fe3O4/GO được thu
bằng nam châm và sấy ở 60 oC.
2.2. Tổng hợp vật liệu nanocomposite để hấp thu
năng lượng mặt trời
2.2.4. Tổng hợp Fe3O4 -Al2O3/GO
2.2.1. Tổng hợp GO bằng phương pháp Humers cải
tiến [9]
0,3g Al2O3/GO được thêm vào 300 mL nước cất
và siêu âm trong 30 phút, thu được huyền phù
Al2O3/GO. Sau đó, 0,15g Fe3O4 được thêm vào huyền
phù Al2O3/GO và siêu âm 30 phút. Cuối cùng thu
được một huyền phù đồng nhất Fe3O4-Al2O3/GO
được thu bằng nam châm và để khô tự nhiên.
3g bột graphite và 42 mL dung dịch H2SO4
98% được cho vào cốc 1000 mL đã được làm lạnh
bằng hỗn hợp nước đá và muối ăn (0oC). Hỗn hợp
được tiếp tục làm lạnh và khuấy liên tục trong 30
phút với tốc độ 350 vòng/phút. 0,45 g KMnO4 được
thêm từ từ vào hỗn hợp đang khuấy trên. Tốc độ thêm
KMnO4 phải đảm bảo sao cho nhiệt độ của hỗn hợp
2.3. Đánh giá khả năng hấp thu nhiệt của vật liệu
Chuẩn bị 7 cốc thủy tinh sạch dung tích 250 mL.
Cho vào mỗi cốc 200 mL dung dịch nước muối 3,5%
được. Sau đó cân chính xác 0,1 g mỗi mẫu vật liệu
cho vào một cốc. Các mẫu được ký hiệu là M1, M2...
o
không vượt quá 0 ± 5 C. Tiếp tục thêm từ từ 9 g
KMnO4 sao cho nhiệt độ hỗn hợp không vượt quá
35 oC ± 3 oC và khuấy trong 30 phút. Sau đó, 120 mL
22
JST: Engineering and Technology for Sustainable Development
Vol. 1, Issue 1, March 2021, 021-027
và xếp thành một vòng tròn. Bóng đèn công suất
hồng ngoại của Al2O3 thể hiện đầy đủ các đỉnh đặc
trưng của Al2O3. Đỉnh có chân rộng ở 3487 cm-1 là
do sự có mặt của nhóm Al-OH, đỉnh ở 1636 cm-1 là
của nhóm OH trong H-O-H, đỉnh đặc trưng của nhóm
Al-O và Al-O-Al ở trong khoảng 600 – 800 cm-1 [15].
Đỉnh hấp thụ ở 571 cm-1 là dao động hóa trị của nhóm
chức Fe-O. Kết quả này phù hợp với các số liệu đã
được công bố trước đây [13,16]. Số sóng trong
khoảng 1625 cm-1 đến 1400 cm-1 chỉ ra sự có mặt của
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.
100 W được lắp ở giữa sao cho khoảng cách từ bóng
đèn đến mép trong của cốc là 5 cm. Nhiệt độ ban đầu
của dung dịch trong mỗi cốc được đo và ghi lại. Bật
bóng đèn và cứ sau 10 phút ghi lại nhiệt độ trong mỗi
mẫu thí nghiệm.
Khảo sát sự ảnh hưởng của cường độ ánh sáng đến
khả năng hấp thu nhiệt của vật liệu
Thí nghiệm được bố trí tương tự như thí nghiệm
ở mục trên. Vật liệu có khả năng hấp thu nhiệt cao
nhất là Fe3O4-Al2O3/GO được phân tán vào dung dịch
muối ăn 3,5%. Hỗn hợp sau đó được siêu âm để vật
liệu phân tán tốt trong nước muối. Nhiệt độ ban đầu
của các mẫu thí nghiệm được đo và ghi lại. Bật bóng
đèn công suất 200W và cứ sau 10 phút ghi lại sự thay
đổi nhiệt độ của mẫu thí nghiệm.
Sự so sánh phổ của các vật liệu GO, Al2O3,
Fe3O4 và Fe3O4-Al2O3/GO cho thấy phổ hồng ngoại
của Fe3O4-Al2O3/GO có đầy đủ đỉnh đặc trưng của
các vật liệu riêng rẽ là GO, Al2O3 và Fe3O4 nhưng với
cường độ giảm đi. Ví dụ, cường độ của các đỉnh phổ
đặc trưng cho GO (1692 cm-1, 1572 cm-1, 1258 cm-1
và 1062 cm-1 của các nhóm C = O, C = C, C-OH và
C-O) bị giảm do nồng độ GO trong mẫu giảm đi.
2.4. Thực nghiệm đánh giá khả năng thu hồi và tái
sinh vật liệu
Đánh giá khả năng thu hồi vật liệu
100
90
Sau thí nghiệm đánh giá khả năng hấp thu nhiệt,
Fe3O4-Al2O3/GO được thu hồi bằng nam châm, rửa
sạch, làm khô và ghi lại khối lượng để tính hiệu suất
thu hồi vật liệu.
Fe3O4-Al2O3/GO
80
70
Fe3O4
60
Thực nghiệm đánh giá khả năng tái sinh của vật
liệu
50
40
Vật liệu Fe3O4-Al2O3/GO sau khi thu hồi được
phân tán vào dung dịch muối ăn để đánh giá khả năng
hấp thu nhiệt. Kết quả hấp thu nhiệt của vật liệu sau
khi tái sinh được so sánh với khả năng hấp thu nhiệt
của vật liệu ban đầu. Quá trình được lặp lại 5 lần.
Al2O3
30
20
GO
10
2.6. Phương pháp nghiên cứu đặc trưng của vật
liệu
0
4000
3500
3000
2500
2000
1500
1000
500
Wavenumber [cm-1]
Các vật liệu được đặc trưng cấu trúc bằng các
phương pháp X-ray (D8 ADVANCE BRUKER tại
Bộ môn Hóa vô cơ, khoa Hóa Học, trường Đại Học
Khoa Học Tự Nhiên Hà Nội), chụp kính hiển vi điện
tử quét SEM (Jeol 6490 JED 2300 (Nhật Bản) tại
Viện Khoa học vật liệu, Viện Hàn lâm Khoa học và
Công nghệ Việt Nam), EDX trên đế kali (K) (JED-
2300 - JEOL (Nhật Bản) tại Viện Khoa học vật liệu,
Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam) và
FT-IR (4600 JASCO tại phòng thí nghiệm bộ môn
Lọc-Hóa Dầu, Đại Học Mỏ - Địa Chất).
Hình 1. Phổ hồng ngoại GO (a), Al2O3 (b), Fe3O4 (c)
và vật liệu tổ hợp Fe3O4-Al2O3/GO (d)
3.1.2. Nhiễu xạ tia X của các vật liệu
Từ giản đồ XRD (Hình 2) ta thấy góc 2θ=11,2o
là đỉnh nhiễu xạ đặc trưng cho vật liệu GO. Trong khi
với graphite, đỉnh nhiễu xạ đặc trưng ở 2θ=26,5o,
khoảng cách giữa các lớp chỉ là 3,35 Å. Kết quả đo
này phù hợp với kết quả thu được từ các nghiên cứu
trước [17,18]. Khi phối trộn các vật liệu với nhau, các
nhóm chức OH trên bề mặt Al2O3 có thể tương tác
với các nhóm chức chứa oxy (-COOH, -OH…) trên
bề mặt hoặc giữa các lớp của GO. Điều này làm giảm
tính tinh thể của GO. Kết quả nhiễu xạ tia X của
Al2O3/GO ở Hình 3 cho thấy việc đưa Al2O3 đã làm
cho đỉnh nhiễu xạ đặc trưng của GO ở góc 2θ=11,2o
giảm đi, thay vào đó là sự xuất hiện các đỉnh mới ở
giá trị 2θ tương ứng là 37,1o; 45,6o và 67,1o phù hợp
với dữ liệu nhiễu xạ tia X của γ- Al2O3. Điều này thể
hiện cho sự tổ hợp γ - Al2O3 lên bề mặt GO [19].
3. Kết quả và thảo luận
3.1. Kết quả đặc trưng vật liệu
3.1.1. Phổ hồng ngoại của các vật liệu
Phổ hồng ngoại của GO (Hình 1) có khoảng phổ
chân rộng với đỉnh ở 3480 cm-1 là dao động của nhóm
–OH trong axit và nước [14]. Các đỉnh phổ tại
1692 cm-1, 1572 cm-1, 1258 cm-1, 1062 cm-1 là hấp
thụ đặc trưng của các nhóm C=O, C=C, C-OO và
C-H tương ứng [8]. Các dao động này chứng tỏ sự có
mặt của các nhóm chức chứa oxy trong GO. Phổ
23
JST: Engineering and Technology for Sustainable Development
Vol. 1, Issue 1, March 2021, 021-027
Hình 2. Nhiễu xạ tia X của (a) graphit và GO.
Hình 3. Nhiễu xạ tia X của GO và Al2O3/GO
Hình 5. Ảnh SEM của vật liệu Fe3O4-Al2O3/GO.
3.1.4 Kết quả đo EDX của các vật liệu
Kết quả EDX của Fe3O4- Al2O3/GO cho thấy vật
liệu chứa 4 nguyên tố C, O, Al và Fe (Bảng 1). Trong
đó hàm lượng của O cao nhất. Nguyên tố O có mặt
chủ yếu trong Al2O3, Fe3O4, ngoài ra nó còn tồn tại
trong các nhóm chức (C=O, COOH...) trên bề mặt
GO. Hàm lượng nguyên tố C trong mẫu là nhỏ nhất,
điều này có thể gợi ý rằng mẫu đo chứa nhiều nhóm
chức chứa oxi và các hạt nano Al2O3 và Fe3O4. Kết
quả này có thể được giải thích là do một lượng lớn
các hạt nano Al2O3 và Fe3O4 xen vào giữa các hốc
trống và/hoặc bao phủ lên bề mặt của vật liệu GO.
Hình 4. Nhiễu xạ tia X của GO và Fe3O4/GO
Tương tự như khi phối trộn với Al2O3, việc phối
trộn GO với Fe3O4 có thể đã làm giảm tính tinh thể
của GO. Kết quả nhiễu xạ tia X của Fe3O4/GO ở
Hình 4 cũng cho thấy việc đưa Fe3O4 đã làm cho đỉnh
nhiễu xạ đặc trưng của GO ở góc 2θ=11,2o giảm đi
đáng kể. Mặt khác có thể quan sát thấy các tín hiệu
đặc trưng của Fe3O4 của 2θ tại 30,23o; 35,69o; 57,41o;
62,87o [18,20]. Khi phối trộn, GO và oxit sắt từ tương
tác và xen phủ tốt nên có thể thu hồi tới 98% bằng từ
trường (mục 3.3). Kết quả tương tự cũng thu được khi
đo phổ X-ray của mẫu Fe3O4-Al2O3/GO.
Bảng 1. Kết quả đo EDX của vật liệu Fe3O4-
Al2O3/GO
Thành phần khối
lượng (%)
Thành phần
nguyên tố (%)
Nguyên tố
C
O
34,40
45,79
8,41
22,55
53,82
19,80
3,83
Al
Fe
11,40
100,00
3.1.3 Kết quả đo SEM của vật liệu
Totals
100,00
Kết quả đo SEM của vật liệu Fe3O4- Al2O3/GO
(Hình 5) cho thấy Fe3O4 và Al2O3 có dạng cầu kích
thước khoảng 10 - 15 nm.
Thông qua quy trình tổng hợp và các phép đo
định tính cũng như định lượng ta có thể xác nhận các
24
JST: Engineering and Technology for Sustainable Development
Vol. 1, Issue 1, March 2021, 021-027
vật liệu đã điều chế được là GO, Al2O3, Al2O3/GO,
Fe3O4, Fe3O4/GO, Fe3O4-Al2O3/GO.
hiệu quả hấp thu nhiệt cao nhất. Tuy nhiên, để tiết
kiệm chi phí và giảm sự kết tụ của vật liệu khi dùng
thời gian dài thì nên dùng nồng độ chất hấp thu trong
nước là 0,5 mg/mL.
3.2. Đánh giá khả năng hấp thu nhiệt của các vật
liệu tổng hợp được
Bảng 2. Khả năng hấp thu nhiệt của các vật liệu trên
cơ sở GO (hàm lượng: 5 mg /mL) (M1: Mẫu trắng;
M2: GO; M3: Al2O3; M4: Al2O3/GO; M5: Fe3O4;
M6: Fe3O4/GO; M7: Fe3O4-Al2O3/GO)
Việc khảo sát khả năng hấp thu nhiệt của các vật
liệu gồm các bước sau: đo khả năng hấp thu nhiệt của
vật liệu, khảo sát sự ảnh hưởng của hàm lượng vật
liệu đến khả năng hấp thu nhiệt của vật liệu, khảo sát
sự ảnh hưởng của cường độ ánh sáng đến khả năng
hấp thu nhiệt của vật liệu.
Thời
Nhiệt độ (oC)
gian
M1 M2 M3 M4 M5 M6 M7
(phút)
3.2.1 Kết quả đo khả năng hấp thu nhiệt của các vật
liệu khác nhau
0
27
28
29
30
32
33
34
35
36
37
38
38
38
27
28
30
32
34
36
38
38
39
39
40
40
40
27
28
30
32
34
34
35
37
38
40
40
40
40
27
29
32
34
35
36
38
39
40
41
41
41
41
27
30
32
34
35
36
37
38
39
40
40
41
41
27
30
33
35
37
38
39
39
40
41
42
42
42
27
30
34
36
38
39
40
42
42
43
44
44
44
Để đánh giá sự tăng khả năng hấp thu nhiệt của
các vật liệu tổng hợp được, các vật liệu được phân tán
vào nước muối 3,5% với nồng độ 0,5 mg/mL. Đem
chiếu sáng các hỗn hợp và đo nhiệt độ định kỳ tại các
thời điểm khác nhau để so sánh. Kết quả được trình
bày ở Bảng 2.
10
20
30
40
50
Từ kết quả đo cho thấy, tất cả các vật liệu
nghiên cứu đều làm tăng khả năng hấp thu nhiệt của
nước muối 3,5%. So sánh các mẫu M2, M3 và M4 ta
thấy dung dịch chứa hỗn hợp Al2O3 và GO hấp thu
nhiệt cao hơn so với dung dịch chỉ có GO hoặc
Al2O3. Tương tự, việc 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, mẫu hỗn hợp chứa cả ba
vật liệu Fe3O4, Al2O3 và GO có khả năng hấp thu
60
70
80
90
100
110
120
o
nhiệt cao nhất, cao hơn 6 C so với mẫu trắng. Sự
khác biệt này sẽ càng tăng khi nhiệt độ môi trường
càng cao. Đây là mẫu vật liệu có khả năng hấp thu
nhiệt và dẫn nhiệt tốt nhất trong các mẫu vật liệu tổng
hợp được.
Bảng 3. Ảnh hưởng của hàm lượng Fe3O4-Al2O3/GO
đến khả năng hấp thu nhiệt của vật liệu
Nhiệt độ (oC)
Thời
3.2.2 Kết quả khảo sát sự ảnh hưởng của hàm lượng
đến khả năng hấp thu nhiệt của vật liệu.
gian
0
0,5
1
1,5
2
(phút) mg/mL mg/mL mg/mL mg/mL mg/mL
Kết quả thử nghiệm đánh giá khả năng hấp thu
nhiệt của dãy vật liệu trên cơ cở graphene oxide cho
thấy, vật liệu Fe3O4-Al2O3/GO có khả năng hấp thu
nhiệt tốt nhất. Vì vậy, vật liệu này được lựa chọn
dùng trong thí nghiệm khảo sát sự ảnh hưởng của
hàm lượng vật liệu đến khả năng hấp thu nhiệt của
chúng. Từ đó sẽ xác định tỷ lệ m vật liệu/m H2O thích
hợp để có hiệu suất hấp thu cao nhất đồng thời tránh
lãng phí vật liệu. Kết quả thu được ở Bảng 3.
0
27
28
29
30
32
33
34
35
36
37
38
38
38
27
30
34
36
38
39
40
42
42
43
44
44
44
27
30
33
36
38
40
41
42
42
44
45
45
45
27
31
34
37
39
40
42
43
44
46
46
46
46
27
32
35
38
40
42
44
45
45
45
45
45
45
10
20
30
40
50
60
Khi tăng hàm lượng vật liệu phân tán trong nước
muối từ 0,5 mg/mL đến 1,5 mg/mL thì nhiệt độ tăng
lên 1-2 độ. Tuy nhiên khi tăng nồng độ của chất hấp
70
80
o
thu lên 2 mg/mL và ở nhiệt độ cao trên 80 C thì khả
90
năng hấp thu nhiệt lại giảm. Điều này có thể giải
thích là nhiệt độ cao và hàm lượng chất hấp thu lớn
dẫn đến các hạt có xu hướng hút nhau và 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
của cả hệ thống. Kết quả cho thấy, khi hàm lượng
Fe3O4-Al2O3/GO là 1,5 mg/mL thì mẫu thí nghiệm có
100
110
120
25
JST: Engineering and Technology for Sustainable Development
Vol. 1, Issue 1, March 2021, 021-027
dính muối NaCl làm giảm khả năng phân tán cũng
như hấp thu nhiệt, truyền nhiệt của vật liệu. Do đó,
vật liệu cần được thu hồi, làm sạch muối và tái sử
dụng.
Để quá trình thu hồi xảy ra nhanh và triệt để,
oxide sắt từ được đưa vào thành phần vật liệu để tạo
ra vật liệu có từ tính và có thể thu hồi bằng từ trường.
Việc đưa oxide sắt từ còn tạo hiệu ứng hiệp đồng làm
tăng khả năng hấp thu nhiệt của vật liệu.
Kết quả cho thấy, mẫu vật liệu nếu để lắng tự
nhiên thì quá trình thu hồi vật liệu chậm và không
hoàn toàn. Tuy nhiên, khi sử dụng nam châm ở đáy
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,
làm sạch và sấy, hiệu suất thu hồi đạt 98%. Điều này
chứng tỏ vật liệu chế tạo được có khả năng thu hồi
tốt.
Hình 6. Kết quả đo EDX của vật liệu Fe3O4-
Al2O3/GO
3.2.3 Kết quả khảo sát sự ảnh hưởng của cường độ
ánh sáng đến khả năng hấp thu nhiệt
3.3.2. Kết quả đánh giá khả năng tái sinh vật liệu
Sau khi thu hồi, vật liệu được rửa bằng nước
sạch, sấy khô và đánh giá khả năng hấp thu nhiệt.
Bảng 3 và 5 cho thấy, sau khi tái sinh 5 lần khả năng
hấp thu nhiệt của vật liệu giảm không đáng kể.
Vật liệu Fe3O4-Al2O3/GO được phân tán trong
nước muối với hàm lượng 1,5 mg/mL và hỗn hợp
được hiếu sáng với cường độ khác nhau. Kết quả thu
được ở Bảng 4 cho thấy khi tăng cường độ chiếu sáng
thì nhiệt độ của mẫu có chứa vật liệu tăng lên nhanh
hơn.
Bảng 5 Kết quả hấp thu nhiệt của vật liệu Fe3O4-
Al2O3/GO sau khi tái sinh 5 lần
Bảng 4. Kết quả hấp thu nhiệt với cường độ chiếu
sáng khác nhau
Thời
gian
(phút)
Nhiệt độ (oC)
0
0,5
1
1,5
2
Nhiệt độ (oC)
mg/mL mg/mL mg/mL mg/mL mg/mL
Thời gian (phút)
0
29
30
32
34
34
36
38
39
40
40
40
40
40
29
31
34
34
35
38
39
40
40
41
42
42
42
29
32
36
38
40
42
44
45
46
46
46
46
46
29
33
36
39
40
42
43
44
45
46
46
46
46
29
32
35
38
39
41
42
43
44
44
44
44
44
Bóng đèn
100 W
Bóng đèn
200 W
10
0
27
30
34
36
38
39
40
42
42
43
44
44
44
27
39
45
49
53
55
57
59
61
63
65
67
67
20
10
30
20
40
30
50
40
60
50
70
60
80
70
90
80
100
110
120
90
100
110
120
4. Kết luận
Nhóm tác giả đã tổng hợp thành công các vật
liệu hấp thu nhiệt trên cơ sở GO là: Al2O3/GO,
Fe3O4/GO và Fe3O4-Al2O3/GO. Các 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 nhiệt cho thấy các vật liệu khi dùng phối hợp cho
hiệu quả hấp thu nhiệt cao hơn khi dùng đơn lẻ.
Fe3O4-Al2O3/GO cho hiệu quả hấp thu cao nhất
(chênh lêch nhiệt độ giữa mẫu trắng và mẫu có phân
3.3. Kết quả thử nghiệm đánh giá khả năng thu hồi
và tái sinh vật liệu
3.3.1 Kết quả thử nghiệm đánh giá khả năng thu hồi
Như đã trình bày trong phần tổng quan, trong
quá trình chưng cất, khi nước bay hơi để tạo nước
ngọt thì nước muối mới được bổ sung, vì vậy, nồng
độ muối trong hệ tăng lên dẫn đến vật liệu hấp thu bị
26
JST: Engineering and Technology for Sustainable Development
Vol. 1, Issue 1, March 2021, 021-027
tán vật liệu nồng độ 0,5 mg/mL là 6 oC. Kết quả khảo
Journal of Scientific and Research Publications,
Volume 4, Issue 10, October 2014.
sát sự ảnh hưởng của nồng độ vật liệu đến khả năng
hấp thu nhiệt cho thấy khi tăng nồng độ hơn
1,5 mg/mL và chiếu sáng lâu hơn 80 phút thì hiệu
suất hấp thu giảm. Khi dùng bóng đèn công suất cao
gấp hai lần thì chênh lệch nhiệt độ giữa mẫu có phân
tán vật liệu và mẫu trắng tăng lên nhiều. Vật liệu có
từ tính nên hiệu quả thu hồi cao tới 98% và hiệu quả
hấp thu nhiệt của vật liệu sau thu hồi xấp xỉ vật liệu
mới.
[11] Stephen F. Bartoluccia,., Joseph Parasa, Mohammad
A. Rafieeb, Javad Rafieec, Sabrina Leea,Deepak
Kapoora, Nikhil Koratkarc, Graphene–aluminum
nanocomposites, Material Science and Engineering A
vol. 528, pp. 7933– 7937, 2011.
[12] Ferni Malega, I.Putu Tedy Indrayana, Edi Suharyadi,
Synthesis and characterization of the microstructure
and functional group bond of Fe3O4 nanoparticles
form natural iron sand in tobelo North Halmahera,
Jurnal Ilmiah Pendidikan Fisika Al-BiRuNi, 7 (2018)
pp 13-22.
Lời cảm ơn
Nhóm tác giả xin trân trọng cảm ơn Bộ Giáo
dục và Đào tạo đã tài trợ cho nghiên cứu này.
[13] Ferni Malega, I.Putu Tedy Indrayana, Edi Suharyadi,
Synthesis and characterization of the microstructure
and functional group bond of Fe3O4 nanoparticles
form natural iron sand in tobelo North Halmahera,
Jurnal Ilmiah Pendidikan Fisika Al-BiRuNi, 7 (2018)
pp 13-22
Tài liệu tham khảo
[1] Mohammad Al-harahsheh, Mousa Abu-Arabi, Hasan
Mousa, Zobaidah Alzghoul, Solar desalination using
solar still enhanced by external solar collector and
PCM, Applied Thermal Engineering 128 (2018)
1030–1040
[14] S. Shiva Kumar, S.U.B. Ramakrishna, B. Rama Devi
&
V. Himabindu, Phosphorus-doped graphene
supported palladium (Pd/PG) electrocatalyst for the
hydrogen evolution reaction in PEM water
electrolysis, International Journal of Green Energy,
vol.15, 2018, pp. 558-567,
[2] Nửa Thế Giới đang “khát” nguồn nước sạch,
[3] Nguồn nước ngọt thế giới đang cạn dần?,
DOI. 10.1080/15435075.2018.1508468
[15] Rogojan, R., Andronescu, E., Ghitulică, C., & Vasile,
B. S., (2011). Synthesis And Characterization Of
Alumina Nano-Powder Obtained By Sol-Gel Method,
U.P.B. Sci. Bull, series B, 73(2), 2011.
[4] 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.
[16] Omid M., Kianifar A., Heris S. Z., Wen D., Sahin
Ahmet Z., Wongwises S., Nanofluids effects on the
evaporation rate in a solar still equipped with a heat
exchanger, Nano Energy 36 (2017) pp 134–155.
[5] 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.
[17] Sun L., Structure and Synthesis of graphene oxide,
Chinese Journal of Chemical Engineering, vol. 27,
no. 10, pp. 2251-2260, 2019,
[6] Syam Sundara L., Sharmab K.V., Singha Manoj K.,
Sousaa A.C.M., Hybrid nanofluids preparation,
thermal properties, heat transfer and friction factor –
DOI. 10.1016/j.cjche.2019.05.003
A
review, Renewable and Sustainable Energy
[18] Hà Quang Ánh, Nghiên cứu tổng hợp và đặc trưng
vật liệu mới cấu trúc nano trên cơ sở graphene ứng
dụng trong xử lý môi trường, Luận án tiến sĩ hóa học,
Viện Hàn Lâm Khoa Học và Công Nghệ Việt Nam
(2016).
Reviews 68 (2017) pp 185–198.
[7] Suresh, S., Venkitaraj, K.P., Selvakumar, P., &
Chandrasekar, M., (2012). Effect of Al2O3–Cu/water
hybrid nanofluid in heat transfer, Experimental
Thermal and Fluid Science 38, 54-60.
[19] Xi Liu, Ling Xue, Xiaoquan Chen, Jisheng Liu,
Hanhan Wang, Jianwei Xue, Fuxiang Li, Zhiping Lv,
Iron oxide and Fe2O3/Al2O3 used to catalyze
removing hydrogen from tail chlorine at low
temperature, College of Chemistry and Chemical
Engineering, Taiyuan University of Technology,
Taiyuan.
[8] Selvakumar, P. & Suresh, S., (2012). Use of Al2O3-
Cu/Water Hybrid Nanofluid in an Electronic Heat
Sink, IEEE Transactions On Components, Packaging
And Manufacturing Technology, 2(10), 1600-1607.
[9] L. Shahriary, A.A. Athawale, Grapheneoxide
synthesized by using modified hummers approach,
International Journal of Renewable Energy and
Environmental Engineering, 2, 58 - 63 (2014).
[20] Nguyễn Hữu Hiếu, Đặng Thị Minh Kiều, Phan Thị
Hoài Diễm, Tổng hợp Fe3O4/graphene oxide
nanocomposite để xử lý nước thải nhiễm kim loại
nặng, Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc Gia Hồ Chí
Minh.
[10] Neethumol Varghese, Manjusha Hariharan, A. Benny
Cherian, Dr. P.V. Sreenivasan, Jenish Paul, Asmy
Antony. K.A, PVA
- Assisted Synthesis and
Characterization of Nano α -Alumina, International
27
7 trang
18/04/2022
1060
Bạn đang xem tài liệu "Sử dụng vật liệu tổ hợp trên cơ sở graphene oxide để hấp thu nhiệt", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- su_dung_vat_lieu_to_hop_tren_co_so_graphene_oxide_de_hap_thu.pdf
