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!
Trang 1NGHIÊN 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 công trình này, hệ vật liệu nanocomposite có từ tính trên cơ sở graphene oxit (Al 2 O 3 /GO,
Fe 3 O 4 /GO, Fe 3 O 4 – Al 2 O 3 /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 Fe 3 O 4 -Al 2 O 3 /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 o C) 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: nguyenlviv@gmail.com
ABSTRACT
Research, nanocomposite materials are magnetically based on graphene oxide (Al 2 O 3 /GO,
Fe 3 O 4 /GO, Fe 3 O 4 – Al 2 O 3 /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 Fe 3 O 4 -Al 2 O 3 /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 significantly compared
to using a light bulb
Keywords: Nanocomposite material, light intensity, salt water
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
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:
Trang 2Giải thưởng Sinh viên nghiên cứu khoa học Euréka lần thứ 21 năm 2019 Kỷ yếu khoa học
nước, glycol, dầu… gọi là nanofluid
Nanofluid chứa các hạt nano khác nhau: dạng
kim loại (Cu, Ag, Au, Ni), oxit kim loại
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 nhiệt cho
nước mặn và đưa vào trong bình chưng cất
chứa nước mặn (phương pháp hấp thu nhiệt
trực tiếp)
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
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
VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP
Graphite loại tinh khiết (99%) mua của Công
cung cấp bởi nhà máy hóa chất Guangdong
Guanghua, Trung Quốc
Tổng hợp Al 2 O 3 /GO
vào bình định mức 100 ml, sau đó khuấy dung
dịch trong khoảng 30 phút Nhỏ từ từ dung
này xuất hiện kết tủa màu trắng) Cho hỗn hợp
huyền phù GO và khuấy đều trong vòng 6h
vòng 12h
Tổng hợp Fe O /GO
thu được dung dịch màu vàng sáng Sau 30
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
trong 300 ml nước cất, sau đó đem đi siêu âm trong 30 phút, thu được huyền phù GO Thêm
30 phút Sau khi siêu âm thu được một huyền
Tổng hợp Fe 3 O 4 -Al 2 O 3 /GO
cất, sau đó đem đi siêu âm trong 30 phút, thu
khô tự nhiên
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
Thực nghiệm đánh giá khả năng thu hồi
và tái sinh vật liệu
Đánh giá khả năng thu hồi vật liệu
Lấy mẫu vật liệu có khả năng hấp thu nhiệt cao nhất đem đi đánh giá khả năng thu hồi vật 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
- JEOL (Nhật Bản);và FTIR (4600 JASCO)
KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Kết quả đặc trưng vật liệu
Trang 3rộng với đỉnh ở 3480 cm-1 là dao động của
của nhóm C=O, C=C, C-OH và C-O Các dao
động này đã minh chứng cho sự hiện diện các
nhóm chức chứa oxy trong GO Phổ hồng
nhóm OH là H-O-H, đỉnh đặc trưng của nhóm
trị của nhóm chức Fe-O Số sóng trong khoảng
dao động biến dạng của nhóm H-O-H, trong
khi đó nhóm O-H có dao động hoá trị ở
tuy nhiên, cường độ của các đỉnh phổ đặc
C-OH và C-O) bị giảm do nồng độ GO trong mẫu giảm đi Tương tự, phổ của của
nhưng với cường độ giảm do nồng độ GO
các vật liệu hỗn hợp có đầy đủ các đỉnh đặc trưng của các vật liệu riêng rẽ nhưng với cường độ giảm đi
Hình 1 Phổ hồng ngoại của (a) các vật liệu TH; (b) vật liệu tái sinh Nhiễu xạ tia X của các vật liệu
đặc trưng cho vật liệu GO, ở graphite, đỉnh
khoảng cách giữa các lớp đã được nâng lên
đáng kể Ở graphite, đỉnh hấp thu đặc trưng ở
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
chèn vào giữa các lớp dẫn đến làm nâng rộng
khoảng cách giữa các lớp graphite
là sự xuất hiện các đỉnh mới ở giá trị 2θ tương
tương tự cũng thu được khi đo phổ X-ray của
Kết quả đo SEM và EDX của vật liệu
(Hình 6) cho thấy bề mặt của vật liệu có sự
ảnh SEM cho thấy vật liệu có kích thước
C, O, Al và Fe (Bảng 1)
Đánh giá khả năng hấp thu nhiệt của các vật liệu tổng hợp được
Kết quả đo khả năng hấp thu nhiệt của các vật liệu khác nhau
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 biển 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
Fe3O4-Al2O3/GO Fe3O4-Al2O3/GO tái sinh
Trang 4Giải 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 (%) Thành phần nguyên tố (%)
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
GO thì nhiệt hấp thu bởi dung dịch chứa vật
liệu tăng lên cao hơn so với mẫu dung dịch chỉ
với GO cũng làm tăng khả năng hấp thu nhiệt
của nước muối so với mẫu chỉ có GO hoặc
khác biệt này sẽ càng tăng khí nhiệt độ môi
trường càng cao (trời nằng to) Điều này
nhiệt và dẫn nhiệt tốt nhất trong các mẫu vật
liệu tổng hợp được
Kết quả khảo sát sự ảnh hưởng của hàm
lượng đến khả năng hấp thu nhiệt của vật
liệu
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
độ của chất hấp thu lên 2mg/ml và ở nhiệt độ
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
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
năng hấp thu nhiệt cao nhất Vì vậy nồng độ 1,5 mg/ml để thử nghiệm sự ảnh hưởng của cường độ ánh sáng đến khả năng hấp thu nhiệt của vật liệu Khi tăng cường độ chiếu sáng từ
1 bóng đèn lên 2 bóng đèn thì nhiệt độ hấp thu của vật liệu càng tăng lên Chênh lệch nhiệt độ cao giữa khi sử dụng 1 bóng đèn với 2 bóng
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
Sau khi thu hồi, vật liệu được rửa bằng nước sạch, sấy khô, đo phổ hồng ngoại và đánh giá khả năng hấp thu nhiệt Phổ hồng ngoại của vật liệu ban đầu và vật liệu sau khi tái sinh cho thấy, vật liệu sau khi tái sinh có các đỉnh đặc trưng giống với các đỉnh của vật liệu ban đầu
KẾT LUẬN
Đã tổng hợp thành công các vật liệu hấp thu
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
cao nhất (chênh lêch nhiệt độ giữa mẫu trắng
và mẫu có phân tán vật liệu nồng độ 0,5
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
Trang 5dùng 2 bóng đèn thì chênh lệch nhiệt độ giữa
mẫu trắng và mẫu có phân tán vật liệu tăng lên
nhiều Vật liệu có từ tính nên hiệu quả thu hồi
cao tới 98%, vật liệu sau thu hồi có đặc trưng nhóm chức không thay đổi và hiệu quả hấp thu 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