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

Nội dung text: 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

1. 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 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 6oC). 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 (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 significantly compared to using a light bulb. Keywords: Nanocomposite material, light intensity, salt water. GIỚI THIỆU lượng mặt trời cho các mục đích khác nhau. Các nhà khoa học đang quan tâm nghiên cứu Một phương pháp hiệu quả là phân tán các vật công nghệ để nâng cao hiệu suất hấp thu nhiệt liệu nano có khả năng nâng cao hiệu suất hấp và bay hơi nước của các hệ thống hấp thu năng thu nhiệt vào trong môi trường chất lỏng: 13
2. 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 NH3 đến khi pH=10. kim loại (Cu, Ag, Au, Ni), oxit kim loại Khuấy tiếp trong 30 phút. Sau khi phản ứng (Al2O3, Cu2O, TiO2 ), cacbua kim loại (AlN, xảy ra hoàn toàn, các hạt kết tủa màu đen được SiN), dạng C (carbon nanotubes, graphite ) thu lấy bằng nam châm, sau đó rửa nhiều lần đã được nghiên cứu. Một số nanocomposite với nước và ethanol đến pH=7. Các hạt nano o (hybrid nanopaticles) đã được đưa vào chất Fe3O4 được sấy ở 60 C. Hòa tan 0,3 g GO lỏng và cho hiệu quả cao hơn dạng hạt nano trong 300 ml nước cất, sau đó đem đi siêu âm một thành phần. Các nanofluid thường được trong 30 phút, thu được huyền phù GO. Thêm sử dụng trong chưng cất nước mặn ở dạng: 0,15 g nano Fe3O4 vào dung dịch và siêu âm đưa vào thiết bị trao đổi nhiệt để gia nhiệt cho 30 phút. Sau khi siêu âm thu được một huyền nước mặn và đưa vào trong bình chưng cất phù đồng nhất, Fe3O4/GO được thu lại bằng chứa nước mặn (phương pháp hấp thu nhiệt nam châm và sấy ở 60oC. trực tiếp). Tổng hợp Fe3O4 -Al2O3/GO Trong công trình này, với mong muốn kết hợp Phân tán 0,3 g Al2O3/GO trong 300 ml nước nhiều thành phần để tăng hiệu quả hấp thu cất, sau đó đem đi siêu âm trong 30 phút, thu nhiệt, hệ vật liệu nanocomposite có từ tính được huyền phù Al2O3/GO tiếp theo thêm 0,3 trên cơ sở graphene oxit (Al2O3/GO, g các hạt nano Fe3O4 vào huyền phù Fe3O4/GO, Fe3O4–Al2O3/GO) được tổng hợp Al2O3/GO và siêu âm 30 phút. Sau khi siêu và đặc trưng bằng các phương pháp X-ray, âm thu được một huyền phù đồng nhất, Fe3O4- phổ hồng ngoại, SEM và EDX. Khả năng hấp Al2O3/GO được thu lại bằng nam châm và để thu nhiệt của các vật liệu và khả năng thu hồi khô tự nhiên. tái sử dụng vật liệu được nghiên cứu một cách Đánh giá khả năng hấp thu nhiệt của vật hệ thống. liệu Pha dung dịch nước muối 3,5% và 0,5 mg/mL VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP vật liệu, siêu âm các mẫu vật liệu phân tán tốt Graphite loại tinh khiết (99%) mua của Công trong nước muối. Các mẫu được ký hiệu là ty Sigma- Aldrich, H2SO4 (98%), KMnO4 M1, M2 Các mẫu thí nghiệm được xếp thành (loại tinh thể, 99%), H2O2 (30%), FeCl3.6H2O 1 vòng tròn, sau đó đặt bóng đèn ở giữa vòng (99%), HCl (36-38%), NaNO3 (99%), tròn. Đo nhiệt độ ban đầu trong mỗi cốc đựng FeSO4.7H2O (99%), AlCl3.6H2O Ethanol mẫu. Bật bóng đèn, sau mỗi 10 phút ghi lại (99,7%) và NH3 (25%) mua của Công ty được nhiệt độ trong mỗi mẫu thí nghiệm. cung cấp bởi nhà máy hóa chất Guangdong Thực nghiệm đánh giá khả năng thu hồi Guanghua, Trung Quốc. và tái sinh vật liệu Tổng hợp Al2O3/GO Đánh giá khả năng thu hồi vật liệu Pha dung dịch AlCl3 1 M trong ethanol cho Lấy mẫu vật liệu có khả năng hấp thu nhiệt vào bình định mức 100 ml, sau đó khuấy dung cao nhất đem đi đánh giá khả năng thu hồi vật dịch trong khoảng 30 phút. Nhỏ từ từ dung liệu. Ghi lại thời gian mẫu được thu hồi hoàn dịch NH3 vào dung dịch đến khi pH=9 (lúc toàn bằng nam châm và tính hiệu suất thu hồi này xuất hiện kết tủa màu trắng). Cho hỗn hợp mẫu vật liệu. Mẫu vật liệu sau khi thu hồi và kết tủa vào autoclave, sấy ở 200oC trong 3 giờ. thử nghiệm khả năng hấp thu nhiệt Rửa kết tủa đến pH=7 và sấy ở 80oC. Cuối Phương pháp nghiên cứu đặc trưng của vật cùng, nung kết tủa ở 500oC trong 5h thu được liệu Al2O3. Để tổng hợp vật liệu hỗn hợp GO và Cấu trúc đặc trưng bằng các phương pháp X- Al2O3, hòa tan 0,1g GO trong 200 ml, sau đó ray (D8 ADVANCE BRUKER); SEM (Jeol đem đi siêu âm trong 1h. Thêm Al2O3 vào 6490 JED 2300 (Nhật Bản); EDX (JED-2300 huyền phù GO và khuấy đều trong vòng 6h. - JEOL (Nhật Bản);và FTIR (4600 JASCO). Cuối cùng, sản phẩm được sấy ở 70 oC trong vòng 12h. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Tổng hợp Fe3O4/GO Kết quả đặc trưng vật liệu Hòa tan FeCl3.6H2O và FeSO4.7H2O vào 150 Phổ hồng ngoại của các vật liệu Phổ hồng ml nước cất. Khuấy trên bếp từ trong 30 phút, ngoại của GO (Hình 1a) có khoảng phổ chân 14
3. Giải thưởng Sinh viên nghiên cứu khoa học Euréka lần thứ 21 năm 2019 Kỷ yếu khoa học -1 rộng với đỉnh ở 3480 cm là dao động của Al2O3 và GO hỗn hợp với Al2O3 (hình 2b) cho -1 nhóm –OH. Các đỉnh tại 1692 cm , 1572 cm thấy phổ hồng ngoại của Al2O3/GO có đầy đủ -1 -1 -1 , 1258 cm , 1062 cm là hấp thụ đặc trưng đỉnh đặc trưng của GO và Al2O3 (hình 3.4), của nhóm C=O, C=C, C-OH và C-O. Các dao tuy nhiên, cường độ của các đỉnh phổ đặc động này đã minh chứng cho sự hiện diện các trưng cho GO (1692 cm-1, 1572 cm-1, 1258 nhóm chức chứa oxy trong GO. Phổ hồng cm-1 và 1062 cm-1 của các nhóm C=O, C=C, ngoại của Al2O3 (Hình 1), thể hiện đầy đủ các C-OH và C-O) bị giảm do nồng độ GO trong đỉnh đặc trưng của Al2O3. Đỉnh có chân rộng mẫu giảm đi. Tương tự, phổ của của -1 -1 ở 3487 cm là của nhóm OH, 1636 cm là của Fe3O4/GO (hình 2b) cũng có đầy đủ các đỉnh nhóm OH là H-O-H, đỉnh đặc trưng của nhóm đặc trưng của GO và Fe3O4 (Hình 1a và 2a), Al-O ở khoảng khoảng 600 – 800 cm-1. Theo nhưng với cường độ giảm do nồng độ GO -1 Hình 1 đỉnh phổ ở 571 cm là 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-1 đến 1400 cm-1 chỉ 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 trưng của các vật liệu riêng rẽ nhưng với khi đó nhóm O-H có dao động hoá trị ở cường độ giảm đi. khoảng 3380 cm-1. So sánh phổ của GO, Fe3O4-Al2O3/GO Fe3O4-Al2O3/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 o Từ giản đồ XRD ta thấy góc 2θ=11,2 là góc mẫu Fe3O4-Al2O3/GO. đặc trưng cho vật liệu GO, ở graphite, đỉnh Kết quả đo SEM và EDX của vật liệu o hấp thu đặc trưng ở 2θ=26,5 . Đồng thời, Kết quả đo SEM của vật liệu Fe3O4-Al2O3/GO khoảng cách giữa các lớp đã được nâng lên (Hình 6) cho thấy bề mặt của vật liệu có sự đáng kể. Ở graphite, đỉnh hấp thu đặc trưng ở phân tán đều của Al2O3, Fe3O4 và GO. Kết quả 2θ=26,5o, khoảng cách giữa các lớp chỉ là 3,35 ảnh SEM cho thấy vật liệu có kích thước Å , nhưng ở mẫu GO thì khoảng cách giữa các khoảng 20 nm. Kết quả EDX của Fe3O4- lớp tăng lên đến 8,327Å. Kết quả này là do Al2O3/GO cho thấy vật liệu chứa 4 nguyên tố quá trình oxy hóa đã giúp cho các nhóm chức C, O, Al và Fe (Bảng 1). 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 khoảng cách giữa các lớp graphite. Kết quả đo khả năng hấp thu nhiệt của các Kết quả nhiễu xạ tia X của Al2O3/GO cho thấy vật liệu khác nhau việc đưa Al2O3 đã làm cho đỉnh đặc trưng của Để đánh giá sự tăng khả năng hấp thu nhiệt GO ở góc 2θ=10,58o không 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 37,1o; 45,6o và 67,1o phù hợp với dữ mg/ml. Đem chiếu sáng các hỗn hợp và đo liệu nhiễu xạ tia X của γ-Al2O3, thể hiện cho nhiệt độ định kỳ tại các thời điểm khác nhau sự xen phủ γ -Al2O3 lên bề mặt GO. Kết quả để so sánh. 15
4. 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 Thành phần nguyên tố (%) lượng (%) C K 14.40 22.55 O K 45.79 53.82 Al K 28.41 19.80 Fe K 11.40 3.84 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 Al2O3 và của vật liệu. Khi tăng cường độ chiếu sáng từ GO thì nhiệt hấp thu bởi dung dịch chứa vật 1 bóng đèn lên 2 bóng đèn thì nhiệt độ hấp thu liệu tăng lên cao hơn so với mẫu dung dịch chỉ của vật liệu càng tăng lên. Chênh lệch nhiệt độ có GO hoặc Al2O3. Tương tự, sự so sánh các cao giữa khi sử dụng 1 bóng đèn với 2 bóng o mẫu M2, M5, M6 cho thấy hỗn hợp của Fe3O4 đèn là 9 C. với GO cũng làm tăng khả năng hấp thu nhiệt Kết quả thử nghiệm đánh giá khả năng thu của nước muối so với mẫu chỉ có GO hoặc hồi và tái sinh vật liệu Fe3O4. Đặc biệt, ở mẫu có sự kết hợp của Khi không có nam châm sự thu hồi vật liệu Fe3O4, Al2O3 và GO thì khả năng hấp thu nhiệt chậm và không hoàn toàn. Tuy nhiên, khi sử cao nhất, cao hơn 6oC so với mẫu trắng. Sự dụng nam châm để thu hồi thì sau 10 phút, vật khác biệt này sẽ càng tăng khí nhiệt độ môi liệu đã bị nam châm hút hết về phía đáy cốc. trường càng cao (trời nằng to). Điều này Kết quả sau khi gạn bỏ nước và sấy, hiệu suất chứng tỏ vật liệu GO hỗn hợp với cả Fe3O4 và thu hồi đạt 98%. Điều này chứng tỏ vật liệu Al2O3 là mẫu vật liệu có khả năng hấp thu chế tạo được có khả năng thu hồi tốt. nhiệt và dẫn nhiệt tốt nhất trong các mẫu vật Sau khi thu hồi, vật liệu được rửa bằng nước liệu tổng hợp được. 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 Khi tăng hàm lượng vật liệu phân tán trong trưng giống với các đỉnh của vật liệu ban đầu. 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 o cao trên 80 C thì khả năng hấp thu nhiệt lại trên cơ sở GO là: Al2O3/GO, Fe3O4/GO và giảm. Điều này có thể giải thích là nhiệt độ Fe3O4-Al2O3/GO. Kết quả phân tích bằng phổ cao và hàm lượng chất hấp thu lớn dẫn đến các FT-IR, X-ray, SEM, EDX đã chứng tỏ sự tạo hạt này có xu hướng hút kết tụ với nhau tạo thành của các vật liệu. Kết quả đo khả năng thành các hạt lớn hơn và lắng xuống dưới, vì hấp thu cho thấy các vật liệu khi dùng phối vậy làm giảm khả năng hấp thu nhiệt và dẫn hợp cho hiệu quả hấp thu nhiệt hơn khi dùng nhiệt. Kết quả cho thấy, ở hàm lượng 1,5 đơn lẻ. Fe3O4-Al2O3/GO cho hiệu quả hấp thu mg/ml của Fe3O4-Al2O3/GO thì mẫu thí cao nhất (chênh lêch nhiệt độ giữa mẫu trắng nghiệm có kết quả hấp thu nhiệt cao nhất. Tuy và mẫu có phân tán vật liệu nồng độ 0,5 nhiên, để tiết kiệm chi phí và giảm sự kết tụ mg/mL là 6oC và 8oC tương ứng. Kết quả khảo khi dùng thời gian dài có thể dùng nồng độ sát sự ảnh hưởng của hàm lượng đến khả năng chất hấp thu trong nước là 0,5mg/ml. hấp thu nhiệt của vật liệu và khảo sát sự ảnh Kết quả khảo sát sự ảnh hưởng của cường hưởng của cường độ ánh sáng đến khả năng độ ánh sáng đến khả năng hấp thu nhiệt hấp thu nhiệt của vật liệu cho thấy khi tăng Kết quả trên cho thấy, vật liệu Fe3O4- nồng độ hơn 1.5mg/mL thì hiệu suất hấp thu Al2O3/GO với hàm lượng 1,5 mg/ml có khả giảm khi chiếu sáng lâu hơn 80 phút và khi 16
5. 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 thu hồi 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. 17